周胜杰，路斌，贾婷婷，陶宗龙，张凤东，牛芳娟，刘博帅，陈成勋，通信作者，孙学亮，王庆奎



4种水培植物对富营养化水体中总氮、总磷去除率影响的研究

周胜杰1，路斌1，贾婷婷1，陶宗龙2，张凤东3，牛芳娟1，刘博帅1，陈成勋1，通信作者，孙学亮1，王庆奎1

（1. 天津农学院水产学院天津市水产生态及养殖重点实验室，天津300384；2. 天津市津南区畜牧水产发展服务中心，天津300384；3. 地天亿养殖水产公司，天津300384）

以睡莲、水芹、美人蕉和空心菜4种水培植物为研究对象，比较它们对两种富营养化养殖水（TN＝23.5 mg/L，TP＝1 mg/L；TN＝40.5 mg/L，TP＝2 mg/L）的净化作用。结果表明：4种水培植物对两种养殖水都有除磷、除氮的作用（试验组与空白组有显著差异），在试验168 h后，中度富营养化养殖水中除总氮（TN）率为56%～83%，除总磷（TP）率为80%～81%，高度富营养化养殖水中除TN率为60%～83%，除TP率为80%～85%；4种水培植物对水中TN、TP去除作用的昼夜变化分析发现，去除速率随昼夜变化呈现明显昼升夜降现象。本研究发现，睡莲和美人蕉高效去除TN、TP区间较短，但最终浓度相差较小，二者有比水芹和空心菜更高的去除速率；不同根系对高浓度污染水的抗逆性能不同。

富营养化水体；除磷；除氮；去除速率；水培植物

随着水产养殖行业的迅速发展，集约化养殖、池塘养殖等养殖模式中富营养化污染问题愈发突出。随着养殖时间的增长，水体环境及污泥中养殖动物的排泄物、饲料残渣、溶解态代谢物质、药物制剂等积累量不断升高，这些物质在细菌作用下形成大量的营养盐，导致养殖水富营养化或水质恶化，严重威胁动物健康[1-2]。

水生植物修复是一种将生物方法和生态方法相结合的通用技术，具有耗能低、效果好、生态环保等特点[3]。水生植物通过升腾作用可以吸收部分水体中的营养盐，同时水生植物的根部可以为微生物提供降级营养物质所需要的生存环境和条件[4]。刘文生利用美人蕉净化鳜鱼苗种池塘水体，发现其水体浑浊度远低于对照池[5]。介子林等分别使用陆生植物及水生植物对鳙鱼池塘进行净化处理，结果发现空心菜与大部分陆生植物和水生植物相比，生长更为茂盛，具有较强的适应能力，同时净化效果也最为明显[6]。宋红等比较了灯心草、芦苇和菖蒲3种植物的污染物净化能力，结果发现灯心草、芦苇、菖蒲对污染物均有较好的去除效果。目前，水生植物对养殖水体净化功能的研究相对较多，而对中、高程度富营养化养殖水体的研究相对较少[7]。本研究根据前人的研究基础，采用睡莲、空心菜、美人蕉、水芹菜4种净化功能较好的植物对较高浓度N、P的池塘水体进行净化处理，了解其在中、重度污染环境中的净化效果。同时将4种植物进行比较，以发现净化能力较好的植物并分析原因，为集约化养殖环境的生态修复和治理提供科学理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验选择美人蕉、睡莲、空心菜、水芹菜4种植物。在室外条件下构建防雨塑料棚，试验采用30个200 L塑料水箱进行，塑料水箱规格为100 cm×50 cm×40 cm。

1.2 试验设计

本试验每种植物及每个浓度分别设3组重复，每种浓度设3组空白。富营养化水体采集于天津农学院精养养殖锦鲤水泥池塘内，中浓度营养盐浓度分别为TN：23.5 mg/L、TP：1 mg/L、NH4+－N：15 mg/L、TOC：74 mg/L。高浓度富营养化为TN：40.5 mg/L、TP：2 mg/L、NH4+－N：23.5 mg/L、TOC：76 mg/L。每个水箱分别注入100 L富营养化水，将4种植物分别称重500 g植入塑料泡沫中，放入水面悬浮，泡沫面积低于水与外界接触面积1/3。

试验采集于2014年8月22-29日进行，试验前后分别测定植物干重及湿重（试验前干重测定使用相同质量规格的植物进行测定）。每天早8：00及晚8：00取样，即12 h/次。每次取样100 mL用于水样测定，分别测定TN、TP、TOC、NH4+－N。

1.3 试验方法

将植株样品用去离子水洗净，在105 ℃下杀青固定30 min，再在70 ℃下烘干至恒重，测定其干物质质量。

水样采用紫外分光光度法测定，分别测定NH4+－N、TN、TP[1]。TOC采用岛津TOC分析仪进行测定。

1.4 数据处理与分析

运用excel、spss进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 水培植物在中、高污染水中对TN、TP的去除效果

4种水培植物在中、高浓度污染水中生长旺盛，叶片鲜绿。在试验开始和试验结束时的TN、TP浓度以及去除百分率列于表1和表2。

由表1和表2可知，中浓度污染水中除N率为56%～83%，除P率为80%～81%，高浓度富营养化养殖水中除N率为60%～83%，除P率为80%～85%。该数据表明，水培植物在中、高浓度富营养化养殖水中有明显的除P、除N能力。在中浓度富营养化养殖水中，除N效果为美人蕉＞睡莲＞水芹＞空心菜＞空白，除P效果相同；在高浓度富营养化养殖水中，除N效果为美人蕉＞睡莲＞空心菜＞水芹，除P效果为睡莲＞美人蕉＞空心菜＞水芹＞空白。总体来说，美人蕉和睡莲的除P脱N效果好于水芹和空心菜。除水芹外，其余3种水培植物随营养物质的浓度增加去除率增加。

表1 水培植物在中（TN1）、高（TN2）浓度TN环境下除N效果

表2 水培植物在中（TP1）、高（TP2）浓度TP环境下的除P效果

2.2 水培植物在富营养化养殖水中对N、P的去除速度比较

由表3和表4可知，美人蕉和睡莲达到稳定期所需时间较短，而水芹和空心菜所需时间较长， 4株植物在中度污染水中到达稳定期所需时间少于在高浓度污染水中到达稳定期所需时间。但在高浓度污染水中的氮磷去除速率大与等于低浓度污染水。美人蕉和睡莲在中、高浓度污染水中的除氮速率（0.27、0.22和0.31、0.25）比水芹和空心菜高出一个数量级，除磷速率也明显高于水芹和空心菜。

表3 两种不同浓度富营养化养殖水中TN到达稳定期时间及其在高速去除率时去除速率

表4 两种不同浓度富营养化养殖水中TP到达稳定期时间及其在高速去除率时的去除速率

2.3 中、高浓度污染水中TN、TP和TOC的变化分析

由图1至图6可知，随着试验时间的延长，TN、TP和TOC都呈明显下降趋势，4种水培植物均能有效去除富营养化养殖水中的TN、TP和TOC。

图1 中浓度污染水中TN变化

图2 高浓度污染水中TN变化

图3 中浓度污染水中TP变化

图4 高浓度污染水中TP变化

图5 中浓度污染水中TOC变化

图6 高浓度污染水中TOC 变化

2.4 4种水培植物对中、高浓度污染水中TN和TP去除效果的差异性分析

由表5、表6可知，4种水培植物无论在中浓度或者高浓度污水中，对TN和TP的去除效果均与空白对照呈显著差异。从另一方面说明4种水培植物对中、高浓度污染水的TN、TP有明显去除能力。水芹在高浓度污水中对TP的去除效果与其余3中水培植物呈现显著差异，从侧面说明水芹对TP的去除效果较其余3种差。综合表5和表6可知，美人蕉和睡莲的差异性较小。

表5 水培植物在中（TN1）、高（TN2）浓度TN环境下除氮差异性分析

注：＜0.1差异显著，＜0.05 差异极显著

表6 水培植物在中（TP1）、高（TP2）浓度TP环境下除氮差异性分析

注：＜0.1差异显著，＜0.05 差异极显著

3 讨论

在自然环境下，水体中的营养盐会通过环境中的藻、细菌等微生物的作用渐渐消除，最终达到一个稳定的平衡[8-10]。而水培植物可有效降低水体中的N、P浓度，可在短时间内迅速降低N、P至达到稳定，并且平衡后的浓度低于自然水体[11-15]。水体中浮游动植物可分解大量的营养盐及有机质，同时可为水培植物生长提供大量的营养成分，从而两者建立互利共生关系，形成天然的净水系统。美人蕉和睡莲有发达的块状根，与须状根相比具有更发达的根系，可为浮游动植物及微生物提供良好的生长环境及生存场所，促进其生长的同时促进对水体中N、P、C的充分吸收与固定。在自身降磷、除氮的同时，为植物的生长提供了充足的营养成分，从而促进了水培植物对N、P的吸收，提高吸收效率。发达的根系还可以提高水培植物对水中营养盐的吸收面积，为植物的光合作用和生长提供充足的营养物质，促进水培植物快速生长，促进对营养盐的吸收，进一步提高对N、P的除磷速率。

在水产养殖水域环境中，不同水培植物在进入新环境时的适应能力不同。在高浓度水产养殖水域环境中美人蕉和睡莲有更好的抗逆性和适应能力。在本试验中，4种水培植物均呈现出不同程度的波动，美人蕉和睡莲最先进入稳定期，这可能是由于根系不同。一方面，具有块状根和地下茎的美人蕉和睡莲与须根植物不同，在恶劣的环境下有更强的适应能力，另一方面，由于富营养化养殖水环境中无机盐浓度过高，植物根须腐烂，同时植物通过光合作用吸收水中的N、P，导致养殖水体产生N、P的昼夜浓度波动，植物能够通过光合作用和自身的恢复能力快速修复。在高浓度水产养殖水域环境中，美人蕉和睡莲试验组水体中N、P浓度昼夜波动较小，并最先达到稳定期，说明块状根和地下茎具有较高的恢复能力和适应能力。

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责任编辑：张爱婷

Study of Four Kinds of Hydroponic Plant on Removal Efficiency of Total Nitrogen，Total Phosphorus of Eutrophication Aquaculture Water

ZHOU Sheng-jie1，LU bin1，JIA Ting-ting1，TAO Zong-long2，ZHANG Feng-dong3，NIU Fang-juan1，LIU Bo-shuai1，CHEN Cheng-xun1，Corresponding Author，SUN Xue-liang1，WANG Qing-kui1

（1. Tianjin Key Laboratory of Aqua-Ecology and Aquaculture, College of Fisheries, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2. Jinnan District Livestock and Fisheries Development Center, Tianjin 300384, China; 3. Days Billion to Aquaculture Company, Tianjin 300384, China）

Compared the capability of water purification among various hydroponic plants（L.,（Blume）DC,L. andForsk）in two different aquaculture water（TN＝23.5 mg/L, TP＝1 mg/L；TN＝40.5 mg/L, TP＝2 mg/L）, and the results showed that 4 hydroponic plants had significant ability of removal nitrogen and phosphorus. After 168 h,total nitrogen（TN）removal rate is 56%～83%, andtotal phosphorus（TP）removal rate is 80%～81% in middle eutrophic aquaculture water.Total nitrogen（TN）removal rate is 60%～83%, andtotal phosphorus（TP） removal rate in high eutrophic aquaculture water is 80%～85%.All four different hydroponic plants removal rate of TN and TP rose up in daytime but dropped at night. It also showed that,L. andLhad better removal rate of removal phosphorus and nitrogen than（Blume）DC andForsk.

eutrophication water; phosphorus removal; nitrogen removal; the removal rate; hydroponic plant

1008-5394（2017）01-0044-04

Q945.13

A

2016-01-15

国家星火计划项目“热带观赏鱼循环水养殖技术集成与示范”（2014GA610001）及“水产品健康养殖、加工与质量安全控制产业化示范——淡水鱼优质苗种产业化示范”（2013GA610002）及“水产品健康养殖、加工与质量安全控制产业化示范——团头鲂健康养殖技术示范与推广”（2013GA610002）；天津市科技支撑计划项目“名贵淡水鱼封闭循环式养殖技术开发”（14ZCZDNC00010）

周胜杰（1990-），男，山东济宁人，硕士在读，主要从事渔业资源管理研究。E-mail：zsj_9005@163.com。

陈成勋（1967-），男，天津市人，研究员，学士，主要从事水产养殖及养殖鱼类环境改善研究。E-mail：604804965@qq.com。