全 文 ：水蕹菜植生型混凝土对克氏原螯虾养殖污水除磷效果的研究
窦 寅 1 , 黄越峰 2 , 唐建清2 , 黄成 1＊　(1.南京大学 ,江苏南京 210093;2.江苏省淡水水产研究所 ,江苏南京 210017)
摘要　[目的]为克氏原螯虾的健康养殖提供可借鉴的基础参数。 [方法] 共设 8组处理 ,对克氏原螯虾养殖污水进行 25d净化处理 ,定
期检测各处理组水体中的总磷含量(TP)。 [结果]水蕹菜植生型混凝土(处理)对水体TP去除效果显著大于单纯的混凝土或水蕹菜 ,并
呈现出一定的时间和生物量效应;通过统计分析拟合出TP、水蕹菜初始生物量密度(D)和处理时间(t)的二元函数模型。 [结论] 水蕹
菜植生型混凝土对水体TP去除效果的函数模型可以为实践提供理论参数。
关键词　植生型生态混凝土;水蕹菜;除磷;时效;量效
中图分类号　S937.1　　文献标识码　A　　文章编号　0517-6611(2010)02-00766-03
StudyonPhosphorusRemovalEffectofEco-concretewithIpomoeaaquaticainProcambarusclarkiAquacultureWastewater
DOUYinetal　(CollegeofLifeSciences, NanjingUniversity, Nanjing, Jiangsu210093)
Abstract　[ Objective] ThestudyaimedtoprovideusefulbasicparametersinhealthycultivationofProcambarusclarki.[ Method] Setup8
treatments, purificationtreatmentofProcambarusclarkiwasconductedfor25 days, andperiodicdeterminedtotalphenoliccontent(TP).[ Re-
sult] Eco-concretewithIpomoeaaquaticahadanobviousbeterTPremovaleffect, andacertaintimeandbiomassefectwhichwasshowedasa
binaryfunctionofTP,Dandtime(t)establishedbystatisticalyanalysis.[Conclusion] Thefunctioncanbeusedinhealthycultivationasbasic
parameters.
Keywords　Plantcontainingkindofeco-concrete;Ipomoeaaquatica;Phosphorusremoval;Time-efect;Biomass-efect
基金项目　江苏省水产三项工程招标项目 “克氏原螯虾高效生态养殖
及苗种繁育技术 ”(ZB2007-1);江苏省环洪泽湖生态农业生
物技术重点实验室开放基金项目资助项目(HZHL0824)。
作者简介　窦寅(1986-), 女 ,江苏扬州人 ,硕士研究生 ,研究方向:水
生动物学。 ＊通讯作者。
收稿日期　 2009-09-10
　　植生型生态混凝土由于其自身的特殊性能 ,已成为保护
环境 ,解决水土流失 ,净化水质 ,修复和重建退化生态环境的
理想材料 ,在国内外都得到了普遍的关注和广泛的应
用 [ 1-3] 。目前 ,对植生型生态混凝土的应用主要集中于硬质
护坡和绿化河堤等方面 ,一般选用多年生陆生草本植被作为
护坡绿化植物 [ 4] ,水生植物应用较少 ,且相对集中于观赏功
能的挺水植物 ,如香蒲 、美人蕉 、千屈菜等 [ 5] 。目前 ,有关利
用生态混凝土做养殖池壁建材 ,并结合根生漂浮植物进行养
殖污水净化的研究尚为空白。近年来 ,随着对克氏原螯虾需
求量的日益增长 ,克氏原螯高密度养殖造成的水体富营养化
问题极大地影响了其养殖效果和生态环境 。利用水生植物
对 TN、TP等无机营养物质的吸收能力 ,处理克氏原螯虾养
殖污水是水产健康化养殖领域的研究热点 [ 6] 。
1　材料与方法
1.1　材料　水蕹菜种 ,采自福建建瓯。植生型生态混凝土
块 ,仿东南大学材料学院生态混凝土配制 [ 7] 。江苏省淡水水
产研究所禄口基地提供 16个小型水泥池 ,规格为 2.0 m×
2.0 m×0.6 m,每个水泥池保持 5/6体积(2.0 m3)的试验水
体 。水体采用小龙虾高密度养殖废水 ,并依据富营养化水体
水化指标 ,适量添加营养盐(磷酸二氢钾),使 TP初始值为
0.4 mg/L。
1.2　方法
1.2.1　试验设计。共设 8组处理(表 1), 2次重复。
1.2.2　项目测定。共进行 25d水质处理 ,每 5d检测 1次水
体中总磷含量(TP)及水蕹菜的生物量 ,采用钼锑抗分光光
度法测定水样中的 TP含量。
2　结果与分析
2.1　各组水蕹菜生物量密度随时间的变化情况　处理③、
⑦的水蕹菜初始生物量密度同为 3.0 kg/m2 ,由表 2得 , 25 d
内 ,处理⑦水蕹菜生物量密度在 3.0 kg/m2左右 ,基本无变化。
处理③以生态混凝土为固着基质 ,水蕹菜长势良好 ,随处理时
间的延长 ,水蕹菜生物量密度呈上升趋势(图 1)。该结果表
明:水蕹菜在没有生态混凝土固着的情况下 ,虽然不至死亡 ,但
由于生长所需的力学因素得不到满足 ,因而无法增产 ,而其他
各组的水蕹菜生物量都随时间推移而不断增长。
表 1试验设计方案
Table1　Experimentdesignscheme
试验号TestNo.
水蕹菜初始生
物量密度∥kg/m2Initialbiologicalconce-ntrationofI.aquatica
有无水蕹菜HavingI.aquaticaornot
有无混凝土Havingconcreteornot
① 1 有 有
② 2 有 有
③ 3 有 有
④ 4 有 有
⑤ 5 有 有
⑥ 0 无 有
⑦ 3 有 无
⑧清水(CK) 0 无 无
表 2　各组水蕹菜生物量密度随时间的变化情况
Table2　ChangeofbiomassdensitiesofIpomoeaaquaticainevery
groupindiferenttime kg/m2
处理号
TreatmentNo.
处理时间∥d
0 5 10 15 20 25
① 1.0 1.2 1.5 1.8 2.2 2.8
② 2.0 2.6 3.0 3.3 4.2 5.8
③ 3.0 3.5 4.2 4.5 6.2 10.0
④ 4.0 5.2 6.5 8.0 9.2 11.0
⑤ 5.0 6.3 7.0 9.3 10.5 12.5
⑦ 3.0 2.8 3.0 3.2 2.8 3.2
责任编辑　陈红红　责任校对　傅真治安徽农业科学 , JournalofAnhuiAgri.Sci.2010, 38(2):766-768
图 1　处理③与处理⑦水蕹菜生物量密度对比
Fig.1　BiomassdensitiescomparisonofIpomoeaaquaticabe-
tweentreatment③ andtreatment⑦
　　由表 2数据可得 ,水蕹菜的生长趋势符合指数函数 ,设
其生长模型为 f1 (t)=Dect,式中 , D为水蕹菜初始生物量密
度(kg/m2);t为处理时间(d)。分别拟合处理① ～⑤水蕹菜
的生长函数(表 3)。由于各组样本量相同 ,可取 cn的平均值
0.040为参数 c的估计值。因此 ,可以认为 ,水蕹菜生物量密
度的增长规律服从指数函数 f1(t)=De0.040t,因此 ,在该设计
条件下 ,确定了水蕹菜的初始生物量密度 D,便可以计算 t时
间水蕹菜的生物量密度。
表 3　水蕹菜的生长函数拟合结果
Table3　GrowthfunctionfittingresultsofIpomoeaaquatica
处理号
TreatmentNo.
拟合方程
Fitingequation
R值
Rvalue cn
① ln(y)=0.040x 0.998 0.040② ln(y)=0.040x+0.693 0.970 0.040③ ln(y)=0.040x+1.099 0.904 0.040④ ln(y)=0.043x+1.386 0.983 0.044
⑤ ln(y)=0.038x+1.609 0.988 0.038
2.2　不同处理对水体 TP含量的影响　将表 4中各组水体
总磷含量(TP)与湖泊富营养化水平指标(TP≥0.11 mg/L)
相比较 ,处理②、③、④、⑤的水体 TP含量分别在 25、20、10、5
d时 ,低于或等于富营养化指标。初始生物量低的处理组 ,所
需的处理时间较长 ,初始生物量高的处理组的水体 TP降低较
快 ,总体呈现出生物量效应 ,即处理时间一定时 ,养殖水体中
TP的去除效果随水蕹菜初始生物量递增呈递减趋势。
表 4　不同处理对水体TP含量的影响
Table4　EfectsofdiferenttreatmenttimeonTPcontentsinwater
body mg/L
处理号
TreatmentNo.
处理时间∥dTreatmenttime
0 5 10 15 20 25
① 0.40 0.36 0.33 0.29 0.25 0.18
② 0.40 0.31 0.25 0.20 0.18 0.10
③ 0.40 0.24 0.17 0.12 0.10 0.07
④ 0.40 0.15 0.08 0.07 0.03 0.02
⑤ 0.40 0.11 0.07 0.05 0.03 0.02
⑥ 0.40 0.38 0.36 0.32 0.29 0.25
⑦ 0.40 0.32 0.30 0.29 0.30 0.30
⑧(CK) 0.40 0.40 0.39 0.38 0.37 0.34
　　处理⑥ 25 d内水体 TP与处理时间成线性关系。利用
统计软件拟合线性拟合式:f2 (t)=-0.006t+0.409, R2 =
0.983,由此可以确定混凝土的除磷规律。由表 4可知 ,水蕹
菜对 TP的吸收能力在 15d达到饱和状态。由实测数据散点
(图 2)可以判断 ,处理⑦水体中 TP随时间的变化呈负指数
函数 f3 (t)=a+be-kt,解负指数函数 ,得:a=0.296, b=
0.104, k=0.306, R2 =0.990。考虑到 TP的初始值为 0.4
mg/L,在试验条件和数据允许范围内 ,根据待定系数法 ,确定
初始生物量密度(D)的拟合函数:f3 (t)=0.035De-0.306t+
(0.400-0.035D)。
图 2　处理⑦的TP含量及其负指数函数拟合式
Fig.2　TPcontentsanditsnegativeexponentialfunctioncurvein
treatment⑦
2.3　水蕹菜植生型混凝土系统水体 TP变化函数 F(t)　在
有混凝土和水蕹菜存在且考虑水蕹菜生长的情况下 ,水体
TP随时间的变化函数 F(t)体现了该系统的除磷效果。基于
以上分析 ,笔者认为水蕹菜植生型混凝土的除磷能力同时受
3个因素的影响 ,即单纯的生态混凝土的除磷能力 ,单纯的水
蕹菜的除磷能力和水蕹菜生长状况(t时间的生物量)。综合
考虑以上 3方面的因素构建水蕹菜植生型混凝土系统水体
TP随时间的变化函数模型 F(t)。
图 3　处理③水体TP实测值及其随时间变化函数
Fig.3　Measuredvaluesanditsfunctionwiththetimechangesof
TPinwaterbodyintreatment③
设在水蕹菜植生型混凝土系统作用下 ,水体 TP的降低
速度 F′(t)为 F′(t)=F3 ′(t)f1(t)/D+F2 ′(t)。在初始水体
TP含量为 0.4mg/L,生物量密度为 3kg/m2(处理③)的情况
下 ,解微分方程 ,得:F(3)(t)=0.244 +0.156e-0.263t-0.006t;
图 3显示 F(3)(t)的曲线基本符合实际值的变化趋势 ,函数拟
合较好 。推广到初始生物量密度(D)则为 F(t)=(0.400 0
-0.052 0D)+0.052 0De-0.365t-0.006 1t;将推广后的函数计
算值与实测值对比 ,残差绝对值集中在 0.02左右 ,不超过
0.06(图 4);利用残差分析进一步检验理论模型与实测值的
拟合度。用 SPSS16.0对残差进行 Kolmogorov-Smirnov检验。
根据 KS检验 ,显著度(Sig)为 0.859(>0.005),偏度和峰度
76738卷 2期　　　　　　　　　　　　　窦 寅等　水蕹菜植生型混凝土对克氏原螯虾养殖污水除磷效果的研究
都显示残差有十分良好的正态性;在该基础上 ,对除磷函数
计算值和实测值进行卡方检验 ,卡方值 χ2 =3.873,自由度为
20, 99.5%分位点为 7.434(>3.873),这说明函数值在统计
意义上与实测值拟合良好 。
图 4　不同时间各处理 TP函数F(t)计算值与实测值的差值
Fig.4　Differencesbetweenthecalculatedvaluesandmeasured
valuesofTPineverygroupatdiferenttimebyF(t)
3　讨论与结论
(1)利用高等植物防治水体富营养化 ,一直是环保领域
的一个重要研究课题。传统采用的净水植物多为凤眼莲 、喜
旱莲子草等 ,其净化能力较强 [ 8] ,但这 2种植物为外来入侵
物种 [ 9] ,对环境造成了入侵危害。 20世纪 90年代 ,我国开始
研究利用水蕹菜处理废水 [ 10-11] 。多项研究表明 ,水蕹菜对
富营养化水体中的 TN、TP等的去除率显著 [ 12] 。笔者采用的
多孔生态混凝土为水蕹菜生长提供了必要的固着条件 ,替代
了传统使用的浮竹或泡沫等材料 ,避免造成植物资源的损
耗 、白色污染等 ,无需占用水面空间 ,且具有耐久性 、净水性
和生物相容性等诸多优势。处理⑥、⑦水体中 TP的减少量
均明显低于处理③,且处理⑥、⑦对 TP减少量的累加值低
于处理③对 TP的降低值。可见 ,水蕹菜与生态多孔混凝土
的结合体现出 “1+1>2”的协同交互效应。
(2)水蕹菜生物量和处理时间是决定该植生型生态混凝
土除磷能力的 2个变量 ,为研究该系统除磷能力的生物量效
应和时间效应 ,笔者通过设置不同水蕹菜初始生物量和进行
阶段性观测 ,探讨了 TP去除率的生物量效应和时间效应 。
结果表明:短时间内生物量越大 ,净化效果越好 ,随着处理时
间的延长 ,生物量对净化效果的影响减弱 ,主要体现在 20、25
d时 ,处理 ④、⑤的 TP含量相同 ,分别达到了 92.5%和
95.0%的总磷去除率 ,说明在该试验条件下 ,量效的限临界
点为≤4 kg/m2。这是由于水蕹菜密度过大 ,植物生长受到
抑制 ,从而影响了生物量效应。
(3)处理①、②的 TP一直处于稳定而迟缓的下降状态 ,
且下降率较低 ,而处理③、⑤在前 10 d内 , TP的下降速率较
快 ,以后趋于平缓 ,这一现象与李欲如等 [ 12]的研究结果一
致。该研究初步定量地说明了水蕹菜有效生物量不低于 3
kg/m2时 ,可以表现出早期对磷的快速吸收特性。
(4)通过多因素联合建模 ,求得水蕹菜植生型混凝土系
统 TP变化函数 ,混凝土与水蕹菜可能产生了某种交互效应 ,
但这种效应并未考虑在方程当中 ,造成了部分模型的理论值
略高于实测值 ,但是考虑到误差的绝对值较小 ,在实践应用方
面仍有价值。当指定 m, t或 TP中任意 2项时 ,就能够通过这
一函数模型预测出未知量 ,可以为实践提供理论参数。
(5)根据以上分析 ,在大规模培植时 ,可以采用定期采摘
水蕹菜的动态模式 ,使水蕹菜的量保持动态平衡 ,避免水蕹
菜密度过大 ,在实现经济价值的同时 ,保证稳定的净化率。
可见 ,利用植生型多孔混凝土这一环保建材与绿色经济植物
结合处理富营养化水 ,具有高效能 、绿色环保等优势 ,作为一
种生物除磷新方案必将拥有广阔的前景 。
参考文献
[ 1] 吴中伟.绿色高性能混凝土与科技创新 [ J].建筑材料学报 , 1998(1):1
-7.
[ 2] 蒋彬,吕锡武,吴今明,等.生态混凝土护坡在水源保护区生态修复工
程中的应用 [ J].净水技术 , 2005, 24(4):47-49.[ 3] PARKSUNGBUM, TIAMANG.Anexperimentalstudyonthewaterpuri-
ficationpropertiesofporousconcrete[ J].CementandConcreteResearch,
2004, 34:177-184.
[ 4] 詹镇峰 ,李从波.植生混凝土的研究与应用述评 [ J].广东水利水电,
2007(3):57-65.
[ 5] 陈杨辉 ,吴义锋 ,吕锡武.生态混凝土在河道护坡中的应用[ J].中国水
土保持 , 2007(6):42-43.
[ 6] 李朝辉 ,施丽丽 ,王喆,等.黄花水龙浮巢净化富营养化水体 [ J] .江苏
大学学报:自然科学版, 2006, 27(1):1-5.
[ 7] 庞璐,许国东,林明焰,等.水龙植生型生态混凝土对北固山内江污染水体的净化 [ EB/OL] .htp://www.zjepc.com/upload/rudearticle/
2008/2008218145722.doc.
[ 8] 李文朝.富营养水体中常绿水生植物被组建及净化效果研究 [ J].中国
环境科学, 1997, 17(1):53-58.
[ 9] 向言词 ,彭少麟 ,任海,等.植物外来种的生态风险评估和管理[ J].生
态学杂志, 2002, 21(5):40-48.
[ 10] 程树培,丁树菜,胡忠明.利用人工基质无土栽培水蕹菜净化缫丝废
水研究[ J] .环境科学 , 1991, 12(4):47-51.
[ 11] 戴全裕,蒋兴昌,张珩 ,等.水蕹菜对啤酒及饮食废水净化与资源化研究[ J].环境科学学报, 1996, 16(2):249-252.
[ 12] 李欲如,操家顺,徐峰 ,等.水蕹菜对苏州重污染水体净化功能的研究
[ J].环境污染与防治, 2006, 28(1):69-71.
[ 13] 熊津 ,丁桑岚.畜禽养殖废水脱氮除磷研究进展[ J] .畜牧与饲料科
学, 2009, 30(1):128-129.
(上接第 747页)
[ 11] 孙金艳 ,单安山.微量元素碘在畜牧生产上的应用 [ J].饲料博览 , 2003
(9):7-8.
[ 12] 王家富.兔肉的营养与食疗价值 [ J].中国养兔杂志 , 2000(3):30-31.[ 13] 吴淑琴.家兔生产学 [ M].北京:中国教育文化出版社, 2005:8.
[ 14] 杨国忠 ,王净,孙泰然,等.微量元素碘对动物的营养作用 [ J].今日畜
牧兽医, 2007(1):56-57.
[ 15] TANJM, CHENJH, XUZP, etal.TheefectsofFoliumperilaeextracton
bloodfatandlipidperoxidationofrabbitwithhyperlipemia[ J].Agricul-
turalScience＆Technology, 2008, 9(1):121-124.
768 　　　　　　　　　　安徽农业科学　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2010年