基于生態(tài)混凝土的農(nóng)田生態(tài)排水溝構(gòu)建與環(huán)境效應(yīng)

和玉璞，洪大林，徐 爍，芮旭倩，楊幸福，芮衛(wèi)國，芮偉宏

(1.南京水利科學研究院,南京 210029;2.南京市高淳區(qū)水務(wù)局,南京 211300;3.南京市高淳區(qū)淳東抽水站管理所,南京 211301)

目前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為追求糧食高產(chǎn)，普遍存在過量施用化肥等現(xiàn)象[1,2]，加之不合理的農(nóng)田灌溉排水措施，使得農(nóng)田大量營養(yǎng)元素經(jīng)農(nóng)田徑流進入周邊水體，引起水環(huán)境惡化，進而導致嚴重的農(nóng)業(yè)面源污染問題[3,4]。農(nóng)田排水溝是農(nóng)田排水進入周邊水體的主要通道，農(nóng)田排水中的營養(yǎng)物質(zhì)在排水溝的流動過程中可以通過底泥吸附、植物吸收和微生物降解等多種機制被吸收、固定或脫離排水溝[5,6]。因此，充分發(fā)揮農(nóng)田排水溝的環(huán)境功能，構(gòu)建農(nóng)田生態(tài)排水溝成為了國內(nèi)外農(nóng)業(yè)面源污染防治研究的熱點。目前，我國學者在土質(zhì)排水溝與混凝土排水溝的基礎(chǔ)上結(jié)合控制排水、適宜植物選型及工程技術(shù)開展了一系列生態(tài)排水溝的研究[4,7-9]。然而，以土質(zhì)排水溝為基礎(chǔ)的生態(tài)排水溝工程耐久性較差，加大了后期工程維護工作量，同時土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性較差，增加了水土流失的風險；以普通混凝土材料構(gòu)建生態(tài)排水溝，材料透水性能較差，影響排水溝降漬功能與農(nóng)田水分循環(huán)過程，此外，選用混凝土材質(zhì)無法體現(xiàn)基質(zhì)對農(nóng)田排水中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的吸附作用。本研究以多孔生態(tài)混凝土為基質(zhì)構(gòu)建農(nóng)田生態(tài)排水溝，研究農(nóng)田生態(tài)排水溝對稻田排水中氮磷的去除效果及機制，為農(nóng)業(yè)面源污染防治提供技術(shù)指導。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗區(qū)位于江蘇省南京市高淳區(qū)椏溪鎮(zhèn)尚義村，屬于亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，氣候溫和，雨量豐沛，年平均氣溫16.2 ℃，年降雨量1 194.7 mm，年蒸發(fā)量861.9 mm，日照時數(shù)2 027.6 h，平均無霜期245 d。當?shù)亓晳T稻麥輪作，土壤為滲育水稻土。

1.2 試驗處理

在承接相同稻田排水的條件下，分別建立土質(zhì)、混凝土、生態(tài)排水溝系統(tǒng)，排水溝為平坡，長度均為50 m，排水溝斷面按照當?shù)亓晳T設(shè)計，深度為50 cm，底寬為30 cm，邊坡系數(shù)為0.3。其中土質(zhì)排水溝的溝壁與溝底均為土壤，混凝土排水溝的溝壁與溝底為傳統(tǒng)的混凝土板材，生態(tài)排水溝的溝壁與溝底為生態(tài)混凝土板材，兩種板材規(guī)格均為30 cm×30 cm×8 cm(長×寬×厚)。生態(tài)混凝土板材利用多孔混凝土制備，水灰比0.3，灰骨比0.2，骨料采用10～20 mm單粒級沸石與普通礫石，其中沸石占骨料質(zhì)量的50%。

試驗在2015年6月下旬到10月下旬開展，稻田灌溉方法為淺濕灌溉，稻田分蘗后期曬田，黃熟期自然落干至收割，在生育期的其他時間以田間水層作為灌水控制指標，在田面維持20～50 mm水層。稻田施肥采用當?shù)剞r(nóng)民習慣管理，施肥過程見表1。供試水稻品種為南粳46，2015年6月29日采用機插秧。

表1 稻田施肥量及時間Tab.1 Time and amount of fertilization

1.3 試驗觀測與取樣

稻田施用分蘗肥與穗肥后第1 d開始每隔2 d取樣，取4次，每次在排水溝兩端和中段的固定3處取水混成一個水樣。采集的水樣經(jīng)過濾處理后立即分析TN與TP的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同排水溝氮素濃度變化特征

各排水溝水體中TN濃度在稻田施肥后的變化特征較為一致，排水溝水體中TN濃度在稻田施肥后較高，隨時間進程迅速下降，在肥后10 d左右降至很低的水平(圖1)。例如，稻田施用分蘗肥后，各排水溝水體中TN濃度為11.424 mg/L，肥后第3 d，混凝土、生態(tài)及土質(zhì)排水溝水體中TN濃度分別降至10.827、10.439及11.259 mg/L，且隨著時間進程，各排水溝水體中TN濃度持續(xù)下降，在肥后第11 d，混凝土、生態(tài)及土質(zhì)排水溝水體中TN濃度分別降至2.703、1.720及2.593 mg/L，穩(wěn)定在較低水平。

圖1 不同排水溝水體氮素濃度變化Fig.1 Changes of nitrogen concentration in different ditch

稻田施肥后，生態(tài)排水溝水體中TN濃度均小于混凝土及土質(zhì)排水溝，且隨時間進程TN濃度差值逐漸增加(圖1)。稻田施用穗肥后第3 d，生態(tài)排水溝水體中TN濃度為11.110 mg/L，分別較混凝土及土質(zhì)排水溝(11.150及11.171 mg/L)降低0.039及0.061 mg/L，在肥后第5 d，生態(tài)排水溝水體中TN濃度降為6.233 mg/L，分別較混凝土及土質(zhì)排水溝(8.340及7.311 mg/L)降低2.107及1.078 mg/L，TN濃度差值逐漸增加。

生態(tài)排水溝對稻田排水中TN的去除效果強于土質(zhì)及混凝土排水溝(表2)。稻田施肥后10 d，生態(tài)排水溝對稻田排水中TN的去除率均值為86.57%，分別較土質(zhì)及混凝土排水溝(82.05%及83.55%)增加4.52%及3.02%。生態(tài)排水溝的制作材料具有高透水性、氮磷吸附效果顯著等特點[10,11]，在田間運行條件下，生態(tài)混凝土的多孔結(jié)構(gòu)為微生物提供了適宜的生存環(huán)境和空間，會附著多種微生物形成生物膜[12]，進一步增強對水體中氮素的去除效果。

表2 不同排水溝對水體中TN的去除率 %

土質(zhì)排水溝對稻田排水中TN的去除效果強于混凝土排水溝(表2)。稻田施肥后10 d，土質(zhì)排水溝對稻田排水中TN的去除率較混凝土排水溝增加1.50%。土質(zhì)排水溝的溝壁與溝底均為土壤，且溝壁上分布有植物，可以通過底泥吸附、植物吸收等方式實現(xiàn)對水體中氮素的去除[6]。

2.2 不同排水溝磷素濃度變化特征

各排水溝水體中TP濃度在稻田施肥后的變化特征較為一致，排水溝水體中TP濃度隨時間進程持續(xù)下降，在肥后第6 d左右TP濃度下降速度減緩(圖2)。稻田施用分蘗肥與穗肥后，各排水溝水體中TP初始濃度均較低，這是由于稻田僅在施用基肥時補充了120 kg/hm2磷肥，且施入稻田的磷肥只有小部分呈離子態(tài)的磷酸鹽能被作物吸收[13]，大部分被土壤吸持轉(zhuǎn)化為難溶性磷酸鹽類，在后期灌水和降雨反復的沖刷、擊濺作用下以顆粒態(tài)磷隨水排入農(nóng)溝[14]。本研究中首次水樣采集時距稻田基肥施用已17 d，部分磷肥已經(jīng)以顆粒態(tài)磷流失，導致各排水溝水體中TP濃度保持在較低水平。

圖2 不同排水溝水體磷素濃度變化Fig.2 Changes of phosphorus concentration in different ditch

各排水溝對于稻田排水中TP的去除率差別較大，變化范圍為4.75%～62.86%，均值為32.34%(表3)。這是由于稻田排水中TP濃度在稻季的大部分時間保持在較低水平，水樣采集過程中各種因素引起的誤差，導致了排水溝對于稻田排水中TP的去除率存在較大差別。

表3 不同排水溝對水體中TP的去除率 %

生態(tài)排水溝對稻田排水中TP的去除效果強于土質(zhì)及混凝土排水溝(表3)。稻田施肥后10 d，生態(tài)排水溝對稻田排水中TP的去除率均值為37.86%，分別較土質(zhì)及混凝土排水溝(25.62%及33.53%)增加12.24%及4.33%。生態(tài)排水溝的制作材料孔隙率較高，可以有效吸附水體中顆粒態(tài)磷，增強對水體中TP的去除效果[15]。

混凝土排水溝對稻田排水中TP的去除效果強于土質(zhì)排水溝(表3)。稻田施肥后10 d，土質(zhì)排水溝對稻田排水中TP的去除率較混凝土排水溝增加7.91%。由于混凝土浸泡在水中，會溶析出大量的氫氧化鈣等堿性物質(zhì)，與水中的磷酸根離子反應(yīng)生成沉淀從而實現(xiàn)對磷素的去除。

3 結(jié) 語

(1)生態(tài)排水溝對稻田排水中TN、TP的去除率大于土質(zhì)及混凝土排水溝，有效增強了對稻田排水中氮磷的去除效果。稻田施肥后10 d，生態(tài)排水溝對稻田排水中TN的去除率均值為86.57%，分別較土質(zhì)(82.05%)及混凝土排水溝(83.55%)增加4.52%及3.02%；對稻田排水中TP的去除率均值為37.86%，分別較土質(zhì)(25.62%)及混凝土排水溝(33.53%)增加12.24%及4.33%。

(2)土質(zhì)排水溝對稻田排水中TN去除效果強于混凝土排水溝，對稻田排水中TP的去除效果弱于混凝土排水溝。稻田施肥后10 d，土質(zhì)排水溝對稻田排水中TN的去除率較混凝土排水溝增加1.50%，對稻田排水中TP的去除率較混凝土排水溝降低7.91%。

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