盛 婧,鄭建初,陳留根,朱普平,周 煒

利用水生植物治理富營養(yǎng)化水體在水體治理眾多措施中最為經(jīng)濟(jì)有效[1-2]。鳳眼蓮〔Eichhornia crassipes(M art.)Slom s〕,又名水葫蘆,是國際上公認(rèn)的氮、磷吸收能力較強(qiáng)的水生植物之一。但是,對于將鳳眼蓮用于治理富營養(yǎng)化水體的工程實(shí)踐,一直存在較大的爭議[3-4],爭議的焦點(diǎn)在于：鳳眼蓮生長非常迅速且易隨水漂移,在開放性水域易發(fā)生堵塞航道、降低水體溶氧及破壞水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[5-6],甚至在一些地區(qū)已成為惡性的外來入侵植物。近年來,許多研究者提出了“限制面積”和“圍欄種養(yǎng)”的控制性種養(yǎng)措施,對鳳眼蓮種養(yǎng)可能引發(fā)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制[1,7],具有較好的控制效果,從而提高了用鳳眼蓮治理富營養(yǎng)化水體的可行性,但這些措施在一定程度上增加了用鳳眼蓮治理水體的種養(yǎng)成本。因而,要實(shí)現(xiàn)較好的凈化效果,就要求對鳳眼蓮進(jìn)行高產(chǎn)高效種養(yǎng),使鳳眼蓮在有限面積內(nèi)的產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量達(dá)到最大。然而相關(guān)的研究較少[8-9],特別是針對富營養(yǎng)化水體凈化的鳳眼蓮高產(chǎn)高效種養(yǎng)方面的研究尚未見報(bào)道。

鑒于此,作者研究了不同初始放養(yǎng)日期鳳眼蓮的生長規(guī)律,并對不同采收標(biāo)準(zhǔn)和采收比例對鳳眼蓮生物量和N、P、K吸收量的影響進(jìn)行了比較分析,初步總結(jié)出控制性條件下鳳眼蓮的高產(chǎn)采收流程,以期為富營養(yǎng)化水體治理提供更為經(jīng)濟(jì)可行的方法。

1 材料和方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)于 2009年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)的池塘中進(jìn)行,池塘面積為 40 m×120 m,水源來自于降雨和城市生活污水,采用水泵調(diào)節(jié)水量,平均水深約 3.5 m。池塘水體總氮、總磷和鉀的質(zhì)量濃度分別為 3.41～7.18、0.05～0.27和 2.24～5.18m g·L-1,屬于富營養(yǎng)化水體。

1.2 方法

1.2.1 初始放養(yǎng)日期及測定周期的設(shè)置 鳳眼蓮初始放養(yǎng)日期分別設(shè)置為 4月 10日、4月 17日、4月24日、5月 1日、5月 8日和 5月 15日,初始放養(yǎng)量為2 kg·m-2；采用毛竹圍欄小區(qū),小區(qū)面積為 2m2,每個(gè)處理 10個(gè)小區(qū)；實(shí)驗(yàn)期間每天測定氣溫。4月10日、4月 17日、4月 24日和 5月 1日放養(yǎng)的 4個(gè)處理組每隔7 d測定1次鮮質(zhì)量；5月8日和5月 15日放養(yǎng)的2個(gè)處理組在放養(yǎng)的0～42 d內(nèi)每隔7 d測定1次,42 d后每隔 14 d測定 1次。同時(shí),采用 ZDR-21型溫度記錄儀(杭州澤大儀器有限公司生產(chǎn))同步測定氣溫,2 h記錄 1次溫度。

1.2.2 采收標(biāo)準(zhǔn)和采收比例及取樣過程的設(shè)置 鳳眼蓮初始放養(yǎng)日期設(shè)置為 5月 12日,初始放養(yǎng)量為2 kg·m-2。采收標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)單位面積鳳眼蓮鮮質(zhì)量共設(shè)置 5個(gè)處理,分別為 10～15、15～20、20～25、25 kg·m-2以上及最高生物量；根據(jù)采收面積占總面積的比值確定采收比例,設(shè)置 2個(gè)處理,分別為采收面積占總面積的 1/2和 2/3。實(shí)驗(yàn)于 10月 11日結(jié)束,實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)各處理組的最后一次采收為全部采收。對照組則為一次性采收。小區(qū)面積為 2 m2,每個(gè)處理 5個(gè)小區(qū)。測定每次采收時(shí)各處理組鳳眼蓮的生物量,并計(jì)算實(shí)驗(yàn)期間各處理組鳳眼蓮的累計(jì)采收量。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)從各處理組中采集一定量的鳳眼蓮用于干質(zhì)量及N、P和 K含量的測定。

1.2.3 干質(zhì)量及 N、P和 K含量的測定 鳳眼蓮鮮樣(全株)于 105℃烘箱內(nèi)殺青 15m in后,在 60℃條件下烘干至恒質(zhì)量,稱取干質(zhì)量。

將上述烘干樣品研磨粉碎,稱取一定量的樣品粉末,用 H2SO4-H2O2消煮,采用 FIA star 500流動(dòng)注射分析儀(瑞典 FOSS公司生產(chǎn))測定N和 P含量,采用FP-640火焰光度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn))測定K含量。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算及分析方法

鳳眼蓮中干物質(zhì)含量和某一元素(N、P、K)總量的計(jì)算公式分別為：干物質(zhì)含量 =(全株干質(zhì)量/全株鮮質(zhì)量)×100％；某一元素總量 =累計(jì)采收量 ×1 000×干物質(zhì)含量 ×該元素的含量。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 SPSS 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 鳳眼蓮生長規(guī)律

2.1.1 鳳眼蓮生長過程 連續(xù) 2年 (2008年至 2009年)的觀測結(jié)果表明：鳳眼蓮的生長經(jīng)歷 3個(gè)過程：首先在分布密度較低(鮮質(zhì)量在 11.5 kg·m-2以下)時(shí)進(jìn)行快速無性繁殖,大量發(fā)生分枝并占領(lǐng)生態(tài)位；分蘗一段時(shí)間后分布密度增大 (鮮質(zhì)量超過 11.5 kg·m-2),在分布較為擁擠時(shí)開始進(jìn)行個(gè)體的營養(yǎng)生長,植株高度迅速增加,此時(shí)進(jìn)入對數(shù)生長期；隨生長的持續(xù),營養(yǎng)生長逐漸減慢,當(dāng)植株達(dá)到一定高度時(shí)就不再生長,部分分枝由于個(gè)體長大、空間擁擠而逐漸消亡。因此,要獲得較高的鳳眼蓮產(chǎn)量,必須在鳳眼蓮進(jìn)入緩慢營養(yǎng)生長期前 (即在對數(shù)生長期)進(jìn)行采收。

另外,作者還對鳳眼蓮的最高生物量進(jìn)行了多次測定,結(jié)果表明：在本實(shí)驗(yàn)水體養(yǎng)分條件下鳳眼蓮最高生物量可達(dá) 28.28 kg·m-2,此時(shí)水上部分株高為102 cm,根長為 20 cm。

2.1.2 鳳眼蓮生長曲線分析 選擇 2個(gè)具有代表性的放養(yǎng)初始日期處理,對其生長曲線 (圖 1)進(jìn)行研究。從圖 1可以看出：在初始放養(yǎng)日期為 4月 10日和 5月 15日的 2個(gè)處理組中,隨生長時(shí)間的持續(xù),鳳眼蓮的生物量均呈現(xiàn)在生長前期快速增加、生長后期增幅減緩、最后基本維持不變的趨勢。但 2個(gè)處理鳳眼蓮生物量從快速增長期進(jìn)入緩慢增長期的時(shí)間不一致。在初始放養(yǎng)量為 2 kg·m-2條件下,初始放養(yǎng)日期為 4月 10日的鳳眼蓮在放養(yǎng) 42 d后開始進(jìn)入緩慢生長期,此時(shí)鳳眼蓮生物量為 13.67 kg·m-2,植株水上部分高度為 28 cm；而初始放養(yǎng)日期為 5月 15日的鳳眼蓮則在放養(yǎng) 70 d后才開始進(jìn)入緩慢生長期,此時(shí)鳳眼蓮生物量為 26.65 kg·m-2,植株水上部分高度達(dá)到 76 cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：初始放養(yǎng)日期不同的鳳眼蓮生長曲線有一定的差異,針對初始放養(yǎng)日期不同的鳳眼蓮,根據(jù)生長曲線可以確定其相應(yīng)的采收時(shí)間。

2.1.3 初始放養(yǎng)日期對鳳眼蓮生物量的影響 初始放養(yǎng)日期對鳳眼蓮生物量的影響見表 1。由表 1可以看出：在初始放養(yǎng)量為 2 kg·m-2條件下,初始放養(yǎng)日期為 4月 10日、4月 17日、4月 24日、5月 1日和 5月 8日的鳳眼蓮在放養(yǎng) 63 d后的總生物量分別達(dá)到 15.26、15.31、18.91、19.68和 24.36 kg·m-2,表現(xiàn)出隨初始放養(yǎng)日期的推遲而增加的趨勢。其中,初始放養(yǎng)日期為 5月 8日的鳳眼蓮總生物量顯著高于其他處理組；而初始放養(yǎng)日期為 4月 10日和 4月17日的鳳眼蓮總生物量顯著低于 4月 24日和 5月 1日放養(yǎng)的鳳眼蓮。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)處理過程中,各處理組對應(yīng)的平均氣溫也呈現(xiàn)出隨初始放養(yǎng)日期推遲而增加的趨勢。相關(guān)性分析結(jié)果表明：鳳眼蓮的生物量與生長期平均氣溫有極顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.84)。

圖 1 不同初始放養(yǎng)日期(4月 10日和5月 15日)鳳眼蓮的生長曲線Fig.1 G row th curve of Eichho rn ia crassipes(M ar t.)Slom s w ithd ifferen t in itia l p lan ting da tes(10 th Apr iland 15 thM ay)

以放養(yǎng)后 35 d(各處理組鳳眼蓮的分布密度均接近 11.5 kg·m-2)作為分界線,整個(gè)實(shí)驗(yàn)處理過程劃分為 0～35 d(分蘗發(fā)生期)和 36～63 d(營養(yǎng)生長期)2個(gè)階段。在 0～35 d,各處理組鳳眼蓮的生物量增長量可達(dá) 8.83～9.72 kg·m-2,每周平均增長量為1.77～1.94 kg·m-2,不同處理間無顯著差異；而在 36～63 d,各處理組鳳眼蓮的生物量增長量表現(xiàn)出隨初始放養(yǎng)日期推遲而增加的趨勢,4月 10日和 4月17日放養(yǎng)的鳳眼蓮生物量增長量較低,5月 8日放養(yǎng)的鳳眼蓮生物量增長量最高 (13.21 kg·m-2),且顯著高于其他處理組。此外,相關(guān)分析結(jié)果表明：在0～35和 36～63 d這 2個(gè)生長階段,鳳眼蓮生長量的增長量與平均氣溫呈顯著正相關(guān),R2分別為 0.79和 0.94。

研究結(jié)果表明：初始放養(yǎng)日期對鳳眼蓮的生物量有明顯影響,南京地區(qū) 4月初即可進(jìn)行鳳眼蓮的放養(yǎng),初始放養(yǎng)日期選擇在 5月上旬為最佳；與分蘗發(fā)生期相比,營養(yǎng)生長期鳳眼蓮生長受初始放養(yǎng)時(shí)間的影響更大；氣溫與鳳眼蓮的生長速率顯著相關(guān)。

表 1 在不同的初始放養(yǎng)日期和氣溫條件下鳳眼蓮生物量的比較1)Tab le 1 Com par ison of b iom assof E ichho rn ia c rassipes(M ar t.)Slom s under d ifferen t in itia l p lan ting da tesand a ir tem pera ture cond ition s1)

2.2 采收標(biāo)準(zhǔn)和采收比例對鳳眼蓮采收量的影響

適時(shí)適量采收是獲得鳳眼蓮高產(chǎn)的根本保證,環(huán)境溫度對鳳眼蓮的生長速率有顯著影響,因此,根據(jù)單位面積鳳眼蓮的鮮質(zhì)量 (即生物量)來確定采收時(shí)間最為適宜。不同生長階段鳳眼蓮的最適采收生物量不同,考慮到生產(chǎn)上的可操作性,應(yīng)從采收標(biāo)準(zhǔn)和采收比例兩方面對鳳眼蓮的最適采收量進(jìn)行比較。表 2結(jié)果表明：從初始放養(yǎng)日期 5月 12日至 10月 11日最終收獲,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間分別按照鳳眼蓮生物量10～15、15～20、20～25、25 kg·m-2以上和最高生物量以及一次性采收(對照)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采收,并將 1/2采收比例和 2/3采收比例合并計(jì)算,平均累計(jì)采收量分別為 60.70、63.51、66.43、53.51、43.27和 27.47 kg·m-2,累計(jì)采收量與鳳眼蓮生物量呈拋物線型關(guān)系。在鳳眼蓮生物量達(dá)到 20～25 kg·m-2時(shí)進(jìn)行采收,平均累計(jì)采收量最高,為 66.43 kg·m-2；一次性采收的平均累計(jì)采收量最低,僅為 27.47 kg·m-2,顯著低于其他處理組。由此可見,在本實(shí)驗(yàn)條件下,鳳眼蓮的最佳采收標(biāo)準(zhǔn)為生物量達(dá)到 20～25 kg·m-2時(shí)進(jìn)行采收。

從采收比例來看,按照 1/2和 2/3采收比例進(jìn)行采收,鳳眼蓮的平均累計(jì)采收量分別為 56.03和58.93 kg·m-2,后者略高于前者,但二者差異不顯著。

采收頻率決定了采收成本,在采收量相同的條件下,采收頻率越高則采收成本越高。由表 2還可見：鳳眼蓮的采收頻率與采收時(shí)的生物量 (即采收標(biāo)準(zhǔn))成反比,采收時(shí)生物量大,采收頻率低；但累計(jì)采收量與采收標(biāo)準(zhǔn)則呈拋物線型關(guān)系；采用 2/3采收比例,不同處理組鳳眼蓮的累計(jì)采收量均高于采用 1/2采收比例后各處理組的累計(jì)采收量。按照累計(jì)采收量越高、采收頻率越低的原則,較為適宜的鳳眼蓮采收標(biāo)準(zhǔn)為20～25 kg·m-2、采收比例為2/3,在此條件下采收頻率僅 4次但累計(jì)采收量可達(dá) 68.00 kg·m-2。

表 2 采收標(biāo)準(zhǔn)和采收比例對鳳眼蓮采收頻率及累計(jì)采收量的影響1) Tab le 2 Effects of d ifferen t harvest standards and ra tios on harvest frequency and cum u la tive harvest of E ichho rn ia crassipes(M ar t.) Slom s1)

2.3 采收標(biāo)準(zhǔn)和采收比例對鳳眼蓮干物質(zhì)以及 N、P、K積累量的影響

2.3.1 對干物質(zhì)及 N、P和 K最終含量的影響 采用不同的采收標(biāo)準(zhǔn)和采收比例對鳳眼蓮進(jìn)行采收,鳳眼蓮全株干物質(zhì)及N、P、K的最終含量見表3。由表3可以看出：采用一次性采收的方法 (對照),鳳眼蓮全株干物質(zhì)的最終含量最高,達(dá)到 7.94％；而采取不同的采收標(biāo)準(zhǔn)及采收比例,對鳳眼蓮全株干物質(zhì)的最終含量均有一定影響。隨采收標(biāo)準(zhǔn)的提高(也即鳳眼蓮生物量的提高),其干物質(zhì)的最終含量也逐漸增加；采用相同的采收標(biāo)準(zhǔn),采取 2/3采收比例,則鳳眼蓮全株的干物質(zhì)含量均略高于 1/2采收比例處理組。

由表 3還可見：采用一次性采收的方法,鳳眼蓮全株N、P和 K的最終含量均最低,分別為 1.98％、 0.24％和 4.45％；而采用不同的采收標(biāo)準(zhǔn)和采收比例,鳳眼蓮全株 N、P和 K的最終含量均高于對照。采用不同的采收標(biāo)準(zhǔn),鳳眼蓮全株 N、P和 K的最終含量有明顯的差異,其中,采用 20～25 kg·m-2的采收標(biāo)準(zhǔn),在 1/2和 2/3采收比例條件下植株中N和 K的最終含量均最高 ,分別為 2.69％、6.18％和2.75％、6.22％；采用 25 kg·m-2以上采收標(biāo)準(zhǔn)及 1/2和 2/3采收比例,植株中 P的最終含量均最高,分別為0.38％和 0.36％。

表3 采收標(biāo)準(zhǔn)和采收比例對鳳眼蓮中干物質(zhì)(DM)及 N、P和 K含量的影響1)Tab le 3 Effects of d ifferen t harvest standards and ra tios on con ten ts of drym a tter(DM)and N,P and K in Eichho rn ia crassipes(M ar t.) Slom s1)

2.3.2 對 N、P和 K總量的影響 采用不同的采收標(biāo)準(zhǔn)和采收比例對鳳眼蓮進(jìn)行采收,單位面積鳳眼蓮N、P和 K總量見表 4。由表 4可以看出：采用相同的采收標(biāo)準(zhǔn),按 2/3采收比例進(jìn)行采收,鳳眼蓮N、P和K總量均略高于 1/2采收比例。采取不同的采收標(biāo)準(zhǔn),鳳眼蓮 N、P和 K總量差異較大。采用 20～25kg·m-2采收標(biāo)準(zhǔn),按 1/2和 2/3采收比例進(jìn)行采收, N、P和 K總量均最高,分別為 92.44、12.05、212.71和 103.61、12.24、234.09 g·m-2；采用其他 3個(gè)采收標(biāo)準(zhǔn),N、P和 K總量均低于 20～25 kg·m-2采收標(biāo)準(zhǔn)但高于一次性采收(對照)處理。采用一次性采收方法,N、P和 K總量均最低,分別為 43.27、5.31和97.16 g·m-2,僅為采收標(biāo)準(zhǔn) 20～25 kg·m-2、2/3采收比例處理組 N、P和 K總量的 41.76％、43.38％和41.51％。由此可見,采用 20～25 kg·m-2采收標(biāo)準(zhǔn)和2/3采收比例,單位面積鳳眼蓮中N、P和 K總量最高,表明這種采收方式可使鳳眼蓮對水體中N、P和 K的吸收達(dá)到較好的效果。

表 4 采收標(biāo)準(zhǔn)和采收比例對鳳眼蓮 N、P和 K總量的影響Tab le 4 Effects of d ifferen t harvest standards and ra tios on tota l am oun ts of N,P and K in Eichho rn ia crassipes(M ar t.)Slom s

3 討論和結(jié)論

目前,關(guān)于鳳眼蓮種養(yǎng)技術(shù)方面的研究較少。劉大圣等[8]的研究結(jié)果表明：鳳眼蓮可在氣溫上升到13℃以上、越冬種株發(fā)出新葉時(shí)開始放養(yǎng)；在放養(yǎng)后1～2個(gè)月植株生長繁殖茂盛時(shí)可開始采收,采收量為全部植株數(shù)量的 1/4～1/3；夏季每隔 5～7 d即可采收 1次。盧隆杰等[9]的研究也得出了類似的結(jié)果。但這些研究均是以獲取飼料為目的種養(yǎng)鳳眼蓮,其目的也是能使鳳眼蓮在小面積范圍內(nèi)持續(xù)產(chǎn)出,而針對大面積水體凈化的鳳眼蓮種養(yǎng)則是以節(jié)省勞動(dòng)力及氮、磷吸收量最大化為目標(biāo)。為此,針對水體凈化,有必要開展鳳眼蓮生長規(guī)律以及基于水體修復(fù)的高產(chǎn)種養(yǎng)技術(shù)的研究。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鳳眼蓮在生長前期由于產(chǎn)生分蘗和植株個(gè)體生長,生物量快速增加；當(dāng)植株生長至一定高度,生物量增速減緩,最后基本保持不變。初始放養(yǎng)日期對鳳眼蓮的生長動(dòng)態(tài)和生長速率有明顯影響,而這種影響效應(yīng)主要出現(xiàn)在營養(yǎng)生長階段,對分蘗發(fā)生期的影響相對較小。溫度是影響鳳眼蓮生長速率的重要因素之一,在 4月份至 5月份平均氣溫達(dá)20℃以上的條件下,鳳眼蓮能迅速產(chǎn)生分蘗；而 5月中旬至 6月中旬氣溫雖有所升高,但對鳳眼蓮的生長而言仍未達(dá)到最佳,因而鳳眼蓮植株高度生長受到限制；6月中旬以后氣溫較高,達(dá) 28℃以上,鳳眼蓮個(gè)體生長迅速,植株高度進(jìn)一步增加；此外,作者也在 3月下旬進(jìn)行了鳳眼蓮的放養(yǎng)實(shí)驗(yàn),但由于放養(yǎng)初期溫度較低,出現(xiàn)了鳳眼蓮死亡的現(xiàn)象,致使鳳眼蓮生物量降低(另文報(bào)道)。因此,根據(jù)本研究結(jié)果,建議在進(jìn)行鳳眼蓮種養(yǎng)時(shí),應(yīng)在 4月份至 5月份進(jìn)行放養(yǎng),并將鳳眼蓮的正常生長調(diào)節(jié)至 6月以后,這將更有利于實(shí)現(xiàn)鳳眼蓮的高產(chǎn)增效。

及時(shí)采收是鳳眼蓮高產(chǎn)的根本保證,要獲得較高的產(chǎn)量,必須在鳳眼蓮進(jìn)入緩慢營養(yǎng)生長期前進(jìn)行采收。作者對生產(chǎn)上可操作的適合于全年的鳳眼蓮最佳采收標(biāo)準(zhǔn)和采收比例進(jìn)行研究,結(jié)果表明：在水體中總氮含量 3.41～7.18 m g·L-1、總磷含量 0.05～0.27m g·L-1和鉀含量 2.24～5.18 m g·L-1的條件下,采用 20～25 kg·m-2的采收標(biāo)準(zhǔn)和 2/3的采收比例,鳳眼蓮的累計(jì)采收量最高、采收次數(shù)較少,對 N、P和 K積累量最大,植株中 N、P和 K的總量分別達(dá)到 103.61、12.24和 234.09 g·m-2。采取這一采收方法,可實(shí)現(xiàn)鳳眼蓮的全年高產(chǎn)和高效吸收水體中N、P和 K的雙重目標(biāo)。

本實(shí)驗(yàn)是在面積較小的池塘內(nèi)進(jìn)行的,其結(jié)果適用于風(fēng)浪較小和水面相對靜止的水體(如河道和池塘等)中鳳眼蓮的種養(yǎng)。而在開放性水域,鳳眼蓮的生長會(huì)受到風(fēng)浪的影響,因此,其種養(yǎng)技術(shù)有待于進(jìn)一步的研究。

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