水生植物对生态沟渠底泥磷吸附特性的影响

李红芳，刘　锋*，肖润林，何　洋，2，王　迪，2，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410125；2.中国科学院大学，北京100049）



水生植物对生态沟渠底泥磷吸附特性的影响

李红芳1，刘锋1*，肖润林1，何洋1，2，王迪1，2，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410125；2.中国科学院大学，北京100049）

摘要：以用于小流域源头区农业面源污染防控的3生态沟渠为研究对象，•集入口处（S1）、中间段（S2）和出口处（S3）沟渠底泥，分析其属性和磷吸附特性。结果表明，沟渠底泥全磷含量在0.19～0.60 g.kg-1范围内，且沿水流方向有增大趋势；草酸提取态磷（Pox）及有机质含量与全磷含量呈显著正相关（P<0.01，R2=0.920和P<0.05，R2=0.549，n=9）；而底泥的pH值则随着水流方向有降低的趋势。Langmujr方程拟合吸附数据发现，底泥吸附/解吸平衡磷浓度（EPC0）、磷最大吸附量（Smax）和磷吸附键能参数（Kc）分别为0.08～0.38 mg.L-1、555.6～909.1 mg.kg-1和0.18～0.52 L.mg-1。样点S2（挺水植物梭鱼草和沉水植物绿狐尾藻交接种植区）的Smax最大、EPC0最小，样点S3次之，而样点S1的Smax最小、EPC0最大。这说明水生植物的种植和合理配置，不仅能够影响底泥基本属性的变化，且能增强底泥对磷的吸附作用，有利于降低生态沟渠的磷输出风险。

关键词：生态沟渠；水生植物；底泥磷吸附；Langmujr方程

李红芳，刘锋，肖润林，等.水生植物对生态沟渠底泥磷吸附特性的影响[J].农业环境科学学报，2016，35（1）：157-163.

LI Hong-fang，LIU Feng，XIAO Run-1jn，et a1. Effects of aquatjc p1ants on phosphorus adsorptjon characterjstjcs by sedjments jn eco1ogjca1 djtches[J]. Journal of Agro-Environment Science，2016，35（1）：157-163.

排水沟渠作为流域氮磷污染排放与受纳水体（江河湖泊等）之间的过渡带，具有湿地和河流的双重作用，既是农田径流的“汇”，又是受纳水体的“源”，在截留和削减农业面源氮磷等污染物中起关键作用。已有研究表明，在水体可溶性磷的控制中，尤其是在磷的迁移和固定中，沟渠底泥的吸附和沉淀起主要作用[1-2]。影响底泥磷吸附特性的因素很多，包括沟渠流”水体的水质状况（如营养盐、水体温度、pH、溶解氧等）、底泥的理化性质（如土壤质地、pH、有机质、无定形态铁铝等）、沟渠内水生植物分布等。目前，关于沟渠内流”水体的水质、底泥理化性质对磷吸附特性的影响研究较多[3-5]，但针对水生植物种植对沟渠底泥磷的吸附特性的研究相对较少，尤其针对以水生植物种植为主要措施的生态沟渠来说，研究植物在沟渠底泥对磷吸附作用中的影响尤为重要。

本研究以典型的农业小流域（开慧河流域）为对象，在该区域实施生态洁小流域建设后，选取构建的3生态沟渠，分析沟渠底泥的基本理化性质及磷的吸附特性，研究生态沟渠构建后水生植物的种植对沟渠底泥磷吸附的影响，旨在为生态沟渠的构建、植物的配置提供参考意见，同时为生态沟渠在农业面源污染控制中的推广应用提供科学依据。

1　材料与方法

1.1研究区域概况

选取位于湖南省长沙县开慧镇的开慧河流域源头区域为研究对象，研究区占地面积约4.4 km2，属于典型的亚热带湿润气候区，雨量充沛，多年平均降雨量为1 434.3 mm，年平均气温17.1℃（-11.3℃～39.8℃），日照充足。农田、生态林、菜地、池塘、茶园、河道、村庄、果林和道路等为主要土地利用类型，其中农田占比32.3％，比例最大。农田排水、生活污水和养猪废水是流域内主要水体污染源。由于区域内河道和沟渠缺乏治理，部分水体已出现严重的富营养化现象。研究区域在2012年6月至2013年1月期间进行了生态洁型小流域建设，针对该流域内主要水体开慧河的氮磷污染，•用的生态措施主要为河道、沟渠的淤和生态沟渠的构建等。研究区主要土地利用类型及所研究的生态沟渠分布如图1所示。

1.2生态沟渠的构建

2012年6—8月，对研究区内原有的农田排水沟渠淤疏通后构建生态沟渠。生态沟渠呈倒梯形结构，断面宽度在原排水沟渠基础上扩宽50％，根据200 m2/1.0 km2汇水区设置生态沟渠长度，底部坡度比降约1％，每间隔10～20 m筑一15 cm高的拦水坎。生态沟渠中种植植物主要包括挺水植物梭鱼草（Pontederia cordata）和沉水植物绿狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）。生态沟渠前段（约占所建生态沟渠长度的1/3）种植梭鱼草（种植密度9株.m-2），便于拦截泥沙，避免降雨径流携带泥沙对植物覆盖，减缓水体流速，在沟渠中部及后段（约占生态沟渠长度的2/3）种植生物量大、生长周期长且去污能力强的绿狐尾藻。研究选取的3沟渠的基本情况如表1所示。

表1　构建的生态沟渠基本情况Tab1e 1 Basjc jnformatjon of constructed eco1ogjca1 djtches

1.3样品采集与分析

图2　沟渠底泥采样点示意图Fjgure 2 Djstrjbutjon of samp1jng pojnts jn eco1ogjca1 djtches

底泥基本属性的分析方法：•用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定底泥全磷；•用酸性草酸铵法提取底泥活性铁、铝、磷，用ICP-OES（Agj1ent Techno1ogjes，700 Serjes）同时测定活性铁（Feox）、活性铝（A1ox）和活性磷（Pox）含量，其中底泥磷饱和度DPS=Pox/[α× （Feox+ A1ox）]×100％，在酸性湿地沉积物中α值为0.5[6]；•用重铬酸钾容量-外加热法测定底泥有机质含量；利用含玻璃电极的pH计按水土质量比2.5∶1测定底泥pH值。

试验期间，在生态沟渠进、出水口设置水样监测点，每月一次•集水样。•集水样过0.45 μm孔径滤膜后，直接用流动分析仪（AA3）测定铵态氮浓度；•用碱性过硫酸钾消解后用流动分析仪（AA3）测定总氮浓度；•用钼酸铵分光光度法（GB 11893—1989）测定总磷和磷酸盐浓度。

元代刊刻之《世说新语》，为刘应登删注、刘辰翁批点的八卷本。其文字多同于董弅刻本但注释经过刘应登删削，并补刻刘辰翁的批语，系目前看到的最早的刘辰翁批点本[5](前言，P24)。

1.4底泥磷等温吸附试验

等温吸附试验的主要步骤如下：称取0.5 g底泥样品于50 mL聚丙烯材质离心管中，加入用0.01 mo1.L-1KC1配置的P含量分别为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动；25℃下恒温振荡（200 r.mjn-1）24 h，然后离心（4000 r.mjn-1）10 mjn、过0.45 μm滤膜，•用钼锑抗显色法测定滤液中P含量。

吸附参数通过Langmujr方程计算[7]：

式中：S1为试验中底泥吸附的磷量mg.kg-1；S0为初始状态下吸附的磷量，mg.kg-1；Smax为磷吸附最大值，mg.kg-1；Kc为键能参数，L.mg-1；Ct为振荡24 h后溶液平衡浓度，mg.L-1。

当S1=0时，底泥磷的净吸附或解吸为零（吸附/解吸平衡浓度），此时Ct值即为溶液磷对应的EPC0，由公式（1）可得：

1.5数据分析

•用Mjcrosoft Exce1 2013软件对磷的等温吸附数据进行Langmujr方程拟合。•用SPSS 18.0软件进行底泥属性与磷形态的相关分析，统计检验的显著性水平P≤0.05。

2　结果与分析

2.1生态沟渠进出口水质分析

表2　生态沟渠进出水水质状况（mg·L-1）Tab1e 2 Qua1jty of water jn eco1ogjca1 djtches（mg·L-1）

2.2生态沟渠底泥属性

表3　生态沟渠底泥属性Tab1e 3 Se1ected physjco-chemjca1 propertjes of djtch sedjments

2.3生态沟渠底泥磷的等温吸附过程

图3　底泥对磷的等温吸附曲线Fjgure 3 Phosphorus adsorptjon jsotherms of sedjments

2.4生态沟渠底泥磷的吸附特性

用Langmujr方程拟合底泥对磷的等温吸附数据（表4），拟合度检验达极显著水平（P<0.001）。Smax在555.56～909.09 mg.kg-1范围，均值为730.05 mg.kg-1，高Kc值表示底泥与磷的结合能力强，3沟渠Kc均值为0.35 L.mg-1，均以样点S2为最大，说明沟渠中在梭鱼草跟绿狐尾藻两种植物交界处的底泥与磷的结合能力最强。试验底泥吸附/解吸平衡浓度（EPC0）值为0.08～0.38 mg.L-1，沟渠C底泥EPC0明显大于其他两沟渠，植物根系较为发达的S2处明显低于其他两个样点。

表4　底泥对磷等温吸附拟合参数Tab1e 4 Parameters for phosphorus sorptjon by sedjments

3　讨论

生态沟渠对磷素的去除，沉淀和吸附是其主要途径之一。研究表明，湿地中的磷70％～87％主要通过沉淀和底泥吸附而去除[11-12]。沟渠纵坡比小，水体流速慢，水力停留时间越长，则越有利于减少水体扰动、促进泥沙颗粒及颗粒吸附物随底泥的沉降。本研究的3生态沟渠的底泥磷Smax在555.56～909.09 mg.kg-1，高于张树楠等[13]研究的我国亚热带地区金井河流域生态沟渠的底泥磷Smax（391～563 mg.kg-1），且远高于美国马里兰州一个长期用猪尿粪施肥的农场中8个沟渠底泥样的Smax值（81～232 mg.kg-1）[14]，与作者已有的研究在该流域内池塘底泥的Smax范围相当[15]，但低于爱尔兰的韦克斯福德和沃特福德州两处理养殖废水的人工湿地底泥Smax（538～1707 mg.kg-1）[16-17]。Smax反映底泥对磷的吸附能力，Smax值越大，表示底泥对磷的吸附固定能力越强。影响沟渠底泥磷的吸附特性的主要因素包括底泥的组成和性质、有机质含量、pH和无定形态的铁铝含量等。由于铁、铝氧化物能为磷的吸附提供丰富的磷吸附表面积，使富含无定型铁、铝氧化物的底泥对水中磷的吸附与去除能力更强[18]。试验底泥Smax与草酸提取态铁铝之和显著相关（R= 0.707，P<0.05，n=9），说明铁铝氧化物含量对底泥磷的吸附有显著影响；而Feox含量与铁铝含量之和显著相关（R=0.981，P<0.01，n=9），说明在影响底泥磷吸附中，Feox含量的影响因素更大，与张树楠等[13]及Lju 等[7]的研究结果类似。试验中有机质含量与Feox含量及铁铝含量之和显著相关（P<0.05，R2=0.578和R2= 0.489，n=9），有机质通过与铁铝氧化物螯合可以提供磷的吸附活性表面，说明生态沟渠的构建对有机质的影响会促进底泥磷的吸附[15]。

生态沟渠所种植物不同，对沟渠底泥的理化性质和磷吸附的影响不同。试验沟渠不同位置•样点磷的吸附特性呈现出两种植物交错处Smax最大的趋势（即：S2>S3>S1），可能与植物所种植的面积不同有关，也可能受生态沟渠本身的构建影响[8]。一般来说，水生植物影响底泥对磷的吸附主要通过影响和Ÿ变底泥的物理化学性质而实现。一方面，水生植物的存在可以降低水体流速，加速沉降，植物根系越密集，越有利于颗粒物（包括铁、铝胶体等）的沉降[19-20]；另一方面，植物根系泌氧可以Ÿ变底泥的化学特性，一定件下能够降低pH、提高Eh和可溶性金属离子浓度，促进Fe2+氧化成Fe3+，进而促进底泥对磷的吸附[21-22]。Lju 等[7]研究生态沟渠中5种植物对底泥磷的吸附作用，结果表明美人蕉和狐尾藻的种植能够提高沟渠底泥表层（0～5 cm）有机质和草酸提取态铁的含量，进而促进底泥对磷的吸附。本研究中沟渠植物主要为梭鱼草和绿狐尾藻，其中梭鱼草同样已被证明为一种既具有净水作用同时可作观赏用的作物，具有较高的氮磷积累量，而绿狐尾藻根系密集，能够拦截更多的细颗粒，均对生态沟渠底泥磷的吸附具有促进作用[23-24]。但针对植物的季节性生长和容易腐烂等特点，需要对其进行合理和及时的管理，以免产生二次污染。

底泥磷的吸附/解析平衡浓度EPC0可用来描述底泥磷吸附的方向，当EPC0低于水体磷浓度时，底泥表现为磷吸附状态，反之，EPC0值越高则表示底泥对外源磷的缓冲能力越弱，潜在的磷释放风险越高。3沟渠外源磷输入负荷不同，3沟渠对外源磷的缓冲能力不同。由入水口S1样点可以看出，沟渠C接收污水量最大，水体磷浓度较高，底泥对磷的缓冲能力较弱，EPC0明显高于沟渠A和B。但整体来说，3沟渠进水口（S1）EPC0明显高于出水口（S3），说明生态沟渠的构建能够提高对外源磷的缓冲能力，水生植物的种植能够提高底泥磷的吸附能力而降低磷的释放风险，进一步肯定了生态沟渠的重要作用及构建生态沟渠的必要性[25-26]。

4　结论

（1）生态沟渠底泥全磷、草酸提取态磷（Pox）及有机质含量，沿水流方向，有增大趋势，而沟渠底泥的pH值变化则与之相反。可见，生态沟渠的构建及净水植物的种植，影响了沟渠底泥基本属性。

（2）生态沟渠底泥出水口（S3）磷最大吸附量（Smax）明显高于进水口（S1），而低于中间位置（S2，两种水生植物交叉种植区），说明梭鱼草与狐尾藻的配置种植有利于提升底泥对磷的吸附能力。

（3）生态沟渠能净化污染水体，说明生态沟渠对农业面源污染防控具有重要作用。本研究表明水生植物种植能影响生态沟渠底泥属性及其磷吸附特性，因此在生态沟渠构建时，应综合考虑水生植物的净水能力及合理配置，以提高其对污染物的去除效果。

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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：刘锋E-maj1：1jufeng@jsa.ac.cn

作者简介：李红芳（1989—），女，河南安阳人，硕士研究生，研究方向为土壤环境与农业生态。E-maj1：20081hfok@163.com

基金项目：中科院重点部署项目（KZZD-EW-11-03）；“十二五”国家支撑计划课题（2012BAD14B17）

收稿日期：2015-08-18

中图分类号：X522

文献标志码：A

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