胡清泉 沙茜 杨仁灿 常雅洁 韩敏 赵智勇

摘要：为构建狐尾藻（Myriophyuum verticitlatumL）处理畜禽养殖污水植物工厂治污工艺，研究了人工气候环境下不同光质处理对狐尾藻生长和畜禽养殖污水净化效果的影响。结果表明，红蓝光3：1处理下狐尾藻生物量、净化效率显著高于红蓝光5：1处理、白光处理，与自然光照（CK）之间差异不显著。红蓝光3：1处理、红蓝光5：1处理叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量与自然光照之间差异不显著，而与白光处理之间差异显著。红蓝光3：1处理在生物量、净化效率和光合色素含量上与自然光照相当，是适宜狐尾藻生长的人工光源。

关键词：狐尾藻（Myriophyllum verticillatum L）;LED;光质;生长;净化效率

中图分类号：X171.5

文献标识码：A

文章编号：0439-8114（ 2020） 08-0050-04

D01：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.08.010

光质对植物的生长发育、形态建成、光合作用、物质代谢均有调控作用，通过光质调控，影响植物的形态建成和生长发育。研究表明，波长为610-720nm的红橙光及400-510 nm的蓝紫光是植物生长所吸收的主要光谱[1]。LED（Light emitting diodes）光源由于具有光谱具体、光效高、系统发热少、质量体积较小、寿命较长、占用空间小等诸优势被广泛应用于设施农业植物光照系统组建。近年来，国内外学者已针对生菜、山葵、彩色植物、油菜、百合、韭菜等植物研究了光质对其生长及生化指标的影响[2-7]，表明光对植物的生长发育和生理特性表现出了显著促进效应。不同紅蓝光比例对植物生物量、光合色素、形态品质等方面有显著影响[8]。在人工气候条件下，植物的光合作用所需的光能完全依靠人工光源提供，因此选择适宜的人工光源是十分必要的。

狐尾藻（Myriophyllum verticiltatum L.）由于具有超强的氮磷吸收能力，被作为净水先锋植物广泛应用于畜禽养殖污水的治理中，而这种治理模式往往受季节环境影响变化较大，处理效果不稳定，严重影响了畜禽污水处理的可持续发展。此外，由于畜禽养殖污水量大以及土地资源十分有限，畜禽养殖污水处理效率受到了很大的限制，为此，将在畜禽养殖污水处理中引入植物工厂的理念，构建植物工厂治污系统技术工艺。而光照是影响整个工艺流程的主要因素，对狐尾藻的研究大多集中在光照强度、周期对狐尾藻生长及生化指标的影响上[9.10]，而有关光质对狐尾藻生长的影响鲜见报道。

本试验采用云南省畜牧兽医科学院自主研发的狐尾藻处理畜禽养殖污水植物工厂技术工艺，以自然光照作为对照，研究不同光质对狐尾藻生长及畜禽养殖污水净化的影响，筛选出适合狐尾藻生长及其对畜禽养殖污水最佳降解效率的光质，为狐尾藻处理畜禽养殖污水植物工厂模式构建提供有效的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

试验所用狐尾藻、养殖污水（猪场污水）均采于云南省畜牧兽医科学院畜禽养殖环境控制研究所内。选取长势良好的狐尾藻于20 cm刈割，称取500 G，筐置于清水培养筐（48 cmx35 cmx20 cm）中预培养，培养7d后待用。

1.2 方法

试验于2018年3月17日至2018年5月16日在云南省畜牧兽医科学院畜禽养殖环境控制研究所植物工厂内进行，设4组光源处理，红光蓝光比分别为3：I（BR3：1）、5：I（BR5：1）以及白光，以自然光为对照（CK），每个处理3次重复，光源购自深圳市格乐比光电有限公司。将预培养的狐尾藻置于相同浓度的养殖污水中进行光照培养，污水中，化学需氧量（COD）为1 070.58 mg/L，氨氮（NH3一N）为202.49 mg/L，总氮（TN）为458.58 mg/L，总磷（TP）为17.37mg/L。同一处理放置于一个培养架上，培养架为三层不锈钢结构，光源位于每层顶部，高度可调，培养架间采用遮光板遮挡，防止培养架间光源交叉影响。对照组置于玻璃房中进行试验，所有环境与其他处理组相同，通过在玻璃房顶搭建遮阴网来控制光照强度。于试验0、7、14、21、28、35 d取300 mL污水检测其生化指标，试验结束后称重并计算其相对生长率。植物工厂光照时间为每天14 h，培养温度为25℃，湿度30%-40%，光强均为200 μmol/（m2.s），污水每4h循环1次，每次2h。试验期间用水补充蒸发培育过程中的水分至标定的刻度线，同时观察狐尾藻的生长状况。

1.3 测定指标及方法

取不同处理天数养殖污水500mL检测其COD、NH3-N、TN、TP等生化指标，CODCr采用重铬酸钾法测定，NH3-N采用纳氏试剂光度法测定，TN采用过磷酸钾氧化法测定，TP采用钼酸铵分光光度法测定[11]。试验结束后整盘移出，控干水分，称其鲜重，并计算相对生长率。随机从每个处理中剪切20株苗，将其叶片混匀后，测定叶绿素含量，检测方法参照张志良等[12]的乙醇和丙酮混合提取法。

相对生长率（R）=（末重一始重）×100/始重xl00%

1.4 数据处理

采用DPS和Excel统计软件对数据进行整理、统计分析及图表制作。数据均以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 不同光质及配比对狐尾藻生物量的影响

生物量是植物长势状况的重要指标，不同光质对狐尾藻生物量有不同的影响，其结果见表1。由表1可以看出，不同配比的红蓝光质对狐尾藻生物量影响不同。BR3：1处理与CK相比，生物量差异不显著，与BR5：1处理、白光处理相比差异显著。BR5：1处理与白光处理相比，其生物量差异不显著。

从不同光质下狐尾藻生物产生量来看，CK和BR3：1处理生物量最大，分别为2 555.19、2 531.20g。CK生物量分别比BR5：1处理、白光处理高54%、62%。BR3：1处理生物量分别比BR5：1处理、白光处理高53%、60%。BR3：1处理与CK的生物量相当。对于相对生长率来说，CK和BR3：1处理的生长率最大，分别为411.02%和406.23%，白光处理的生长率最小，为216.22%。表明相同质量的狐尾藻，在光质BR3：1光照下狐尾藻的生物产生量与自然光（CK）光照下狐尾藻的生物产生量相当，达到最大产生量，而白光光照下生物量最小。

2.2 不同光质对狐尾藻叶绿素含量的影响

狐尾藻叶片中叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量在各光质处理间表现趋势基本一致（图1）。叶绿素a含量BR3：1、BR5：1处理与CK相比差异不显著，而与白光处理之间差异显著，白光处理分别比CK、BR3：1、BR5：1处理低13.77%、10.53%、7.03%。叶绿素b含量各处理组间差异不显著，但以CK处理含量最高，为0.53mg/g，比白光处理高0.10mg/g。叶绿素总量各处理组间差异与叶绿素a相似，BR3：1、BR5：1处理与CK相比差异不显著，而BR3：1处理与白光处理差异显著，白光处理分别比CK、BR3：1、BR5：1低13.76%、12.37%、9.45%。总体来说，BR3：1、BR5：1处理叶绿素a、叶绿素b和叶绿素总量与CK自然光下的含量相当，与而白光处理差异存在显著性，由此说明不同红蓝比光质，能有效提高狐尾藻叶片光合色素的含量，而白光不利于光合色素的合成。

2.3 不同光质对狐尾藻降解畜禽养殖污水效率的影响

狐尾藻的生长状态是评价狐尾藻去除畜禽养殖污水效率最为直观的评判标准，狐尾藻生长越好，其去除效率就越高。狐尾藻在BR3：1和自然光照下生长最好，其对畜禽养殖污水的去除效率也最好（表2）。COD、NH3-N、TN在CK、BR3：1、BR5：1处理间差异性是一致的，均表现为CK与BR3：1处理之间差异不显著，而二者均与BR5：1处理间差异显著，BR3：1处理对COD、NH3-N、TN降解效率分别为91.48%、88.12%、91.37%。

在不同光質对狐尾藻COD降解方面，CK和BR3：1处理与BR5：1处理之间差异显著，分别高9.54%和9.39%，与白光处理之间差异也显著，分别高14.79%和14.62%，BR5：1与白光处理之间差异显著。在对氨氮降解方面，CK与BR3：1处理之间差异不显著，CK和BR3：1处理与BR5：1处理之间差异显著，分别高9.70%和8.99%，与白光处理之间差异显著，分别高8.81%和8.11%，BR5：1与白光处理之间差异不显著。在总氮的降解方面，各处理与对COD降解效果一致。而在对总磷的降解方面，不同光质处理组间差异不显著。

BR3：1处理和CK对COD、NH3-N.TN、TP的降解效率最高，说明BR3：1光质下狐尾藻具有较好的降解效率。

3 讨论

3.1 光质对狐尾藻的生长及降解效率的影响

比较了不同LED光质条件下对狐尾藻生长的影响，结果表明，以自然光照作为对照，狐尾藻在BR3：1处理下其生物量显著高于白光下生物量，BR5：1处理的生物量也比白光生物量高68.40 9，这说明不同红光蓝光比例，有利于生物量的增长，且在红光蓝光比为3：1时生物量最高。这与周福君等[13]研究一致。红蓝复合光促进了黄秋葵、油菜、岩白菜、辣椒的鲜重和干重的提高[6，14-16]，红蓝组合光可显著提高农作物生物量。其主要原因是红光增加植物的光合速率[17]并促进光合产物的形成与积累，有利于植物的碳同化作用。

有研究表明水生植物对污染物特别是氮、磷的净化能力主要与其根系发达程度和植株生物量有关，水生植物在其生长水域内构建生态系统，通过物理、化学和生物过程及协同作用驱动TN、NH3-N和TP的转化和降解，进而提高富营养化水体的净化率[18.19]。本研究结果显示，狐尾藻在BR3：1和自然光下生物量最高，从试验开始到结束其对畜禽污水COD、NH3-N、TN、TP的降解效果也最高，这与罗固源等[20]、陈丽丽等[21]的研究结果一致。可见，水生植物生物量越大、根系越发达，对TN、NH3-N和TP的去除能力就越强，由此说明污水中TN、TP的去除率与植物净增生物量呈正相关。

3.2 光质对狐尾藻光合色素的调控

红光和蓝光是驱动光合作用的重要光谱，而光合色素对于植物进行光合作用尤为重要，光合色数的含量和组成与叶片的光合速度密切相关。红光和蓝光可以提高植物叶绿素含量，但不同植物对红蓝光配比光质效应不同[14]。唐大为等[22]研究表明，叶绿素a、叶绿素b及叶绿素（a+b）的含量与红光/蓝光值呈正相关，徐凯等[23]研究表明，叶绿素a、叶绿素b及叶绿素（a+b）的含量与红光/蓝光值呈正负相关。本研究结果显示不同红蓝比光质，能有效提高狐尾藻叶片光合色素的含量，而单一的白光不利于光合色素的合成。叶绿素含量与白光处理相比，BR3：1、BR5：1处理与单一白光处理相比差异显著，说明不同光质配比对狐尾藻叶绿素含量影响显著，与周福君等[13]的研究结果相似。

4 结论

不同光质条件下，狐尾藻的生物量、叶片光合色素和其对污水的降解效率等指标均有不同的光效应。与白光相比，红蓝光能有效促进狐尾藻的生长，并且显著提高狐尾藻的生物量和叶绿素含量。而与自然光照相比，BR3：1对狐尾藻的生长、叶片叶绿素含量及对污水的降解效率均与自然光照相当。本研究结果表明，红蓝光比为3：1的组合光可促进狐尾藻生长和提高对污水的净化效率。本研究结果为今后狐尾藻植物工厂治污的光调控提供了理论依据。后续研究中还需要选择更多红蓝光比例光质，进一步探索红蓝光对狐尾藻生长的作用规律，优化筛选出最佳光源。

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基金项目：农业部农业生态环境保护项目（ 09162110402229）

作者简介：胡清泉（1981-），女，云南昆明人，助理研究员，硕士，主要从事畜禽养殖废弃物的处理与资源化利用的T作，（电话）18788184672（电子信箱）swau023@163.com;通信作者，赵智勇，（电子信箱）zhaozhiyong898@163.com。