三峡库区消落带狗牙根和牛鞭草人工湿地对磷的去除效应

刘 曦，陈芳清，杨 丹，张爱英，熊高明

(1.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北宜昌443002;2.中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室，北京100093;3.石河子大学，新疆石河子832003;4.中国科学院大学，北京100049)

人类活动导致大量营养物质输入水体，进而引发水体富养化问题，该问题越来越引起人们的关注［1］。由于水体磷素不断积累，促使水生生物特别是部分藻类生物异常大量繁殖，导致水质下降、有毒藻类的产生以及水生生物食物链的改变［2－3］，在很大程度上会影响水体生态环境质量以及经济建设和社会发展，最终有可能威胁人类健康生存。水体富营养化绝大多数是由外界输入的营养物质在水体中富集造成的，如果减少或截断外部输入的营养物质，就可能使水体失去外来污染源，从而减少营养物质富集的可能性。三峡水库建成后，在库区周边形成落差30 m的消落带，由于库区日趋严重的土壤退化和面源污染问题［4－5］，导致输入消落带的磷素水平大幅提高，并在冬季淹水期间通过物理化学作用持续释放到水体中，使得水库富营养化水平提高，进而严重影响水库生态安全。理论上，筛选适合消落带生长的植物，构建人工湿地，采用定期刈割等管理措施，实现对流入消落带磷素的截留去除，是三峡库区消落带湿地生态系统的重要生态效益之一。

近年来，国内多家科研单位积极开展了消落带生态修复的理论和实践研究。在物种优选研究这个关键环节上，多个野外群落学调查、模拟淹水试验研究发现，狗牙根(Cynodon dactylon)和牛鞭草(Hemarthria altissima)非常适应消落带环境，是生态修复的适宜物种，对于维系消落带生物多样性水平、稳定消落带生态系统和降低消落带土壤侵蚀程度具有显著效果［6－7］。然而，经过构建的狗牙根和牛鞭草人工湿地是否具有截留去除磷素效应，目前还不清楚。因此，研究这两个物种对污水磷的去除效益具有重要实践意义。笔者以狗牙根和牛鞭草为研究对象，研究了两个物种对不同浓度含磷污水的季节性消减效果差异，为三峡库区消落带生态修复提供依据。

1 材料与方法

1.1 系统构造及运行条件 采用半模拟的垂直流人工湿地系统，系统搭建在重庆忠县石宝寨共和村。采用体积为0.035 m3(0.50 m ×0.35 m ×0.20 m)的塑料盆为容器。基质采用海拔165 m的消落带原生土。采用随机区组试验设计，每个处理3个重复。塑料盆以10°左右的角度搁置在支架上，以模拟库区消落带湿地生态系统分布的坡度。

系统进水采用间歇式，污水从系统顶部灌入。间歇式进水可以使得湿地土壤交替出现好氧和厌氧环境，有利于湿地中硝化反硝化耦合作用进行，且便于较低水力负荷时布水均匀，充分地利用湿地表面和体积。白天每12 h进水1次，水力负荷为0.055 5 t/(m3·d)。系统进水根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)配置，分别为轻度(磷浓度0.05 mg/L，Ⅰ类水质)、中度(磷浓度 0.1 mg/L，Ⅲ类水质)、重度(磷浓度0.5 mg/L，＞Ⅴ类水质)3种污水，相应氮浓度分别为 1、2 和 5 mg/L，相应 COD 浓度分别为 38.38、32.32、42.42 mg/L［8－11］。

狗牙根(C)、牛鞭草(H)于2014年4月播种，待自然生长1个月后，开始进行污水处理。生长旺期(8月)调查狗牙根和牛鞭草的个体密度，分别为2 600和3 600株/m2。对照处理下消落带土壤基质中自然生长着一些一年生草本如苍耳(Xanthium sibiricum)和稗子(Echinochloa crusgalli)等。

1.2 水质指标的测定 根据两个物种生长状况，于2014年6月(生长初期)、8月(生长旺期)和10月(生长末期)对入水和出水水质进行测定。湿地系统处理污水前后的总磷等理化参数按照《水和废水监测分析方法(第四版)》进行测定。水样加硫酸进行酸化，在4℃以下保存，24 h内进行测定。总磷测定采用钼锑抗分光光度法。入水和出水部分水质参数当场用EXO1多参数水质仪测定，如光学溶解氧(ODO)、酸碱度(pH)和氧化还原电位(ORP)。

1.3 统计分析方法 各处理在总磷去除率之间的差异采用带交互作用的三因素方差分析方法进行显著性检验，采用LSD进行处理间多重比较分析，所有统计分析均采用SPSS13.0 统计软件包(SPSS13.0 for Windows)来完成。

2 结果与分析

2.1 出水中ODO、pH和ORP的变化 由于2014年6月、8月和10月不同处理出水各参数的变化趋势基本一致，因此仅用10月份测定结果描述出水中ODO、pH和ORP的变化(表1)。由表1可知，3种人工湿地降低了轻度和中度磷污染的污水ODO，但对于重度磷污染的污水ODO没有显著影响。3种人工湿地降低了轻度和中度磷污染的污水pH，但对重度磷污染的污水pH没有显著影响。同时，3种人工湿地显著增加了出水的氧化还原电位(ORP)。总体来看，在3种P污染水平下，自然恢复湿地(对照)的ORP均显著低于种有狗牙根和牛鞭草的人工湿地。

表1 2014年10月出水中ODO、pH和ORP的变化

2.2 总磷去除效果 平均而言，狗牙根对总磷的去除率为15.8%，牛鞭草对总磷的去除率为14.7%，而对照中总磷去除率则为负值(－33.4%)，三者之间差异显著(P ＜0.001，表2)，牛鞭草与狗牙根处理之间的差异不显著(LSD，P＞0.05)。不同生长期总磷去除率变化不明显(P＞0.001，表2)。不同氮浓度污水的总磷去除率有显著差异(P＜0.001，表2)。由图2可知，两个物种对中度和重度污染的污水中总磷的去除率较高，如10月份狗牙根对中度和重度污染的污水中总磷的去除率分别为51.1%和74.5%，而对轻度污染的污水中总磷的去除率为－73.0%;而牛鞭草对中度和重度污染的污水中总磷的去除率分别为35.6%和77.8%，而对轻度污染的污水中总磷的去除率为－69.6%。此外，物种和污水氮浓度(S×T)、物种和取样时间(S×D)、污水氮浓度和取样时间(T×D)之间，以及三者之间的交互作用都没有显著效应(P ＞0.05，表2)。

表2 物种、污水氮浓度和取样时间对总磷去除率影响的方差分析

3 结论与讨论

该研究表明，三峡库区消落带以狗牙根和牛鞭草为优势物种的人工湿地比未进行生态修复的对照，在总磷去除能力方面显著提高。此外，狗牙根和牛鞭草人工湿地对总磷的去除不受植物生长季的影响。狗牙根和牛鞭草对中浓度和高浓度磷的去除能力要显著高于对低浓度磷的去除能力。

Adler等认为，植物对P的去除作用很小，主要是通过改变土壤物理化学作用完成［12］。种植狗牙根和牛鞭草明显增强了湿地对磷的去除能力。此外，与已有研究结果［13］类似，狗牙根和牛鞭草人工湿地对总磷的去除没有明显的季节变化，而植物在生长旺期对土壤营养的需求要高于生长初期和末期。这表明狗牙根和牛鞭草主要通过改变土壤物理化学过程，而不是通过吸收和储存过程增强了湿地对总磷的去除能力。

研究表明，土壤厌氧条件比好氧条件更能加速磷释放，这是因为厌氧条件下土壤的氧化还原电位下降，导致Fe3+向Fe2+转化，使难溶磷酸铁的磷酸根进入水体［14］，厌氧条件下厌氧微生物的活动也能加快铁的还原，导致磷酸根的释放［15］。该研究结果表明，种有狗牙根和牛鞭草的人工湿地显著增加了出水的氧化还原电位，间接说明由于植物根系对土壤的固持作用以及植物地上部分向地下部分的氧气运输作用，使得土壤透气性增强，土壤由厌氧条件向好氧条件转变，使得出水的氧化还原电位增加，进而导致人工湿地对磷的去除能力增强。

研究表明，pH为中性条件下，土壤对磷的固持能力最强［16］，这是因为碱性条件下OH－与铁铝磷酸盐复合体中的磷酸盐发生交换，铁对磷的固定性降低，导致磷的释放［14］。而酸性条件下，钙磷复合体发生溶解，导致磷的释放。该研究结果表明，在低磷和中磷条件下，出水的pH明显比入水pH要偏向中性，这可能是中磷污水条件下狗牙根和牛鞭草对P的去除机制之一。此情况下，狗牙根和牛鞭草人工湿地可能通过促进土壤微生物活动以及分泌酸性根分泌物的方式降低了入水的pH，并提高了对磷的去除能力。但是，高磷条件下出入水的pH之间无显著差异，说明高磷条件下土壤的氧化还原电位对总磷的去除可能起到更为重要的作用。

狗牙根和牛鞭草人工湿地对低磷污水基本无去除效应，表明人工湿地对磷的去除能力与入水磷浓度有关，低磷污水条件下人工湿地的除磷效果降低有类似的报道［17］。可能是因为该系统中入水的pH较高，在磷的吸附－解析动态平衡过程中OH－与土壤基质中铁铝磷酸盐复合体中的磷酸盐发生交换，使土壤被固持的磷释放。

总之，在三峡库区消落带采用适宜物种构建人工湿地进行生态修复，对于截留、吸收库区屏障带进入消落带湿地生态系统的生活和生产污水的磷素具有重要的生态效益，是防治三峡库区水体富营养化的有效途径。当然，消落带湿地生态系统对磷素的吸收、固持能力，还与系统的水力停留时间、运行时间、坡度、污水理化性质等物理因素有关;湿地系统植物刈割等管理因素［18－19］，仍需要进一步的深入研究。

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