2結(jié)果與分析

2.1沉積物pH值和DO濃度變化

對(duì)照組和苦草組沉積物-水界面pH值和DO濃度變化如圖1所示。對(duì)照組與苦草組沉積物-水界面的pH值介于7～8.5之間，整體為弱堿性。試驗(yàn)過(guò)程中，苦草組的pH平均值低于同期對(duì)照組。在種植苦草后的第15天、第35天、第66天，苦草組的pH平均值分別降低了2.20%、2.64%、0.77%。從圖1可知，整個(gè)試驗(yàn)階段，沉積物-水界面中DO濃度平均值苦草組高于同期對(duì)照組:前2個(gè)試驗(yàn)階段(第15天和第35天)，苦草組略高于同期對(duì)照組;而到第66天時(shí)，苦草組顯著高于同期對(duì)照組，高約137%。這可能是因?yàn)樵诘?6天時(shí)，苦草的植株和根系較幼苗時(shí)期(第15天、第35天)深長(zhǎng)，光合作用更強(qiáng)，進(jìn)而提升了根際區(qū)間的DO濃度。在種植苦草后的第15天、第35天、第66天，苦草組的溶解氧滲透深度(OPD)分別為40mm、17mm、31mm，對(duì)照組的OPD分別為23mm、11mm、19mm?？梢?jiàn)，試驗(yàn)過(guò)程中苦草組的OPD均高于同期對(duì)照組。

圖1沉積物-水界面pH值與DO濃度的垂向變化特征

2.2沉積物間隙水中溶解態(tài)Fe(Ⅱ)/溶解態(tài)Mn質(zhì)量濃度和UV254的變化

沉積物間隙水中的溶解態(tài)Fe(Ⅱ)質(zhì)量濃度變化如圖2所示。在3個(gè)試驗(yàn)階段，苦草組的溶解態(tài)Fe(Ⅱ)質(zhì)量濃度平均值都小于同期對(duì)照組。在試驗(yàn)開(kāi)始后的第15天、第35天、第66天，苦草組的溶解態(tài)Fe(Ⅱ)質(zhì)量濃度分別是同期對(duì)照組的40.51%、75.80%、68.93%?？嗖萁M與對(duì)照組溶解態(tài)Fe(Ⅱ)質(zhì)量濃度平均值的最大差異出現(xiàn)在試驗(yàn)初期的第15天。在3次取樣結(jié)果中，苦草組與對(duì)照組中溶解態(tài)Fe(Ⅱ)在表層0～-20mm范圍內(nèi)差異較小，而在-20～-80mm范圍內(nèi)出現(xiàn)顯著差異，苦草組Fe(Ⅱ)質(zhì)量濃度顯著降低。

圖2沉積物溶解態(tài)Fe(Ⅱ)質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)

在試驗(yàn)開(kāi)始后的第15天、第35天、第66天，苦草組沉積物間隙水中溶解態(tài)Mn質(zhì)量濃度平均值都小于同期對(duì)照組(圖3)，苦草組溶解態(tài)Mn質(zhì)量濃度分別是同期對(duì)照組的65.83%、82.37%、94.56%?？梢?jiàn)，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，兩組之間的溶解態(tài)Mn質(zhì)量濃度差異逐漸減小。

圖3沉積物溶解態(tài)Mn質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)

沉積物UV254的變化如圖4所示。在3個(gè)試驗(yàn)階段，苦草組的UV254平均值都小于同期對(duì)照組，且隨著試驗(yàn)的開(kāi)展，苦草組與對(duì)照組UV254平均值差別越來(lái)越小。在試驗(yàn)開(kāi)始后的第15天、第35天、第66天，苦草組的UV254分別是同期對(duì)照組的71.92%、84.81%、90.45%?？嗖萁M與對(duì)照組UV254平均值的最大差異出現(xiàn)在試驗(yàn)初期的第15天。

圖4沉積物UV254變化趨勢(shì)

2.3沉積物間隙水中溶解態(tài)As、As(Ⅲ)和As(Ⅴ)質(zhì)量濃度變化

沉積物間隙水中的溶解態(tài)As質(zhì)量濃度變化如圖5所示。在3個(gè)試驗(yàn)階段，苦草組溶解態(tài)As質(zhì)量濃度小于對(duì)照組，苦草組對(duì)溶解態(tài)As的去除率始終大于同期對(duì)照組(表2)。在試驗(yàn)開(kāi)始后的第15天、第35天、第66天，苦草組的溶解態(tài)As質(zhì)量濃度分別是同期對(duì)照組的68.89%、54.49%、51.19%，呈現(xiàn)逐步遞減與遞減速度變緩的規(guī)律，可能是逐步達(dá)到了苦草吸收As的閾值，或者是因?yàn)锳s對(duì)苦草造成了損傷。

圖5苦草對(duì)沉積物剖面中溶解態(tài)As、As(Ⅲ)和As(V)質(zhì)量濃度的影響

表2苦草對(duì)間隙水中溶解態(tài)As、As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的去除率

如圖5所示，在3個(gè)試驗(yàn)階段，苦草組的As(Ⅲ)和As(Ⅴ)質(zhì)量濃度均低于同期對(duì)照組。在第15天、第35天、第66天，苦草組溶解態(tài)As(Ⅲ)質(zhì)量濃度分別是同期對(duì)照組的68.38%、44.09%、52.88%(表2);苦草組溶解態(tài)As(Ⅴ)質(zhì)量濃度分別是同期對(duì)照組的76.07%、82.32%、49.46%。3個(gè)試驗(yàn)時(shí)段，對(duì)照組和苦草對(duì)As(Ⅲ)的平均去除率分別為14.7%和54.8%，As(Ⅴ)的平均去除率分別為11.38%和41.48%?？梢?jiàn)，苦草對(duì)As(Ⅲ)的去除效果優(yōu)于其對(duì)As(Ⅴ)的去除效果。試驗(yàn)過(guò)程中，As(Ⅲ)平均質(zhì)量濃度的最小值出現(xiàn)在第35天，As(Ⅴ)平均質(zhì)量濃度的最小值出現(xiàn)在第66天，這可能是因?yàn)榭嗖輰?duì)As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的同化吸收機(jī)制不同造成的。

2.4相關(guān)性分析

苦草種植后的第15天、第35天和第66天，苦草組與對(duì)照組沉積物間隙水中溶解態(tài)As、溶解態(tài)Fe(Ⅱ)、溶解態(tài)Mn、UV254、As(Ⅲ)以及As(Ⅴ)之間的相關(guān)關(guān)系如圖6所示，圖中左上為對(duì)照組，右下為枯草組。3個(gè)試驗(yàn)階段，苦草組和對(duì)照組沉積物間隙水中的溶解態(tài)As、As(Ⅴ)、As(Ⅲ)與溶解態(tài)Mn和UV254顯著相關(guān)。對(duì)照組的溶解態(tài)As、As(Ⅴ)、As(Ⅲ)與溶解態(tài)Fe(Ⅱ)有較好的相關(guān)性，而苦草組溶解態(tài)As、As(Ⅴ)、As(Ⅲ)與溶解態(tài)Fe(Ⅱ)相關(guān)性較差或不存在相關(guān)性。

圖6沉積物間隙水中As與Fe、Mn、UV254的相關(guān)性分析

2.5苦草對(duì)沉積物As遷移轉(zhuǎn)化的影響機(jī)制

氧化還原作用制約著砷在環(huán)境中的存在形態(tài)，隨著DO濃度的下降，As(Ⅴ)逐步被還原成As(Ⅲ)。沉積物-水界面中的DO濃度越低，砷越易從五價(jià)被還原為三價(jià)?？嗖萃ㄟ^(guò)光合作用和根系泌氧使得苦草組沉積物-水界面DO濃度增加(圖1)，As(Ⅲ)被氧化為As(Ⅴ)，砷酸鹽沉淀增加，沉積物間隙水中溶解態(tài)As、As(Ⅲ)與As(Ⅴ)質(zhì)量濃度減小(圖5)?？梢?jiàn)苦草有利于削減沉積物中的As，這與DO濃度增加促進(jìn)沉積物磷去除的機(jī)制相似。

沉積物間隙水中的pH值和UV254含量影響著沉積物As的存在形態(tài)和遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程?？嗖萁M和對(duì)照組中溶解態(tài)As、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)含量變化均與UV254及Mn含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖6)，表明存在耦合釋放的現(xiàn)象?？嗖萁M中溶解態(tài)Mn在DO濃度較高的情況下被氧化，并與間隙水中的砷酸根離子反應(yīng)生成難溶的錳砷化合物，釋放H+，降低苦草組的pH值(圖1)，且新生成的錳砷化合物與鐵砷化合物可吸附UV254和溶解態(tài)As，形成絡(luò)合物沉淀，砷的氧化和吸附能力增強(qiáng)，有效性降低。本文3個(gè)試驗(yàn)時(shí)段，苦草組溶解態(tài)As、As(Ⅲ)與As(Ⅴ)的平均去除率呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，可見(jiàn)受到了該組pH值降低的影響。

此外，植物的根系可以通過(guò)螯合作用、表面形成氧化鐵/錳化合物膠體、區(qū)隔化作用等機(jī)制降低重(類)金屬的吸收。苦草根系分泌的有機(jī)酸能夠有效促進(jìn)沉積物中磷、鐵在根系周邊形成鐵錳膠膜。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，苦草對(duì)間隙水中溶解態(tài)As、As(Ⅲ)與As(Ⅴ)質(zhì)量濃度的平均值與同期對(duì)照組的差異越來(lái)越小(圖3)，苦草對(duì)As的同化吸收效果降低。因此，苦草通過(guò)根系泌氧提升了表層沉積物的DO，促進(jìn)了鐵砷化合物和錳砷化合物的形成，有效去除了沉積物間隙水中的溶解態(tài)As、As(Ⅲ)與As(Ⅴ)。

3結(jié)論

a.苦草通過(guò)根系泌氧增加了沉積物-水界面的OPD，降低了間隙水中的pH值，UV254以及溶解態(tài)As、As(Ⅴ)、As(Ⅲ)、溶解態(tài)Fe(Ⅱ)和溶解態(tài)Mn的質(zhì)量濃度。

b.苦草組和對(duì)照組沉積物間隙水中的溶解態(tài)As、As(Ⅴ)、As(Ⅲ)與溶解態(tài)Mn和UV254顯著相關(guān)，與溶解態(tài)Fe(Ⅱ)相關(guān)性較差。

c.苦草對(duì)沉積物間隙水中的溶解態(tài)As、As(Ⅲ)和As(Ⅴ)有較好的去除效果，去除率分別為62.5%、64.6%、69.5%?？嗖輰?duì)As(Ⅲ)的去除效果優(yōu)于其對(duì)As(Ⅴ)的去除效果。