全 文 ：书三峡库区消落带狗牙根和牛鞭草人工湿地对磷的去除效应
刘 曦1，2，陈芳清1，杨 丹2，4，张爱英2，4，熊高明2，3*
(1．三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北宜昌 443002;2． 中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室，北京
100093;3．石河子大学，新疆石河子 832003;4．中国科学院大学，北京 100049)
摘要 研究了以狗牙根和牛鞭草为优势种的人工湿地对不同浓度含磷污水的季节性消减效果。结果表明，以狗牙根和牛鞭草为优势物
种的人工湿地比未进行生态修复的对照，在总磷去除能力方面显著提高。此外，狗牙根和牛鞭草人工湿地对总磷的去除不受植物生长
季的影响。狗牙根和牛鞭草对中浓度和高浓度磷的去除能力要显著高于对低浓度磷的去除能力。在三峡库区消落带采用适宜物种构
建人工湿地进行生态修复，对于截留、吸收库区屏障带进入消落带湿地生态系统的生活和生产污水的磷素具有重要的生态效益，是防治
三峡库区水体富营养化的有效途径。
关键词 三峡库区;消落带;人工湿地;磷去除
中图分类号 S181． 3 文献标识码 A 文章编号 0517 －6611(2015)14 －165 －03
The Ｒemoval Efficiency of Cynodon dactylon and Hemarthria altissima Wetlands in the Ｒiparian of Three Gorges Ｒeservoir to Phosphor-
us
LIU Xi1，2，CHEN Fang-qing1，YANG Dan2，4，XIONG Gao-ming2． 3* et al (1． Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-En-
vironment in Three Gorges Area，Yichang，Hubei 443002;2． State Key Laboratory of Vegetation and Environmental Change，Institute of Botany，
Chinese Academy of Sciences，Beijing 100093;3． Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832003;4． University of Chinese Academy of Sciences，
Beijing 100049)
Abstract The seasonal removal effects of constructed wetland with C． dactylon and H． altissima as main species on sewage containing different
concentrations of phosphorus were studied． The results showed that C． dactylon and H． altissima wetlands had significantly higher total phosphorus
removal rate than wetland without perennials． Meanwhile，growth stage doesn’t affect the ability of constructed wetlands with C． dactylon and H．
altissima that can remove phosphorus． Constructed wetlands with C． dactylon and H． altissima have had much higher phosphorus removal rate on
sewage with moderate and high phosphorus concentration than that of low phosphorus concentration． The present study demonstrated that construc-
tion of wetlands with C． dactylon and H． altissima could efficiently intercept and store excessive phosphorus input from upland，and it was an effi-
cient way to alleviate eutrophication of water body in the Three Gorges Ｒeservoir area．
Key words Three Gorges Ｒeservoir;Water-level fluctuation zone;Constructed wetland;Phosphorus removal
基金项目 中国科学院西部行动计划(KZCX2-XB3-09-02)。
作者简介 刘曦(1989 － ) ，女，湖北孝感人，在读硕士，研究方向:湿地
生态学。* 通讯作者，助理研究员，在读博士，研究方向:受
威胁植物种群的保护与复壮。
收稿日期 2015-04-14
人类活动导致大量营养物质输入水体，进而引发水体富
养化问题，该问题越来越引起人们的关注［1］。由于水体磷素
不断积累，促使水生生物特别是部分藻类生物异常大量繁
殖，导致水质下降、有毒藻类的产生以及水生生物食物链的
改变［2 －3］，在很大程度上会影响水体生态环境质量以及经济
建设和社会发展，最终有可能威胁人类健康生存。水体富营
养化绝大多数是由外界输入的营养物质在水体中富集造成
的，如果减少或截断外部输入的营养物质，就可能使水体失
去外来污染源，从而减少营养物质富集的可能性。三峡水库
建成后，在库区周边形成落差 30 m的消落带，由于库区日趋
严重的土壤退化和面源污染问题［4 －5］，导致输入消落带的磷
素水平大幅提高，并在冬季淹水期间通过物理化学作用持续
释放到水体中，使得水库富营养化水平提高，进而严重影响
水库生态安全。理论上，筛选适合消落带生长的植物，构建
人工湿地，采用定期刈割等管理措施，实现对流入消落带磷
素的截留去除，是三峡库区消落带湿地生态系统的重要生态
效益之一。
近年来，国内多家科研单位积极开展了消落带生态修复
的理论和实践研究。在物种优选研究这个关键环节上，多个
野外群落学调查、模拟淹水试验研究发现，狗牙根(Cynodon
dactylon)和牛鞭草(Hemarthria altissima)非常适应消落带环
境，是生态修复的适宜物种，对于维系消落带生物多样性水
平、稳定消落带生态系统和降低消落带土壤侵蚀程度具有显
著效果［6 －7］。然而，经过构建的狗牙根和牛鞭草人工湿地是
否具有截留去除磷素效应，目前还不清楚。因此，研究这两
个物种对污水磷的去除效益具有重要实践意义。笔者以狗
牙根和牛鞭草为研究对象，研究了两个物种对不同浓度含磷
污水的季节性消减效果差异，为三峡库区消落带生态修复提
供依据。
1 材料与方法
1． 1 系统构造及运行条件 采用半模拟的垂直流人工湿地
系统，系统搭建在重庆忠县石宝寨共和村。采用体积为
0． 035 m3(0． 50 m ×0． 35 m ×0． 20 m)的塑料盆为容器。基质
采用海拔 165 m的消落带原生土。采用随机区组试验设计，
每个处理 3 个重复。塑料盆以 10°左右的角度搁置在支架
上，以模拟库区消落带湿地生态系统分布的坡度。
系统进水采用间歇式，污水从系统顶部灌入。间歇式进
水可以使得湿地土壤交替出现好氧和厌氧环境，有利于湿地
中硝化反硝化耦合作用进行，且便于较低水力负荷时布水均
匀，充分地利用湿地表面和体积。白天每 12 h进水 1 次，水
力负荷为 0． 055 5 t /(m3·d)。系统进水根据《地表水环境
质量标准》(GB3838-2002)配置，分别为轻度(磷浓度 0． 05
mg /L，Ⅰ类水质)、中度(磷浓度 0． 1 mg /L，Ⅲ类水质)、重度
安徽农业科学，Journal of Anhui Agri． Sci． 2015，43(14) :165 － 167 责任编辑 杨莹莹 责任校对 李岩
DOI:10.13989/j.cnki.0517-6611.2015.14.065
(磷浓度 0． 5 mg /L，＞Ⅴ类水质)3 种污水，相应氮浓度分别
为 1、2和 5 mg /L，相应 COD浓度分别为 38． 38、32． 32、42． 42
mg /L［8 －11］。
狗牙根(C)、牛鞭草(H)于 2014 年 4 月播种，待自然生
长 1个月后，开始进行污水处理。生长旺期(8 月)调查狗牙
根和牛鞭草的个体密度，分别为 2 600和 3 600株 /m2。对照
处理下消落带土壤基质中自然生长着一些一年生草本如苍
耳(Xanthium sibiricum)和稗子(Echinochloa crusgalli)等。
图 1 垂直流人工湿地试验系统结构示意图
1． 2 水质指标的测定 根据两个物种生长状况，于 2014 年
6月(生长初期)、8 月(生长旺期)和 10 月(生长末期)对入
水和出水水质进行测定。湿地系统处理污水前后的总磷等
理化参数按照《水和废水监测分析方法(第四版)》进行测
定。水样加硫酸进行酸化，在 4 ℃以下保存，24 h 内进行测
定。总磷测定采用钼锑抗分光光度法。入水和出水部分水
质参数当场用 EXO1 多参数水质仪测定，如光学溶解氧
(ODO)、酸碱度(pH)和氧化还原电位(OＲP)。
1． 3 统计分析方法 各处理在总磷去除率之间的差异采用
带交互作用的三因素方差分析方法进行显著性检验，采用
LSD进行处理间多重比较分析，所有统计分析均采用
SPSS13． 0 统计软件包(SPSS13． 0 for Windows)来完成。
2 结果与分析
2． 1 出水中ODO、pH和OＲP的变化 由于2014年6月、8
月和 10月不同处理出水各参数的变化趋势基本一致，因此
仅用 10月份测定结果描述出水中 ODO、pH和 OＲP 的变化
(表 1)。由表 1可知，3 种人工湿地降低了轻度和中度磷污
染的污水ODO，但对于重度磷污染的污水ODO没有显著影
表 1 2014年 10月出水中 ODO、pH和 OＲP的变化
人工湿
地类型
轻度 P
ODO pH OＲP
轻度 P
ODO pH OＲP
轻度 P
ODO pH OＲP
入水 7． 9 ±0． 8a 8． 1 ±0． 5a 73． 6 ±12． 3a 7． 6 ±1． 0a 8． 0 ±0． 5a 75． 3 ±12． 1a 6． 9 ±0． 9a 7． 8 ±0． 5a 84． 1 ±14． 3a
对照 7． 5 ±0． 2b 7． 8 ±0． 1b 89． 4 ±1． 5b 7． 3 ±0． 1b 7． 7 ±0． 1b 88． 8 ±1． 2b 6． 9 ±0． 2a 7． 6 ±0． 1b 91． 2 ±0． 2b
狗牙根 7． 5 ±0． 2b 7． 9 ±0． 1b 95． 6 ±4． 0c 7． 1 ±0． 3b 7． 8 ±0． 1b 99． 7 ±5． 9c 8． 0 ±0． 1a 7． 8 ±0． 1a 98． 9 ±1． 6c
牛鞭草 7． 3 ±0． 2b 7． 6 ±0． 1b 92． 5 ±1． 1c 7． 5 ±0． 2a 7． 7 ±0． 1b 93． 2 ±0． 7c 7． 3 ±0． 4a 7． 7 ±0． 1a 95． 3 ±3． 4c
注:同一列不同字母表示各处理间差异显著(P ＜0． 05)。
响。3种人工湿地降低了轻度和中度磷污染的污水 pH，但对
重度磷污染的污水 pH没有显著影响。同时，3 种人工湿地
显著增加了出水的氧化还原电位(OＲP)。总体来看，在 3种
P污染水平下，自然恢复湿地(对照)的 OＲP 均显著低于种
有狗牙根和牛鞭草的人工湿地。
2． 2 总磷去除效果 平均而言，狗牙根对总磷的去除率为
15． 8%，牛鞭草对总磷的去除率为 14． 7%，而对照中总磷去
除率则为负值(－33． 4%)，三者之间差异显著(P ＜ 0． 001，表
2) ，牛鞭草与狗牙根处理之间的差异不显著(LSD，P ＞
0． 05)。不同生长期总磷去除率变化不明显(P ＞ 0． 001，表
2)。不同氮浓度污水的总磷去除率有显著差异(P ＜ 0． 001，
表 2)。由图 2可知，两个物种对中度和重度污染的污水中总
磷的去除率较高，如 10 月份狗牙根对中度和重度污染的污
水中总磷的去除率分别为51． 1%和74． 5%，而对轻度污染的
表 2 物种、污水氮浓度和取样时间对总磷去除率影响的方差分析
误差来源 自由度 df F值 P值
物种 S 2 16． 00 ＜0． 001
污水氮浓度 T 2 139． 00 ＜0． 001
取样时间 D 2 0． 12 0． 90
S × T 4 2． 20 0． 08
S × D 4 0． 20 0． 90
T × D 4 0． 80 0． 50
S × T × D 8 0． 30 0． 90
污水中总磷的去除率为 －73． 0%;而牛鞭草对中度和重度污
染的污水中总磷的去除率分别为35． 6%和77． 8%，而对轻度
污染的污水中总磷的去除率为 － 69． 6%。此外，物种和污水
氮浓度(S × T)、物种和取样时间(S ×D)、污水氮浓度和取样
时间(T ×D)之间，以及三者之间的交互作用都没有显著效
应(P ＞0． 05，表 2)。
3 结论与讨论
该研究表明，三峡库区消落带以狗牙根和牛鞭草为优势
物种的人工湿地比未进行生态修复的对照，在总磷去除能力
方面显著提高。此外，狗牙根和牛鞭草人工湿地对总磷的去
除不受植物生长季的影响。狗牙根和牛鞭草对中浓度和高
浓度磷的去除能力要显著高于对低浓度磷的去除能力。
Adler等认为，植物对 P的去除作用很小，主要是通过改
变土壤物理化学作用完成［12］。种植狗牙根和牛鞭草明显增
强了湿地对磷的去除能力。此外，与已有研究结果［13］类似，
狗牙根和牛鞭草人工湿地对总磷的去除没有明显的季节变
化，而植物在生长旺期对土壤营养的需求要高于生长初期和
末期。这表明狗牙根和牛鞭草主要通过改变土壤物理化学
过程，而不是通过吸收和储存过程增强了湿地对总磷的去除
能力。
研究表明，土壤厌氧条件比好氧条件更能加速磷释放，
661 安徽农业科学 2015 年
注:a．狗牙根;b．牛鞭草;c．对照。
图 2 狗牙根和牛鞭草在不同生长期对不同氮浓度污水中总磷的去除率
这是因为厌氧条件下土壤的氧化还原电位下降，导致 Fe3 +向
Fe2 +转化，使难溶磷酸铁的磷酸根进入水体［14］，厌氧条件下
厌氧微生物的活动也能加快铁的还原，导致磷酸根的释
放［15］。该研究结果表明，种有狗牙根和牛鞭草的人工湿地
显著增加了出水的氧化还原电位，间接说明由于植物根系对
土壤的固持作用以及植物地上部分向地下部分的氧气运输
作用，使得土壤透气性增强，土壤由厌氧条件向好氧条件转
变，使得出水的氧化还原电位增加，进而导致人工湿地对磷
的去除能力增强。
研究表明，pH 为中性条件下，土壤对磷的固持能力最
强［16］，这是因为碱性条件下 OH －与铁铝磷酸盐复合体中的
磷酸盐发生交换，铁对磷的固定性降低，导致磷的释放［14］。
而酸性条件下，钙磷复合体发生溶解，导致磷的释放。该研
究结果表明，在低磷和中磷条件下，出水的 pH 明显比入水
pH要偏向中性，这可能是中磷污水条件下狗牙根和牛鞭草
对 P的去除机制之一。此情况下，狗牙根和牛鞭草人工湿地
可能通过促进土壤微生物活动以及分泌酸性根分泌物的方
式降低了入水的 pH，并提高了对磷的去除能力。但是，高磷
条件下出入水的 pH之间无显著差异，说明高磷条件下土壤
的氧化还原电位对总磷的去除可能起到更为重要的作用。
狗牙根和牛鞭草人工湿地对低磷污水基本无去除效应，
表明人工湿地对磷的去除能力与入水磷浓度有关，低磷污水
条件下人工湿地的除磷效果降低有类似的报道［17］。可能是
因为该系统中入水的 pH较高，在磷的吸附 －解析动态平衡
过程中 OH －与土壤基质中铁铝磷酸盐复合体中的磷酸盐发
生交换，使土壤被固持的磷释放。
总之，在三峡库区消落带采用适宜物种构建人工湿地进
行生态修复，对于截留、吸收库区屏障带进入消落带湿地生
态系统的生活和生产污水的磷素具有重要的生态效益，是防
治三峡库区水体富营养化的有效途径。当然，消落带湿地生
态系统对磷素的吸收、固持能力，还与系统的水力停留时间、
运行时间、坡度、污水理化性质等物理因素有关;湿地系统植
物刈割等管理因素［18 －19］，仍需要进一步的深入研究。
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76143卷 14期 刘 曦等 三峡库区消落带狗牙根和牛鞭草人工湿地对磷的去除效应