银川平原水葫芦•大薸引种栽培及水体氮磷去除研究

摘要 通过在中温带区域（宁夏银川）设置不同浓度梯度水体处理引进栽种水葫芦和大薸，探寻其中后期生长特征以及利用对氮、磷等营养物质的强吸收作用，解决农田退水富含高氮、高磷等营养物质问题。结果表明，水葫芦、大薸喜高浓度营养元素的生长条件，在高浓度（T4、C4）处理条件下生长最好。水葫芦、大薸对于水体氮磷去除效果显著，对水体氮去除率最高可达84.54%、81.55%；对水体磷去除率最高可达99.17%、98.66%。植物死亡枝体腐烂后，体内氮磷元素会返还水体，应在生长放缓时期及时收割。总磷、溶解氧和pH是影响水葫芦生长存活的关键环境因子；除溶解氧因子外，大薸对其余水质指标均响应显著，与总氮、瞬时水温和总氮相关性强。两者长势良好，夏季能适应中温带区域（宁夏银川）气候，解决农田退水富含高氮、高磷等营养物质问题具有可行性。

关键词 引种栽培；生长特征；氮磷去除；水葫芦；大薸

中图分类号 X52  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）13-0070-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.13.017

Research on Introduction and Cultivation of Eichhornia crassipes and Pistia stratiotes in Yinchuan Plain and the Removal of Nitrogen and Phosphorus in Water

ZHAO Ming-tao1， TAN Peng2， HE Tong-hui1 et al

（1.School of Ecology and Environment， Ningxia University，Yinchuan， Ningxia 750021; 2.Yinchuan Wetland Conservation Center，Yinchuan， Ningxia 750021）

Abstract Eichhornia crassipes and Pistia stratiotes were introduced and planted in the mid-temperate region （Yinchuan， Ningxia） by setting different concentration gradients for water treatment. Exploring the growth characteristics in the middle and late stages and using the strong absorption of nitrogen， phosphorus and other nutrients to solve the problem of high nitrogen， high phosphorus and other nutrients in farmland dewatering. The results showed that， Eichhornia crassipes and Pistia stratiotes like the growth conditions of high concentrations of nutrient elements， and the best growth conditions were treated with high concentrations （T4， C4）. Eichhornia crassipes and Pistia stratiotes have a significant effect on the removal of nitrogen and phosphorus in water， and the removal rate of nitrogen in water can reach 84.54% and 81.55%; the removal rate of phosphorus in water can reach 99.17% and 98.66%. After the dead branches of the plants rot， the nitrogen and phosphorus elements in the body will return to the water body， and they should be harvested in time when the growth slows down. Total phosphorus， dissolved oxygen and pH are the key environmental factors affecting the growth and survival of Eichhornia crassipes. Except for the dissolved oxygen factor， Pistia stratiotes responded significantly to other water quality indicators， and had a strong correlation with total nitrogen， instantaneous water temperature and total nitrogen. Both of them grow well and can adapt to the climate of the mid-temperate region （Yinchuan， Ningxia） in summer， and it is feasible to solve the problem that the farmland retreat water is rich in nutrients such as high nitrogen and high phosphorus.

Key words Introduction and cultivation;Growth characteristics;Nitrogen and phosphorus removal;Eichhornia crassipes;Pistia stratiotes

基金项目 宁夏自然科学基金项目（2020AAC03015）；国家自然科学基金项目（41761102）。

作者简介 赵明涛（1998—），男，甘肃庆阳人，硕士研究生，研究方向：土壤污染修复和湿地生态恢复。

通信作者，教授，从事生态系统监测评估、恢复生态学与环境变化研究。

收稿日期 2022-06-21

银川平原是在新生代断陷盆地基础上发育的堆积平原［1］，黄河横穿而过，土层深厚，地势平坦，能充分利用黄河水资源灌溉农业，形成了发达的沟渠灌溉体系［2］，但农田退水携带的化肥、农药和农膜残留等污染物，对黄河水质造成不良影响［3］。根据2019—2020年宁夏回族自治区生态环境厅发布的《生态环境状况公报》显示，全区21条入黄排水沟水质总体为中、轻度污染，主要污染指标为化学需氧量、氨氮、高锰酸盐指数和氟化物，劣V类水质断面分别占21.2%、11.4%。因此，去除农田退水中过量的氮、磷等营养物质，有助于减少黄河水体农田污染源头排放，对于黄河流域高质量发展具有重要意义。

水葫芦（Eichhornia crassipes）常称凤眼莲，性喜温，一般生长温度为7～39 ℃，低于7 ℃则枯萎死亡［4］，多年生浮水草本植物。大薸（Pistia stratiotes），又称水白菜，喜高温湿润气候，耐寒性不如水葫芦，一般生长温度在15～45 ℃，低于5 ℃时则枯萎死亡［5］，多年生浮水草本植物［6］。因生长迅速，适应性强［7-8］，会侵占本地物种生存空间，皆属于高危入侵植物［9-11］。二者对氮、磷等营养物质具有强吸收作用［12-14］，常被用作净化富营养化水体的植物种［15］。

银川平原属于中温带区域，年平均气温8～10 ℃，6～9月平均气温高于15 ℃，能满足水葫芦和大薸生长的温度需求，在农田灌溉退水高峰期，农业面源污染严重［16］，水质恶化现象突出。引进栽种水葫芦和大薸探寻其对水体的氮、磷去除能力，对于解决农田退水富含高营养物质问题及入黄退水水质要求低于四类水具有重要意义。中温带区域冬季温度低于零度，二者不能存活过冬，不会造成生物入侵等危害，净化水体后的水葫芦和大薸富含氮、磷等营养物质可用作肥料返还农田。对于建立生物净化水体应急模式及制定地方水质排放标准能够提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究样区位于银川平原，地理位置为105°45′～107°00′E，37°50′～ 39°20′N，由黄河泥沙及湖沼长期淤泥堆积形成。属温带大陆性气候，气候干旱，年降水量约200 mm，年平均气温8～10 ℃，6～9月平均气温大于15 ℃。因其发达的沟渠体系和优越的地理位置，可充分利用黄河水资源发展灌溉农业，但在农田退水期，化肥和农药等有害物质进入水体，入黄排水水质恶化现象突出。

1.2 试验设计与方法

1.2.1

种苗培育。水葫芦平均初始高度、叶片长度和膨大组织数量分别为4.62 cm、3.47 cm和8.7个；大薸平均初始叶片数和叶片长度分别为10.12个和2.34 cm。

设置4类水体梯度处理，每组处理设置5组重复，进行水葫芦、大薸栽种试验，每隔7 d进行植被观察以及水质检测。植被观察指标有株高、叶片长度、膨大组织、多度、盖度和生物量，水质检测指标有总磷（TP）、溶解氧（DO）、pH、瞬时水温（T）、总氮（TN）、硝态氮（NO3-）、氨气（NH3）、铵根离子（NH4+）、氯离子（Cl-）、电导率（EC）和浊度（H）。

1.2.2

水葫芦水体梯度处理。T1，V类水（N含量2 mg/L）；T2，劣V类水（N含量4 mg/L）；T3，水体N含量8 mg/L；T4，水体N含量16 mg/L。

1.2.3

大薸水体梯度处理。C1，地表水；C2，Ⅳ类水；C3，V类水；C4，劣V类水体（N含量≥2 mg/L）。水体梯度处理以氮含量为基准，但施入水体的肥料也含有磷。

1.3 数据处理及分析

去除率计算公式［17］：

Q=C1-C2C1×100%（1）

式中，Q为去除率（%），C1为水样初始氮、磷浓度，C2为水样最终氮、磷浓度。

2 结果与分析

2.1 水葫芦中后期生长特征

栽种试验T1、T2、T3和T4处理水葫芦初始高度分别为4.59、5.11、4.66和4.13 cm；初始叶片长度分别为2.95、2.95、3.83和 4.13 cm。随时间变化株高和叶片长度均呈现出先增大后减小的趋势。沿水体氮浓度递增梯度，水葫芦衰败时间提前，T1处理在第5次观察开始衰败，T2、T3和T4处理在第2次观察开始衰败，株高逐渐降低，叶长长度降低（图1）。

T1、T2、T3和T4处理水葫芦初始膨大组织分别为7.47、8.13、9.87和9.33个；初始盖度分别为62%、68%、65%和71% 。随时间变化膨大组织和盖度均呈现出先增大后减小的趋势。沿水体氮浓度递增梯度，膨大组织数量在第4次观察时开始减少，盖度在第2次观察时开始降低，2者突变点不一致，高浓度（T3、T4）处理条件下，膨大组织数量少，盖度变化速率快（图2）。

随试验时间延长，生物量呈现出先上升，后下降的趋势，高浓度（T3、T4）处理条件下，生物量变化速率快，前期增加量和后期减少量均多于低浓度（T1、T2）处理条件（表1）。