農田生態(tài)溝渠效能研究

Tang Van Tai，Tran Ngoc Binh，Tang Thi Thanh Sang，Le Hong Hanh

農田生態(tài)溝渠效能研究

Tang Van Tai1，Tran Ngoc Binh2，Tang Thi Thanh Sang3，Le Hong Hanh3

(1.東南大學 土木工程學院，江蘇 南京210096;2.Vinh Medical University;3.Vinh University)

傳統(tǒng)混凝土溝渠主要使用漿砌石、鋼筋混凝土等材料建造成排水溝渠，難以有效去除農田污水中的富營養(yǎng)化，引起河道污染[1]。本實驗在調查太湖運河沿岸農田的污染情況的基礎上，設計并建造復合生態(tài)溝渠示范工程，然后根據(jù)季節(jié)差異種植復合的植物。通過觀察植物生長情況研究生態(tài)溝渠的植生價值，檢測生態(tài)溝渠的水質變化情況以檢驗農田污水富營養(yǎng)化的去除效能。

生態(tài)溝渠；農田污水；太滆運河

1 研究背景及方法

1.1 研究背景

太湖地區(qū)現(xiàn)有農田溝渠以混凝土溝渠和自然溝渠為主，但隨著經(jīng)濟的發(fā)展，有向混凝土溝渠發(fā)展的趨勢。這兩種溝渠自然溝渠保土能力差，容易產生水土流失和溝壁崩塌等問題，對環(huán)境產生污染?；炷翜锨m然解決了上述問題，但它作用單一，僅起到農田排水的作用，其中水速較快，對流水所攜帶的泥土和營養(yǎng)成分無法去除，同樣會帶來環(huán)境污染問題[2]。生態(tài)攔截型溝渠不僅起到了溝渠應有的排灌作用，還能減少農田氮磷所造成的污染，而且景觀效果良好，在該地區(qū)具有較大的推廣潛力。

1.2 研究地點

太滆運河是流入太湖的主要河流之一，在溝通太湖和滆湖方面起到了極為重要的作用。本實驗以太滆運河中下游河段約10km長的河岸(西起運村大橋，東至滸民橋，距太湖入湖口僅3km)作為研究對象。

1.3 研究方法

圖1 太滆運河位置

(1)河岸污染調研內容。

本課題以太滆運河中下游段的河岸作為調研農田污染點源，調查太湖沿岸的農田生產、畜禽養(yǎng)殖生產和生活污水情況，分析農業(yè)生產產生污染的原因。

(2)溝渠植物生長情況觀察和分析。

在生態(tài)溝渠建造一個月之后，觀察植物生長情況，并測定植物生物量。

(3)生態(tài)溝渠結構方案。

本課題在示范河段對現(xiàn)有農田溝渠進行生態(tài)化改造，共改造1 000m。以運村大河頭11號附近一條農田溝渠生態(tài)化改造為例(如圖2所示)，溝渠橫截面為梯形，上口寬1.00 m，底寬0.50 m，深0.94 m;兩壁采用分布有10 cm×10 cm長方形孔的混凝土板材，溝底、溝壁種植植物，并在溝渠尾部出水處設置了沸石滯留塘，以進一步強化溝渠對氮類污染物質的吸附去除作用以及生物去除作用，溝渠長度約80m。夏季生態(tài)溝渠溝底種植空心菜，溝壁種植狗牙根;冬季溝渠溝底種植水芹，溝壁種植黑麥草。

圖2 農田生態(tài)溝渠工程實施照片

2012年6月15日，溝渠生態(tài)化改造完成并開始試驗研究，同時選擇附近另一條源水相同的自然溝渠為參照，進行對比試驗(如圖3所示)。從進水口每隔20m布置一個采樣點，單個溝渠全長80m，共設置4個采樣點。

圖3 生態(tài)溝渠與自然溝渠對比照片

2 結果和分析

2.1 農業(yè)污染源調研結果

(1)農田污染原。

太滆運河沿岸60%以上的土地均用于農業(yè)生產。當?shù)剞r田利用以稻麥輪作為主，此外還包括葡萄、蠶豆等主要經(jīng)濟作物。既往研究結果表明，太湖沿岸農田普遍存在過量施肥的現(xiàn)象，每年到降雨季節(jié)，會有大量的農田面源污染負荷產生。

圖4 農田污染源

實地調查發(fā)現(xiàn)，太滆運河上游沿岸建筑物較多，約占運河岸線的35%，進而減少了農田污染隨降雨徑流進入水體的污染物[3]。但在其他地區(qū)，部分農田建設了傳統(tǒng)的溝渠系統(tǒng)(見圖4-b)，這樣的溝渠對于控制農田面源污染有著負面的作用。溝渠的存在使得雨水徑流被很快地導入了受納水體中，從而加劇了污染負荷。在另外一些地方，溝渠系統(tǒng)則完全不存在(見圖4-a)，這就使得面源污染直接進入了太滆運河。由于此類農田面積相對較多，因而有大量面源污染產出負荷最終進入受納水體。

(2)畜禽養(yǎng)殖和民居污染源。

太滆運河周邊地區(qū)養(yǎng)殖業(yè)較為發(fā)達，有大量的畜禽養(yǎng)殖場，養(yǎng)殖的畜禽種類主要有雞、鴨和豬等。

圖5 養(yǎng)殖和民區(qū)污水

部分養(yǎng)殖戶采用了生態(tài)養(yǎng)殖，具體做法就是將禽類養(yǎng)殖于果樹等經(jīng)濟作物的果園內，這樣既可使禽類糞便不隨便排入周圍水體造成環(huán)境污染，同時也可使糞便直接作為果樹所需的肥料。采用生態(tài)養(yǎng)殖的方式對周圍環(huán)境影響較小，但采用生態(tài)養(yǎng)殖模式只是養(yǎng)殖戶中的一部分，并不是運河沿岸的所有養(yǎng)殖戶都會采用這樣的方法。具體而言，采用生態(tài)養(yǎng)殖的只有丁舍村的養(yǎng)雞場和塘家灣的養(yǎng)鵝場(如圖5-a)。因此，畜禽養(yǎng)殖對于太滆運河的影響仍然是不能忽視的。鵝養(yǎng)殖過程中，養(yǎng)殖戶會定期將所養(yǎng)的鵝驅趕入水體，鵝會將糞便排入水體。由于運河周邊鵝類養(yǎng)殖場數(shù)量較多，這樣的污染長期積累就會對水體產生嚴重的污染。不僅如此，喂養(yǎng)畜禽的一些飼料如果保存不當，在降雨季節(jié)也會進入水體并產生一定程度的污染。

養(yǎng)豬場也存在著較大問題。對養(yǎng)豬場調查發(fā)現(xiàn)，很少有專業(yè)的收集系統(tǒng)對糞便進行收集處理。經(jīng)常可見的情況是，糞便被堆棄在農田里，沖洗豬圈后的水也流入了周圍農田。據(jù)觀察，養(yǎng)豬場并沒有使用干濕分離，尿液也進入了農田。這樣的現(xiàn)象會導致嚴重的后果。糞便的大量存在首先會使農田肥料施加量超標。太湖地區(qū)農田化肥施量超標已是普遍現(xiàn)象，過量的肥料會影響農田的生長情況。不僅如此，肥料被土壤吸收后，會有一部分氮化合物進入地下水，對于地下水造成污染。當?shù)厝说娘嬎⒉粌H僅來自于自來水，有一部分來自于抽采的地下水，長期飲用會危害人體生理健康。再者，豬在養(yǎng)殖過程中有可能會出現(xiàn)一些疾病的發(fā)生，這些疾病的致病菌或寄生蟲等可能隨著豬的糞便被一起排入農田，這樣對農作物就有一定的危險性。這些致病菌或寄生蟲有可能隨著農作物的轉移而轉移，并進一步造成潛在的威脅。類似的情況不僅僅存在于養(yǎng)豬場，也同樣存在于其他養(yǎng)殖場。

太滆運河周邊居住著大量的居民，較大的居民聚集地至少有4個，上游的坊前、中游的運村、下游的鳳溝村以及分水村都是比較大的村鎮(zhèn)，這些地方的常駐人口都有幾百至上千人。除了這些較大的村鎮(zhèn)外，還有眾多人口數(shù)在100左右的小村子分布在運河兩岸。

通過對當?shù)鼐用竦恼{查得知，居民月均用水量基本為1t/人，90%的村鎮(zhèn)沒有污水收集設施，平時產生的生活污水一般直接排入附近水體。少數(shù)村莊僅有生活污水收集系統(tǒng)而沒有配套的處理設施，收集的污水直接排入受納水體(如圖5-b)。這些受污染的水體、水塘嚴重影響了周圍的環(huán)境，不僅會產生強烈的氣味，而且夏季又將成為蚊蟲滋生的天然環(huán)境。

2.2 植物生長情況

在冬季和夏季觀察和檢測植物在生態(tài)溝渠的生長情況，結果見表1。

表1 植物發(fā)芽生長狀況

(1)夏季植物生長情況：夏季是植物旺盛生長的時段，空心菜和狗牙根在高溫氣候條件下可快速生長。在生長過程中，植物通過光合作用使廢水的富營養(yǎng)化轉化為植物的生物量。

(2)冬季植物生長情況：冬季是植物生長緩慢的時段，水芹和黑麥草可耐低溫氣候條件，能吸附水中污染物，達到農業(yè)廢水凈化的效果。

根據(jù)上面的結果可知，植物可生長在生態(tài)護岸結構中。生態(tài)溝渠的溝底和溝壁有孔洞可保證水土交換，并為植物提供生長的空間。

2.3 生態(tài)溝渠去除農業(yè)廢水的作用

溝渠是農田排水匯入河流和湖泊的通道，是占地面積最大的農田排水設施。溝渠系統(tǒng)一般起始于田間毛溝或農溝，經(jīng)腰溝、淋溝、支溝、干溝及總干溝排入外界大面積水體。毛溝或農溝密度大，斷面較小，灌溉(降雨)期間直接承接田間地表和地下滲漏排水，并逐級匯入支溝、干溝，在非灌溉(降雨)期則基本呈干涸狀態(tài)，因此溝渠是一種非常獨特的生態(tài)系統(tǒng)，具有河流和濕地雙重特征。溝渠中生長著適應于此環(huán)境的水生植物，并在一年內周期性地生長變化;渠底沉積物隨水位升降周期性地暴露、淹沒，干濕變化有利于溝渠沉積物對氮的去除;沉積物中豐富的營養(yǎng)源保證了水生植物的生長需求和其中微生物的持續(xù)生存。溝渠既是農業(yè)非點源污染物的最初匯聚地，又是河道和湖泊營養(yǎng)鹽的輸出源。將干濕交替的斷面小、渠深淺的毛溝或農溝建成生態(tài)溝渠，能對農業(yè)面源污染起到控制作用。其中，生態(tài)溝渠是由農田排水溝渠及其內部種植的植物組成，通過溝渠攔截徑流和泥沙，使植物滯留和吸收N、P，實現(xiàn)生態(tài)攔截N、P的功能。大量研究表明，對農村面源污染物中的N、P攔截，生態(tài)溝渠相比于混凝土溝渠、自然溝渠有較好的優(yōu)越性。

(1)生態(tài)溝渠對農業(yè)面源污染物NH3-N的降解。

圖6 生態(tài)溝渠中農業(yè)面源污染物NH3-N含量沿程變化

生態(tài)溝渠與自然溝渠相比，對農業(yè)面源污染中的NH3-N有著較強的去除能力。從圖6可以看出，在設置生態(tài)溝渠后的第15d測定，生態(tài)溝渠80m處的NH3-N含量為0.61mg/L，比生態(tài)溝渠進水口的NH3-N含量1.49mg/L降低59.1%;而自然溝渠80m處的NH3-N含量為1.16mg/L，比自然溝渠進水口處的NH3-N含量1.45 mg/L降低20.0%。生態(tài)溝渠對農業(yè)面源污染物中NH3-N的去除率比自然溝渠對高39.1%?？拷M水口處的40m生態(tài)溝渠內，NH3-N的去除幅度較大，去除率為49.0%，而自然溝渠的去除率僅為13.8%;遠離進水口處的40m生態(tài)溝渠內，NH3-N的去除幅度則相對較小，生態(tài)溝渠的去除率為19.7%，而自然溝渠的去除率僅為7.2%。

(2)生態(tài)溝渠對農業(yè)面源污染物TN的降解。

圖7 生態(tài)溝渠中農業(yè)面源污染物TN含量沿程變化

生態(tài)溝渠與自然溝渠相比，對農業(yè)面源污染物中的TN有著較強的去除能力。從圖7可以看出，在設置生態(tài)溝渠后的第15d，生態(tài)溝渠80m處的TN含量為1.9 mg/L，比生態(tài)溝渠進水口的TN含量5.5 mg/L降低65.5%;而自然溝渠80m處的TN含量為4.7 mg/L，比自然溝渠進水口的TN含量5.5 mg/L僅降低14.5%，生態(tài)溝渠對農業(yè)面源污染物中TN的降污率比自然溝渠高51.0%?？拷M水口處的40m生態(tài)溝渠內，TN的去除幅度較大，去除率為50.9%，而自然溝渠的去除率為9.1%;遠離進水口處的40m生態(tài)溝渠內，TN的去除幅度則相對較小，生態(tài)溝渠的去除率為29.6%，而自然溝渠的去除率為6.0%。

(3)生態(tài)溝渠對農業(yè)面源污染物TP的降解。

圖8 生態(tài)溝渠中農業(yè)面源污染物TP含量沿程變化

生態(tài)溝渠與自然溝渠相比，對農業(yè)面源污染物中的TP有較強的去除能力。從圖8可以看出，生態(tài)溝渠處理15d時，生態(tài)溝渠80m處TP含量為0.891 mg/L，比生態(tài)溝渠進口處的TP含量2.600 mg/L降低65.7%;而自然溝渠80m處的TP含量為2.050mg/L，比自然溝渠進水口處的TP含量2.600 mg/L降低21.2%。生態(tài)溝渠對農業(yè)面源污染物中TP的降污率比自然溝渠高44.6%。靠近進水口處的40m生態(tài)溝渠內，TP的去除幅度較大，去除率為56.5%，而自然溝渠的去除率僅為14.2%;遠離進水口處的40m生態(tài)溝渠內，TP的去除幅度則相對較小，生態(tài)溝渠中的TP去除率為21.1%，而自然溝渠的去除率為8.1%。

3 結論

生態(tài)溝渠溝壁植物能吸收側滲水體中的營養(yǎng)成分，溝底植物對水流中養(yǎng)分具有吸收作用，并有利于水流中攜帶的泥沙、顆粒物質的沉降。生態(tài)攔截型溝渠通過對溝壁、水體和溝底中養(yǎng)分的立體式攔截作用實現(xiàn)對農田流失N、P的控制。結果顯示，生態(tài)溝渠對農田排水中TN的截留率為65.5%。

植物在生態(tài)攔截型溝渠中占有重要地位，也說明對溝渠植物管理的重要性。本研究選用具有一定經(jīng)濟價值植物來構建生態(tài)攔截型溝渠，所選擇的植物生長旺盛，不僅可以帶來一定的經(jīng)濟補償，還形成了良好的生態(tài)景觀。

以多孔植生混凝土板改造農田溝渠，兩壁交替種植狗牙根和黑麥草，渠底交替種植水芹和空心菜，渠端和渠尾因地制宜設置沸石滯留塘，該系統(tǒng)實現(xiàn)了溝渠出水總氮小于2 mg/L。

[1]葉艷妹，吳次芳.農地整理中路溝渠生態(tài)化設計研究進展[J].應用生態(tài)學報，2011(7):1 931-1 938.

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責任編輯：富春凱

Study on the Effectiveness of Farmland Ecological Ditch

Tang Van Tai1，Tran Ngoc Binh2，Tang Thi Thanh Sang3，Le Hong Hanh3
(1.Southeast University， Nanjing 210096， China;2.Vinh Medical University;3.Vinh University)

The material used for construct the traditional drainage ditch structure mainly consists of masonry stone， reinforced concrete and others.It is difficult to remove eutrophication in farmland sewage effectively，which leads pollution to the river.In this experiment，based on investigating the pollution in the farmland along the Yun He canal of Tai Hu lake basin， design and construct compound ecological ditch training project，then plant composit plants according to season differences.The plant value of ecological ditch was studied by observing the growth of plant.The water quality changes of ecological ditches were tested to prove the removal efficiency of farmland eutrophication.

Ecological ditch;Farmland sewage;Yun He canal

S279.3

B

1674-6341(2017)05-0005-04

10.3969/j.issn.1674-6341.2017.05.002

2017-02-19

Tang Van Tai(1987—)，男，越南人，東南大學土木工程學院在讀博士生。研究方向:生態(tài)溝渠。