全 文 :第 31 卷第 8 期
2011 年 8 月
环 境 科 学 学 报
Acta Scientiae Circumstantiae
Vol. 31,No. 8
Aug.,2011
基金项目:湖北省科技攻关项目(No. 2006AA203A01) ;现代农业产业技术体系建设专项资金资助(No. NYCYTX-49-15)
Supported by the Technology Project of Hubei Province (No. 2006AA203A01)and the Earmarked Fund for Modern Agro-industry Technology Research
System (No. NYCYTX-49-15)
作者简介:李文祥(1973—) ,男,博士,E-mail:liwx@ ihb. ac. cn;* 通讯作者(责任作者),E-mail:zhongjie@ ihb. ac. cn
Biography:LI Wenxiang (1973—) ,male,Ph. D.,E-mail:liwx@ ihb. ac. cn;* Corresponding author,E-mail:zhongjie@ ihb. ac. cn
李文祥,李为,林明利,等. 2011.浮床水蕹菜对养殖水体中营养物的去除效果研究[J].环境科学学报,31(8) :1670-1675
Li W X,Li W,Lin M L,et al. 2011. In situ nutrient removal from aquaculture wastewater by the aquatic vegetable Ipomoea aquatica on floating beds
[J]. Acta Scientiae Circumstantiae,31(8) :1670-1675
浮床水蕹菜对养殖水体中营养物的去除效果研究
李文祥1,李为1,2,林明利1,2,王英雄3,刘家寿1,李钟杰1,*
1. 中国科学院水生生物研究所,武汉 430072
2. 中国科学院研究生院,北京 100039
3. 洪湖市水产技术推广站,洪湖 433200
收稿日期:2010-10-26 修回日期:2010-11-25 录用日期:2010-12-06
摘要:为研究浮床水蕹菜对池塘养殖水质的改善效果,于 2007 年 6 月至 11 月,在 6 个 2000 m2的标准养殖池塘进行了中试研究. 3 个池塘放养
常规鱼类和部分名优鱼类,并利用浮床技术在水面上种植 200 m2的水蕹菜(Ipomoea aquatica) ,另外 3 个池塘放养相同重量的常规鱼类作为对
照塘.实验结果显示,种植塘的渔产量为 1467 kg,显著高于对照塘 1203 kg 的渔产量(p < 0. 05). 对照塘中 TN 去除率为 25. 17%,TP 为
15. 27%;种植塘中 TN去除率为 30. 02%,TP为 21. 68%;种植塘收获水蕹菜鲜重(4000 ± 350)kg,TN去除率为 8. 41%,TP为 4. 85% .在养殖
实验的中后期,种植塘水体的 TN、TP、COD和 Chl a都显著低于对照塘,而透明度显著高于对照塘,溶解氧保持在 5 mg·L -1以上.这种综合养殖
模式不仅能有效改善水质,减少养殖废水对环境的污染,还可提高养殖的经济效益.
关键词:浮床;水蕹菜;养殖废水;营养去除
文章编号:0253-2468(2011)08-1670-06 中图分类号:X703. 1 文献标识码:A
In situ nutrient removal from aquaculture wastewater by the aquatic vegetable
Ipomoea aquatica on floating beds
LI Wenxiang1,LI Wei1,2,LIN Mingli1,2,WANG Yingxiong3,LIU Jiashou1,LI Zhongjie1,*
1. Institute of Hydrobiology,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430072
2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039
3. Honghu Fishery Technical Extension Station,Honghu 433200
Received 26 October 2010; received in revised form 25 November 2010; accepted 6 December 2010
Abstract:To investigate the nutrient removal in an aquaponic system,pilot scale tests were carried out in six earthen ponds of area 2000 m2 from June to
November in 2007. The aquatic vegetable Ipomoea aquatica (200 m2 area)was planted on floating beds in three ponds. The other three ponds without the
vegetable were considered controls. The same fish weight was stocked in the planted and control ponds,but with different fish species. At the end of
experiment,the fish production in planted ponds(1467 kg)was significantly higher than in control ponds(1203 kg) (p < 0. 05). Percentage removal of
total nitrogen (TN)and total phosphorus(TP)by harvested fish in the control ponds was 25. 17% and 15. 27%,respectively. Percentage removal of TN
and TP by harvested fish in the planted ponds was 30. 02% and 21. 68%,respectively. The fresh weight of harvested vegetable was (4000 ± 350)kg;
and the percentage removal of TN and TP was 8. 41% and 4. 85%,respectively. In the middle and late period of the experiment,the contents of chemical
oxygen demand (COD)and chlorophyll a (Chl a)in the planted ponds were significantly lower than in the control ponds,and the transparency was
significantly higher than in the control ponds. The concentration of dissolved oxygen (DO)in planted ponds was higher than 5 mg·L -1 during the
experiment,whereas the concentration of DO in the control ponds decreased sharply in the last month. The results suggested that the water quality could
be improved effectively and a higher fish density could be stocked in the aquaponic system.
Keywords:floating beds;Ipomoea aquatic;aquaculture wastewater;nutrient removal
DOI:10.13671/j.hjkxxb.2011.08.020
8 期 李文祥等:浮床水蕹菜对养殖水体中营养物的去除效果研究
1 引言(Introduction)
含有大量营养物的养殖废水带来的富营养化
问题引起广泛的关注(Carpenter et al.,1998;
Ruenglertpanyakul et al.,2004) ,中国的池塘养殖大
多在开放或半开放的土池中进行,靠投喂大量的人
工配合饲料提高产量,通常饲料中只有 20% ~ 50%
的氮和 15% ~ 65% 的磷被鱼体吸收(Schneider et
al.,2005) ,大量的残饵和鱼类代谢产物都留在池
塘内,破坏水质,甚至引发蓝藻水华(Van Rijn,
1996).为了保持良好的水质,富含营养物的养殖废
水通过换水被排放到湖泊、河流,从而促进了水环
境的富营养化.
养殖废水的生物处理是综合养殖的重要组成
(Siddiqui,2003;Troell et al.,2005) ,在循环水养
殖系统中,构建人工湿地是主要的处理方法,能有
效移除养殖废水中的营养物(Lin et al.,2002;
Naylor et al.,2003;Schulz et al.,2003) ,但人工湿
地需要在养殖单元外建造,在养殖单元内的原位处
理技术应该更适合中国的开放或半开放池塘养殖,
如利用浮床技术在养殖池塘上种植水生蔬菜,即种
菜养鱼系统(Aquaponic system) ,该模式在循环水养
殖系统中是可行的 (丁永良等,1997;Diver,
2006) ,在水泥池的养殖试验中对养殖水质也有明
显改善效果(Li et al.,2009).
水生蔬菜水蕹菜(Ipomoea aquatica)在浮床上
生长迅速,产量高,能有效去除水体中的营养物质
(戴全裕等,1996;刘淑媛等,1999;Sooknah et al.,
2004).本实验将研究浮床水蕹菜对养殖池塘中营
养物质去除效果,以及对水质的净化作用.
2 材料与方法(Materials and methods)
2. 1 鱼种放养和水蕹菜种植
实验在水泥板护坡、土底的标准池塘中进行,
每个池塘面积 2000 m2(3 亩) ,深 2 m,共有 6 个,3
个种植水生蔬菜(种植塘) ,另外 3 个不种植水生蔬
菜(对照塘).种植塘中主要养殖异育银鲫(Carassius
auratus) ,还放养了部分名特鱼类如斑点叉尾鮰
(Ictalurus punctatus)和鳜(Siniperca chuatsi) ,定期投
放小规格的鲢(Hypophthalmichthys molitrix)作为鳜
的饵料鱼,考虑到对照塘在养殖后期的水体溶氧会
较低,没有投放名特鱼类,只放养了异育银鲫和大
规格鲢鱼种,放养鱼种的数量和重量见表 1.
按照池塘的长宽,将浮床设计成 5 m × 40 m 的
长方形,四周和中间用竹竿固定,上面铺上网目为 2
cm的聚乙烯网片. 实验前,用生石灰清塘并灌水至
1. 5 m深,将长方形浮床放入池塘的一边,用绳子固
定,把生长良好的水蕹菜按照 40 cm × 40 cm(行距
×株距)插入网眼中.
养殖实验从 2007 年的 6 月到 11 月,每天早晨
和下午打开投饵机,投喂配合饲料各 1 次,日投喂量
为鱼体重的 2% ~ 5%,每半个月调查鱼的体重,具
体投喂量根据天气和水温,阴雨天和低温天气少投
喂,晴天多投喂. 养殖实验过程中不换水,只补充
水,养殖用水是经过网片过滤的湖泊天然水. 在养
殖中后期,为防止鱼“泛塘”,每天早晨 5 点开增氧
机 1 h.
2. 2 样品采集和测试分析
每个月采集每个池塘的水样 1 次,水体透明度
用萨氏圆盘测定,溶氧和酸碱度分别用便携式溶氧
仪(YSI,550A)和 pH计(HANNA,HI 98127)测定.
水样在 24 h 内送到实验室,用 GF /C 滤膜过滤,滤
膜上的过滤物用丙酮抽提后,用于叶绿素 a(Chl a)
的测定,滤液中的总氨氮 (TAN)、硝酸盐氮
(NO -3 -N)、亚硝酸盐氮(NO
-
2 -N) ,以及水样中的
TP、TN 和化学耗氧(COD)的测定参考国外方法
(Clesceri et al.,1998).
实验结束后,称量水蕹菜和各种鱼的体重,并
测量饲料、鱼体和蔬菜中 TP和 TN含量(黄祥飞等,
1999).
2. 3 统计分析
水蕹菜和鱼对 TN、TP 的去除率用收获与初始
的 TN、TP含量的差值除以总的输入量,输入的营养
物包括初始种植的水蕹菜、放养鱼、投喂饲料中的
TN、TP,养殖用水的营养物含量忽略不计.
种植塘中渔产量和水质参数与对照塘之间的
显著差异采用 Students t-test.
3 结果(Results)
3. 1 养殖结果
实验结束后,排干水捕捞池塘中的鱼,并称量
体重(表 1) ,种植塘的平均渔产量为 1467 kg;对照
塘的平均渔产量为 1203 kg,由于在养殖后期发生蓝
藻水华,导致近 100 kg鲢死亡,影响了总产量.统计
分析显示种植塘的渔产量显著高于对照塘(p <
0. 05).
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环 境 科 学 学 报 31 卷
表 1 种植塘和对照塘中放养和收获鱼的数量、重量和水蕹菜的重量
Table 1 Stocked and harvested individuals and weight of fish and vegetable in planted and control ponds
鱼和水生蔬菜
种植水蕹菜池塘
放养数量 /尾 重量 /kg 收获重量 /kg
对照塘
放养数量 /尾 重量 /kg 收获重量 /kg
鳜 Siniperca chuatsi 200 0. 5 73 ± 8
异育银鲫 Carassius auratus 4000 200 710 ± 25 4000 200 870 ± 32
斑点叉尾鮰 Ictalurus punctatus 640 40 250 ± 14
鲢 Hypophthalmichthys molitrix 60000 60 434 ± 54 500 100 332 ± 23
水蕹菜 Ipomoeaaquatica 10 4000 ± 350
3. 2 水生蔬菜和鱼的 TN、TP去除率
根据鱼和水蕹菜的初始和收获重量,以及其中
氮、磷的含量比率,计算 TN、TP的去除率,对照组中
鱼对 TN去除率为 25. 17%,TP 去除率为 15. 27%;
实验组中鱼对 TN 去除率为 30. 02%,TP 为
21. 68% .每个池塘收获水蕹菜(4000 ± 350)kg,对
TN去除率为 8. 41%,TP 去除率为 4. 85%(表 2).
饲料中大部分氮、磷营养物溶解在水中和沉淀在底
泥中.
表 2 放养鱼类、种植水生蔬菜和投喂饲料输入的 TN、TP,以及收
获蔬菜和鱼输出的 TN、TP
Table 2 Nutrient inputs of total nitrogen (TN)and total phosphorus
(TP)by planted vegetables,stocked fish and formula feed,
and removal of TN and TP by harvested vegetable and fish in
planted and control ponds
TP /g
种植塘
Mean ± SD
对照塘
Mean ± SD
TN /g
种植塘
Mean ± SD
对照塘
Mean ± SD
输入营养 31830 ± 923 29622 ± 859 93015 ± 2697 86734 ± 2515
水生蔬菜 4. 0 ± 0. 2 20 ± 1
鱼类 1585 ± 57 1542 ± 56 7316 ± 263 7174 ± 258
饲料 30240 ± 786 28080 ± 730 85680 ± 2228 79560 ± 2068
输出营养
水生蔬菜 1543 ± 62 7820 ± 313
鱼类 8485 ± 305 6064 ± 218 35237 ± 1269 29004 ± 1044
3. 3 养殖水质变化情况
在 6 ~ 9 月,种植塘和对照塘水中的 TN、TP 含
量维持在较低的水平,TN低于 3. 0 mg·L -1,TP低于
0. 4 mg·L -1 .在 10、11 月,随着水中营养物的积累,
水体的 TN、TP 含量呈上升趋势,对照塘的升高更
快,而且显著高于种植塘的(p < 0. 05). TAN 的变化
没有规律,种植塘的与对照塘的也没有显著差异.
对照塘水体中的 COD含量呈上升趋势,而种植塘的
呈下降趋势,并且在 9、10 月对照塘的 COD 含量显
著高于种植塘的. 对照塘和种植塘的 Chl a 含量一
直在升高,在 10 月种植塘的显著低于对照塘. 对照
塘的水体透明度保持在 30 cm 以下,种植塘的一直
在升高,在 9、10、11 月显著高于对照塘. DO 和 pH
都保持在正常水平,而对照塘的 DO在 11 月显著降
低(图 1).从上述水质参数变化情况来看,种植水生
蔬菜后,水体中的营养物、有机物和藻类含量明显
降低,水质得到明显改善.
4 讨论(Discussion)
在 2 种养殖模式下,放养鱼的种类不同,总重量
几乎相等,但是种植了水蕹菜池塘的渔产量显著高
于对照塘.主要原因是在养殖中期,对照塘水质明
显富营养化,整个池塘覆盖蓝藻水华,每个池塘死
亡约 100 kg.在整个养殖实验过程没有换水,鱼类代
谢产物和残饵在水体和底泥中积累,并释放出大量
的氮、磷,促进了有害蓝藻的生长,大量的蓝藻覆盖
水面,释放蓝藻毒素,降低水体溶氧,从而影响鲢的
生长,并引起死亡. 因此,这种养殖模式必须定期排
出富含营养物的养殖废水,加注新鲜的养殖用水,
一些对溶氧要求高的名特鱼类不适合这种养殖模
式.种植塘的水体透明度一直较高,也没有发生蓝
藻水华,养殖鱼类生长比较正常,对溶氧要求较高
的鳜也没有出现浮头死亡,而且这种养殖模式的经
济效益更高.
通过收获水蕹菜输出的 TN 为 8. 41%,TP 为
4. 85%,水蕹菜对氮、磷的去除率明显低于 2006 年
的水泥池养殖实验(TN、TP去除率分别为 18. 2%和
30. 6%) (Li et al.,2009).与其他综合养殖研究相
比,营养去除率也明显偏低,在人工养殖生态系统
中,饲料中大约 28% 的氮被种植的西红柿吸收
(Quilleré et al.,1995) ,浮萍(lemna minor)能吸收
饲料中 15% 的氮和 17% 的磷(Schneider et al.,
2005).本实验种植的水生蔬菜面积较小,仅占养殖
水面的 1 /10,吸收的营养物也比较有限.
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8 期 李文祥等:浮床水蕹菜对养殖水体中营养物的去除效果研究
图 1 种植塘和对照塘水体中 TN(a)、TP(b)、总氨氮(c)、化学耗氧(d)、叶绿素 a(e)、溶氧含量(f)和水体透明度(g)、酸碱度(h)的变化
情况(星号(* )表示种植塘和对照塘的水质参数有显著性差异(p < 0. 05) )
Fig. 1 Mean (± SD)concentrations of total nitrogen(a) ,total phosphorus(b) ,total ammonia nitrogen(c) ,chemical oxygen demand(d) ,
chlorophyll a(e) ,dissolved oxygen(f) ,and water transparency(g)and value of alkalinity(h)in planted and control ponds(The symbol
(* )represents significant difference between planted and control ponds on the same day (p < 0. 05) )
养殖鱼类输出的营养物也比较低,对照塘中鱼
带出的 TN为 25. 17%,TP 为 15. 27%,种植塘中鱼
输出的 TN为 30. 02%,TP为 21. 68% .可见,水蕹菜
和养殖鱼类只吸收了小部分 TN 和 TP,说明饲料投
喂过剩,导致部分饲料未被鱼类摄食而沉积到池
底.其他养殖实验也显示相当一部分氮、磷沉积在
底泥,在综合养殖模式下,29%的氮和 51%的磷沉
积在底泥中(Nhan et al.,2008) ,而在半集约化养
殖池塘中,输入营养中 66% ~ 70%的氮和 35% ~
86%的磷沉积在底泥(Green et al.,1995).另外,种
植塘中鱼输出的 TN、TP都高于对照塘,说明种植塘
中的鱼生长更好.
尽管水蕹菜只吸收了小部分氮、磷营养物,但
是在养殖后期,种植塘的 TN、TP 和 COD 含量都显
著低于对照塘. 一方面,可能与水生蔬菜的生长有
关,通常,水中氮和有机物的去除与植物的生物量
相关(Naylor et al.,2003) ,而植物的生物量又受温
度影响,因此营养去除高峰一般发生在植物的生长
季节(Spieles et al.,2000;Picard et al.,2005).水
蕹菜在春季和秋季生长旺盛,而在炎热的夏季生长
缓慢,在养殖中后期水蕹菜吸收营养物的效果最
好,使得水体中的 TN、TP 和 COD 明显低于对照塘.
另一方面,种植塘中的水质较好,促进了鱼类的生
长,对饲料的利用率更高.
水蕹菜的生长除了吸收水体中的营养物外,对
其他水质参数也有影响,如叶绿素含量和水体透明
度.种植塘中 Chl a 的含量在养殖后期显著低于对
照塘,除了与水蕹菜吸收水体营养有关外,可能水
生蔬菜也有抑制了藻类生长的作用,在整个养殖实
验过程中没有发生蓝藻水华. 由于水蕹菜对水体中
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环 境 科 学 学 报 31 卷
有机物的吸收,以及对藻类生长的抑制,种植塘的
水体透明度也显著高于对照塘的. 水蕹菜吸收氨氮
的效果不明显,对 DO 和 pH 没有显著影响. 在水泥
池实验中,种植水蕹菜池塘与对照塘中的氨氮也没
有明显差异,但是 DO 和 pH 在实验后期明显降低
(Li et al.,2009). 可能水面上水生蔬菜的面积较
小,没有影响水体的 DO和 pH.
通常植物的面积越大,吸收营养物的效果越
好,但是面积太大会影响其他水质参数,影响渔产
量,到底种植多大面积的水生蔬菜最好?浮床水稻
覆盖面积为 60%对氮、磷去除率最高,而 20%覆盖
面积的特定移除率最高(宋祥甫等,1998) ,25%的
浮萍 养 殖 密 度 对 氮、磷 的 特 定 去 除 率 最 高
(Ruenglertpanyakul,2004) ,浮床无土栽培美人蕉的
覆盖面积与养殖池塘中氮、磷的移除率显著正相
关,但面积过大会降低水体溶氧,造成养殖鱼类缺
氧,20%的池塘覆盖率比较适宜(邴旭文等,2001).
种植塘 1 /6 面积的水蕹菜对营养物有较好的移除效
果,但是影响水体的 DO 和 pH(Li et al.,2009).本
实验中,种植塘 1 /10 面积的水蕹菜虽然对营养物的
移除率有限,但是能抑制蓝藻水华的发生,保持水
体较高的透明度,不影响水体的 DO 和 pH. 上述研
究表明,种植鱼塘 10% ~ 20%面积的水生蔬菜比较
合适.
5 结论(Conclusions)
在养殖池塘上种植 1 /10 面积的水蕹菜,虽然水
生蔬菜本身去除的营养物质并不多,但是在养殖中
后期对水体的 TN、TP和有机物有较好的去除效果,
可以抑制蓝藻水华的发生,有效改善养殖水质,在
种植塘中通过收获鱼类带出的 TN、TP 更多. 因此,
这种养殖模式对营养物的利用效率更高,可适当提
高养殖鱼类的密度. 另外,整个养殖过程没有排放
养殖废水,可减少对环境的污染.
责任作者简介:李钟杰(1957—),男,中国科学院水生生物
研究所研究员,博士生导师.研究方向为渔业生态学、水产增
养殖学. E-mail:zhongjie@ ihb. ac. cn.
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