2018,
Vol. 27
2. 农业部水产品质量安全环境因子风险评估实验室, 江苏 无锡 214081;
3. 南京农业大学 无锡渔业学院, 江苏 无锡 214081
课题组前期针对池塘水质净化原位修复技术采用循环水养殖[1]和鱼菜共生体系构建[2-3]取得了较好的效果，结果表明空心菜显著降低鲫(Carassius auratus)养殖池塘中水体TP、COD含量[2]；水芹能改善水体中TN、NH4+-N、NO3--N、TP等指标，对水体中TN去除率达到了79.9%，TP去除率为92.5%。近期课题组提出中草药浮床(如鱼腥草Houttuynia cordata Thunb、虎杖Polygonum cuspidatum、薄荷Mentha haplocalyx Briq.等)不仅可用来调控吉富罗非鱼(Oreochromis niloticus GIFT)养殖池塘水质[4]，还能起到增强吉富罗非鱼免疫能力的功效[5]；此外，中草药浮床还能改善池塘微生物群落结构，增强鱼类抗病能力[6]。池塘底质全年持续不断释放氮、磷，若进行清淤或池塘改造需耗费大量人力和财力。“鱼草模式”、“鱼菜模式”等模式虽较为成功，但受养殖品种和季节限制。轮作一方面可利用植物的不同生长阶段(季节)实现全年对池塘水质的净化处理，还能根据池塘的污染特征选择不同的水上植物修复模式(品种、配比)。
目前较为成功的轮作模式有：“鱼藕Nelumbo nucifera Gaertn”模式[7-8]，“鱼草”模式[9]，“虾蟹-油菜Brassica campestris L.”模式等。研究表明多年养殖鱼塘连续种藕2年，其TN、TP和有机质(OM)含量会明显下降[7]，池塘底质微生物多样性增强[8]。水上种植同一植物对不同养殖品种的池塘的水质净化效果不一[2, 4]，不同植物对同一养殖品种池塘的水质净化效果也不一致。不同植物品种的最佳生长季节不一：空心菜、鱼腥草、薄荷、虎杖等适合在夏季进行种植，水芹、黑麦草等在冬季仍能继续生长。池塘轮作修养政策的大范围实施还存在诸多困难，特别是在很多贫困偏远山区难以实现。为了解决池塘老化这一问题，目前对于池塘轮作的基础研究较少，特别是针对具特色的区域型示范养殖基地(不同养殖品种、同一养殖品种不同养殖数量)，轮作对不同养殖模式(品种和数量)污染物去除效果上是否存在差别也不得而知。本试验旨在通过检测“空心菜-水芹”轮作模型能否通过降低池塘中水质和底质环境浓度，探究其能否改善池塘老化现象，进而达到改善水质的目的。
1 材料与方法 1.1 试验设计养殖池塘：针对不同养殖品种，试验基地选择无锡市甘露无公害青鱼养殖基地(养殖青鱼，2.8 hm2，每口塘0.47 hm2，实验e1和对照e0塘各3个重复)和苏州市未来水产养殖场(养殖经济鱼亲本，6 hm2，每口塘0.67 hm2，试验w1、w2和对照w0塘各3个重复)。针对同一养殖品种不同养殖数量，试验选择苏州市未来水产养殖场中投放不同数量花鲢的养殖池塘，试验用池塘水深1.5 m(配备微孔增氧系统)。无锡市甘露无公害青鱼养殖基地e0对照塘和e1空心菜-水芹塘养殖青鱼数量为2 000尾(6 kg/尾)。苏州市未来水产养殖场养殖品种及数量为：青鱼(400尾7.5 kg/尾)、草鱼(300尾5 kg/尾)、白鲢(50尾10 kg/尾)、鲫(300尾1 kg/尾)、鳊鱼(300尾1.5 kg/尾)。w0、w1和w2塘花鲢(20 kg/尾)数量分别为8, 11, 28尾。
浮床种植：试验选用PVC管材料(φ=50 mm)制作浮床，规格为2 m×2 m。浮床两面分别用网孔为30 mm(便于苗扦插)的网片包裹。试验开始前，将预先培育好的空心菜(Ipomoea aquatica)和水芹苗(Oenanthe stolonifera，株高20 cm)，按株行距30 cm×20 cm进行扦插，并将浮床集中固定在池塘中排列整齐，每3个浮床用尼龙绳连接成组。根据前期试验结果，本试验选择在e1、w1和w2塘进行种植，5%(占池塘总面积)作为轮作模型的种植比例。无锡市甘露无公害青鱼养殖基地试验塘初始种植空心菜和水芹的质量分别均为175 kg；苏州市未来水产养殖场试验塘初始种植空心菜和水芹的质量分别均为250 kg。
轮作方式：试验于2016年5月份开始，6—9月份为轮作前期空心菜种植阶段；10月—2017年1月为轮作后期水芹种植阶段。
1.2 试验方法在轮作前期(空心菜)和后期(水芹)种植阶段分别采集水样(五点法)和底泥样本(彼得逊抓斗式采泥器)。采样时间固定为每月18号上午10:00左右。通过采集对照塘、浮床种植区水样2 L，按《水和废水监测分析方法》测量TOC、CODMn、Chl、TN、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP、PO43--P等水质指标；同时采集底泥样本100 g，对底泥样本的TOC、TN、TP进行分析。
水样指标测定按《水和废水监测分析方法》进行[4]。
采取底泥，对2016年6月—2017年1月(5月份投喂饲料较少)底泥中的TOC、TN、TP进行测定，TOC采用重铬酸钾法；TN采用凯氏定氮法；TP采用高氯酸-硫酸消化法。
1.3 统计学分析数据结果表示采用“均值±标准差”，用SPSS 11.0软件进行ANOVA分析(LSD法检验)，P < 0.05认为差异显著，分别用不同小写字母或星号表示。
2 结果与分析 2.1 不同养殖品种比较 2.1.1 轮作前期(空心菜种植阶段)结果表明轮作前期6月份甘露青鱼养殖场空心菜浮床种植区TOC、COD、Chl、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P显著下降(表 1)；7月份TOC、Chl、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P显著下降；8月份TOC、Chl、TN、NH4+-N、NO2--N、NO3--N显著下降；9月份TOC、NH4+-N、NO3--N、TP、PO43--P显著下降。本试验结果说明，空心菜能显著降低甘露青鱼养殖场TOC、Chl、TN、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P等水质指标。
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表 1 无锡市甘露无公害青鱼养殖基地轮作水质指标 Tab.1 Water index in Ganlou herring (Mylopharyngodon piceus) pond by rotation model |
轮作前6月份苏州未来养殖场空心菜浮床种植区TOC、COD、Chl、TN、NO2--N、NO3--N、TP显著下降(表 2)；7月份COD、TN、NO2--N、NO3--N、TP、PO43--P显著下降；8月份TOC、COD、Chl、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP、PO43--P显著下降；9月份TOC、COD、Chl、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP显著下降。本试验结果说明，空心菜能显著降低苏州经济鱼亲本塘TOC、COD、Chl、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP等水质指标。
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表 2 苏州市未来水产养殖场轮作指标总体情况 Tab.2 Water index in Suzhou economic parental fish pond by rotation model |
甘露青鱼养殖场轮作前8月份空心菜浮床种植塘底泥中TOC显著降低(图 1)；空心菜浮床种植塘底泥中TN 6和8月显著降低(图 2)；空心菜浮床种植塘底泥中TP 7—9月均出现了显著降低(图 3)。苏州未来水产养殖场空心菜浮床种植塘底泥中TOC 6—9月出现了显著降低(图 4)；空心菜浮床种植塘底泥中TN 6月、7月、9月出现了显著降低(图 5)；空心菜浮床种植塘底泥中TP7—9月出现了显著降低(图 6)。轮作前期甘露青鱼养殖场和苏州未来水产养殖场合计收获空心菜质量分别为700.35 kg，1 000.2 kg。
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图 1 无锡市甘露无公害青鱼养殖基地轮作塘底泥TOC指标
Fig. 1 TOC index in Ganlu herring (Mylopharyngodon piceus) pond by rotation model
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图 2 无锡市甘露无公害青鱼养殖基地轮作塘底泥TN指标
Fig. 2 TN index in Ganlu herring(Mylopharyngodon piceus) pond by rotation model
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图 3 无锡市甘露无公害青鱼养殖基地轮作塘底泥TP指标
Fig. 3 TP index in Ganlu herring(Mylopharyngodon piceus) pond by rotation model
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图 4 苏州市未来水产养殖场轮作塘底泥TOC指标
Fig. 4 TOC index in Suzhou economic parental fish pond by rotation model
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图 5 苏州市未来水产养殖场轮作塘底泥TN指标
Fig. 5 TP index in Suzhou economic parental fish pond by rotation model
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图 6 苏州市未来水产养殖场轮作塘底泥TP指标
Fig. 6 TP index in Suzhou economic parentalfish pond by rotation model
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轮作后期10月份甘露青鱼养殖场水芹浮床种植区TOC、COD、NH4+-N、PO43--P显著下降(表 1)；11月份TOC、COD、Chl、NH4+-N、NO3--N、TP显著下降；12月份TOC、NO3--N、TP显著下降；2017年1月份TOC、NH4+-N、NO3--N、TP、PO43--P显著下降。本试验结果说明，水芹能显著降低甘露青鱼养殖场TOC、NO3--N、TP等水质指标。
轮作后10月份苏州未来养殖场水芹浮床种植区TOC、COD、Chl、TN、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP显著下降(表 2)；11月份TOC、COD、TN、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP显著下降；12月份TOC、COD、Chl、TN、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP显著下降；1月份TOC、COD、Chl、NH4+-N、NO3--N、TP显著下降。本试验结果说明，水芹能显著降低苏州经济鱼亲本塘TOC、COD、NH4+-N、NO3--N、TP等水质指标。
甘露青鱼养殖场轮作后2016年10月—2017年1月水芹浮床种植塘底泥中TOC、TN和TP显著降低(图 1~3)。苏州未来水产养殖场水芹浮床种植塘底泥中TOC、TP出现了显著降低(图 4，6)；水芹浮床种植塘底泥中TN 10月(w1塘)、12月、1月出现了显著降低(图 5)。轮作后期甘露青鱼养殖场和苏州未来水产养殖场合计收获水芹质量分别为444.5和635.1 kg。
“空心菜-水芹”轮作模式能显著降低养殖池塘水体中TOC、NH4+-N、NO3--N、TP指标和底泥中TOC、TN、TP指标，此轮作模式下不同养殖品种、数量对水质指标存在影响，适合在混养池塘进行示范推广。
2.2 不同养殖数量比较随着花鲢养殖数量的增加，轮作前期6月份Chl、TP浓度依次显著降低，TN和NO2--N在w1和w2间无显著性差异，w1组TOC、COD、NO3--N显著低于w2组；7月份COD、TN、NO2--N、TP和PO43--P在w1和w2间无显著性差异，w1组TOC、NO3--N显著低于w2组；8月份TOC、NH4+-N浓度依次显著降低，COD、NO2--N和PO43--P在w1和w2间无显著性差异，w1组Chl、NO3--N、TP显著低于w2组；9月份COD、Chl、NO2--N、NO3--N、TP在w1和w2间无显著性差异，w1组TOC、NH4+-N显著低于w2组。轮作后期10月份TOC浓度依次显著降低，TN、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP在w1和w2间无显著性差异，w1组COD、Chl显著低于w2组；11月份TOC、NO3--N浓度依次显著降低，COD、TN、NO2--N、TP在w1和w2间无显著性差异，w1组NH4+-N显著低于w2组；12月份TOC、COD、NO3--N浓度依次显著降低，TN、NH4+-N、NO2--N、TP在w1和w2间无显著性差异，w1组Chl显著低于w2组；2017年1月份TOC、COD浓度依次显著降低，Chl、NH4+-N、NO3--N、TP在w1和w2间无显著性差异。
随着花鲢养殖数量的增加，苏州未来水产养殖场底泥TOC指标在12月、1月依次显著降低，但6、9、10月份w1组TOC显著低于w2组；TN指标在12月依次显著降低，但10、1月份w1组TN显著低于w2组；TP指标在1月份依次显著降低，但8月份w1组TP显著低于w2组，在其他月份w1、w2组TP无显著差异。
3 讨论 3.1 轮作模式下不同养殖品种对污染物指标的影响研究表明浮床经济植物能降低水体中的TN、TP含量[2, 4]，课题组研究还表明中草药鱼腥草(H. cordata Thunb)浮床种植能显著降低吉富罗非鱼养殖池塘COD、TN、NO3--N、NH4+-N、TP含量[4]。本试验中，“空心菜-水芹”轮作模式前期(空心菜种植阶段)能显著降低青鱼和经济鱼养殖水体中TOC、Chl、NH4+-N、NO2--N、NO3--N含量，轮作后期(水芹种植阶段)能显著降低水体中TOC、NO3--N、TP含量，这与之前的结果保持一致[2, 4]，并与大水面放养水葫芦(Eichhornia crassipes)对水质环境改善结果相一致[10]。轮作前、后期均能降低不同养殖品种底质中TOC、TN、TP含量，与单独种植水上植物(鱼腥草、虎杖、“鱼腥草-空心菜-鱼腥草”三明治模型)结果相一致。一方面，“空心菜-水芹”轮作模式不仅能降低水环境污染物浓度，还能降低底质的污染物浓度，此外，还能针对不同的养殖品种具有类似的水质和底质净化作用效果。
“空心菜-水芹”轮作前、后期均能造成水环境中TOC、NO3--N含量的降低，原因在于浮床根系能形成生物膜通过生物絮凝作用将水体悬浮物沉降至池塘底部[11]；水上植物能使根系泌氧速率加快[12]，根系形成的微氧环境有利于还原型和氧化型有机氮之间的相互转换。本研究中轮作前期空心菜能造成水环境中Chl、NH4+-N、NO2--N的含量，与之前的结果相一致[2]，证实水体中氮的去除主要通过根际微生物的硝化-反硝化反应来去除[13]。轮作后期水芹造成TP含量降低，不能造成NO2--N含量的降低，与之前的研究结果相一致[14]。虽与水芹能提高污水中脱氮细菌多样性的研究结果不同[15]，但与微曝气生态水芹浮床对污染河水磷的吸收效率结果(18.53%~26.82%)相一致[16]。
3.2 轮作模式下不同养殖数量对污染物指标的影响在同一养殖品种下随着花鲢数量的增加，轮作前期(空心菜)COD、NO2--N在中密度组(w1，11尾)和高密度组(w2，28尾)中无显著差异，w1组TOC、NO3--N显著低于w2组，一方面说明空心菜种植降低NO2--N与投放花鲢的数量无关，且投放过多的花鲢不利于TOC、NO3--N浓度的降低。轮作后期(水芹)TOC能随花鲢数量的增多依次显著降低，但TN、NH4+-N、NO2--N、TP浓度的降低与投放花鲢的数量无对应关系。在此轮作模式下，不同数量花鲢能影响水体中TOC含量，这可能与腐质及细菌数量相关[17]。
3.3 水芹在此轮作模式中的推广应用前景从降磷角度考虑，不管是不同养殖品种，还是不同(花鲢)投放数量，水芹均具备不错的效果。水芹浮床对TP去除效果与水芹密度有关，密度越大效果越好[18]。本研究的水芹种植在10月—次年1月之间(水温较低)，这与低温条件下水芹浮床对富营养化水体的净化效果较好相关[18]，这些结果证实了植物浮床对磷元素的去除主要依靠植物的吸收作用，且存在诸多影响因素[19]。基础数据表明苏州及周边地区青鱼养殖池塘TN超标，混养塘TP和COD超标[20]，本研究中“空心菜-水芹”轮作模式能显著降低青鱼养殖池塘TOC、NO3--N含量，降低苏州经济鱼混养塘TOC、COD、NH4+-N、NO3--N和TP含量，提示“空心菜-水芹”轮作模式适合在混养池塘进行示范推广。如果冬季采用水芹进行水质净化，经济鱼养殖池塘可能需要考虑合理施加磷肥以便于浮游植物的生长[21]。此外，在轮作模式和植物品种选择上，可以考虑中草药(鱼腥草、薄荷Mentha haplocalyx Briq.等)、苏丹草(Sorghum sudanense Stapf)、黑麦草(Lolium perenne L.)，并种植莲藕[22]。
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