綠狐尾藻人工濕地底泥中磷形態分布特征研究*

吳 曉 曾馨怡 羅 沛 劉 鋒 李寶珍 胡榮桂 肖潤林 吳金水

(1.中國科學院亞熱帶農業生態研究所，亞熱帶農業生態過程重點實驗室，長沙農業環境觀測研究站，湖南 長沙410125；2.華中農業大學資源與環境學院，湖北 武漢 430070；3.湖南農業大學生物科學技術學院，湖南 長沙 410128)

綠狐尾藻人工濕地底泥中磷形態分布特征研究*

吳 曉1,2曾馨怡1,3羅 沛1#劉 鋒1李寶珍1胡榮桂2肖潤林1吳金水1

(1.中國科學院亞熱帶農業生態研究所，亞熱帶農業生態過程重點實驗室，長沙農業環境觀測研究站，湖南 長沙410125；2.華中農業大學資源與環境學院，湖北 武漢 430070；3.湖南農業大學生物科學技術學院，湖南 長沙 410128)

構建處理不同負荷養殖廢水的綠狐尾藻人工濕地，采集濕地表層(0～5cm)、中層(5～10cm)和底層(10～20cm)底泥樣品，測定TP及有機磷含量，并用五步化學分級提取法將無機磷逐級提取為水溶性磷、鋁結合態磷(Al-P)、鐵結合態磷(Fe-P)、閉蓄態磷(O-P)和鈣結合態磷(Ca-P)，對比了各形態無機磷水平和垂直分布差異。結果表明，綠狐尾藻人工濕地表層底泥TP質量濃度在167～965mg/kg，其中有機磷占TP的66.0%(質量分數，下同)～79.2%。各形態無機磷的含量排序為：O-P>Fe-P>Ca-P>Al-P>可溶性磷。不同形態無機磷隨著底泥深度的增加變化不同，總體來看，從表層到中層，Al-P、Fe-P和Ca-P含量呈現降低趨勢，中層到底層無明顯變化規律；低負荷濕地中，O-P含量隨深度增加逐漸降低，而在中、高負荷濕地中O-P含量隨深度增加逐漸增加。相關分析結果顯示，Al-P、Fe-P、O-P含量與底泥pH和溶解性有機碳(DOC)呈顯著或極顯著正相關，說明磷在底泥中的行為易受底泥pH和DOC影響。

磷形態 底泥 垂直分布 人工濕地 綠狐尾藻

近年來，隨著我國畜禽養殖業的快速發展，越來越多的養殖廢水排放到臨近水體，對河流湖泊的水質安全造成嚴重影響。養殖廢水COD、TP含量較高，常用的處理方法有活性污泥法、生物膜法、氧化溝和人工濕地法等[1]。其中，人工濕地建設費用低廉、工藝簡便，已廣泛用于生活污水、工業廢水的末端深度處理[2-3]。

人工濕地對廢水中磷的去除途徑主要包括底泥(基質)吸附、植物吸收等，其中底泥吸附和沉降是人工濕地除磷的最主要機制[4]。現有的研究主要關注人工濕地底泥對TP的吸附和去除機制[5-7]，但TP并不能表征磷的生物有效性和移動性[8-10]。不同形態的磷在不同環境底泥中的組成結構不同，穩定性也不同。高效江等[11]發現，長江口潮灘表層底泥中磷的主要形態是無機磷，且鈣結合態磷(Ca-P)是最主要的無機磷形態。李紅芳等[12]研究了湖南長沙開慧河流域源頭區池塘底泥中無機磷的形態分布，發現金屬氧化物結合態磷是主要的賦存形式，占無機磷總量的68.5%(質量分數)。本課題組在前期研究中發現，對濕地植物多次收割有利于提高人工濕地的除磷效果[13-14]，植物的生長能夠改變濕地底泥中磷的形態特征[15]。因此，研究人工濕地底泥中磷的賦存形態，對于分析人工濕地對磷去除的強度、持久性及高效性等問題具有關鍵作用。

本研究以處理養殖廢水的綠狐尾藻表面流人工濕地為研究對象，對比了不同進水負荷下不同處理單元底泥中各形態磷的空間分布特征，并討論底泥特征與無機磷形態間的相關關系，以期揭示底泥中磷的遷移轉化機制，為強化表面流人工濕地除磷能力提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 人工濕地概況

本研究選用的濕地類型為表面流人工濕地，設計有3級獨立的濕地單元(見圖1)，沿水流方向依次為一級、二級和三級濕地，每級濕地單元長、寬、水深均為5.0、2.0、0.2 m，濕地底部填充當地水稻土，土壤基本性質為pH 6.2、密度1.31 g/cm3。濕地內種植綠狐尾藻(Myriophyllumaquaticum)，綠狐尾藻是一種多年生沉水或浮水植物，對氮、磷有較強的吸收能力。

人工濕地采用間歇式進水方式，進水量為180 L/d。試驗共設3個處理組，分別為：(1)高負荷組，處理100.0%(體積分數，下同)養殖廢水，該處理對應的3級濕地單元分別命名為HW-1、HW-2、HW-3；(2)中負荷組，處理66.7%養殖廢水+33.3%清水，該處理對應的3級濕地單元分別命名為MW-1、MW-2、MW-3；(3)低負荷組，處理33.3%養殖廢水+66.7%清水，該處理對應的濕地單元分別命名為LW-1、LW-2、LW-3。同時，設置空白對照組，處理100.0%清水，該處理對應的濕地單元分別命名為FW-1、FW-2、FW-3。

圖1 綠狐尾藻人工濕地結構Fig.1 Schematic diagram of the surface flow constructed wetlands

1.2 樣品采集

人工濕地穩定運行后，采集各濕地單元的底泥樣品，采樣方法如下：用不銹鋼采土器分別采集表層(0～5 cm)、中層(5～10 cm)、底層(10～20 cm)3個深度的底泥樣品，每個采樣點采集10個柱狀底泥樣混合均勻，采集后將樣品裝入聚乙烯塑料袋送至實驗室中4 ℃冷藏保存。分析時，取出約100 g鮮樣用于含水量、溶解性總有機碳(DOC)的測定；余下樣品經自然風干后研磨并過100目篩裝入自封袋，置于陰涼干燥處保存。

1.3 分析測定方法

將0.25 g風干底泥樣品稱入銀坩堝中加入數滴無水乙醇和2 g NaOH均勻覆蓋于樣品表面，置于馬弗爐中經逐級升溫至720 ℃灼燒熔融20 min，冷卻后用水和稀硫酸溶解轉移，以鉬銻抗比色法測定TP含量；稱取1.00 g風干底泥樣品于瓷坩堝中，在550 ℃灼燒1 h，另稱一份相同風干底泥樣品不經灼燒，隨后兩份樣品均用0.2 mol/L硫酸溶液洗滌測定TP含量，未灼燒樣與灼燒樣的差值即為有機磷含量；采用五步化學分級提取法將底泥中的無機磷分級提取為水溶性磷、鋁結合態磷(Al-P)、鐵結合態磷(Fe-P)、閉蓄態磷(O-P)和Ca-P共5種形態，提取步驟及測定方法參照文獻[16]；底泥有機質采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定；底泥鮮樣中DOC用0.5 mol/L硫酸鉀溶液振蕩浸提后采用總有機碳分析儀測定；底泥pH使用酸度計在水土質量比2.5∶1.0下測定。

1.4 數據分析

本研究中數據、圖表分析采用Excel 2003軟件完成，相關性分析采用SPSS軟件完成。

2 結果與討論

2.1 底泥中TP和有機磷的分布特征

人工濕地表層底泥理化指標、TP和有機磷質量濃度見表1。由表1可見，表層底泥中TP、有機磷質量濃度分別為167～965、37～764 mg/kg，兩者均在FW-2、FW-3中含量最低，在HW-1中含量最高。總體看來，隨著進水負荷的增加，各級濕地底泥中TP和有機磷含量逐漸增加。相同的進水負荷下，底泥TP和有機磷含量在一、二、三級濕地中逐漸降低。3種進水負荷下，一、二、三級濕地底泥有機磷占TP的質量分數分別為75.7%～79.2%、67.3%～73.9%、66.0%～69.8%。可見，有機磷占TP的比例隨水流方向逐漸降低，這可能與底泥的吸附、濕地植物綠狐尾藻和微生物對磷的轉化利用有關。

表1 表層底泥理化指標和各形態無機磷質量濃度1)

注：1)“-”表示低于檢出限。

2.2 底泥無機磷的空間分布特征

底泥中各形態無機磷質量濃度見表1，其在無機磷中所占的質量分數見圖2。總體而言，5種形態無機磷含量的排序為O-P>Fe-P>Ca-P>Al-P>水溶性磷。水溶性磷相對最低，占無機磷的1.0%左右。這與前人在Swarzewo濕地[17]及希臘Volvi河和Koronia河[18]底泥中水溶性磷占比偏低的研究結果一致。水溶性磷具有很高的生物可利用性，有利于植物吸收利用。本研究中人工濕地底泥水溶態磷的含量低，而且不受進水濃度影響，這與水溶態磷能被綠狐尾藻的快速生長所利用有關。Al-P、Fe-P也是生物可利用的磷，且當環境條件合適時能與基質中的OH-、陰離子有機配體和水溶性磷發生交換，特別是當底泥缺氧時，會釋放到水體中被植物體利用。底泥中Al-P、Fe-P分別占無機磷的0.9%～8.9%、28.0%～42.7%。除HW-2外，底泥Al-P含量隨著進水負荷的增加而增加。O-P是底泥中無機磷的主要存在形態，占無機磷的34.8%～62.3%。總體看來，一、二級濕地O-P含量隨著進水負荷的增加逐漸增加，而在三級濕地中該趨勢并不明顯。Ca-P屬于底泥惰性磷組分，是生物難利用性磷。本研究中底泥Ca-P僅占無機磷的5.5%～19.3%，各進水負荷底泥Ca-P含量在一、二、三級濕地逐級遞減，其所占無機磷質量分數也總體下降。

圖2 人工濕地表層底泥各形態無機磷的質量分數Fig.2 The relative abundance of inorganic phosphorus fractions in surface sediments

綠狐尾藻人工濕地底泥Ca-P不是主要的無機磷形態，這與大部分河流底泥中無機磷以Ca-P為主的結果不一致[19]。主要原因可能有：(1)進入綠狐尾藻人工濕地的養殖廢水中Ca2+含量較低，同時底泥中原有的Ca2+含量本身也不高；(2)底泥的pH為弱酸性，不利于Ca-P的生成和穩定；(3)其他形態無機磷向Ca-P轉化需要一定的時間，而本研究中的人工濕地正式運行不到兩年。此外，人工濕地中綠狐尾藻的生長對磷具有較高的吸收利用潛力，會改變各形態無機磷在底泥中的比例和轉化規律。本課題組前期研究發現，位于水面以上部分的綠狐尾藻單位干質量中的含磷量在3.5～8.9 g/kg，以每年能收割綠狐尾藻的生物量(濕質量計)為13.0～32.8 kg/m2，則植物收割除磷量占人工濕地除磷總量的比例達2.1%～100.0%，不同負荷的處理單元差異顯著。

2.3 各形態無機磷的垂直分布

由于底泥中水溶性磷含量較低，以下僅對3個養殖廢水處理組底泥中的Al-P、Fe-P、O-P、Ca-P 進行垂直分布分析，結果見圖3。由圖3(a)、圖3(b)可見，除LW-3的Al-P外，底泥中Al-P、Fe-P在表層到中層均呈降低趨勢，中層到底層變化無明顯規律；Al-P和Fe-P最大降幅均出現在HW-1，降幅分別達到53.9%、33.3%。Al-P、Fe-P在底泥中的垂向分布規律與底泥粒度、黏粒含量和氧化還原電位等環境因子有關。研究表明，底泥中溶解氧濃度從表層到中層逐漸降低，底泥的還原能力增強，Al-P、Fe-P易被還原溶解，逐漸轉化為其他形態無機磷[20]。另一方面，隨著深度的增加，非晶氧化物礦物逐步變得有序化，鐵氧化物和氫氧化物與磷結合能力逐漸減弱[21]，這可能導致了Fe-P含量在垂直方向隨深度增加而總體降低。

O-P作為一種穩定態磷，是被束縛在硅酸晶格內、外表包被著鐵氧化物膠膜的還原性磷酸鹽，短期內很難分解，一般不參與濕地系統的磷循環過程。圖3(c)顯示了在低負荷的LW-1、LW-3中隨著垂直深度增加，O-P含量隨之降低；而在中、高負荷條件下，隨著深度的增加O-P含量逐漸增加，呈現與低負荷相反的變化規律，這可能與中高負荷濕地底泥的還原性更強有關。由圖3(d)可以看出，各濕地底泥表層Ca-P含量最高，底層與中層Ca-P含量變化規律不明顯，說明Ca-P以底泥表面沉淀為主。

2.4 各形態無機磷與環境因子的關系

環境條件和底泥的理化性質會影響各形態無機磷在底泥中的分布[22]。本研究僅討論底泥pH、DOC和有機質對各形態無機磷分布的影響，并討論各形態無機磷潛在的相互轉化關系。人工濕地底泥中各形態無機磷之間及其與底泥性質的相關性分析結果見表2。由表2可見，底泥TP與pH、DOC極顯著正相關(P<0.01)，與有機質無顯著相關性(P>0.05)，表明底泥中的TP含量受底泥pH和DOC影響明顯，且TP在底泥中易與DOC結合。Al-P、O-P與底泥pH、DOC也呈極顯著正相關(P<0.01)，Fe-P與底泥pH、DOC呈顯著正相關(P<0.05)，而水溶性磷和Ca-P與底泥pH、DOC無顯著相關性(P>0.05)，說明Al-P、Fe-P、O-P這3種形態無機磷更易受底泥pH和DOC含量的影響，底泥和水中的DOC能影響Al-P、Fe-P、O-P在底泥中的遷移轉化行為，決定磷在底泥的賦存形態。

圖3 各形態無機磷的垂向分布Fig.3 Vertical distribution of inorganic phosphorus fractions in sediment

指標pHDOC有機質TP水溶性磷Al-PFe-PO-PDOC0.820**有機質-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)“*”表示顯著相關(P<0.05)；“**”表示極顯著相關(P<0.01)。

底泥中Al-P與Fe-P極顯著正相關(P<0.01)，這可能是底泥中鐵鋁化合物之間相互作用的結果。Al-P可以在一定條件下與Fe-P相互轉化，這是底泥與上覆水之間磷交換的重要形式。Fe-P受底泥氧化還原電位的影響顯著，底泥還原性越強，Fe-P越容易釋放，底泥中的Fe-P含量就越低[23]。另一方面,膠體鋁在還原條件下可以將Fe(OH)3包裹的正磷酸鹽置換而從底泥釋放，同時鐵氧化物也能通過配位體交換影響Al-P行為。研究表明，Ca-P在弱堿性水環境中活性很低，不易受環境條件的影響。本研究中Ca-P僅與O-P呈顯著負相關(P<0.05)，說明了Ca-P是比較穩定的無機磷形態，不易受其他形態無機磷或者底泥性質的影響，此外也暗示了O-P向Ca-P轉化的潛力。

研究表明，通過添加外源性碳源能提高聚磷菌對磷的固定從而改變磷在底泥中的形態，增加人工濕地除磷效率[24]；綠狐尾藻根系分泌物能提高底泥有機碳含量，增加底泥對磷的吸附能力[25]。本研究中底泥TP和Al-P、Fe-P、O-P 3種形態無機磷易受底泥DOC含量的影響，間接證實了添加外源性碳源也有利于各形態無機磷的轉化。此外，為了進一步提高人工濕地對磷的去除效率，可通過外加碳源增加底泥及微生物對磷的吸附和固定，采用富含Al3+、Fe3+、Ca2+的吸附材料作為濕地基質增強濕地對磷的吸附能力[26]，或在人工濕地系統前添加石灰增加Ca-P的沉淀[27]。

3 結 論

(1) 綠狐尾藻人工濕地表層底泥中TP在167～965 mg/kg，有機磷占TP的66.0%～79.2%；無機磷以O-P為主，不同形態無機磷總體呈O-P>Fe-P>Ca-P>Al-P>水溶性磷規律。

(2) 各形態無機磷隨著底泥深度的增加變化不同，總體來看，從表層到中層，Al-P、Fe-P和Ca-P含量呈現降低趨勢，中層到底層變化無明顯規律；在低負荷濕地中O-P含量隨深度增加逐漸降低，而在中、高負荷的濕地中隨深度增加逐漸增加。

(3) 相關性分析顯示，底泥TP、Al-P、Fe-P、O-P的含量與底泥pH和DOC呈顯著或極顯著正相關，說明磷在底泥中的行為易受底泥pH和DOC的影響。Al-P與Fe-P含量呈極顯著正相關，說明Al-P與Fe-P之間存在相互轉化的情況，Ca-P與O-P呈顯著負相關，說明O-P有向Ca-P轉化的潛力。

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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

吳 曉，男，1991年生，碩士研究生，主要從事土壤環境與農業生態方面的研究。#

。

*國家重點研發計劃項目(No.2016YFE0101100)；中國科學院先導專項(No.XDB15020401)。

2017-02-18)