生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)田氮磷攔截效果的試驗(yàn)研究

張春旸，李松敏，牛文亮，范雅琪，張澤坪，趙佳爽

（天津農(nóng)學(xué)院 水利工程學(xué)院，天津 300384）

生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)田氮磷攔截效果的試驗(yàn)研究

張春旸，李松敏通信作者，牛文亮，范雅琪，張澤坪，趙佳爽

（天津農(nóng)學(xué)院 水利工程學(xué)院，天津 300384）

在農(nóng)業(yè)污染中，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染尤為嚴(yán)重，有報(bào)道顯示，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為我國(guó)乃至世界的環(huán)境污染問題。本研究通過一種潛流透水壩生態(tài)溝渠，研究水生植物和填料對(duì)氮磷的去除機(jī)理，以及不同因素對(duì)生態(tài)溝渠脫氮除磷的影響。結(jié)果顯示：（1）有潛流透水壩的溝渠對(duì)氮、磷的攔截效果明顯優(yōu)于空白溝渠和植物溝渠；（2）高濃度（TN=30 mg/L、TP=0.9 mg/L）、低流量（50 L/h）、中水位（16 cm）進(jìn)水條件下對(duì)氮磷的去除效果較好；（3）兩條溝渠填料位置的不同對(duì)氮磷的去除效果基本無影響。研究結(jié)果表明，潛流透水壩生態(tài)溝渠在農(nóng)田排水氮磷攔截中能起到非常重要的作用。

非點(diǎn)源污染；生態(tài)溝渠；氮磷攔截；濃度

20世紀(jì)80年代以來，中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展取得了舉世矚目的成就，實(shí)現(xiàn)了糧食充足供應(yīng)的夢(mèng)想，這在很大程度上依賴于化學(xué)肥料的投入。由于農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，化肥的使用率越來越高，然而利用率卻很低[1]。這些問題導(dǎo)致農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染越來越嚴(yán)重，對(duì)水質(zhì)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性造成了嚴(yán)重的威脅[2]。因此，以化肥低利用率導(dǎo)致的水體富營(yíng)養(yǎng)化為首的非點(diǎn)源污染成為我國(guó)亟待解決的環(huán)境問題之一[3]。事實(shí)上，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染及其控制措施研究逐漸受到國(guó)內(nèi)外的重視。根據(jù)美國(guó)環(huán)保局2003年的調(diào)查結(jié)果顯示，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染是其河流和湖泊污染的第一大污染源，約 40%的河流、湖泊水體水質(zhì)不合格，也是造成地下水污染和濕地退化的主要因素[4]。各國(guó)科學(xué)家研究出多種方法對(duì)氮磷進(jìn)行攔截，其中生態(tài)溝渠具有較好的效果。生態(tài)溝渠對(duì)氮磷的攔截主要體現(xiàn)在溝渠植物可以有效地吸收氮、磷污染物，底泥中的微生物通過復(fù)雜的作用可以降解氮、磷污染物，填料透水壩能夠較好地吸附氮、磷污染物。在對(duì)氮、磷非點(diǎn)源污染物的機(jī)理研究上，主要考慮氮、磷的去除受到諸多因素的影響，例如進(jìn)水氮磷濃度、水力負(fù)荷、水深、植物種類以及水力停留時(shí)間等。

本研究采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)來檢測(cè)生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)田排水中氮磷的攔截效果，揭示生態(tài)溝渠對(duì)氮、磷的截留去除機(jī)理，以及在不同流量、水力停留時(shí)間、進(jìn)水濃度、水位及下溝渠中氮、磷的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

目前大多數(shù)試驗(yàn)研究都是基于農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)溝渠進(jìn)行，試驗(yàn)條件受到各種主、客觀因素的影響。一般認(rèn)為，水體、基質(zhì)、植物和微生物是構(gòu)成溝渠系統(tǒng)的4個(gè)基本要素。本研究在生態(tài)溝渠技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用一種潛流透水壩溝渠系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。潛流透水壩溝渠系統(tǒng)是一種集污水輸送、攔截及凈化于一體的階梯式生態(tài)溝渠。在室內(nèi)構(gòu)建生態(tài)溝渠模型裝置，全長(zhǎng)6 m，寬0.8 m，水和底泥深度約0.7 m，其中溝渠橫截面為梯形，上口寬0.5 m，底寬0.2 m，深0.5 m。溝渠前端0.5 m處有一攔截板，攔截板距底端0.3 m，設(shè)有配水孔，用于均勻布水，終端有一出水口，位置緊靠底部，以保證排水時(shí)能排空。按照示意圖1設(shè)計(jì)。

圖1 溝渠模型裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用水為人工配水，通過向自來水中添加硝酸鉀（KNO3）、氯化銨（NH4Cl）和磷酸二氫鉀（KH2PO4）進(jìn)行配制，設(shè)定試驗(yàn)用水中氮、磷濃度。試驗(yàn)用水氮、磷濃度范圍分別為：TN＝3～40 mg/L，TP＝0.3～1.2 mg/L。

生態(tài)溝渠的前半段種植黃花鳶尾，后半段種植千屈菜。

填料在為生物和微生物提供生長(zhǎng)介質(zhì)的同時(shí)，也可通過沉淀、吸附和過濾等作用來去除污水中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，所以填料的選擇具有非常重要的作用和意義。溝渠中潛流透水壩選擇用火山巖（2～5 cm）、廢磚（3～6 cm）堆積而成，并摻雜少許濾環(huán)（直徑1 cm，長(zhǎng)度1.5 cm）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 靜態(tài)試驗(yàn)

考慮到大部分平原地區(qū)的農(nóng)田溝渠在沒有降雨和灌溉時(shí)的水流可能處于近似靜止的狀態(tài)，本研究對(duì)靜態(tài)條件下的不同類型溝渠（空白溝渠、植物溝渠、放置潛流透水壩的填料植物溝渠）進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，從中選擇對(duì)氮和磷凈化效果都較好的溝渠。分別將3種不同溝渠（空白溝渠、植物溝渠、填料溝渠）的出水閥門關(guān)閉，通過水箱用水泵分別向溝渠中通入含氮、磷元素的進(jìn)水（TN：15 mg/L，TP：1.2 mg/L），用以研究3種不同類型溝渠對(duì)氮、磷污染的凈化能力。為了測(cè)定靜置狀態(tài)下溝渠水中氮、磷濃度大小，在溝渠進(jìn)水口、溝渠1/4、溝渠3/4處和出水口4個(gè)斷面，選擇不同水力停留時(shí)間（HRT＝0、6、12、24、48、72、96、120 h）進(jìn)行取樣，并在取樣后24 h內(nèi)完成水樣水質(zhì)分析。以4個(gè)斷面的水質(zhì)均值做為該時(shí)刻的溝渠水質(zhì)。

1.3.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

氮、磷等污染物的濃度變化受到降雨、灌溉、排水等自然因素和人為因素的影響，要想切實(shí)減少溝渠中水體的氮、磷污染物的數(shù)量，關(guān)鍵在于試驗(yàn)過程中對(duì)影響因素如何進(jìn)行有效的控制。本研究采用小型潛流透水壩的生態(tài)溝渠模型，利用人工配水模式，在持續(xù)流動(dòng)的水流下對(duì)溝渠中氮、磷濃度變化過程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，研究在不同濃度、不同流量和不同水位下溝渠去除氮、磷的能力，為生態(tài)溝渠的建設(shè)提供合理、有效的理論依據(jù)。選取2種不同填料設(shè)置的溝渠模型來進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，取樣斷面的設(shè)置如圖2所示。試驗(yàn)用水中氮、磷濃度設(shè)置3個(gè)梯度，如表1所示。

圖2 取樣斷面位置圖

表1 進(jìn)水氮、磷濃度 mg·L-1

2 結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)條件下脫氮除磷效果分析

靜態(tài)條件下3種溝渠對(duì)氮、磷的去除效果如圖3和圖4所示。

圖3 3種溝渠對(duì)水體中總氮的影響

圖4 3種溝渠對(duì)水體中總磷的影響

從圖3和圖4可以看出，空白溝渠隨水力停留時(shí)間的增加，總氮濃度逐漸上升，植物溝渠和填料溝渠隨水力停留時(shí)間的增加，總氮濃度逐漸下降。由于空白溝渠主要靠溝渠中土壤顆粒吸附水體中的氮、磷，而底泥甚至向水體釋放污染物而使得溝渠水中氮素濃度升高，因此，空白溝渠的處理效果最差。由于底泥和挺水植物的存在，植物溝渠使水體中氮、磷等污染物發(fā)生較復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物作用，并使水體中氮、磷污染物通過植物吸收、微生物降解得到凈化[6]。又因?yàn)闇锨参镌谏L(zhǎng)發(fā)育的過程中，要進(jìn)行光合作用，從而使植物周圍形成有氧的環(huán)境，有助于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，增強(qiáng)了氮磷的去除效應(yīng)。填料溝渠是在植物溝渠的基礎(chǔ)上，因在其中段放置了由火山巖和碎磚組成的填料透水壩的孔隙率較大、比表面積大，所以對(duì)氮、磷污染物有較好的吸附作用，從而降低水體中氮磷污染物的含量[7]，填料溝渠集合了植物和填料對(duì)氮磷去除的雙重作用，因此其對(duì)氮磷的去除效果最好。

2.2 動(dòng)態(tài)條件下脫氮除磷效果分析

2.2.1 不同濃度下溝渠氮磷沿程變化

圖5具體說明了不同濃度梯度下溝渠一和溝渠二中TN、TP濃度沿程變化的情況。圖5顯示，低濃度進(jìn)水條件下，溝渠一和溝渠二中TN濃度沿水流方向在斷面4處有非常明顯的變化，溝渠一和溝渠二中TP濃度則基本上沒有變化。中濃度進(jìn)水條件下，溝渠一和溝渠二中 TN、TP濃度沿程緩慢下降。高濃度進(jìn)水條件下，溝渠一中TN濃度在第3斷面開始下降，溝渠一和溝渠二的TP濃度和溝渠二中TN濃度一樣，都是沿程降低。這是因?yàn)楦邼舛鹊牡⒘资顾w由上而下形成了一個(gè)濃度梯度，使得上覆水中氮、磷向底泥擴(kuò)散，為微生物的吸收和利用提供有利的條件，同時(shí)也促進(jìn)了溝渠植物對(duì)氮、磷的吸收[8]。因此，填料位置的不同對(duì)氮磷的去除效果基本無影響，且高濃度（TN＝30 mg/L、TP＝0.9 mg/L）進(jìn)水條件下，生態(tài)溝渠氮、磷去除效果更好。

圖5 不同濃度下氮、磷濃度沿程變化（a：溝渠一和溝渠二中TN濃度；b：溝渠一和溝渠二中TP濃度）

2.2.2 不同流量下溝渠對(duì)氮、磷的去除作用

試驗(yàn)前將溝渠中的水排空，當(dāng)通入水流時(shí)開始計(jì)時(shí)，通入水量保持水位16 cm不變，根據(jù)農(nóng)田溝渠實(shí)際流量設(shè)定3個(gè)流量梯度，分別為50、200、500 L/h，由泵向溝渠通入人工配置的含有一定濃度氮、磷（TN＝13 mg/L，TP＝0.6 mg/L）的水流，當(dāng)水流穩(wěn)定時(shí)停止計(jì)時(shí)。在斷面采集水樣進(jìn)行分析，圖6反映了不同進(jìn)水流量梯度下溝渠中氮磷濃度沿程的變化情況。

圖6 不同流量下氮、磷濃度沿程變化圖

由圖6可以看到，流量為50 L/h進(jìn)水條件下，溝渠一和溝渠二中 TN、TP濃度沿水流方向先升高再降低；流量為200 L/h進(jìn)水條件下，溝渠一和溝渠二中TN濃度沿程緩慢下降，但溝渠一中TN和TP濃度卻在斷面6處有所回升；流量為500 L/h進(jìn)水條件下，溝渠一和溝渠二中 TN、TP濃度沿程逐漸降低。這是因?yàn)榱髁窟^大會(huì)導(dǎo)致溝渠內(nèi)含氮、磷的水的水力停留時(shí)間太短，無法滿足微生物甚至可能導(dǎo)致部分硝化菌也隨水流流出生態(tài)系統(tǒng)，從而使氮、磷的去除率下降[9]。由此可知，填料位置的不同對(duì)氮磷的去除效果基本無影響；且流量為50 L/h進(jìn)水條件下，對(duì)溝渠氮素的去除效果是最好的。

2.2.3 不同水位下溝渠對(duì)氮、磷的去除作用分析試驗(yàn)前將溝渠中的水排空，當(dāng)通入水流時(shí)開始計(jì)時(shí)，通入流量200 L/h不變，設(shè)定3個(gè)水位梯度，分別為8、16、24 cm，由泵向溝渠通入人工配置的含一定氮、磷濃度（TN＝12 mg/L，TP＝0.6 mg/L）的水流，當(dāng)水流穩(wěn)定時(shí)停止計(jì)時(shí)。選取兩個(gè)不同溝渠采集水樣。圖7反映了不同水位梯度下兩個(gè)溝渠中氮、磷濃度沿程的變化情況。

由圖7可以看到，水位為8 cm時(shí)，溝渠一和溝渠二中 TN、TP濃度沿水流方向整體上是降低的，TN濃度在斷面3處高于其他斷面；水位為16 cm時(shí)，溝渠一TN濃度沿程緩慢下降，但在斷面6處有所回升，溝渠二中TN濃度一直沿程下降：溝渠一和溝渠二中的TP濃度沿程下降并在斷面6處有所回升；水位為24 cm時(shí)，溝渠一和溝渠二中 TN、TP濃度沿程基本不變。這是因?yàn)樗贿^低使得水中氧氣含量較高，從而發(fā)生反硝化作用，并且加快了水流流速，縮短了水力停留時(shí)間，無法滿足微生物降解有機(jī)物所需時(shí)間。而水位過高又會(huì)影響溝渠植物的生長(zhǎng)與吸收，同時(shí)淹水條件下，溝渠底泥由好氧狀態(tài)逐漸向缺氧、厭氧狀態(tài)轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致底泥中鐵、鋁等形態(tài)隨之發(fā)生變化，使底泥吸附能力下降[10]。由此可知，溝渠一和溝渠二不同填料位置對(duì)氮、磷去除基本無影響；且水位為16 cm進(jìn)水條件下，對(duì)溝渠氮素的去除效果較好。

圖7 不同水位下氮、磷濃度沿程變化

3 結(jié)論

由于農(nóng)田化肥施用、農(nóng)田排水直接入河等情況日益嚴(yán)重，從農(nóng)田到溝渠進(jìn)入水體的氮、磷污染物不斷增多，這已成為引起我國(guó)河流、湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因之一[11]。通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)?zāi)M生態(tài)溝渠，對(duì)農(nóng)田排水中的氮、磷的攔截過程進(jìn)行研究，結(jié)果表明：

（1）有潛流透水壩的溝渠對(duì)氮、磷的攔截效果明顯優(yōu)于空白溝渠和植物溝渠；

（2）高濃度（TN＝30 mg/L、TP＝0.9 mg/L）、低流量（50 L/h）、中水位（16 cm）進(jìn)水條件下對(duì)氮磷的去除效果較好；

（3）溝渠一和溝渠二填料位置的不同對(duì)氮磷的去除效果基本無影響。

本研究為農(nóng)田排水中氮、磷的攔截技術(shù)提供了技術(shù)支持。本試驗(yàn)成果已經(jīng)應(yīng)用到位于江蘇省宜興市浯溪蕩流域北部支流之一的何家浜上游流域農(nóng)業(yè)面源污染治理的示范工程中，生態(tài)溝渠是將當(dāng)?shù)刈匀慌潘疁锨M(jìn)行改造而成，結(jié)果表明：在三場(chǎng)不同強(qiáng)度的降雨過程中，生態(tài)溝渠對(duì)TN的平均去除率達(dá)到 31.4%，TP的平均去除率達(dá)到40.8%。

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責(zé)任編輯：宗淑萍

Experimental Study on the Interception Effect of Ecological Ditch on Nitrogen and Phosphorus from Farmland

ZHANG Chun-yang, LI Song-minCorrespondingAuthor, NIU Wen-liang, FAN Ya-qi,ZHANG Ze-ping, ZHAO Jia-shuang
（College of Water Conservancy Engineering, Tianjin Agricultural Univercity, Tianjin 300384, China）

Agricultural non-point source pollution is more serious in agricultural pollution. As reported, agricultural non-point source pollution has become one of the most important environmental problem in China and all around the world. An ecological ditch with submersible dam in it was adopted to research the removal mechanism of nitrogen and phosphorus through aquatic plants and fillers and the effects of different factors. The results showed that:（1）The interception effect of ditch with submersible dam is superior to that of blank ditch and plant ditch.（2）the nitrogen and phosphorus removal effect is best in the condition of high concentration（TN = 30 mg/L, TP = 0.9 mg/L）, low flow （50 L/h）and medium water level （16 cm）.（3）The difference of the filling position of the two ditches has little effect on the removal efficiency of nitrogen and phosphorus. Thus, the ecological ditch with submersible dams played an important role in the interception of nitrogen and phosphorus in farmland drainage.

non-point source pollution; ecological ditch; nitrogen and phosphorus interception; concentration

X52

：A

2017-03-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“灌溉條件下鹽堿土壤水鹽變異特征及作物生長(zhǎng)響應(yīng)”（51609170）

旸張春 （1994-），男，山西朔州人，本科在讀，研究方向?yàn)樗h(huán)境保護(hù)。E-mail：zcyypq@163.com。

李松敏（1981-），女，河北滄州人，講師，碩士，主要從事水環(huán)境保護(hù)方面的研究。E-mail：lisongmin228@126.com。

1008-5394（2017）02-0072-05