水培豆瓣菜净化猪场沼液的试验研究

徐文娟 刘丹丹 李吕木 沈智 李淼 杨咏

摘要：为探究沼液在豆瓣菜水培中的有效利用及豆瓣菜净化沼液达标排放的可行性，采用豆瓣菜浮床栽植在不同浓度的沼液中，分析沼液氨氮、TN、TP、TK、COD的含量变化和豆瓣菜植株相关生长指标及营养指标。结果表明，豆瓣菜水培能明显降低沼液中氨氮、TN、TP、TK、COD含量，对沼液中氨氮、TN、TP、TK和COD去除率最高的处理组分别是D4、D4、D4、D3和D4，去除率依次为42.45%、38.91%、33.41%、28.79%和87.61%，可见在一定范围内豆瓣菜对低浓度沼液中的氨氮、TN、TP、COD去除率更高，尤其对COD有很强的去除效果。D2处理水培豆瓣菜21 d后氨氮达到我国规定的集约化畜禽养殖业水污染物排放标准，是净化效益最佳处理组。D3有利于豆瓣菜株高和根部生长，在 21 d 时植株生长最旺盛，42 d时鲜质量达4.11 kg/m2，和D2差异不显著。高浓度沼液会降低豆瓣菜中可溶性糖含量;D3中可溶性蛋白含量最高，达3.97 mg/g，极显著高于CK1;D2中维生素C含量显著大于其他沼液处理组，达到 256.49 mg/kg;各处理组的豆瓣菜硝酸盐含量和亚硝酸盐含量都符合国家标准。

关键词：净化;沼液;豆瓣菜;水培;畜禽养殖;污染物

中图分类号：X713   文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2020）14-0310-06

现阶段畜禽养殖是农业污染的最大来源，也是水体环境治理的重要方面[1]。畜禽养殖对环境的污染主要来源于畜禽排泄物，畜禽养殖场中高浓度、未经处理的污水和固体粪污以及恶臭气体对水体、大气、土壤、人体健康及生态系统造成了不良影响[2]。国家对集约化畜禽养殖业水污染物制定了排放标准，因此对猪场沼液进行净化处理尤为重要。目前净化猪场沼液采用的方法包括水生植物水培净化[3]、絮凝剂净化[4]、细菌微藻吸收[5]、水培蔬菜净化[6]、序列间歇式活性污泥（SBR）处理[7]等，目的都是通过经济合理的方法净化猪场废水。其中在沼液水培蔬菜是将沼液应用于蔬菜无土栽培中，解决沼液的后处理和蔬菜生产中农业污染的问题，还可以降低无土栽培中营养液配制的成本。

豆瓣菜为十字花科豆瓣菜属多年生水生蔬菜，具有食用和药用价值[8]，同时对富营养化水体具有净化功能[9]。本研究以小型猪场沼液为营养液进行豆瓣菜水培试验，分析豆瓣菜对沼液稀释液中氨氮、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）含量的影响。试验选择在大棚中进行，获得的数据能直接应用于生产，以期为选择最佳沼液稀释倍数及豆瓣菜适宜水培时间提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试沼液取自安徽省阜阳市临泉县泉优牧业有限公司;豆瓣菜种苗由安徽省六安市舒城县舒丰农业有限公司提供，为广东豆瓣菜。

1.2 试验设计

大棚面积为750 m2，共开挖15个大小相同的水培池，水培池长15 m、宽2.4 m、深0.35 m、面积为36 m2。池底用耐磨毛毯铺好后再用防水塑料布覆盖，每个水池放置26个浮床，浮床大小为1.0 m×1.0 m，网面孔径为2.0 cm×2.0 cm，在大棚中配备温度计、水管、氧气泵。

试验用的沼液是猪粪充分厌氧发酵后，滤去固体残留物的清液。将沼液原液稀释成氨氮含量为130、100、70、40 mg/L共4个浓度进行豆瓣菜水培试验，分别标记为D1、D2、D3、D4，每处理设置3个重复，各处理氨氮、TP、TK含量如表1所示，每个水培池中蓄水量为8.0 m3。以清水处理水培豆瓣菜为植株生长指标测定对照，标记为CK1，以根据华南农业大学叶菜类A配方配制的营养液水培的豆瓣菜为正常植株生长指标测定对照，标记为CK2;另用空桶存放稀释后的沼液为沼液净化指标测定对照，分别标记为CK-D1、CK-D2、CK-D3、CK-D4。试验期间根据实际情况每周加水，以补充因蒸发等原因失去的水分。

2017年9月上旬开始育苗，2017年10月5日定植，定植密度为50株/m2。定植前将豆瓣菜先在清水中缓苗1 d，使其根系适应水环境，缓苗结束后定植到不同处理的沼液池中。

1.3 测定项目与分析方法

1.3.1 豆瓣菜生长指标测定

每间隔7 d测量1次株高、根长，直至采收，采收时统计鲜质量。

1.3.2 豆瓣菜营养指标测定

在豆瓣菜收获时，采用蒽酮比色法[10]测定可溶性糖含量;采用考马斯亮蓝G-250法[10]测定可溶性蛋白含量;采用2，6-二氯酚靛酚比色法[10]测定维生素C含量;采用原子吸收分光光度法[11]测定重金属Cu、Zn、Cd、Cr、Pb含量;采用紫外分光光度法[12]测定硝酸盐含量;采用盐酸萘乙二胺比色法[12]测定亚硝酸盐含量。

1.3.3 沼液指标测定

每间隔7 d测量1次沼液指标。采用纳氏试剂光度法[13]测定沼液氨氮含量;采用钼锑抗分光光度法[13]测定沼液TN含量;采用钼酸铵分光光度法[13]测定沼液TP含量;采用火焰原子吸收法[13]测定沼液TK含量;采用快速密闭催化消解法[14]测定沼液COD含量。

1.3.4 数据处理与分析

沼液污染物去除量、去除率及豆瓣菜对污染物去除能力的计算公式如下：

去除量=对照组含量-处理组含量;

去除率=去除量初始量×100%;

去除能力=去除量×沼液体积总面积×天数。

运用Excel 2016进行数据整理和制图，SPSS 23进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 豆瓣菜生长指标的变化

2.1.1 豆瓣菜株高变化

如表2所示，前7 d各处理中豆瓣菜生长旺盛，7 d后D1由于高浓度沼液胁迫导致株高降低。D3在前21 d株高持续增长，21 d后开始下降，但依旧总体显著高于其他沼液处理组，42 d时比CK1高出66.15%。在整个生长周期中的平均株高由高到低是D3>CK2>D2>D4>D1>CK1，分别为19.78、19.61、14.33、13.91、1362、11.27 cm，D3最有利于豆瓣菜株高生長，沼液浓度过高会抑制豆瓣菜株高的生长。

2.1.2 豆瓣菜根长变化

如表3所示，D4中豆瓣菜根部在前21 d持续生长，而其他各沼液处理组在7 d后均受到高浓度沼液胁迫，根部腐烂导致根长缩短;D3在14 d后适应沼液环境，根部开始伸长;D1和D2由于沼液浓度较高，根部腐烂严重，在7 d后根部长度大体持续下降。D1在42 d时根长最短为 4.43 cm，极显著低于其他处理组，说明高浓度沼液会抑制豆瓣菜根部生长。平均根长由高到低为

2.1.3 不同处理豆瓣菜鲜质量比较

如图1所示，42 d后不同沼液处理组中豆瓣菜鲜质量都显著高于CK1，其中D3鲜质量最高，显著高于D1和D4，和D2、CK2之间差异不显著，比CK1高出21438%，达到 4.11 kg/m2，其次D2>D4>D1，分别为3.48、2.80、2.64 kg/m2。可見D3处理产量最高，沼液浓度过高会降低豆瓣菜产量。

2.2 不同处理豆瓣菜营养指标比较

如表4所示，D1、D2、D3、D4豆瓣菜可溶性糖含量逐渐增加，D4极显著高于其他沼液处理组，与CK2之间差异不显著，D1、D2、D3可溶性糖含量低于CK1，说明高浓度沼液会抑制豆瓣菜中可溶性糖的生成。可溶性蛋白含量由高到低为D3>CK2>D1>D2>D4>CK1，说明使用沼液水培能够提高豆瓣菜中可溶性蛋白含量，且D3效果最佳，达到 3.97 mg/g，比CK1高出34.12%。沼液处理组维生素C含量由高到低是D2>D1>D3>D4，分别为256.49、198.48、195.99、7862 mg/kg，D2极显著大于其他沼液处理组，和CK2之间无显著差异，其中D1和D3之间差异不显著。

蔬菜是人体硝酸盐的主要来源，占人体总摄入量的70%～80%[15]，硝酸盐和亚硝酸盐会形成有致癌作用的亚硝胺[16]，过量食用会危害人体健康，我国已对无公害蔬菜中的亚硝酸盐、硝酸盐含量提出明确的限量标准，亚硝酸盐含量≤4.0 mg/kg，[JP+1]硝酸盐含量≤3 000 mg/kg（叶菜类）[17]。如表4所示，不同处理中硝酸盐、亚硝酸盐含量都没有超标，符合我国国家标准，且不同浓度沼液处理组中硝酸盐含量极显著低于CK1;亚硝酸盐含量最高的是D2组，为 3.32 mg/kg，在D3组中亚硝酸盐含量最低。

2.3 沼液净化效果分析

2.3.1 沼液氨氮含量动态变化

如图2所示，前21 d中D1氨氮含量持续快速下降，从130.00 mg/L下降到80.90 mg/L，随后出现明显的缺素症，长势变弱，根系及部分叶片有腐烂发生，导致沼液中的氨氮含量有所上升;如表5所示，在整个种植周期内D1去除量最高，为31.07 mg/L，和D2、D3之间差异不显著。D4中氨氮去除率最高，达到42.45%，和D3之间差异不显著，其次为D3>D2>D1，说明沼液浓度越低，氨氮去除率越高;D1中豆瓣菜对氨氮的去除能力最高，达227.60 mg/（d·m2），和D2、D3之间差异不显著，其次为D2>D3>D4，分别为194.90、186.13、124.39 mg/（d·m2）。

我国国家标准规定集约化畜禽养殖业水污染物中氨氮允许日均最高排放含量为80 mg/L，42 d时D1中氨氮含量为78.51 mg/L，21 d时D2中氨氮含量为79.51 mg/L，均达到氨氮排放标准;D3和D4由于沼液浓度较低，试验开始时就已经达到排放标准。

2.3.2 沼液TN含量动态变化

如表5、图3所示，豆瓣菜能明显降低沼液中的TN含量，其中D3中去除量最高，达到30.64 mg/L，其次为D1>D4>D2，分别为23.18、20.49、19.20 mg/L，D1、D3之间差异不显著;D4中的TN去除率最高，达到3891%，其次为D3>D2>D1，分别为33.24%、14.59%和13.54%;D3中豆瓣菜对TN的去除能力最高，达224.48 mg/（d·m2），和D1之间差异不显著，其次为D1>D4>D2，分别为 169.82、150.15、140.69 mg/（d·m2）。

2.3.3 沼液TP含量动态变化

如表5、图4所示，豆瓣菜在不同浓度的沼液中水培都能明显降低沼液中的TP含量，前21 d各处理组沼液中TP含量下降较快，21 d后下降速度减慢。D1中去除量最多，达1.55 mg/L，其次为D2>D3>D4，各处理组之间差异不显著;D4中的TP去除率最高，为33.41%，其次为D1>D2>D3，各处理组之间差异不显著;D1中豆瓣菜对TP的去除能力最高，达11.38 mg/（d·m2），其次为D2>D3>D4，分别为8.73、5.94、3.77 mg/（d·m2），各处理组之间差异不显著。

2.3.4 沼液TK含量动态变化

如表5所示，D3中TK去除量最大，为20.50 mg/L，极显著大于其他沼液处理组，其次为D4>D2>D1，分别为10.21、697、5.46 mg/L;D3的TK去除率最高，为2879%，和D4之间差异不显著;D3中豆瓣菜对TK的去除能力最高，达150.19 mg/（d·m2），极显著高于其他处理，其次为D4>D2>D1，分别为74.81、50.03、39.96 mg/（d·m2）。

2.3.5 沼液COD含量

如表5、图5所示，D2对COD的去除量最高，为113.27 mg/L，极显著高于其他沼液处理组;D4去除率最高为87.61%，极显著高于其他沼液处理组，其次为D3>D2>D1，分别为52.73%、48.58%和24.54%;D2中豆瓣菜对COD的去除能力最强，为 829.78 mg/（d·m2），极显著高于其他处理组，其次为D3>D4>D1，分别为63045、598.49、544.78 mg/（d·m2）。我国制定的《畜禽养殖业污染物排放标准》中规定了可排放COD含量标准为400 mg/L，所有处理均达到排放标准。

3 结论与讨论

3.1 猪场沼液对水培豆瓣菜的生长及营养品质的影响

豆瓣菜植株在清水中缓苗结束后定植于沼液池中，前期根系未受到伤害，能够正常吸收养分，定植后的前 7 d 各处理组豆瓣菜生长旺盛， 7 d后 D1中低溶氧量等因素导致根部腐烂，D4中较少的养分不足以维持植株后期的持续生长;D3中豆瓣菜在整个生长周期内地上部分和根系生长良好，42 d后鲜质量可达到 4.11 kg/m2，但与D2、CK2的鲜质量无显著差异，D3是适宜水培豆瓣菜的浓度配比。高浓度沼液会降低豆瓣菜中可溶性糖含量;D3中可溶性蛋白含量最高，达3.97 mg/g，极显著高于CK1;D2中维生素C含量极显著大于其他沼液处理组，达256.49 mg/kg;各处理组豆瓣菜硝酸盐、亚硝酸盐含量都在安全范围内。

3.2 水培豆瓣菜对猪场沼液的净化作用

浮床水培豆瓣菜有助于硝化菌和反硝化菌的生长，微生物通过硝化和反硝化作用将沼液中高浓度的氨氮转化为硝态氮的形式，从而被植物吸收，这是对氮的主要去除机制[18];氮磷之间的协同作用会促进相互吸收，水生植物根系微生物也能去除部分氮磷;钾可以促进叶片叶绿素的合成，提高叶绿素含量，加强光能利用效率，促进植株生长，进而促进对氮、磷、钾的吸收;蔬菜根系附近的微生物可对有机物进行降解，另外根系的吸附作用以及有机物的物理沉降作用也会使水体中COD含量下降。水培豆瓣菜对猪场沼液中氨氮、TN、TP、TK、COD都有一定的去除效果，对沼液中氨氮、TN、TP、TK和COD去除率最高的处理组分别是D4、D4、D4、D3和D4，去除率依次为42.45%、38.91%、33.41%、28.79%和87.61%，由此可见，在一定范围内豆瓣菜对低浓度沼液中的氨氮、TN、TP、COD去除率更高，尤其对COD有很强的去除效果。试验前，D2的氨氮、TP、COD含量分别为100.00 mg/L、3.86 mg/L和 233.13 mg/L，而在处理21 d时下降到79.51 mg/L、1.85 mg/L 和163.25 mg/L，达到国家标准规定集约化畜禽养殖业水污染物中氨氮、TP和COD的排放标准，是净化效益最佳处理组。

在种植期间由于水体富含氮磷，水面易生长出水绵，使得水体氮磷含量下降[19]，在未种植任何蔬菜的空白对照水池中也有下降，在种植前应彻底清扫池底，从源头上杜绝水绵的出现。

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收稿日期：2019-07-28

基金项目：安徽省科技攻关项目（编号：1804g07020169）;安徽省蔬菜产业技术体系建设项目（编号：11250076）。

作者简介：徐文娟（1966—），女，安徽安庆人，硕士，副教授，主要从事蔬菜品质与安全研究。E-mail：976478297@qq.com。