星云湖是云南省九大高原湖泊之一，其位于云南省江川县城东北，东经102°45′，北纬24°17′，海拔1 722 m，平均水深7 m，容水量1.84亿m^{3 [1]}，湖水当前处于中度富营养化水平（劣V类）。水葫芦（Eichharnia crassipes）一直以来被人们广泛用于湖水吸收净化的试验研究和实践应用^{[2, 3, 4]}，云南省有关部门近两年来在星云湖的西南区域圈养水葫芦并发展到了200 hm²左右，以期达到治理星云湖水体的目的。尽管水葫芦能够快速、高效地从水体中吸收氮、磷营养盐，对多种重金属具有较强的吸收和转运能力，且对受污染水体具有较好的修复作用^{[5, 6, 7, 8]}，然而，由于水葫芦植物的资源化开发利用成本较高、价值较低，很少进行打捞清理，而让其自然生长，到了秋冬季节根系腐烂，茎叶也随之枯黄脱落而腐烂，对水体易产生次生污染^{[8, 9, 10, 11]}，最终会导致生态链失衡，破坏水域生态环境及水体生态系统的生物多样性^{[12, 13]}。即使是进行了打捞清理而移离水体进行相关处理，其渗滤液也会造成二次污染^[14]。

为解决水葫芦在湖泊富营养化水体治理中的不足，笔者近年来尝试探索一种新的生态方法：漂浮种植空心菜，即浮床空心菜（Ipomoea aquatica planted in floating-bed）来治理富营养化水体。空心菜是一种对水体具有很强净化能力的水生植物，其用于吸收养分而治理污水或富营养化水的试验研究报道较多^{[15, 16, 17, 18, 19, 20]}。笔者已利用空心菜漂浮种植吸收入星云湖河水中的氮、磷等养分进行了试验示范，效果非常明显^[10]，但浮床空心菜治理富营养化水体这一生态技术能否应用到星云湖湖面水体却尚未知，而直接利用水生植物于湖面漂浮种植净化水质的研究很少见有报道。另外，当在湖面种植空心菜时，“水体-植物”这一系统会受到风浪等很多自然因素干扰的影响，空心菜的生长及其水体净化如何等问题尚不清楚。针对此，我们于2014年4月—2014年10月，采用漂浮种植设施，在星云湖种植水葫芦的西南方离湖岸100 m左右的湖水区域开展漂浮种植空心菜的适应性生长试验和湖水养分吸收净化试验的研究，以期为星云湖水体生态系统的治理、利用和保护提供科学依据。

在星云湖圈养的水葫芦区域离湖岸100 m处向湖心延伸为宽50 m，与其垂直方向长80 m的区域为漂浮种植空心菜的水面积，四周用5 cm孔径的尼龙线网与水葫芦相隔离，在此区域设计试验，即设置安装4行×24块（行距1.85 m）的漂浮种植床（1 m×1 m×0.04 m塑料泡沫）设施（图 1）。采用种子漂浮育苗方式培育空心菜苗，苗高12 cm左右时即可移栽，每平方米种植床种植70株。2014年5月1日定植空心菜苗，至2014年10月22日种植结束，植株高度达30~40 cm左右时，采用割剪方式收获茎叶（产品），期间共采收6次。

图 1 试验设计示意图 Figure 1 Sketch map of experimental design

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在试验的5—8月，每10 d采集星云湖水水样及空心菜植株样，同时也采集相邻的水葫芦植株样。共采集了12套湖水样及植株样，其中湖水水样12个、空心菜茎叶样12个及根系样12个、水葫芦茎叶样12个及根系样12个，每个样品为5个采样点的混合样，测量植株样品各部位的鲜重和干重。

测定茎叶和根系总N采用GB 5009.5—2010蒸馏滴定法，茎叶和根系总P采用GB/T 5009.87—2003酸消化－分光光度法，茎叶和根系总K 采用GB/T 5009.91—2003酸消化－原子吸收法；测定水中全N为碱性过硫酸钾消解－紫外分光光度法，水中铵态氮为纳氏试剂比色法，水中硝态氮为紫外分光光度法，水中水溶性P采用钼蓝比色法，水溶性K采用原子吸收分光光度法。检测单位为经云南省质量技术监督局资质认定的玉溪市农业分析测试中心。

空心菜对湖水的净化水量估算，用单位面积空心菜吸收的N、P养分量（kg·hm^-2），与湖水中的水溶性N含量（mg·L^-1）和水溶性P含量（mg·L^-1）进行等量比照，来说明净化水量，其公式M=[（m₁×h₁+m₂×h₂）/C]×10，式中M为每公顷空心菜净化水量，m³；m₁、m₂分别为每公顷每季空心菜的茎叶和根系平均产量（干基），kg；h₁、h₂分别为空心菜的茎叶和根系的养分含量（干基），%；C为湖水的养分含量，mg·L^-1；10为单位换算系数。

采用Microsoft Excel 2003进行数据处理，用SPSS 12.0软件进行数据统计分析。

2014年5月1日开始种植空心菜，种植后叶色发黄，有近7 d的缓苗期。经分析，苗叶发黄的主要原因是育苗床的养分浓度远高于湖水的养分浓度，两者形成了较大的养分浓度差环境，空心菜植株需要一定时期来过渡调节和适应此环境。但空心菜的根系生长正常。种植10 d后，分枝产生，生长加快，叶色逐渐长绿，叶面积进一步加大，植株生长茂盛，到2014年6月5日时株高达35 cm，叶色浓绿。空心菜茎叶生长期间收割6次。进行第1次收割，净面积的茎叶产量达37 200 kg·hm^-2，平均生长量达1 065 kg·hm^-2·d^-1。第1次收割后，由于空心菜已形成了强大的根系，此时正值气温较高，生长迅速，枝叶茂盛，叶色浓绿，当到2014年6月26日（生长周期仅为21 d）时，空心菜生长势达到最大，株高达42.3 cm，平均每日生长2.01 cm，茎叶产量净面积达38 880 kg·hm^-2，平均生长量达1 845 kg·hm^-2·d^-1。余下的4个生长周期，空心菜生长量逐渐降低。经过6次收割，净面积的空心菜茎叶鲜重总产量可达215 865 kg·hm^-2·a^-1，种植区的空心菜茎叶鲜重总产量达75 555 kg·hm^-2·a^-1，生长量为1 260 kg·hm^-2·d^-1（表 1）。

表 1 星云湖湖面种植空心菜不同时段的生长量 Table 1 Growth amount of Ipomoea auatica planted on lake surface of Xingyun Lake in different time periods

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空心菜漂浮种植生长在星云湖水面条件下，通过6次采集空心菜茎叶样检测N、P、K等养分含量，结果表明（表 2），空心菜植株养分在不同部位分布存在明显差异，养分大部分积累在茎叶中，茎叶中总N、总P、总K含量分别为3.43%、0.74%和6.25%，分别比根系的总N、总P、总K提高36.1%、57.4%和43.3%，表明了空心菜从湖水中吸收的养分主要同化储存在茎叶中。

表 2 星云湖湖面种植的空心菜不同部位养分含量 Table 2 Nutrient content in different parts of Ipomoea aquatica planted on lake surface of Xingyun Lake

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在星云湖湖面，空心菜以实际种植面积35%的种植区进行养分吸收量计算和净化湖水量估算（表 3）。空心菜从湖水中吸收的N、P、K量分别为259.05、55.21、469.90 kg·hm^-2·a^-1，其中养分绝大部分是被空心菜的茎叶吸收，占总吸收量（784.16 kg·hm^-2·a^-1）的91.4%，为716.64 kg·hm^-2·a^-1，说明了空心菜对星云湖湖水养分具有较强的吸收能力。

表 3 星云湖湖面种植的空心菜的养分吸收净化量 Table 3 Nutrient absorption and purification amount of Ipomoea aquatica planted on lake surface of Xingyun Lake

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根据对星云湖水的水溶性N、水溶性P、水溶性K的24次监测结果（分别平均为2.00、0.46、13.73 mg·L^-1），结合湖面单位面积空心菜每年的平均产量（干重）及其N、P、K的平均含量（表 2和表 3）对星云湖湖水净化量进行估算。结果表明，空心菜可净化的星云湖湖水量，以水溶性N计为107 115~132 690 m³·hm^-2·a^-1，平均为129 525 m³·hm^-2·a^-1；以水溶性P计为100 391~122 891 m³·hm^-2·a^-1，平均为120 022 m³·hm^-2·a^-1；以水溶性K计为26 136~35 053 m³·hm^-2·a^-1，平均为34 220 m³·hm^-2·a^-1（表 3），由此说明了空心菜对星云湖湖水养分具有较强的净化能力。

当空心菜适应星云湖水体环境后，植株（分枝、主枝）高度逐渐增高，茎叶重增加，虽然茎叶养分相对吸收量变化不明显，但茎叶对星云湖湖水的N、P、K绝对吸收量（茎叶干重与相对养分含量的积）是明显增加的，导致湖水水溶性养分含量略显下降趋势，但整体趋势不太明显（表 4），表明了空心菜的生长量与茎叶养分吸收量和湖水养分量之间存在着一定的相关性。

表 4 星云湖湖面种植的空心菜生长及茎叶养分吸收量和湖水养分含量间的比较 Table 4 Comparison between growth of Ipomoea aquatica, nutrient absorption amount in stems and leaves and nutrient amount in lake water of Xingyun Lake

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以往关于空心菜用于水体净化的试验研究较多集中在高浓度养分（TN＞4 mg·L^-1）的水体环境^{[10, 21, 22]}，而用于低浓度养分水体净化研究^[23]却很少，尤其在湖面水体上的研究更是至今尚未见报道，这可能主要是由于湖面水体上开展试验在操作技术上比较困难所致。笔者通过采用漂浮种植设施，利用星云湖低浓度养分水体（TN＜3 mg·L^-1）（表 5）开展空心菜适应性生长和湖水养分吸收净化的试验研究，获得了重要研究结果。本研究说明了空心菜能够适应星云湖湖面水体环境，而且生长茂盛，净面积每季每平方米水面空心菜茎叶鲜重达21.6 kg，这与李文祥等^[23]对低浓度水体的研究结果一致。

表 5 不同时段星云湖空心菜种植区和非种植区域的湖水养分含量（mg·L^-1，平均值±标准差） Table 5 Comparison between lake water nutrient in planted areas and non planted areas of Ipomoea aquatica（mg·L^-1, Mean±SD）

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利用星云湖湖面种植空心菜，植株生长旺盛（表 1），获得了较高的茎叶生物产出，茎叶鲜重产量达到75 555 kg·hm^-2·a^-1，按当地空心菜批发单价1.3元·kg^-1初步估算，湖面漂浮种植空心菜产值可达98 222元·hm^-2·a^-1，经济效益明显。与星云湖沿岸池塘漂浮种植空心菜的产量（112 032.0 kg·hm^-2·a^-1）^[10]相比，星云湖湖面种植空心菜的产量下降了32.6%，这主要是由于星云湖水体环境的养分浓度较低于星云湖沿岸池塘水体养分（表 6），而空心菜的茎叶生物产出与水体养分正相关^[10]，从而使得湖面空心菜吸收同化水体中养分的量（N、P、K分别平均为259.05、55.21、469.90 kg·hm^-2·a^-1）低于星云湖沿岸池塘空心菜的吸收量（N、P、K分别平均为348.4、50.9、530.4 kg·hm^-2·a^-1）^[10]，结果导致湖面空心菜的茎叶产出低于了云湖沿岸池塘空心菜的茎叶产出量。

表 6 星云湖沿岸及湖面主要水生植物生长和净化水体效果比较 Table 6 Comparison between growth and water body purification effectiveness of the main aquatic plants

表选项

星云湖湖面空心菜种植区4—7月期间水体养分各月之间浓度变化差异不大，与非种植区的湖水养分浓度相比不存在明显的差异（表 5），这主要是与整个星云湖湖面水体时常受着风浪的影响有关。然而，进入8月份后，由于空心菜种植区的外围水葫芦生长量已达最大，空心菜种植区的水体受风浪干扰的影响较小，水体环境相对稳定，基本上处于静态，而静态条件下的空心菜对水体养分具有相当高的去除率^[10]，从而导致了8月份的水体养分浓度较之前的4—7月有明显的下降趋势（表 5），由此表明了，星云湖湖面空心菜的水体净化效果存在着明显的时间差异，这也解释了当空心菜的生长量增加时，湖水水溶性养分含量为什么下降趋势会出现不明显（表 4）的现象。

星云湖湖面空心菜植株的养分主要分配在茎叶中，湖水中N、P、K养分绝大部分是被空心菜的茎叶吸收（表 2和表 3），这与星云湖沿岸池塘漂浮种植空心菜对水体养分吸收同化的机理^[10]是相一致的，这说明了尽管星云湖湖面水体与星云湖沿岸池塘水体存在较大养分差异（表 6），但水体养分浓度差异并不会影响空心菜对水体养分吸收同化的机理。

寻找一种生态、经济和高效的水生植物用于净化星云湖富营养化水体，一直是星云湖生态系统治理和保护工作的重点，为此，笔者近年来开展了大量的研究工作（表 6）。本研究中，对星云湖湖面空心菜外围相邻的水葫芦也进行了样品采集调查和样品测定（图 1、表 6）。不同类型（星云湖水、湖岸池塘水）水生态系统，空心菜和水葫芦的生长以及对水体养分吸收的差异非常明显（表 6）：尽管星云湖湖面水体养分比池塘水体养分低了很多，湖面空心菜的茎叶产量比池塘漂浮种植的产量降低32.6%，但湖面空心菜茎叶N、P、K养分相对含量却是最大（10.42%），说明空心菜可以很好地适应生长于低浓度养分的湖面水体环境中，并表现出对水体中N、P、K养分吸收力较强的特性。同样，水葫芦在湖面的茎叶N、P、K养分相对含量为9.54%，比高浓度养分池塘中的提高了58.2%。在同一类型的水生生态系统中（星云湖水、湖岸池塘水），空心菜植株N、P、K养分含量高于水葫芦，且水葫芦存在二次水体污染，植株没有明显的经济利用价值，因此，发展星云湖湖面空心菜种植，将是星云湖水体生态系统治理和保护的一个重要方向。

笔者将星云湖沿岸池塘漂浮种植空心菜的这一生态技术，直接延伸到水质为中度富营养化水平（为劣V类）的星云湖湖面进行适应性试验种植，获得了重要结论：低浓度养分水体条件下的空心菜生长旺盛、对湖水养分吸收量大、净化湖水的效果显著，这对星云湖劣V类水质的治理提供了一个较好的方法。由于本试验研究区域外围有水葫芦，受风浪的影响较小，基本上对漂浮设施没有影响，在星云湖湖面用空心菜替代水葫芦的种植，尚需研究抗风浪的漂浮种植设施，才能形成配套的星云湖湖面空心菜种植技术。

（1）利用星云湖湖水较低的养分能够种植出高产而质优的空心菜农产品，茎叶鲜重达75 555 kg·hm^-2·a^-1（按35%水面种植面积计），产值可达98 222元·hm^-2·a^-1，经济效益明显。

（2）在星云湖湖水低浓度养分条件下，空心菜茎叶中总N、总P、总K含量分别为3.43%、0.74%和6.25%，说明空心菜对低浓度的湖水N、P、K养分的吸收能力较强。

（3）在星云湖湖面，空心菜按种植面积35%计，空心菜从湖水中吸收带走的N、P、K量分别为259.05、55.21、469.84 kg·hm^-2·a^-1，其可净化的湖水量以水溶性N计为129 525 m³·hm^-2·a^-1、以水溶性P计为120 022 m³·hm^-2·a^-1、以水溶性K计为34 220 m³·hm^-2·a^-1，生态效益显著。