全 文 ：密度和收割对水蕹菜净水效果的影响
黄海平，谢从新，何绪刚，胡 雄，李 佩，陈 见，张 松
(华中农业大学水产学院，武汉 430070)
摘要:通过在水桶试验中设置 2 种不同处理方式(密度和收割) ，研究水蕹菜(Ipomoea aquatic Forsk)对富营
养水质的净化特性及效果。结果表明:室外培养 12 d，高密度组(10 g /L)对 NO －2 、NO
－
3 、PO
3 －
2 、TN、TP和 Chl-
a的平均去除率最高，分别为 90． 88%、93． 98%、98． 96%、82． 36%、88． 89%和 89． 33%，显著高于对照组(0 g /
L) ;收割有助于刺激植物加速分蘖、促进植物对 N、P元素的吸收固定，并改善水体的 DO;水蕹菜组织 N、P含
量在试验前后发生变化，并与生长水体中的 N、P浓度呈正相关关系;植物固定对水体中 N、P 去除的贡献率
与植菜密度呈正相关关系，占高密度组水体中 TN、TP去除总量的 52． 05%和 40． 41%，为试验组水体中 N、P
去除的主要途径。
关键词:水蕹菜;水质净化;密度;收割;植物固定
doi:10． 3969 / j． issn． 1007-9580． 2012． 01． 005
中图分类号:S949 文献标识码:A 文章编号:1007-9580(2012)01-022-07
收稿日期:2012-01-14 修回日期:2012-02-05
基金项目:现代农业产业技术体系建设专项资金资助(NYCYTX-49)
作者简介:黄海平(1985—) ，男，硕士研究生，研究方向:水产养殖环境。E-mail:hhping2010@ sina． cn
通讯作者:谢从新(1952—) ，男，教授，主要从事鱼类学，渔业环境与资源，养殖生态等领域的研究和教学工作。
E-mail:xiecongxin@ mail． hzau． edu． cn
随着我国水产养殖业的快速增长，水体富营
养化导致的环境问题日益突出，依靠浮床植物对
水体进行原位修复的生物浮床(biological floating
raft)净水技术逐渐兴起［1-5］。常见的生物浮床系
统由浮床植物、框体、床体和基质 4 部分构成，其
中，植物对生物浮床的净水能力起决定性作
用［6］。近 20 年来，国内研究人员已在不同水域环
境条件下对 130 余种陆生植物的净水能力进行了
研究［2-5，7］。
水蕹菜(Ipomoea aquatica Forsk) ，俗称空心
菜或竹叶菜，为一年生经济植物，因具备喜湿耐
热、繁殖力强、适宜浮植、经济易得等优点而成
为热门研究对象。目前，水蕹菜作为浮床植物
已被运用于浅水廊道［3］、工业和生活废水［8-9］、
重污染河道［10］、养殖池塘［11-12］等水体的净化试
验中，并取得良好效果。但由于水域条件、浮床
构造、试验周期及配套设施等的差异，各研究者
所得出的净化效果较为悬殊，缺乏可比性，且多
侧重于净化能力和效果的研究，对营养物质的
去除特征和植物作用的报道较少。基于此，本
文通过设计水桶试验，研究两种常见处理方式，
即不同密度和收割对生蕹菜净水效果的影响，
分析各处理组营养物质的去除特征和植物作
用，以期为水蕹菜在生物浮床中的运用提供更
多的实验数据。
1 材料与方法
1． 1 浮床材料与供试水样
取池塘浮床培育的大叶白梗品种水蕹菜一
批，清除根茎附着物后静水暂养 2 d，选取 28 株植
株完整、生长一致［株重(50． 10 ± 7． 35)g，茎长
(37． 22 ± 5． 97)cm］的备用。试验在容积为 50 L
的钢化桶内进行，雨天可加盖抗扰。浮床载体由
细竹片围成边长为 30 cm的等边三角形覆盖尼龙
网片(网目 4 cm)制成。
供试水样取自精养鱼池，加适量 KNO3、
KH2PO4，以调整其初始氮磷浓度;调整后浓度为:
TN =6． 83 mg /L，TP = 0． 92 mg /L，劣于地表水环
境质量标准(GB 3838—2002)Ⅴ类水标准。
22 《渔业现代化》2012 年第 39 卷第 1 期
1． 2 试验设计
试验于 2010年 9月 4 日—9 月 16 日在室外进
行，共 12 d，试验期间水温为 21． 8 ～27． 2 ℃，适宜水
蕹菜生长。试验按不同的菜水密度比和处理方式，
设置了对照组(0 g /L)、低密度组(5 g /L)、收割组
(5 g /L)和高密度组(10 g /L)，每组设 3个平行。
试验开始时，向各桶加入 20 L 供试水样，放
入浮床，各试验组根据相应的密度将水蕹菜插入
浮床网片中，要求试验期间植物根系始终在水面
以下;对照组仅放置浮床;收割组于试验正式开始
第 2 天以保留水面以上两个茎节为准进行采收。
试验期间不向桶内补水。
1． 3 测定项目与方法
9 月 2 日开始第一次采样，以后每 2 d测定一
次 T、DO、pH、NO2、NO
－
3 、PO
3 －
4 、TN 和 TP，每 4 d
测定一次叶绿素 a(Chl-a)。
测定方法:DO用 EcoSence溶氧仪实时测得;
T和 pH用 HACH58258-00 实时测得;其余指标测
试方法［13］:NO －2 采用分光光度法;NO
－
3 采用酚二
磺酸分光光度法;TN 采用紫外分光光度法;PO3 －4
采用钼酸铵分光光度法;TP采用过硫酸钾消解钼
酸铵分光光度法;Chl-a采用丙酮研磨法。
移栽剩余的 4 株水蕹菜作为初始组，用以衡
量试验植物初始的 N、P 含量。将植物各自分成
根、茎、叶 3 部分测其鲜重，再以两步烘干法(即
105 ℃杀青 30 min，60 ℃烘干至恒重)烘干得其
干重，最后用 H2SO4-H2O2 消解法
［14］测定各组织
的 N、P含量。试验结束时，计算各株植物新增芽
数后，将低密度组和高密度组植物作与初始组相同
的处理;收割组只测定全株(含收割部分)的干鲜
重和 N、P 含量;收集各桶内附着沉积物，然后烘
干、称重，并用 H2SO4-H2O2 消解法测其 N、P含量。
1． 4 数据处理与分析
去除率 R = ［(C0 × V0 － C t × Vt)/(C0 ×
V0) ］× 100%。
式中:C0 为初始时的浓度，mg /L;V0 为初始时的
水体积，L;C t 为结束时的浓度，mg /L;Vt 为结束时
的水体积，L。组织含 N或 P量是指该组织中 N或
P总量与其干重的百分比;植物固定量是指植物组
织中某元素在试验结束时的增量;某因子对水体 N
或 P去除贡献率为该因子 N或 P总量占水体 N或
P降解总量的百分比。
试验数据采用 SPSS16． 0 分析软件在 α =
0. 05 水平下进行方差分析，然后进行组间差异的
多重比较(Duncans) ，其结果以平均值 ±标准差
(x ± SD)表示。
2 结果与分析
2． 1 水蕹菜的生长情况
试验结束时，水蕹菜生长旺盛，各试验组成活
率均达 100%。低密度组、收割组和高密度组的
鲜重分别增加了 46． 24%、33． 76%和 64． 29%，新
生芽数(个 /株)分别为 2． 83、3． 50 和 4． 58。高密
度组的鲜重增长率和新生芽数均显著高于低密度
组(P ＜ 0． 05) ，表明高密度组水蕹菜生长效果更
佳;收割组新生芽数高于具有同等初始植菜密度
的低密度组，表明收割刺激水蕹菜加速分蘖。各
试验组(含初始组)水蕹菜同组织含水率的组间
比较均无显著差异，全株含水率为 87． 90% ～
89. 80%;组织中以茎的含水率最高，达 89. 21% ～
91. 71%，叶、根居其次，分别为 85. 87% ～ 87. 62%
和 85. 32% ～86. 96%。
2． 2 DO、pH和 Chl-a的变化趋势
由图 1 可知，各处理组的 DO 均呈先升后降
的变化趋势，DO 均值的变化趋势为:对照组
(7. 77 mg /L)＞收割组(6. 32 mg /L)＞低密度组
(5. 88 mg /L)＞高密度组(4. 60 mg /L)。试验正
式开始之后，各期测得的对照组 DO 值均显著高
于试验组(P ＜ 0． 01) ;收割组 DO 水平高于低密
度组，但总体差异不显著;高密度组 DO值极显著
低于其他组。该结果表明，植菜显著降低了水体
的 DO 水平，且 DO 水平与植菜密度呈负相关关
系(y = － 0． 316 8x + 7． 667 1，R2 = 0． 248 4) ，收割
有助于改善水体的 DO状况。
图 1 DO变化曲线(P ＜ 0． 05)
Fig． 1 DO variation in different treatment groups (P ＜ 0． 05)
32《渔业现代化》2012 年第 39 卷第 1 期
图 2 显示了试验过程中各处理组 pH 值的
变化规律。由图 2 可知，试验过程中，对照组 pH
值始终高于试验组。高密度组 pH 值随水蕹菜
生物量的增加而呈现缓慢下降趋势，其均值
(7. 73)极显著低于低密度组(8. 92)、收割组
(9. 05)和对照组(9. 56) ;低密度组和收割组两
组间的 pH 值无显著差异，但皆显著低于对照
组。植菜有助于降低水体的 pH 值，pH 值大小
与植菜密度呈负相关关系(y = － 0 ． 222 6x +
9. 829 5，R2 = 0． 690 9)。
图 2 pH变化曲线(P ＜ 0． 05)
Fig． 2 pH variation in different treatment groups(P ＜ 0． 05)
据观察，对照组在试验开始后 6 d 暴发水华，
而试验组的水华仅出现 2 ～ 4 d，且植菜密度越高，
水华暴发量越少、消失越快。试验第 4 天监测结
果显示(图 3) ，对照组 Chl-a 升高了 24． 64%，而
低密度组、收割组和高密度组则分别降低了
32. 78%、12. 16%和 54. 52%;试验后期，浮游藻
类大量死亡沉积，浮游动物和附着藻类成为优势
种群，Chl-a的终去除率分别为:对照组 62． 30%，
低密度组 84． 93%，收割组 81． 71%，高密度组
89. 33%。各组差异显著。
图 3 Chl-a的变化曲线(P ＜ 0． 05)
Fig． 3 Chl-a variation in different water
groups(P ＜ 0． 05)
2． 3 各处理组对营养因子的去除率
图 4 反应了各处理组对富营养因子的最终去
除率。其中，高密度组对 NO －2 、NO
－
3 、PO
3 －
4 、TN和
TP的平均去除率最高，分别为 90． 88%、93． 98%、
98． 96%、82． 36%和 88． 89%，显著高于对照组;
试验组对 NO －2 、NO
－
3 、PO
3 －
4 和 TP 的去除率无显
著差异;收割组对 TN 的去除率显著高于低密度
组。研究发现，水蕹菜对 NO －3 和 PO
3 －
4 去除能力
最强，且具有短期快速吸收效应。试验 4 d，试验
组对 NO －3 的去除率达 90． 7% ～ 94． 9%、对 PO
3 －
4
的去除率达 60． 8% ～97． 5%。
图 4 各处理组对富营养因子的去除率
Fig． 4 Removal rate of accumulation nutritional
factors in different treatment groups
2． 4 水蕹菜各组织的 N、P含量
由表 1 可知，水蕹菜的 3 种组织中，以叶的含
N量最高(3． 15% ～ 4． 51%) ，根次之，茎最低;组
织中含 P 量在试验开始时(即初始组)以茎为最
高，试验结束时则变为最低。全株 N、P 含量的变
化趋势均为:初始组 ＞收割组 ＞低密度组、高密度
组。这表明水蕹菜组织的 N、P 含量在试验前后
发生了显著变化，收割促进了水蕹菜对 N、P 元素
的吸收固定。研究还发现，水蕹菜组织 N、P 含量
的变化趋势与其生长水体中 N、P 浓度变化趋势
具有一致性。
2． 5 各因子对水体 N、P去除的贡献率
试验将水体中 N、P去除的因子归为 4 类:植
物从水体中吸收营养元素并固定到组织中的植物
固定作用;凋亡藻细胞沉积(主要)、悬浮有机物
沉积(部分)及后期出现的少量附着藻类生长而
从水体中去除 N、P的附着沉积作用;因采样引起
的采样移除作用;未测定部分。
42 《渔业现代化》2012 年第 39 卷第 1 期
表 1 水蕹菜各组织的 N、P含量
Tab． 1 Nitrogen and phosphorus ratio in different tissues of Ipomoea aquatica
组 织 初始 低密度 收割 高密度
根
N/% 4． 6 ±0． 26a 2． 59 ±0． 09b — 2． 89 ±0． 13b
P /% 0． 274 ±0． 006a 0． 285 ±0． 012a — 0． 258 ±0． 010b
茎
N/% 2． 99 ±0． 29a 1． 82 ±0． 36b — 1． 46 ±0． 12b
P /% 0． 396 ±0． 005a 0． 183 ±0． 014b — 0． 185 ±0． 005b
叶
N/% 4． 51 ±0． 40a 3． 15 ±0． 12b — 3． 19 ±0． 13b
P /% 0． 268 ±0． 017a 0． 187 ±0． 019b — 0． 194 ±0． 004b
全株
N/% 3． 77 ±0． 005a 2． 32 ±0． 14c 2． 97 ±0． 23b 2． 29 ±0． 15c
P /% 0． 334 ±0． 002a 0． 212 ±0． 010c 0． 272 ±0． 014b 0． 206 ±0． 007c
注:同一行数值的上标字母不同，表示数值之间差异显著(P ＜0． 05)
图 5 列出了 4 个处理组中各因子对水体 N、P
去除的贡献率(%)。由图可知，附着沉积是对照
组水体中 N、P去除最主要的途径，其作用与植菜
密度呈负相关关系;植物固定分别占高密度组水
体中 N、P去除总量的 52． 05%和 40． 41%，比收割
组分别高出 17． 53%和 10． 73%，比低密度组分别
高出 22． 41%和 18． 19%，表明植物固定对水体中
N、P的去除率与植菜密度呈正相关关系;未测定
部分对水体中 N、P 去除的贡献率在各组中差异
显著，并与植菜密度呈正相关关系。
图 5 各因子对水体 N、P去除的贡献率
Fig．5Df erent factors contribution rate for nitrogen and phosphorus removal in water
3 讨论
(1)浮床植物吸收的营养元素来自于水体，
因此植物的生长与水体的营养盐浓度密切相
关［1］。研究结果表明，水蕹菜组织 N、P 含量在试
验前后存在显著变化，并与其生长水体中的 N、P
浓度呈正相关关系。说明水蕹菜对不同富营养化
水平的水体具有良好的净化效果［2，5］，与马来眼
子菜［15］、川蔓藻［16］、穗花狐尾藻［17］和苦草［18］等
沉水植物净水效果的专家研究结果相一致。
密度是以决定浮床植物生物量的大小来影响
浮床系统净水效果的。在一定范围内，密度越高，
浮床植物生物量越大，对水体营养物质的竞争能
力越强，对浮游植物的抑制作用越显著，综合净化
效果也越好［1，3，7］。本试验结果与该规律相符。
高密度组水蕹菜增长率最高，对 DO、pH 和 Chl-a
的抑制作用最显著，对各富营养因子的去除作用
最强。
(2)浮床净水能力的传统评价方法是以水体
三相结构(即“沉积物相—水相—植物相”)［19］中
水相 N、P 的去除率来衡量的。各试验组对富营
养因子(如 NO －2 、NO
－
3 、PO
3 －
4 和 TP)的去除率差
异不显著，以传统评价标准衡量，密度差异对水蕹
菜的净水效果基本无显著差异。但研究表明，各
处理组对营养物质的去除特征和植物作用存在显
著差异。
(3)低密度组中，植物固定对水体 N、P 的去
除贡献率仅为 29． 64%和 22． 22%，该结果与李大
成［20］在静态运行条件下的物料衡算结果(31． 8%
和 26． 7%)相近，以浮游植物凋亡、悬浮有机物沉
52《渔业现代化》2012 年第 39 卷第 1 期
积和附着藻类吸收的附着沉积途径是该组营养物
质去除的主导因子;在高密度组中，植物固定占水
体中 N、P去除总量的 52． 05%和 40． 41%，此结果
与周小平等［4］的室内研究结果较相近，为该组营
养物质去除的主导因子。植物固定对水体中 N、P
去除的贡献率与植菜密度呈正相关关系，附着沉
积对水体中 N、P 去除的贡献率与植菜密度呈负
相关关系，表明提高植菜密度有助于减少附着沉
积物的产生，进而降低附着沉积物向水体释放营
养盐而造成“二次污染”的概率［10］。
(4)未测定部分可能包含微生物［21］、气态逸
散［22］和材质吸收［23］等作用，其中微生物占主导作
用。植菜密度越高，水蕹菜可为微生物提供的附着
表面积越大［21］，由根系的泌氧和呼吸作用所产生
的根区环境更为复杂———可为不同 DO 需求的微
生物提供适宜的生存环境［24］。因此，植菜密度越
高，未测定部分对水体中 N、P去除的贡献率越高。
(5)收割是生物浮床生产管理的重要环节之
一［25］。主要体现在:一是可将固定到植物组织中
的营养元素从被净化的水体中移出;二是可将收
获的产品出售以实现经济效益;三是有助于将浮
床植物生物量控制在一定范围内，避免过高的植
物负荷对水生动物造成消极影响。因此，收割是
否会对植物的净水效果造成影响成为浮床管理中
关注的焦点之一。研究结果显示，在较短的周期
内，收割确实抑制了水蕹菜生物量增长，但同时也
促进了水蕹菜的分蘖及对 N、P 元素的吸收固定;
收割组对 NO －2 、NO
－
3 、PO
3 －
4 和 TP 的去除率与低
密度组并无显著差异，甚至对 TN 的去除率更高，
由于收割降低了水蕹菜的覆盖度，对浮游植物的
抑制作用减弱，因此，收割组对 Chl-a 的去除率显
著低于低密度组，这有助于改善水体的 DO状况，
对水生动物的生存有积极意义。 □
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(下转第 39 页)
62 《渔业现代化》2012 年第 39 卷第 1 期
Design of a wireless water environment monitoring system
based on ZigBee in aquaculture
HUAN Juan1，2，LIU Xing-qiao1，CHENG Li-qiang1，SUN Lei-ba1，LI Cheng-chun1
(1 School of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China;
2 School of Information Science，Changzhou University，Changzhou 213164，China )
Abstract:Monitoring the living environment of fish accurately and quickly plays an important role in the
aquaculture industry． The water environment monitoring in aquaculture has the characteristics of multi-
measuring points，long measuring time，and high complexity measuring conditions． A new type of wireless
sensor network system for aquaculture based on ZigBee was designed and constructed． This system achieved
the goals of collect，transmit and display multi-parameters，such as dissolved oxygen (DO) ，pH and
temperature． By using wireless sensor network，transmissions of the data between sensor detecting nodes and
coordinate nodes are fast and accurate． The system also enforces real-time remote monitoring． Because of its
simple structure，fast data transmission，easy functional extension，the system is suitable for industrialized
aquaculture．
Key words:ZigBee;wireless sensor network;water environment monitoring system;aquaculture;dissolved
oxygen;pH;
檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿
temperature
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Effects of planting density and harvest of Ipomoea aquatic
on the purification efficiency of eutrophic pond water
HUANG Hai-ping，XIE Cong-xin，HE Xu-gang，HU Xiong，LI Pei，CHEN Jian，ZHANG Song
(College of Fisheries，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China)
Abstract:We use two kinds of treatments (different density and harvest)to study the characteristics and
effects of eutrophic water purification by Ipomoea aquatica in water bucket． The results show，after 12 days
outdoor culture，the removal rate of NO －2 、NO
－
3 、PO
3 －
4 、TN、TP and Chla in high density group (10 g /L)are
90． 88%、93． 98%、98． 96%、82． 36%、88． 89% and 89． 33%，respectively． It means that the high density
group is significantly higher than the control group (0 g /L)． Otherwise，harvest will accelerate the tiller，
promote absorption of nitrogen and phosphorus，and improve the DO in water． The phosphorus and nitrogen
concentration of plant tissue change，it shows positive correlation with the growth of the water body of the
phosphorus and nitrogen． It also shows a positive correlation between the nitrogen removal rate and the density
of plant，the high density group (10 g /L)of Ipomoea aquatica removed the 52． 05% of TN and 40． 41% of
nitrogen，respectively．
Key words:Ipomoea aquatica;water purification;density;reap;plant fixation
93《渔业现代化》2012 年第 39 卷第 1 期