三峽庫區消落帶狗牙根和牛鞭草人工濕地對磷的去除效應

劉 曦，陳芳清，楊 丹，張愛英，熊高明

(1.三峽地區地質災害與生態環境湖北省協同創新中心，湖北宜昌443002;2.中國科學院植物研究所植被與環境變化國家重點實驗室，北京100093;3.石河子大學，新疆石河子832003;4.中國科學院大學，北京100049)

人類活動導致大量營養物質輸入水體，進而引發水體富養化問題，該問題越來越引起人們的關注［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，導致水質下降、有毒藻類的產生以及水生生物食物鏈的改變［2－3］，在很大程度上會影響水體生態環境質量以及經濟建設和社會發展，最終有可能威脅人類健康生存。水體富營養化絕大多數是由外界輸入的營養物質在水體中富集造成的，如果減少或截斷外部輸入的營養物質，就可能使水體失去外來污染源，從而減少營養物質富集的可能性。三峽水庫建成后，在庫區周邊形成落差30 m的消落帶，由于庫區日趨嚴重的土壤退化和面源污染問題［4－5］，導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物理化學作用持續釋放到水體中，使得水庫富營養化水平提高，進而嚴重影響水庫生態安全。理論上，篩選適合消落帶生長的植物，構建人工濕地，采用定期刈割等管理措施，實現對流入消落帶磷素的截留去除，是三峽庫區消落帶濕地生態系統的重要生態效益之一。

近年來，國內多家科研單位積極開展了消落帶生態修復的理論和實踐研究。在物種優選研究這個關鍵環節上，多個野外群落學調查、模擬淹水試驗研究發現，狗牙根(Cynodon dactylon)和牛鞭草(Hemarthria altissima)非常適應消落帶環境，是生態修復的適宜物種，對于維系消落帶生物多樣性水平、穩定消落帶生態系統和降低消落帶土壤侵蝕程度具有顯著效果［6－7］。然而，經過構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，目前還不清楚。因此，研究這兩個物種對污水磷的去除效益具有重要實踐意義。筆者以狗牙根和牛鞭草為研究對象，研究了兩個物種對不同濃度含磷污水的季節性消減效果差異，為三峽庫區消落帶生態修復提供依據。

1 材料與方法

1.1 系統構造及運行條件 采用半模擬的垂直流人工濕地系統，系統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。基質采用海拔165 m的消落帶原生土。采用隨機區組試驗設計，每個處理3個重復。塑料盆以10°左右的角度擱置在支架上，以模擬庫區消落帶濕地生態系統分布的坡度。

系統進水采用間歇式，污水從系統頂部灌入。間歇式進水可以使得濕地土壤交替出現好氧和厭氧環境，有利于濕地中硝化反硝化耦合作用進行，且便于較低水力負荷時布水均勻，充分地利用濕地表面和體積。白天每12 h進水1次，水力負荷為0.055 5 t/(m3·d)。系統進水根據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)配置，分別為輕度(磷濃度0.05 mg/L，Ⅰ類水質)、中度(磷濃度 0.1 mg/L，Ⅲ類水質)、重度(磷濃度0.5 mg/L，＞Ⅴ類水質)3種污水，相應氮濃度分別為 1、2 和 5 mg/L，相應 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1個月后，開始進行污水處理。生長旺期(8月)調查狗牙根和牛鞭草的個體密度，分別為2 600和3 600株/m2。對照處理下消落帶土壤基質中自然生長著一些一年生草本如蒼耳(Xanthium sibiricum)和稗子(Echinochloa crusgalli)等。

1.2 水質指標的測定 根據兩個物種生長狀況，于2014年6月(生長初期)、8月(生長旺期)和10月(生長末期)對入水和出水水質進行測定。濕地系統處理污水前后的總磷等理化參數按照《水和廢水監測分析方法(第四版)》進行測定。水樣加硫酸進行酸化，在4℃以下保存，24 h內進行測定。總磷測定采用鉬銻抗分光光度法。入水和出水部分水質參數當場用EXO1多參數水質儀測定，如光學溶解氧(ODO)、酸堿度(pH)和氧化還原電位(ORP)。

1.3 統計分析方法 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行顯著性檢驗，采用LSD進行處理間多重比較分析，所有統計分析均采用SPSS13.0 統計軟件包(SPSS13.0 for Windows)來完成。

2 結果與分析

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的變化趨勢基本一致，因此僅用10月份測定結果描述出水中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，但對于重度磷污染的污水ODO沒有顯著影響。3種人工濕地降低了輕度和中度磷污染的污水pH，但對重度磷污染的污水pH沒有顯著影響。同時，3種人工濕地顯著增加了出水的氧化還原電位(ORP)。總體來看，在3種P污染水平下，自然恢復濕地(對照)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，狗牙根對總磷的去除率為15.8%，牛鞭草對總磷的去除率為14.7%，而對照中總磷去除率則為負值(－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，兩個物種對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%，而對輕度污染的污水中總磷的去除率為－73.0%;而牛鞭草對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)、物種和取樣時間(S×D)、污水氮濃度和取樣時間(T×D)之間，以及三者之間的交互作用都沒有顯著效應(P ＞0.05，表2)。

表2 物種、污水氮濃度和取樣時間對總磷去除率影響的方差分析

3 結論與討論

該研究表明，三峽庫區消落帶以狗牙根和牛鞭草為優勢物種的人工濕地比未進行生態修復的對照，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總磷的去除不受植物生長季的影響。狗牙根和牛鞭草對中濃度和高濃度磷的去除能力要顯著高于對低濃度磷的去除能力。

Adler等認為，植物對P的去除作用很小，主要是通過改變土壤物理化學作用完成［12］。種植狗牙根和牛鞭草明顯增強了濕地對磷的去除能力。此外，與已有研究結果［13］類似，狗牙根和牛鞭草人工濕地對總磷的去除沒有明顯的季節變化，而植物在生長旺期對土壤營養的需求要高于生長初期和末期。這表明狗牙根和牛鞭草主要通過改變土壤物理化學過程，而不是通過吸收和儲存過程增強了濕地對總磷的去除能力。

研究表明，土壤厭氧條件比好氧條件更能加速磷釋放，這是因為厭氧條件下土壤的氧化還原電位下降，導致Fe3+向Fe2+轉化，使難溶磷酸鐵的磷酸根進入水體［14］，厭氧條件下厭氧微生物的活動也能加快鐵的還原，導致磷酸根的釋放［15］。該研究結果表明，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，間接說明由于植物根系對土壤的固持作用以及植物地上部分向地下部分的氧氣運輸作用，使得土壤透氣性增強，土壤由厭氧條件向好氧條件轉變，使得出水的氧化還原電位增加，進而導致人工濕地對磷的去除能力增強。

研究表明，pH為中性條件下，土壤對磷的固持能力最強［16］，這是因為堿性條件下OH－與鐵鋁磷酸鹽復合體中的磷酸鹽發生交換，鐵對磷的固定性降低，導致磷的釋放［14］。而酸性條件下，鈣磷復合體發生溶解，導致磷的釋放。該研究結果表明，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P的去除機制之一。此情況下，狗牙根和牛鞭草人工濕地可能通過促進土壤微生物活動以及分泌酸性根分泌物的方式降低了入水的pH，并提高了對磷的去除能力。但是，高磷條件下出入水的pH之間無顯著差異，說明高磷條件下土壤的氧化還原電位對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低磷污水基本無去除效應，表明人工濕地對磷的去除能力與入水磷濃度有關，低磷污水條件下人工濕地的除磷效果降低有類似的報道［17］。可能是因為該系統中入水的pH較高，在磷的吸附－解析動態平衡過程中OH－與土壤基質中鐵鋁磷酸鹽復合體中的磷酸鹽發生交換，使土壤被固持的磷釋放。

總之，在三峽庫區消落帶采用適宜物種構建人工濕地進行生態修復，對于截留、吸收庫區屏障帶進入消落帶濕地生態系統的生活和生產污水的磷素具有重要的生態效益，是防治三峽庫區水體富營養化的有效途徑。當然，消落帶濕地生態系統對磷素的吸收、固持能力，還與系統的水力停留時間、運行時間、坡度、污水理化性質等物理因素有關;濕地系統植物刈割等管理因素［18－19］，仍需要進一步的深入研究。

［1］黃文鈺，吳延根，舒金華.中國主要湖泊水庫的水環境問題與防治建議［J］.湖泊科學，1998，10(3):83 －90.

［2］PAERL H W，DYBLE J，MOSANDER P H，et al.Microbial indicators of aquatic ecosystem change:current applications to eutrophication studies［J］.FEMS Microbiology Ecology，2003，46:233 －246.

［3］CAMARGO J A，ALONSO A，PUENTEM D.Eutrophication downstream from small reservoirs in mountain rivers of Central Spain［J］.Water Research，2005，39:3376 －3384.

［4］吳電明，夏立忠，俞元春，等.三峽庫區坡地臍橙園保護性措施對土壤團聚體結構及碳、氮、磷含量的影響［J］.土壤學報，2011，48(5):996－1005.

［5］ZHANG M K.Effects of soil properties on phosphorus subsurface migration in sandy soils［J］.Pedosphere，2008，18(5):599 －610.

［6］成水平，吳振斌，況琪軍.人工濕地植物研究［J.湖泊科學，2002，14(2):179－184.

［7］譚淑端，朱明勇，黨海山，等.三峽庫區狗牙根對深淹脅迫的生理響應［J］.生態學報，2009，29(7):3685 －3691.

［8］梁康，王啟爍，王飛華，等.人工濕地處理生活污水的研究進展［J］.農業環境科學學報，2014，33(3):422 －428.

［9］胡康萍.人工濕地設計中的水力學問題研究［J］.環境科學研究，1991，4(5):8－12.

［10］龔琴紅，田光明，吳堅陽，等.垂直流濕地處理低濃度生活污水的水力負荷［J］.中國環境科學，2004(3):275 －279.

［11］吳振斌，徐光來，周培疆，等.復合垂直流人工濕地對不同氮污水的凈化［J］.環境科學與技術，2004，27(1):30 －32.

［12］ADLER P R，SUMMERFELT S T，GLENN M D，et al.Evaluation of a model wetland system designed and operated to meet stringent phosphorus discharge requirements［J］.Water Environment Research，1996，68(5):836 －840.

［13］宋志文，王仁卿，席俊秀，等.人工濕地對氮、磷的去除率與動態特征［J］.生態學雜志，2005 ，24(6):648－651.

［14］隋少峰，羅啟芳.武漢東湖底泥釋磷特點［J］.環境科學，2001，22(1):102 －105.

［15］孫曉杭，張昱，張斌亮，等.微生物作用對太湖沉積物磷釋放影響的模擬實驗研究［J］.環境化學，2006，25(1):24 －27.

［16］陳峰峰，李秋華，龍健，等.百花湖消落帶土壤磷釋放的模擬研究［J］.生態科學，2013，32(3):372 －378.

［17］苑丹丹，付為國，李萍萍.不同配置人工濕地系統農村生活污水處理效果［J］.工業安全與環保，2010，36(8):1 －3.

［18］盧少勇，金相燦，余剛.人工濕地的磷去除機理［J］.生態環境，2006，15(2):391－396.

［19］汪俊三，覃環.植物碎石床人工濕地處理富營養化水和微污染水體實驗研究［M］.北京:中國環境科學出版社，2009:1－3.