吸附质共存与浓度变化对植物基质N、P吸附的影响

田雪，王一佩，杨钙仁*，彭晚霞，谭凤森，覃志伟

（1. 广西大学林学院，广西 南宁 530004；2. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙410125）

吸附质共存与浓度变化对植物基质N、P吸附的影响

田雪1，王一佩1，杨钙仁1*，彭晚霞2，谭凤森1，覃志伟1

（1. 广西大学林学院，广西 南宁 530004；2. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙410125）

采用静态吸附方法，研究了吸附质浓度、离子共存对水葫芦鲜样（ECF）和干样（ECD）、稻草干样（OSD）和杉木屑干样（CLD）的氮磷吸附影响过程与特征。结果表明：1）在单一吸附质试验条件下，所有基质对磷的去除率随吸附液PO4--P浓度升高而逐渐下降，ECF和ECD对NO3--N或NH4+-N的吸附率则随吸附质浓度升高呈现出先降后升再降的趋势，而OSD和CLD对NO3--N的吸附则随吸附质浓度升高而不断升高。植物基质对氮磷去除率均随吸附时间延长而逐渐下降，在第4 h和第5 h，去除率降至10%以下。吸附质浓度由0.01 mol/L升高至0.12 mol/L，基质对NO3--N的吸附累积量增至8.0-33.0倍，而对NH4+-N则为4.8-6.8倍。ECF对PO4--P、NO3--N和NH4+-N的平均去除率比OSD分别高47.5%、46.9%和22.8%，比CLD分别高98.2%、76.9%和161.4%。2）吸附质共存强烈抑制了ECF、ECD、OSD对氮磷的吸附，而促进了CLD对NH4+-N的吸附。3）水葫芦鲜样对氮磷的吸附能力最强，其PO4--P、NO3--N、NH4+-N的饱和吸附量分别为9.7 mg/g、66.3 mg/g和47.9 mg/g，是水稻秸秆的1.8、1.5和1.9倍；新鲜水葫芦晒干会导致其氮磷饱和吸附量下降51%-60%。

吸附质共存；浓度梯度；水葫芦；稻草；杉木屑；氮磷吸附

营养元素如N、P以及耗氧有机物是造成我国各大水体水质恶化的主要污染物质。由于技术和处理成本昂贵等原因，目前对富含N、P等营养元素的污水尤其是排放量巨大的农业污水的处理难度大[1]，造成了严重的水体富营养化。养殖业是高氮高磷污水的主要来源，其排放的废水如沼液中总氮、总磷以及COD（化学需氧量）分别高达500 mg/L、30 mg/L和1000 mg/L以上[2]，其上述污染物的排放量占全国总排放量的80%以上[3]。基质吸附、人工湿地植物同化、土地消纳等是目前处理高氮磷污水的主要方法。人工湿地因其具有良好的结构和较高的植物生产力，对水中的N、P等具有较好的清除功能，如水葫芦（Eichhornia crassipes (Mart.) Solms）对N、P的年吸收分别达2 385 kg/hm2、87 kg/hm2[4]，但是由于水葫芦的经济价值低，在实际应用中受到限制，没有被资源化利用的水葫芦甚至造成二次污染和生态破坏[5]。以往研究结果表明，多孔性基质如沸石[6]、改性活性炭[7]、改良的农作物秸秆[8-11]等因具有较大的比表面积，而有较强的离子吸附功能，其中沸石对N、P的吸附量分别达2.4 mg/g和0.7 mg/g、改性活性炭为10 mg/g和5 mg/g、改良农作物秸秆为80 mg/g和30 mg/g[12-14]，但上述吸附基质的再生利用以及所吸附的营养性物质如何资源化利用尚存在技术难题，因此在生产中的应用也受到限制。同时，以往相关研究中，供试污水的总氮和总磷浓度一般分别在110 mg/L和10 mg/L以下[15-17]，而有关高氮磷污水的生物基质吸附研究较少；在混合质吸附试验中，对污染物并未设置浓度梯度[18]，因而无法了解吸附质共存对吸附的影响。本研究以具有多孔性的水葫芦作为吸附基质，并以已被证实具有较强的N、P吸附能力的水稻秸秆[19]以及来源广泛的木屑为对照，研究吸附质浓度以及多种营养性离子共存对生物基质的N、P吸附过程和吸附潜力的影响规律，以期为今后探索养殖业废水和水葫芦泛滥综合治理途径提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 吸附基质及其制备

供试水葫芦（Eichhornia crassipes (Mart.) Solms）直接采自广西大学鲁班湖，打捞上岸后用自来水冲洗干净，一部分简单剪切至长度为1-2 cm，晾晒5 d后使用，另一部分放入广西大学林学院实验基地旁的池塘培植保鲜；供试水稻（Oryza sativa）秸秆为晒干的稻草，取自南宁城郊，剪切至长度为1-2 cm，备用；供试杉木（Cunninghamia lanceolata）屑为半干木屑，取自广西大学林学院木材工程实验基地。各种植物基质的含水量和基本性状见表1。

表1 植物基质的基本性状Table 1 The basic traits of plant substrates

1.2 吸附溶液配制

PO4--P、NO3--N、NH4+-N单一吸附质溶液各设置4种浓度，其配制试剂（分析纯）分别为磷酸二氢钾、硝酸钠、硫酸铵；混合质溶液则用上述3种试剂按摩尔浓度1:3:6配制。各种溶液的PO4--P、NO3--N和NH4+-N的浓度见表2。

表2 吸附质溶液氮磷浓度梯度设置Table 2 Concentration gradient of nitrogen and phosphorus from aqueous solution

1.3 吸附试验

吸附基质对吸附质的吸附在直径为11 cm、高为25 cm的吸附柱（容积为1 962 ml）内进行，将50.0 g（干基重）吸附基质置于吸附柱内，而后从吸附柱上端加注1 000 ml的吸附质溶液，以尼龙网调整上层吸附基质位置以确保其全部在液面以下，静态吸附1 h后，将溶液从底部全部排出并取250ml用于水质分析，然后重新向吸附柱加注同种吸附溶液1 000 ml，再进行静态吸附1 h，重复上述步骤直至吸附5 h。重复4次。试验在2016年5月进行，试验中溶液温度为25 ℃。

1.4 测定项目与方法

总磷采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定（GB 11893—89），硝态氮采用紫外分光光度计法测定（GB 11894—89），氨氮采用凯氏定氮仪（型号K 9840，济南海能公司）蒸馏—滴定法测定（GB 5009.5—10）。

1.5 计算与统计方法

式中：Q为吸附量（mg/L）；R为去除率（%）；C0为溶质初始质量浓度（mg/L）；C为溶质终点质量浓度（mg/L）；V为溶液体积（L）；M为吸附基质投加量（g）。

试验数据用Excel 2010和SPSS 20.0进行统计和差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 植物基质对单一溶质氮磷的吸附过程与特征

2.1.1 PO4--P去除率随时间的变化特征 表3结果显示，不同植物基质对不同浓度PO4--P的去除效果存在差异。总体上，4种植物基质对P的去除率均随着PO4

--P浓度的升高和吸附时间的延长而逐渐降低，比如，在PO4--P浓度为0.001 mol/L时，在第1 h，ECD对P的去除率达66.9%，而在同一阶段，当PO4

--P为0.01 mol/L时，其对P的去除率为28.9%，前者是后者的2.31倍；对于同一浓度吸附质的去除率则随着吸附时间的推移而不断降低，如ECD对浓度为0.001 mol/L的PO4--P的去除率在第5 h时为32.7%，比其在第1 h时低51.1%；其他吸附基质也呈现相似规律。随吸附质浓度升高和吸附时间延长，ECF对PO4--P的去除率的幅度相较于其他植物基质较低，如其对0.001 mol/L的P去除率由第1 h时的81.7%下降至第5 h时的60.6%，下降幅度为25.8%，而ECD、OSD和CLD的下降幅度分别达51.1%、75.6%和72.5%，后3者显著高于前者。随着吸附质浓度升高，4种基质对P的去除率快速下降，在吸附的第1 h，当吸附质PO4--P浓度升高至10倍（0.01 mol/L）时，ECF对P的去除率下降至25.9%，降幅为68.3%，ECD、OSD和CLD的降幅分别为56.8%、73.1%、59.8%。在较高的吸附质浓度下（0.006 mol/L、0.01 mol/L），在第4 h和第5 h，除了ECF外，其余吸附基质对P的去除率大多降至5%以下。在其余浓度下，4种基质吸附过程及特征也呈现上述相似规律。

表3 单一吸附质试验中氮磷的去除率随吸附质浓度和吸附时间的变化（%）Table 3 The removal rate of nitrogen and phosphorus varied with the concentration and adsorption time in pure aqueous solution experiment （%）

2.1.2 NO3--N和NH4+-N去除率随时间的变化特征 4种植物基质对水中NO3--N或NH4+-N的净化效果随时间延长而逐渐降低，与PO4--P试验结果相似。4种植物基质对NO3--N或NH4+-N的吸附过程及吸附质浓度变化对其吸附产生的影响比较特别，植物基质对吸附质去除率并非在溶质浓度最低时最高，而是出现在溶质浓度较高甚至是最高时。在NO3--N试验中，当NO3--N浓度较高时（0.08 mol/L和0.12 mol/L），除ECD外，其余3种基质在各个吸附阶段对NO3--N的去除率均最高，在最低浓度（0.01 mol/L）时次之，在0.04 mol/L时最低，如在第1 h，ECF对浓度为0.12 mol/L的NO3--N的去除率是其对较低浓度（0.04 mol/L）时的1.48倍，ECD、OSD 和CLD对NO3--N分别为2.39、2.71和1.42倍。上述4种基质对NO3--N的去除率随吸附时间的延长而逐渐下降，在吸附的后期（第5 h），大多数情况下NO3--N的去除率已降至10%以下。在NH4+-N试验中，在吸附的前期（第1 h、2 h），ECF和OSD 对NH4+-N的去除率差异不显著，但显著高于ECD 和CLD；在吸附的中后期（第3-5 h），ECF的去除效果最好，其去除率在大部分浓度和吸附阶段均显著高于其余3者。

2.1.3 氮磷5 h平均去除率 表4结果显示，4种基质对PO4--P和NH4+-N的5 h平均去除率基本上随吸附质浓度的升高而逐渐降低。而对于NO3--N而言，4种基质的吸附规律各异，水葫芦（ECD、ECF）对NH4+-N的去除率在低吸附质浓度下较高，并随着吸附质浓度的升高，去除率先降后又升再降，但ECD变化的幅度较小，ECF则较大；OSD、CLD则随吸附质浓度的升高而不断升高。4种基质的吸附性能可通过其对4种浓度吸附质的去除率平均值进行比较，表3结果表明，ECF对水中PO4--P、NO3--N和NH4+-N的吸附能力最强，其去除率加和平均值比OSD分别高47.5%、46.9%、22.8%，比CLD分别高98.2%、76.9%、161.4%，而ECD与OSD的基本相当，CLD的吸附能力最弱。

2.1.4 植物基质对氮磷5 h内吸附累积量分析 基质对氮磷的吸附累积量均随吸附质浓度的升高而增加（图1），但不同类型基质、吸附质间其增加的幅度存在差异。当PO4--P浓度由0.001 mol/L升高至10倍（0.01 mol/L）时，4种基质对磷的吸附累积量增加幅度相对较小，吸附累积量增至2.2-3.9倍，吸附量较大的ECD和ECF的最大累积量分别为6.0 mg/g 和4.9 mg/g；而对于NO3--N（浓度升高12倍）和NH4+-N（浓度升高12倍），则分别增大至8.0-33.0倍和4.8-6.8倍，其中，ECF的最大吸附累积量分别为36.9 mg/g和22.4 mg/g，分别为CLD的1.7倍和2.4倍。同时，当NH4+-N浓度达到0.08 mol/L后，除CLD外，其余3种基质对NH4+-N的吸附趋于饱和，NH4+-N浓度的继续升高对吸附累积量的影响较小，但对NO3--N的吸附累积量则随吸附质浓度的升高继续升高。上述结果表明，4种植物基质对NO3--N的吸附潜力比对NH4+-N的大。

表4 4种基质对单一溶质溶液中氮磷的5 h平均去除率（%）Table 4 The average removal rates of nitrogen and phosphorus from pure aqueous solution by four substrates for 5 hours（%）

2.2 3种吸附质共存下植物基质对氮磷的吸附特征

表5结果显示，随着吸附质浓度升高和吸附时间延长，4种基质在3种吸附质共存情况下，对PO4--P、NO3--N和NH4+-N的吸附规律与单一吸附质状态下的吸附规律相似。

图1 单一吸附质试验中四种基质对氮磷的5 h累积吸附量Fig. 1 Adsorption capacity of nitrogen and phosphorus from pure aqueous solution by four substrates for 5 hours

表5 吸附质共存试验中氮磷的去除率随吸附质浓度和吸附时间的变化 （%）Table 5 The removal rate of nitrogen and phosphorus varied with the concentration and adsorption time in mixed aqueous solution experiment （%）

由表3、表5对比可知，当吸附质共存时，4种基质在PO4--P浓度最小（0.001 mol/L）时对磷的去除率最大，并随吸附时间的延长而减小，但与单一吸附质时相比，去除率变化幅度有所不同。总体上，ECD、ECF的下降幅度比单一吸附质时大，而OSD 和CLD则较小。在PO4--P浓度相同或相近情况下，低PO4--P浓度（0.001 mol/L和0.004 mol/L）时，4种基质对PO4--P的5 h平均去除率（表5）均显著小于相同或相近单一PO4--P吸附质时，而在高PO4--P浓度（0.008 mol/L和0.012 mol/L）时，ECF和OSD对 P的去除率则显著高于单一吸附质时（表5），在混合质溶液中，所有基质对PO4--P去除率的简单加和平均值和加权平均值均显著低于单一吸附质溶液时。上述结果表明，NO3--N和NH4+-N的存在总体上减弱了植物基质对PO4--P的吸收，但影响过程比较复杂。

在混合质溶液中，吸附质的摩尔总浓度与单一溶液中的NO3--N或NH4+-N的摩尔浓度对应相等，但从表4与表6可以看出，吸附质共存对基质的NO3--N或NH4+-N吸附造成了显著影响。在混合质溶液中，除了ECF对0.024 mol/L和0.072 mol/L 的NH4+-N和OSD对0.003 mol/L和0.012 mol/L的NO3--N的5 h平均去除率高于单一吸附质溶液外（表5），ECD、ECF、OSD等3种基质的NO3--N 或NH4+-N去除率均显著低于其在单一吸附质溶液时。而在较多情况下，CLD对NH4+-N的去除率要显著（p<0.05）高于其单一吸附质溶液时。除CLD 对NH4+-N的吸附外，4种基质对PO4--P、NO3--N和NH4+-N去除率的简单加和均值和加权均值均显著小于其在单一溶液时。而CLD对NH4+-N的去除率的简单加和均值和加权均值均显著大于其在单一溶液时。综上，PO4--P、NO3--N和NH4+-N共存显著降低了4种植物基质对氮磷的吸附（CLD对NH4+-N的吸附除外），其中，ECD、ECF、OSD和CLD对 PO4--P去除率加权均值的下降幅度为2.3%-25.3%，对NO3--N为38.0%-43.3%，且ECD、ECF和OSD 对NH4+-N为14.9%-49.2%。吸附质共存促进了CLD 对NH4+-N的吸附，去除率加权均值增加19.9%。

表6 四种基质对混合溶液中氮磷的5 h平均去除率（%）Table 6 The average removal rates of nitrogen and phosphorus from mixed aqueous solution by four substrates for 5 hours （%）

由图2可知，随着吸附质浓度升高，4种基质对PO4--P、NO3--N、NH4+-N的吸附累积量逐渐升高，但不同类型吸附质的增幅存在差异。当吸附质浓度（3种吸附质总浓度，下同）由0.01 mol/L逐渐升高至0.120 mol/L时，4种基质对PO4--P的吸附累积增大至4.5-8.3倍，幅度远小于吸附质浓度的增幅，而对于NO3--N和NH4+-N，除CLD外，吸附累积量增幅均大于吸附质浓度的增幅，分别为15.7-29.2倍和12.7-14.4倍，表明基质对上述浓度范围的NO3--N 和NH4+-N还具有较大的吸附潜力，这与单一吸附质的试验结果一致。吸附质共存情况下，ECD、ECF、OSD、CLD对氮磷的吸附能力存在差异，其在4种吸附质浓度下对PO4--P的吸附累积量加权平均值分别为4.2 mg/g、5.2 mg/g、4.2 mg/g和2.4 mg/g，对NO3--N分别为4.5 mg/g、4.9 mg/g、4.2 mg/g和2.7 mg/g，对NH4+-N分别为5.9 mg/g、13.5 mg/g、8.1 mg/g和6.5 mg/g，表明水ECF对水中氮磷的吸附能力最强，而ECD与OSD基本相当，CLD最差。

图2 四种基质对混合溶液中氮磷的5 h吸附累积量Fig. 2 Adsorption capacity of nitrogen and phosphorus from mixed aqueous solution by four substrates for 5 hours

2.3 吸附动力学拟合与基质吸附潜力估算

应用Lagergren准一级动力学方程（公式3）和准二级动力学方程（公式4）[20]，选取单一吸附质试验获取的数据进行动力学方程拟合，比较不同植物基质对氮磷吸附速率的差异，相应的拟合结果见表7。

式中：qt为t时刻的单位吸附量（mg/g）；qe为理论平衡单位吸附量（mg/g）；t为吸附时间（min）；k1为准一级动力学速率常数（/min）；k2为准二级动力学速率常数（mg/L·min）。

表7结果显示，准二级动力学拟合的相关系数R2均高于一级方程，因此可以用其估算基质对PO4--P、NO3--N、NH4+-N的饱和吸附容量。由表7可知，ECF对PO4--P、NO3--N、NH4+-N的反应速率常数k2均小于其他3种基质，其对PO4--P、NO3--N、NH4+-N的饱和吸附量（qe）分别为9.7 mg/g、66.3 mg/g和47.9 mg/g，是吸附潜力最弱的CLD的6.3、2.7和6.3倍，是OSD的1.8、1.5和1.9倍，而ECF晒干会导致其对PO4--P、NO3--N、NH4+-N饱和吸附量分别下降60.3%、51.4%和54.3%。

3 讨论

3.1 植物基质物理化学性质对其吸附能力的影响

影响天然植物对氮磷吸附的自身因素主要有孔隙度、比表面积和活性基团数量等[21]。本研究单一或混合吸附质溶液试验的结果均表明，水葫芦（ECD 和ECF）对氮磷的吸附效果较好，吸附潜力最大。这是由于水葫芦茎叶有较多由多边形柱状细胞组成的气室，维管束散布其间，孔隙度和比表面积较大[22]；同时，水葫芦茎秆纤维素含量（约50%）远高于水稻秸秆（约32%）[23-24]和杉木屑（约40%）[25]，而纤维素含有3个活性基团，对水中离子具有较强的吸附作用；新鲜水葫芦茎叶失水干枯后，其孔隙率、孔道半径及其分布、通透性等变小或变差[26]，因此其离子吸附能力变弱。一般而言，基质对吸附质的吸附率会随着溶液中吸附质浓度升高而逐渐降低[21]，并随吸附时间推移逐渐趋于饱和，决定到达饱和时间长短的主要因素为吸附速率与吸附容量，上述因素与基质性质、吸附质类型与浓度等有关，相同条件下，吸附质浓度越高，初始吸附速率就越大，到达饱和的时间就越短，去除率就越低，本研究中，水葫芦和干稻草对氮磷的吸附率随着吸附质浓度的升高出现波浪式变化，这可能是因为生物质对离子的吸附机理与过程要比非生物质（如矿石、生物碳等）更复杂的缘故[27-28]。在本研究中，吸附溶液的pH小于6，并随溶质浓度的升高pH值降低，而这种pH下不利于植物基质对NH4+-N的吸附，这可能是NO3--N的去除率大于NH4+-N的原因。由于水葫芦鲜样具有较大的吸附容量，相同条件下，其到达吸附饱和的时间最长，其对PO4--P、NO3--N、NH4+-N的饱和吸附量分别达9.8 mg/g、66.3 mg/g、47.9 mg/g，吸附能力比沸石[6,15,17]、改性活性炭[7]、作物秸秆和生物碳[16]等强，适合用于高氮磷污水的净化。

表7 4种基质的氮磷吸附动力学拟合结果Table 7 Dynamics model f tting parameters of adsorption of substrates for nitrogen and phosphorus

3.2 离子共存对氮磷吸附的影响

本研究中，PO4--P、NO3--N、NH4+-N等3种吸附质共存在大部分情况下均显著抑制了植物基质对氮磷的吸附，但某些条件下则表现出促进作用，这是因为植物基质在结构组成上（如化学官能团）具有多样性，对离子存在多种但不恒定的吸附机理[29]。以往有研究发现，共存的离子（PO3-、HPO2-、44H2PO4-、NO3-、NH4+等）通过与目标离子竞争结合位点[30]、改变吸附基质表面特异性[31]等抑制目标离子的吸附，共存离子同时会通过影响溶液pH值[32]、目标离子形态和结合能力[33]等来影响其吸附。离子共存下，ECD、ECF、OSD等3种基质对NO3--N 或NH4+-N的去除率大幅度下降，可能主要是因其他离子与目标离子竞争基质结合位点所致。

与单一吸附质试验相比，在三种吸附质混合总浓度较大情况下，离子共存抑制了水葫芦和水稻秸秆对PO4--P的吸收，而在高浓度离子条件下则具有促进作用，对NO3--N的吸附也呈现相似规律，这是由于随着吸附质（PO4--P、NO3--N）浓度的升高，溶液pH逐渐下降（高浓度时降至5.5-6.0），在此pH范围内水葫芦等植物基质中纤维素的烃质子化低，官能基团被H+包围数目减少，促进了HPO42-，PO43-，H2PO4-，NO3-等阴离子结合，且离子价态增加，基质与离子之间的静电引力增大，促进静电吸附。多种吸附质共存下，植物基质对NH4+-N的吸附降低，这是因为PO4--P、NO3--N的存在致使吸附液酸化（与单一NH4+-N溶液相比），溶液中生成的H3O+与NH4+竞争基质表面的结合点，且由于静电作用，一部分的NH4+与水溶液中的阴离子结合，从而导致吸附效果的降低[20,34]。

4 结论

1）单一吸附质溶液中，植物基质对磷的吸附随PO4--P浓度升高而逐渐下降，而当NO3--N或NH4+-N浓度最低或较高时，对氮的去除率则较高。基质对氮磷去除率均随吸附时间延长而逐渐下降，在第4 h和第5 h，去除率降至10%以下。吸附质浓度升高12倍，基质对NO3--N的吸附累积量增至8.0-33.0倍，而对NH4+-N为4.8-6.8倍。ECF对PO4--P、NO3--N和NH4+-N的平均去除率比OSD分别高47.5%、46.9%和22.8%，比CLD分别高98.2%、76.9%和161.4%。

2）吸附质共存显著降低了4种植物基质对氮磷的吸附（CLD对NH4+-N的吸附除外），ECD、ECF、OSD和CLD对PO4--P去除率加权均值下降2.3%-25.3%，对NO3--N下降38.0%-43.3%，且ECD、ECF和OSD对NH4+-N为14.9%-49.2%。吸附质共存促进了CLD对NH4+-N的吸附，去除率加权均值增加19.9%。

3）水葫芦鲜样对氮磷的吸附能力最强，其PO4--P、NO3--N、NH4+-N的饱和吸附量分别为9.7 mg/g、66.3 mg/g和47.9 mg/g，是水稻秸秆的1.8、1.5 和1.9倍；水葫芦鲜样晒干会导致其氮磷饱和吸附量下降51%-60%。植物基质对氮磷的吸附动力学符合拟二级动力学方程，因此吸附速率主要由化学吸附决定。

[1] 杨林章, 冯彦房, 施卫明, 等. 我国农业面源污染治理技术研究进展[J]. 中国生态农业学报, 2013, 21(1): 96-101. Yang L Z, Feng Y F, Shi W M, et al. Review of the advances and development trends in agricultural non-point source pollution control in China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(1): 96-101.

[2] 莫负恩, 顾洪如, 沈益新, 等. 双穗雀稗对猪场污水的净化效果[J]. 草地学报, 2010, 18(3): 469-472. Mo F E, Gu H R, Shen Y X, et al. Study on purifi cation effect of Paspalum distichum L. on swine wastewater[J]. Acta Agreatia Sinica, 2010, 18 (3): 469-472.

[3] 左玉辉. 环境学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2010. Zuo Y H. Environmental Science[M]. Beijing: Higer Education Press, 2010.

[4] 贺丽虹, 沈颂东. 水葫芦对水体中氮磷的清除作用[J]. 淡水渔业, 2005, 35(3): 7-9. He L H, Shen S D. Scavenging effect of water hyacinth on nitrogen and phosphorus in water[J]. Freshwater Fisheries, 2005, 35(3): 7-9.

[5] 叶小梅, 常志州, 杜静. 水葫芦能源利用的生命周期环境影响评价[J]. 农业环境科学学报, 2010, 29(12): 2450-2456. Ye X M, Chang Z Z, Du J. Life cycle assessment of electricity production from water hyacinth[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2010, 29(12): 2450-2456.

[6] 王媛媛, 张衍林. 人工湿地的基质及其深度对生活污水中氮磷去除效果的影响[J]. 农业环境科学学报, 2009, 28(3): 581-586. Wang Y Y, Zhang Y L. Effects of the depth and variety of substrates used in constructed wetlands on nitrogen and phosphorus removal[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2009, 28(3): 581-586.

[7] Puzii A M, Stavitskaya S S, Poddubnaya O I, et al. Structural and adsorption properties of active carbon from coconut shells modified with phosphorus heteroatoms[J]. Theoretical and Experimental Chemistry, 2012, 48(4): 272-277.

[8] 张璐, 贾丽, 陆文龙, 等. 不同碳化温度下玉米秸秆生物炭的结构性质及其对氮磷的吸附特性[J]. 吉林大学学报(理学版), 2015, 53(4): 802-808. Zhang L, Jia L, Lu W L, et al. Structural properties of corn straw biochar and characteristics of its adsorption for nitrogen and phosphate at different carbonization temperature[J]. Journal of Jilin University (Science Edition), 2015, 53(4): 802-808.

[9] Babel S, Kurniawan T A. Low-cost adsorbents for heavy metals uptake from contaminated water: A review[J]. Journal of Hazardous Materials, 2003, 97(1/2/3): 219-243.

[10] Bailey S E, Olin T J, Bricka R M, et al. A Review of potentially low-cost sorbents for heavy metals[J]. Water Research, 1999, 33(11): 2469-2479.

[11] Grini G. Non-conventional low-cost adsorbents for dye removal: A review[J]. Bioresource Technology, 2006, 97(9): 1061-1085.

[12] 史鹏博, 朱洪涛, 孙德智. 人工湿地不同填料组合去除典型污染物的研究[J]. 环境科学学报, 2014, 34(3): 704-711. Shi P B, Zhu H T, Sun D Z. Removal efficiency of typical pollutants by different substrate combinations for constructed wetlands[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2014, 34(3): 704-711.

[13] 王宇, 高宝玉, 岳文文, 等. 改性玉米秸秆对水中磷酸根的吸附动力学研究[J]. 环境科学, 2008, 29(3): 703-708. Wang Y, Gao B Y, Yue W W, et al. Adsorption kinetics of phosphate from aqueous solutions onto modifi ed corn residue[J]. Environmental Science, 2008, 29(3): 703-708.

[14] Namasivayam C, Sangeetha D. Removal and recovery of vanadium (V) by adsorption onto ZnCl2activated carbon: Kinetics and isotherms[J]. Adsorption. 2006, 12(2): 103-117.

[15] 吴鹏, 陆爽君, 徐乐中, 等. 改性沸石湿地脱氮除磷效能及机制[J]. 环境科学, 2017, 38(2): 581-587. Wu P, Lu S J, Xu L Z, et al. Efficiency and mechanism of nitrogen and phosphorus removal in modifi ed zeolite wetland[J]. Environmental Science, 2017, 38(2): 581-587.

[16] 肖和友, 黎蕾, 陈香碧, 等. 广西蔗渣炭和玉米秸秆炭对水体中铵氮的吸附性能与比较[J]. 农业现代化研究, 2016, 37(2): 381-386. Xiao H Y, Li L, Chen X B, et al. Characteristics of the ammonium nitrogen adsorbed by biochars: Bagasse and maize straw[J]. Research of Agricultural Modernization, 2016, 37(2): 381-386.

[17] 张文艺, 郑泽鑫, 韩有法, 等. 改性沸石对猪场沼液氮磷吸附特性与机理分析[J]. 农业环境科学学报, 2014, 33(9): 1837-1842. Zhang W Y, Zhen Z X, Han Y F, et al. Mechanisms of nitrogen and phosphorus adsorption from biogas slurry of piggery by modifi ed zeolite[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2014,33(9): 1837-1842.

[18] 黄晓婷, 张再利, 刘伟, 等. 生物活性炭处理循环水产养殖废水及其影响因子研究[J]. 环境科学学报, 2011, 31(11): 2380-2386. Huang X T, Zhang Z L, Liu W, et al. Study on the circulating aquaculture wastewater treatment with biological activated carbon and the impact factors[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2011, 31(11): 2380-2386.

[19] 谭优, 刘云国, 徐沛斌, 等. 水稻秸秆阴离子吸附剂的制备及其性能研究[J]. 中国环境科学, 2012, 32(8): 1456-1460. Tan Y, Liu Y G, Xu P B, et al. Preparation and characterization of anion adsorbent derived from rice straw[J]. China Environmental Science, 2012, 32(8): 1456-1460.

[20] 杨月红, 舒敦涛, 宁平. 微波场诱导改性磷石膏吸附Cu2+, Zn2+, Pb2+和Cd2+的动力学与热力学研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2013, 44(5): 2157-2164. Yang Y H, Shu D T, Ning P. Kinetics and thermodynamics of Cu2+, Zn2+, Pb2+and Cd2+adsorption onto microwave-preconditioned phosphogypsum[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(5): 2157-2164.

[21] 李琛. 废弃农林生物质在含铬废水处理中的应用[J]. 水处理技术. 2013, 39(7): 1-30. Li C. The application of abandoned agricultural and forestry biomass in chromium-containing wastewater treatment[J]. Technology of Water Treatment, 2013, 39(7): 1-30.

[22] 王玲, 张凤娥, 韩娜, 等. 基于生物质本体特性的餐饮废水处理效果研究[J]. 常州大学学报 (自然科学版), 2014, 26(4): 63-66. Wang L, Zhang F E, Han N, et al. Restaurant wastewater treatment effect based on the biomass body characteristic[J]. Journal of Changzhou University (Natural Science Edition), 2014, 26(4): 63-66.

[23] 刘洪凤, 俞镇慌. 秸秆纤维性能[J]. 东华大学学报 (自然科学版), 2002, 28(2): 123-127. Liu H F, Yu Z H. Properties of straw fi ber[J]. Journal of Donghua University (Natural Science Edition), 2002, 28(2): 123-127.

[24] 范晓娟, 朱红梅, 韩士群, 等. 白腐菌对水葫芦木质纤维素的降解及对厌氧发酵的影响[J]. 江苏农业学报, 2013, 29(5): 1043-1050. Fan X J, Zhu H M, Han S Q, et al. Biological degradation of water hyacinth lignocellulose by white-rot fungi and its infl uences on anaerobic fermentation[J]. Jiangsu Journal of Agricultural Sciences , 2013, 29(5): 1043-1050.

[25] 秦特夫, 黄洛华, 周勤. 杉木、I-72杨主要化学组成的株内纵向变异研究[J]. 林业科学研究, 2004, 17(1): 47-53. Qin T F, Huang L H, Zhou Q. Studies on longitudinal variation of main chemical compositions in Chinese-fir and poplar×euramaricana cv.I-72/58 trees[J]. Forest Research, 2004, 17(1): 47-53.

[26] 刘相东, 杨彬彬. 多孔介质干燥理论的回顾与展望[J]. 中国农业大学学报, 2005, 10(4): 81-92. Liu X D, Yang B B. Review and vista on drying theories of porous medium[J]. Journal of China Agricultural University, 2005, 10(4): 81-92.

[27] 文永林, 刘攀, 汤琪. 农林废弃物吸附脱除废水中重金属研究进展[J]. 化工进展. 2016, 35(4): 1208-1214. Wen Y L, Liu P, Tang Q. Review of removal of heavy metal ions from wastewater with agricultural and forestry waste as adsorbent[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2016, 35(4): 1208-1214.

[28] 袁东海, 张孟群, 高士祥, 等. 几种粘土矿物和粘粒土壤吸附净化磷素的性能和机理[J]. 环境化学, 2005, 24(1): 7-10. Yuan D H, Zhang M Q, Gao S X, et al. The abilities and mechanisms of adsorption phosphorus in some clay minerls and soils[J]. Environmental Chemistry, 2005, 24(1): 7-10.

[29] Arief V O, Trilestari K, Sunarso J, et al. Recent progress on biosorption of heavy metals from liquids using low cost biosorbents: Characterization, biosorption parameters and mechanism studies[J]. Clean-Soil Air Water, 2008, 36(12): 937-962.

[30] Xiao L, Qu X L, Zhu D Q. Biosorption of nonpolar hydrophobic organic compounds to Escherichia coli facilitated by metal and proton surface binding[J]. Environmental Science & Technology, 2007, 41(8): 2750-2755.

[31] Wang J L, Chen C. Biosorption of heavy metals by Saccharomyces cerevisiae: A review[J]. Biotechnology Advances. 2006, 24(5): 427-451.

[32] Mack C, Wilhelmi B, Duncan J R, et al. Biosorption of precious metals[J]. Biotechnology Advances, 2007, 25(3): 264-271.

[33] Gadd G M. Biosorption: Critical review of scientific rationale, environmental importance and significance for pollution treatment[J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2009, 84(1): 13-28.

[34] 梁美娜, 朱义年, 刘辉利, 等. 蔗渣吸附剂的制备及其对氨氮的吸附研究[J]. 环境科学与技术, 2010, 33(6): 93-98. Liang M N, Zhu Y N, Liu H L, et al. Adsorptive removal of NH3-N from wastewater by absorbent made of bagasse[J]. Environmental Science & Technology, 2010, 33(6): 93-98.

（责任编辑：王育花）

Effects of adsorbate concentration and coexisting on adsorption of nitrogen and phosphorus by plant substrates

TIAN Xue1, WANG Yi-pei1, YANG Gai-ren1, PENG Wan-xia2, TAN Feng-sen1, QIN Zhi-wei1
（1. Forestry College, Guangxi University, Nanning, Guangxi 530004, China; 2. Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha, Hunan 410125, China）

The objective of this study was to identify the purifying effect and adsorption characteristics of porous plant substrates on high nitrogen and phosphorus in water. For this purpose, the adsorption process and characteristic of nitrogen and phosphorus plant substrates, including fresh Eichhornia crassipes (ECF) and dry(ECD), dry straw(OSD) and the dry sawdust of Cunninghamia lanceolata (CLD), were determined by static adsorption experiment. The effects of initial concentration of nitrogen and phosphorus and coexisting ions on adsorption process and characteristic were also explored. The single adsorbate experiment indicated that the removal efficiency of PO4--P decreased with the rising of initial PO4--P concentration. Besides, the removal effi ciency of NO3--N and NH4+-N decreased fi rst and then increased with the rising of initial concentration. In addition, the removal effi ciency of nitrogen and phosphorus which was adsorbed by plant substrates decreased with time, and the removal was lower than 10% at 4th h and 5th h. The substrates adsorption capacity of NO3--N increased to 8.0-33.0 times with the concentration increasing from 0.01 to 0.12 mol/L, and the adsorption capacity of NH4+-N increased to 4.8-6.8 times. The average removal effi ciencies of ECF were higher than that of OSD by 47.5%, 46.9%, 22.8% , and higher than that of CLD by 98.2%, 76.9%, 161.4%, respectively, for PO4--P, NO3--N, NH4+-N. Coexisting ions significantly prohibited nitrogen and phosphorus adsorption by plant substrates, whereas the NH4+-N sorption by CLD increased with PO4--P and NO3--N coexisted. The adsorption capacity of fresh water hyacinth was the highest. The maximum adsorption capacities of PO4--P, NO3--N, NH4+-N were 9.7, 66.3,and 47.9 mg/g, which were 1.8, 1.5, and 1.9 times higher than that of straw. Compared to the maximum adsorption capacities of fresh water hyacinth, the dry one decreased by 51%-60%.

adsorbent coexistence; concentration gradient; water hyacinth; rice straw; dry sawdust of Cunninghamia lanceolate; nitrogen and phosphorus adsorption

X712

A

1000-0275（2017）03-0544-09

10.13872/j.1000-0275.2017.0037

田雪, 王一佩, 杨钙仁, 彭晚霞, 谭凤森, 覃志伟. 吸附质共存与浓度变化对植物基质N、P吸附的影响[J]. 农业现代化研究, 2017, 38(3): 544-552.

Tian X, Wang Y P, Yang G R, Peng W X, Tan F S, Qin Z W. Effects of adsorbate concentration and coexisting on adsorption of nitrogen and phosphorus by plant substrates[J]. Research of Agricultural Modernization, 2017, 38(3): 544-552.

国家自然科学基金项目（31360134)；广西科学研究与技术开发计划（桂科转1599001-6）。

田雪(1992-)，女，硕士研究生，主要研究方向为生态工程，E-mail: xuetttian@163.com；通讯作者：杨钙仁(1976-)，男，广西桂平人，博士，教授，主要从事生态水文和面源污染研究，E-mail: yanggr@gxu.edu.cn。

2017-01-05 接受日期：2017-03-21

Foundation itteemm:: National Natural Science Foundation of China (31360134); The Plan of Scientifi c Research and Technology Development Program of Guangxi (Guike Turn 1599001-6).

Corresponding authhoorr:: Yang Gai-ren, E-mail: yanggr@gxu.edu.cn

Receeiivveedd 5 January, 2017; Acceepptteedd 21 March, 2017