环境科学学报
ACTA　SCIENTIAE　CIRCUMSTANTIAE
1998年5月第18卷第5期科技期刊
浮床水稻对富营养化水体中氮、磷的的去除效果及规律研究*
宋祥甫　邹国燕　吴伟明　金千瑜　应火冬
(中国水稻研究所，杭州 310006)

摘要　采用水域浮床无土种植方法，以人工模拟池为试验场所，在池内的富营养化水体(KN和TP含量分别为2.084和0.248mg/L)表面种植水稻，通过水稻的吸收和吸附作用，去除水体中的N、P元素，以实现变废为宝，净化水质，并使水体产生良性循环.研究表明，在水深1.4m左右，水面的浮床覆盖率分别为20%、40%、60%条件下，通过水稻自分蘖至成熟历时84天的处理，对全池水体中KN的净去除率分别为29.0%、49.8%和58.7%，TP的净去除率分别为32.1%、42.0%和49.1%.试验结果为利用浮床 陆生植物治理富营养化水域提供了科学依据.
关键词　水稻；浮床；富营养化水体；氮、磷去除率.
STUDY ON THE REMOVAL EFFECT AND REGULATION OF RICE PLANTS ON FLOATING-BEDS TO MAIN NUTRIENTS N AND P IN EUTROPHICATED WATER BODIES

Song Xiangfu, Zou Guoyan, Wu Weiming, Jin Qanyu, Yeng Huodong
(China National Rice Research Institute, Hangzhou 310006)

ABSTRACT　Experiments were carried out in artificially-eutrophicated water bodies in cement ponds with the concentrations of TP at 0.248 mg/L and KN at 2.084 mg/L and without any interference from natural environment. On the surface, rice was transplanted on floating-beds for the purpose of removing nutrients from water by adsorption of rice roots so that excessive nutrients could be utilized usefully. At the meantime, water could be purified and the benign recycling of water bodies could be maintained. When the floating-bed coverage rates were set up at 20%,40% and 60% in about 1.4 m of water depth, for the period of 84 days from tellering to harvest stage, the removal rates of TP and KN in water reached 32.1%, 42.0% and 49.1%, 29.0%, 49.8% and 58.7%, respectively. The results show that the design is not only feasible but also effective, providing the scientific basis for applying terrestrial economic plants on flaoting beds to purify eutrophicated water bodies.
Keywords　rice, floating-beds, eutrophicated water body, N,P,removal efficiencies.


　　近来年，随着我国工农业生产和社会经济的迅猛发展，排入江河、湖泊的废水和生活污水不断增加，而水处理设施建设则严重滞后，引起了部分水域环境的严重污染，富营养化水域日见增多.据预测，我国目前已趋富营养化的湖泊达90%以上［1］，而到本世纪末，大多数水域的富营养化程度将继续加深［2］.在治理富营养化水域方面，近年来一些国家和地区直接采用在水域中放养凤眼莲等水生植物净化水质［3，4］，虽收到一定效果，但由于大部分水生植物难以产生直接的经济效益和易产生后遗症［5］，故已不提倡大面积应用.国内有关单位也曾尝试直接采用陆生经济植物净化酿酒废水［6］，并取得较好效果，但因尚未提供一套较为完整的水域表面种植陆生高等植物(以下简称陆生植物)方法，故同样难以直接推广应用.
　　依据上述现状，提出了利用笔者等发明的水域浮床无土种植技术［7，8］，在富营养化水域表面种植粮油、蔬菜、花卉等各种适宜的陆生植物，在收获农产品、美化水域景观的同时，通过植物根系的吸收和吸附作用，去除水体中的N、P元素，以实现变废为宝，化害为利，净化水质，保护水域环境且能使水体产生良性循环的设想，并于1993年分别在养鱼池和工厂氧化塘进行了探索性研究，初步证明了上述设想的可行性［9，10］.
　　本研究以基本不受自然环境因子影响的人工模拟池作为试验场所，富营养化河水为净化对象，水稻为试材，旨在明确浮床水稻(专指采用水域浮床无土种植方法种植的水稻，下同)对导致水体富营养化的主因素——N、P元素的实际去除效率及其动态规律，为建立利用浮床陆生植物净化富营养化水域提供科学依据.

1　材料和方法
1.1　试验设施
　　试验在人工模拟池(置于塑料薄膜大棚内的水泥池，图1)内进行，水泥池的长、宽、深分别为4m×3m×1.5m(内径)，容积为18m3，横截面积12m２.实用水深1.4m左右，水容量16000L左右.


图1　浮床水稻净化富营养化水体试验设施示意图
Fig.1 Sketch map of the experimental facilities
1.2　试验材料
　　试验用水为富营养化河水，水体中的KN(凯氏氮)、TP(总磷)含量分别为2.084和0.248mg/L.供试植物材料为杂交水稻协优46.
1.3　试验设计
　　设水面浮床覆盖率(种植水稻的浮床面积占水面面积的比例，下同)20%、40%、60%(分别相当于每平方米浮床水稻处理6850、3325、2300L水)和空白对照共4个处理.
1.4　试验方法
　　试验于1994年7—10月期间进行.水稻于6月1日播种(方法等与一般水田水稻生产同)，7月4日采用水域浮床无土种植方法移栽［7］，行株距为20cm×15cm，单本插，移栽后置于养鱼池内进行前培育.试验用水于7月20日注入水泥池内，各池的水量见表2.7月21日将在鱼池内前培育的水稻连同浮床一起移入水泥池内.
1.5　测查项目及时间
　　试验期内定期测查了水稻的株高、分蘖和各器官的干物重；水体定期测查了KN、TP、pH、COND(电导)、TM(水温)、TURB(浊度)、DO(溶解氧)、CODMn(化学耗氧量)、BOD5(生化耗氧量)、SS(悬浮物)等10项水质指标(本文仅就KN、TP的去除效率及其动态作一分析，其它项目另文分析).测查自处理始日起每隔14天进行一次，直至水稻成熟.实际处理时间为84天.
1.6　取样及测试方法
　　水稻各性状的测查均按常规法进行，成熟期进行测产；水样的采集平时在静止状态下，水稻成熟并收获后则用潜水泵将池水充分混匀后进行.平时的水样采自于离水面40cm处(设5个取样点)，混匀后则为全层多点取样.水体中的KN、TP含量分别采用微量凯氏定氮法和氯化亚锡还原光度法测定.

2　结果与分析
2.1　不同水面浮床覆盖率对浮床水稻的生育影响
　　试验结果表明(表1)，供试各处理的浮床水稻均能正常生育并收获，平均经济产量和生物
表1　不同覆盖率处理池浮床水稻的主要经济性状及其产量比较
Table 1 Comparative study on the yields and main commercial characteristics of rice on floating-beds with different coverage rates

覆盖率*,%分蘖，
株/穴株高，
cm稻谷产量，
g/m2生物产量，g/m2
植株体(1)根系(2)总重(1+2)净增重**
2023.094.0486.21070.0235.91305.9980.7
4022.293.0430.7　991.1205.01196.1870.9
6021.091.0386.3　919.1149.11069.0743.8

　　*种植水稻的浮床面积占水面面积的比例；**收获时的总干物重减去处理始期的总干物重

产量分别为434.4g/m2和1190.3g/m2.从处理间浮床水稻的各要素来看，具有覆盖率越低，水稻的个体生育越好，单位面积的经济产量和生物产量越高的趋势，且差异十分明显，如20%与60%处理相比，其经济产量和生物产量前者分别比后者增产25.9%和22.2%.这一结果主要是由于在水体中N、P浓度及总水量相同的情况下，低覆盖率处理的单位面积浮床水稻所占有的N、P总量明显高于高覆盖率，从而为水稻的生长发育提供了更好的营养条件所致，如60%处理池的每平方米浮床水稻所占有的KN和TP分别仅为4.71g和0.57g，而20%处理池则分别达14.03g和1.7g.
2.2　浮床水稻对KN和TP的去除效果
　　由表2和表3可知，浮床水稻不但能吸收利用水体中对水稻生育而言浓度极低(与营养液栽培和水田栽培比)、但却是导致水体富营养化的主因素——N、P元素［11］，且效果十分显著，并具有覆盖率越高，对全池水体中KN和TP的去除量越多，净去除率(减去对照池自净量后的实际去除率)越高的趋势，如效果最好的覆盖率60%处理对全池水体中KN和TP的净去除率，分别达58.7%和49.1%，效果相对较差的覆盖率20%处理池亦分别为29.0%和32.1%.但从单位面积浮床水稻对水体中KN和TP的去除效果来看，具有覆盖率越低，其吸收去除效果越好的趋势，如覆盖率60%处理池的每平方米浮床水稻对KN和TP的去除量分别为2.93g和0.32g，而覆盖率20%处理池则分别达4.488g和0.522g.因此，从浮床水稻对水体中的N、P去除有效性而言，以低覆盖率处理较为经济，但从净化某一水体的时间性而言，则适当提高水面浮床覆盖率更为有效.
　　本项研究的试验场所——水泥池的设计及其供试水体的富营养化程度，均是以杭州西湖等一些浅水型富营养化湖泊为模拟对象而设计的，且整个试验过程均是在塑料薄膜大棚内，不受风、雨、径流等自然环境影响条件下进行的，故这一设计与以往的类同研究设计相比［3，6］，具有供试水体大，试验周期长，环境和人为因素影响小，水体中的N、P含量更接近于富营养化水域实际等特点，因此，尽管从数据上看对水体中的KN、TP相对去除率不及以往试验报告［3，6］，但由于该结果是在去除了自净因素后的净去除率，故实际去除率不但高于以往试验结果，而且具有更大的实用价值.
表2　不同覆盖率处理池浮床水稻对KN的去除率比较
Table 2 Comparative study on the removal rate of KN by rice on floating-beds with different coverage rates

覆盖率，
%水量，L/池始期KN含量，终期KN含量，KN去除量，净去除率***，
%
始期终期mg/Lg/池mg/L*g/池g/池g/m2**
016260141002.04833.8862.34433.050　0.835—　0
2016440135002.04834.2611.74023.49010.7714.48829.0
4015960128002.04833.2611.23115.85517.4053.62649.8
6016560131402.04834.5111.02113.41621.0952.93058.7

　　*　 池水充分混匀后的测试结果；**　 每平方米浮床水稻对KN的去除量；*** 减去空白对照池自净量后的全池KN去除率.
表3　不同覆盖率处理池浮床水稻对TP的去除率比较*
Table 3 Comparative study on the removal rate of TP by rice on floating-beds with different coverage rates

覆盖率，%水量，L/池始期TP含量，终期TP含量，TP去除量，净去除率，
%
始期终期mg/Lg/池mg/Lg/池g/池g/m2
016260141000.2484.0330.2854.0190.014—0　
2016440135000.2484.0770.2042.7541.3230.55232.1
4015960128800.2483.9580.1772.2801.6780.35042.0
6016560131400.2484.1070.1582.0762.0310.32049.1

　　*测试和计算方法与表2相同
2.3　浮床水稻对KN和TP的去除动态规律


图2　不同覆盖率处理池水体中KN含量的动态比较
Fig.2 Comparison between of KN concentrations in
water with different coverage rates of floating-beds


图3　不同覆盖率处理池水体中TP含量的动态比较
Fig.3 Comparison between of TP concentrations in water
with different coverage rates of floating-beds
从图2和图3中看出，自处理始日起，各处理池(包括对照池)水体中的KN和TP含量均呈规律性降低，并具有先快、中缓、处理末期又略有回升的趋势，其中的回升趋势又以TP为明显.而从处理间的KN和TP动态规律来看，各时期浮床水稻处理池中的KN和TP含量明显较对照池低，并具有水面浮床覆盖率越高，水体中KN和TP含量越低的趋势，这一动态规律与处理终期水体中KN和TP含量的结果是完全一致的.
　　据分析，产生处理期间水体中KN和TP含量减少速度呈先快、中缓、后期略有回升之动态规律的原因主要取决于二方面的作用，其一是由于本试验在静态条件下进行，水体中的某些物质易产生沉淀，亦即供试水体中的一部分N(主要为有机氮)和P是由于沉淀作用而使KN、TP含量在处理初期就产生急剧下降，这一推测可以从对照池的动态及其处理池浮床水稻收获后混匀池水中KN和TP的含量结果中得到验证；其二是处理池通过浮床水稻生长初期的快速吸收利用，大量去除水体中的N、P元素，使处理初期水体中的KN和TP含量大幅度降低，中期则随着水稻对N、P元素需量的减少以及植物体内N、P元素的再分配，使其对水体中的N、P吸收利用速度逐渐减慢而使水体中的KN和TP含量减少速度减缓，后期则由于水稻对N、P需量的进一步减少，使其对水体中的N、P吸收利用速度进一步减缓，加上沉淀物中有机氮被细菌分解后的释出，以及由于池内水量因水稻蒸腾作用和水面自然蒸发而大量减少，致使水体中KN和TP的相对含量略有回升，这一推测可以从浮床水稻生物体内各时期对N、P的吸收积累过程和处理始期的池水量与处理终期的池水量对比中得到验证(图4、5，表2).而对照池则通过藻类繁殖过程中的吸收和吸附作用，富集了一部分N、P元素，且藻类的繁殖速率同样具有前快、中缓、后慢的趋势，使之其动态规律与浮床水稻处理池基本相同(图2，3).



图4　不同覆盖率处理浮床水稻生物体中N积累动态比较
Fig.4 Comparison of the dynamic of nitrogen
accumulation in rice plants on floating-beds atdifferent coverage rates


图5　不同覆盖率处理浮床水稻生物体中P积累动态比较
Fig.5 Comparison of the dynamic of phosphor 
accumulation in rice plants on floating-bedsat different coverage rates
3　小　结
　　试验结果表明，利用浮床无土种植方法，在富营养化水域表面种植既能产生直接的经济和社会效益、又具较大的干物质生产潜力(与水生植物中的沉水植物和浮水植物相比)的陆生高等植物，在收获农产品，美化水域景观的同时，通过植物根系的吸收和吸附作用，去除水体中导致其富营养化的主因素——N、P元素，以实现变废为宝，化害为利，净化水质，保护水域环境，并能使水体产生良性循环，可持续发挥水域功能的设想不但可行，且能取得良好的效果，从而为建立利用浮床陆生植物净化富营养化水域提供了科学依据.
　　利用浮床水稻净化富营养化水域的研究成功，不仅使原来一般局限于水生维管束植物净化污水，进而扩展到陆生植物，拓宽了净化富营养化水域的植物领域，为筛选和开发净化效率更高、经济效益更好的植物种类开创了新途径，而且为一些经济较发达，水域富营养化现象较为严重，而耕地资源严重不足的地区提供了一条增收粮食和保护水资源兼顾的实用技术.
　　诚然，要使本研究成果成为一项实用技术供治理富营养化水域应用，尚需在本技术的适用水域范围，对具备较强净化水质能力，又能产生较高经济效益的植物种类或品种的筛选，年内和年度间的植物衔接，净化水质机理等等系统技术和应用基础研究方面作进一步的探讨和完善.
*国家自然科学基金(编号：39270442)和日本丰田基金(编号：93-Ⅱ-041)资助项目
参考文献
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