磷在水体营养元素循环中占有极其重要的地位，是水体富营养化的主要控制因子之一，沉积物中磷的迁移转化过程直接影响着上覆水体富营养化过程。关于磷素的研究，尤其是“沉积物-水界面”间磷素的循环和形态转化是当前研究的热点^[1]。

凤眼莲作为公认的富营养化水体生物修复的优势物种，因具有光合生产力高^[2-3]、吸收同化氮与磷能力强^[4-6]以及促进水体生物脱氮^[7-8]等高效消减氮、磷特性，在其控养、收获、脱水、资源化利用等问题被有效解决后^[9-11]，以凤眼莲为主要组成部分的生态修复技术目前已经逐步得到国内外专家认可，并被广泛应用于富营养化水体的生态修复工程实践，在滇池、太湖已有大规模控制性种养凤眼莲修复富营养化水体工程的成功先例^[12-14]。然而，我国地域广袤，不同地区淡水湖泊虽然同为富营养化水体，其基本理化指标相差较大，仅pH值这一指标就有明显差异。据报道，鄱阳湖2008年水体pH值变化范围为6.78~7.64^[15]；滇池外草海至老干鱼塘一带水体pH值变化范围为7.74~9.62^[16]；本实验室于2013年7—12月对太湖十八湾附近水域进行监测，水体pH值变化范围为6.49~8.50。在我国不同pH值的自然水体中，种养凤眼莲对水体净化及其对底泥的间接影响的机制是否一致尚不明确，凤眼莲被完全打捞后的水体空闲期“底泥-上覆水”磷素含量变化情况是否因pH值不同而有所差异也很少有人关注。

本试验参照太湖和滇池等湖体实际水体pH值(6.49~9.62)范围，利用人工模拟的方法，设置上覆水pH值为6.0、7.5和9.0，以凤眼莲为系统植物因子，研究不同pH值处理下上覆水和底泥间隙水中各种磷形态的变化趋势，以及凤眼莲采收后上覆水中磷素变化与水体pH值之间的关系，以期揭示不同pH值水体“沉积物-水界面”磷的交换机制，为凤眼莲生态修复技术在污水治理生态工程中的应用提供理论依据。

2015年7月10日至10月5日在江苏省农业科学院连栋大棚内进行持续84 d模拟试验，试验期间温度为22~38 ℃。试验装置为外直径0.5 m、内直径0.48 m、截面积为0.181 m²、高1 m的圆柱型PVC柱。试验植物选择健壮的凤眼莲幼苗17株· m^-2，初始鲜质量为2.2~2.4 kg · m^-2，干质量为160~172 g · m^-2，总磷量为346~372 mg · m^-2。试验底泥来自太湖竺山湾凤眼莲种养区(31°27′17″N，120°04′40″E)，每桶放置25 kg厚度约11 cm的新鲜太湖底泥(折合干质量约为8.370 kg)。试验用上覆水来自江苏省农业科学院2号塘(32°02′14.82″N，118°51′56.88″E)，其初始正磷酸盐(DIP)含量为0.049 mg · L^-1，溶解态总磷(DTP)含量为0.179 mg · L^-1，总磷(TP)含量为0.234 mg · L^-1，总氮(TN)含量为3.547 mg · L^-1，pH值为8.03，属于富营养化水体。

试验设pH值为6.0、7.5和9.0的3个处理，分别模拟表示为酸性(T1)、中性(T2)和碱性(T3)环境。每桶试验用水为157 L，水深约80 cm，沿桶壁缓慢加入并静置2 d后再放置植物，以避免底泥扰动对水质营养盐含量产生影响。每周用1 mol · L^-1的HCl溶液或NaOH溶液调节水体pH值至指定数值前，先用蒸馏水补充蒸发损失，再将植物捞到塑料箩筐，架在水桶正上方沥水，加酸或碱时所有处理尽量保持搅动幅度较小，搅动的力度一致，以减少扰动对底泥、上覆水、植物中的磷和其他指标产生干扰。

试验过程中，受水生植物生长的影响，各处理pH值调配后存在向中性变化的趋势，即T1处理pH值变化范围为6.0~6.7，均值为6.3；T2处理pH值变化范围为7.2~7.9，均值为7.4；T3处理pH值变化范围为8.2~8.8，均值为8.4(图 1)。除设置不同上覆水pH值外，试验另设置种养时间分别为21、42、63和77 d的4个种养处理，其对应的空闲时间分别为63、42、21和7 d。

	图 1 上覆水中pH值的变化趋势 Figure 1 The change trend of pH in the overlying water T1、T2和T3表示上覆水pH值分别为6.0、7.5和9.0的处理。下同。 The pH of the overlying water from T1, T2 and T3 was 6.0, 7.5 and 9.0, respectively. The same as follows.
图选项

于放置植物当天采集3个pH值处理的前3个重复桶的水样、植物样和底泥样作为初始样，其余的试验桶分批，依次于21 d(8月3日)、42 d(8月24日)、63 d(9月14日)、77 d(9月28日)对剩余有植物试验桶中3个处理3个重复桶分别进行采样，采集全部植物样、500 mL水样和约500 g底泥样品。植物样品采收后的试验桶将视之为空闲期处理，每周将pH值调节至各处理指定数值并补充蒸馏水。每隔7 d采集有植物覆盖处理的上覆水样品，并于试验84 d(10月5日)采集以上所有处理的上覆水样品，水样采集深度为液面下30 cm左右。每个桶采集5个点底泥样品，放置于阴凉处自然阴干，充分混匀后除去植物、脱落物和贝类等残体，研磨，过150 μm筛，待测。

采用SKALAR SAN⁺⁺型流动分析仪(荷兰)测定水样的总磷(TP)、溶解态总磷(DTP，经0.45 μm的GF/C滤膜过滤)和正磷酸盐(DIP，经0.45 μm的GF/C滤膜过滤)含量，以及间隙水(新鲜底泥经5 000 r · min^-1离心15 min后的上清液)的DIP含量。采用HACH哈希(美国)便携式HQ40D型多参数水质分析仪测定上覆水pH值。采用硫酸-双氧水消解、钼锑抗比色法测定凤眼莲植株样品中磷含量。采用SMT法测定底泥总磷含量。

植物干质量累积量=收获时植物干质量-初始植物干质量累积量。

植物带走的TP量=植物采收时P含量×采收时植物干质量-植物初始P含量×初始植物干质量。

底泥TP变化量=(底泥初始P含量-底泥终止P含量)×干泥质量。

水体TP变化量=(水体初始P含量-水体终止P含量)×水体积。

上覆水溶解态有机磷含量(DOP)=溶解态总磷含量(DTP)-正磷酸盐含量(DIP)。

上覆水颗粒态磷含量=总磷含量(TP)-溶解态总磷含量(DTP)。

采用Excel 2016和SPSS 17.0软件进行数据处理与分析，处理间多重比较用LSD法。

由表 1可知：不同pH值处理，凤眼莲株高、根长、分蘖数、植株干质量及其吸收总磷量均随种养时间延长呈增加的趋势，但各指标增长幅度不一致。整体来看，试验结束时凤眼莲综合生长性状从大到小的处理依次为T2、T3和T1。试验过程中，T1、T2和T3处理凤眼莲干质量累积量较初始值分别增加了924.4、1 125.2和1 016.4 g · m^-2，因凤眼莲生长而吸收带走的总磷量分别为1 977.6、2 738.0和2 535.4 mg · m^-2。在凤眼莲种养0~21 d时，不同pH值处理凤眼莲生长状态的差异不大，凤眼莲种养前21 d内的干质量及其吸收总磷量分别占试验结束时5.8%~8.7%和3.2%~3.9%，其中T2处理凤眼莲株高、根长和干物质量相对略高；在凤眼莲种养21~63 d，凤眼莲植株干质量及其吸收总磷量增长速度加快，即T1、T2和T3处理凤眼莲在种养21~63 d干质量累积量分别占试验结束时干质量的67.4%、73.4%和61.4%，凤眼莲吸收总磷量分别占试验结束时总磷量74.2%、83.8%和77.2%；凤眼莲种养63~77 d，植株干质量及其吸收总磷量增长速度逐渐放缓，该阶段T1、T2和T3处理植物干质量累积量分别占总量的26.8%、17.9%和31.8%，凤眼莲吸收总磷量分别占总量21.9%、13.0%和18.9%。另外，T1处理凤眼莲根长最长、分蘖数最多，可能与该pH值下水体磷素含量较低有关。综上所述，中性和偏碱性的水体环境更利于凤眼莲生长及其吸收磷素，于凤眼莲种养60 d后再进行打捞，有利于环境中磷素被植物快速吸收，或可进行多次打捞以获取最大的植物生物量和磷的吸收量。

本课题组通过前期试验结果^[17]发现：种养凤眼莲77 d，T1、T2和T3处理底泥TP含量分别降低了66.08、71.54和98.73 mg · kg^-1，其总磷释放量分别为3 055.9、3 308.3和4 565.6 mg · m^-2，其中T1、T2处理底泥TP释放量较为接近，均显著低于T3处理(P < 0.05)。

凤眼莲生长期间，不同pH值处理底泥间隙水正磷酸盐(DIP)含量随上覆水pH值升高呈上升趋势(图 2)。其中，T1、T2、T3处理试验前、后间隙水DIP的增加量分别为0.020、0.229和0.646 mg · L^-1。具体来看，在凤眼莲种养0~21 d时，不同pH值处理间隙水DIP含量升高幅度较小，总体差异不大。而凤眼莲种养21~77 d，T1、T2处理间隙水DIP含量呈先增加后降低的趋势；而T3处理间隙水DIP含量快速增加后存在波动现象，并未出现明显的降低趋势。其中，T1处理间隙水DIP含量明显低于T2和T3处理，在种养凤眼莲63 d达到最大值，为0.679 mg · L^-1，最终降至0.363 mg · L^-1，与试验初始值较为接近；T2处理间隙水DIP含量于种养42 d达到最大值，为0.925 mg · L^-1，最终降至0.575 mg · L^-1，为试验初始值的1.66倍；T3处理间隙水DIP含量于种养42~77 d期间存在波动现象，至凤眼莲打捞时间隙水DIP含量为0.985 mg · L^-1，为初始值的2.91倍。试验结束时，T1、T2和T3处理的上覆水DIP含量分别为0.012、0.016和0.039 mg · L^-1，均低于各处理底泥间隙水中DIP的含量，由此推测在凤眼莲被打捞后，DIP仍通过扩散作用继续从底泥向上覆水中转移，含量差越大扩散速率越大，即各处理中“底泥-上覆水”界面正磷酸盐的转移速率从大到小的处理依次为T3、T2和T1。

	图 2 凤眼莲打捞前底泥间隙水正磷酸盐含量的变化趋势 Figure 2 The change trend of dissolved inorganic phosphorus(DIP)in the interstitial water before the plants was salvaged
图选项

由于凤眼莲对磷的吸收作用，虽然底泥中的磷素一直在向水中转移，但种养过程中，T1、T2和T3处理上覆水TP、DTP和DIP含量均有不同程度的下降，至植物打捞时水体磷含量从大到小的处理依次为T3、T2和T1(图 3)，即pH值越高上覆水中磷素含量越高。其中，上覆水TP与DTP的变化规律较为相近，即在凤眼莲生长前42 d整体呈迅速下降的趋势，而后有所反弹，尤其是凤眼莲生长56 d后反弹明显。具体来看，凤眼莲种养前42 d的T1、T2和T3处理上覆水TP含量分别减少了0.138、0.152和0.162 mg · L^-1，分别降低了67.1%、65.5%和60.8%；DTP含量分别减少了0.069、0.122和0.140 mg · L^-1，分别降低了54.7%、66.4%和61.6%。凤眼莲种养至77 d时，T1、T2和T3处理上覆水TP含量分别减少了0.111、0.141和0.099 mg · L^-1，分别降低了53.8%、60.8%和37.1%；DTP含量分别减少了0.060、0.106和0.105 mg · L^-1，分别降低了48.0%、57.9%和46.2%。故凤眼莲生长42~77 d的T1、T2和T3处理上覆水TP和DTP含量回升比例分别为13.4%、4.7%、23.7%和6.8%、8.5%、15.4%。另外，相对于上覆水TP和DTP含量，DIP含量相对较低，且试验过程中变化幅度不大，即试验过程中T1、T2和T3处理上覆水DIP含量分别减少了0.027、0.031和0.024 mg · L^-1。其中，T3处理DIP含量在凤眼莲生长21和35 d出现2次峰值，这与DTP含量变化规律一致。由此可见，本试验条件下，种养凤眼莲42 d左右对上覆水中磷素净化效果最佳。

	图 3 凤眼莲打捞前上覆水中磷含量的变化趋势 Figure 3 The change trend of phosphorus in the overlying water before the plants was salvaged
图选项

试验结束时，不同pH值处理上覆水中TP、DTP和DIP含量同时受pH值和凤眼莲生长时间的影响，即随pH值升高呈增加的趋势，又随凤眼莲生长时间增加呈降低的趋势(图 4)。其中，T2和T3处理上覆水中TP、DTP和DIP含量随凤眼莲生长时间增加而降低的趋势尤为明显，而T1处理降幅较小。具体来看，凤眼莲生长相同时间时，上覆水中TP、DTP和DIP含量从大到小的处理依次为T3、T2和T1。其中，21 d时(水体空闲63 d)T1、T2和T3处理上覆水中TP含量分别为0.118、0.522和0.889 mg · L^-1，DTP含量分为0.089、0.484和0.868 mg · L^-1，DIP含量分别为0.018、0.297和0.738 mg · L^-1，故不同pH值处理各形态磷含量之间差距较大。77 d时(水体空闲7 d)T1、T2和T3处理上覆水中TP含量分别为0.066、0.074和0.277 mg · L^-1，DTP含量分别为0.066、0.070和0.273 mg · L^-1，DIP含量分别为0.014、0.018和0.285 mg · L^-1，因此，T1和T2处理的各形态磷含量差距较小，均显著低于T3处理。由此可见，凤眼莲收获后的空闲期内，近中性和偏碱性条件下，上覆水中各形态磷含量的升高主要来源于底泥磷释放；而偏酸性条件下，上覆水中各形态磷含量变化不明显，受空闲期时间影响较小。

	图 4 不同种养时间各处理的上覆水中磷含量变化 Figure 4 Changes of phosphorus concentration in overlying water treated with different planting time
图选项

通过比较各处理凤眼莲打捞当日和10月5日上覆水磷含量差值可知(表 2)，T1处理上覆水TP、DTP和DIP含量均没有出现明显变化规律，其ΔTP变化范围为-0.087~0.004 mg · L^-1，ΔDTP变化范围为-0.070~0.009 mg · L^-1，ΔDIP变化范围为-0.010~0.007 mg · L^-1。故T1处理凤眼莲打捞后上覆水磷含量变化较小，空闲期的“沉积物-水界面”系统未出现明显的磷迁移现象。而T2和T3处理上覆水中TP、DTP和DIP含量均随pH值升高和空闲期增加呈升高的趋势。其中，T2处理空闲期为7 d的上覆水中TP、DTP和DIP含量与打捞当日上覆水磷含量相近，未出现明显变化；而空闲期为21~63 d的上覆水中ΔTP、ΔDTP和ΔDIP则随空闲时间延长呈增加趋势。植物打捞后，T3处理上覆水中3种形态磷含量均呈迅速升高的趋势，且空闲期越长增加的幅度越大。由此可见，T2和T3处理在植物打捞后“沉积物-水界面”系统内均呈现不同程度的底泥磷释放现象。

低营养盐条件下水生植物会更偏向于根系生长，所以根系的长度或根冠比在一定程度上也可以反映水体氮、磷含量和植物的生长状态^[18-19]。而干质量和总磷含量也可以反映凤眼莲从水体中吸收的磷素总量，是间接表征水体净化效果的重要指标。本试验中凤眼莲生长状态以中性低磷条件最好，碱性高磷含量下次之，而酸性低磷含量下最差。凤眼莲种养1~48 d时，各处理间植物理化指标差距较小；种养48~77 d，T1处理的株高等指标表现出低营养盐特征，T3处理植物则表现出高营养盐特征。虽然T3处理中上覆水磷素含量明显高于T1和T2处理，但其生物量和总磷含量却不及T2处理，分析可能是凤眼莲在生长过程中受到pH值影响所致。即pH值为本试验凤眼莲生长的首要影响因素，其次是上覆水磷素含量。另外，凤眼莲快速生长和对水体磷素快速吸收阶段主要集中在种养21~63 d。从植物吸收磷素效率角度讲，建议在中碱性水体环境下，凤眼莲水体修复工程可从种养60 d后开始采收，或进行多次采收，更利于凤眼莲对环境磷素的最大吸收和净化。

在凤眼莲种养期间，各处理上覆水磷含量有不同程度降低，降幅从大到小的处理依次为T2、T1和T3，且碱性条件下上覆水中富集的磷素最多，这与文献[20-22]报道结果相似。底泥间隙水DIP含量则有不同程度升高，升幅从大到小的处理依次为T3、T2和T1，即碱性条件下间隙水DIP含量最高；各处理间隙水DIP含量与上覆水DIP含量的差值也随pH值升高呈上升趋势，这说明有植物存在时上覆水pH值越高，系统的磷素从底泥通过间隙水向上覆水的转移越明显，且植物打捞后，这种底泥通过扩散作用向上覆水体继续释放磷素的风险在一段时间内可能会继续存在。

空闲期模拟试验中，相同空闲时间内，上覆水体pH值越高，水体中磷素含量越高；相同pH值处理下，空闲期越长，则水体中磷含量越高。酸性无植物条件下，空闲期上覆水磷含量基本保持不变，未出现明显的底泥磷释放现象，即当植物吸收上覆水磷元素这一主动过程消失后，底泥停止了向水体释放磷素。可见，偏酸性处理凤眼莲吸收上覆水中磷素促进了沉积物中磷向水体的转移，故T1处理植物吸收消失后，底泥磷不再主动向上覆水体释放磷素。而碱性和近中性无植物条件下，底泥会继续向上覆水中释放磷元素，上覆水磷含量在一段时间内(2个月)会随时间的延长呈增加趋势，这与王智等^[23]报道类似。中性和偏碱性处理中底泥磷释放诱因与植物是否存在关系相对较小，而与上覆水pH值关系更为密切。

上覆水各形态磷含量在试验前6周内变化程度较为剧烈，此时磷含量反复变化是系统中“底泥-上覆水”对新环境(pH值和是否存在水生植物)的适应表现，如T3处理在14 d时出现第1次TP峰值，为水体中颗粒态磷含量的剧增(最高时可达0.368 mg · L^-1，占上覆水TP含量的65.5%)所引起的，随后T3处理21 d时出现DTP和DOP(溶解态有机磷)的峰值，于35 d时出现DIP峰值，应为一个颗粒态的磷经溶解、矿化后依次向DOP和DIP转化过程的体现。该时期颗粒态磷产生的原因可能有以下两方面：1)水体pH值的变化，对表层微生物产生了影响。部分微生物的胞外聚合酶(EPS)受到影响，导致微生物减缓甚至死亡；且碱性环境下，微生物更趋向于形成团聚体，使颗粒态磷含量增加^[24]。2)在人为干预T3处理上覆水pH值的实际过程中，上覆水实际一直处于pH值(9.0~8.4~9.0)反复变化的状态，如上覆水pH值被调节至9.0的1周后下降至8.2~8.4，即碱性水体中种养凤眼莲会降低上覆水pH值，这与张迎颖等^[25]研究结果一致，进而影响沉积物中胡敏酸结合态有机磷(腐殖酸)的存在形态。而T3处理pH值恰好涵盖了部分结合态有机磷的提取范围，可能会在一定程度上促进表层底泥有机磷的释放和再沉淀，从而导致颗粒态磷含量的增加。各处理最低值基本出现于42 d左右，42~56 d时含量变化趋于平稳，从63 d开始TP和DTP含量出现小幅回升。此时，底泥中释放的磷素量超过植物可吸收量，所以表现为磷素在上覆水中的再次富集。从降低水体磷素含量的角度讲，建议凤眼莲打捞时间尽量控制在种养42~56 d更利于水体的磷素净化，但模拟试验与大水域的水生植物生长条件存在较大差异，在实际净化工程中仍需要进一步验证。