20 世紀中葉以來(lái),世界水產(chǎn)養殖業(yè)迅猛發(fā)展。我國是世界第一水產(chǎn)養殖大國,水產(chǎn)養殖量占世界總產(chǎn)量的70% ,20 多年來(lái)養殖產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)捕撈產(chǎn)量。對蝦作為深受廣大人民群眾喜愛(ài)的高蛋白海產(chǎn)品,其人工養殖的成功給人類(lèi)帶來(lái)了很大的希望。為解決不斷增長(cháng)的蛋白質(zhì)需求和過(guò)度捕撈給野生蝦類(lèi)資源及其他水生動(dòng)物所帶來(lái)的壓力等問(wèn)題開(kāi)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(tài)環(huán)境的同時(shí),反過(guò)來(lái)也制約了水產(chǎn)養殖業(yè)的可持續發(fā)展 。近年來(lái),在漁業(yè)養殖過(guò)程中使用水生植物作為生物過(guò)濾器凈化水質(zhì),進(jìn)行生態(tài)循環(huán)養殖,國內外學(xué)者進(jìn)行了許多探索和研究,并取得良好效果。我國勞動(dòng)人民自古就有魚(yú)菜共生等養殖模式的發(fā)明和實(shí)踐,在淡水養殖中,可作為生物過(guò)濾器的水生植物種類(lèi)十分豐富 ,但在海水養殖中,可供選擇用作生物過(guò)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(guò)后藻體腐爛分解,所以此時(shí)基本沒(méi)有材料可用作海水漁業(yè)廢水的生物過(guò)濾器。
北美海蓬子(Salicornia bigelovii Torr. ) 隸屬于藜科、鹽角草屬,原產(chǎn)于北美沿海鹽沼中,是美國亞利桑那大學(xué)的科學(xué)家經(jīng)過(guò)十幾年篩選馴化出的生存力強、具有較高經(jīng)濟價(jià)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(kāi)花植物,其在夏季高溫季節依然生長(cháng)旺盛,可以彌補大型海藻作為生物過(guò)濾器的不足。國外有學(xué)者將其作為生物過(guò)濾器構建濕地,處理海水漁業(yè)養殖廢水。
生態(tài)浮島技術(shù)是一種水環(huán)境治理與水生態(tài)修復相兼顧的實(shí)用技術(shù),最早美國生態(tài)學(xué)家Gurney 在加拿大雁水上漂浮式人工巢的研究是生態(tài)浮島應用研究的雛形。經(jīng)過(guò)近30 年的發(fā)展,國內外生態(tài)浮島技術(shù)有了很大發(fā)展和應用,其制作材料和形式多種多樣,可隨實(shí)際需求而改變。本研究嘗試以生態(tài)浮島形式將北美海蓬子種植于南美白對蝦高效生態(tài)循環(huán)養殖系統的凈化池內,探索北美海蓬子浮島種植技術(shù)和其生長(cháng)特征,并搭建小型管道式無(wú)土栽培系統,測定北美海蓬子對養蝦廢水中N、P 等營(yíng)養物質(zhì)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(tài)循環(huán)養殖模式中的應用提供理論基礎。
1 實(shí)驗部分
1. 1 北美海蓬子浮島種植技術(shù)研究
北美海蓬子浮島種植實(shí)驗地點(diǎn)選在浙江永興水產(chǎn)種業(yè)有限公司高效生態(tài)循環(huán)養殖系統的C1# 塘(東經(jīng)120°51′51″北緯27°50′50″ )。該養殖系統是一個(gè)以高位池養殖南美白對蝦為主的多品種、多生態(tài)位結合的循環(huán)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(fēng)浪影響不大,池水鹽度保持在12 ~ 20。
1. 1. 1 浮島載體制作
實(shí)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(huì )分解為單體,產(chǎn)生揮發(fā)性氣體。本實(shí)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(fā)生分解和霉變,不含揮發(fā)性有害物質(zhì),化學(xué)性質(zhì)穩定。
浮島載體采用高密度聚苯乙烯泡沫板,每片泡沫板長(cháng)度82 cm,寬度82 cm,厚度15 cm,距離泡沫邊緣5 cm 處開(kāi)始打栽培孔,每片泡沫上均勻打栽培孔16 個(gè)。每個(gè)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(cháng)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(shí)驗池水面,在固定樁的位置將固定樁插入浮島中間進(jìn)行固定,再將相鄰的大片浮島用配套的卡扣連接起來(lái),最后將整片浮島外圍采用DN 75 的PVC 管作為框架進(jìn)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(cháng)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(guò)栽培孔底部的透水孔滲進(jìn)栽培孔的土壤中,待栽培孔中土壤完全濕透,即可進(jìn)行播種,播種時(shí)只需將種子均勻撒入栽培孔即可。
2014 年3 月初,在每個(gè)栽培孔中播種北美海蓬子種子約20 粒。約2 周左右,即可見(jiàn)到北美海蓬子發(fā)芽幼苗。北美海蓬子生長(cháng)期間,只需定時(shí)除去栽培孔中的雜草,對幼苗過(guò)密或過(guò)疏的地方進(jìn)行適當間苗或補苗,保持每個(gè)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(cháng),成熟狀況參差不齊,早期成熟的種子散落下來(lái)。溫州冬季十分溫暖,因此浮島上的種子很快又會(huì )萌發(fā),此時(shí)需要及時(shí)清除栽培孔中的海蓬子殘枝,以利新的植株生長(cháng)。因此溫州地區浮島種植北美海蓬子,只需第一年進(jìn)行播種,此后在新一輪生長(cháng)過(guò)程中,只需根據生長(cháng)狀況定時(shí)進(jìn)行除草、間苗和補苗等工作,基本無(wú)需其他管理。浮島北美海蓬子生長(cháng)期間,基本沒(méi)有發(fā)現病蟲(chóng)害,完全不需要農藥化肥。
1. 1. 4 浮島北美海蓬子生長(cháng)特征及產(chǎn)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(jìn)行產(chǎn)量估算。
1. 2 北美海蓬子凈化對蝦養殖廢水的實(shí)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(wú)土栽培系統,進(jìn)行北美海蓬子凈化養蝦廢水的實(shí)驗研究。管道式無(wú)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(gè)培養架上有72 個(gè)定植孔。
首先在光照培養箱中,進(jìn)行北美海蓬子催芽育苗及幼苗培育,待北美海蓬子幼苗長(cháng)至約1. 5 cm 時(shí),移至小型管道式無(wú)土栽培系統中,以養蝦廢水進(jìn)行培養。實(shí)驗期間,根據水質(zhì)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(wú)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(huán)管中,進(jìn)行培養。培養期間,每隔一定時(shí)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(guò)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(guò)程中,不同生長(cháng)階段蝦的代謝率和投餌量不同,養殖水體中的營(yíng)養鹽濃度變化較大,但總體來(lái)說(shuō),營(yíng)養鹽濃度都很高。實(shí)驗分兩組進(jìn)行,分為中等營(yíng)養鹽和高營(yíng)養鹽養蝦廢水組,以沒(méi)有定植北美海蓬子的培養架作為空白對照組。每天定時(shí)測量培養水的鹽度,并適當補充蒸餾水,以保持實(shí)驗期間鹽度恒定。
1. 2. 2 北美海蓬子對不同形態(tài)氮優(yōu)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(wú)土培養系統的水箱中( PO4^3- -P 濃度為20 μmol·L - 1 ),進(jìn)行循環(huán)培養,開(kāi)始實(shí)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(shí)驗共進(jìn)行2 次,以沒(méi)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(shí)驗室內,60℃ 烘干,樣品經(jīng)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(chǎn)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(zhù)。
2 結果與分析
2. 1 浮島栽培的北美海蓬子生長(cháng)特征及產(chǎn)量
2015 年3—7 月間,定期測量北美海蓬子的株高株重等,并進(jìn)行回歸分析,得到結果見(jiàn)圖1 和圖2。
圖1 顯示,北美海蓬子前期(3—4 月) 生長(cháng)十分緩慢,5 月份進(jìn)入快速生長(cháng)期,6 月下旬以后平均株高基本不再增加,此時(shí)平均株高約69. 5 cm。
圖2 顯示,北美海蓬子生長(cháng)過(guò)程中株高株重呈指數增長(cháng)關(guān)系,其函數關(guān)系式為y = 0. 376e0. 110x ,即隨著(zhù)北美海蓬子株高的增長(cháng),株重呈指數式增加。這與北美海蓬子植株的形態(tài)構造有關(guān),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(cháng)緩慢,2014 年3 月初播種,10 d 左右初見(jiàn)幼小芽苗,4 月底生長(cháng)至10 ~ 15cm,5 月份進(jìn)入快速生長(cháng)期,株高35 cm 左右可開(kāi)始采摘嫩芽(具有極好的食用和保健價(jià)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(cháng)日照植物,花期受光照周期影響明顯。經(jīng)觀(guān)察,溫州地區的北美海蓬子最早在夏至(6 月23 日) 前后開(kāi)始形成花穗,7—8 月陸續進(jìn)入開(kāi)花期,9 月份亦可見(jiàn)到少量晚期花穗。種子成熟期較長(cháng),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(shí)收集。
2015 年7 月初,隨機選取10 個(gè)浮島泡沫板樣方,收割整塊泡沫板上的北美海蓬子植株,經(jīng)測算,北美海蓬子單位面積產(chǎn)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(lái),稱(chēng)重,此時(shí)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(gè)浮島北美海蓬子產(chǎn)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(tài)N 和P 的吸收結果見(jiàn)圖3 ~ 6。
圖3 為高營(yíng)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(shí)驗期間,系統中的NH4+ -N、NO2- -N 的濃度下降非�？�,尤其是NO2- -N,實(shí)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(kāi)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(yíng)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(shí)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(shí)驗開(kāi)始時(shí),北美海蓬子株高(14. 5 ± 1. 9)cm。實(shí)驗結束時(shí),北美海蓬子株高(18. 6 ± 2. 1)cm。
圖5 和圖6 為中等濃度營(yíng)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(shí)驗的前3 d 內,TN、NH4+ -N、NO2- -N 和NO3- -N 的濃度下降非�？�,分別下降了55. 7% 、95. 8% 、97. 1%和78. 5% 。由圖6 可知,實(shí)驗期間,TP 和PO4^3- -P 的濃度分別下降了55. 5% 和22. 7% 。
本組實(shí)驗開(kāi)始時(shí),北美海蓬子株高(19. 3 ± 2. 3)cm。實(shí)驗結束時(shí),北美海蓬子株高(20. 1 ± 2. 3)cm。
2. 3 北美海蓬子對不同形態(tài)N 優(yōu)先吸收的實(shí)驗結果
該實(shí)驗分2 組(次)進(jìn)行,第一組實(shí)驗開(kāi)始時(shí)北美海蓬子平均株高13. 5 cm (見(jiàn)圖7),第二組實(shí)驗開(kāi)始時(shí)北美海蓬子平均株高20. 1 cm (見(jiàn)圖8)。2 組實(shí)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(zhù)差異(P < 0. 01 )。2 組實(shí)驗中,在實(shí)驗開(kāi)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(shuō)明北美海蓬子對NH4+ -N 存在優(yōu)先吸收作用,其次是NO2- -N。
表1 浮島種植北美海蓬子的產(chǎn)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(shí)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(jiàn)表1)。實(shí)地測算北美海蓬子單位面積產(chǎn)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(chǎn)種業(yè)有限公司多年的對蝦養殖實(shí)踐和經(jīng)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(fā)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(yōu)點(diǎn)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(dòng)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(zhì),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(fā)芽和生長(cháng),免去了育苗移栽等復雜過(guò)程,節省了生產(chǎn)成本和勞動(dòng)力。此種形式的生態(tài)浮島種植北美海蓬子,只需第一年進(jìn)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(lái),自然萌發(fā)生長(cháng),在新一輪生長(cháng)過(guò)程中,只需根據生長(cháng)狀況定時(shí)進(jìn)行除草、間苗和補苗等工作,基本無(wú)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(chǎn)成本。
養蝦廢水中存在各種不同形態(tài)氮,其中NH4+ -N 主要來(lái)自于蝦的代謝排放,NO3- -N 和NO2- -N 主要是由于養蝦過(guò)程中過(guò)剩投放的餌料,在水體中腐敗分解而產(chǎn)生。NH4+ -N 和NO2- -N 對蝦的毒性較強,若不及時(shí)清除,會(huì )對蝦造成中毒 。為了減輕其毒性,養殖過(guò)程中需要不斷增氧,并經(jīng)常投放硝化細菌等,將有毒性的NO2- -N 轉化為無(wú)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(yōu)先吸收作用,其次是NO2- -N 。在高營(yíng)養鹽濃度養蝦廢水實(shí)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(yíng)養鹽濃度實(shí)驗中,3 種無(wú)機氮濃度都呈快速下降趨勢,實(shí)驗的第三天,NH4+ -N 和NO2- -N 濃度就降到很低,說(shuō)明北美海蓬子對中等營(yíng)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(shí)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(zhù)懸浮顆粒物的沉淀而沉積下來(lái),在微生物的作用下轉變成無(wú)機磷被植物體吸收,故實(shí)驗結果中TP 的變化幅度大于PO4^3- -P。
本研究過(guò)程中以生態(tài)浮島種植北美海蓬子兩年,發(fā)現北美海蓬子作為一年生草本植物,前期生長(cháng)十分緩慢(見(jiàn)圖1),在其幼苗期(2—4 月)應及時(shí)清除周?chē)s草。若清理不及時(shí),北美海蓬子就會(huì )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(fā)芽率低,需經(jīng)一定人工技術(shù)處理提高其發(fā)芽率。因此,北美海蓬子作為引進(jìn)外來(lái)物種,生態(tài)安全風(fēng)險小。具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結論
1)以生態(tài)浮島種植北美海蓬子既可以?xún)艋|(zhì),產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益,又可作為景觀(guān),對水質(zhì)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(yōu)良海水漁業(yè)養殖廢水生物過(guò)濾器。
