全 文 ：第 39卷Environmental Science & Technology
第 39卷 第 10期
2016年 10月
Vol. 39 No.10
Oct. 2016
《环境科学与技术》编辑部：（网址）http://fjks.chinajournal.net.cn（电话）027-87643502（电子信箱）hjkxyjs@vip.126.com
收稿日期：2015-11-15；修回 2016-03-20
基金项目：公益性行业(农业)科研专项：集约化农区种养结合生产技术集成与工程示范（201203050）；国家自然科学基金资助项目（41373099）
作者简介：许立婧（1991-），女，硕士研究生，研究方向为水环境化学，（电子信箱）hndxscyzxlj@163.com；*通讯作者，男，副研究员，研士生导师，博士，
研究方向为环境化学、沉积物化学等，（电子信箱）qmli@ihb.ac.cn。
许立婧，焦阳，王兴祥，等.大薸生态塘－渔业模式对猪场粪污沼液氮磷消纳研究[J].环境科学与技术，2016，39（10）：138-143.XuLijing,JiaoYang,
Wang Xingxiang，et al.Removal of nitrogen and phosphorus in piggery methane fluid by Pistia stratiotes ecological pond -fishery system [J].
Environmental Science & Technology，2016，39（10）：138-143.
大薸生态塘-渔业模式对猪场粪污沼液氮磷消纳研究
许立婧 1,3， 焦阳 1， 王兴祥 2， 李清曼 1*
（1.中国科学院水生生物研究所，湖北 武汉 430072； 2.中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008；
3.中国科学院大学，北京 100049）
摘 要：规模化畜禽养殖的废物排放是中国农村生态环境污染的主要原因之一，如何生态处理这些废物是当前生态建设亟待解决的
问题。该文通过盆栽试验并结合一定规模示范，研究了以大薸（Pistia stratiotes）为生态塘的水质净化植物，同时作为渔业饵料设计的生态
塘－渔业模式对猪场粪污沼液中氮、磷的消纳。结果表明，沼液中氮、磷浓度在合适范围（NH4+-N为 3.0～5.0 mg/L，TP为 0.38～0.63 mg/L）
时，大薸生长速度较快，7 d内平均单株有效分蘖数可达 9.3个，鲜重增重率则达 140.8%；大薸具有较强的水质净化能力，氮的平均去除率
达 97.2%，磷达 85.1%。生态塘（400 m2）示范结果进一步证实，大面积种植大薸并用作饵料（放养模式为青-草-鲢-鳙-鲫-扁），水体的氮、
磷并未出现持续升高现象，相反，总体下降，说明大薸生态塘-渔业养殖模式能够有效地消纳沼液中的氮、磷。据捕捞对象总产量及其体内
氮、磷含量，在维持水质不变的前提下，1 hm2生态塘 1年可安全消纳猪场粪污沼液约 2 761 m3（相当氮为 726.8 kg，磷为 74.6 kg）。沼液-
大薸-养鱼放养模式的年利润为全投喂配合饲料养鱼利润的 200%左右。该结果说明，生态塘-渔业模式可有效地利用水环境中的氮、磷，
实现污水的生态处理。
关键词：大薸； 氧化塘； 猪场沼液； 渔业模式
中图分类号：X713 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-6504.2016.10.026 文章编号：1003-6504(2016)10-0138-06
Removal of Nitrogen and Phosphorus in Piggery Methane Fluid by
Pistia stratiotes Ecological Pond-Fishery System
XU Lijing1,3, JIAO Yang1, WANG Xingxiang2, LI Qingman1*
（1.Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China;
2.Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）
Abstract：The waste discharge of large-scale livestock and poultry breeding is one of the main sources for pollution of rural
ecological environments in nationwide scale, and how to deal with these wastes is a challenge. The removal of nitrogen(N)
and phosphorus (P) in piggery methane fluid was investigated using both pot trial and a certain scale pilot. Pistia stratiotes
were chosen as aquatic and fish food in ecological fishery pond. The results showed that when concentrations of N and P in
biogas slurry was in the appropriate range, such as NH4+-N was 3.0 to 5.0 mg/L, TP was 0.38 to 0.63 mg/L, Pistia stratiotes
were growing faster, effective tiller number of per plant up to 9.3 and the fresh biomass increased by 140.8% within 7 d.
Pistia stratiotes could uptake NH4+-N and TP in water column by 97.2% and 85.1%, respectively, suggesting a strong ability
to purify water quality. The results of ecological pond (400 m2) demonstrated that large-scale cultivation and harvesting Pistia
stratiotes could made the water quality stable sustainably. Using Pistia stratiotes as fish food in the ecological pond-fishery
system, concentrations of N and P in water column was not raised, on the contrary, continuously declined, suggesting the
system was effective in removing N and P in the piggery methane fluid. Based on total yield of fishing targets and the content
of N and P in fish bodies, given that water quality keep stable, the estimated potential of 1 hm2 ecological pond could
annually safely uptake about 2 761 m3 biogas slurry, equivalent to 726.8 kg N and 74.6 kg P. The annual profit of the biogas
第 10期
slurry-Pistia stratiotes-fishery system was 200% as high as that of all feeds for feeding fish. The results indicate that the
oxidation pond-fishery system can effectively utilize N and P to achieve the ecological treatment of polluted water bodies.
Key words：Pistia stratiotes; ecological pond; piggery methane fluid; fishery system
养殖业的迅猛发展导致规模化畜禽养殖与生态
环境保护之间的矛盾日益突出。目前，我国每年大约
有 45亿 t畜禽粪便产生，畜禽养殖业污染总排放量约
占农村污染总排放量的 1.5倍。畜禽养殖业污染已成
为农村面源污染的主要因素之一，也成为继工业废水
和生活污水的第三大污染源[1]。
畜禽废水是典型的高营养废水[2]，养猪场排放的
粪污废水中氮、磷浓度分别在 500～2 000 mg/L和 100
mg/L左右[3]。若畜禽废水不经处理直接排放则会引发
水体富营养化，极难处理和修复[4]。畜禽废水的不合理
利用或连续过量利用也会使得磷、硝酸盐及重金属沉
淀，严重威胁到地表水和地下水[5]。此外，畜禽废水含
有大量病原微生物、寄生虫卵和滋生的蚊蝇，会传播
人畜共患病，引发疫情，给人畜带来严重危害[6]。因此，
畜禽养殖废污在排放前通常需要进行嫌气发酵处理，
产生大量沼液。沼液也含有大量的氮、磷，过去在部分
地区常直接用于水产养殖，从而引发了许多问题，如
水质恶化等。主要原因是养殖户想要提高水体初级生
产率而加大沼液施加量，沼液直接与水体混合，缺少
植物吸收环节。
大薸（Pistia stratiotes），又称水白菜、水浮莲、肥
猪草等，是天南星科（Araceae）大薸属（Pistia）的唯一
物种，为漂浮性的多年生水生草本植物，含蛋白质约
1.25%，碳水化合物及淀粉 9%，脂肪 0.75%，还含有少
量的维生素和矿物质，是一种营养价值高的猪饲料及
草食性和杂食性鱼类饲料[7]。大薸适于高温湿润环境
种植，自然条件下主要以无性生殖方式繁殖。根系和
叶片发达，可吸收水体中氮、磷等营养物质并固定于
植物体内，进而改善水质。刘盼等[8]比较了大薸、凤眼
莲、紫叶酢浆草 3种水生植物对富营养化水体的净化
效果，发现大薸对总氮和总磷的平均吸收率分别为
84.24%和 95.98%，净化效果优于凤眼莲和紫叶酢浆
草。吴湘[9]、娄敏[10]等的研究结果也表明，大薸去除富
营养化水体中氮磷的能力强于凤眼莲，是良好的水质
净化水生植物。
本研究采用繁殖能力强、对水质净化效果好的大
薸作为氮、磷吸收植物。通过确定合适的氮、磷生长浓
度后，构建沼液-大薸生态塘-渔业系统。利用优化的
渔业放养结构，解决猪场粪污沼液直接投放所带来的
水环境问题和渔业生产所需饵料问题。研究结果对促
进畜禽养殖业和渔业可持续发展具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试植物选取成熟、无病虫害的野生大薸 500 g，
在试验池塘中经过 15 d的驯化。
供试污水取自江西省余江县刘家站三分厂养猪
场的沼液发酵池。沼液中主要污染物浓度如表 1所
示。
1.2 方法
1.2.1 大薸的长势测定
将一定数量大薸植株放置在表面积恒定的培养
箱中，加入培养液，在自然光照条件下培养。定期取样
统计分孽数，并将植物取出，用自来水洗净后，晾干表
面残留水分，称取鲜重质量。
1.2.2 水样指标的测定
TN的测定：采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光
度法[11]；NH4+-N的测定：采用纳氏试剂分光光度法[11]；
TP的测定：采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法[11]；
高锰酸盐指数的测定：采用酸性高锰酸钾法[11]。水质
指标去除率根据以下公式进行计算：
去除率=(C0－Ct)/C0×100% （1）
式（1）中：C0为此次测定时某水质指标的初始浓
度；Ct为此次测定时经处理后的相应的水质指标浓
度。试验数据采用 Excel 2003软件进行处理分析。
1.3 试验设计
1.3.1 大薸最适生长浓度确定（以 NH4+-N浓度为参
照）
本试验以高 90 cm、直径 85 cm的圆柱形橡胶桶
作为试验水箱，使用水体体积 340 L，在自然条件下进
行室外实验。试验重复 3次。
设置 6个浓度梯度组，试验用水是将猪场沼液按
比例用自来水进行稀释，最终 NH4+-N浓度大小依次
为 0.0、3.4、5.0、7.0、12.8、21.7 mg/L（试验组编号依次
为对照组、1#、2#、3#、4#、5#），自来水组作为对照组。
每组都选取 6株大小均匀、独立的大薸植株，各组植
株鲜重总质量为（187.5±12.5）g，植株直径和根茎的
平均长度分别是 13和 15 cm。
表 1 猪场沼液主要污染物浓度
Table 1 The main pollutant concentration of piggery methane fluid
NH4+-N/mg·L-1 TN/mg·L-1 TP/mg·L-1 COD/mg·L-1
216 263 27 1 146
许立婧，等 大薸生态塘－渔业模式对猪场粪污沼液氮磷消纳研究 139
第 39卷
试验从 2013年 8月 30日开始，试验周期为 28
d。连续记录大薸生长情况并监测相应的水质指标。试
验开始前先测定所配置污水的各项指标值，之后定期
采样，取样时间均在上午 8:00-9:00之间。
1.3.2 生态塘-渔业模式的氮、磷消纳技术研究
本试验是在江西省余江县刘家站中国科学院红
壤生态实验站附近一水库库汊内进行。示范水面约
0.2 hm2，示范水域具体设计如图 1。其中 15 m×15 m
区域为沼液投加与大薸种植区（生态塘），半圆形区域
为水质缓冲区，其它区域为鱼类放养区。
大薸种植水面约 400 m2，水深约 1 m，每次投加
沼液量约 5 m3，7 d为一个周期。投加技术主要采用多
点投撒，沼液投加量可根据公式（2）求得：
V=S·h·1 000·C1/C0 （2）
式（2）中，S为水面积(m2)，h为水深(m)，C0为沼液
中的氨氮浓度 (mg/L)，C1 为拟需氨氮浓度 (mg/L)，
1 000为转换系数。
养殖区试验放养模式为青-草-鲢-鳙-鲫-扁，于
2014年 3月中旬投放鱼苗。2014年 5月开始根据实
际情况不定期投加沼液（因鱼苗太小，不适宜大量投
加），7月开始定期投加沼液，观察和测定大薸生长状
况，对各项水质指标进行监测。捕捞前 1个月，停止投
加沼液，以保证放养鱼类品质，并对养殖对象生物量
进行统计和测量。
2 结果与讨论
2.1 大薸最适生长氮磷浓度与水质净化效果
2.1.1 大薸生长情况观察
利用沼液配制不同浓度氮磷培养液，观察大薸长
势。据观察，第 1茬植物在培养到第 14天时，对照组
大薸叶片基部开始发黄，并出现烂叶，说明氮、磷供应
不足影响了大薸的正常生长。由图 2 可以看出，当
NH4+-N的起始浓度为 3.4 mg/L时长势最好，7 d内平
均单株有效分蘖数可达 9.3 个，鲜重增重率则达
140.8%；起始浓度为 5.0 和 7.0 mg/L时长势较好，但
观察发现叶片有发白的现象，浓度为 12.8 和 21.7
mg/L时长势较差，叶片发白情况更为严重。由此推
测，高浓度氨氮不利于大薸生长，这与陈金发等[12]研
究结果相同。
由于生存空间的限制，在第 1茬植物培养到第 15
天时对各组试验桶中的大薸生物量重新进行了分配
调整，每组都选取 6株大小均匀、独立的大薸植株，各
组植株鲜重总质量为（225±25）g，进行了第 2茬植物
的培养。在第 2茬 14 d的培养过程中，由于经过一段
时间的处理，各组氮磷浓度都有所下降，前 3组长势
较差，叶片发黄、腐烂，出现缺乏氮肥症状；后 3组长
势较好，但是还存在叶片发白现象，且鲜重质量及分
蘖数依然达不到第 1茬 NH4+-N起始浓度为 3.4 mg/L
时良好的生长状况，这说明高质量浓度的污水对大薸
植株造成的毒害和损伤是不可逆的。该结果也说明，
维持合适的营养浓度有利于大薸的持续快速生长。
2.1.2 大薸对氮、磷的净化效果评价
不同浓度条件下大薸对氨氮的去除效果如图 3
（a）所示。结果表明，在培养第 14天时，6个试验组的
氨氮浓度下降速度很快，分别由最初的 0.08～21.7
mg/L降至 0.0～0.4 mg/L，去除率达 96.7%～98.9%。随
着培养时间的增加，在后期 14 d的培养过程中，氨氮
140
第 10期
浓度变化不大，最终范围为 0.07～0.3 mg/L，达到《地表
水环境质量标准》（GB 3838-2002）规定的Ⅱ类水（0.5
mg/L）标准。大薸对氨氮的去除率高且速度快，说明大
薸对氮氨吸收能力较强，短时间内对水体中氨氮有较
高的去除率。根据其生长状况及生物量要求，水体中
氨氮的浓度不宜过高，否则抑制大薸的生长繁殖，植
株腐烂而引发水体的二次污染，不利于水体的保持。
大薸对总磷的去除效果见图 3（b）。经计算，前14
d的培养时间中，总磷初始浓度为 0.6和 1.0 mg/L组
的总磷去除效果最好，总磷去除率分别为 90.9%和
81.8%。
通过比较在不同浓度条件下大薸对氨氮和总磷
的总去除率，由图 3（c）可看出，1#和 2#对氨氮、总磷
的去除效果最好，随着水体污染物质量浓度的增加，
含磷污染物的去除率逐渐下降；但氨氮浓度过高将对
植物有毒害作用，不利于其正常生长繁殖。由以上试
验数据和现象可推断出，大薸适宜的 NH4+-N浓度为
3.0～9.0 mg/L，最适浓度为 3.0～5.0 mg/L，当 NH4+-N
浓度超过 10.0 mg/L时可能会抑制大薸的生长繁殖。
此外，根据图 3（c）所示，1#和 2#对含磷污染物
的去除率较高，其 N/P分别为 6.2和 5.0，接近于漂浮
植物生长所需的 N/P比例（N/P≈4.5）标准，说明适宜
的 N/P比例对水生植物吸收和去除含磷污染物有利。
2.2 生态塘的污染物消纳能力估计
猪场沼液中的主要污染物组成如表 1所示，其中
NH4+-N的浓度是 244 mg/L，TN/TP为 9.1，远远超过
了浮游植物生长所需的适宜范围，如直接将其投入养
殖水体，不仅造成水体氮污染，同时会抑制草食性鱼
类饵料的生长，不利于捕捞对象产量的提高。大薸喜
氮，在肥水中生长发育快，分株多，产量高，是一种繁
殖力强、对水质净化效果好的氮吸附水生植物。同时，
将收获的大薸作为草食鱼类的饵料，提高单位水面的
生产效益。
通过定期向生态塘投加猪沼液，对示范水区的水
质进行连续监测。由图 4可看出，投加沼液后的NH4+-N
浓度在大薸的适宜生长范围内，平均经过 2个星期处
理后，沼液投加-大薸种植区、水质净化区和养殖区水
体中 TN、NH4+-N、TP、高锰酸盐指数浓度分别由 2.2～
5.8、2.5～5.3、0.5～0.9、6.8～9.5 mg/L（属于劣Ⅴ类水）下
降到 0.1～0.5、0.3～0.4、0.002～0.06、3.9～6.7 mg/L（属于
Ⅱ类水）。试验结果表明，生态塘对沼液中总氮、氨氮、
总磷和高锰酸盐指数的净化效果很好。
根据大薸种植区水面大小、沼液投加量、投加周
期及水体背景值等参数可估算出，在保证生态塘水质
指标由《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）规定
的Ⅴ类水（TN 1.5～2.0 mg/L，TP 0.3～0.4 mg/L）降低为
Ⅱ类水（TN 0.2～0.5 mg/L，TP 0.02～0.1 mg/L）的标准
下，生态塘 1 hm2水面，在 7-11月份(大薸多时，鱼大)
许立婧，等 大薸生态塘－渔业模式对猪场粪污沼液氮磷消纳研究 141
第 39卷
能够安全消纳约 1 716 m3沼液，在 12月-次年 6月
（大薸少时候，鱼小）能够消纳约 1 045 m3沼液，1年
可安全消纳猪场粪污沼液约 2 761 m3（相当氮为
726.8 kg，磷为 74.6 kg）。
大薸喜高温高湿，不耐严寒，10 ℃以下常发生烂
根掉叶，低于 5 ℃则枯萎死亡；温度为 23~35 ℃时生
长繁殖最快，从 7月 9日-8月 26日短短 40 d左右的
时间内，由最初投放的不足 1 m2的水面覆盖面积繁
殖覆盖满整个大薸种植水面（约 400 m2）。大薸繁殖能
力很强，因此种苗量可小于水面面积的 1/400。
2.3 渔业效益分析
大薸生物产量较大，且繁殖较快，合理处置是生
态利用沼液的重要环节。草鱼是一种草食性鱼类，且
需草量较大。据估计，陆生水草养殖草鱼的产率为
1/15，即 15 kg陆生水草可生产出 1 kg草鱼肉。为确
定利用大薸养殖草鱼的效率，合理配置大薸种养水面
及草鱼放养规模，小规模地完成了大薸投放量与草鱼
长势试验，其结果如表 2所示。
由表 2可以看出，利用大薸养殖草鱼的产率在
1/71.4～1/83.3之间，即生产 1 kg草鱼需要约 71～84 kg
鲜重的大薸，其效率明显低于陆生水草。主要原因是
大薸尽管生物量大，但含水量较高。该结果也说明，通
过合理配置种养水面和草鱼放养规模，可以实现大薸
完全利用，不需要增加其它打捞措施及处置办法。
试验放养模式为青-草-鲢-鳙-鲫-扁，于 2014年
3月中旬投放鱼苗，11月中下旬收获养殖成鱼。养殖
情况见表 3，白鲢的增重率最高，成鱼总重是最初投放
鱼苗重量的 21.3倍；草鱼和花鲢次之；而鲫鱼的增重
率最低，成鱼总重仅为最初投放鱼苗重量的 2.2倍。因
此，在以大薸作为主要生物饵料的放养模式中，草鱼、
白鲢和花鲢作为优势种类，可以适当增加放养比例。
此外，通过养殖鱼类可以移出营养物质总氮 30.4 kg、
总磷 9.0 kg，占相同大小水面生态塘一年可安全消纳
猪场粪污沼液的 31.2%。
根据示范水区的养殖结果来看，沼液-大薸-养鱼
表 3 示范水区养殖情况
Table 3 Fishery breeding situation of the demonstration area
表 2 大薸投喂草鱼的产率
Table 2 The productivity of Pistia stratiotes feeding to grass carp
大薸投放量（鲜重）/kg 单尾增重/kg 产率
50 0.7 1/71.4
100 1.3 1/76.9
150 1.9 1/78.9
200 2.4 1/83.3
250 3.1 1/80.6
注：草鱼规格约 1 kg/尾，每 5尾为一组。
的养殖成本约 1.5~2.0元/kg，而普通模式的饲养成本
为 4.8~9.0元/kg，主要是在饲料的成本上浮动较大。
2014年的总产量是 1 091 kg，亩产量是 546 kg左右，
产值 12 000元左右，利润 9 000~10 000元，为全投喂
配合饲料利润的 200%左右。相比全投喂配合饲料养
殖，示范区的产量则稍低，若配合以科学的人工管理
则会大幅度的提高产量和利润。因此，沼液-大薸-养
鱼的养殖模式不但节能减排，还大大降低了养殖成
本，为农户带来更大的利润空间。
3 结论
（1）大薸适宜的 NH4+-N浓度为 3.0～9.0 mg/L，最
适浓度为 3.0～5.0 mg/L，当 NH4+-N 浓度超过 10.0
mg/L时可能会抑制大薸的生长繁殖。
（2）适宜的 N/P比例（N/P≈4.5）对水生植物吸收
和去除含磷污染物有利。
（3）生态塘投加沼液后的 NH4+-N 浓度范围是
2.5～6.0 mg/L，一般经 2个星期处理后，示范水区的
TN、NH4+-N、TP、高锰酸盐指数下降，由劣Ⅴ类水变为
Ⅱ类水。试验结果表明，生态塘对沼液中总氮、氨氮、
总磷和高锰酸盐指数的净化效果很好。根据生态塘沼
液投加量和投加频次估算，1 hm2水面一年可安全消
纳沼液约 2 761 m3。大薸繁殖能力很强，种苗量可小
于水面面积的 1/400。
（4）沼液-大薸-养鱼试验放养模式 2014年的总
产量是 1 091 kg，利润 9 000~10 000元，为全投喂配
合饲料利润的 200%左右。且通过养殖鱼类可以移出
营养物质总氮 30.4 kg、总磷 9.0 kg，占相同大小水面
种类 投放鱼苗数 鱼苗总重/kg 成鱼重/kg 增重率/%
营养物质消减量/kg
总氮 总磷
草鱼 500 44.5 480.0 9.8 15.0 3.2
白鲢 300 20.0 445.0 21.3 11.6 4.4
青鱼 27 3.0 18.0 5.0 0.2 0.08
鳙鱼 60 8.0 58.0 6.3 1.6 0.6
扁鱼 60 5.0 27.0 4.4 0.5 0.1
鲫鱼 250 20.0 63.0 2.2 1.5 0.6
合计 1 197 100.5 1 091.0 49.0 30.4 9.0
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（上接第 56页）
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生态塘一年可安全消纳猪场粪污沼液的 31.2%。因此，
沼液-大薸-养鱼的养殖模式不但节能减排，还大大降
低了养殖成本，为农户带来更大的利润空间。
沼液-大薸-养鱼系统既解决了畜禽废水对环境
的污染问题，同时又为鱼类生长提供了充足的生物饵
料，减少了配合饲料的投喂。因此，该模式能有效达到
物质循环和能量流动的多层次利用。这样既充分利用
了资源，又保护了生态环境，实现了生产发展、资源能
源利用、环境保护三者的和谐统一。
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