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作者：李岩 张饮江 马海峰 王聪 董悦 文晓峰 刘晓培 何培民 单位：上海海洋大学水产与生命学院 水域环境生态上海高校工程研究中心
1材料与方法
1．1试验区位本试验基地位于江苏省无锡市胡埭镇直湖港地区养殖塘(图1)。胡埭镇直湖港地区水产养殖面积700hm2，以养殖鱼类和中华绒鳌蟹为主，养殖面积约38．8hm2，鱼塘面积约83%，蟹塘面积约12%。水产养殖业产值占农业总产值的比重呈逐年上升趋势，是农业增效产、农民增收重要途径。以太湖地区污染物排放系数、入河系数为基础，根据污染源调查分析，直湖港地区CODMn(以高锰酸钾作化学氧化剂测定的化学需氧量)、铵态氮、总磷等水产养殖污染物入河量分别为6.0、0．9、0．6t/年。
1．2试验材料沉水植物主要为苦草(Vallisnerianatans)、轮叶黑藻(Hydrillaverticillata)、伊乐藻(Potamogetonmalaianus)。轮叶黑藻株高20～25cm，伊乐藻株高12～15cm，均来自上海海洋大学南汇水产养殖试验基地，苦草为草籽，来自无锡。蟹塘面积为0．67hm2，中华绒鳌蟹(Eriocheirsinensis)投放密度109．5kg/hm2，规格200只/kg。鱼塘面积为0．8hm2，主要为鲫鱼、草鱼、白鲢、花鲢混养(草鱼4180尾/hm2，鲫鱼3880尾/hm2，白鲢2090尾/hm2，花鲢895尾/hm2)，饲料为四大家鱼配合饲料，每日投饵量为鱼体重的3%～4%;试验期间，补给水来自降雨，鱼苗塘面积0．13hm2，主要是草鱼与鲫鱼鱼苗。用化肥追肥，每隔3～5d施肥1次，每次用碳铵60～75kg/hm2，钙镁磷肥60～75kg/hm2;试验期间补给水来自降雨。养殖塘水源来自龙延河河道。
1．3试验方法原位生态修复:从2010年1月至2011年1月，首先冬歇期对蟹塘干塘清整，维持底泥约5cm，用生石灰2340～2985kg/hm2，全塘泼洒消毒10d，水温为5℃以上，选择伊乐藻为春季先锋种，轮叶黑藻为夏秋季主要植物。伊乐藻移栽时，按照2m×3m行间距扦插，扦插深度3～5cm，栽种密度为5～7g/L，随着伊乐藻生长，逐步加水，使水深为1．2～1．5m。2月下旬投放中华绒鳌蟹，3月投放苦草籽1kg/0．07hm2，6月开始分阶段移除过量伊乐藻，使苦草、轮叶黑藻主要发挥净化水质的功效。每月中旬10:00在蟹塘定点处的水面下50cm处采集水样2L进行检测，同时观察伊乐藻、苦草与轮叶黑藻生长状态，并及时补种或收割。原位生态修复和异位湿地处理相结合措施:从2010年11月下旬中华绒鳌蟹捕捞后，有序分批地抽取鱼塘与鱼苗塘的养殖废水至蟹塘，进行净化处理，其间鱼塘异位处理20d，然后鱼苗塘异位处理20d。12月17日开始，先用2d时间抽取鱼塘中(50%)的养殖废水(水位降低0．5m、水量减少4002m3)至异位湿地处理场所蟹塘中净化处理，将净化处理后的水排回鱼塘再利用。1月10日开始，用1d时间抽取鱼苗塘(50%)的养殖废水(水量2335m3)，排至异位湿地处理场蟹塘中，净化处理后，将水排回至鱼苗塘再利用，削减养殖废水排放。鱼塘与鱼苗塘每批抽水完成后，每隔5d定点采集水样2L，共采样5次。
1．4检测指标及方法主要检测指标为pH值、溶解氧含量、高锰酸盐指数、硝态氮含量、亚硝态氮含量、铵态氮含量、总磷含量、总氮含量。检测方法:高锰酸钾指数，酸性高锰酸钾滴定法;亚态硝氮含量，重氮－偶氮比色法;硝态氮含量，紫外分光光度法;铵态氮含量，纳什试剂比色法;总磷(TP)含量，钼酸铵分光光度法;总氮(TN)含量，碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法;活性磷(PO3－4－P)，钼锑抗法;叶绿素a含量，单色分光光度法。
2结果与分析
2．1苦草、伊乐藻与轮叶黑藻组合群落对蟹塘的净化效果2010年1月至2011年1月对蟹塘(原位生态修复)、鱼塘、鱼苗塘和龙延河(水源)水质情况开展定时、定点监测(表1)，试验区域水质氮、磷与有机物污染较严重。蟹塘水质优于其他相邻养殖塘。
2．1．1蟹塘N、P含量全年变化趋势水体中高浓度的氮、磷是水体富营养化的主要表现，控制水体富营养化的根本措施在于削减水体中氮、磷浓度［6］。试验结果表明，蟹塘TN、TP含量整年都较稳定，且较鱼塘、鱼苗塘和水源低(图2、图3)。这说明苦草、伊乐藻和轮叶黑藻能有效降低蟹塘水体的氮、磷含量，并能使其维持在一定范围内。蟹塘总磷含量全年保持稳定，在0．15mg/L上下波动，特别是6—9月，总磷含量明显低于鱼塘，达到国家地表水Ⅲ类标准(图2)。蟹塘总氮含量明显低于其他塘水质，并且全年变化范围不太大(图3)。蟹塘水体氮、磷含量全年保持稳定，为中华绒鳌蟹生长提供了良好的生境。
2．1．2蟹塘CODMn含量全年变化趋势利用植物削减富营养化水体有机污染也有大量研究［7－8］，本研究利用苦草、伊乐藻与轮叶黑藻组合群落削减蟹塘养殖水体中的CODMn取得较好的效果。CODMn反映水体中有机污染程度的综合指标，由图4可知，蟹塘CODMn全年较稳定，平均为10mg/L，低于未种植苦草、伊乐藻和轮叶黑藻的鱼塘、鱼苗塘和水源。说明伊乐藻与轮叶黑藻对水体具有净化功能，能有效削减养殖水体中的有机污染物。
2．1．3蟹塘叶绿素a含量全年变化趋势叶绿素a含量是衡量水体藻类生物量的一个重要指标［9］。沉水植物具有克藻效应，能降低水体叶绿素a含量［10］。试验结果表明，蟹塘叶绿素a含量全年基本稳定，在夏季藻类滋生的高温季节，蟹塘叶绿素a含量平均为15mg/m3，仅约为其他水体含量的1/5(图5)，并且透明度在晴好天气高达0．8m。而没有种植沉水植物的鱼塘及鱼苗塘，在相同水源情况下，叶绿素a含量在6—9月之间发生明显变化。说明苦草、伊乐藻和轮叶黑藻对控制蟹塘水体藻类生长发挥了很大作用，明显降低了水体叶绿素a含量，并且提高了水体透明度。
2．2异位湿地生态修复对水质净化效果
2．2．1异位湿地生态修复期间水质变化情况表2和表3为鱼塘和鱼苗塘养殖废水异位生态修复水质净化效果。由图6和图7可知，养殖水排放到蟹塘时各主要水质指标有较大波动，但每批经过异位处理10d后，主要检测指标几乎不再有波动，且浓度持续降低，说明该系统稳定性较高，净化能力较强。鱼塘和鱼苗塘分别经过20d异位修复后，鱼塘养殖废水高锰酸盐指数、铵态氮、总磷、总氮和叶绿素a含量分别降至7．55、0．19、0．20、1．16、11．63mg/m3。鱼苗塘养殖废水高锰酸盐指数、铵态氮、总磷、总氮和叶绿素a含量分别降至8.93、0．33、0．28、1．64、12．16mg/m3。水质指标低于生态修复前浓度，说明异位湿地生态修复起到较好的水质净化作用。#p#分页标题#e#
2．2．2异位湿地生态修复对氮、磷、高锰酸盐指数的削减率研究结果表明，水体中总氮、铵态氮、总磷和硝氮越高，伊乐藻与轮叶黑藻对其去除效果越明显［11－12］。从图8中可见，鱼塘异位生态修复期间，通过第1、2次采样检测发现，铵态氮、总氮、总磷去除效果明显，而第3、4次采样检测发现，各去除率下降较小，鱼塘废水经20d处理后，CODMn、铵态氮、总磷、总氮、叶绿素a去除率均已超过50%，其中，总氮含量由3．14mg/L下降到1．16mg/L，削减养殖废水中63%的总氮含量，基本满足了养殖用水的要求。此时，异位生态修复(蟹塘)还可继续作用于鱼苗塘养殖废水的净化。由图9中可见，在进行异位生态修复期间，鱼苗塘主要理化指标去除率前期变化没有处理鱼塘时那么明显。但是，前期去除率同样较高，且2次异位生态修复期间各指标去除率均稳定上升，说明该原异位生态修复系统稳定性较高。鱼苗塘2335m3养殖废水处理20d后，CODMn、铵态氮、总磷、总氮、叶绿素a去除率均超过45%，其中，铵态氮去除率高达54．79%。异位生态修复净化能力强，体现出该系统良好的污水净化性能与稳定性。总体上本序批式养殖废水生态净化循环处理系统，HRT为30～40d，处理6336m3养殖废水时，水力负荷为0．02～0．03m3/(m2•d)。水质连续处理能力较强，能将劣Ⅴ类的养殖废水净化至Ⅲ类标准，并保持相对稳定。
3讨论
沉水植物的恢复与重建能力已成为环境领域和水生态学研究的重点内容之一［13］。有研究证明，利用水生植物进行水污染控制具有投资、维护和运行费用低，管理简便，污水处理效果好，可改善和恢复生态环境，回收资源和能源以及收获经济植物等诸多优点，在污水处理和富营养化水体净化等方面均表现出良好的效果［14］。水体中氮、磷分为有机和无机2种形态［15］。氮元素在养殖塘内的循环是开放式的，水生生物、水生植物、池塘微生物等构成水态系统的食物网，各种生物通过同化作用使得氮元素在营养级中自下而上进行传递［16－19］。受污水体中的磷元素多易沉积于池塘底部，成为难以去除的营养物质。苦草在生长期能显著降低沉积物中各形态磷的含量，沉积物总磷、NaOH提取磷、HCl提取磷、无机磷和有机磷含量分别降低了65．71、39．06、11．65、52．86、11．28mg/kg［20］。伊乐藻和轮叶黑藻对养鱼污水中氮、磷等物质有着较好净化效果［21］。苦草、伊乐藻与轮叶黑藻种植密度为3g/L时，对水体中TP的去除率均超过68%［22］。本试验在蟹塘种植苦草、伊乐藻与轮叶黑藻，使其根部直接吸收底泥中的磷元素，从而去除水中磷元素。苦草生态适应性广，吸附污物及营养盐能力强，是减少水体污染、缓解水体富营养化程度的重要沉水植物。苦草繁殖速度快，再生能力强，收割后恢复时间短，被收割的苦草仅15d就可恢复生长到收割前水平，可从水体中带出大量营养盐。因此，苦草常被作为沉水植物恢复主要选用品种之一［23］。轮叶黑藻生存范围广，适应能力强，生长速度快、富集能力强，是净化养殖废水的理想植物，同时轮叶黑藻的根、茎、叶都是河蟹的适口性青饲料，能够提高河蟹的品质;另外，轮叶黑藻既可移植也可播种，栽种方便，并且枝茎被河蟹夹断后还能正常生根长成新株，不会对水质造成不良影响［24］。伊乐藻具有发芽早、长势快、耐低温等特点，所以伊乐藻与轮叶黑藻常在富营养化水体植被恢复工程中作为先锋物种［25］。本试验在蟹塘种植苦草、伊乐藻与轮叶黑藻，不仅可以给中华绒鳌蟹生长提供饲料与避难场所，同时在净化水质方面具有重要作用。
养殖水体藻类大量生长会导致水体溶氧量减少并降低水体透明度，造成鱼蟹大量死亡，所以控藻对水产养殖来说同样具有重要意义。不少研究表明，沉水植物是养殖塘水体中的初级生产者，与藻类属于竞争关系，而沉水植物在营养物质、光照等方面更具优势，从而能抑制藻类的生长，此外沉水植物会分泌化感物质抑制其生长［26－33］，还能提高水体溶氧与透明度［34］。伊乐藻光合放氧使水体溶氧量和pH值升高，促进开放系统铵态氮的挥发［35］。轮叶黑藻对水中悬浮物的吸附量可达自身重量的2．59～5．52倍［11］。不同生物量伊乐藻对河水中其他藻类均具有较强抑制作用，并且随着生物量增加，其克藻效应更加明显［36］。苦草在水环境中能产生并释放具有抑藻活性的物质，以抑制多种浮游或附着藻类的生长［37］。本试验结果表明，通过在蟹塘种植苦草、伊乐藻和轮叶黑藻，蟹塘叶绿素a含量全年基本稳定，在夏季藻类滋生的高温季节，蟹塘叶绿素a含量平均为15mg/m3，仅为其他水体含量的约1/5，并且在晴好天气透明度高达0．8m。苦草、伊乐藻和轮叶黑藻的种植能明显控制蟹塘藻类的生长，为中华绒鳌蟹的生长提供较良好的生境。
水产养殖中，投入池塘饲料通常不能被鱼蟹完全摄食［38］。据调查，直湖港胡埭龙延村段每年鱼类养殖投入1200t颗粒饲料，投入养蟹塘颗粒料20t、鲜活冰冻鱼片42t，以及玉米、小麦粉等，残留饵料与养殖对象的排泄物会沉积到池塘底部，这加剧了池塘水体富营养化程度，造成水中浮游生物数量增加，鱼类病害泛滥。试验区鱼塘养殖水体氮、磷含量较高，如果直接排放会导致自然水体富营养化，对生态环境造成破坏。本研究根据中华绒鳌蟹养殖周期短、秋季收获、不同养殖对象养殖水资源需求与排放时间差异的规律特征，利用中华绒鳌蟹上市后蟹塘闲置期，建立陆域养殖废水排放异位湿地处理场所，将其他养殖污染较严重的污水通过一定水量有序分批式直接引入蟹塘净化处理，节约了净化处理设施与土地，这样既能有效转化池塘多余氮磷、填补蟹塘水草缺乏营养需求状况，又为来年养殖提供了饵料，同时通过净化处理后的水又可循环回用，有利于发展高密度养殖，提高水产品品质。鱼塘和鱼苗塘养殖废水经异位生态修复均得到较好的净化效果，鱼塘CODMn、铵态氮、总氮、总磷、叶绿素a去除率均超过50%。鱼苗塘CODMn、铵态氮、总氮、总磷、叶绿素a去除率均超过45%。异位生态修复时，鱼塘修复水力负荷较大，不过养殖废水得到较好的净化效果。经过20d鱼塘污水净化，蟹塘对鱼苗塘污水净化能力有所下降，但是其总氮、总磷去除率仍然高达46．84%、49．09%。说明该系统的稳定性和持续净化能力强。异位生态修复时，由于抽水和排水会导致水体曝气，从而会影响铵态氮等营养盐含量变化，造成结果的部分误差。但从结果来看，本系统通过综合调控与合理利用水资源，实现养殖过程中养殖废水的净化和“零排放”，及水资源循环利用，提高水资源利用的综合效应，具有低碳高效、节约型循化水养殖的特点，对实际的生产应用有一定的推广价值。目前，限于试验条件对蟹塘、鱼苗塘和鱼塘养殖废水的原位、异位湿地生态修复处理研究分析，今后将进一步完善沉水植物筛选与群落配置，扩大试验规模，并筛选指示植物，提高预警，防止病害传播造成交叉污染等潜在危险，建立长期稳定的养殖废水序批式循环处理与再利用系统。#p#分页标题#e#
4结论
本研究构建了一个较为稳定的原位、异位与养殖模式相结合的净化系统，用于净化养殖废水的有效措施，同时可以发展水生经济动物养殖，形成水循环良性系统，即节约了土地资源、降低了成本，又实现了养殖废水零排放，并且工艺简短、易操作、运行费用低，适应性强，无二次污染。养蟹塘整年水质较稳定，主要理化性质与生物学指标优于鱼塘、鱼苗塘与水源水质，达到国家地表水Ⅱ～Ⅲ类标准，中华绒鳌蟹生长良好;蟹塘对鱼塘和鱼苗塘污水异位湿地修复效果明显，经异位生态修复，鱼塘高锰酸盐指数、铵态氮、总磷、总氮、叶绿素a去除率分别为58%、55%、75%、65%、60%;鱼苗塘高锰酸盐指数、铵态氮、总磷、总氮和叶绿素a去除率均超过45%，水质总体达到Ⅲ类标准，其中鱼塘铵态氮达到Ⅱ类标准。同时，异位湿地生态修复系统整体水力负荷较大，HRT为30～40d，处理6336m3养殖废水时，水力负荷为0．02～0．03m3/(m2•d)，能将劣Ⅴ类养殖废水净化为Ⅲ类，并保持相对稳定，整个试验期间系统实现了养殖废水的零排放，该系统有较高的水体净化能力，节约了水资源。
