稻田人工濕地氮磷去除機制及其研究進展

郭海瑞， 趙立純， 竇超銀

(1.遼寧師范大學(xué)，遼寧大連 116029； 2.揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇揚州 225009)

近年來，人工濕地作為獨具特色的生態(tài)污水處理方法，廣泛用于城市暴雨徑流、生活污水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)排水等水質(zhì)處理中。根據(jù)《濕地公約》，稻田是人工濕地的一種，現(xiàn)有研究也表明，稻田的特征與濕地相似，水稻本身和稻田土壤對氮磷有吸收和固定作用，可有效減少農(nóng)田排水中氮磷的流失[1]；在采用科學(xué)施肥、輪作方法條件下，水稻不僅是重要的糧食作物，還是一種非常高效的水體凈化植物，水稻對降低水體中的氮磷有著積極的作用[2]。但在生產(chǎn)實踐中，一直以來稻田管理以追求效益為主，往往忽視了其濕地功能，相反，由于不合理的施肥和灌溉排水措施，稻田排水成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源之一，造成湖泊富營養(yǎng)化、污染飲用水源等嚴(yán)重后果，由此可見，稻田濕地一方面是消納氮磷污染的“匯”，另一方面也是農(nóng)業(yè)面源污染的“源”，只有合理構(gòu)建和應(yīng)用稻田濕地才能發(fā)揮“匯”的功能。

我國6 600萬hm2灌溉面積中，水稻種植面積3 000萬hm2，分別占灌溉面積、耕地面積的45.9%和22.2%[3]，稻田濕地是我國也是世界上最大的人工濕地，充分利用稻田濕地功能，將在改善土壤氮素肥力、減少氮肥用量、凈化水質(zhì)、降低對環(huán)境負(fù)面影響等方面發(fā)揮巨大作用，同時，也有助于稻田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)、水生態(tài)文明建設(shè)，確保社會可持續(xù)發(fā)展，因此，稻田濕地的研究與應(yīng)用具有十分重要的意義。本研究擬從稻田濕地氮磷去除的機制、稻田濕地構(gòu)建應(yīng)用及影響因素等方面作一綜述，以期為深化稻田濕地的研究和應(yīng)用提供參考。

1　稻田人工濕地去除氮磷機制

1.1　氮

稻田人工濕地對氮的去除主要包括生物、物理和化學(xué)反應(yīng)幾方面的協(xié)同作用。

氮是水稻合成氨基酸或蛋白質(zhì)及其他含氮有機物的大量營養(yǎng)元素，在植物的生命活動中發(fā)揮著極其重要的作用，水稻一生對氮的吸收總量，按收獲中的含量來計，每形成100 kg的產(chǎn)量需從土壤吸收氮素2.1～2.4 kg[4]。水稻吸收的氮通過收割而去除，但這一部分氮僅占土壤中總氮含量的10%左右，不是去氮的主要過程[5]。除對氮素直接吸收外，在淹漬條件下，水稻利用通氣組織將氧氣輸送至根部，在根部附近形成一個好氧環(huán)境，隨著離根系距離的逐漸增大，田間依次出現(xiàn)缺氧、厭氧狀態(tài)，為硝化菌和反硝化菌的生長創(chuàng)造了有利條件，進而增強稻田微生物的硝化和反硝化作用，提高田間氮素的凈化效率[6]。

氨揮發(fā)和硝化-反硝化是稻田氮素去除的主要途徑。氨和銨態(tài)氮進入稻田停留在田面水中時，在光照和高pH條件下，氨揮發(fā)強烈，在石灰性土壤中，尿素的氨揮發(fā)損失達施氮量的30%，占氮素總損失量的48%，而非石灰性土壤中，尿素的氨揮發(fā)為9%～11%，占總損失的19%～21%[7]。在硝化作用下NH3-N轉(zhuǎn)化為NO2--N和NO3--N，一部分被植物和好氧微生物吸收利用去除，另一部分在反硝化作用下還原成N2O和N2形式從系統(tǒng)中根本去除。

通過土壤吸附和離子交換是減少水體中氮素的另一途徑，稻田土壤顆粒帶有負(fù)電荷，很容易吸附氨離子，同時，生活在水、腐殖層和土壤中細(xì)菌、藍藻等各種微生物對水體中的氮素也有一定的固持作用，但土壤顆粒的吸附能力有限，且只有置換土壤才能將氮素從系統(tǒng)去除，微生物殘體在死亡后很快就被分解，生長所吸收利用的N返回水體，因此，這兩個過程的氮素去除效果并不顯著。

1.2　磷

稻田對磷的去除是植物吸收、土壤吸附和微生物去除3條途徑共同作用的結(jié)果，而磷最終從系統(tǒng)中去除依賴于水稻的收割。

磷也是植物必需的營養(yǎng)元素，水稻吸收無機磷并用它組成卵磷脂、核酸及ATP等，然后通過植物的收割而移去，按收獲中的含量來計，每形成100 kg的產(chǎn)量需從土壤吸收磷(P2O5)0.9～1.3 kg[4]。大多數(shù)情況下，可溶性磷的去除途徑主要是基質(zhì)的沉淀和吸附作用，土壤不僅對磷具有吸附作用，而且土壤中的Ca和Fe可與PO43-反應(yīng)而沉淀[8]。但磷的沉淀吸附是一個可逆的過程，當(dāng)進入水中磷的濃度太低，不能滿足水稻生長的需求時，生物可利用因沉淀和吸附積蓄的磷。

微生物對磷的去除包括對磷的正常同化和對磷的過量積累。微生物吸收的磷素存在于核酸、核苷酸、磷脂和其他含磷化合物中，是構(gòu)成細(xì)胞的重要組成部分，所有的微生物均含有一定數(shù)量的磷，一般占灰分總量的30%～50%(以P2O5計)[9]。但在微生物死亡后，其體內(nèi)吸附的磷幾乎全部迅速分解釋放，回到水體當(dāng)中，所以一般認(rèn)為微生物的活動與總磷的去除效率之間并不顯著相關(guān)[10]。

2　影響稻田人工濕地氮磷去除的因素

稻田人工濕地與其他人工濕地的明顯區(qū)別在于必須考慮水稻生長特性和遵循水稻生產(chǎn)的基本規(guī)律，同時兼顧生態(tài)效益和經(jīng)濟效益，因此，稻田人工濕地對氮磷的去除受到多種因素制約。

2.1　土壤

土壤吸附是氮磷去除的途徑之一，磷的去除與土壤基質(zhì)密切相關(guān)，一般人工濕地為了提高對氮磷的去除效果，通常選擇效果較好的基質(zhì)，如石灰石、沸石、白云石、浮石和工業(yè)廢料等。稻田人工濕地基質(zhì)即為稻田土，對于某一稻田，土壤對氮磷的作用效果相對穩(wěn)定，但不同地區(qū)之間，效果因母質(zhì)類型變化而異。如沙性土壤中，水分與土壤表面接觸后易向下淋失，氮磷運移較深，而黏性土壤容易造成氮磷元素的表層累積[11]。除直接影響作用外，土壤母質(zhì)還通過影響土壤的質(zhì)地、通氣性以及土壤的水熱狀況等，間接影響土壤氮素積累和氮礦化過程。

此外，增施土壤改良劑，即在稻田土中增加基質(zhì)，將改變土壤特性，對氮磷去除起到積極作用，如石灰和硅鈣將促進水稻對氮磷鉀養(yǎng)分的吸收，生石灰和白云石粉將增加土壤中的鈣鎂離子，增加可溶性磷酸鹽的固定；沸石的強吸附能力和離子交換能力，可減少氮磷流失并調(diào)節(jié)氮磷在土壤中的分布，有利于水稻吸收等[12]。

2.2　水稻

稻田人工濕地根據(jù)水稻生長的環(huán)境特性構(gòu)建，一方面，水稻直接攝取水體中的氮磷物質(zhì)，另一方面，水稻根系的泌氧功能為微生物分解轉(zhuǎn)化有機物提供了適宜的環(huán)境條件。水稻喜濕耐淹，但長期淹漬會產(chǎn)生脅迫，抑制水稻生長，研究表明稻田長期保持25～30 cm水層時，水稻分蘗期耐淹歷時約 6 d[13]，分蘗期水稻被完全淹沒時，耐淹歷時約1 d[14]，在以減產(chǎn)不超過10%為評價標(biāo)準(zhǔn)情況下，水稻淹水歷時臨界值為 3 d[15]，即稻田人工濕地構(gòu)建時必須以水稻耐淹特性為基礎(chǔ)，合理設(shè)定水力停留時間和水層深度等系統(tǒng)參數(shù)。

水稻不同季節(jié)、不同生長期對氮磷的吸收利用存在明顯差異。泡田期田間水量大，淋失量也大，在與雨季同步時，灌溉和降雨還會引起頻繁的排水，此時用稻田人工濕地進行水處理容易污染地下和地表水體；在水稻返青和分蘗期，水稻根系尚未形成，對氮磷需要的絕對量小，水質(zhì)凈化緩慢；在分蘗后期常采用曬田控制有效分蘗，濕地效果降低。如果在水稻生長前期處理養(yǎng)分物質(zhì)含量較高的水，會促使分蘗多發(fā)，最高苗過多，成穗率下降，不利于水稻生長和產(chǎn)量形成。水稻生育期對氮磷去除的另一個影響是不同生育期對氮磷吸收的選擇性，如水稻在營養(yǎng)生長期以吸收NH4+-N為主，生殖生長期對NO3--N的吸收增加，水稻在生殖生長期轉(zhuǎn)移至稻穗中的氮素形態(tài)以NH4+-N為主[16]。

水稻的基因型對氮磷吸收也有重要影響，如生育期較長的基因型品種氮素吸收效率較高，云南水稻成熟期植株的氮素積累量比國際水稻研究所品種高出19%～30%[17]，氮高效基因型品種能高效吸收土壤氮素，降低土壤氮素殘留和減輕對環(huán)境質(zhì)量的影響。耐低磷基因型和磷敏感基因型水稻品種則能夠分泌有機酸、質(zhì)子等活化難溶性無機磷，或分泌酶類分解有機磷等，以提高根際有效磷濃度供作物吸收利用。

2.3　水分管理

水是稻田人工濕地調(diào)控土壤環(huán)境、水稻生長發(fā)育和氮磷形態(tài)的關(guān)鍵因子。稻田濕地水體在田間滯留期間流速接近零，水中懸移質(zhì)和顆粒態(tài)的氮磷得以部分沉淀，可大大消納氮磷含量，并給土壤吸附、水稻吸收和反硝化利用充分時間。長期處于淹水狀態(tài)的稻田，空氣很難進入到土壤中，水稻根系及微生物的呼吸作用消耗大量氧氣，導(dǎo)致土壤中的氧濃度極低，持續(xù)的低氧環(huán)境會引起稻田還原性有毒物質(zhì)的積累，根系細(xì)胞能量代謝失衡、細(xì)胞質(zhì)酸化及低氧的生理生化反應(yīng)，對水稻的養(yǎng)分吸收利用產(chǎn)生嚴(yán)重影響[18]。但長期淹水有利于土壤中Fe3+還原成溶解度更高的Fe2+，部分被氫氧化鐵所吸持的閉蓄態(tài)磷得以釋放，土壤對磷的吸持有所減少[19]，同時通過調(diào)控水分管理增加根際溶氧量，可顯著提高稻田氧化還原電位和硝態(tài)氮含量，促進水稻的根系形態(tài)建成和氮磷吸收[20]。

在干濕交替的水分管理條件下，土壤通氣環(huán)境良好，有利于氮磷的轉(zhuǎn)化吸收，同時根系生長旺盛，白根多且分布深，吸肥力高于淹灌[21]，氮磷的農(nóng)學(xué)利用率、吸收利用率、生理利用率得到提高；有氧-厭氧的交替循環(huán)還能夠使土壤的氧化還原電位降低到足夠水平以誘導(dǎo)土壤中的反硝化作用，增大了氮素的去除率[22]。但也有研究表明，稻田干濕交替水分管理土壤氧氣含量、氧化還原電位較高，土壤中的一些金屬離子以高價形態(tài)存在，容易與土壤中的速效磷反應(yīng)，形成溶解度很低的化合物，從而影響磷的有效性，導(dǎo)致水稻對磷素的吸收量減少[23]。當(dāng)?shù)咎锼止芾懋a(chǎn)生水分脅迫時，則會影響水稻對氮磷的吸收和轉(zhuǎn)運，減少稻株氮磷累積量[24]。

灌溉排水過程也會影響氮磷去除效果，稻田補水時通過擾動土壤，促進土壤表層吸附的NH4+-N的釋放及硝化進程；補水中含有大量待處理的氮磷元素時，田間水體中氮磷濃度會迅速上升，并在維持一段時間后，隨著淹水時間的延長逐漸降低，或在出現(xiàn)峰值后迅速下降并逐漸趨于穩(wěn)定，即稻田人工濕地氮磷的去除需要一定的周期，合理地控制排水可減少氮磷的流失，提高系統(tǒng)凈化效果，尤其在遇到較大降雨時，應(yīng)根據(jù)水稻耐淹特性，適當(dāng)增加雨水在稻田中的滯留時間，發(fā)揮稻田濕地功能。

2.4　水力負(fù)荷

水力負(fù)荷是影響濕地凈化效果的關(guān)鍵因子，也是濕地運行的重要參數(shù)。目前，關(guān)于稻田人工濕地水力負(fù)荷的研究較少，通常情況下，濕地氮磷去除效率會隨著水力負(fù)荷的降低而增強；在水力負(fù)荷較大、處理量較高時，污水在濕地中的停留時間較短，氮磷的生化降解作用不充分，出水水質(zhì)可能不達標(biāo)；當(dāng)水力負(fù)荷超過最佳水力負(fù)荷后，濕地的氮磷去除效果會明顯降低[25]。除量的影響外，負(fù)荷構(gòu)成也會影響凈化結(jié)果，如當(dāng)有機負(fù)荷較高時，異養(yǎng)細(xì)菌的生長占優(yōu)勢，會抑制硝化細(xì)菌的生長，影響濕地系統(tǒng)氮的去除；污水中的重金屬離子以有效態(tài)形式作用于濕地微生物群落，嚴(yán)重抑制反硝化等微生物代謝過程，削弱氮磷的去除。進水C、N、P在一定范圍內(nèi)能使人工濕地中的微生物發(fā)生相似轉(zhuǎn)化，TN的去除率隨著碳氮比的增大而逐漸升高，但NH4+-N的去除率隨著碳氮比的增加而降低；進水含C時，釋磷菌能夠從進水中獲得充足的碳源，從而可以比較充分地釋磷，磷的去除率將隨碳氮比的增加而提高[26]。

除上述因素外，水稻耕作制度、稻田溫度、風(fēng)速、光照、空氣相對濕度、pH值等均會影響氮磷遷移轉(zhuǎn)化。如高溫、強光照、少雨等氣候條件會促進稻田氨揮發(fā)[27]；在較低溫度條件下，氮的去除能力只有常溫的3%～15%；pH值為7～8時，硝化-反硝化作用最強，有利于提高氨氮的降解率等[28]。總體而言，稻田人工濕地雖然構(gòu)建形式單一，但其影響因素復(fù)雜，只有在了解土壤理化性質(zhì)、水稻生長特性和氣象特點的基礎(chǔ)上合理設(shè)定水力負(fù)荷并進行水分管理，才能發(fā)揮系統(tǒng)功能。

3　稻田人工濕地的應(yīng)用研究

3.1　稻田人工濕地的農(nóng)業(yè)面源污染防治

稻田人工濕地的農(nóng)業(yè)面源污染防治，一方面是根據(jù)稻田人工濕地氮磷去除特性調(diào)控灌溉排水，減少面源污染源；另一方面，作為水質(zhì)凈化系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)面源污染源進行處理。如章明奎等用不施肥的水稻帶代替?zhèn)鹘y(tǒng)的緩沖區(qū)，利用水稻本身和稻田土壤吸收、固定氮磷，減少農(nóng)田排水過程中氮磷的流失，當(dāng)寬度大于15 m時，水稻緩沖帶可顯著地降低排水中氮磷的流失[1]。陳柏湘利用稻田濕地修復(fù)養(yǎng)殖污水，污水中總磷含量降低66.0%～69.3%，總氮含量降低41.4%～42.5%[29]。周元等研究也表明稻田濕地對養(yǎng)殖塘廢水中的氮磷具有顯著的凈化效果，總氮、總磷、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量分別降低 65.2%、72.0%、87.3%和66.8%[30]。宋祥甫等研究表明種稻對富營養(yǎng)化水體中氮磷的去除效果最高可分別達到 58.7% 和49.1%[31]。稻田生態(tài)種養(yǎng)模式雖然不是直接對養(yǎng)殖水體進行修復(fù)，但是可以作為一種生態(tài)養(yǎng)殖模式來部分替代對水體污染重的集約化養(yǎng)殖方式，從而減輕面源污染發(fā)生的風(fēng)險，如稻魚共作系統(tǒng)水體氨氮含量要比魚單作系統(tǒng)低24.5%，總磷含量低32.6%[32]。

3.2　稻田人工濕地的生活污水處理

考慮到稻田人工濕地的凈化能力和食品安全，一般生活污水需要經(jīng)過初步處理，把油膩和動物性脂狀物、其他有機物、總懸浮固體物等去除，在消滅有害微生物和調(diào)節(jié)酸堿度后再進入稻田濕地系統(tǒng)。薛利紅等利用太湖流域廣泛存在的稻田濕地凈化周圍低污染水，表明利用稻田濕地凈化分散式農(nóng)村生活污水工程尾水或富營養(yǎng)化河水等低污染水是可行的，氮、磷的去除率可分別達77%～93%、87%～98%[33]。李松等對農(nóng)村生活污水進行近4個月的稻田濕地處理，氮素去除率62.9%～69.3%，磷去除率60.3%～71.4%，稻田排水滿足地表水排放標(biāo)準(zhǔn)，同時，水稻增產(chǎn)明顯[34]。童澤霞等利用稻田生態(tài)濕地治理生活污水和輕工業(yè)污水，發(fā)現(xiàn)稻田濕地除可以凈化污水水質(zhì)外，還可以起到減少空氣浮塵、保護農(nóng)業(yè)耕地、降低農(nóng)業(yè)成本、發(fā)展旅游休閑的效果和作用[35]。施衛(wèi)明等研究認(rèn)為，對于太湖流域內(nèi)日處理水量為20 t的小型分散生活污水處理設(shè)施而言，只需充分利用周邊稻田，將其出水引入稻田人工濕地，保證水力停留時間在4 d以上，就能保證出水中全氮含量在2 mg/L以下，而且稻田濕地面積僅需0.10～0.12 hm2[36]。

3.3　稻田人工濕地的劣質(zhì)水灌溉應(yīng)用

稻田人工濕地對污水的生態(tài)處理功能為劣質(zhì)水灌溉提供了理論支持，一方面可緩解日益緊張的農(nóng)業(yè)用水壓力，另一方面可減少對劣質(zhì)水處理的投入。目前，稻田劣質(zhì)水灌溉對土壤污染、水稻生長和地下水質(zhì)量等方面的研究還較少，劣質(zhì)水利用存在的“安全”問題還需要進一步解決。已有的研究表明，利用農(nóng)村生活污水替代地表水灌溉稻田濕地，可在保證產(chǎn)量的同時實現(xiàn)高效除磷，去除率高達75.2%～98.2%；利用稀釋后的生活污水灌溉稻田，水稻生長不受影響，生物量和產(chǎn)量均有所增加[37]。黃俊友等研究表明，利用適當(dāng)濃度的污水進行灌溉對水稻株高、穗長、千粒質(zhì)量以及結(jié)實率均有積極的影響，其結(jié)實率能提高2～4百分點，但高濃度污水則可能降低水稻50%～90%的分蘗率，從而最終導(dǎo)致水稻實際產(chǎn)量下降，降幅達到3.9%～18.6%[38]。付紅等研究表明，污水中含有大量的有機和無機營養(yǎng)物質(zhì)，在灌溉過程中，肥隨水到，用污水灌溉可比用清水灌溉增產(chǎn)20%～30%，同時起到提高土壤肥力、凈化水質(zhì)的效果，污水凈化率可達70%～80%[39]。

4　問題與展望

目前，稻田人工濕地對氮磷去除的研究多以稻田氮磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和一般人工濕地系統(tǒng)水質(zhì)處理原理為理論基礎(chǔ)，雖然研究結(jié)果表明稻田人工濕地是處理污水或污水利用的一種經(jīng)濟有效的手段，并且已在一些地區(qū)進行應(yīng)用，取得了較理想的效果，但稻田人工濕地在水肥運動、水分管理和工程建設(shè)等方面仍有別于一般的人工濕地，其理論和應(yīng)用還有待于進一步完善。

(1)稻田人工濕地氮磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。盡管稻田氮磷遷移轉(zhuǎn)化機制的理論已非常成熟，但現(xiàn)有研究多以遷移轉(zhuǎn)化的影響因素、變化的理化過程和去除效果等為主。當(dāng)?shù)咎镒鳛閮羲到y(tǒng)時，必須考慮如何利用氮磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律對系統(tǒng)進行有效控制，實現(xiàn)系統(tǒng)功能、效益最大化，因此，需要對稻田人工濕地氮磷的遷移轉(zhuǎn)化速率、間歇進水條件下濕地水體氮磷濃度變化規(guī)律、污水對地下水的影響等深入研究，根據(jù)濕地氮磷動力學(xué)特征，在不污染地下水和排水水質(zhì)閾值范圍內(nèi)，建立動力學(xué)方程模型，為系統(tǒng)控制提供方案。

(2)稻田人工濕地的構(gòu)建。稻田以格田為單元，格田規(guī)格首先應(yīng)滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，既要考慮灌溉效果，又要考慮機耕和管理等，尤其是在土地流轉(zhuǎn)規(guī)?；?jīng)營趨勢下，格田面積有增大的趨勢。以室內(nèi)試驗或小區(qū)試驗為主的模擬研究結(jié)果由于尺度效應(yīng)，可能并不能真實反映濕地整體的應(yīng)用效果，因此，需要對不同規(guī)格稻田濕地單元的氮磷去除效果進行研究，并深入探討稻田人工濕地的耕作方式、種植密度、水稻品種、進水方式等與凈化效果之間的關(guān)系，為稻田人工濕地的規(guī)劃設(shè)計和構(gòu)建提供理論基礎(chǔ)。

(3)稻田人工濕地的應(yīng)用。根據(jù)稻田人工濕地氮磷去除的影響因素，氮磷的去除受土壤特性、進水水質(zhì)和水分管理等影響，并隨著水稻生育期和季節(jié)而變化，系統(tǒng)在多因素作用下復(fù)雜化，因此，為了便于技術(shù)推廣應(yīng)用，應(yīng)因地制宜地提出技術(shù)模式，為生產(chǎn)實踐提供技術(shù)指導(dǎo)。

(4)稻田人工濕地與高效節(jié)水灌溉的結(jié)合。隨著國家節(jié)水灌溉技術(shù)的大力推行，水稻高效節(jié)水灌溉是必然趨勢[40-41]。水稻高效節(jié)水灌溉減少了水肥用量，提高了水肥利用率，改善了水生態(tài)環(huán)境，但同時也改變了當(dāng)前水田的種植模式和濕地特征，傳統(tǒng)種植模式下稻田人工濕地的氮磷去除過程、構(gòu)建方法和應(yīng)用可能都將改變，這就需要對高效節(jié)水灌溉模型下稻田人工濕地應(yīng)用開展新的研究。

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