文章信息
- 刘冉, 甘淳丹, 赵海燕, 陆诗敏, 吴昊, 梁永红, 郑青松, 刘兴国
- LIU Ran, GAN Chundan, ZHAO Haiyan, LU Shimin, WU Hao, LIANG Yonghong, ZHENG Qingsong, LIU Xingguo
- 四种大型湿地植物对水产养殖废水中矿质元素和重金属富集特征的影响
- Accumulation characteristics of mineral nutrients and heavy metals in aquaculture wastewater by four species of large wetland plants
- 南京农业大学学报, 2017, 40(5): 859-866
- Journal of Nanjing Agricultural University, 2017, 40(5): 859-866.
- http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201701024
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文章历史
- 收稿日期: 2017-01-11
2. 农业部渔业装备与工程重点开放实验室, 上海 200092;
3. 江苏省互联网农业发展中心, 江苏 南京 210036;
4. 江苏省耕地质量与农业环境保护站, 江苏 南京 210036
2. Key Laboratory of Fishery Equipment and Engineering, Ministry of Agriculture, Shanghai 200092, China;
3. Agricultural Development Center of Jiangsu Internet, Nanjing 210036, China;
4. Jiangsu Station of Cultivate-Land Qualitative and Agro-Environmental Protection, Nanjing 210036, China
近年来, 我国池塘养殖业发展迅猛, 随着规模化池塘养殖业的发展, 环境方面的负效应也日益突出。水产养殖密度过大导致的养殖环境明显恶化, 饲料的过度投放造成严重的水体富营养化和铜、锌、镉等重金属元素积累等复合污染问题, 这直接影响水产品品质, 限制了养殖业的可持续发展[1]。如何有效修复养殖污水, 提高水体质量, 带动水产养殖业的可持续发展是目前研究的一个热点领域。当前养殖业中, 处理养殖污水的方法主要有物理修复、化学修复和生物修复。物理修复处理污水主要通过对池塘换水、清淤、沉淀、过滤等方法, 化学修复则是施用化学试剂等转化污染物。这些方法成本高, 且对水资源会造成二次污染[2]。
人工湿地是一种新兴的通过模拟自然湿地机制的人工生态工程化的废水处理技术, 这种系统可以利用物理、化学和生物的协同作用对养殖污水进行净化, 作用更加稳定, 且投资小、能耗低、运行管理方便[1, 3]。其中大型植物是人工湿地的基本组成部分[4-5]。利用植物修复是一种绿色环保、低成本、节能节约的污水处理技术[6], 通过对一些植物生物量的去除, 尤其是大型植物和根茎类植物等, 从而达到高效去除污染物的目的[7-10]。人工湿地中植物修复已成功地用于减轻环境污染, 如去除废水中种类繁多的污染物:养分、重金属、有机物、悬浮物和病原体等[11-13]。近些年来, 湿地水资源与功能恢复的研究逐渐受到重视, 人们开始强化湿地生物资源保护与可持续利用的研究, 不再局限于保护和扩展自然湿地, 而是更多的在应用中根据需要建设湿地并将其推广应用[1, 3]。
目前, 国内外对生态净化工程研究大多集中在人工湿地模型或中试水平, 主要在室内静止条件下进行研究, 且大多研究在起步状态, 相关文献资料很少。在室外动态条件下同时比较不同类型植物的氮、磷吸收, 重金属积累和水质净化能力以及季节变化影响的探索更少[14]。对大规模的生态净化湿地研究也极为匮缺[15]。室内静止条件下与室外动态条件往往会存在较大的差异。本研究以中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所、农业部渔业装备与工程重点开放实验室的淡水养殖三泖基地为试验场所, 2015年不同季节采集该基地潜流湿地中4种大型湿地植物美人蕉(Canna indica)、鸢尾(Iris tectorum)、芦苇(Phragmites australis)和再力花(Thalia dealbata), 研究这些植物对养殖废水中氮、磷、钾、钙、镁及其众多微量元素和重金属元素的积累特性, 以期为构建人工湿地中潜流湿地植物组合提供更好的植物种植方案。了解不同植物对污水中不同污染物的互补富集效果, 为构建有针对性的生物修复工程提供技术和数据支持。
1 材料与方法 1.1 试验地点与材料采集本研究以中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所、农业部渔业装备与工程重点开放实验室的淡水养殖三泖基地为试验基地, 该基地生态工程化池塘循环水养殖系统由3个15 000 m2养殖池塘, 1 500 m2潜流湿地, 2 500 m2生态塘和500 m2生态沟渠组成(图 1), 池塘养殖品种主要是草鱼和团头鲂, 另外还搭配养殖鲢鱼、鳙鱼、鲫鱼等[16]。分别于春季(2015-04-20)、夏季(2015-07-20) 和秋季(2015-10-20) 采集该基地潜流湿地中4种大型湿地植物美人蕉(Canna indica)、鸢尾(Iris tectorum)、芦苇(Phragmites australis)和再力花(Thalia dealbata)的地上部, 每种植物随机选取6株, 分成3个重复, 即每个重复2株。采集后迅速110 ℃杀青, 75 ℃条件下烘干至恒质量, 待测。
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图 1 生态工程化池塘循环水养殖基地示意图 Figure 1 Flow chart of the ecological engineering recirculating pond aquaculture base |
把烘干至恒质量的样品用精确度为1 mg的天平(ESJ182-4, 天津)称质量, 植株地上部相对生长速率(RGR)计算公式[17]为:RGR(mg·g-1·d-1)=(Mt-M0)×1 000/M0/处理时间。式中:M0:初始植株地上部干质量(g), 如4月20日或7月20日的植株地上部干质量(g); Mt:最终植株地上部干质量, 如7月20日或10月20日取样的植株地上部干质量。
1.3 植株元素含量的测定把烘干的植株样品磨碎后过40目不锈钢筛, 得到待用的干样品。参照文献[18]的方法进行测定:植株氮和磷的测定采用H2SO4-H2O2方法消解。采用流动注射分析仪(AutoAnalyer AA3, 德国)测定样品氮含量; P、K、S、Na、Fe、Zn、Al、Cu、Cr、Cd、Pb、Mn等元素含量则采用ICP原子发射光谱仪(Agilent Technologies 710, 美国)进行测定[19]。地上部元素积累量(mg)=元素含量(mg·g-1)×地上部干质量(g)
1.4 数据处理与统计分析采用Microsoft Excel 2013软件和SPSS 13.0软件进行试验数据的统计和相关性分析, 采用Duncan′s两因素新复极差测验法(P < 0.05) 进行显著性分析。
2 结果与分析 2.1 不同时期潜流湿地中植物地上部生物量的变化2015年1月20日, 潜流湿地中美人蕉、鸢尾、芦苇和再力花地上部全部枯死。随着春季的到来, 残留在地下部的植物根部再次发出新芽, 逐渐成为幼苗。2015年4月20日(春季)取样发现, 4种植物抗寒性均不强, 植株生物量偏小。其中芦苇寒冷解除后恢复生长相对较强, 其地上部干质量明显高于其他3种植物(图 2-A)。除了芦苇以外, 鸢尾和再力花干质量无显著差异, 而美人蕉恢复生长最弱, 其干质量明显低于其他3种植物, 分别为鸢尾、芦苇和再力花地上部干质量的49%、28%和46%。2015年7月20日取样发现, 4种植物均明显生长, 尤其是美人蕉, 其相对生长速率(RGR)显著高于其他3种植物, 地上部干质量也最大, 显著大于再力花, 前者生物量是后者的1.2倍, 鸢尾、芦苇和再力花之间生物量差异不显著。鸢尾和再力花的RGR差异不显著, 而芦苇RGR最低(图 2-B)。2015年10月20日取样发现, 美人蕉、鸢尾、芦苇和再力花地上部干质量比为2.1:1.0:1.3:1.7(图 2-A), 而它们的RGR差异则更显著(图 2-B)。
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图 2 不同时期潜流湿地美人蕉、鸢尾、芦苇和再力花地上部干质量(A)和相对生长速率(B)的比较 Figure 2 Comparison of above-ground biomass(A)and relative growth rate(B)of Canna indica, Iris tectorum, Phragmites australis and Thalia dealbata in different period harvested from subsurface flow wetlands 同一时期不同处理间不同小写字母表示数据差异显著(P < 0.05)。Values by the different small letters among different treatments at the same period are significantly different at 0.05 level. The same as follows. |
从图 3可知:4月20日取样时, 不同植物地上部氮含量无显著差异, 7月20日取样, 鸢尾地上部氮含量最高, 其次是再力花, 再次是美人蕉, 而芦苇氮含量最低。4月20日取样, 芦苇地上部氮积累量明显高于其他植物, 分别是美人蕉、鸢尾和再力花地上部积累量的3.6、1.9和1.6倍。7月20日鸢尾地上部氮积累量最高, 分别是美人蕉、芦苇和再力花地上部积累量的1.4、1.9和1.3倍。10月20日取样, 美人蕉地上部氮积累量最高, 分别是鸢尾、芦苇和再力花地上部积累量的1.8、1.3和1.2倍。
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图 3 不同时期潜流湿地美人蕉、鸢尾、芦苇和再力花地上部氮含量(A)和地上部氮积累量(B)的比较 Figure 3 Comparison of above-ground N content(A)and N accumulation(B)of C.indica, I.tectorum, P.australis, and T.dealbata in different period harvested from subsurface flow wetlands |
从图 4可知:4月20日取样, 美人蕉和再力花地上部磷含量无显著差异, 鸢尾和芦苇地上部磷含量无显著差异, 但是前两者明显高于后两者。7月20日和10月20日取样分析发现, 美人蕉地上部磷含量要显著高于鸢尾, 而芦苇和再力花地上部磷含量均低于美人蕉和鸢尾。在春季取样, 芦苇植株地上部磷积累量最高, 其次是再力花, 再次是鸢尾, 美人蕉最低。夏季和秋季取样, 美人蕉植株磷积累量要远远高于其他3种植物, 其次是鸢尾, 再次是再力花, 而芦苇地上部磷积累量最低。10月20日取样分析表明, 美人蕉植株地上部磷积累量分别为鸢尾、芦苇和再力花的2.4、3.7和3.1倍。
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图 4 不同时期潜流湿地美人蕉、鸢尾、芦苇和再力花地上部磷含量(A)和地上部磷积累量(B)的比较 Figure 4 Comparison of above-ground P content(A)and P accumulation(B)of C.indica, I.tectorum, P.australis, and T.dealbata in different period harvested from subsurface flow wetlands |
4月20日和7月20日取样时发现美人蕉地上部钾含量最高, 其次是再力花, 再次是鸢尾, 芦苇地上部钾含量最低。10月20日取样分析发现, 美人蕉地上部钾含量依然最高, 鸢尾和再力花地上部钾含量无显著差异, 芦苇地上部钾含量依然最低(图 5-A)。在春季取样时芦苇和再力花植株钾积累量显著高于其他2种植物(图 5-B)。而夏季和秋季取样时, 美人蕉植株钾积累量均为最高, 其次是再力花, 再次为鸢尾, 芦苇地上部钾积累量最低。10月20日取样分析表明, 美人蕉地上部植株钾积累量分别为鸢尾、芦苇和再力花的4.0、9.6和2.8倍。
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图 5 不同时期潜流湿地美人蕉、鸢尾、芦苇和再力花地上部钾含量(A)和地上部钾积累量(B)的比较 Figure 5 Comparison of above-ground K content(A)and K accumulation(B)of C.indica, I.tectorum, P.australis, and T.dealbata of different period harvested from subsurface flow wetlands |
从植株地上部积累能力看, 美人蕉和芦苇地上部富集各类金属能力比较强, 尤其是芦苇(表 1)。芦苇在富集S、Fe、Al、Cr、Cd、Pb的效率均明显高于其他3种植物; 美人蕉地上部在积累Mg、Zn、Cu、Na、Al、Cd有很强的竞争能力; 再力花具有明显的富集Mn的竞争优势。整体上说, 鸢尾地上部在富集Mg方面具有明显的竞争优势。以10月20日取样分析可知:美人蕉对N、P、K、Mg、Zn、Cu、Na、Al、Cd共9个元素上积累能力最强, 而鸢尾仅仅对Ca的积累最优, 芦苇对Fe、Al、Cr、Cd、Pb 5个元素积累最优, 再力花仅仅对Mn的积累最优(表 2)。
| 元素 Elements |
植株地上部元素含量/(μg·g-1) Element content of above-ground plant | |||
| 美人蕉C.indica | 鸢尾I.tectorum | 芦苇P.australis | 再力花T.dealbata | |
| Ca | 3 533.00±123b | 12 591.00±989c | 5 529.00±434a | 3 724.00±265b |
| Mg | 2 554.00±270a | 2 469.00±320a | 1 111.00±100c | 1 450.00±120b |
| S | 1 744.00±270c | 1 281.00±192d | 3 794.00±213a | 2 565.00±174b |
| Zn | 37.76±3.65a | 20.69±2.95b | 17.77±2.11b | 18.58±2.05b |
| Fe | 165.10±10.60c | 155.90±11.20c | 297.50±19.30a | 214.60±18.80b |
| Cu | 7.83±0.85a | 4.67±0.38b | 4.37±0.41b | 2.25±0.19c |
| Na | 5.45±0.47a | 2.24±0.26c | 0.46±0.06d | 3.08±0.28b |
| Al | 0.10±0.03a | 0.05±0.02b | 0.11±0.02a | 0.05±0.02b |
| Cr | 3.66±0.38c | 5.97±0.55b | 19.60±2.88a | 2.93±0.21d |
| Cd | 0.29±0.04a | 0.13±0.02b | 0.35±0.05a | 0.00±0.00c |
| Mn | 92.00±10.60c | 63.20±7.89d | 141.00±12.40b | 187.00±19.20a |
| Pb | 2.29±0.26b | 2.33±0.15b | 3.83±0.35a | 1.05±0.15c |
| Hg | — | — | — | — |
| 注:同行不同小写字母表示数据差异显著(P < 0.05), “—”代表未检测到数据。 Note: Values by the different small letter in the same row are significantly different at 0.05 level. “—”represents not detected data. The same as follows. | ||||
| 元素 Elements |
植株地上部元素积累量/mg Element accumulation of above-ground plant | |||
| 美人蕉C.indica | 鸢尾I.tectorum | 芦苇P.australis | 再力花T.dealbata | |
| Ca | 263.00±21.2b | 447.00±26.5a | 262.00±15.3b | 216.00±14.5c |
| Mg | 190.00±15.60a | 87.70±7.87b | 52.70±5.65c | 86.00±6.56b |
| S | 130.00±12.60c | 43.70±7.87d | 180.00±15.60a | 152.00±10.60b |
| Zn | 2.81±0.32a | 0.73±0.06c | 0.84±0.06c | 1.10±0.09b |
| Fe | 0.17±0.03c | 5.54±0.24b | 14.10±1.32a | 12.70±1.71a |
| Cu | 0.58±0.08a | 0.17±0.03bc | 0.21±0.03b | 0.13±0.03c |
| Na | 0.41±0.47a | 0.08±0.26c | 0.02±0.06d | 0.18±0.28b |
| Al | 0.007±0.002a | 0.002±0.000c | 0.005±0.001ab | 0.003±0.001bc |
| Cr | 0.27±0.04b | 0.21±0.05bc | 0.93±0.08a | 0.17±0.03c |
| Cd | 0.02±0.04b | 0.005±0.02a | 0.02±0.00b | 0.00±0.00c |
| Mn | 6.84±0.34b | 2.25±0.27c | 6.67±0.36b | 11.10±0.65a |
| Pb | 0.18±0.03a | 0.08±0.02b | 0.19±0.03a | 0.06±0.02b |
| Hg | — | — | — | — |
在潜流湿地生长的美人蕉、芦苇、鸢尾和再力花冬季地上部均枯死, 春季芦苇的地上部生物量要明显高于其他3种植物, 芦苇在寒冷逐渐解除后恢复生长方面要明显高于其他3种植物, 其次是鸢尾和再力花, 美人蕉春季恢复生长时间较其他3种植物迟。鸢尾有很好的耐寒越冬能力。张建旗等[20]研究也表明, 水生鸢尾的抗寒性要明显高于水生红花美人蕉和水生黄花美人蕉, 且其生长期长, 因此净化污水的时期长, 年度去除率高, 因此鸢尾的选择也有极为重要的价值。Engloner[21]研究表明芦苇在春季对低温具有较高的适应性。随着气温的升高, 美人蕉的生长速率明显加快, 鸢尾和再力花其次, 芦苇的长势变缓, 7月下旬4种植物生物量差异不大。秋季, 4种植物长势产生差异, 美人蕉依然保持最高的生长速率, 其次为再力花。
植物氮、磷积累量大小由生长量和植物内氮、磷平均含量决定。作为观赏性花卉, 美人蕉株型大, 对水体中氮、磷元素有很强的去除能力, 去污和苗圃功能兼具, 也常常被用为集成式生态浮床的主要植物之一[22]。徐德福等[23]研究表明, 美人蕉、菩提子、凤眼莲和芦苇对氮、磷都有较好的吸收能力。陈秋夏等[24]研究表明, 美人蕉的氮、磷含量在18种植物中分别排13位和16位, 且单株美人蕉氮含量最高, 其次是千屈菜和蒲苇; 单株美人蕉磷含量排第5, 仅次于千屈菜、薏苡、水烛和菖蒲。本研究中, 美人蕉地上部因为生物量占据优势, 其植株地上部富集氮的能力明显高于鸢尾、芦苇和再力花。美人蕉地上部磷含量和磷积累量均显著高于其他3种植物。但是在春季, 美人蕉由于地上部生物量明显偏小, 其地上部氮、磷含量虽然很高, 但是地上部的氮、磷积累均显著低于其他3种植物。除美人蕉外, 地上部植株积累氮的能力由大到小依次是再力花、芦苇和鸢尾。焦蓉婷[25]研究发现, 在利用几种植物对工厂废水处理厂尾水进行净化的试验中, 美人蕉和再力花对氮的去除效果最好, 其中美人蕉对氮的去除率高于再力花。本研究中, 地上部植株积累磷的能力由大到小依次是美人蕉、鸢尾、再力花和芦苇。Wang等[26]也发现在利用湿地植物处理污水时, 美人蕉对水中氮、磷去除能力显著高于鸢尾。在不同类型的污水修复过程中, 我们的研究结果和前人的研究结果[24-26]基本一致。美人蕉不仅对氮、磷有很强的富集能力, 其地上部单株钾和镁的积累量均最高, 再力花地上部单株钾和镁的积累量仅次于美人蕉, 鸢尾镁含量也很高。鸢尾地上部钙积累量要明显高于其他3种植物。
水产养殖密度过大导致的养殖环境明显恶化, 不仅水体富营养化, 而且重金属元素等污染问题同样日益凸显。通过植物地上部积累作用从而去除污染环境中重金属的研究已经成为国内外研究的热点, 通过水生植物修复水环境中重金属污染也得到更多的关注[27]。董小霞等[28]选取再力花、美人蕉、水烛、旱伞草、梭鱼草、慈姑、菖蒲、水葫芦和大薸作为试验植物, 构建以高效净化重金属污染水体为主要功能的组合式水生植物高效净化系统(人工湿地+生态浮床+水生植物塘3个处理单元串联而成), 研究表明9种水生植物对重金属Cu、Pb和Cd的累积量较高, 尤其是生物塘系统中的水葫芦和大薸。Hu等[29]结合菖蒲建立生态污泥浮床发现该浮床不仅可以有效清除氮、磷、叶绿素a, 还可以有效清除重金属。本研究表明美人蕉在积累Zn、Cu、Na、Al、Cd等有明显的竞争优势, 地上部含量和地上部总积累量都要明显超越其他3种植物。美人蕉对Cd、Cr、Mn的积累能力也很突出, 经常被应用到矿区修复土壤, 美人蕉根部的菌根真菌在植株吸附Cu、Zn过程中发挥了很大作用[30]。谢红霞[31]的研究表明, 互花米草的根系虽然能积极的吸收重金属, 但其却有效地阻止了重金属的向上迁移。本研究发现, 芦苇地上部对富集Fe、Al、Cd、Cr、Pb等具有很强的竞争优势。周宁晖[32]研究也显示芦苇对水体中的Pb积累效果明显高于香蒲、灯芯草、水葱、菱草、早伞草等植物。
本研究表明美人蕉和芦苇的生物修复能力较强, 鸢尾和再力花修复能力较差。具有粗壮根系和发达不定根是美人蕉和芦苇生物修复能力很强的重要原因。而鸢尾的根系相对欠发达, 净化污水的效果要差一些。再力花在元素的广谱吸收上没有优势, 但是对N、K、Mg、S、Fe、Mn积累水平上有显著的作用, 因此再力花为优良的净水植物。Zhao等[33]研究表明, 在净化河道污染中, 再力花可大量富集N、P、C、S等元素。
本研究中潜流湿地4种植物对养殖废水中不同的污染物的吸附能力各有侧重, 对氮素的富集能力都很强。此外, 美人蕉对P、K、Mg、Zn、Cu、Na等的富集能力特别强, 而鸢尾对P、Ca、Mg等富集能力比较强, 芦苇对S、Fe、Al、Cr、Cd、Pb等富集能力很强, 再力花对S、Mn的富集能力较强。美人蕉对养殖废水中诸多元素的总积累量要明显强于鸢尾、芦苇和再力花, 其次是芦苇。我们推断不同植物混种可以达到更好的净化效果。如何安排不同植物的种植比例, 以及其混合种植修复环境的生态学机制有待于进一步探讨。
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