20 世紀中葉以來,世界水產養殖業迅猛發展。我國是世界第一水產養殖大國,水產養殖量占世界總產量的70% ,20 多年來養殖產量已經超過捕撈產量。對蝦作為深受廣大人民群眾喜愛的高蛋白海產品,其人工養殖的成功給人類帶來了很大的希望。為解決不斷增長的蛋白質需求和過度捕撈給野生蝦類資源及其他水生動物所帶來的壓力等問題開辟了新的途徑。然而對蝦養殖廢水的大量排放,在污染近岸海域生態環境的同時,反過來也制約了水產養殖業的可持續發展 。近年來,在漁業養殖過程中使用水生植物作為生物過濾器凈化水質,進行生態循環養殖,國內外學者進行了許多探索和研究,并取得良好效果。我國勞動人民自古就有魚菜共生等養殖模式的發明和實踐,在淡水養殖中,可作為生物過濾器的水生植物種類十分豐富 ,但在海水養殖中,可供選擇用作生物過濾器的材料十分有限,基本只有大型海藻。大型海藻由于生活史的特殊性,其在夏季繁殖期過后藻體腐爛分解,所以此時基本沒有材料可用作海水漁業廢水的生物過濾器。
北美海蓬子(Salicornia bigelovii Torr. ) 隸屬于藜科、鹽角草屬,原產于北美沿海鹽沼中,是美國亞利桑那大學的科學家經過十幾年篩選馴化出的生存力強、具有較高經濟價值的鹽生植物品種,對鹽度適應范圍廣,可達5 ~ 50。作為高等綠色開花植物,其在夏季高溫季節依然生長旺盛,可以彌補大型海藻作為生物過濾器的不足。國外有學者將其作為生物過濾器構建濕地,處理海水漁業養殖廢水。
生態浮島技術是一種水環境治理與水生態修復相兼顧的實用技術,最早美國生態學家Gurney 在加拿大雁水上漂浮式人工巢的研究是生態浮島應用研究的雛形。經過近30 年的發展,國內外生態浮島技術有了很大發展和應用,其制作材料和形式多種多樣,可隨實際需求而改變。本研究嘗試以生態浮島形式將北美海蓬子種植于南美白對蝦高效生態循環養殖系統的凈化池內,探索北美海蓬子浮島種植技術和其生長特征,并搭建小型管道式無土栽培系統,測定北美海蓬子對養蝦廢水中N、P 等營養物質的吸收,以闡明北美海蓬子凈化養蝦廢水的作用機理,以期為北美海蓬子在對蝦生態循環養殖模式中的應用提供理論基礎。
1 實驗部分
1. 1 北美海蓬子浮島種植技術研究
北美海蓬子浮島種植實驗地點選在浙江永興水產種業有限公司高效生態循環養殖系統的C1# 塘(東經120°51′51″北緯27°50′50″ )。該養殖系統是一個以高位池養殖南美白對蝦為主的多品種、多生態位結合的循環養殖系統。C1#塘為露天池,屬凈化池之一,水面面積約0. 5 ha,距海邊約2 km,受風浪影響不大,池水鹽度保持在12 ~ 20。
1. 1. 1 浮島載體制作
實驗選擇高密度聚苯乙烯泡沫作為浮島載體,聚苯乙烯在250 ℃ 以上高溫才會分解為單體,產生揮發性氣體。本實驗選用的高密度聚苯乙烯泡沫板屬擠塑板,強度較高不易發生分解和霉變,不含揮發性有害物質,化學性質穩定。
浮島載體采用高密度聚苯乙烯泡沫板,每片泡沫板長度82 cm,寬度82 cm,厚度15 cm,距離泡沫邊緣5 cm 處開始打栽培孔,每片泡沫上均勻打栽培孔16 個。每個栽培孔上口徑14 cm,下口徑12 cm,深度14 cm,接近底部區域呈弧度,形如碗狀,栽培孔底部中間打通,留孔徑5 cm 的透水孔,泡沫板共1 500 片。
1. 1. 2 浮島固定方式
浮島布設前在池塘中每隔8. 2 m 預埋長3. 5 m 水泥樁11 根,其中地下深埋1. 5 m,地上預留2. 0 m,作為固定浮島的立樁。
立樁布設完成后,在池塘岸邊將泡沫板搭建成8. 2 m × 12. 3 m 的大片,相鄰的泡沫板上下兩面均用配套的卡扣連接后,再用ϕ2 mm 的防腐尼龍繩綁扎;然后將大片浮島放置到實驗池水面,在固定樁的位置將固定樁插入浮島中間進行固定,再將相鄰的大片浮島用配套的卡扣連接起來,最后將整片浮島外圍采用DN 75 的PVC 管作為框架進行加固,PVC 管采用膠水粘接,并用ϕ2 mm 的防腐尼龍繩與泡沫板綁扎。浮島面積約1 008 m2 ,長82 m,寬12. 3 m。
1. 1. 3 北美海蓬子播種及栽培管理
栽培孔中放入直徑為14 cm 軟塑料培養缽,培養缽中裝入容量約為2 /3 的種植土,池塘中的水通過栽培孔底部的透水孔滲進栽培孔的土壤中,待栽培孔中土壤完全濕透,即可進行播種,播種時只需將種子均勻撒入栽培孔即可。
2014 年3 月初,在每個栽培孔中播種北美海蓬子種子約20 粒。約2 周左右,即可見到北美海蓬子發芽幼苗。北美海蓬子生長期間,只需定時除去栽培孔中的雜草,對幼苗過密或過疏的地方進行適當間苗或補苗,保持每個栽培孔中2 ~ 3 顆幼苗。2014 年11—12 月,根據種子成熟狀況,分批收割北美海蓬子植株,晾曬,收集保存種子。
北美海蓬子種子成熟期長,成熟狀況參差不齊,早期成熟的種子散落下來。溫州冬季十分溫暖,因此浮島上的種子很快又會萌發,此時需要及時清除栽培孔中的海蓬子殘枝,以利新的植株生長。因此溫州地區浮島種植北美海蓬子,只需第一年進行播種,此后在新一輪生長過程中,只需根據生長狀況定時進行除草、間苗和補苗等工作,基本無需其他管理。浮島北美海蓬子生長期間,基本沒有發現病蟲害,完全不需要農藥化肥。
1. 1. 4 浮島北美海蓬子生長特征及產量估算
2015 年3—7 月間,每隔5 ~ 6 d 測量并記錄北美海蓬子株高,定期采集部分植株測量株高株重,7 月中旬隨機收割10 片泡沫板上的北美海蓬子植株(不含根部) 進行產量估算。
1. 2 北美海蓬子凈化對蝦養殖廢水的實驗研究
為了解浮島北美海蓬子凈化對蝦養殖廢水的機理和效果,在南美白對蝦高位養殖池旁邊構建小型管道式無土栽培系統,進行北美海蓬子凈化養蝦廢水的實驗研究。管道式無土栽培系統包括培養架、水箱、潛水泵、水管、定植籃和定植海綿等,每個培養架上有72 個定植孔。
首先在光照培養箱中,進行北美海蓬子催芽育苗及幼苗培育,待北美海蓬子幼苗長至約1. 5 cm 時,移至小型管道式無土栽培系統中,以養蝦廢水進行培養。實驗期間,根據水質情況,每3 ~ 12 d 更換一次培養水。在夏季中午高溫或雨季,以防雨棚遮擋防護。
1. 2. 1 北美海蓬子對養蝦廢水中氮磷吸收速率的研究
將養蝦廢水裝入管道式無土栽培系統的水箱中,以潛水泵將其泵入栽有北美海蓬子的培養架循環管中,進行培養。培養期間,每隔一定時間(0、3、6、9 和12 d, 根據測定情況調整) 取水樣,根據鉬酸銨分光光度計法(GB 11893-89) 測定TP、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度計法(GB 11894-89) 測定TN、次溴酸氧化法測定NH4+ -N、重氮—偶氮法測定NO2- -N、鋅-鎘還原法測定NO3- -N、鉬藍法測定PO4^3- -P。
在對蝦養殖過程中,不同生長階段蝦的代謝率和投餌量不同,養殖水體中的營養鹽濃度變化較大,但總體來說,營養鹽濃度都很高。實驗分兩組進行,分為中等營養鹽和高營養鹽養蝦廢水組,以沒有定植北美海蓬子的培養架作為空白對照組。每天定時測量培養水的鹽度,并適當補充蒸餾水,以保持實驗期間鹽度恒定。
1. 2. 2 北美海蓬子對不同形態氮優先吸收的測定
以200 μmol·L - 1 的濃度,將氯化銨(NH4+ -N)、亞硝酸鈉(NO2- -N)、硝酸鉀(NO3- -N) 加入管道式無土培養系統的水箱中( PO4^3- -P 濃度為20 μmol·L - 1 ),進行循環培養,開始實驗。每隔6、24、48、72 和96h 取水樣,分別測定其中NH4+ -N、NO2- -N、NO3- -N 和PO4^3- -P 的濃度。實驗共進行2 次,以沒有定植北美海蓬子的培養架作為空白對照組。
1. 2. 3 北美海蓬子對養蝦廢水氮磷去除效果的研究
2015 年7 月中旬,收獲浮島上種植的北美海蓬子植株,將其帶回實驗室內,60℃ 烘干,樣品經消解后,以納什比色法測定植株TN 含量,鉬酸銨分光光度計法測定植株TP 含量;結合浮島海蓬子種植面積和產量,估算北美海蓬子從養蝦廢水中移除的氮磷總量。
1. 2. 4 統計分析
采用SPSS 18. 0 處理數據,p < 0. 05 視為差異顯著。
2 結果與分析
2. 1 浮島栽培的北美海蓬子生長特征及產量
2015 年3—7 月間,定期測量北美海蓬子的株高株重等,并進行回歸分析,得到結果見圖1 和圖2。
圖1 顯示,北美海蓬子前期(3—4 月) 生長十分緩慢,5 月份進入快速生長期,6 月下旬以后平均株高基本不再增加,此時平均株高約69. 5 cm。
圖2 顯示,北美海蓬子生長過程中株高株重呈指數增長關系,其函數關系式為y = 0. 376e0. 110x ,即隨著北美海蓬子株高的增長,株重呈指數式增加。這與北美海蓬子植株的形態構造有關,北美海蓬子幼苗單株直立,而后反復分叉,因此株重的增加呈指數式上升。
浮島北美海蓬子前期生長緩慢,2014 年3 月初播種,10 d 左右初見幼小芽苗,4 月底生長至10 ~ 15cm,5 月份進入快速生長期,株高35 cm 左右可開始采摘嫩芽(具有極好的食用和保健價值),合適的嫩芽采摘期為5 月中旬至7 月中旬。
北美海蓬子是長日照植物,花期受光照周期影響明顯。經觀察,溫州地區的北美海蓬子最早在夏至(6 月23 日) 前后開始形成花穗,7—8 月陸續進入開花期,9 月份亦可見到少量晚期花穗。種子成熟期較長,9 月末至10 月初即有成熟種子出現,直至12月。北美海蓬子種子細小,成熟后即從果穗脫落,所以需及時收集。
2015 年7 月初,隨機選取10 個浮島泡沫板樣方,收割整塊泡沫板上的北美海蓬子植株,經測算,北美海蓬子單位面積產量為(9. 1 ± 1. 5)kg·m - 2 (不包含根部),將收割的海蓬子嫩尖全部采摘下來,稱重,此時海蓬子可食用嫩尖部分占整株重量的80% 。浮島面積1 008 m2 ,估算整個浮島北美海蓬子產量約91 700 kg。
2. 2 北美海蓬子對養蝦廢水中N 和P 的吸收速率
北美海蓬子對不同形態N 和P 的吸收結果見圖3 ~ 6。
圖3 為高營養鹽濃度的養蝦廢水組,其中N 含量很高,TN 濃度達1 231. 6 μmol·L - 1 ,NO2- -N、NH4+ -N和NO3- -N 濃度分別可達625. 3、137 和398. 4 μmol·L - 1 。實驗期間,系統中的NH4+ -N、NO2- -N 的濃度下降非常快,尤其是NO2- -N,實驗期間從625. 3 μmol·L - 1 到3. 4 μmol·L - 1 ,降低了99. 5% ;NH4+ -N 濃度從137 μmol·L - 1 降到10. 4 μmol·L - 1 ,下降了92. 4% ;而NO3- -N 的濃度在前6 d 略有上升,在NO2- -N和NH4+ -N 濃度明顯下降后,NO3- -N 濃度開始下降;TN 濃度由1 231. 6 μmol·L - 1 降至421. 5 μmol·L - 1 ,下降了66. 5% 。
由圖4 可知,高營養鹽養蝦廢水中TP 和PO4^3- -P 的濃度分別可達70. 3 和49. 3 μmol·L - 1 。實驗期間,TP 濃度由70. 3 μmol·L - 1 降至43. 8 μmol· L - 1 ,下降了37. 7% ;PO4^3- -P 由49. 3 μmol·L - 1 降至42. 4 μmol·L - 1 ,下降了13. 9% 。
本組實驗開始時,北美海蓬子株高(14. 5 ± 1. 9)cm。實驗結束時,北美海蓬子株高(18. 6 ± 2. 1)cm。
圖5 和圖6 為中等濃度營養鹽養蝦廢水組,其TN 和TP 分別可達604. 9 和62. 9 μmol·L - 1 。由圖5 可知,在實驗的前3 d 內,TN、NH4+ -N、NO2- -N 和NO3- -N 的濃度下降非常快,分別下降了55. 7% 、95. 8% 、97. 1%和78. 5% 。由圖6 可知,實驗期間,TP 和PO4^3- -P 的濃度分別下降了55. 5% 和22. 7% 。
本組實驗開始時,北美海蓬子株高(19. 3 ± 2. 3)cm。實驗結束時,北美海蓬子株高(20. 1 ± 2. 3)cm。
2. 3 北美海蓬子對不同形態N 優先吸收的實驗結果
該實驗分2 組(次)進行,第一組實驗開始時北美海蓬子平均株高13. 5 cm (見圖7),第二組實驗開始時北美海蓬子平均株高20. 1 cm (見圖8)。2 組實驗結果都顯示,北美海蓬子對NH4+ -N、NO2- -N 和NO3- -N 的吸收存在極顯著差異(P < 0. 01 )。2 組實驗中,在實驗開始的6 h 內,NH4+ -N 的下降速率分別達到50. 5% 和59. 2% ,NO2- -N 的下降速率也明顯大于NO3- -N。說明北美海蓬子對NH4+ -N 存在優先吸收作用,其次是NO2- -N。
表1 浮島種植北美海蓬子的產量及N、P 去除效果
2. 4 北美海蓬子對養蝦廢水中N、P 的去除效果
實驗室分析測得,北美海蓬子植株(鮮重)體內TN 為(0. 05 ± 0. 01)% ,TP 含量為(0. 009 ± 0. 0007)%(見表1)。實地測算北美海蓬子單位面積產量為(9. 1 ± 1. 5)kg m - 2 (不包含根部),浮島面積1 008 m2 ,由此可得,浮島種植的北美海蓬子對TN 和TP 的去除量分別為4. 59 kg 和827 g。
據浙江永興水產種業有限公司多年的對蝦養殖實踐和經驗,養蝦用的飼料TN 含量約6. 72% (飼料粗蛋白含量42% ,粗蛋白TN 含量約16% ),TP 含量約1% , 蝦對餌料的利用率平均約65% (未發表數據)。由此推算,1 kg 餌料中未被利用部分的N、P 分別相當于約5 m2 和4 m2 北美海蓬子中的N、P 含量。
3 討論
本研究選擇高密度聚苯乙烯泡沫擠塑板作為浮島載體種植北美海蓬子,其優點在于強度高,承載力強,每平方米承載力可達150 kg 以上,因此便于人力勞動操作。
基于所使用的浮島材料,本研究將種植土作為栽培基質,將北美海蓬子直接播種于栽培孔內,十分有利于北美海蓬子的發芽和生長,免去了育苗移栽等復雜過程,節省了生產成本和勞動力。此種形式的生態浮島種植北美海蓬子,只需第一年進行播種,北美海蓬子種子細小,種子成熟期參差不齊,成熟的種子散落下來,自然萌發生長,在新一輪生長過程中,只需根據生長狀況定時進行除草、間苗和補苗等工作,基本無需其他管理,一次性投入可連續多年使用,十分方便和節省生產成本。
養蝦廢水中存在各種不同形態氮,其中NH4+ -N 主要來自于蝦的代謝排放,NO3- -N 和NO2- -N 主要是由于養蝦過程中過剩投放的餌料,在水體中腐敗分解而產生。NH4+ -N 和NO2- -N 對蝦的毒性較強,若不及時清除,會對蝦造成中毒 。為了減輕其毒性,養殖過程中需要不斷增氧,并經常投放硝化細菌等,將有毒性的NO2- -N 轉化為無毒的NO3- -N 。
本文的研究結果顯示,北美海蓬子對養蝦廢水中的NH4+ -N 存在優先吸收作用,其次是NO2- -N 。在高營養鹽濃度養蝦廢水實驗中,NH4+ -N 和NO2- -N 濃度都快速下降,而NO3- -N 濃度先升后降,可能是因為NO2- -N 不穩定,一部分被氧化和硝化轉化成NO3- -N,另一部分被吸收。在中等營養鹽濃度實驗中,3 種無機氮濃度都呈快速下降趨勢,實驗的第三天,NH4+ -N 和NO2- -N 濃度就降到很低,說明北美海蓬子對中等營養鹽濃度的養蝦廢水凈化效果良好。北美海蓬子對PO4^3- -P 的吸收實驗結果也得出同樣結論。養殖廢水中的磷大多數以有機物的形式存在,吸附在懸浮顆粒物上的磷隨著懸浮顆粒物的沉淀而沉積下來,在微生物的作用下轉變成無機磷被植物體吸收,故實驗結果中TP 的變化幅度大于PO4^3- -P。
本研究過程中以生態浮島種植北美海蓬子兩年,發現北美海蓬子作為一年生草本植物,前期生長十分緩慢(見圖1),在其幼苗期(2—4 月)應及時清除周圍雜草。若清理不及時,北美海蓬子就會被其他雜草競爭取代,植株死亡消失。其次,北美海蓬子屬藜科植物,種子十分細小,發芽率低,需經一定人工技術處理提高其發芽率。因此,北美海蓬子作為引進外來物種,生態安全風險小。具體參見污水寶商城資料或http://m.bnynw.com更多相關技術文檔。
4 結論
1)以生態浮島種植北美海蓬子既可以凈化水質,產生一定的經濟效益,又可作為景觀,對水質凈化池起必要的遮陰作用。
2)北美海蓬子耐高溫,鹽度適應范圍廣,是可供選擇的優良海水漁業養殖廢水生物過濾器。
