水生蔬菜對不同程度富營養(yǎng)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(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

澇池是水資源短缺的西北農(nóng)村地區(qū)為了攔蓄雨水而修筑的一種池塘，具有防治水土流失，修復(fù)自然生態(tài)，防洪減災(zāi)等顯著的生態(tài)效益和實(shí)用價(jià)值[1]。黨的十九大明確提出實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，全面開展鄉(xiāng)村水環(huán)境治理和修復(fù)[2-3]，陜西省更是將澇池列為“黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展”及“十三五”關(guān)中水系生態(tài)恢復(fù)水土保持建設(shè)的重要工程。但近年來由于地表徑流、養(yǎng)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(yǎng)元素含量過多，導(dǎo)致澇池水體嚴(yán)重富營養(yǎng)化[4]。相關(guān)調(diào)查顯示，關(guān)中地區(qū)78.2%的澇池出現(xiàn)不同程度的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象[5]；楊凌示范區(qū)8個(gè)澇池水體均為劣Ⅴ類水質(zhì)[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(dòng)態(tài)變化、富營養(yǎng)化程度等方面[7]，對于澇池水體治理的關(guān)注較少。水體治理的方法包括物理方法、化學(xué)方法和生物方法等。傳統(tǒng)的物理法和化學(xué)法所需費(fèi)用高、設(shè)施復(fù)雜、易帶入其他污染物，不適宜鄉(xiāng)村現(xiàn)狀。利用植物修復(fù)技術(shù)來凈化富營養(yǎng)化水體是目前行之有效的生態(tài)治理措施[8-10]。Zhao等學(xué)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(yǎng)化水體中TN，TP的去除率可達(dá)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(yǎng)化水體中污染物[14-15]，減少環(huán)境污染；還能回收利用富營養(yǎng)化水體中的N，P等營養(yǎng)資源[16]，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且可以多茬種植，適宜農(nóng)村現(xiàn)狀，從而受到研究人員的廣泛關(guān)注[17-20]。菠菜(Spinaciaoleracea)和水芹(Oenanthejavanica)均為最有價(jià)值的綠色蔬菜之一，具有利尿，鎮(zhèn)靜，促凝，緩和，潤腸和其他有益特性，可以加工成各種產(chǎn)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(yǎng)化水體具有減少污染和作物生產(chǎn)的雙重優(yōu)勢，但目前缺乏以富營養(yǎng)化澇池水體為研究對象種植水生蔬菜的科學(xué)研究數(shù)據(jù)。因此本試驗(yàn)以菠菜和水芹為試驗(yàn)材料，通過模擬富營養(yǎng)化的澇池水體環(huán)境，采用浮床栽培的方式研究菠菜和水芹對富營養(yǎng)化澇池水體的凈化效果，以期為水生蔬菜等經(jīng)濟(jì)植物應(yīng)用于西北農(nóng)村地區(qū)富營養(yǎng)化封閉水體的生態(tài)修復(fù)提供新的思路和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

菠菜(Spinaciaoleracea)，品種為亨達(dá)利，高抗病耐抽苔，其生命力旺盛，生長快；根系發(fā)達(dá)，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(jìn)行試驗(yàn)。水芹(Oenanthejavanica)，品種為賽雪白芹，葉柄嫩白粗壯，實(shí)心；葉片綠色，香味濃，肉質(zhì)細(xì)膩；易栽培，產(chǎn)量高，經(jīng)濟(jì)效益好，有較好的適應(yīng)性、抗病性，是一種深受消費(fèi)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(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)用水采用人工配置富營養(yǎng)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(yǎng)成分根據(jù)10%Hoagland營養(yǎng)液進(jìn)行配置[21]。水體中氮、磷初試濃度是以陜西省楊凌示范區(qū)周邊澇池中N，P含量的實(shí)際測定值為依據(jù)來配置的[5]。試驗(yàn)水體配置在一大桶中進(jìn)行，向盛滿去離子水的桶中加入營養(yǎng)鹽，混勻后分至栽培水箱中。本試驗(yàn)水體共設(shè)置高、中、低3個(gè)濃度梯度(均屬于劣Ⅴ類水)，試驗(yàn)開始時(shí)測定水體中N，P濃度，具體濃度詳見表1。

表1 富營養(yǎng)化澇池水體氮磷初始濃度

試驗(yàn)所用生態(tài)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(tài)浮床尺寸為40 cm×30 cm×30 cm。試驗(yàn)栽培設(shè)置和試驗(yàn)生態(tài)浮床裝置如圖1—2所示。

圖1 試驗(yàn)栽培方式示意圖

圖2 供試生態(tài)浮床裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年10—11月在西北農(nóng)林科技大學(xué)塑料大棚內(nèi)進(jìn)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(yǎng)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(yǎng)化水體，每個(gè)水箱種植幼苗9株，分別以不栽培植物為對照，每個(gè)處理重復(fù)3次。日均溫度為9～20 ℃之間，自然光照。每日定時(shí)曝氣2 h，以保證水體溶解氧等條件一致。每7 d為1個(gè)周期，采1次水樣進(jìn)行水體中N，P濃度的測定，并用去離子水補(bǔ)充蒸發(fā)、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(jì)算 計(jì)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(yàn)結(jié)束時(shí)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(shí)水樣的濃度(mg/L);Cd2為某一周期結(jié)束時(shí)水樣的濃度(mg/L)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)應(yīng)用Microsoft Excel和SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析及繪圖，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種水生蔬菜對富營養(yǎng)化澇池水體中銨態(tài)氮的凈化效果

圖3 試驗(yàn)水體中水體濃度變化

2.2 2種水生蔬菜對富營養(yǎng)化澇池水體中硝態(tài)氮的凈化效果

圖4 不同處理試驗(yàn)水體濃度變化

2.3 2種水生蔬菜對富營養(yǎng)化澇池水體中總氮的凈化效果

N是造成水體富營養(yǎng)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(yǎng)化的重要手段。圖5為試驗(yàn)水體中TN濃度隨時(shí)間變化的的折線圖。由圖5可以看出，第1—28 d時(shí)菠菜的3個(gè)處理TN濃度均持續(xù)下降，但此后T1，T2處理輕微上升，T3處理持續(xù)下降；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)3個(gè)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(yàn)結(jié)束時(shí)TN平均去除率僅為17.5%。水芹的T1處理在第1—7 d時(shí)TN濃度迅速下降，7 d后波動(dòng)下降；T2處理在第1—21 d迅速下降，第21 d后波動(dòng)下降；T3處理則在整個(gè)試驗(yàn)期間持續(xù)下降(圖5)。水芹的對照組在試驗(yàn)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(yǎng)化澇池水體中的TN有顯著的凈化效果。

圖5 不同處理試驗(yàn)水體TN濃度變化

2.4 2種水生蔬菜對富營養(yǎng)化澇池水體中磷酸鹽的凈化效果

圖6 不同處理試驗(yàn)水體濃度變化

2.5 2種水生蔬菜對富營養(yǎng)化澇池水體中總磷的凈化效果

圖7為試驗(yàn)水體中TP濃度隨時(shí)間變化的的關(guān)系圖。由圖7可以發(fā)現(xiàn)，在第1—28 d時(shí)菠菜T1，T2，T3處理的TP濃度以較大幅度持續(xù)下降，第28—35 d下降變慢，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)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(dòng)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(xù)下降；對照組TP濃度波動(dòng)降低，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)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(yǎng)化澇池水體中的TP。

圖7 不同處理試驗(yàn)水體TP濃度變化

2.6 2種水生蔬菜對富營養(yǎng)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(yuǎn)低于栽培植物的處理組。隨著試驗(yàn)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(yuǎn)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(yǎng)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(yǎng)物質(zhì)的需求和吸收效率存在很大差異；根據(jù)澇池水體的富營養(yǎng)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(yǎng)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(yàn)水體中TN，TP每周期日平均去除速率圖。可以發(fā)現(xiàn)，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(qū)別。菠菜試驗(yàn)開始后逐步升至最高水平，在后兩個(gè)周期(21—35 d)保持在低速率；水芹則在第一周期就達(dá)到最高速率，此后波動(dòng)下降，在第5周期(28—35 d)的去除速率顯著高于菠菜。計(jì)算菠菜和水芹在整個(gè)試驗(yàn)期間的TN日平均去除速率可以發(fā)現(xiàn)，水芹總體TN日平均去除速率優(yōu)于菠菜。菠菜和水芹的TP每周期日平均去除速率均呈波動(dòng)變化，菠菜的去除速率極值達(dá)0.397 mg/(L·d)遠(yuǎn)高于水芹，計(jì)算菠菜和水芹在整個(gè)試驗(yàn)期間的TP日平均去除速率發(fā)現(xiàn)，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(yàn)水體TN，TP每周期日平均去除速率

3 討 論

N，P等營養(yǎng)物質(zhì)是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的重要因子，同時(shí)又是植物生長發(fā)育必需的大量營養(yǎng)元素。它們在水體中的濃度不僅直接關(guān)系著水體富營養(yǎng)化程度，也會(huì)影響植物的生長和代謝，進(jìn)而影響植物凈化富營養(yǎng)化水體的效果。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨富營養(yǎng)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(dá)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(jié)果相似，還表明在適宜的TP濃度水體中菠菜會(huì)呈現(xiàn)較高的TP去除率，而T2，T3處理的P濃度已經(jīng)超過了菠菜對P的耐受性，TP去除率呈現(xiàn)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(jī)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(jié)果相似。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，水芹3個(gè)處理的TN每周期日平均去除速率在試驗(yàn)初期即達(dá)到最大值，顯然能更加快速的適應(yīng)模擬澇池水體的N營養(yǎng)環(huán)境，雖然最大值低于菠菜，但在N消耗至較低水平(1 mg/L)時(shí)，去除速率仍能達(dá)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(yǎng)環(huán)境的適應(yīng)能力有明顯差異，水芹更能適應(yīng)廣泛的N濃度水平，在N濃度水平較低時(shí)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(xiàn)出優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

(2) 菠菜對富營養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)化澇池水體，可用于富營養(yǎng)化澇池水體的生態(tài)修復(fù)；在本試驗(yàn)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。