水生植物對生態(tài)溝渠底泥磷吸附特性的影響

李紅芳，劉　鋒*，肖潤林，何　洋，2，王　迪，2，吳金水

（1.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，長沙410125；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

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水生植物對生態(tài)溝渠底泥磷吸附特性的影響

李紅芳1，劉鋒1*，肖潤林1，何洋1，2，王迪1，2，吳金水1

（1.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，長沙410125；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

摘要：以用于小流域源頭區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防控的3生態(tài)溝渠為研究對象，?集入口處（S1）、中間段（S2）和出口處（S3）溝渠底泥，分析其屬性和磷吸附特性。結(jié)果表明，溝渠底泥全磷含量在0.19～0.60 g.kg-1范圍內(nèi)，且沿水流方向有增大趨勢；草酸提取態(tài)磷（Pox）及有機質(zhì)含量與全磷含量呈顯著正相關(guān)（P<0.01，R2=0.920和P<0.05，R2=0.549，n=9）；而底泥的pH值則隨著水流方向有降低的趨勢。Langmujr方程擬合吸附數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，底泥吸附/解吸平衡磷濃度（EPC0）、磷最大吸附量（Smax）和磷吸附鍵能參數(shù)（Kc）分別為0.08～0.38 mg.L-1、555.6～909.1 mg.kg-1和0.18～0.52 L.mg-1。樣點S2（挺水植物梭魚草和沉水植物綠狐尾藻交接種植區(qū)）的Smax最大、EPC0最小，樣點S3次之，而樣點S1的Smax最小、EPC0最大。這說明水生植物的種植和合理配置，不僅能夠影響底泥基本屬性的變化，且能增強底泥對磷的吸附作用，有利于降低生態(tài)溝渠的磷輸出風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：生態(tài)溝渠；水生植物；底泥磷吸附；Langmujr方程

李紅芳，劉鋒，肖潤林，等.水生植物對生態(tài)溝渠底泥磷吸附特性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2016，35（1）：157-163.

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排水溝渠作為流域氮磷污染排放與受納水體（江河湖泊等）之間的過渡帶，具有濕地和河流的雙重作用，既是農(nóng)田徑流的“匯”，又是受納水體的“源”，在截留和削減農(nóng)業(yè)面源氮磷等污染物中起關(guān)鍵作用。已有研究表明，在水體可溶性磷的控制中，尤其是在磷的遷移和固定中，溝渠底泥的吸附和沉淀起主要作用[1-2]。影響底泥磷吸附特性的因素很多，包括溝渠流?水體的水質(zhì)狀況（如營養(yǎng)鹽、水體溫度、pH、溶解氧等）、底泥的理化性質(zhì)（如土壤質(zhì)地、pH、有機質(zhì)、無定形態(tài)鐵鋁等）、溝渠內(nèi)水生植物分布等。目前，關(guān)于溝渠內(nèi)流?水體的水質(zhì)、底泥理化性質(zhì)對磷吸附特性的影響研究較多[3-5]，但針對水生植物種植對溝渠底泥磷的吸附特性的研究相對較少，尤其針對以水生植物種植為主要措施的生態(tài)溝渠來說，研究植物在溝渠底泥對磷吸附作用中的影響尤為重要。

本研究以典型的農(nóng)業(yè)小流域（開慧河流域）為對象，在該區(qū)域?qū)嵤┥鷳B(tài)?潔小流域建設(shè)后，選取構(gòu)建的3生態(tài)溝渠，分析溝渠底泥的基本理化性質(zhì)及磷的吸附特性，研究生態(tài)溝渠構(gòu)建后水生植物的種植對溝渠底泥磷吸附的影響，旨在為生態(tài)溝渠的構(gòu)建、植物的配置提供參考意見，同時為生態(tài)溝渠在農(nóng)業(yè)面源污染控制中的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

選取位于湖南省長沙縣開慧鎮(zhèn)的開慧河流域源頭區(qū)域為研究對象，研究區(qū)占地面積約4.4 km2，屬于典型的亞熱帶濕潤氣候區(qū)，雨量充沛，多年平均降雨量為1 434.3 mm，年平均氣溫17.1℃（-11.3℃～39.8℃），日照充足。農(nóng)田、生態(tài)林、菜地、池塘、茶園、河道、村莊、果林和道路等為主要土地利用類型，其中農(nóng)田占比32.3％，比例最大。農(nóng)田排水、生活污水和養(yǎng)豬廢水是流域內(nèi)主要水體污染源。由于區(qū)域內(nèi)河道和溝渠缺乏治理，部分水體已出現(xiàn)嚴(yán)重的富營養(yǎng)化現(xiàn)象。研究區(qū)域在2012年6月至2013年1月期間進行了生態(tài)?潔型小流域建設(shè)，針對該流域內(nèi)主要水體開慧河的氮磷污染，?用的生態(tài)措施主要為河道、溝渠的?淤和生態(tài)溝渠的構(gòu)建等。研究區(qū)主要土地利用類型及所研究的生態(tài)溝渠分布如圖1所示。

1.2生態(tài)溝渠的構(gòu)建

2012年6—8月，對研究區(qū)內(nèi)原有的農(nóng)田排水溝渠?淤疏通后構(gòu)建生態(tài)溝渠。生態(tài)溝渠呈倒梯形結(jié)構(gòu)，斷面寬度在原排水溝渠基礎(chǔ)上擴寬50％，根據(jù)200 m2/1.0 km2匯水區(qū)設(shè)置生態(tài)溝渠長度，底部坡度比降約1％，每間隔10～20 m筑一15 cm高的攔水坎。生態(tài)溝渠中種植植物主要包括挺水植物梭魚草（Pontederia cordata）和沉水植物綠狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）。生態(tài)溝渠前段（約占所建生態(tài)溝渠長度的1/3）種植梭魚草（種植密度9株.m-2），便于攔截泥沙，避免降雨徑流攜帶泥沙對植物覆蓋，減緩水體流速，在溝渠中部及后段（約占生態(tài)溝渠長度的2/3）種植生物量大、生長周期長且去污能力強的綠狐尾藻。研究選取的3溝渠的基本情況如表1所示。

表1　構(gòu)建的生態(tài)溝渠基本情況Tab1e 1 Basjc jnformatjon of constructed eco1ogjca1 djtches

1.3樣品采集與分析

圖2　溝渠底泥采樣點示意圖Fjgure 2 Djstrjbutjon of samp1jng pojnts jn eco1ogjca1 djtches

底泥基本屬性的分析方法：?用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定底泥全磷；?用酸性草酸銨法提取底泥活性鐵、鋁、磷，用ICP-OES（Agj1ent Techno1ogjes，700 Serjes）同時測定活性鐵（Feox）、活性鋁（A1ox）和活性磷（Pox）含量，其中底泥磷飽和度DPS=Pox/[α× （Feox+ A1ox）]×100％，在酸性濕地沉積物中α值為0.5[6]；?用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定底泥有機質(zhì)含量；利用含玻璃電極的pH計按水土質(zhì)量比2.5∶1測定底泥pH值。

試驗期間，在生態(tài)溝渠進、出水口設(shè)置水樣監(jiān)測點，每月一次?集水樣。?集水樣過0.45 μm孔徑濾膜后，直接用流動分析儀（AA3）測定銨態(tài)氮濃度；?用堿性過硫酸鉀消解后用流動分析儀（AA3）測定總氮濃度；?用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—1989）測定總磷和磷酸鹽濃度。

元代刊刻之《世說新語》，為劉應(yīng)登刪注、劉辰翁批點的八卷本。其文字多同于董弅刻本但注釋經(jīng)過劉應(yīng)登刪削，并補刻劉辰翁的批語，系目前看到的最早的劉辰翁批點本[5](前言，P24)。

1.4底泥磷等溫吸附試驗

等溫吸附試驗的主要步驟如下：稱取0.5 g底泥樣品于50 mL聚丙烯材質(zhì)離心管中，加入用0.01 mo1.L-1KC1配置的P含量分別為0、1、2、5、10、20、50、100 mg.L-1的溶液20 mL，并滴加2滴0.1％的氯仿以抑制微生物活動；25℃下恒溫振蕩（200 r.mjn-1）24 h，然后離心（4000 r.mjn-1）10 mjn、過0.45 μm濾膜，?用鉬銻抗顯色法測定濾液中P含量。

吸附參數(shù)通過Langmujr方程計算[7]：

式中：S1為試驗中底泥吸附的磷量mg.kg-1；S0為初始狀態(tài)下吸附的磷量，mg.kg-1；Smax為磷吸附最大值，mg.kg-1；Kc為鍵能參數(shù)，L.mg-1；Ct為振蕩24 h后溶液平衡濃度，mg.L-1。

當(dāng)S1=0時，底泥磷的凈吸附或解吸為零（吸附/解吸平衡濃度），此時Ct值即為溶液磷對應(yīng)的EPC0，由公式（1）可得：

1.5數(shù)據(jù)分析

?用Mjcrosoft Exce1 2013軟件對磷的等溫吸附數(shù)據(jù)進行Langmujr方程擬合。?用SPSS 18.0軟件進行底泥屬性與磷形態(tài)的相關(guān)分析，統(tǒng)計檢驗的顯著性水平P≤0.05。

2　結(jié)果與分析

2.1生態(tài)溝渠進出口水質(zhì)分析

表2　生態(tài)溝渠進出水水質(zhì)狀況（mg·L-1）Tab1e 2 Qua1jty of water jn eco1ogjca1 djtches（mg·L-1）

2.2生態(tài)溝渠底泥屬性

表3　生態(tài)溝渠底泥屬性Tab1e 3 Se1ected physjco-chemjca1 propertjes of djtch sedjments

2.3生態(tài)溝渠底泥磷的等溫吸附過程

圖3　底泥對磷的等溫吸附曲線Fjgure 3 Phosphorus adsorptjon jsotherms of sedjments

2.4生態(tài)溝渠底泥磷的吸附特性

用Langmujr方程擬合底泥對磷的等溫吸附數(shù)據(jù)（表4），擬合度檢驗達(dá)極顯著水平（P<0.001）。Smax在555.56～909.09 mg.kg-1范圍，均值為730.05 mg.kg-1，高Kc值表示底泥與磷的結(jié)合能力強，3溝渠Kc均值為0.35 L.mg-1，均以樣點S2為最大，說明溝渠中在梭魚草跟綠狐尾藻兩種植物交界處的底泥與磷的結(jié)合能力最強。試驗底泥吸附/解吸平衡濃度（EPC0）值為0.08～0.38 mg.L-1，溝渠C底泥EPC0明顯大于其他兩溝渠，植物根系較為發(fā)達(dá)的S2處明顯低于其他兩個樣點。

表4　底泥對磷等溫吸附擬合參數(shù)Tab1e 4 Parameters for phosphorus sorptjon by sedjments

3　討論

生態(tài)溝渠對磷素的去除，沉淀和吸附是其主要途徑之一。研究表明，濕地中的磷70％～87％主要通過沉淀和底泥吸附而去除[11-12]。溝渠縱坡比小，水體流速慢，水力停留時間越長，則越有利于減少水體擾動、促進泥沙顆粒及顆粒吸附物隨底泥的沉降。本研究的3生態(tài)溝渠的底泥磷Smax在555.56～909.09 mg.kg-1，高于張樹楠等[13]研究的我國亞熱帶地區(qū)金井河流域生態(tài)溝渠的底泥磷Smax（391～563 mg.kg-1），且遠(yuǎn)高于美國馬里蘭州一個長期用豬尿糞施肥的農(nóng)場中8個溝渠底泥樣的Smax值（81～232 mg.kg-1）[14]，與作者已有的研究在該流域內(nèi)池塘底泥的Smax范圍相當(dāng)[15]，但低于愛爾蘭的韋克斯福德和沃特福德州兩處理養(yǎng)殖廢水的人工濕地底泥Smax（538～1707 mg.kg-1）[16-17]。Smax反映底泥對磷的吸附能力，Smax值越大，表示底泥對磷的吸附固定能力越強。影響溝渠底泥磷的吸附特性的主要因素包括底泥的組成和性質(zhì)、有機質(zhì)含量、pH和無定形態(tài)的鐵鋁含量等。由于鐵、鋁氧化物能為磷的吸附提供豐富的磷吸附表面積，使富含無定型鐵、鋁氧化物的底泥對水中磷的吸附與去除能力更強[18]。試驗底泥Smax與草酸提取態(tài)鐵鋁之和顯著相關(guān)（R= 0.707，P<0.05，n=9），說明鐵鋁氧化物含量對底泥磷的吸附有顯著影響；而Feox含量與鐵鋁含量之和顯著相關(guān)（R=0.981，P<0.01，n=9），說明在影響底泥磷吸附中，F(xiàn)eox含量的影響因素更大，與張樹楠等[13]及Lju 等[7]的研究結(jié)果類似。試驗中有機質(zhì)含量與Feox含量及鐵鋁含量之和顯著相關(guān)（P<0.05，R2=0.578和R2= 0.489，n=9），有機質(zhì)通過與鐵鋁氧化物螯合可以提供磷的吸附活性表面，說明生態(tài)溝渠的構(gòu)建對有機質(zhì)的影響會促進底泥磷的吸附[15]。

生態(tài)溝渠所種植物不同，對溝渠底泥的理化性質(zhì)和磷吸附的影響不同。試驗溝渠不同位置?樣點磷的吸附特性呈現(xiàn)出兩種植物交錯處Smax最大的趨勢（即：S2>S3>S1），可能與植物所種植的面積不同有關(guān)，也可能受生態(tài)溝渠本身的構(gòu)建影響[8]。一般來說，水生植物影響底泥對磷的吸附主要通過影響和?變底泥的物理化學(xué)性質(zhì)而實現(xiàn)。一方面，水生植物的存在可以降低水體流速，加速沉降，植物根系越密集，越有利于顆粒物（包括鐵、鋁膠體等）的沉降[19-20]；另一方面，植物根系泌氧可以?變底泥的化學(xué)特性，一定件下能夠降低pH、提高Eh和可溶性金屬離子濃度，促進Fe2+氧化成Fe3+，進而促進底泥對磷的吸附[21-22]。Lju 等[7]研究生態(tài)溝渠中5種植物對底泥磷的吸附作用，結(jié)果表明美人蕉和狐尾藻的種植能夠提高溝渠底泥表層（0～5 cm）有機質(zhì)和草酸提取態(tài)鐵的含量，進而促進底泥對磷的吸附。本研究中溝渠植物主要為梭魚草和綠狐尾藻，其中梭魚草同樣已被證明為一種既具有凈水作用同時可作觀賞用的作物，具有較高的氮磷積累量，而綠狐尾藻根系密集，能夠攔截更多的細(xì)顆粒，均對生態(tài)溝渠底泥磷的吸附具有促進作用[23-24]。但針對植物的季節(jié)性生長和容易腐爛等特點，需要對其進行合理和及時的管理，以免產(chǎn)生二次污染。

底泥磷的吸附/解析平衡濃度EPC0可用來描述底泥磷吸附的方向，當(dāng)EPC0低于水體磷濃度時，底泥表現(xiàn)為磷吸附狀態(tài)，反之，EPC0值越高則表示底泥對外源磷的緩沖能力越弱，潛在的磷釋放風(fēng)險越高。3溝渠外源磷輸入負(fù)荷不同，3溝渠對外源磷的緩沖能力不同。由入水口S1樣點可以看出，溝渠C接收污水量最大，水體磷濃度較高，底泥對磷的緩沖能力較弱，EPC0明顯高于溝渠A和B。但整體來說，3溝渠進水口（S1）EPC0明顯高于出水口（S3），說明生態(tài)溝渠的構(gòu)建能夠提高對外源磷的緩沖能力，水生植物的種植能夠提高底泥磷的吸附能力而降低磷的釋放風(fēng)險，進一步肯定了生態(tài)溝渠的重要作用及構(gòu)建生態(tài)溝渠的必要性[25-26]。

4　結(jié)論

（1）生態(tài)溝渠底泥全磷、草酸提取態(tài)磷（Pox）及有機質(zhì)含量，沿水流方向，有增大趨勢，而溝渠底泥的pH值變化則與之相反。可見，生態(tài)溝渠的構(gòu)建及凈水植物的種植，影響了溝渠底泥基本屬性。

（2）生態(tài)溝渠底泥出水口（S3）磷最大吸附量（Smax）明顯高于進水口（S1），而低于中間位置（S2，兩種水生植物交叉種植區(qū)），說明梭魚草與狐尾藻的配置種植有利于提升底泥對磷的吸附能力。

（3）生態(tài)溝渠能凈化污染水體，說明生態(tài)溝渠對農(nóng)業(yè)面源污染防控具有重要作用。本研究表明水生植物種植能影響生態(tài)溝渠底泥屬性及其磷吸附特性，因此在生態(tài)溝渠構(gòu)建時，應(yīng)綜合考慮水生植物的凈水能力及合理配置，以提高其對污染物的去除效果。

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Effects of aquatic plants on phosphorus adsorption characteristics by sediments in ecological ditches

LI Hong-fang1，LIU Feng1*，XIAO Run-1jn1，HE Yang1，2，WANG Dj1，2，WU Jjn-shuj1
（1.Key Laboratory of Agro-eco1ogjca1 Processes jn Subtropjca1 Regjon，Instjtute of Subtropjca1 Agrjcu1ture，Chjnese Academy of Scjences，Changsha，410125，Chjna；Graduate Unjversjty of the Chjnese Academy of Scjences，Bejjjng 100049，Chjna）

Abstract：Eco1ogjca1 djtches p1ay jmportant ro1es jn contro11jng agrjcu1tura1 po11utjon of njtrogen and phosphorus. Here three eco1ogjca1 djtches were se1ected to jnvestjgate propertjes and P adsorptjon capacjtjes of sedjments. The sedjment samp1es were co11ected at the jn1et （S1），mjd-sectjon（S2），and out1et（S3）of a djtch. Tota1 P concentratjons jn the sedjments ranged from 0.19 to 0.60 g.kg-1. Tota1 P jncreased，but pH va1ues decreased a1ong water f1ow djrectjon. Oxa1ate extractab1e P（Pox）and organjc matters（OM）were sjgnjfjcant1y and posjtjve1y re1ated wjth tota1 P（P<0.01，R2=0.920 and P<0.05，R2=0.549，respectjve1y；n=9）. The Langmujr equatjon showed good fjttjng of P adsorptjon. The equj1jbrjum P concentratjon（EPC0），sorptjon maxjmum（Smax），and adsorptjon constant（Kc）were 0.08～0.38 mg.L-1，555.6～909.1 mg.kg-1，and 0.18～0.52 L.mg-1，respectjve1y. The sedjments from S2，1ocated at the jojnt sjte of two aquatjc p1ants Pontederia cordata and Myriophyllum aquaticum，had the hjghest Smaxand 1owest EPC0，fo11owed by S3. The S1 sedjments had the 1owest Smaxand hjghest EPC0. Therefore，p1antjng and ratjona1 combjnatjon of aquatjc p1ants jnf1uence sedjment propertjes，jmprove P adsorptjon capacjty，and reduce the potentja1 rjsk of P 1osses from the djtches.

Keywords：eco1ogjca1 djtch；aquatjc p1ant；sedjment phosphorus adsorptjon；Langmujr equatjon

*通信作者：劉鋒E-maj1：1jufeng@jsa.ac.cn

作者簡介：李紅芳（1989—），女，河南安陽人，碩士研究生，研究方向為土壤環(huán)境與農(nóng)業(yè)生態(tài)。E-maj1：20081hfok@163.com

基金項目：中科院重點部署項目（KZZD-EW-11-03）；“十二五”國家支撐計劃課題（2012BAD14B17）

收稿日期：2015-08-18

中圖分類號：X522

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）01-0157-07doj：10.11654/jaes.2016.01.021