農(nóng)田排水中氮磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究進展

程希雷

（遼寧省環(huán)境科學(xué)研究院，遼寧 沈陽110031）

1 引言

水體富營養(yǎng)化是一種嚴(yán)重的水體污染，不僅影響水體水質(zhì)，也會對水環(huán)境造成負面影響。水體富營養(yǎng)化已經(jīng)成為全球性環(huán)境問題，也是世界水環(huán)境面臨的最為重要的問題，引起了生態(tài)學(xué)家、湖沼、海洋學(xué)家的普遍重視，同時也得到一些國際組織、國家政府及社會各界人士的廣泛關(guān)注與重視［1－3］。大量研究表明，農(nóng)田氮磷流失導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染是形成水體富營養(yǎng)化的主要原因［4－10］。如何有效防治農(nóng)田面源污染，修復(fù)水環(huán)境是目前亟待解決的問題。針對農(nóng)田氮磷流失引起的農(nóng)業(yè)面源污染問題，采用的控制措施主要可歸納為：源頭控制、中間調(diào)控和末端治理3個方面［11］。源頭控制就是通過加強田間管理、科學(xué)施肥減少面源污染的產(chǎn)生。中間調(diào)控就是在面源污染遷移的過程中加以截留和凈化，達到削減污染物進入下游受納水體的總量；末端治理就是在污染物匯入河流、湖泊等后進行去除。與源頭控制和末端治理相比，中間調(diào)控是一種更加經(jīng)濟可行的手段，這是由于雖然源頭控制是削減農(nóng)業(yè)面源污染物最有效的措施，但是在目前糧食危機日趨嚴(yán)峻的形勢下，大幅度減少化肥施用量難以實現(xiàn)，而末端治理又具有高投入、低收效的特點［12，13］。也正因如此，中間調(diào)控措施得到了國內(nèi)外學(xué)者以及水環(huán)境保護工作者的高度重視［14］。農(nóng)田排水是農(nóng)田氮磷流失的主要途徑，研究農(nóng)田排水中的氮磷在排水溝渠系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律是有效進行中間調(diào)控的基礎(chǔ)，因此在治理以及防治因農(nóng)業(yè)面源污染而引起的水體富營養(yǎng)化中顯得尤為重要，對于水環(huán)境治理具有事半功倍的效果，對正確評估水稻田流失氮、磷對環(huán)境的污染和影響，提出科學(xué)有效的控制措施具有重要意義。

本文旨在對農(nóng)田排水中的氮磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進行綜述，以期為建立科學(xué)合理的水體富營養(yǎng)化控制措施以及后續(xù)的污染治理工程提供決策依據(jù)，并為建立可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)農(nóng)業(yè)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，也為面源污染模型的建立及應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。同時本文還將分析探討目前研究工作的不足，并對未來的研究方向提出展望。

2 氮磷在排水溝渠系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化機制

排水溝渠中的氮主要以有機氮、氨態(tài)氮（NH＋4－N）和硝態(tài)氮（NO－3－N）的形式存在［15］，磷主要是以溶解態(tài)磷（DP）和顆粒結(jié)合態(tài)磷（PP）形式存在［16］。這些不同形態(tài)的氮、磷在植物、微生物和基質(zhì)底泥的共同作用下在排水溝渠系統(tǒng)中進行著遷移轉(zhuǎn)化。因此，氮、磷在排水溝渠系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化機制可以概括為：底泥吸附、植物吸收和微生物降解與協(xié)同。

2.1 底泥吸附

排水溝渠的底泥有巨大的表面積，富含有機質(zhì)，有較好的團粒結(jié)構(gòu)，對水體中的氮磷會產(chǎn)生吸附作用［17］。從農(nóng)田流失掉的不同形態(tài)的N隨著排水進入溝渠，其中有機態(tài)N和NH＋4－N會被底泥所吸附，研究表明溝渠底泥對NH＋4－N的最大飽和吸附量可達1.3mg/g［18］，而由于底泥膠體帶負電荷，因此NO－3－N不易被底泥吸附［19］。被底泥吸附的有機N通過礦化作用轉(zhuǎn)化為NH＋4－N，并在硝化細菌作用下進一步發(fā)生硝化作用轉(zhuǎn)化為NO－3－N，厭氧條件下，發(fā)生反硝化作用，形成N2和N2O，揮發(fā)進入大氣。與氮相比，底泥對磷的吸附能力和速度要更強大［20］。當(dāng)農(nóng)田排水進入溝渠以后，大量的可溶性磷被底泥吸附，研究表明，底泥對磷的吸附率最大可達99%，底泥吸附是農(nóng)田排水中磷去除的主要機制［21］。底泥對磷有很強的吸附能力是由于底泥中含有較多的無定型（非晶體型）鐵、鋁氧化物，能與磷形成溶解度很低的磷酸鐵或磷酸鋁［22］，但隨著底泥深度的增加，好氧狀態(tài)逐漸向缺氧、厭氧狀態(tài)轉(zhuǎn)化，鐵、鋁等形態(tài)隨之發(fā)生變化，因此，底泥對磷的吸附主要發(fā)生在表層，且隨深度增加，吸附能力下降［23］。底泥對磷的吸附過程是可逆的，因此被底泥吸附的部分磷只是暫時儲存在底泥中，一旦底泥對磷的吸收會出現(xiàn)飽和狀態(tài)，或是溝渠水體磷濃度降低，不能滿足植物和其他生物的生長需求，就會使一部分磷由底泥重新釋放到水中［24］。正由于被吸附的磷會發(fā)生解吸現(xiàn)象，因此盡管底泥吸附作用對磷的去除發(fā)揮重要作用，但是同時溝渠底泥中的磷也是造成磷二次污染的一個主要原因［25］。

2.2 植物吸收

氮、磷是植物生長的必需營養(yǎng)元素，因此，排水溝渠系統(tǒng)中生長的植物可以直接吸收利用農(nóng)田排水中的氮、磷，進而同化為自身所需的物質(zhì)（蛋白質(zhì)和核酸等）［26］。植物除了可以直接吸收利用水中的氮、磷外，在其生長過程中，還會將光合作用產(chǎn)生的O2通過莖葉輸送到根區(qū)，在根區(qū)形成好氧微環(huán)境，進而促進根區(qū)的氧化還原反應(yīng)與好氧微生物的活動，從而影響水中氮、磷的去除率［27，28］。例如，根區(qū)的好氧環(huán)境有助于硝化細菌的生長并進行硝化反應(yīng)，而硝化反應(yīng)產(chǎn)生的NO－3－N經(jīng)過擴散和滲濾作用進入根區(qū)以外的厭氧環(huán)境進行反硝化反應(yīng)，最終形成N2和N2O以氣體的形式從溝渠系統(tǒng)中逸出［29］。因此，植物的根區(qū)好氧環(huán)境及植物吸收能力是農(nóng)田排水中N去除的主要機制［30］。雖然相對于氮來說，植物吸收對磷的去除效果是有限的，磷的去除主要還是靠底泥吸附和截留，但是植物對磷的去除也有很大的幫助，一方面由于植物的吸收作用在根區(qū)形成濃度梯度，打破了底泥－水界面平衡，促進磷在界面的交換作用，進而加速磷進入底泥的速度；另一方面，植物根區(qū)的好氧微環(huán)境，有利于微生物對有機磷降解［29，31］。此外，植物還能夠增加溝渠的粗糙度、阻力和摩擦力，從而降低流速，促進懸浮物的淤積，增加水力停留時間，延長水中的化學(xué)反應(yīng)時間，進而提高對氮、磷的去除潛力［32］。

2.3 微生物的降解與協(xié)同

氮、磷的遷移轉(zhuǎn)化過程離不開微生物的參與，可以說微生物對于農(nóng)田排水中氮、磷的去除起著重要作用。農(nóng)田排水中的部分有機氮、磷，在微生物參與的礦化作用下轉(zhuǎn)化為NH＋4、NO－3和PO3－4等，可以被植物直接吸收利用［25］，同時，在好氧條件下NH＋4－N在硝化細菌作用下進行硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO－3－N，而在厭氧條件下，反硝化細菌將NO－3－N還原成為氣態(tài)的N2和N2O逸出［12］。在厭氧條件下，厭氧微生物能夠利用鐵結(jié)合態(tài)的鐵磷等，進而促進磷從底泥中轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)被釋放出來［33］，釋放出來的溶解態(tài)磷雖然為植物生長提供了營養(yǎng)元素，但是也提高了發(fā)生二次污染的風(fēng)險。同時，也有研究發(fā)現(xiàn)，氮的去除與硝化細菌和反硝化細菌都有明顯相關(guān)性，但是磷的去除與各類微生物均無明顯相關(guān)性［34］。

3 氮磷在排水溝渠系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化的影響因素

3.1 溫度和季節(jié)

底泥吸附、植物吸收以及微生物的降解和轉(zhuǎn)化作用都受到溫度的影響，而季節(jié)變化會導(dǎo)致溫度的變化，因此溫度和季節(jié)是影響氮、磷在排水溝渠中遷移轉(zhuǎn)化的重要因素。植物具有最適生長溫度，在一定溫度范圍內(nèi)隨著溫度升高，植物光合作用增強，促進植物生長，進而促進植物對氮、磷的吸收。Kovacic等［35］研究發(fā)現(xiàn)由于夏、秋季節(jié)溫度適宜植物生長，因此對氮、磷的凈化效果也更加明顯。另外，微生物的生長和代謝活動也受溫度的顯著影響。微生物最適宜的生長溫度是20～40℃，在此范圍內(nèi)，溫度每增加10℃，微生物的代謝速率將提高1～2倍。周鳳霞等［36］總結(jié)在10～30℃范圍內(nèi)，隨著溫度升高，反硝化細菌活性增強，有利于反硝化作用的進行，但是溫度高于30℃后，則會對硝化反硝化過程產(chǎn)生抑制作用。同時，溫度也影響磷的釋放。Liikanen等［37］研究表明，磷的釋放量隨溫度升高而增加，溫度升高1～13℃，可使底泥中磷的釋放增加9%～57%。此外，溫度升高不僅能使磷釋放量明顯增加，也會使釋放速度明顯增加［38］。

3.2 pH值和溶解氧（DO）

pH值會對微生物活性產(chǎn)生影響，進而影響氮、磷的遷移轉(zhuǎn)化［39］。硝化細菌和反硝化細菌適宜在中－堿性條件下生長，因此，排水溝渠在中－堿性條件下對氮的去除效果要好于酸性條件下［18，29］。此外，NH3揮發(fā)與pH值密切相關(guān)，pH＝9.3時，NH3揮發(fā)顯著；pH＝7.5～8.0時，NH3揮發(fā)不顯著；pH＜7.5時，NH3揮發(fā)可忽略［40］。底泥對磷的吸附和解吸是一個動態(tài)平衡過程，該過程與pH值密切相關(guān)。在酸性條件下磷與Al3＋和Fe2＋形成難溶化合物；在堿性條件下與Ca2＋形成難溶化合物［41］。若pH值過低，鈣結(jié)合態(tài)磷、鋁結(jié)合磷易被溶出，導(dǎo)致底泥吸附磷的能力下降；溝渠水體pH≥7時，鋁離子水解形成具有較大比表面積的膠體狀A(yù)l（OH）3，對水體中的磷酸鹽具有較強的吸附能力，促進水體磷的凈化［25］。

氮、磷循環(huán)轉(zhuǎn)化過程也受水中DO的影響。高濃度DO會促進硝化作用而限制反硝化作用進行，而低濃度DO則促進反硝化作用抑制硝化作用［42］。李強坤等［29］認為冬季氨氮去除效果低于夏季的原因之一是：冬季濕地表面被冰雪覆蓋，阻止大氣O2的輸入，導(dǎo)致DO濃度較低，進而抑制了硝化反應(yīng)的進行［25］。

3.3 植物種類

不同植物對氮、磷的去除率會有一些差異。余紅兵［21］研究發(fā)現(xiàn)不同水生植物全年可帶走氮和磷的范圍20.34～109.12g/m2、3.41～17.95g/m2，其中狐尾藻、水生美人蕉吸收能力最強。Ng等［43］研究發(fā)現(xiàn)蘆葦和茭草吸收氮磷的能力要強于香蒲，這是由于蘆葦和茭草的根系要比香蒲的根系更加發(fā)達。蔣躍平等［44］研究發(fā)現(xiàn)17種植物平均氮磷積累量對去除水中氮磷的貢獻率分別為46.8和51.0%，其中，美人蕉具有最高的N積累量（24.48g/m），而菖蒲具有最高的P積累量（1.95g/m）。一般而言，生物量較大、根系比較發(fā)達、輸氧能力較強的植物對氮、磷的凈化能力較強［45］。

3.4 排水溝渠的斷面、長度和水力特征

農(nóng)田排水中氮、磷的遷移轉(zhuǎn)化還與排水溝渠的長度、斷面尺寸以及排水溝渠中的水位、流速等水力特征有關(guān)。上述因素決定了農(nóng)田排水在排水溝渠中的滯留時間，而農(nóng)田排水在溝渠系統(tǒng)中滯留的時間與污染物去除率之間有很大關(guān)系。翟麗華等［46］在杭嘉湖流域研究發(fā)現(xiàn)溝渠排水中總磷、總氮和氨氮均隨滯留時間逐漸降低。Brooks等［47］指出溶解磷的去除分為兩個階段，第一階段速度很快，主要是吸附作用和磷酸鹽的形成，第二階段速度較慢，主要是化學(xué)促沉作用和被吸附物結(jié)成固體物質(zhì)，因此只有滯留時間足夠長能夠保證達到第二階段，才能保證并提高磷的去除效果。一般來說，排水中氮、磷在寬淺型溝渠中的轉(zhuǎn)化和去除率要高于深窄型溝渠，這是由于寬淺型溝渠中水生植物生物量高于深窄型溝渠，增加了水體與水生植物的接觸程度，此外與深窄型溝渠相比，寬淺型溝渠的縱坡比較小，水體流速較小，氮、磷在溝渠中持留時間較長，也有利于氮和磷的去除［48］。

溝渠長度與排水在溝渠中的滯留時間有關(guān)，進而會影響著氮磷元素的去除效果，徐劉凱［49］在贛江下游研究發(fā)現(xiàn)水稻田溝渠系統(tǒng)中氮磷濃度具有沿程大幅度遞減的規(guī)律。徐紅燈［23］和余紅兵［21］也發(fā)現(xiàn)了相同規(guī)律。但是劉小飛等［15］在吉林省西部松嫩平原的前郭灌區(qū)研究發(fā)現(xiàn)總氮在排水干渠內(nèi)呈現(xiàn)沿程略有增加的趨勢，而不是降低趨勢。

溝渠中水流流速影響泥砂的沉降，流速越慢越有利于泥砂沉降，而泥砂沉降是磷截留固持的重要過程，因此溝渠系統(tǒng)中水流速影響磷的沉降［21，23］。而水流流速增大雖然使得水中充氧能力增強，能夠加快氮的氧化分解過程［48］，但流速加大使得排水在溝渠中停留時間縮短，所以氮的分解量相對來說減少。張燕［12］研究發(fā)現(xiàn)低流速延長了水力停留時間，有利于溝壁土壤和溝底底泥對流水中NH－4N和PO－4P的吸附截留。

干濕交替是溝渠的重要特征之一，干濕交替過程實質(zhì)上是好氧和厭氧環(huán)境的交替過程，該過程會對溝渠底泥中氮、磷的轉(zhuǎn)化和釋放產(chǎn)生影響［13］。當(dāng)溝渠處于干涸狀態(tài)時，底部暴露到空氣中，溝渠呈現(xiàn)好氧環(huán)境，該環(huán)境有利于氮發(fā)生硝化作用，將NH＋4離子轉(zhuǎn)變?yōu)镹O－3；當(dāng)溝渠處于淹水狀態(tài)時，溝渠呈現(xiàn)厭氧環(huán)境，此時利于NO－3發(fā)生反硝化作用形成氣態(tài)的N2和N2O，從系統(tǒng)中逸失。所以，干濕交替促進了溝渠中氮的轉(zhuǎn)化。但是干濕交替對磷的影響比較復(fù)雜。一方面認為，溝渠底泥經(jīng)過干濕交替過程后可增強底泥向水體釋磷潛力。這是由于在干涸初期時，好氧環(huán)境有利于微生物的快速生長，使磷富集在增長的微生物群落中，但當(dāng)進一步干燥時，就會導(dǎo)致大量微生物死亡，而當(dāng)再次淹水，這時被微生物吸收利用的磷就又被釋放出來［50］。

4 結(jié)語

國內(nèi)外學(xué)者針對農(nóng)田排水中氮、磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律開展了大量研究，但是多數(shù)結(jié)果是基于實驗室受控條件或是小尺度試區(qū)為背景得出，而原位條件及大尺度范圍的研究少見報道，受控條件或是小尺度試區(qū)得到的結(jié)果往往難以反映農(nóng)田真實情況。就地區(qū)而言，在江蘇、浙江、湖南、三江平原等糧食主產(chǎn)區(qū)且面源污染比較嚴(yán)重地區(qū)開展的研究比較多，而河口鹽堿地帶稻區(qū)開展的研究比較有限。河口區(qū)由于其特殊的地理位置，使得在其區(qū)域流失的氮、磷極易擴散進入海洋，從而產(chǎn)生赤潮，因此，潛在威脅更大。此外，由于該地區(qū)土壤的鹽堿特性，使得該區(qū)域農(nóng)田排水中氮、磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律與其他區(qū)域勢必存在差異。因此，有必要加強該區(qū)域的相關(guān)研究，彌補區(qū)域空白。最后，溝渠系統(tǒng)不同組分以及不同影響因素對氮、磷遷移轉(zhuǎn)化的影響并不是單一作用，往往是同時發(fā)生，相互影響，綜合作用的結(jié)果。因此，應(yīng)該加強研究各組分及因素綜合作用下氮、磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，進而揭示各組分及影響因素的相互作用機理，定量評價各組分及因素的貢獻率，以確定不同組分和因素的影響程度。

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