2020, Vol. 39
2. 中国科学院亚热带农业生态研究所, 长沙 410125;
3. 湖南师范大学资源与环境科学学院, 长沙 410006;
4. 中山市生态环境局, 广东 中山 528403
2. Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China;
3. School of Resources and Environmental Science, Hunan Normal University, Changsha 410006, China;
4. Zhongshan Bureau of Ecology and Environment, Zhongshan 528403, China
农业面源污染已经成为我国水环境所面临的主要问题。根据最新《第二次全国污染源普查公报》显示，农业源污染水体中总磷、总氮排放量和化学需氧量分别为21.20万、141.49万、1 067.13万t，分别占全国水体污染物排放总量的67.2%、46.5%和49.8%[1]，农业源的磷排放是水体污染的最主要来源。据研究，进入滇池、巢湖的农业源总磷（TP）污染负荷都超过50%[2-3]，太湖流域高达84%[4]。农业源污染中TP排放量已接近排放总量的70%，且目前我国各大主要湖泊河流都面临着严重的磷威胁，因此研究如何减轻农业农村污水中磷负荷对于农业面源污染的治理具有重要意义。人工湿地具有良好的生态修复能力且能对废水中磷素进行资源化再利用[5]，现已发展成为面源污染治理的关键技术手段[6]。人工湿地中磷的去除难度大，除磷机制单一，一般以底泥吸附为主[7-8]，植物吸收为辅，微生物利用相对较弱。湿地底泥将污水中磷素截留，但高磷含量的底泥有成为二次污染源的风险[9]。因此通过不同植物组合模式以提高植物对磷素的吸收比例，是脱除污水中磷素的有效途径。
目前，对于植物湿地的研究较多。徐寸发等[10]用水浮莲（Pistia stratiotes）和水葫芦（Eichhornia crassipes）组合构建生态净化塘对污水中TP和可溶性磷酸盐的去除率分别为78.57%和80.64%。张泽西等[11]选取水葱（Scirpus validus）、千屈菜（Lythrum salicaria）、黄花鸢尾（Iris wilsonii）、小香蒲（Typha minima）和狐尾藻（Myriophyllum verticillatum），配置成10种植物组合人工浮岛进行室内试验，结果表明种植水葱+狐尾藻的人工浮岛对水中磷酸盐的去除率最高，为94.07%，种植水葱+黄花鸢尾+狐尾藻的人工浮岛对水中TP的去除率最高，为89.73%。刘建伟等[12]通过对美人蕉、黄菖蒲和水葱3种挺水植物室内试验得出，美人蕉对水体中磷的去除效果相对较好，对TP的去除率为72.4%，对正磷酸盐的去除率为69%。水生植物能增加湿地除磷负荷，多元化除磷机制，稳定和提高出水水质[13-15]。但目前多数研究主要关注植物湿地对污水中磷的去除效率，在水生植物影响下人工湿地各主要除磷机制的响应及机理少有报道，且废水中磷素资源化利用的目标没有真正落实。绿狐尾藻收割后能加工成饲料进行利用，实现磷资源化的同时还将产生一定经济效益[16-17]。因此，探讨磷素高效吸收的植物组合模式是实现污染治理生态效益与经济效益有机结合的关键点。基于此，本文通过野外小区试验，选用浮水植物绿狐尾藻和3种大型挺水植物进行组合，筛选出除磷效果较好的植物组合模式，研究植物组合对湿地主要除磷途径的影响，以期为亚热带丘陵区农村污水人工湿地生态治理以及污水磷素资源的高效利用提供参考和依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于湖南省长沙县开慧镇（113°24′20″E、28°57′ 80″ N），地处东亚季风区，属典型亚热带湿润季风气候区，区内年均气温16~20 ℃，全年无霜期260~300 d，日照时数1 600~1 800 h，热量充足。年均降水量1 394.60 mm，降水主要集中在4—7月。当地土地利用类型主要为稻田（36.47%）、园地（3.40%）、林地（49.01%）等。区域内分散生猪养殖户较多，养殖废水排放后对地表水所造成的影响较大。
1.2 试验设计以农村污水为治理对象，通过不同植物组合模式湿地对其进行生态治理。共设置5个处理，分别为绿狐尾藻+黄菖蒲（Myriophyllum elatinoides + Iris pseudacorus）、绿狐尾藻+水生美人蕉（Myriophyllum elatinoides + Canna glauca）、绿狐尾藻+梭鱼草（Myriophyllum elatinoides + Pontederia cordata）、绿狐尾藻（Myriophyllum elatinoides）、对照组（不种植水生植物），每种处理模式设置3次重复，共15个小区，小区布置见图 1。混合种植小区挺水植物种植密度为2丛·m-2，每丛3株。绿狐尾藻覆盖度要求达到80%以上。试验采用三级表面流人工湿地对农村污水进行净化，小区规格为：长×宽×深=18 m×2.4 m×0.5 m，分为3级，水深控制在30 cm。水力停留时间为7 d。
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图 1 小区布置示意图 Figure 1 Plot layout |
试验水源为附近排水沟渠中的农村污水，为养殖废水、生活污水、农田径流等污水混合。该湿地小区于2018年12月开始建设并种植水生植物，待全部植物成活并进入正常生长阶段以后，于2019年3月正式开始运行，按计划进行相关的监测、采样和分析工作。
1.3 样品采集与指标测定本研究设定的观测指标主要包括：水样磷[总磷（TP）、颗粒态磷（PP）、溶解性总磷（DTP）、无机磷（DIP）、有机磷（DOP）]、植物全磷、底泥全磷、水质物理指标[酸碱度（pH）、温度（T）、电导率（EC）、氧化还原电位（Eh）、溶氧量（DO）]。
1.3.1 湿地水样2019年3—9月，在各小区进水口及出水口取样，每10 d取样1次；用钼锑抗显色法分析水样TP浓度。污水各形态磷含量测定于每月28日取样分析测定，水样经0.45 μm微孔滤膜过滤后用于DTP和DIP的测定，用差减法计算PP、DOP的浓度。
1.3.2 底泥样品每月28日在各小区内取样。底泥采集方法：在每个植物区内设置3个代表性0.5 m×0.5 m的样方（均匀布置在小区对角线上），在样方内多点采集15 cm深度底泥，均匀混合。带回实验室，风干后混匀、磨碎、过筛（90.25 mm）。底泥中TP的测定用硫酸-高氯酸（H2SO4-HClO4）法。
1.3.3 植物样品每月28日采集一次植物样品。植物样品采集方法：每个植物区选取植物长势较一致的3个样方，样方选取面积为0.5 m×0.5 m（均匀布置在小区对角线上）。植物带回实验室处理后置于105 ℃烘箱中杀青30 min，80 ℃下烘至恒质量，研磨、过筛（60目）后经硫酸-双氧水（H2SO4-H2O2）消煮，钼锑抗显色后测定TP含量。
1.4 数据计算与分析采用Excel 2010和SPSS 22软件进行作图和统计分析，所有处理3个重复，结果以平均值±标准差表示。所有测试指标的显著性检验采用Duncan法，当统计检验的显著性水平P < 0.05时差异显著。相关性检验采用Pearson法，相关性在0.01以上极显著（**，双尾），相关性在0.05以上显著（**，双尾）。
2 结果与分析 2.1 不同植物组合模式湿地对污水中磷的处理效果对不同植物组合模式下水体磷素含量的动态监测结果（图 2）显示，进水TP浓度波动性较大，其中3—5月在5.19~5.95 mg·L-1，6—7月在3.37~4.87 mg· L-1，8—9月显著降低至2.14~2.32 mg·L-1。但各植物组合模式的出水仍维持在相对稳定状态，7月出水TP浓度相对较高。各植物组合对污水中TP去除率总体较稳定，在80%~95%，显著高于无植物的对照处理。对照处理变化幅度较大（50%~90%），尤其在后期（7—9月）去除率明显下降。
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图 2 进水和各植物组合出水TP浓度 Figure 2 The concentrations of TP of inlet and outlet water of each plant combination |
图 2显示，各处理出水TP平均浓度较进水浓度均有显著降低（P < 0.05）。植物组合湿地出水TP浓度在0.34~0.48 mg·L-1，对污水中TP的平均去除率在89%~92%，显著优于对照处理。绿狐尾藻+梭鱼草湿地处理效果最佳，出水TP平均浓度为0.34 mg·L-1，平均去除率达到92%。其余组合无显著差异。整个试验期，绿狐尾藻湿地出水TP平均浓度为0.46 mg·L-1，对污水TP平均去除率为89%。对照组对污水TP平均去除率75%，出水平均浓度0.97 mg·L-1。9月绿狐尾藻+梭鱼草湿地出水TP浓度达最低值0.12 mg·L-1，去除率为87%。
对污水中各形态磷的去除效率如图 3所示，对于污水中PP的去除效率各月份之间差异不显著（P> 0.05），植物组合中PP处理效率随着时间变化无明显规律。各处理组合之间以空白组处理效果明显优于有植物组合，空白组去除率稳定在70%~80%，植物组合在5、7月去除率有两次小幅度上升；各处理组湿地对于污水中DTP的去除率由高到低依次为绿狐尾藻+梭鱼草>绿狐尾藻+黄菖蒲>绿狐尾藻+美人蕉>绿狐尾藻>对照。随时间的变化，各植物组合对于DTP的去除效率先下降后上升，6月去除率达到最低值，在80%左右。对照组DTP处理效率则表现为随时间变化而下降，8月达到最低值65%。对于DIP的去除率与DTP规律基本一致。各处理组污水中DOP的去除率，各植物组合都维持在80%~90%，其中以绿狐尾藻+黄菖蒲组合表现最佳，对照组最差，其余组合无显著差异（P> 0.05）。整体而言，对各形态磷去除率最好的是绿狐尾藻+梭鱼草组合。对照组对于DTP的去除效率均随时间变化而不断下降，对于PP的处理效率随时间无明显下降趋势。
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图 3 污水中各形态磷的去除率 Figure 3 Removal rates of various forms of phosphorus in sewage |
不同组合湿地底泥TP含量的结果（表 1）表明，植物组合湿地、绿狐尾藻湿地和对照湿地间差异显著（P < 0.05），说明植物组合能直接影响底泥TP含量。植物组合湿地中，绿狐尾藻+梭鱼草湿地与其余两组植物组合湿地中底泥TP含量具有显著差异（P < 0.05）。同组合不同月份底泥TP含量的比较分析结果表明，各植物组合底泥TP含量在3—7月快速增加，表现出显著差异性（P < 0.05）。其中，7月最高，各处理底泥TP在0.75~0.81 g·kg-1，3月最低，仅为0.21~ 0.31 g·kg-1。而7—9月缓慢上升，差异性不明显（P> 0.05）。9月，各组合底泥TP含量均到达最大值。绿狐尾藻+梭鱼草组合底泥TP含量最高，达0.87 g·kg-1，绿狐尾藻+黄菖蒲组合最低，仅为0.78 g·kg-1。低于同期绿狐尾藻湿地（0.83 g·kg-1）和对照湿地（0.85 g· kg-1）底泥TP含量。
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表 1 不同植物组合湿地中底泥TP含量变化（g·kg-1） Table 1 Changes of TP content in sediments of wetlands with different plant combinations(g·kg-1) |
不同组合湿地水生植物TP含量变化见图 4，各植物组合中挺水植物体内TP含量均与绿狐尾藻TP含量具有显著差异。各组合中绿狐尾藻TP含量5—9月出现差异性，5月最高，6月最低。单一绿狐尾藻处理中TP含量略高于各植物组合，其TP含量变化范围在2.31~4.34 g·kg-1。随时间变化，绿狐尾藻植株TP含量呈“M”型变化趋势，挺水植物表现为“V”型。除梭鱼草外，其余水生植物体内TP含量在6月均达到最低值。6月，美人蕉最低为2.17 g·kg-1，绿狐尾藻最高3.11 g·kg-1。9月收割时，梭鱼草TP含量最高，达到3.88 g·kg-1。美人蕉最低，仅3.11 g·kg-1。水生植物TP含量与植株生长状况有一定关系。
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图 4 水生植物TP含量 Figure 4 The content of TP in the aquatic plants |
各阶段收割水生植物生物量如表 2所示，各组合中绿狐尾藻分别于4、6、9月收割3次，挺水植物于9月一次收割。植物组合湿地总生物量相对于绿狐尾藻均有所提高。其中绿狐尾藻+黄菖蒲组合提升幅度最小。绿狐尾藻+梭鱼草组合最为明显，单位面积梭鱼草生物量达到1.56 kg·m-2。后期（7—9月）植物组合中绿狐尾藻生长受到一定抑制作用，绿狐尾藻生物量随着时间变化呈现递减趋势，以绿狐尾藻+梭鱼草组合中绿狐尾藻生物量递减程度最明显。
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表 2 不同水生植物组合生物量及除磷量 Table 2 The biomass and phosphorus removal of aquatic plants with different plant combination patterns |
湿地磷去向如表 3所示，试验期间各处理湿地的单位面积除磷量为39.62~47.13 g·m-2。植物组合能有效降低底泥吸附比例。试验中，不同湿地底泥除磷量在33.54~37.13 g · m-2，占除磷总负荷的72.44%~ 93.73%，对照湿地底泥贡献高达93.73%，绿狐尾藻湿地次之为77.33%，绿狐尾藻+梭鱼草湿地最低72.44%，低于对照近21%。植物除磷量在9.26~12.51 g · m-2，植物吸收占湿地除磷总负荷的20.26%~ 26.54%。植物组合湿地植物贡献有不同幅度提升，均高于单一绿狐尾藻湿地（1%~6%）。绿狐尾藻+梭鱼草湿地最高为26.54%，绿狐尾藻+美人蕉湿地次之，占比21.94%。其余组合差异不显著（P> 0.05）。
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表 3 不同植物组合湿地中磷的去向 Table 3 The fate of phosphorus in wetland with different plant combinations |
分析湿地主要水环境因子与去除率相关性（表 4）得出，去除率与Eh变化呈极显著正相关关系, 与温度（T）变化呈极显著负相关关系，与pH呈显著正相关关系。表明湿地氧化还原电位及pH在一定范围内的升高，有助于湿地对于磷素的消纳。湿地各个水环境因子之间也相互影响，Eh、DO与pH、T之间相关性均显著，与EC值变化均不显著。
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表 4 湿地水环境与污水TP去除率相关性 Table 4 Correlation between wetland water environment and TP removal rate |
底泥吸附是湿地运行前期的主要除磷途径，本研究中底泥吸附贡献占湿地除磷总负荷的72.44%~93.73%，与大部分研究中的70%~87%基本一致[7-8]。各处理底泥吸附容量在33.54~37.13 g·m-2，对照湿地底泥吸附容量最高（37.13 g·m-2），绿狐尾藻+黄菖蒲湿地最低（33.54 g·m-2）。对照组中缺少植物的吸收作用，主要通过物理吸附和沉淀来去除水中磷素，当底泥将污水中的磷素沉淀吸附之后无法通过植物来进行资源化利用。而底泥贡献量取决于底泥的吸附能力，张树楠等[9]研究表明当地土壤吸附能力Smax大约在0.39~0.56 g·kg-1。李红芳等[18]研究中当地部分池塘底泥TP可达到0.83 g·kg-1，底泥磷含量与此次试验结果接近。但湿地底泥吸附量在湿地运行的各阶段差异显著。由表 1可以看出，3—6月底泥TP迅速积累。底泥吸附分为快吸附和慢吸附两个阶段，快吸附阶段吸附量大、时间短[9]。绿狐尾藻湿地中底泥吸附量大于其他浮水+挺水植物组合，原因在于不同类型的植物对营养元素的利用方式不同，浮水植物直接吸收废水中氮磷等物质[10, 19]。而挺水植物则更多是通过根系来利用基质底泥中的磷素[20-21]。因此通过挺水植物自身吸收利用能在一定程度上降低底泥TP含量和底泥TP释放风险，延长人工湿地运行寿命[22]。各植物组合中，绿狐尾藻+黄菖蒲组合腾空底泥磷库效果最明显，绿狐尾藻+梭鱼草组合相对较弱。可能黄菖蒲根系发达、酶活力强，有助于从底泥中汲取营养物质[12]，而梭鱼草根系细小密集，扎根表层土壤，起到机械滤清作用，能截留污水中的磷素[23]。在多级人工湿地中，一般以第一级湿地底泥磷素最先达到动态平衡状态，末端湿地具有延迟效应[16]。因此，绿狐尾藻+黄菖蒲组合适宜湿地前端种植，绿狐尾藻+梭鱼草组合应用于末端处理可强化出水水质。
3.2 湿地植物的除磷贡献如表 3所示，试验期间各组合中通过多次收割植物的除磷总量在9.26~12.51 g·m-2，植物组合湿地较绿狐尾藻湿地中植物贡献提高1%~6%。植物除磷量与植物生物量和植株磷含量密不可分，而且植物磷含量与其生长状况相关。图 4中绿狐尾藻植株磷含量呈“M”且后期峰值低于前期，挺水植物表现为“V”型趋势，后期含量有所升高。这可能是由于绿狐尾藻以直接利用废水中磷素为主，后期进水磷浓度下降限制了磷素供应。挺水植物以底泥中磷素为主要来源，底泥磷含量后期达到一定水平，供给充足，利于其生长。绿狐尾藻能在高氨氮环境中较好地生存，具有生长迅速和吸收高浓度氮磷等特点[17]。挺水植物凭借发达的根系能吸收基质底泥中的营养与水分，对外界恶劣环境具有较强的抵御能力[24]。绿狐尾藻在夏季高温季节生长迟缓，甚至进行休眠，还易受虫害影响[17]，物种多样性越高生态功能也随之越完善，相应地对外界刺激的耐受能力越强。植物组合中植物除磷贡献均有不同程度的提升，绿狐尾藻+梭鱼草组合提升效果最为明显，植物除磷量达12.51 g·m-2，而美人蕉组和黄菖蒲组提升效果较弱。梭鱼草在绿狐尾藻生长迟缓时发挥种间优势，使得湿地系统保持高效率的植物吸收机制。7—9月是梭鱼草旺盛生长的时节，期间梭鱼草进行大量分蘖，使其生物量快速增加且植株体内TP含量能达到全年最大值[23]。本次试验梭鱼草的除磷量低于刘霄等[25]盆栽试验中的25.42 g·m-2，高于王丽莎等[26]试验中的4.69 g·m-2，可能与进水浓度有关。植物组合对于低浓度废水处理效果优于高浓度污水[15]。试验中植物吸收占湿地除磷量的20.26%~ 26.54%，高于李林峰等[27]研究中利用植物湿地处理低浓度污水（进水TP浓度0.15 mg·L-1）的0.8%~9.6%，但低于吴晓[16]利用绿狐尾藻处理中低负荷的养殖废水（进水TP浓度25.5~44.5 mg·L-1）试验中的22.5%~ 59.6%。说明浮水+挺水植物种植模式生态位分化合理，能提高湿地除磷量，有利于农村污水中磷素的资源化利用。
3.3 湿地除磷效果影响因素分析植物组合通过对湿地中各除磷机制直接或间接的影响，对湿地的整体除磷效率有着不同程度的提升。植物组合对于PP的处理效率低于对照组，且对照组的处理效率没有随湿地运行时间变化而发生明显的下降。分析原因在于PP主要通过物理沉淀而被去除[28]，所以当湿地底泥磷含量升高，底泥吸附能力减弱时，对照组的PP处理效率没有很大的浮动。PP难以被植物利用，且试验中观察到绿狐尾藻湿地由于其自身生长代谢会产生许多植物组织残渣，这可能是造成植物湿地PP处理效率低于对照组的主要原因[17]。当4、6月收割完绿狐尾藻，次月湿地对于PP的处理效率明显回升，也为该推测提供了佐证。湿地进水中DIP是DTP的主要组分，所以两者有相近的趋势[24]。前期湿地对于DTP的消纳以基质吸附为主要途径，当底泥磷含量不断升高，吸附能力减弱，处理效率也随之下降[9, 18]。但是后期（6—9月）进水TP浓度大幅降低，此期间为挺水植物生长的主要阶段，水生植物对于无机磷的需求变大，促使植物组合湿地维持较高的处理效率而对照组明显下降[23]。在湿地短期运行过程中以基质吸附为主要除磷途径，在长期过程中植物吸收将起到主要作用[27]。前人研究表明黄菖蒲具有发达的根系活力，这可能是其植物组合湿地对DOP的利用高于其他植物组合的主要原因[12]。7月，各组合出水浓度上升，处理效率下降。由于底泥磷含量的积累使其吸附能力衰减，且受进水磷浓度回升的影响，进一步导致处理效率的下浮。
浮水+挺水植物组合湿地对于农村污水中TP处理效果优于单种绿狐尾藻湿地及对照湿地。以梭鱼草组合处理效率提升最为明显，其余2种植物组合之间差异不显著（P < 0.05）。于对照组而言，以绿狐尾藻为主的浮水+挺水植物组合通过植物自身吸收利用是使湿地处理效率提升的直接原因。且植物能改善湿地微环境，进一步促进湿地生态系统的除磷效率。分析湿地各环境因子与磷去除效率之间的相关性，结果如表 5所示，污水TP去除效率与水环境中温度（T）显著负相关，与酸碱度（pH）、氧化还原电位（Eh）正相关。pH值的变化规律与溶解氧呈极显著正相关。这与王荣等[28]研究结论一致，温度过高会导致底泥中内源的磷释放，从而增加湿地水体磷浓度。pH值8~12的碱性条件有利于基质对TP的吸附[29]。溶解氧直接决定湿地内部的氧化还原条件，但植物一般对根区周围局部溶氧影响较大，往往形成根区富氧环境，而对于整个湿地系统溶氧水平可能影响较小。湿地内部以缺氧、厌氧环境为主，但植物能在一定程度上改善这种情况，好氧环境有利于湿地除磷[30]。由此，可以得出植物主要通过改善湿地环境因子而间接影响底泥对于污水TP的吸附与解吸。另外，植物能为微生物提供生存繁殖场所和通过改善湿地微环境而影响微生物活性，从而增加湿地除磷效率[31]。
4 结论（1）植物组合模式下湿地单位面积除磷负荷在45.50~47.13 g·m-2，底泥TP积累量在33.54~34.73 g· m-2，底泥吸附贡献占湿地除磷负荷的72.44%~ 75.62%。相较于绿狐尾藻湿地，绿狐尾藻与挺水植物混种模式能增加湿地单位面积除磷负荷0.21~1.42 g·m-2，且能降低底泥吸附磷贡献比例1.71%~4.89%，能延缓底泥吸附饱和，降低底泥磷释放风险。
（2）植物组合湿地中单位面积植物TP积累量在9.65~12.51 g · m-2，绿狐尾藻+梭鱼草湿地最大为12.51 g · m-2。植物吸收占湿地除磷贡献比例为21.23%~26.54%。采用浮水植物+挺水植物组合模式能增加湿地磷素去除。相较于单一种植绿狐尾藻湿地，增加了植物吸收磷贡献比例0.97%~6.28%。
（3）各植物组合湿地出水平均浓度为0.34~0.48 mg·L-1，绿狐尾藻+梭鱼草湿地对污水处理效果最好，平均去除率为92.0%。
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