水生蔬菜對不同程度富營養化澇池水體的凈化作用
——以菠菜和水芹為例

張 帥, 高照良,2, 趙 莼, 周富宇, 李永紅, 蘇 媛, 馮志倩

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院大學, 北京 100049)

澇池是水資源短缺的西北農村地區為了攔蓄雨水而修筑的一種池塘，具有防治水土流失，修復自然生態，防洪減災等顯著的生態效益和實用價值[1]。黨的十九大明確提出實施鄉村振興戰略，全面開展鄉村水環境治理和修復[2-3]，陜西省更是將澇池列為“黃河流域生態保護和高質量發展”及“十三五”關中水系生態恢復水土保持建設的重要工程。但近年來由于地表徑流、養殖廢水直接排放以及化肥大量施用等原因，造成N，P等營養元素含量過多，導致澇池水體嚴重富營養化[4]。相關調查顯示，關中地區78.2%的澇池出現不同程度的水體富營養化現象[5]；楊凌示范區8個澇池水體均為劣Ⅴ類水質[6]。然而目前針對澇池水體的研究多停留在其演變特征的分析、生長季地下水動態變化、富營養化程度等方面[7]，對于澇池水體治理的關注較少。水體治理的方法包括物理方法、化學方法和生物方法等。傳統的物理法和化學法所需費用高、設施復雜、易帶入其他污染物，不適宜鄉村現狀。利用植物修復技術來凈化富營養化水體是目前行之有效的生態治理措施[8-10]。Zhao等學者[11-13]的研究表明，香根草、鳳眼蓮、菖蒲等水生植物對富營養化水體中TN，TP的去除率可達85.3%～96.7%和83.1%～96.5%，但水生植物僅考慮到對水體污染物的凈化，難以資源化利用，易形成二次污染，還存在冬季凈化難等問題。水生蔬菜不僅可以高效去除富營養化水體中污染物[14-15]，減少環境污染；還能回收利用富營養化水體中的N，P等營養資源[16]，產生經濟價值，而且可以多茬種植，適宜農村現狀，從而受到研究人員的廣泛關注[17-20]。菠菜(Spinaciaoleracea)和水芹(Oenanthejavanica)均為最有價值的綠色蔬菜之一，具有利尿，鎮靜，促凝，緩和，潤腸和其他有益特性，可以加工成各種產品，如浸劑或治療性蔬菜汁等。盡管利用水生蔬菜凈化富營養化水體具有減少污染和作物生產的雙重優勢，但目前缺乏以富營養化澇池水體為研究對象種植水生蔬菜的科學研究數據。因此本試驗以菠菜和水芹為試驗材料，通過模擬富營養化的澇池水體環境，采用浮床栽培的方式研究菠菜和水芹對富營養化澇池水體的凈化效果，以期為水生蔬菜等經濟植物應用于西北農村地區富營養化封閉水體的生態修復提供新的思路和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

菠菜(Spinaciaoleracea)，品種為亨達利，高抗病耐抽苔，其生命力旺盛，生長快；根系發達，株型整齊；全國各地普遍栽培，是我國北方春季的重要蔬菜之一。選擇生長良好，高度4 cm左右的幼苗進行試驗。水芹(Oenanthejavanica)，品種為賽雪白芹，葉柄嫩白粗壯，實心；葉片綠色，香味濃，肉質細膩；易栽培，產量高，經濟效益好，有較好的適應性、抗病性，是一種深受消費者喜愛的喜涼性綠葉蔬菜。全國各地均有種植，是冬季主要蔬菜之一。選擇長勢一致，高度5 cm左右的幼苗進行試驗。

試驗用水采用人工配置富營養化澇池水體的方式，水體主要成分由(NH4)2SO4，KNO3和KH2PO4提供，其余營養成分根據10%Hoagland營養液進行配置[21]。水體中氮、磷初試濃度是以陜西省楊凌示范區周邊澇池中N，P含量的實際測定值為依據來配置的[5]。試驗水體配置在一大桶中進行，向盛滿去離子水的桶中加入營養鹽，混勻后分至栽培水箱中。本試驗水體共設置高、中、低3個濃度梯度(均屬于劣Ⅴ類水)，試驗開始時測定水體中N，P濃度，具體濃度詳見表1。

表1 富營養化澇池水體氮磷初始濃度

試驗所用生態浮床由植物、泡沫浮板和定植海綿3部分組成，以塑料水箱作為栽培容器，生態浮床尺寸為40 cm×30 cm×30 cm。試驗栽培設置和試驗生態浮床裝置如圖1—2所示。

圖1 試驗栽培方式示意圖

圖2 供試生態浮床裝置示意圖

1.2 試驗設計

試驗于2019年10—11月在西北農林科技大學塑料大棚內進行。供試的菠菜和水芹均采購于陜西某蔬菜基地，用清水清洗根系，于1 mmol/L的CaSO4·2H2O溶液中饑餓培養2 d，然后選擇生長良好、長勢基本一致的幼苗移栽至上述3種富營養化水體，每個水箱種植幼苗9株，分別以不栽培植物為對照，每個處理重復3次。日均溫度為9～20 ℃之間，自然光照。每日定時曝氣2 h，以保證水體溶解氧等條件一致。每7 d為1個周期，采1次水樣進行水體中N，P濃度的測定，并用去離子水補充蒸發、植物蒸騰及采樣等消耗的水分。

1.3 測定方法

1.3.2 去除率和每周期日平均去除速率的計算 計算公式為：

去除率(%)=(C0-C1)/C0

式中：C0為初始水樣的濃度(mg/L)；C1為試驗結束時水樣的濃度(mg/L);

每周期日平均去除速率〔mg/(L·d)〕=(Cd1-Cd2)/7 d

式中：Cd1為某一周期開始時水樣的濃度(mg/L);Cd2為某一周期結束時水樣的濃度(mg/L)。

1.4 數據分析

本試驗應用Microsoft Excel和SPSS 22.0進行數據統計、分析及繪圖，結果以平均值±標準差(Mean±SD)表示。

2 結果與分析

2.1 2種水生蔬菜對富營養化澇池水體中銨態氮的凈化效果

圖3 試驗水體中水體濃度變化

2.2 2種水生蔬菜對富營養化澇池水體中硝態氮的凈化效果

圖4 不同處理試驗水體濃度變化

2.3 2種水生蔬菜對富營養化澇池水體中總氮的凈化效果

N是造成水體富營養化的主要控制因素，利用植物的吸收除N是治理水體富營養化的重要手段。圖5為試驗水體中TN濃度隨時間變化的的折線圖。由圖5可以看出，第1—28 d時菠菜的3個處理TN濃度均持續下降，但此后T1，T2處理輕微上升，T3處理持續下降；試驗結束時3個處理TN濃度分別降低了6.82，15.49，32.18 mg/L。菠菜對照組TN濃度緩慢降低，變化趨勢不明顯，試驗結束時TN平均去除率僅為17.5%。水芹的T1處理在第1—7 d時TN濃度迅速下降，7 d后波動下降；T2處理在第1—21 d迅速下降，第21 d后波動下降；T3處理則在整個試驗期間持續下降(圖5)。水芹的對照組在試驗期間對TN的去除效果同樣不佳，平均去除率僅為對照組平均去除率的27.6%。說明菠菜和水芹均對富營養化澇池水體中的TN有顯著的凈化效果。

圖5 不同處理試驗水體TN濃度變化

2.4 2種水生蔬菜對富營養化澇池水體中磷酸鹽的凈化效果

圖6 不同處理試驗水體濃度變化

2.5 2種水生蔬菜對富營養化澇池水體中總磷的凈化效果

圖7為試驗水體中TP濃度隨時間變化的的關系圖。由圖7可以發現，在第1—28 d時菠菜T1，T2，T3處理的TP濃度以較大幅度持續下降，第28—35 d下降變慢，試驗結束時TP濃度分別為0.070 mg/L，0.155 mg/L，0.394 mg/L；CK1，CK2，CK3的TP濃度則在第1—35 d期間呈波動下降趨勢，但下降幅度較小。水芹T1，T2，T3處理的TP濃度在第1—35 d持續下降；對照組TP濃度波動降低，試驗結束時對照組的TP濃度是處理組的的2.1～2.8倍(圖7)。說明栽培菠菜和水芹的處理組能高效凈化富營養化澇池水體中的TP。

圖7 不同處理試驗水體TP濃度變化

2.6 2種水生蔬菜對富營養化澇池水體中總氮、總磷的去除率

從表2可以看到，隨N濃度升高，菠菜和水芹對TN的去除率均呈逐漸升高趨勢，去除率分別為78.61%～97.07%和88.37%～96.95%；在未栽培植物的對照組中，TN的去除率最高僅為33.36%，最低僅有6.06%，遠低于栽培植物的處理組。隨著試驗水體P濃度由1.855 mg/L上升至6.020 mg/L，菠菜去除率逐漸下降，但處理組的去除率均超過93%；水芹去除率則呈上升趨勢，由T1處理的77.63%上升至T3處理的82.08%，但其去除率全面劣于菠菜。菠菜和水芹對照組的TP去除率同樣遠低于處理組，其平均去除率僅為32.88%。說明菠菜和水芹對富營養化澇池水體中的N，P都具有良好的凈化效果，但不同植物的生長情況不同，對各種營養物質的需求和吸收效率存在很大差異；根據澇池水體的富營養化水平選擇適宜的植物能更加高效的吸收N，P，凈化水體。

表2 菠菜、水芹對TN，TP的去除率 %

2.7 2種水生蔬菜對富營養化澇池水體中總氮、總磷的每周期日平均去除速率

圖8為試驗水體中TN，TP每周期日平均去除速率圖。可以發現，菠菜和水芹的TN，TP每周期日平均去除速率均隨水體中N，P濃度的升高而加快且顯著高于對照處理(p<0.05)。菠菜和水芹的TN每周期日平均去除速率變化有明顯的區別。菠菜試驗開始后逐步升至最高水平，在后兩個周期(21—35 d)保持在低速率；水芹則在第一周期就達到最高速率，此后波動下降，在第5周期(28—35 d)的去除速率顯著高于菠菜。計算菠菜和水芹在整個試驗期間的TN日平均去除速率可以發現，水芹總體TN日平均去除速率優于菠菜。菠菜和水芹的TP每周期日平均去除速率均呈波動變化，菠菜的去除速率極值達0.397 mg/(L·d)遠高于水芹，計算菠菜和水芹在整個試驗期間的TP日平均去除速率發現，菠菜在各處理下對TP的去除速率均大于水芹。以上表明水芹對TN的去除速率好于菠菜，而菠菜對TP的去除速率快于水芹。

圖8 不同處理試驗水體TN，TP每周期日平均去除速率

3 討 論

N，P等營養物質是導致水體富營養化的重要因子，同時又是植物生長發育必需的大量營養元素。它們在水體中的濃度不僅直接關系著水體富營養化程度，也會影響植物的生長和代謝，進而影響植物凈化富營養化水體的效果。本試驗發現，隨富營養化澇池水體N濃度升高，菠菜和水芹對TN的去除率均呈升高趨勢，平均去除率分別達89.4%和93.6%，與段婧婧等[22]人的研究相似，高于菱角[23](55.82%～86.55%)、豆瓣菜[8](78.27%)等。而隨水體P濃度升高，菠菜對TP去除率下降，但其去除率均超過93%，這與Jin等[24]人對菠菜的研究結果相似，還表明在適宜的TP濃度水體中菠菜會呈現較高的TP去除率，而T2，T3處理的P濃度已經超過了菠菜對P的耐受性，TP去除率呈現下降趨勢[25]。水芹對TP去除率雖然上升，但其平均去除率僅為79.8%，與莧菜(78.53%)相似，高于生菜等水生蔬菜[26]。這表明不同蔬菜對N，P的吸收機理和需求有差異。2種蔬菜在不同N，P濃度水平下，日均去除速率均為：T3>T2>T1，這與趙鴻哲[27]的研究結果相似。同時還發現，水芹3個處理的TN每周期日平均去除速率在試驗初期即達到最大值，顯然能更加快速的適應模擬澇池水體的N營養環境，雖然最大值低于菠菜，但在N消耗至較低水平(1 mg/L)時，去除速率仍能達到0.2 mg/(L·d)。菠菜的TP每周期日平均去除速率無論是最大值還是平均值都高于水芹。這些說明不同蔬菜對不同濃度N，P營養環境的適應能力有明顯差異，水芹更能適應廣泛的N濃度水平，在N濃度水平較低時依舊能保持較快的去除速率，而菠菜則在對水體中P去除速率上展現出優勢。

4 結 論

(2) 菠菜對富營養化澇池水體中TN的去除率為78.61%～97.07%，對TP的去除率93.46%～97.07%；水芹對富營養化水體中TN的去除率為88.37%～96.95%，對TP的去除率77.63%～82.08%。說明菠菜和水芹對富營養化澇池水體中N，P具有良好的凈化效果，且N，P濃度越高，凈化效果越好。

(3) 菠菜和水芹的對水體中N，P的去除率和日均去除速率均顯著高于對照，對N去除率和日均去除速率為：水芹>菠菜，對P去除率和日均去除速率為：菠菜>水芹。表明菠菜和水芹可以快速有效的凈化富營養化澇池水體，可用于富營養化澇池水體的生態修復；在本試驗條件下水芹對水體中N的去除效果更好，菠菜對水體中P去除效果更佳。