不同濕地-稻田面積比下茭白-茨菇濕地系統(tǒng)對稻田排水中氮素去除效果的研究

李笑天，劉錦濤，王乙江，豐林花，衛(wèi) 琦，徐俊增，楊士紅(.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 0098;.中國水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京 00048; .昆山市水利工程質(zhì)量安全監(jiān)督和水利技術(shù)推廣站，江蘇 昆山 500)

0 引 言

農(nóng)業(yè)排水是面源污染主要原因，也是水體富營養(yǎng)化的主要成因[1,2]。濕地生態(tài)系統(tǒng)作為農(nóng)田面源污染物凈化的重要場所，已經(jīng)在世界各地廣泛用于包括農(nóng)田排水在內(nèi)的廢污水的處理。Meuleman等[3]研究結(jié)果表明，植草濕地能吸收水中氮磷，截留降雨徑流和稻田排水，利用濕地系統(tǒng)相關(guān)的物理、化學(xué)和生物作用，降低水體氮磷負(fù)荷和流出濃度。Sheryl等人[4]研究認(rèn)為，天然的植草排水溝對農(nóng)藥毒死蜱的消解率可以達(dá)到38%。種植作物的濕地方面，尹澄清等人[5,6]通過研究發(fā)現(xiàn)，4 m交錯帶蘆葦群落根區(qū)土壤總磷截留率可達(dá)到90 %，而總氮的截留率可達(dá)64 %；多水塘系統(tǒng)能氮磷污染負(fù)荷94%以上。Borin等人[7]通過在蒸滲儀的試驗(yàn)研究表明，植草人工濕地可以吸收面積為其十倍的稻田產(chǎn)生的排水中的NO-3-N。彭世彰等[8]通過對南方稻麥耕種特點(diǎn)，提出農(nóng)田，生態(tài)溝和濕地協(xié)同系統(tǒng)，并證明系統(tǒng)中農(nóng)業(yè)排水中氮濃度降低顯著。董斌[9]等人通過引進(jìn)及改造灌溉排水濕地綜合系統(tǒng)，提升濕地對灌溉排水的凈化速率。采用以土著的天然水生植物群落為試驗(yàn)材料，如南方水網(wǎng)地區(qū)的多種具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水生植物蓮藕、荸薺、茨菰、茭白、水芹等，將這些具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水生植物種植于濕地之中，進(jìn)行農(nóng)田排水的凈化處理，兼具凈化功能和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，更具推廣價(jià)值，但相關(guān)研究還很少。且在土地資源緊張且水環(huán)境污染嚴(yán)重的今天，在保證作物產(chǎn)量的前提下，用更小面積的濕地對更大面積的稻田產(chǎn)生的排水進(jìn)行凈化具有現(xiàn)實(shí)研究意義。因此本文針對蘇南高氮肥投入的稻田排水，以茭白和茨菰為濕地植物材料，開展不同濕地-稻田面積比下茭白-茨菰濕地去除稻田排水中氮素效果的研究，對于拓展?jié)竦剞r(nóng)田排水凈化模式的植物選型以及模式的進(jìn)一步的應(yīng)用推廣具有重要的實(shí)際意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)所在地位于河海大學(xué)水文水資源與水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的昆山排灌試驗(yàn)基地(31°15′15″N, 120°57′43″E)。試驗(yàn)區(qū)屬于亞熱帶南部季風(fēng)氣候，年平均氣溫為15.5 ℃年降雨量為1 097 mm，年蒸發(fā)量為1 366 mm。當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣為稻麥輪作，土壤類型為潴育型水稻土，質(zhì)地為重壤土。0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)30.3 g/kg，全氮1.79 g/kg，全磷1.4 g/kg，pH值7.4，0～30 cm土壤密度為1.30 g/cm3。

試驗(yàn)基地內(nèi)建有的稻田、排水溝和濕地系統(tǒng)，采用固定面積的濕地(長×寬=5 m×4 m)接收不同面積稻田排水。稻田采用控制灌溉模式，具體調(diào)控指標(biāo)見文獻(xiàn)[10]。水稻于6月29日插秧，10月25日收割。6月28日施復(fù)合肥(含氮16%)60 kg/hm2和碳酸氫氨(含氮17.1%)60 kg/hm2， 7月10日、8月20日分別施用尿素(含氮46.2%)104.40和103.95 kg/hm2作為蘗肥和穗肥。根據(jù)控灌稻田在典型降雨下可能的排水量和濕地能夠容蓄水深選取上游排水的稻田面積，將濕地面積和排水稻田面積設(shè)置為1∶10、1∶7和1∶4三種比例關(guān)系，每種面積比設(shè)3個(gè)重復(fù)。其中稻田和濕地面積的3種比例關(guān)系，應(yīng)該理解為單位面積的濕地接收面積大小分別為其10倍、7倍和4倍的稻田產(chǎn)生的排水。每塊濕地面積為20 m2，則對應(yīng)三塊稻田面積分別為200，140，80 m2。結(jié)合當(dāng)?shù)亟涤昱c稻田容蓄降雨的控制標(biāo)準(zhǔn)，按照稻田降雨后產(chǎn)生3 cm水深的排水進(jìn)行排水調(diào)度。濕地內(nèi)土壤表面與周圍稻田最低田面基本持平，濕地的堤頂高于土壤表面35 cm。濕地四周用PVC板整體焊接，并埋入地下1 m深，以防止漏水，在出口側(cè)與內(nèi)部土壤表面齊平的位置預(yù)留排水口，并用橡膠塞封堵。濕地內(nèi)交叉栽種“茭白+茨菰”組合的經(jīng)濟(jì)作物[11]，兩種經(jīng)濟(jì)作物間距為50 cm。每塊濕地中，分別栽種3行茭白和4行茨菰，分別共計(jì)18和40株。

1.2 采樣與分析

從稻田排水進(jìn)入濕地后第1天開始每天定時(shí)采集濕地水樣，持續(xù)8～10 d；水樣采集時(shí)在濕地入口、中部和出口3個(gè)固定地點(diǎn)進(jìn)行取樣，每份200 mL，并將取好的3份水樣混合搖勻。樣品采集過濾后立即采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、納氏試劑比色法、紫外分光光度法對樣品中的總氮(TN)、氨態(tài)氮(NO+4-N)和硝態(tài)氮(NO-3-N)含量進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 茭白-茨菰濕地系統(tǒng)NO+4-N濃度變化規(guī)律

不同面積比下的“茭白+茨菰”濕地系統(tǒng)NO+4-N濃度的變化顯示(圖1)，進(jìn)入濕地水體NO+4-N濃度在8～10 d內(nèi)呈指數(shù)下降趨勢。其中7月14日和8月22日開始的處理周期內(nèi)，1∶10、1∶7和1∶4比例處理濕地水體的NO+4-N濃度分別由6.120和10.907 mg/L下降到0.686和1.792 mg/L，由5.595和10.375 mg/L下降到0.677和1.237 mg/L，由6.188和10.548 mg/L下降到1.015和1.193 mg/L，對應(yīng)的下降幅度分別為88.7%和83.6%、87.8%和88.1%、83.6%和88.7%。在NO+4-N濃度指數(shù)下降過程中，處理開始的前4～6 d濃度下降最快，3個(gè)濕地內(nèi)兩個(gè)處理周期的前6 d或4 d內(nèi)的下降幅度分別為分別達(dá)到67.3%和71.8%，70.1%和75.6%，71.2%和74.1%。而對應(yīng)的后4 d NO+4-N下降幅度僅為4.4%和18.5%，20.1%和21.2%，10.5%和3.2%。第三次處理周期內(nèi)濕地于9月9日施肥，自施肥后最大濃度開始 濃度同樣呈現(xiàn)指數(shù)下降趨勢。自施肥后最大濃度算起，1∶10、1∶7和1∶4比例處理濕地水體的NO+4-N濃度分別由6.489、6.399和7. 449mg/L下降到1.033、0.946和1.013mg/L，下降幅度分別為84.1%、85.2%和86.4%。其中前4 d的下降幅度均達(dá)到74.1%以上，而后3 d的下降幅度主要維持在11.3%～20.0%。

圖1 不同面積比的"茭白+茨菰"濕地系統(tǒng)NO+4-N濃度變化Fig.1 The concentration changes of NO+4-N of different area ratios of “water bamboo and arrowhead” wetland system

通過稻田三次排水進(jìn)入不同面積比下“茭白+茨菰”濕地后NO+4-N濃度的變化規(guī)律可以看出，當(dāng)濕地入水濃度維持在6～11mg/L時(shí)，經(jīng)過濕地系統(tǒng)7～13 d的凈化，其NO+4-N濃度都能達(dá)到0.6～1mg/L，其NO+4-N去除率均達(dá)到83.6%以上。濕地系統(tǒng)中NO+4-N濃度的降低幅度在前4～6 d表現(xiàn)最為明顯，其降低幅度均到達(dá)67.3%以上，而后4 d的去除率則主要維持在25%以內(nèi)。不同面積比之間的對比顯示，1∶7濕地的NO+4-N去除效果較好，但3個(gè)面積比之間的差異并不顯著。

2.2 茭白-茨菰濕地系統(tǒng)NO-3-N濃度變化規(guī)律

稻田排水進(jìn)入“茭白+茨菰”濕地后NO-3-N濃度隨時(shí)間的變化與濃度變化呈現(xiàn)相似的指數(shù)下降規(guī)律(圖2)，但其去除效果卻有所差異。其中7月14日和8月22日開始的處理周期內(nèi)，1∶10、1∶7和1∶4比例處理濕地水體的NO-3-N濃度分別由5.987和5.981 mg/L下降到0.451和0.612 mg/L，由5.944和6.013 mg/L下降到0.532和0.557 mg/L，由5.472和6.196 mg/L下降到0.312和0.479 mg/L，對應(yīng)下降幅度分別為92.5%和89.8%、91.1%和90.7%，94.3 %和92.3%。在指數(shù)下降過程中，同樣是處理開始的前4～6 d濃度下降最快，其中7月14日和8月22日開始的處理后，前6 d和4 d內(nèi)的下降幅度分別為分別達(dá)到74.4%和61.4%，82.8%和71.0，62.8%和70.9%。而對應(yīng)的后4 d下降幅度僅為34.1%和9.1%，21.1%和22.7%，38.1%和30.4%。第三次處理周期內(nèi)自施肥后最大濃度開始NO-3-N濃度同樣呈現(xiàn)指數(shù)下降趨勢。自施肥后最大濃度算起，1∶10、1∶7和1∶4比例處理濕地水體的NO-3-N濃度分別由最大值5.981、2.034和1.329 mg/L分別下降到0.359、0.397和0.537 mg/L，下降幅度分別為81.3%、71.5%和59.6 %。其中前4 d的下降最為明顯其下降幅度分別達(dá)到67.7%、76.0%和48.7%；而后2 d下降較為平緩，其下降幅度僅為31.1%、18.8%和21.3%。

圖2 不同面積比的“茭白+茨菰”濕地系統(tǒng)NO-3-N濃度變化Fig.2 The concentration changes of NO-3-N of different area ratios of “water bamboo and arrowhead” wetland system

總體上，當(dāng)入水NO-3-N濃度維持在5.5～6 mg/L時(shí)，經(jīng)過茭白+茨菰濕地系統(tǒng)8～10 d的凈化，其下降幅度都能達(dá)到90%以上[12]。與濕地中NO+4-N濃度變化相比，在稻田前兩次排水過程中NO-3-N的下降幅度均高于NO+4-N，而第三次排水后其去除效果則正好相反。從“茭白+茨菰”濕地系統(tǒng)中NO-3-N濃度下降過程來看，同樣是在處理的前3～6 d下降最為明顯，降低幅度均到達(dá)60%以上，這一幅度略小于NO+4-N在同階段的下降幅度，而后2～4 d的去除效果維持30%以內(nèi)。不同面積比之間的下降幅度差異并不大，總體上1∶4濕地的下降幅度更明顯，但處理之間差異不顯著。

2.3 茭白-茨菰濕地系統(tǒng)TN濃度變化規(guī)律

稻田排水進(jìn)入 “茭白+茨菰”濕地后TN濃度隨時(shí)間的變化與TN濃度變化呈現(xiàn)相似的指數(shù)下降規(guī)律(圖3)，但其去除效果卻有所差異。其中7月14日和8月22日開始的處理周期內(nèi)，1∶10、1∶7和1∶4比例處理濕地水體的TN濃度分別由13.519和21.704 mg/L下降到1.847和5.698 mg/L，由15.022和20.461 mg/L下降到2.331和5.197 mg/L，由14.632和19.489 mg/L下降到3.108和5.335 mg/L。對應(yīng)下降幅度都78%左右。在指數(shù)下降過程中，處理開始的前4～6 d濃度下降最快，其中7月14日和8月22日開始的處理后，前6 d和4 d內(nèi)的TN下降幅度分別為分別達(dá)到73.7%和56.0%，76.1和62.2%，78.1%和63.4%。而觀測期后4 d的下降幅度僅為6.8%和7.1%，10.4和4.0%，17.4%和8.6%。第三次處理周期內(nèi)自施肥后最大濃度開始以TN濃度同樣呈現(xiàn)指數(shù)下降趨勢，1∶10、1∶7和1∶4比例處理濕地水體的TN濃度分別由最大值10.377、11.465和14.279 mg/L分別下降到2.814、1.899和1.571 mg/L，下降幅度分別為72.9%、83.4%和88.9 %。此外，可以看出，稻田第三次排水進(jìn)入濕地后不同面積比的濕地系統(tǒng)中TN濃度在由峰值減小的過程中其變化趨勢基本一致，這一點(diǎn)與NO-3-N有所不同，且TN濃度在由峰值逐漸降低的過程中其前5 d表現(xiàn)最為明顯，其下降幅度均達(dá)到57.0%以上；而后3 d降低幅度僅為1.2%、14.4%和10.7%。

圖3 不同面積比的“茭白+茨菰”濕地系統(tǒng)TN濃度變化Fig.3 The concentration changes of TN of different area ratios of “water bamboo and arrowhead” wetland system

總體上，當(dāng)入水TN濃度維持在10～15 mg/L時(shí)，經(jīng)過茭白+茨菰濕地系統(tǒng)8～10 d的凈化，其濃度都能降低為2～3 mg/L。稻田三次排水進(jìn)入濕地過程中TN濃度的變化規(guī)律與NO+4-N和NO-3-N較為相似。不同面積比下“茭白+茨菰”濕地系統(tǒng)中TN濃度的降低幅度在前4～6 d均到達(dá)56%以上，而后3～4 d的效果則主要維持18%以內(nèi)[13]。對比3個(gè)不同面積比之間的TN去除效果，可以發(fā)現(xiàn)，總體上1∶4濕地的TN去除效果最好，但不同面積比之間的去除率差異并不大，其平均值主要維持在78%～81%之間，這一去除效果略低于NO+4-N和NO-3-N的去除率。

2.4 不同濕地-稻田面積比的氮負(fù)荷與截留效果

根據(jù)每次稻田排水進(jìn)入濕地過程中水量以及氮素濃度的變化情況，可得出濕地截留的稻田排水的平均氮素負(fù)荷。將截留的氮素負(fù)荷換算為每公頃濕地上截留的氮素負(fù)荷，即為濕地系統(tǒng)對氮素負(fù)荷的截留效果，具體如表1所示。對截留量統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，不同面積比的濕地之間對氮素的截留量存在顯著差異，原因在于本試驗(yàn)中濕地面積是固定的，濕地承納的上游排水稻田面積越大，來水量和進(jìn)入的負(fù)荷也越大。為進(jìn)一步消除來水面積差異的影響，計(jì)算去除率和單位稻田排水在濕地內(nèi)的截留量(單位截留量)，發(fā)現(xiàn)不同面積配比的濕地對氮素負(fù)荷的去除率和單位截留量差異不顯著。

表1 “茭白+茨菰”濕地氮負(fù)荷與截留量Tab.1 The nitrogen load and intercept of the “Water bamboo and Arrowhead” wetland system

注：不同字母表明對應(yīng)處理之間存在顯著性差異; 進(jìn)入負(fù)荷、排出負(fù)荷、截留量均對應(yīng)單位濕地，單位截留量對應(yīng)單位稻田。

3 結(jié) 語

本文研究了不同濕地-稻田面積比下茭白-茨菇濕地系統(tǒng)對稻田排水中氮素的去除效果。結(jié)果表明：茭白-茨菇濕地系統(tǒng)對稻田排水中氮素的去除效果明顯，不同濕地-稻田面積比對系統(tǒng)的氮素去除率有所差異，但差異并不顯著。整體上，濕地系統(tǒng)其對NO+4-N，NO-3-N以及TN的濃度下降分別維持在83.6%～88.7%、59.6%～94.3%和72.6%～88.9%范圍內(nèi)。且氮素濃度在排水進(jìn)入濕地后的前3～6 d內(nèi)均呈指數(shù)下降趨勢，而后2～4 d則趨于平穩(wěn)降低。因此，水體中氮素濃度在達(dá)到峰值之后，要盡可能在濕地中停留6 d以上，同時(shí)應(yīng)盡量避免將降雨后、接收稻田排水后以及施肥后的濕地水體立即排出濕地?？傮w上來看， 1∶10濕地對氮素負(fù)荷截留量最大，1∶4濕地最小，差異顯著。但1∶10濕地對氮素負(fù)荷去除率最小，1∶4濕地最大，且各濕地的去除率和單位截留量均差異不顯著。表明在3 cm的稻田排水水深和5～11 mg/L范圍的總氮濃度條件下，對應(yīng)單位濕地處理負(fù)荷量在20.6～52.5 kg/hm2范圍內(nèi)時(shí)，在本文所采用的面積配比范圍內(nèi)，茭白-茨菇濕地處理稻田排水，進(jìn)入濕地內(nèi)水體氮素濃度和單位稻田排水負(fù)荷的截留率均比較接近，均能取得較高的氮素去除率及氮負(fù)荷截留效果。

□

[1] 司友斌, 王慎強(qiáng). 農(nóng)田氮, 磷的流失與水體富營養(yǎng)化[J]. 土壤, 2000,32(4):188-193.

[2] 楊林章, 周小平, 王建國, 等. 用于農(nóng)田非點(diǎn)源污染控制的生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng)及其效果[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2005, 24(11):1 371-1 374.

[3] Meuleman A F M, Beltman B. The use of vegetated ditches for water quality improvement[C]∥ Proceedings of the Third International Workshop on Phosphorus in Sediments. Springer Netherlands, 1993:375-375.

[4] Gill S L, Spurlock F C, Goh K S, et al. Vegetated ditches as a management practice in irrigated alfalfa[J]. Environmental monitoring and assessment, 2008,144(1-3):261-267.

[5] 尹澄清, 邵 霞. 白洋淀水陸交錯帶土壤對磷氮截留容量的初步研究[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 1999,18(5): 7-11.

[6] Yin C, Shan B. Multipond systems: a sustainable way to control diffuse phosphorus pollution[J]. AMBIO: A Journal of the Human Environment, 2001,30(6):369-375.

[7] 章明奎, 王 陽, 黃 超. 水網(wǎng)平原地區(qū)不同種植類型農(nóng)田氮磷流失特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011,22(12):3 211-3 220.

[8] 彭世彰, 熊玉江, 羅玉峰, 等. 稻田與溝塘濕地協(xié)同原位削減排水中氮磷的效果[J]. 水利學(xué)報(bào), 2013,44(6):657-663.

[9] 董 斌, 茆 智, 李新建, 等. 灌溉-排水-濕地綜合管理系統(tǒng)的引進(jìn)和改造應(yīng)用[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2009,(11):9-11.

[10] 彭世彰, 徐俊增, 黃 乾, 等. 水稻控制灌溉模式及其環(huán)境多功能性[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2005,35(5):443-445.

[11] 徐偉偉, 章北平, 肖 波, 等. 植物在人工濕地凈化污水過程中的作用[J]. 安全與環(huán)境工程, 2005,12(2):41-44.

[12] 和玉璞, 彭世彰, 徐俊增, 等. 生態(tài)溝-濕地系統(tǒng)對稻田排水中氮素的去除效果[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2012,30(5):609-613.

[13] 高煥芝, 彭世彰, 孫 勇, 等. 稻田排水在溝塘濕地凈化中總氮濃度的周期性特征[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2010,38(2):220-224.