绿狐尾藻人工湿地底泥中磷形态分布特征研究*

吴 晓 曾馨怡 罗 沛 刘 锋 李宝珍 胡荣桂 肖润林 吴金水

(1.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，长沙农业环境观测研究站，湖南 长沙410125；2.华中农业大学资源与环境学院，湖北 武汉 430070；3.湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 410128)

绿狐尾藻人工湿地底泥中磷形态分布特征研究*

吴 晓1,2曾馨怡1,3罗 沛1#刘 锋1李宝珍1胡荣桂2肖润林1吴金水1

(1.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，长沙农业环境观测研究站，湖南 长沙410125；2.华中农业大学资源与环境学院，湖北 武汉 430070；3.湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 410128)

构建处理不同负荷养殖废水的绿狐尾藻人工湿地，采集湿地表层(0～5cm)、中层(5～10cm)和底层(10～20cm)底泥样品，测定TP及有机磷含量，并用五步化学分级提取法将无机磷逐级提取为水溶性磷、铝结合态磷(Al-P)、铁结合态磷(Fe-P)、闭蓄态磷(O-P)和钙结合态磷(Ca-P)，对比了各形态无机磷水平和垂直分布差异。结果表明，绿狐尾藻人工湿地表层底泥TP质量浓度在167～965mg/kg，其中有机磷占TP的66.0%(质量分数，下同)～79.2%。各形态无机磷的含量排序为：O-P>Fe-P>Ca-P>Al-P>可溶性磷。不同形态无机磷随着底泥深度的增加变化不同，总体来看，从表层到中层，Al-P、Fe-P和Ca-P含量呈现降低趋势，中层到底层无明显变化规律；低负荷湿地中，O-P含量随深度增加逐渐降低，而在中、高负荷湿地中O-P含量随深度增加逐渐增加。相关分析结果显示，Al-P、Fe-P、O-P含量与底泥pH和溶解性有机碳(DOC)呈显著或极显著正相关，说明磷在底泥中的行为易受底泥pH和DOC影响。

磷形态 底泥 垂直分布 人工湿地 绿狐尾藻

近年来，随着我国畜禽养殖业的快速发展，越来越多的养殖废水排放到临近水体，对河流湖泊的水质安全造成严重影响。养殖废水COD、TP含量较高，常用的处理方法有活性污泥法、生物膜法、氧化沟和人工湿地法等[1]。其中，人工湿地建设费用低廉、工艺简便，已广泛用于生活污水、工业废水的末端深度处理[2-3]。

人工湿地对废水中磷的去除途径主要包括底泥(基质)吸附、植物吸收等，其中底泥吸附和沉降是人工湿地除磷的最主要机制[4]。现有的研究主要关注人工湿地底泥对TP的吸附和去除机制[5-7]，但TP并不能表征磷的生物有效性和移动性[8-10]。不同形态的磷在不同环境底泥中的组成结构不同，稳定性也不同。高效江等[11]发现，长江口潮滩表层底泥中磷的主要形态是无机磷，且钙结合态磷(Ca-P)是最主要的无机磷形态。李红芳等[12]研究了湖南长沙开慧河流域源头区池塘底泥中无机磷的形态分布，发现金属氧化物结合态磷是主要的赋存形式，占无机磷总量的68.5%(质量分数)。本课题组在前期研究中发现，对湿地植物多次收割有利于提高人工湿地的除磷效果[13-14]，植物的生长能够改变湿地底泥中磷的形态特征[15]。因此，研究人工湿地底泥中磷的赋存形态，对于分析人工湿地对磷去除的强度、持久性及高效性等问题具有关键作用。

本研究以处理养殖废水的绿狐尾藻表面流人工湿地为研究对象，对比了不同进水负荷下不同处理单元底泥中各形态磷的空间分布特征，并讨论底泥特征与无机磷形态间的相关关系，以期揭示底泥中磷的迁移转化机制，为强化表面流人工湿地除磷能力提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 人工湿地概况

本研究选用的湿地类型为表面流人工湿地，设计有3级独立的湿地单元(见图1)，沿水流方向依次为一级、二级和三级湿地，每级湿地单元长、宽、水深均为5.0、2.0、0.2 m，湿地底部填充当地水稻土，土壤基本性质为pH 6.2、密度1.31 g/cm3。湿地内种植绿狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)，绿狐尾藻是一种多年生沉水或浮水植物，对氮、磷有较强的吸收能力。

人工湿地采用间歇式进水方式，进水量为180 L/d。试验共设3个处理组，分别为：(1)高负荷组，处理100.0%(体积分数，下同)养殖废水，该处理对应的3级湿地单元分别命名为HW-1、HW-2、HW-3；(2)中负荷组，处理66.7%养殖废水+33.3%清水，该处理对应的3级湿地单元分别命名为MW-1、MW-2、MW-3；(3)低负荷组，处理33.3%养殖废水+66.7%清水，该处理对应的湿地单元分别命名为LW-1、LW-2、LW-3。同时，设置空白对照组，处理100.0%清水，该处理对应的湿地单元分别命名为FW-1、FW-2、FW-3。

图1 绿狐尾藻人工湿地结构Fig.1 Schematic diagram of the surface flow constructed wetlands

1.2 样品采集

人工湿地稳定运行后，采集各湿地单元的底泥样品，采样方法如下：用不锈钢采土器分别采集表层(0～5 cm)、中层(5～10 cm)、底层(10～20 cm)3个深度的底泥样品，每个采样点采集10个柱状底泥样混合均匀，采集后将样品装入聚乙烯塑料袋送至实验室中4 ℃冷藏保存。分析时，取出约100 g鲜样用于含水量、溶解性总有机碳(DOC)的测定；余下样品经自然风干后研磨并过100目筛装入自封袋，置于阴凉干燥处保存。

1.3 分析测定方法

将0.25 g风干底泥样品称入银坩埚中加入数滴无水乙醇和2 g NaOH均匀覆盖于样品表面，置于马弗炉中经逐级升温至720 ℃灼烧熔融20 min，冷却后用水和稀硫酸溶解转移，以钼锑抗比色法测定TP含量；称取1.00 g风干底泥样品于瓷坩埚中，在550 ℃灼烧1 h，另称一份相同风干底泥样品不经灼烧，随后两份样品均用0.2 mol/L硫酸溶液洗涤测定TP含量，未灼烧样与灼烧样的差值即为有机磷含量；采用五步化学分级提取法将底泥中的无机磷分级提取为水溶性磷、铝结合态磷(Al-P)、铁结合态磷(Fe-P)、闭蓄态磷(O-P)和Ca-P共5种形态，提取步骤及测定方法参照文献[16]；底泥有机质采用重铬酸钾容量法—外加热法测定；底泥鲜样中DOC用0.5 mol/L硫酸钾溶液振荡浸提后采用总有机碳分析仪测定；底泥pH使用酸度计在水土质量比2.5∶1.0下测定。

1.4 数据分析

本研究中数据、图表分析采用Excel 2003软件完成，相关性分析采用SPSS软件完成。

2 结果与讨论

2.1 底泥中TP和有机磷的分布特征

人工湿地表层底泥理化指标、TP和有机磷质量浓度见表1。由表1可见，表层底泥中TP、有机磷质量浓度分别为167～965、37～764 mg/kg，两者均在FW-2、FW-3中含量最低，在HW-1中含量最高。总体看来，随着进水负荷的增加，各级湿地底泥中TP和有机磷含量逐渐增加。相同的进水负荷下，底泥TP和有机磷含量在一、二、三级湿地中逐渐降低。3种进水负荷下，一、二、三级湿地底泥有机磷占TP的质量分数分别为75.7%～79.2%、67.3%～73.9%、66.0%～69.8%。可见，有机磷占TP的比例随水流方向逐渐降低，这可能与底泥的吸附、湿地植物绿狐尾藻和微生物对磷的转化利用有关。

表1 表层底泥理化指标和各形态无机磷质量浓度1)

注：1)“-”表示低于检出限。

2.2 底泥无机磷的空间分布特征

底泥中各形态无机磷质量浓度见表1，其在无机磷中所占的质量分数见图2。总体而言，5种形态无机磷含量的排序为O-P>Fe-P>Ca-P>Al-P>水溶性磷。水溶性磷相对最低，占无机磷的1.0%左右。这与前人在Swarzewo湿地[17]及希腊Volvi河和Koronia河[18]底泥中水溶性磷占比偏低的研究结果一致。水溶性磷具有很高的生物可利用性，有利于植物吸收利用。本研究中人工湿地底泥水溶态磷的含量低，而且不受进水浓度影响，这与水溶态磷能被绿狐尾藻的快速生长所利用有关。Al-P、Fe-P也是生物可利用的磷，且当环境条件合适时能与基质中的OH-、阴离子有机配体和水溶性磷发生交换，特别是当底泥缺氧时，会释放到水体中被植物体利用。底泥中Al-P、Fe-P分别占无机磷的0.9%～8.9%、28.0%～42.7%。除HW-2外，底泥Al-P含量随着进水负荷的增加而增加。O-P是底泥中无机磷的主要存在形态，占无机磷的34.8%～62.3%。总体看来，一、二级湿地O-P含量随着进水负荷的增加逐渐增加，而在三级湿地中该趋势并不明显。Ca-P属于底泥惰性磷组分，是生物难利用性磷。本研究中底泥Ca-P仅占无机磷的5.5%～19.3%，各进水负荷底泥Ca-P含量在一、二、三级湿地逐级递减，其所占无机磷质量分数也总体下降。

图2 人工湿地表层底泥各形态无机磷的质量分数Fig.2 The relative abundance of inorganic phosphorus fractions in surface sediments

绿狐尾藻人工湿地底泥Ca-P不是主要的无机磷形态，这与大部分河流底泥中无机磷以Ca-P为主的结果不一致[19]。主要原因可能有：(1)进入绿狐尾藻人工湿地的养殖废水中Ca2+含量较低，同时底泥中原有的Ca2+含量本身也不高；(2)底泥的pH为弱酸性，不利于Ca-P的生成和稳定；(3)其他形态无机磷向Ca-P转化需要一定的时间，而本研究中的人工湿地正式运行不到两年。此外，人工湿地中绿狐尾藻的生长对磷具有较高的吸收利用潜力，会改变各形态无机磷在底泥中的比例和转化规律。本课题组前期研究发现，位于水面以上部分的绿狐尾藻单位干质量中的含磷量在3.5～8.9 g/kg，以每年能收割绿狐尾藻的生物量(湿质量计)为13.0～32.8 kg/m2，则植物收割除磷量占人工湿地除磷总量的比例达2.1%～100.0%，不同负荷的处理单元差异显著。

2.3 各形态无机磷的垂直分布

由于底泥中水溶性磷含量较低，以下仅对3个养殖废水处理组底泥中的Al-P、Fe-P、O-P、Ca-P 进行垂直分布分析，结果见图3。由图3(a)、图3(b)可见，除LW-3的Al-P外，底泥中Al-P、Fe-P在表层到中层均呈降低趋势，中层到底层变化无明显规律；Al-P和Fe-P最大降幅均出现在HW-1，降幅分别达到53.9%、33.3%。Al-P、Fe-P在底泥中的垂向分布规律与底泥粒度、黏粒含量和氧化还原电位等环境因子有关。研究表明，底泥中溶解氧浓度从表层到中层逐渐降低，底泥的还原能力增强，Al-P、Fe-P易被还原溶解，逐渐转化为其他形态无机磷[20]。另一方面，随着深度的增加，非晶氧化物矿物逐步变得有序化，铁氧化物和氢氧化物与磷结合能力逐渐减弱[21]，这可能导致了Fe-P含量在垂直方向随深度增加而总体降低。

O-P作为一种稳定态磷，是被束缚在硅酸晶格内、外表包被着铁氧化物胶膜的还原性磷酸盐，短期内很难分解，一般不参与湿地系统的磷循环过程。图3(c)显示了在低负荷的LW-1、LW-3中随着垂直深度增加，O-P含量随之降低；而在中、高负荷条件下，随着深度的增加O-P含量逐渐增加，呈现与低负荷相反的变化规律，这可能与中高负荷湿地底泥的还原性更强有关。由图3(d)可以看出，各湿地底泥表层Ca-P含量最高，底层与中层Ca-P含量变化规律不明显，说明Ca-P以底泥表面沉淀为主。

2.4 各形态无机磷与环境因子的关系

环境条件和底泥的理化性质会影响各形态无机磷在底泥中的分布[22]。本研究仅讨论底泥pH、DOC和有机质对各形态无机磷分布的影响，并讨论各形态无机磷潜在的相互转化关系。人工湿地底泥中各形态无机磷之间及其与底泥性质的相关性分析结果见表2。由表2可见，底泥TP与pH、DOC极显著正相关(P<0.01)，与有机质无显著相关性(P>0.05)，表明底泥中的TP含量受底泥pH和DOC影响明显，且TP在底泥中易与DOC结合。Al-P、O-P与底泥pH、DOC也呈极显著正相关(P<0.01)，Fe-P与底泥pH、DOC呈显著正相关(P<0.05)，而水溶性磷和Ca-P与底泥pH、DOC无显著相关性(P>0.05)，说明Al-P、Fe-P、O-P这3种形态无机磷更易受底泥pH和DOC含量的影响，底泥和水中的DOC能影响Al-P、Fe-P、O-P在底泥中的迁移转化行为，决定磷在底泥的赋存形态。

图3 各形态无机磷的垂向分布Fig.3 Vertical distribution of inorganic phosphorus fractions in sediment

指标pHDOC有机质TP水溶性磷Al-PFe-PO-PDOC0.820**有机质-0.379-0.409TP0.844**0.729**-0.283水溶性磷-0.575-0.6000.458-0.609Al-P0.810**0.786**-0.1490.820**-0.497Fe-P0.627*0.617*-0.1580.704*-0.0130.858**O-P0.717**0.719**-0.3160.615*-0.705*0.622*0.295Ca-P-0.309-0.3460.293-0.3460.604-0.1740.202-0.700*

注：1)“*”表示显著相关(P<0.05)；“**”表示极显著相关(P<0.01)。

底泥中Al-P与Fe-P极显著正相关(P<0.01)，这可能是底泥中铁铝化合物之间相互作用的结果。Al-P可以在一定条件下与Fe-P相互转化，这是底泥与上覆水之间磷交换的重要形式。Fe-P受底泥氧化还原电位的影响显著，底泥还原性越强，Fe-P越容易释放，底泥中的Fe-P含量就越低[23]。另一方面,胶体铝在还原条件下可以将Fe(OH)3包裹的正磷酸盐置换而从底泥释放，同时铁氧化物也能通过配位体交换影响Al-P行为。研究表明，Ca-P在弱碱性水环境中活性很低，不易受环境条件的影响。本研究中Ca-P仅与O-P呈显著负相关(P<0.05)，说明了Ca-P是比较稳定的无机磷形态，不易受其他形态无机磷或者底泥性质的影响，此外也暗示了O-P向Ca-P转化的潜力。

研究表明，通过添加外源性碳源能提高聚磷菌对磷的固定从而改变磷在底泥中的形态，增加人工湿地除磷效率[24]；绿狐尾藻根系分泌物能提高底泥有机碳含量，增加底泥对磷的吸附能力[25]。本研究中底泥TP和Al-P、Fe-P、O-P 3种形态无机磷易受底泥DOC含量的影响，间接证实了添加外源性碳源也有利于各形态无机磷的转化。此外，为了进一步提高人工湿地对磷的去除效率，可通过外加碳源增加底泥及微生物对磷的吸附和固定，采用富含Al3+、Fe3+、Ca2+的吸附材料作为湿地基质增强湿地对磷的吸附能力[26]，或在人工湿地系统前添加石灰增加Ca-P的沉淀[27]。

3 结 论

(1) 绿狐尾藻人工湿地表层底泥中TP在167～965 mg/kg，有机磷占TP的66.0%～79.2%；无机磷以O-P为主，不同形态无机磷总体呈O-P>Fe-P>Ca-P>Al-P>水溶性磷规律。

(2) 各形态无机磷随着底泥深度的增加变化不同，总体来看，从表层到中层，Al-P、Fe-P和Ca-P含量呈现降低趋势，中层到底层变化无明显规律；在低负荷湿地中O-P含量随深度增加逐渐降低，而在中、高负荷的湿地中随深度增加逐渐增加。

(3) 相关性分析显示，底泥TP、Al-P、Fe-P、O-P的含量与底泥pH和DOC呈显著或极显著正相关，说明磷在底泥中的行为易受底泥pH和DOC的影响。Al-P与Fe-P含量呈极显著正相关，说明Al-P与Fe-P之间存在相互转化的情况，Ca-P与O-P呈显著负相关，说明O-P有向Ca-P转化的潜力。

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Distributionofphosphorusfractionationsinsedimentsofsurface-flowconstructedwetlandsplantedwithMyriophyllumaquaticum

WUXiao1,2,ZENGXinyi1,3,LUOPei1,LIUFeng1,LIBaozhen1,HURonggui2,XIAORunlin1,WUJinshui1.

(1.ChangshaResearchStationforAgricultural&EnvironmentalMonitoring,KeyLaboratoryofAgro-ecologicalProcessesinSubtropicalRegion,InstituteofSubtropicalAgriculture,ChineseAcademyofSciences,ChangshaHunan410125;2.CollegeofResourcesandEnvironment,HuazhongAgriculturalUniversity,WuhanHubei430070;3.CollegeofBioscienceandBiotechnology,HunanAgriculturalUniversity,ChangshaHunan410128)

The surface-flow constructed wetland planted withMyriophyllumaquaticumwas established to treat livestock wastewater of different loads. The surface (0-5 cm),middle (5-10 cm) and bottom (10-20 cm) layer sediments were collected,and total phosphorus (TP) and organic phosphorus in these sediments samples were analyzed. The inorganic phosphorus was divided into soluble phosphorus,aluminum bound phosphorus (Al-P),iron bound phosphorus (Fe-P),occluded phosphorus (O-P) and calcium bound phosphorus (Ca-P) using the 5 steps chemical fractionation method. The horizontal and vertical distribution of inorganic phosphorus fractionations were analyzed and compared. The results showed that the contents of TP in the surface sediments ranged from 167 to 965 mg/kg,and organic phosphorus accounted for 66.0%-79.2% of TP concentration. The order of the average contents of inorganic phosphorus forms was O-P>Fe-P>Ca-P>Al-P>soluble phosphorus. The forms of inorganic phosphorus varied with the depth of sediments. Generally，Al-P,Fe-P and Ca-P contents decreased from surface sediment to middle layer sediment,while there was obvious changing rule from middle layer to bottom layer sediment. O-P contents gradually reduced in the light loaded constructed wetlands but increased in the medium and high loaded constructed wetlands. The correlation analysis showed that the concentrations of Al-P,Fe-P and OP had a significant or highly significant positive correlation with sediment pH and dissolved organic carbon,suggesting that the three forms of phosphorus were susceptible with sediment pH and dissolved organic carbon.

phosphorus fractionation； sediment； vertical distribution； constructed wetland；Myriophyllumaquaticum

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.008

吴 晓，男，1991年生，硕士研究生，主要从事土壤环境与农业生态方面的研究。#

。

*国家重点研发计划项目(No.2016YFE0101100)；中国科学院先导专项(No.XDB15020401)。

2017-02-18)