全 文 ：水化硅酸钙强化穗状狐尾藻对底泥磷吸收能力的研究
俞泓霞 , 陈 纲 , 李春杰 , 陈雪初 , 张海春 , 孔海南
(上海交通大学 环境科学与工程学院 , 上海 200240)
摘 要: 通过在底泥中添加聚磷材料———水化硅酸钙来强化穗状狐尾藻对底泥中磷的吸收
能力。比较了在不同的水化硅酸钙投加量以及底泥含磷量下 ,植物的生长情况以及上覆水的 SRP、
pH。结果表明 ,水化硅酸钙对于植物生长有明显的促进作用 ,投加量为 20 g时穗状狐尾藻的总质
量增加了 20%,而未投加水化硅酸钙时 ,穗状狐尾藻的总质量反而减少了 4.79%;投加水化硅酸钙
能够促进底泥中磷的释放 ,并且该作用随水化硅酸钙投量的增加而变大;投加水化硅酸钙会提高水
体的 pH值 ,使水体的碱性增强 ,而植物的缓冲作用会削弱 pH的变化 ,将 pH值维持在 8.5左右。
关键词: 水化硅酸钙; 底泥; 穗状狐尾藻; 磷吸收
中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:1000 -4602(2009)01-0005-04
StudyonPhosphorusUptakefromSedimentbyMyriophylumSpicatum
EnhancedbyCalciumSilicateHydrate
YUHong-xia, CHENGang, LIChun-jie, CHENXue-chu, ZHANGHai-chun,
KONGHai-nan
(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering, ShanghaiJiaotongUniversity, Shanghai
200240, China)
Abstract: Aphosphorusenrichmentmaterialcaledcalciumsilicatehydratewasaddedintosedi-
menttoenhancePuptakecapacityofmyriophylumspicatum.Thehydrophytegrowth, SRPandpHino-
verlyingwaterwerecomparedunderdiferentdosagesofcalciumsilicatehydrateandatdiferentconcen-
trationsofphosphorusinsediment.Theresultsshowthatcalciumsilicatehydratecanenhancehydrophyte
growth.Whenthedosageofcalciumsilicatehydrateis20 g, theweightofmyriophylumspicatumisin-
creasedby20%.Whencalciumsilicatehydrateisnotused, theweightofmyriophylumspicatumisde-
creasedby4.79%.However, calciumsilicatehydratepromotesPreleaseinsediment, andthisactionis
increaseswithincreasingofcalciumsilicatehydrate.Additionaly, calciumsilicatehydrateincreasesthe
pHofoverlyingwater.ThehydrophytescanreducethisefectandmaintainpHataround8.5.
Keywords: calciumsilicatehydrate; sediment; myriophylumspicatum; phosphorousup-
take
湖泊富营养化已经成为日益突出的一个问题 ,
而底泥中营养盐的释放通常被认为是上覆水体营养
盐的主要来源[ 1] 。同时 ,大量研究表明磷是水体富
营养化的限制因子 [ 2 ～ 4] 。因此 ,底泥中磷的释放应
该受到重视 。
由于沉水植物能吸收大量的磷 ,已被广泛应用
于富营养化水体的治理中 。但饮用水源地的水量
大 、营养盐浓度较低 ,且底泥中的磷大多以结合态形
式存在 ,难以被沉水植物直接吸收和利用[ 5] 。针对
这个问题 ,笔者尝试在底泥中添加水化硅酸钙来富
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第 25卷 第 1期
2009年 1月
中 国 给 水排 水
CHINAWATER＆WASTEWATER
Vol.25 No.1
Jan.2009
集底泥及上覆水中的磷 [ 6] ,从而强化沉水植物对底
泥中营养盐的吸收能力。
1 材料与方法
1.1 试验材料
为保证穗状狐尾藻生长条件的稳定 ,在人工气
候室进行试验。气候室内相关参数:光暗比为 14 ∶
10 ,光照度为 4 000 lx,温度为(25±1)℃。
按文献 [ 7]中所述方法制备水化硅酸钙 。使用
时将大块水化硅酸钙敲碎 ,用研钵粉碎后过 100目
筛 。
2008年 1月 10日取上海交大闵行校区华联服
务中心门前二号河中表层 5 cm的底泥 ,自然风干 ,
粉碎后过 16目筛 ,备用 。
考虑到适应能力及光合作用速率 ,沉水植物选
用穗状狐尾藻 。 2008年 5月 25日 ,于徐汇区吴越
片厂院内的一条小河中采集穗状狐尾藻 ,采集时将
浮岛外的穗状狐尾藻整株拔出 ,用塑料袋带回实验
室 。
试验用水采用上海交大闵行校区第三食堂前小
湖中的湖水 , 其 TP为 0.120 mg/L, SRP为 0.046
mg/L, TN为 0.444 mg/L, pH值为 7.56。
1.2 试验方法
① 含磷泥的准备
由于采集的底泥样品含磷量较少 ,释放过程不
明显 ,考虑投加 KH2PO4来增加底泥的磷含量 。准
备 1 kg底泥样品 ,在 8个玻璃水槽(记作 1# ～ 8#)中
分别加入 4 L磷浓度为 15 mg/L的 KH2PO4溶液 ,
在另外 4个水槽(记作 9#～ 12#)中分别加入 4 L磷
浓度为 7.5 mg/L的 KH2PO4溶液 ,待底泥自然沉降
后吸走上覆水 ,静置 48 h。
② 正交试验设计
通过比较有植物组与无植物组在不同水化硅酸
钙投量及底泥含磷量下 ,上覆水中 SRP、pH的变化
来考察投加水化硅酸钙的强化作用。正交试验设计
见表 1。
表 1 正交试验设计
Tab.1 Designoforthogonaltest
水化硅酸钙投量 /g 0 5 10 20
高浓度 无植物 1
# 2# 3# 4#
有植物 5# 6# 7# 8#
低浓度 无植物 9
# 10#
有植物 11# 12#
将狐尾藻截成 25 ～ 30 cm的小段 ,并使其同时
具有冠部和根部。每 8段为 1组 ,称量尽可能使各
组的总质量接近。将准备好的狐尾藻按照 2 ×4的
阵列插入在 5#、6#、7#、8#、11#、12#号水槽的底泥中 ,
然后在每个水槽中缓慢倒入 6 L湖水。
1.3 测定项目
在试验开始及结束时 ,测定每个水槽中狐尾藻
的总质量;在开始的 0、2、4、7、11、16、22、30、42、54 h
测定每个水槽水中的 SRP和 pH,之后每天测定一
次。
2 结果与讨论
2.1 水化硅酸钙对狐尾藻生长的影响
投加水化硅酸钙对穗状狐尾藻生长的影响如图
1所示 。
图 1 投加水化硅酸钙前 、后狐尾藻的质量增加率
Fig.1 Weightofmyriophyllumspicatumbeforeandafter
dosingcalciumsilicatehydrate
由图 1可知 ,磷浓度越高则穗状狐尾藻的生长
越旺盛。当不投加水化硅酸钙时 ,底泥中磷浓度较
高一组的穗状狐尾藻质量减少了 4.79%,而磷浓度
较低的一组则减少了 8.72%。可见 ,穗状狐尾藻的
生长受到磷元素的控制 。
而在底泥中磷浓度较高的情况下 ,水化硅酸钙
的投加量越大则促进穗状狐尾藻生长的效果越好。
当水化硅酸钙的投加量达到 20 g时 ,穗状狐尾藻的
总质量增加了 20%。也就是说随着水化硅酸钙投
量的增加 ,穗状狐尾藻对磷的吸收能力增强 。
在没有投加水化硅酸钙的情况下 ,穗状狐尾藻
的增长率出现了负值 ,原因可能是底泥中的磷难以
直接被穗状狐尾藻利用 ,造成其可摄取的养分不充
足 ,从而无法正常生长。这也说明了水化硅酸钙能
富集底泥中的磷 ,使其更易被植物吸收利用 。
另外 ,在栽培过程中发现 ,低浓度组 、未投加水
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化硅酸钙的水槽中的穗状狐尾藻在 6月 10日(即
16 d后)才开始长出大量新叶 ,并且在这之前有 3
株已死亡。与之相比 ,高浓度组中投加 20 g水化硅
酸钙的水槽 ,其穗状狐尾藻在 5月 27日(即种下后
的第 2天)就开始长出大量新叶 。这从侧面说明了
穗状狐尾藻愈伤及生长速率与磷的吸收量有关 ,磷
浓度高则其生长速率快。而水化硅酸钙的富集作用
恰恰促进了穗状狐尾藻对磷的吸收。
2.2 水化硅酸钙及狐尾藻对底泥释磷的影响
对于有植物的高浓度组 ,不同水化硅酸钙投量
下磷的释放规律见图 2。
图 2 有植物组中不同水化硅酸钙投量下的释磷规律
Fig.2 Phosphorusreleaseingroupwithmyriophyllum
spicatumunderdifferentdosageofcalciumsilicatehydrate
从图 2可以看出 ,空白组的释磷速率和释放量
明显低于投加了水化硅酸钙的对比组 ,且水化硅酸
钙的投加量越大 ,磷的释放速率越快 。同时 ,低浓度
组也表现出相同的变化趋势。这可能是因为水化硅
酸钙大量吸附底泥中的磷 ,同时植物根系在缺磷条
件下分泌出酸性物质 ,将结晶态磷溶解成可溶性磷 ,
并释放到上覆水中。
底泥中 90.4% ～ 90.8%的磷是以 Ca-P的形式
存在的 ,这部分磷比较稳定[ 8] ,难以被穗状狐尾藻
的根部直接吸收利用 。而晶析除磷的原理就是诱导
水中处于不稳态的磷酸根离子与钙离子结合 ,以羟
基磷酸钙晶体形式析出 ,并附着在硅酸钙表面 ,从而
达到除磷的目的 [ 9] 。因此 ,这部分磷很容易被水化
硅酸钙吸附产生结晶态磷。 Katsumi等人 [ 10]的研究
表明 ,水化硅酸钙和磷酸盐结晶后形成的结晶态磷
可以在 2%的柠檬酸溶液中全部溶解 。而植物根系
在缺磷条件下会分泌出酸性物质 ,从而能将大量的
结晶态磷溶解成可供植物吸收的可溶性磷并集聚在
底泥上表面 ,使底泥上表面与上覆水中的可溶性磷
产生较大的浓度梯度 ,从而导致可溶性磷不断以较
快速率释放到上覆水体中 。所以 ,水化硅酸钙的投
加量越大则形成的结晶态磷越多 ,磷的释放速率及
释放量也就越大。
另外 ,当上覆水中的磷含量增大时 ,穗状狐尾藻
不仅可以利用根部摄取养分 ,其径 、叶等也能够吸收
磷 ,完成自身的生长代谢。通过水化硅酸钙对底泥
中磷的富集作用 ,可以使穗状狐尾藻更快且更高效
地吸收磷 。这也是水化硅酸钙的投加量越大 ,穗状
狐尾藻的生长速率越快 、生长情况越好的原因。
测定结果还表明 ,种有穗状狐尾藻的水槽中磷
浓度以及磷浓度的上升幅度都比未种的高 ,并且水
化硅酸钙投加量越大 ,两者的磷浓度之差就越大。
这反映了种植穗状狐尾藻后 ,水化硅酸钙富集的磷
更容易转移到上覆水中 ,且磷的转移量与水化硅酸
钙的投加量有直接关系 。
从以上分析可知 ,水化硅酸钙对磷的富集作用
会导致底泥中的磷以较大速率向上覆水体中释放 ,
这与控制底泥磷释放的初衷是相违背的。但同时 ,
它强化穗状狐尾藻对磷的吸收作用也非常明显。这
表明 ,水化硅酸钙用于强化植物法处理底泥是有意
义的 ,但由于试验中是将水化硅酸钙均匀布撒在底
泥表面 ,这可能是造成底泥中的磷释放的主要原因。
因此 ,关于水化硅酸钙的投加方式需要作进一步的
研究 。
2.3 水化硅酸钙及狐尾藻对水体pH的影响
单纯投加水化硅酸钙会导致水体的 pH值上升
至 9左右[ 7] ,可能对水体产生负面影响 。因此 ,在采
用水化硅酸钙强化植物吸收磷的过程中 ,也应该考
虑到对 pH的影响 。
测定结果显示 ,未栽种植物时 ,水体的 pH变化
较大 ,且 pH的升高幅度随着水化硅酸钙投加量的
提高而变大 , pH值最大达到了 9.3;而栽种植物后 ,
不同水化硅酸钙投加量下的水体 pH值基本相同 ,
且变化不大(见图 3)。在曹德平等人关于 “水化硅
酸钙强化空心菜浮岛除磷能力的研究 ”中 ,也发现
单独投加水化硅酸钙会提高水体的 pH,而在种植植
物的情况下 ,水体的 pH值可保持在 8.0左右 [ 6] 。
这是由于植物根系的分泌物及根系上生长的微生物
对水中的离子具有缓冲作用 ,削弱了由于投加水化
硅酸钙而产生的 pH变化。
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www.watergasheat.com 俞泓霞 , 等:水化硅酸钙强化穗状狐尾藻对底泥磷吸收能力的研究 第 25卷 第 1期
图 3 不同水化硅酸钙投加量下种植与未种植穗状
狐尾藻对水体 pH的影响比较
Fig.3 ComparisonofpHbetweenwithandwithout
myriophyllumspicatumunderdiferentdosageof
calciumsilicatehydrate
3 结论
① 水化硅酸钙对穗状狐尾藻的生长量及生长
速率都有促进作用 。在底泥中磷浓度较高的情况
下 ,当水化硅酸钙的投加量达到 20 g时 ,穗状狐尾
藻的总质量增加了 20%;而未投加水化硅酸钙时 ,
穗状狐尾藻的总质量反而减少了 4.79%。
② 在种植穗状狐尾藻的条件下 ,投加水化硅
酸钙对底泥中磷的释放有促进作用 ,并且该作用随
水化硅酸钙投加量的增加而变大。
③ 投加水化硅酸钙会提高水体的 pH值 ,使
水体的碱性增强 ,最高达到 9.3。而植物的缓冲作
用能将 pH值维持在 8.5左右。
参考文献:
[ 1 ] 濮培民 , 王国祥.底泥疏浚能控制湖泊富营养化吗
[ J] .湖泊科学 , 2000, 12(3):269-279.
[ 2 ] 刘文炜 , 陈宗永.南湖富营养化主要控制因子分析
[J] .广西大学学报(自然科学版), 1999, 24(3):80
-84.
[ 3] 陈永灿 ,张宝旭.密云水库富营养化分析与预测 [ J] .
水利学报 , 1998, (7):12-15.
[ 4] CorrelDL.Theroleofphosphorusintheeutrophication
ofreceivingwaters:Areview[ J] .EnvironQual, 1998,
27:261-266.
[ 5] 秦伯强 ,朱广伟.长江中下游地区湖泊水和沉积物中
营养盐的赋存 、循环及交换特征 [ J] .中国科学 D辑:
地球科学 , 2005, 35(增刊):1-10.
[ 6] 曹德平 ,李春杰 , 陈雪初.水化硅酸钙强化空心菜浮
岛除磷能力的研究 [ J] .中国给水排水 , 2008, 24(1):
22-25.
[ 7] 陈雪初 ,孔海南 , 吴德意 ,等.具有磷富集和磷回收功
能的吸附剂的制备方法 [ P] .中国专利:CN1765488,
2006-05-20.
[ 8] 赵海超 ,赵海香.沉水植物对沉积物及土壤垂向各形
态无机磷的影响 [ J] .生态环境 , 2008, 17(1):74 -
80.
[ 9] 张美兰 ,何圣兵 , 陈雪初.天然沸石和硅酸钙滤床的
脱氨除磷效能 [ J] .水处理技术 , 2007, 33(11):71 -
74.
[ 10] KatsumiMoriyama, ToshihiroKojima, YoshikazuMina-
wa, etal.Developmentofartificialseedcrystalforcry-
atallizationofcalciumphosphate[ J] .EnvironTechnol,
2001, 22(11):1245-1252.
作者简介:俞泓霞(1985 - ), 女 , 上海人 , 硕士
研究生 , 研究方向为水污染的生态工程学
控制技术 。
电话:(021)55950660 13817356184
E-mail:sirius 85@163.com
通讯作者:李春杰
收稿日期:2008-09-01
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