農(nóng)田面源污染生態(tài)溝渠生態(tài)凈化效能評估

陳重軍++王建芳++凌士平等

摘要：在長三角地區(qū)某水稻種植密集區(qū)，建設(shè)農(nóng)田面源污染溝渠塘生態(tài)凈化工程，并根據(jù)水流方向?qū)Ω鲄^(qū)域生態(tài)溝渠的作用和污染物去除效果進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明，生態(tài)溝渠對農(nóng)田徑流中氮、磷具有顯著的去除作用，最高去除率分別可達(dá)74.13%、68.63%。但各周期污染物去除作用波動(dòng)較大，需要從維持植物高生物量、植物殘?bào)w清理和溝渠水位恒定等方面繼續(xù)改進(jìn)，同時(shí)為保證工程的長效運(yùn)行，應(yīng)建立“區(qū)-鎮(zhèn)-村”于一體的梯度式運(yùn)行管理機(jī)制。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田面源污染；生態(tài)溝渠；凈化；效能評估

中圖分類號(hào)： X171.5；X71文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）11-0472-03

收稿日期：2014-11-13

基金項(xiàng)目：江蘇省蘇州市科技計(jì)劃（編號(hào)：SYN201320、SYN201411）；江蘇省昆山市生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)科技專項(xiàng)（編號(hào)：331311201）；江蘇省蘇州市相城區(qū)科技計(jì)劃（編號(hào)：201338）。

作者簡介：陳重軍（1984—），男，浙江義烏人，博士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)面源污染控制與治理研究。E-mail：chongjunchen@163.com。

通信作者：王建芳，博士，副教授，主要從事廢水生物處理研究。E-mail：wjf302@163.com。農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國首要污染來源，農(nóng)業(yè)面源中化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）污染負(fù)荷分別占水體污染負(fù)荷的43.7%、572%和67.4%，其中農(nóng)田的污染貢獻(xiàn)不容忽視[1]。有研究表明，生態(tài)溝渠具有良好的氮磷凈化功能和較好的景觀效應(yīng)[2]，其動(dòng)態(tài)氮、磷去除率達(dá)35.7%、41.0%，靜態(tài)氮、磷去除率達(dá)58.2%、84.8%，成為農(nóng)田面源污染治理的有效途徑[3]。但目前針對農(nóng)田面源污染的控制大多還在實(shí)驗(yàn)室或試驗(yàn)田小范圍研究階段，雖然部分地區(qū)已經(jīng)建成區(qū)域性大規(guī)模農(nóng)田面源污染生態(tài)溝渠凈化示范工程，但也嚴(yán)重缺乏對污染控制的績效評價(jià)及長效維護(hù)機(jī)制，限制了農(nóng)田面源污染控制工程的效能發(fā)揮。本研究對區(qū)域性農(nóng)田面源污染控制示范工程的長期效能進(jìn)行評估，并提出相應(yīng)的長效管理機(jī)制和方案，為我國農(nóng)田面源污染減控技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提供了一定的基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)方案與采樣設(shè)計(jì)

1.1工程建設(shè)

農(nóng)田面源污染溝渠塘生態(tài)凈化工程建設(shè)地點(diǎn)位于江蘇省蘇州市某地，建設(shè)面積約20 hm2，農(nóng)田徑流按照區(qū)域劃分，在不同的區(qū)域設(shè)置不同的尾水處理設(shè)施（圖1）。整個(gè)工程分為3塊區(qū)域，分別為區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3，各自不同的農(nóng)田徑流流入不同生態(tài)濕地進(jìn)行處理，分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)人工濕地系統(tǒng)。農(nóng)田徑流主要處理流程為：各區(qū)域有不同的源水（其中區(qū)域1和區(qū)域2源水一致）進(jìn)入農(nóng)田，種植過程中化肥流失進(jìn)入農(nóng)田徑流，農(nóng)田徑流統(tǒng)一收集到生態(tài)溝渠，生態(tài)溝渠中種植香蒲、菖蒲、蘆葦、金魚藻等挺水植物和淺水植物，并控制徑流流速和流向，最后從生態(tài)溝渠流出的農(nóng)田徑流進(jìn)入尾水生態(tài)濕地深度處理，在生態(tài)濕地內(nèi)部和四周種植蘆葦、菖蒲、美人蕉等濕地植物，實(shí)現(xiàn)氮磷的進(jìn)一步吸收和轉(zhuǎn)化，最終處理出水排入周邊流域。

1.2采樣設(shè)計(jì)

對農(nóng)田面源污染溝渠塘生態(tài)凈化工程的效能評估工作，分別于2013年7月18日、8月27日、10月31日、12月4日進(jìn)行4次采樣，采樣點(diǎn)布置見圖1。共設(shè)13個(gè)采樣點(diǎn)，各采樣點(diǎn)位置和涵義說明見表1。

表1采樣點(diǎn)位置與涵義

編號(hào)區(qū)域采樣點(diǎn)位置采樣點(diǎn)描述點(diǎn)11、2區(qū)域1、區(qū)域2進(jìn)水源水點(diǎn)21、2區(qū)域1田面水污染的水點(diǎn)31、2區(qū)域1溝渠水經(jīng)處理的水點(diǎn)41、21號(hào)濕地經(jīng)深度處理的水點(diǎn)51、2區(qū)域2田面水污染的水點(diǎn)61、2區(qū)域2溝渠水經(jīng)處理的水點(diǎn)71、22號(hào)濕地經(jīng)深度處理的水點(diǎn)83區(qū)域3進(jìn)水源水點(diǎn)93區(qū)域3田面水污染的水點(diǎn)103區(qū)域3溝渠水（1）經(jīng)處理的水點(diǎn)113區(qū)域3溝渠水（2）經(jīng)處理的水點(diǎn)1233號(hào)濕地經(jīng)深度處理的水點(diǎn)1333號(hào)濕地排水口最終排水

1.3測定方法

COD濃度：重鉻酸鉀消解法測定（本研究測定的均為CODCr）；銨態(tài)氮（NH+4-N）濃度：納氏試劑光度法測定；亞硝態(tài)氮（NO-2-N）濃度：N-（1-萘基）-乙二胺光度法測定；硝態(tài)氮（NO-3-N）濃度：紫外分光光度法測定；TN濃度：過硫酸氧化-紫外分光光度法測定；TP濃度：過硫酸鉀消解法測定[4]。

2工程效能評價(jià)

由圖2至圖5可以看出，4次監(jiān)測結(jié)果各采樣點(diǎn)水質(zhì)的波動(dòng)較大，推測水稻的生長期、肥料施用期、徑流量的大小與季節(jié)、氣溫等息息相關(guān)。但是，總體來說，生態(tài)溝渠的建設(shè)對農(nóng)田徑流污染物的削減具有明顯的作用。

以區(qū)域1為例，進(jìn)水pH值7.21～7.97，COD 33～98 mg/L、NH+4-N濃度1.12～1.90 mg/L、NO-2-N濃度010～0.14 mg/L、NO3-N濃度0.24～1.10 mg/L、TN濃度 2.37～4.38 mg/L、TP濃度0.41～3.04 mg/L；進(jìn)水水質(zhì)劣于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，特別是TN濃度、TP濃度、COD濃度較高。經(jīng)灌溉農(nóng)田后，田間表面徑流污染物濃度較高，pH值為7.23～8.54，COD 32～34 mg/L、NH+4-N濃度1.57～1.83 mg/L、NO-2-N濃度 001 mg/L、NO-3-N濃度 0.84～1.20 mg/L、TN濃度 3.50～10.90 mg/L、TP濃度0.50～4.08 mg/L。隨著氮、磷的施用，徑流中氮、磷濃度顯著提高，特別是TN的濃度遠(yuǎn)高于進(jìn)水，但COD并未升高，反而有所下降，因化肥成分主要以氮、磷為主，并未對徑流有機(jī)物有所影響，且土壤微生物對有機(jī)物有降解作用，造成有機(jī)物含量降低。從農(nóng)田田面徑流排入到生態(tài)溝渠中，溝渠水pH值7.45～8.08，COD 18～84 mg/L、NH+4-N濃度1.00～2.10 mg/L、NO-2-N濃度 002～0.08 mg/L、NO-3-N濃度0.05～1.27 mg/L、TN濃度1.61～3.36 mg/L、TP濃度0.48～1.28 mg/L。與田面徑流水質(zhì)進(jìn)行比較，經(jīng)過生態(tài)溝渠中植物吸收和微生物代謝作用，氮、磷濃度顯著降低，氮、磷最高去除率可達(dá)74.13%、6863%。最后，生態(tài)塘的水質(zhì)為pH值6.98～7.94，COD濃度 24～80 mg/L、NH+4-N 濃度0.20～2.34 mg/L、NO-2-N 濃度0.01～0.34 mg/L、NO-3-N濃度 濃度0.02～1.82 mg/L、TN濃度1.58～5.01 mg/L、TP濃度0.28～4.81 mg/L。氮素在生態(tài)溝渠中的轉(zhuǎn)化與去除作用較為復(fù)雜，主要包括微生物脫氮作用、沉積和滲透作用、植物吸收作用等。而通過脫氮微生物的氨化-硝化/反硝化作用是生態(tài)溝渠去除N的主要途徑[5]。同時(shí)，植物根系致密的環(huán)境和泌氧效應(yīng)，以及光合作用產(chǎn)生氧氣作用，造成生態(tài)溝渠存在明顯交替的好氧區(qū)和厭氧區(qū)，極大地促進(jìn)了生態(tài)溝渠對氮素的轉(zhuǎn)化和去除。植物吸收是生態(tài)溝渠磷去除的重要途徑，因此植物生物量的大小和生命活性將直接決定生態(tài)溝渠磷的去除效能[6]。然而，從生態(tài)溝渠進(jìn)入到最終的植物塘，水質(zhì)并未有所改善，反而使氮、磷濃度有所回升，造成該結(jié)果可能是因?yàn)橹参锾羶?nèi)植物較少，且多有腐爛植物存在，導(dǎo)致污染物沒有得到有效降解。但是，總體來說，經(jīng)過生態(tài)溝渠的作用，農(nóng)田徑流氮、磷含量大幅度降低，對農(nóng)業(yè)面源污染的減排及周邊水體質(zhì)量改善具有明顯作用。

區(qū)域2、區(qū)域3和區(qū)域1對污染物的去除作用基本一致，本研究不再贅述。生態(tài)溝渠是農(nóng)業(yè)面源污染減控的重要途徑，對污染物特別是氮磷的削減具有顯著作用。

3經(jīng)濟(jì)效益與推廣應(yīng)用前景分析

本項(xiàng)目實(shí)施后，按照水稻每667 m2耗水1 500 m3計(jì)算，開展生態(tài)溝渠工程從農(nóng)田徑流中減少污染物排放氮0.43 t、磷0.21 t，可有效減少對周邊環(huán)境的危害，同時(shí)具有顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)自2008年1月1日起施行的《江蘇省環(huán)境資源區(qū)域補(bǔ)償辦法（試行）》（蘇政發(fā)[2007]149號(hào)），環(huán)境資源區(qū)域補(bǔ)償因子及補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)暫定為NH+4-N 10萬元/t、TP 10萬元/t，如按照補(bǔ)償辦法交納補(bǔ)償金，約合6.4萬元。該方法管理方便，運(yùn)行費(fèi)用省，對污染物去除效率高，成為農(nóng)業(yè)面源污染去除的重要途徑。

4生態(tài)溝渠長效運(yùn)行的建議

工程運(yùn)行效果表明，農(nóng)田生態(tài)溝渠塘生態(tài)凈化工程可以有效攔截農(nóng)田地表徑流中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，減輕周邊水體富營養(yǎng)化程度。但該類工程的建設(shè)使用尚處于探索階段，其長效管理機(jī)制還不健全，須要從以下幾個(gè)方面深化：（1）生態(tài)濕地植物過少，生物量低，造成水質(zhì)不穩(wěn)定，特別是冬季溫度較低，造成濕地植物死亡，同時(shí)微生物活性減弱，導(dǎo)致水質(zhì)惡化。建議加大生態(tài)溝渠植物密度，特別是種植一些冬季也能生長的植物，如黑麥草[7]、水芹[8]等，保證冬季去除效果。（2）溝渠內(nèi)死亡植物未及時(shí)收割，腐爛后造成出水水質(zhì)惡化。應(yīng)適時(shí)對植物地上部進(jìn)行收割，可以有效地從水體中移除氮、磷，并促進(jìn)植物再生，以維持生態(tài)溝渠對水體的持續(xù)凈化作用，避免植物枯落物對水體產(chǎn)生二次污染[9]。（3）生態(tài)溝渠枯水期的保水效果較差，導(dǎo)致溝渠干涸、植物死亡。建議在各溝渠內(nèi)設(shè)置可控制水位的閘閥，保證基本水位在10 cm左右，保障溝渠植物生長。（4）生態(tài)溝渠長效管理體制不完善，須要建立“區(qū)-鎮(zhèn)-村”于一體的管理體制，建立生態(tài)溝渠維護(hù)專項(xiàng)資金，確保生態(tài)溝渠長效穩(wěn)定運(yùn)行。

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