飲馬河流域典型濕地植物凈化河流水環(huán)境效果研究

李廷超 王詠 張剛 王肇鈞（東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 長(zhǎng)春 130117）

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飲馬河流域典型濕地植物凈化河流水環(huán)境效果研究

李廷超 王詠 張剛 王肇鈞（東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 長(zhǎng)春 130117）

摘 要采取單種及混種方式，通過小型濕地模擬實(shí)驗(yàn)，研究松花江支流飲馬河流域河流濕地中常見的蘆葦、香蒲、槽稈荸薺、藨草、慈姑、花藺、菱角、紫背浮萍和金魚藻9種濕地植物及其組合對(duì)河流水體中化學(xué)需氧量（CODcr）、氮、磷等的凈化效果。結(jié)果表明：所選濕地植物，在模擬環(huán)境條件下均能有效提升取自河流水體的水質(zhì)；不同的濕地植物對(duì)污水中各污染物凈化具有明顯的差異，花藺對(duì)總磷（TP）、CODcr和氨氮（NH3-N）凈化效果最好，去除率依次為99.65%、68.22%和99.54%；香蒲、菱角、金魚藻混合組對(duì)總氮（TN）的凈化效果最好，去除率是66.19%；槽桿荸薺、蘆葦和金魚藻對(duì)亞硝酸鹽氮（NO2-N）的凈化效果最好，去除率是83.64%。兩種植物混種后對(duì)某一種污染物指標(biāo)的處理效果弱于分別獨(dú)種時(shí)的處理效果，但對(duì)多種污染物指標(biāo)的綜合處理效果一般要好于獨(dú)種時(shí)的處理效果。

關(guān)鍵詞濕地植物；生活污水；氮；磷；飲馬河

人工濕地是近年來發(fā)展較為迅速的一種污水處理技術(shù)，具有投資少、去除污染物和凈化污水效果好、綠色環(huán)保等多重優(yōu)點(diǎn)（劉衍君，2003）。人工濕地是在一定長(zhǎng)寬比和底面坡度的洼地中，由土壤和填料（如砂、礫石等）混合組成（史鵬博等，2014），填料床體表面種植具有成活率高、性能好、抗水性強(qiáng)、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、美觀及具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水生植物，如蘆葦Phragmites australis、香蒲Typha orientalis等，形成一個(gè)獨(dú)特的動(dòng)植物生態(tài)系統(tǒng)，廢水在床體的填料縫隙中流動(dòng)或在床體表面流動(dòng)，經(jīng)過植物、微生物和濕地基質(zhì)后，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水凈化處理。

絕大多數(shù)人工濕地由5部分組成（劉東閣等，2009；王建軍，2004），即透水性的基質(zhì)、水體、適于在含氧飽和水和厭氧基質(zhì)中生長(zhǎng)的植物、無脊椎或脊椎動(dòng)物、好氧或厭氧微生物種群。濕地植物在濕地系統(tǒng)中具有重要作用，可將大氣氧傳輸至根部，使根在有氧環(huán)境中生長(zhǎng)，顯著增加微生物的附著，增加土壤的透水性。因此，濕地植物的篩選和優(yōu)化也一直是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容，其選擇不僅要考慮到凈化效果，也要考慮植物生長(zhǎng)的穩(wěn)定性和地域性。

濕地植物的地域性很強(qiáng)，黃余春等（2012）研究了云南高原常見植物中對(duì)生活污水氮的凈化效果，結(jié)果表明“水蔥Scirpus validus+睡菜Nymphaea tetragona+荇菜Nymphoides peltatum”的組合效果較好，去除率高達(dá)（93.79±1.27%）。孫海燕等（2014）研究了武漢常見植物對(duì)生活污水的凈化效果，結(jié)果表明鳶尾的處理效果最好，對(duì)COD、TN和氨氮等指標(biāo)的去除率均達(dá)到90%左右，其他植物去除率也高于對(duì)照組，但是低于鳶尾。楊子堯（2014）研究了四川盆地本土植物對(duì)農(nóng)村生活污水的處理效果，生物量和相對(duì)生長(zhǎng)速度表明蘆葦和旱傘竹生長(zhǎng)最快，其他次之，而對(duì)污水的去除效果上，菖蒲的綜合處理效果最佳。崔麗娟等（2009）研究了北京地區(qū)不同濕地植物對(duì)生活污水的凈化效果，結(jié)果表明不同植物對(duì)COD、TN和TP的平均去除率分別達(dá)92.3%、97.2% 和99.8%。肖洋等（2014）研究了哈爾濱典型植物對(duì)生活污水的處理效果，結(jié)果表明香蒲的凈化能力最強(qiáng)，去除率達(dá)70.46%，最佳水力停留時(shí)間是6 d。已有研究表明，不同的濕地植物具有較強(qiáng)的地域性，對(duì)污染物的去除能力也表現(xiàn)為有較大的差異。因此，濕地植物的選擇不僅要考慮凈化效果，也要考慮植物生長(zhǎng)的穩(wěn)定性和地域性。

為了研究飲馬河流域常見濕地植物在人工濕地處理系統(tǒng)中對(duì)水體的處理效果，以應(yīng)用于寒區(qū)河流生態(tài)修復(fù)中提升水環(huán)境質(zhì)量，本研究選擇了9種飲馬河流域內(nèi)典型濕地植物，研究不同植物對(duì)河水的凈化效果，旨在篩選出凈化能力較強(qiáng)的濕地植物物種或者組合方式，為我國(guó)寒區(qū)河流，尤其是通過人工濕地技術(shù)提高大城市下游河段河水水環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 研究區(qū)概況

飲馬河是松花江中上游重要一級(jí)支流，流經(jīng)長(zhǎng)春城區(qū)的伊通河是飲馬河最大的支流，在伊通河下游，特別是長(zhǎng)春市城區(qū)段，經(jīng)過河道截流和景觀治理，已變成典型湖泊型河流，并且由于接納了長(zhǎng)春市大量污廢水，河流水體自凈能力幾近消失，水體經(jīng)常處于劣五類水質(zhì)狀況。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

2.1.1 實(shí)驗(yàn)植物 本實(shí)驗(yàn)選擇了伊通河水系常見9種濕地植物，即香蒲Typha orientalis、槽桿荸薺Heleocharis equiaetiformis、蘆 葦Phragmites australis、慈姑Heleocharis dulcis、藨草Scirpus triqueter、 花 藺Butomus umbellatus、菱角Trapa bispinosa、紫背浮萍Marsilea、金魚藻Ceratophyllum demersum。

本實(shí)驗(yàn)所用植物，均取自于伊通河水系中支流玉帶河凈月區(qū)段河流濕地中，植物經(jīng)水沖洗去除根部污泥后，于容器中水培待用。參考植物的自然生長(zhǎng)密度，本實(shí)驗(yàn)植物的種植密度如下：香蒲22株/ m2；槽桿荸薺12～15芽/叢，8叢/m2；蘆葦26株/m2；慈姑16株/ m2；藨草5～7芽/叢，8叢/m2；花藺2～3芽/叢，25叢/m2；菱角32株/m2；紫背浮萍200株/m2；金魚藻5～6芽/叢，9叢/m2。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)基質(zhì) 根據(jù)已有研究結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)采用的基質(zhì)為大沸石、粉煤灰、火山灰、小沸石。大沸石：粉煤灰：火山灰：小沸石比例是2∶1∶1∶2 （沸石粒徑：小2～5 mm，大15～20 mm；煤灰渣粒徑：15～25 mm；火山灰：8 mm），其中，沸石按照粒徑購(gòu)買于長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)上河灣鎮(zhèn)石羊沸石礦廠；火山灰購(gòu)買于輝南縣三角龍灣自然保護(hù)區(qū)；煤灰渣取自長(zhǎng)春市某熱電廠。材料取回后過篩、清洗、自然風(fēng)干存放備用。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)污水 實(shí)驗(yàn)所用污水取自長(zhǎng)春市東南部的伊通河支流玉帶河，玉帶河為其上游凈月潭泄洪河道，水源主要為降水及上游泄洪，實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)還有一部分沿岸生活污水匯入，位于凈月高新技術(shù)開發(fā)區(qū)新城大街橋下河段，經(jīng)實(shí)地調(diào)查，取水期前兩個(gè)月內(nèi)，上游沒有泄洪，河道內(nèi)水來源為雨季降水以及周邊高校生活污水，所取污水的水質(zhì)指標(biāo)見表1。

2.1.4 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地及裝置 本實(shí)驗(yàn)于室外完成，共設(shè)置14組模擬實(shí)驗(yàn)箱，用市售聚乙烯材質(zhì)整理箱（長(zhǎng)寬高為0.4 m×0.6 m×0.35 m）。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地上方設(shè)置了防雨棚，棚頂為聚乙烯薄膜，透光防水。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

模擬實(shí)驗(yàn)共設(shè)14組（表2），其中，第1組是純污水對(duì)照，即只放入等高水位污水，模擬污水自凈效果。第2組是基質(zhì)對(duì)照，即將比例基質(zhì)等量置入容器，研究基質(zhì)凈化效果；第3～14組則是依次將不同植物栽培于同樣比例基質(zhì)上，研究不同植物及其組合的凈化效果。第3～11組是單一植物組；第12組是蘆葦、菱角和金魚藻混合組；第13組是槽桿荸薺、菱角和金魚藻混合組；第14組是香蒲、菱角和金魚藻混合組。

表1 伊通河支流玉帶河污水水質(zhì)參數(shù) mg/L

將所取污水置于大桶內(nèi)充分混勻，依次加入各模擬實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，保持水位相同，將當(dāng)天作為第1天。此后，因自然蒸發(fā)及取樣測(cè)試分析所影響的水位變化，通過向?qū)嶒?yàn)箱內(nèi)加入蒸餾水予以調(diào)整，各組水位控制參考初始水位高度。

2.3 樣品分析

實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行17 d，研究在不同水力停留時(shí)間（HRT為1、3、5、7、……、17 d）下的去污效果，以確定本研究條件下最佳的水力停留時(shí)間。每間隔1 d于各模擬實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)取水1次，分析測(cè)試水樣中水質(zhì)指標(biāo)，包括CO Dcr、TN、NH3-N、NO2-N和TP，每指標(biāo)3次平行，取均值，各指標(biāo)分析方法見表3.

評(píng)價(jià)濕地植物對(duì)污水的凈化效果，指標(biāo)選取CO Dcr、NH3-N、NO2-N、TN和TP的去除率（R），計(jì)算公式如下：

其中，R為去除率，Ci為第i次 CO Dcr、NH3-N、NO2-N、TN和TP的濃度，C0為CO Dcr、NH3-N、NO2-N、TN和TP的初始時(shí)刻濃度。

采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 濕地植物對(duì)TN的凈化效果

濕地系統(tǒng)對(duì)污水中氮素的去除包括基質(zhì)的吸附和過濾、氮的礦化、氨的揮發(fā)、植物的吸收和同化、微生物硝化和反硝化的作用等。由圖1可知，無論是對(duì)照組、基質(zhì)組還是植物+基質(zhì)組，均對(duì)污水中的TN有較為明顯的凈化效果，表明本實(shí)驗(yàn)過程污水中總氮的去除是多方面因素協(xié)同共同作用的結(jié)果，并且污水中TN含量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)也基本相同，即呈現(xiàn)出緩緩降低趨勢(shì)。

當(dāng)水力停留時(shí)間＜12 d時(shí)，大部分植物及植物組合對(duì)TN的去除效率高于對(duì)照，但是每組的平均去除率與對(duì)照組相差不大，當(dāng)實(shí)驗(yàn)至第12天時(shí)（即水力停留時(shí)間為13 d時(shí)），各組TN含量達(dá)到實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)最低值，凈化效率由高到低依次為香蒲混（14組）＞金魚藻＞槽稈荸薺混（13組）＞菱角＞紫背浮萍＞香蒲＞藨草＞蘆葦＞蘆葦混（12組）＞花藺＞槽桿荸薺＞基質(zhì)＞慈姑＞對(duì)照。由以上凈化效率可知，單一植物組，處理效果最好的為金魚藻，其去除率達(dá)到了55.71%；混合植物組處理效果最好的為香蒲混，其去除率達(dá)到了66.19%。當(dāng)水力停留時(shí)間＞13 d時(shí)，濕地植物對(duì)TN的凈化效果趨于平穩(wěn)并且去除率降低，原因是系統(tǒng)中植物、微生物和基質(zhì)的吸收轉(zhuǎn)化吸附達(dá)到飽和，同時(shí)有一部分反硝化作用使TN含量趨于升高。陳永華等（2008）研究得出植物氮磷積累量表示植物從濕地系統(tǒng)中帶走的氮磷量，是直接反應(yīng)植物凈化潛力的重要指標(biāo)之一，其大小由生長(zhǎng)量和植物內(nèi)氮磷平均含量決定。

表2 各實(shí)驗(yàn)植物組合

表3 各指標(biāo)分析方法和分析儀器

同樣含有金魚藻的3個(gè)混合組（12組、13組、14組）處理效果差異明顯，比較發(fā)現(xiàn)，只有香蒲混合組比單一金魚藻組的處理效果好，這說明一方面單一植物對(duì)于TN的去除（利用）可能存在上限，另一方面植物混種可能會(huì)提高或者降低處理效果；在工程應(yīng)用時(shí)篩選適合的植物搭配對(duì)于TN的去除來說至關(guān)重要。

圖1 濕地植物對(duì)TN濃度的凈化效果

雖然本試驗(yàn)周期內(nèi)濕地植物對(duì)TN能夠起到明顯的凈化效果，但是根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2012），所有組內(nèi)污水水質(zhì)處理前后仍然為劣五類，說明當(dāng)污水中TN含量較高時(shí)，濕地植物的處理負(fù)荷有限，需要輔助其他方法才能更有效的改善和增強(qiáng)水質(zhì)。

3.2 不同水力停留時(shí)間下濕地植物對(duì)TP的凈化效果

濕地對(duì)磷的去除包括植物根系的吸收、微生物固磷、基質(zhì)的吸附等，可見濕地中磷凈化效果取決于基質(zhì)、水生植物和微生物之間的共同作用。由圖2可知，實(shí)驗(yàn)各組對(duì)污水中的TP均有明顯的凈化效果；當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間為4天（即水力停留時(shí)間＜5 d）時(shí)，污水中TP含量隨時(shí)間而呈現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì)。當(dāng)水力停留時(shí)間為5 d時(shí)，各組凈化效果由高到低依次為花藺＞藨草＞紫背浮萍＞慈姑＞槽桿荸薺混（13組）＞香蒲混（14組）＞蘆葦混（12組）＞香蒲、菱角＞槽桿荸薺＞蘆葦＞金魚藻＞基質(zhì)＞對(duì)照。對(duì)于單一植物組來說，處理效果最好的為花藺，去除率達(dá)到了99.65%。對(duì)于混合植物組來說，處理效果非常接近，處理效果最好的是槽桿荸薺混，去除率達(dá)到了97.30%。于君寶等（2013）根據(jù)污水處理前后的污染物濃度，計(jì)算出總磷的凈化率，6 種人工濕地單元對(duì)TP 有著不同程度的凈化效果，與本實(shí)驗(yàn)相同的植物去除效果相似，其中平均凈化率達(dá)到95%。去除效果是植物、微生物和填料共同作用的結(jié)果。

對(duì)于TP這一指標(biāo)來說，花藺能夠?qū)⑽鬯|(zhì)由劣Ⅴ類處理為I類；而且3種混合物組植物均能將污水水質(zhì)由劣Ⅴ類處理為II類。實(shí)驗(yàn)表明，本研究條件下，花藺對(duì)TP具有很高的去除率。

3.3 濕地植物對(duì)COD的凈化效果

化學(xué)需氧量COD是以化學(xué)方法測(cè)量水樣中需要被氧化的還原性物質(zhì)的量，在河流污染和工業(yè)廢水性質(zhì)的研究以及廢水處理廠的運(yùn)行管理中，它是一個(gè)重要的而且能較快測(cè)定的有機(jī)物污染參數(shù)，是國(guó)家重點(diǎn)關(guān)注的廢水重點(diǎn)污染物之一。由圖3可以看出，各組植物均對(duì)污水中的COD有明顯的凈化效果，隨著時(shí)間的推移，污水中的COD呈先快后慢的下降趨勢(shì)。

圖2 濕地植物對(duì)TP濃度的凈化效果

圖3 濕地植物對(duì)COD的凈化效果

圖4 濕地植物對(duì)氨氮的凈化效果

圖5 濕地植物對(duì)亞硝酸鹽氮的凈化效果

當(dāng)水力停留時(shí)間＜5 d時(shí)，大部分濕地植物對(duì)CO D的去除率高于對(duì)照組；當(dāng)水力停留時(shí)間為5 d時(shí)，對(duì)水體的凈化效果由高到低依次為花藺＞蘆葦＞香蒲＞慈姑＞藨草＞槽桿荸薺＞紫背浮萍＞菱角＞蘆葦混（12組）＞金魚藻＞香蒲混（14組）＞槽桿荸薺混（13組）＞基質(zhì)＞對(duì)照。當(dāng)水力停留時(shí)間＞5 d時(shí)，去除率下降并且趨于緩慢。研究表明單獨(dú)的濕地植物處理最好的為花藺，去除率達(dá)68.22%。混合組的濕地植物處理效果最好的是蘆葦混，達(dá)到61.15%，這與蔣永榮等（2009）的研究結(jié)果相近。本研究花藺對(duì)水樣中的COD指標(biāo)具有較為明顯的凈化效果。隨著水力停留時(shí)間的增加，各組的去除率下降但各組的去除率明顯高于對(duì)照組，濕地系統(tǒng)的脫氮主要途徑是植物的吸收、微生物的硝化反硝化、基質(zhì)的吸附。

3.4 濕地植物對(duì)氨氮的凈化效果

所有組均對(duì)污水中的氨氮有明顯的凈化效果（圖4）。當(dāng)水力停留時(shí)間＜5d時(shí)，污水中氨氮含量隨時(shí)間呈穩(wěn)步的下降趨勢(shì)，尤其是0～4天凈化效果尤為明顯，各植物組和對(duì)照組相比，去除效果明顯提高，但植物與植物組合之間的差異性不顯著。各組對(duì)水體的凈化效果由高到低依次為花藺＞藨草＞香蒲＞慈姑＞金魚藻＞槽桿荸薺＞菱角＞蘆葦＞槽桿荸薺混（13組）＞香蒲混（14組）＞蘆葦混（12組）＞紫背浮萍＞基質(zhì)＞對(duì)照。

單一植物中，處理效果最好的是花藺，去除率達(dá)99.54%，將對(duì)應(yīng)的水體氨氮指標(biāo)由劣Ⅴ類提高到II類。混合植物組中，處理效果最好的是槽桿荸薺混，去除率達(dá)97.40%，可將污水水質(zhì)由劣Ⅴ類提高到II類。郭杏妹等（2010）研究了3種植物對(duì)總磷和氨氮的凈化效果，主要在試驗(yàn)的前段時(shí)間，且表現(xiàn)為同步的硝化和反硝化。濕地植物群落中由于存在多種植物種類，植物的化感作用、生化他感等對(duì)污水中污染物的吸收和富集有一定的促進(jìn)效果，但也可能存在減弱作用。

3.5 濕地植物對(duì)亞硝酸鹽氮的凈化效果

各實(shí)驗(yàn)組均對(duì)污水中的亞硝酸鹽氮有明顯的凈化效果（圖5）。隨著水力停留時(shí)間的變化，污水中亞硝酸鹽氮含量隨時(shí)間的推移呈較為明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)水力停留時(shí)間＜5 d時(shí)，不同組合對(duì)各組合的去除率變化明顯，凈化效果由高到低依次為槽桿荸薺＞蘆葦＞金魚藻＞藨草＞花藺＞紫背浮萍＞蘆葦混＞槽桿荸薺混＞香蒲混＞香蒲＞慈姑＞菱角＞基質(zhì)＞對(duì)照。實(shí)驗(yàn)表明，單一植物組中，亞硝酸鹽氮處理效果好的為槽桿荸薺、蘆葦、金魚藻，去除率為83.64%。混合植物組中，亞硝酸鹽氮處理效果好的為蘆葦混，去除率達(dá)80%。與其他研究相比，濕地植物對(duì)亞硝酸鹽氮凈化效果的研究很少，其凈化機(jī)理的研究也很少，人工濕地植物去除氨氮和亞硝酸鹽氮的實(shí)驗(yàn)研究有待深入開展。

4 結(jié)論

綜上所述，本研究得到如下結(jié)論：

（1）本研究所選各種區(qū)域典型濕地植物物種，在小型濕地模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件下，單種或者混種均能有效改善取自天然河道地表水模擬的水環(huán)境質(zhì)量。

（2）不同典型濕地植物對(duì)污水中污染物和氮磷等凈化效果不同。花藺對(duì)TP、COD和氨氮凈化效果最好；香蒲混合組對(duì)TN凈化效果最好；槽稈荸薺、蘆葦和金魚藻對(duì)亞硝酸鹽氮凈化效果最好。

（3）由于種間復(fù)雜關(guān)系的存在，兩種濕地植物混種后的污水處理效果弱于分別獨(dú)種時(shí)的處理效果。

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doi:10.3969/j.issn.1673-3290.2016.02.12

收稿日期：2016-01-22

基金項(xiàng)目：國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（No：2014ZX07201-011）資助

作者簡(jiǎn)介：李廷超（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境生物學(xué)與濕地植物生態(tài)修復(fù)。 E-mail：243655132@qq.com

通訊作者：王詠，E-mail： wangy833 @nenu.edu.cn，張剛，E-mail：zhangg 217@nenu.edu.cn

Effectiveness of Water Purification by Typical Wetland Plants in Yinmahe River Basin

LI Ting-Chao WANG Yong ZHANG Gang WANG Zhao-Jun （Northeast Normal University， School of Environment， Changchun 130117）

AbstractNine typical wetland plants in Yinmahe river basin， a branch of Songhua River， were selected to study the effectiveness of purifcation by these plants separately and jointly to remove Chemical Oxygen Demand （CODcr）， nitrogen and phosphorus of the water body in Northeast China by simulated experiment of small-sized wetland with single species and species mixture.Results showed that all the selected wetland plants can improve the quality of water body of the river under the simulated environmental conditions.However， there were signifcant differences among different wetland plants in purifying to remove various pollutants in the water.Butomus umbellatus was the best in removing total phosphorus （TP）， CODcrand ammonia nitrogen （NH3-N）， with a purifcation effciency of 99.65%， 68.22% and 99.54%，respectively.Moreover， the species mixture of Typha orientalis， Trapa bispinosa and Ceratophyllum demersum were the best in removing total nitrogen （TN） with an efficiency of 66.19%， and the mixture of Heleocharis equiaetiformis， Phragmites australis and Ceratophyllum demersum were the best in removing nitrite nitrogen （NO2-N） with an effciency of 83.64%.In addition， the effectiveness of removing a single pollutant was weaker by mixture of 2 species than by single species.In contrast， the effectiveness of removing multiple pollutants by species mixture was higher than by single species.

Key wordsWetland plants； Waste water； Nitrogen； Phosphorus；Yinmahe River