三峽庫(kù)區(qū)消落帶狗牙根和牛鞭草人工濕地對(duì)磷的去除效應(yīng)

劉 曦，陳芳清，楊 丹，張愛英，熊高明

(1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌443002;2.中國(guó)科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100093;3.石河子大學(xué)，新疆石河子832003;4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

人類活動(dòng)導(dǎo)致大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入水體，進(jìn)而引發(fā)水體富養(yǎng)化問(wèn)題，該問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注［1］。由于水體磷素不斷積累，促使水生生物特別是部分藻類生物異常大量繁殖，導(dǎo)致水質(zhì)下降、有毒藻類的產(chǎn)生以及水生生物食物鏈的改變［2－3］，在很大程度上會(huì)影響水體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展，最終有可能威脅人類健康生存。水體富營(yíng)養(yǎng)化絕大多數(shù)是由外界輸入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在水體中富集造成的，如果減少或截?cái)嗤獠枯斎氲臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，就可能使水體失去外來(lái)污染源，從而減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富集的可能性。三峽水庫(kù)建成后，在庫(kù)區(qū)周邊形成落差30 m的消落帶，由于庫(kù)區(qū)日趨嚴(yán)重的土壤退化和面源污染問(wèn)題［4－5］，導(dǎo)致輸入消落帶的磷素水平大幅提高，并在冬季淹水期間通過(guò)物理化學(xué)作用持續(xù)釋放到水體中，使得水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化水平提高，進(jìn)而嚴(yán)重影響水庫(kù)生態(tài)安全。理論上，篩選適合消落帶生長(zhǎng)的植物，構(gòu)建人工濕地，采用定期刈割等管理措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)流入消落帶磷素的截留去除，是三峽庫(kù)區(qū)消落帶濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)效益之一。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多家科研單位積極開展了消落帶生態(tài)修復(fù)的理論和實(shí)踐研究。在物種優(yōu)選研究這個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)上，多個(gè)野外群落學(xué)調(diào)查、模擬淹水試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，狗牙根(Cynodon dactylon)和牛鞭草(Hemarthria altissima)非常適應(yīng)消落帶環(huán)境，是生態(tài)修復(fù)的適宜物種，對(duì)于維系消落帶生物多樣性水平、穩(wěn)定消落帶生態(tài)系統(tǒng)和降低消落帶土壤侵蝕程度具有顯著效果［6－7］。然而，經(jīng)過(guò)構(gòu)建的狗牙根和牛鞭草人工濕地是否具有截留去除磷素效應(yīng)，目前還不清楚。因此，研究這兩個(gè)物種對(duì)污水磷的去除效益具有重要實(shí)踐意義。筆者以狗牙根和牛鞭草為研究對(duì)象，研究了兩個(gè)物種對(duì)不同濃度含磷污水的季節(jié)性消減效果差異，為三峽庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)構(gòu)造及運(yùn)行條件 采用半模擬的垂直流人工濕地系統(tǒng)，系統(tǒng)搭建在重慶忠縣石寶寨共和村。采用體積為0.035 m3(0.50 m ×0.35 m ×0.20 m)的塑料盆為容器?；|(zhì)采用海拔165 m的消落帶原生土。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。塑料盆以10°左右的角度擱置在支架上，以模擬庫(kù)區(qū)消落帶濕地生態(tài)系統(tǒng)分布的坡度。

系統(tǒng)進(jìn)水采用間歇式，污水從系統(tǒng)頂部灌入。間歇式進(jìn)水可以使得濕地土壤交替出現(xiàn)好氧和厭氧環(huán)境，有利于濕地中硝化反硝化耦合作用進(jìn)行，且便于較低水力負(fù)荷時(shí)布水均勻，充分地利用濕地表面和體積。白天每12 h進(jìn)水1次，水力負(fù)荷為0.055 5 t/(m3·d)。系統(tǒng)進(jìn)水根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)配置，分別為輕度(磷濃度0.05 mg/L，Ⅰ類水質(zhì))、中度(磷濃度 0.1 mg/L，Ⅲ類水質(zhì))、重度(磷濃度0.5 mg/L，＞Ⅴ類水質(zhì))3種污水，相應(yīng)氮濃度分別為 1、2 和 5 mg/L，相應(yīng) COD 濃度分別為 38.38、32.32、42.42 mg/L［8－11］。

狗牙根(C)、牛鞭草(H)于2014年4月播種，待自然生長(zhǎng)1個(gè)月后，開始進(jìn)行污水處理。生長(zhǎng)旺期(8月)調(diào)查狗牙根和牛鞭草的個(gè)體密度，分別為2 600和3 600株/m2。對(duì)照處理下消落帶土壤基質(zhì)中自然生長(zhǎng)著一些一年生草本如蒼耳(Xanthium sibiricum)和稗子(Echinochloa crusgalli)等。

1.2 水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定 根據(jù)兩個(gè)物種生長(zhǎng)狀況，于2014年6月(生長(zhǎng)初期)、8月(生長(zhǎng)旺期)和10月(生長(zhǎng)末期)對(duì)入水和出水水質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。濕地系統(tǒng)處理污水前后的總磷等理化參數(shù)按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》進(jìn)行測(cè)定。水樣加硫酸進(jìn)行酸化，在4℃以下保存，24 h內(nèi)進(jìn)行測(cè)定?？偭诇y(cè)定采用鉬銻抗分光光度法。入水和出水部分水質(zhì)參數(shù)當(dāng)場(chǎng)用EXO1多參數(shù)水質(zhì)儀測(cè)定，如光學(xué)溶解氧(ODO)、酸堿度(pH)和氧化還原電位(ORP)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析方法 各處理在總磷去除率之間的差異采用帶交互作用的三因素方差分析方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，采用LSD進(jìn)行處理間多重比較分析，所有統(tǒng)計(jì)分析均采用SPSS13.0 統(tǒng)計(jì)軟件包(SPSS13.0 for Windows)來(lái)完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 出水中ODO、pH和ORP的變化 由于2014年6月、8月和10月不同處理出水各參數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致，因此僅用10月份測(cè)定結(jié)果描述出水中ODO、pH和ORP的變化(表1)。由表1可知，3種人工濕地降低了輕度和中度磷污染的污水ODO，但對(duì)于重度磷污染的污水ODO沒(méi)有顯著影響。3種人工濕地降低了輕度和中度磷污染的污水pH，但對(duì)重度磷污染的污水pH沒(méi)有顯著影響。同時(shí)，3種人工濕地顯著增加了出水的氧化還原電位(ORP)?？傮w來(lái)看，在3種P污染水平下，自然恢復(fù)濕地(對(duì)照)的ORP均顯著低于種有狗牙根和牛鞭草的人工濕地。

表1 2014年10月出水中ODO、pH和ORP的變化

2.2 總磷去除效果 平均而言，狗牙根對(duì)總磷的去除率為15.8%，牛鞭草對(duì)總磷的去除率為14.7%，而對(duì)照中總磷去除率則為負(fù)值(－33.4%)，三者之間差異顯著(P ＜0.001，表2)，牛鞭草與狗牙根處理之間的差異不顯著(LSD，P＞0.05)。不同生長(zhǎng)期總磷去除率變化不明顯(P＞0.001，表2)。不同氮濃度污水的總磷去除率有顯著差異(P＜0.001，表2)。由圖2可知，兩個(gè)物種對(duì)中度和重度污染的污水中總磷的去除率較高，如10月份狗牙根對(duì)中度和重度污染的污水中總磷的去除率分別為51.1%和74.5%，而對(duì)輕度污染的污水中總磷的去除率為－73.0%;而牛鞭草對(duì)中度和重度污染的污水中總磷的去除率分別為35.6%和77.8%，而對(duì)輕度污染的污水中總磷的去除率為－69.6%。此外，物種和污水氮濃度(S×T)、物種和取樣時(shí)間(S×D)、污水氮濃度和取樣時(shí)間(T×D)之間，以及三者之間的交互作用都沒(méi)有顯著效應(yīng)(P ＞0.05，表2)。

表2 物種、污水氮濃度和取樣時(shí)間對(duì)總磷去除率影響的方差分析

3 結(jié)論與討論

該研究表明，三峽庫(kù)區(qū)消落帶以狗牙根和牛鞭草為優(yōu)勢(shì)物種的人工濕地比未進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的對(duì)照，在總磷去除能力方面顯著提高。此外，狗牙根和牛鞭草人工濕地對(duì)總磷的去除不受植物生長(zhǎng)季的影響。狗牙根和牛鞭草對(duì)中濃度和高濃度磷的去除能力要顯著高于對(duì)低濃度磷的去除能力。

Adler等認(rèn)為，植物對(duì)P的去除作用很小，主要是通過(guò)改變土壤物理化學(xué)作用完成［12］。種植狗牙根和牛鞭草明顯增強(qiáng)了濕地對(duì)磷的去除能力。此外，與已有研究結(jié)果［13］類似，狗牙根和牛鞭草人工濕地對(duì)總磷的去除沒(méi)有明顯的季節(jié)變化，而植物在生長(zhǎng)旺期對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)的需求要高于生長(zhǎng)初期和末期。這表明狗牙根和牛鞭草主要通過(guò)改變土壤物理化學(xué)過(guò)程，而不是通過(guò)吸收和儲(chǔ)存過(guò)程增強(qiáng)了濕地對(duì)總磷的去除能力。

研究表明，土壤厭氧條件比好氧條件更能加速磷釋放，這是因?yàn)閰捬鯒l件下土壤的氧化還原電位下降，導(dǎo)致Fe3+向Fe2+轉(zhuǎn)化，使難溶磷酸鐵的磷酸根進(jìn)入水體［14］，厭氧條件下厭氧微生物的活動(dòng)也能加快鐵的還原，導(dǎo)致磷酸根的釋放［15］。該研究結(jié)果表明，種有狗牙根和牛鞭草的人工濕地顯著增加了出水的氧化還原電位，間接說(shuō)明由于植物根系對(duì)土壤的固持作用以及植物地上部分向地下部分的氧氣運(yùn)輸作用，使得土壤透氣性增強(qiáng)，土壤由厭氧條件向好氧條件轉(zhuǎn)變，使得出水的氧化還原電位增加，進(jìn)而導(dǎo)致人工濕地對(duì)磷的去除能力增強(qiáng)。

研究表明，pH為中性條件下，土壤對(duì)磷的固持能力最強(qiáng)［16］，這是因?yàn)閴A性條件下OH－與鐵鋁磷酸鹽復(fù)合體中的磷酸鹽發(fā)生交換，鐵對(duì)磷的固定性降低，導(dǎo)致磷的釋放［14］。而酸性條件下，鈣磷復(fù)合體發(fā)生溶解，導(dǎo)致磷的釋放。該研究結(jié)果表明，在低磷和中磷條件下，出水的pH明顯比入水pH要偏向中性，這可能是中磷污水條件下狗牙根和牛鞭草對(duì)P的去除機(jī)制之一。此情況下，狗牙根和牛鞭草人工濕地可能通過(guò)促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)以及分泌酸性根分泌物的方式降低了入水的pH，并提高了對(duì)磷的去除能力。但是，高磷條件下出入水的pH之間無(wú)顯著差異，說(shuō)明高磷條件下土壤的氧化還原電位對(duì)總磷的去除可能起到更為重要的作用。

狗牙根和牛鞭草人工濕地對(duì)低磷污水基本無(wú)去除效應(yīng)，表明人工濕地對(duì)磷的去除能力與入水磷濃度有關(guān)，低磷污水條件下人工濕地的除磷效果降低有類似的報(bào)道［17］。可能是因?yàn)樵撓到y(tǒng)中入水的pH較高，在磷的吸附－解析動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程中OH－與土壤基質(zhì)中鐵鋁磷酸鹽復(fù)合體中的磷酸鹽發(fā)生交換，使土壤被固持的磷釋放。

總之，在三峽庫(kù)區(qū)消落帶采用適宜物種構(gòu)建人工濕地進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，對(duì)于截留、吸收庫(kù)區(qū)屏障帶進(jìn)入消落帶濕地生態(tài)系統(tǒng)的生活和生產(chǎn)污水的磷素具有重要的生態(tài)效益，是防治三峽庫(kù)區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化的有效途徑。當(dāng)然，消落帶濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)磷素的吸收、固持能力，還與系統(tǒng)的水力停留時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間、坡度、污水理化性質(zhì)等物理因素有關(guān);濕地系統(tǒng)植物刈割等管理因素［18－19］，仍需要進(jìn)一步的深入研究。

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