農(nóng)田排水溝渠中氮磷遷移轉(zhuǎn)化及凈化措施研究

馬凡凡 邢素林 甘曼琴

摘要 從農(nóng)田排水溝渠中氮、磷污染的視角，在綜述排水溝渠底泥吸附、植物吸收、微生物作用等一系列凈化機理的基礎(chǔ)上，從溫度和季節(jié)、pH、植物狀況以及溝渠結(jié)構(gòu)等角度分析歸納排水溝渠氮、磷去除效率的影響因素。并根據(jù)目前排水溝渠中氮、磷凈化存在的問題，提出通過控制排水、篩選適宜的基質(zhì)和應(yīng)用生化措施等加強排水溝渠對氮磷的截留凈化，進一步開展生態(tài)溝渠的構(gòu)建和管理技術(shù)，在野外長期監(jiān)測的基礎(chǔ)上，深化實驗?zāi)M量化研究，再到區(qū)域的系統(tǒng)化管理應(yīng)用研究等建議，旨在提高排水溝渠的氮磷凈化效果，減輕農(nóng)業(yè)面源污染。

關(guān)鍵詞 農(nóng)田排水溝渠;農(nóng)業(yè)面源污染;氮;磷;遷移轉(zhuǎn)化

中圖分類號 X522文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）10-0010-04

Abstract From the perspective of nitrogen and phosphorus pollution in farmland drainage ditches， and based on the review of purification mechanism of sediment absorption， plant absorption and microorganism in drainage ditches， this paper analyzed the effects of temperature and season， pH， plant status and ditch structure on nitrogen and phosphorus removal efficiency of drainage ditches. According to the problems of nitrogen and phosphorus purification in the current drainage ditch， put forward the measures to strengthen drainage ditches to purify nitrogen and phosphorus， including controlling drainage， screening suitable substrates and applying biochemical measures. It would further develop the technology of construction and management of ecological ditches， and point out that on the basis of longterm monitoring in the field， deepen the experimental simulation and quantitative research and other recommendations， aiming to improve the nitrogen and phosphorus purification effect of drainage ditches and reduce agricultural nonpoint source pollution.

Key words Farmland drainage ditch;Agricultural nonpoint source pollution;Nitrogen;phosphorus;Migration and transformation

氮、磷是植物生長的必需營養(yǎng)元素，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為了提高作物的產(chǎn)量，農(nóng)民常施用大量的化肥，而不考慮環(huán)境影響。據(jù)統(tǒng)計，我國氮、磷肥的使用量均位于世界前列，僅2011年就分別達4 197萬和1 462萬t[1]，但我國氮、磷肥的利用率卻很低，分別為30%～35%和10%～20%，稻田氮、磷肥利用率僅分別為27.1%和13.7%[2]。在灌溉排水或降雨徑流等產(chǎn)流作用下，過量施肥導(dǎo)致的大量氮、磷等污染物通過水循環(huán)進入周圍水體，降低水體水質(zhì)，加重了農(nóng)業(yè)面源污染，已成為水體污染的最大來源[3-5]。研究表明，農(nóng)業(yè)面源產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)占美國地表水污染負荷的67%[6];農(nóng)業(yè)氮污染對瑞典不同流域水體的貢獻率為60%～87%[7]。而我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生的總氮、總磷通過溝渠進入博斯騰湖流域占入湖總負荷量的42%[8];滇池外海流域農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生的總氮、總磷污染物分別占總負荷的60%～70%和50%～60%[9];農(nóng)業(yè)面源污染也是影響太湖流域水體污染的重要因素[10]。

近年來，農(nóng)田排水溝渠作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，兼具河流和濕地雙重特征，既是農(nóng)業(yè)面源污染的最初匯集地，又是下游河流、湖泊的外輸口，起著蓄水、排水、凈化等多種作用[11-14]，引起眾多學(xué)者的關(guān)注。溝渠系統(tǒng)通過植物的吸收累積、泥沙沉降和底泥的吸附以及微生物的降解作用，能夠有效去除水體中的氮、磷，減少農(nóng)田氮、磷污染物對下游水體的污染，實現(xiàn)農(nóng)田排水中氮磷的攔截凈化，對于維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)平衡有著重要作用[15-16]。此外，研究表明，生態(tài)排水溝渠對總氮、總磷的去除率分別為64%和70%[17]，在減輕農(nóng)業(yè)面源污染方面具有很高的潛力。因此，筆者結(jié)合農(nóng)田排水溝渠中氮、磷遷移轉(zhuǎn)化機理，歸納總結(jié)影響溝渠氮、磷去除效率的因素，并提出合理有效的控制措施，對減輕和防治農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義。

1 排水溝渠中氮、磷遷移轉(zhuǎn)化機理

1.1 底泥吸附

底泥又稱溝渠沉積物，主要由農(nóng)田流失的土壤和自然形成的底泥組成。作為氮和磷的匯，底泥不僅為植物和微生物的生存和代謝提供載體，其本身對水體有非常大的凈化作用[18-19]。研究表明，溝渠底泥對總氮、氨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）具有很強的吸附和硝化能力，分別占總?cè)コ实?4.10%、72.77%、68.55%。同時，溝渠底泥有機質(zhì)含量高，且富含無定型鐵、鋁氧化物，顆粒表面粗糙，為磷吸附提供豐富的表面積，對水體中可溶性磷的吸附率高達99%[20-21]。但底泥對磷的吸附主要集中在表層，隨深度增加，好氧狀態(tài)向缺氧、厭氧狀態(tài)轉(zhuǎn)化時，底泥吸附能力逐漸降低。且底泥對磷的吸附過程是可逆的，當排水中磷的濃度較低或當?shù)啄鄬α椎奈竭_到飽和狀態(tài)時，底泥吸附的一部分磷會重新釋放到水體中，造成磷的二次污染[22-23]。

1.2 植物吸收

植物是溝渠系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者之一，既可以直接吸收水體和底泥中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，而且可以通過莖和葉向根區(qū)輸送氧氣，在根區(qū)周圍形成微氧環(huán)境，為微生物提供良好的生長環(huán)境，增加對氮磷吸收和沉淀，提高去除速率。根區(qū)的好氧環(huán)境能夠促進硝化細菌的生長，另外，植物根系分泌出大量含碳有機物并促進反硝化細菌的生長，好氧厭氧交替作用下，硝化-反硝化作用強烈，加速氮的吸收和轉(zhuǎn)化[24-25]。而植物對磷的吸收是有限的，主要是加快磷向下轉(zhuǎn)移的速度，并通過根部吸收部分底泥間隙中的磷，且只有當有機磷轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)的無機磷時才能被植物吸收[26]。此外，溝渠植物根系發(fā)達，能夠形成密集的攔截網(wǎng)，減緩水體流速，促進泥沙顆粒沉降，進而增加底泥對氮磷的吸附，對排水溝渠中氮磷的平均去除率達46.8%和51.0%[27-28]。

1.3 微生物作用

溝渠中微生物的硝化-反硝化作用是氮素去除的主要途徑，通常占到總氮去除率的80%以上[29]。其中，硝化細菌在好氧條件下將氨態(tài)氮（NH4+-N）氧化成硝態(tài)氮（NO3--N）或亞硝態(tài)氮（NO2--N）;反硝化細菌則在缺氧或厭氧條件時將硝態(tài)氮（NO3--N）最終還原成氣態(tài)的N2和N2O，因此，反硝化作用是溝渠系統(tǒng)永久去除氮的唯一自然過程[30-31]?？撞32]研究表明，含有微生物的底泥對氨態(tài)氮的降解量比滅菌后無微生物的底泥截留量高出 0.035 mg/g，對氮的截留作用更顯著[30]。但微生物對磷的降解效果不明顯，溝渠中的有機磷以及溶解性較差的的無機磷酸鹽需要經(jīng)過微生物轉(zhuǎn)化，分解或溶解成無機磷，被植物吸收利用，進而將磷從水中去除。厭氧微生物則在厭氧條件下利用結(jié)合態(tài)的鐵磷，將磷轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)從底泥中釋放出來[33-34]。

2 排水溝渠氮、磷去除效率的影響因素

通過底泥吸附、植物和微生物硝化和反硝化作用，一定程度上減少了溝渠水體中氮磷污染物。但由于溝渠系統(tǒng)本身的復(fù)雜性以及不穩(wěn)定性，受季節(jié)溫度、水體pH以及植物的類型和生長狀況，包括溝渠本身的長度等結(jié)構(gòu)影響（圖1），溝渠水體中氮磷去除效率也不同。

2.1 溫度和季節(jié)

溫度和季節(jié)是影響溝渠去除氮磷的重要因素。夏季溫度有利于植物進行光合作用，生長速度加快，對氮、磷的凈化效果也更加明顯。與之相反，冬季氣溫較低，植物地上部分枯萎凋落，植物體內(nèi)的氮、磷釋放進入水體和底泥中，則會導(dǎo)致氮、磷濃度升高。此外，研究表明硝化作用的最適溫度是 28～30 ℃，10 ℃時硝化作用被抑制，當溫度下降到5～6 ℃時，硝化作用顯著下降;反硝化作用的最佳溫度則在 10～30 ℃[35-37]。綜上所述，由于夏季溫度升高，植物吸收及微生物活動強烈，溝渠對氮、磷的去除能力要顯著高于冬季，春秋季節(jié)差異不顯著。

2.2 pH

溝渠水的酸堿度顯著影響微生物活動強度。比如硝化作用的最適pH是7～9，當pH<6或pH>10時，微生物活性受到抑制，硝化速率下降，而反硝化作用的最佳pH是7～8，且pH為7.5時，反硝化作用最強烈[38]。底泥對磷的吸附是一個動態(tài)平衡過程，堿性條件下，可溶性的無機磷易與Ca2+發(fā)生吸附和沉淀作用，而中性和酸性條件下，與Al3+、Fe3+形成難溶化合物[39]。pH在5～9，底泥對磷酸鹽的吸附能力隨pH的降低而增強。不同pH將影響底泥的吸附和離子交換作用，從而打破這種動態(tài)平衡。溝渠水體中pH>7時，底泥對磷酸鹽具有較強的吸附能力，若pH過低，底泥吸附能力下降，磷會再次釋放出來，導(dǎo)致水體磷濃度升高[40]。

2.3 植物狀況

大量研究表明，植物吸收是溝渠去除氮磷的重要途徑，但不同植物生長特性呈現(xiàn)不同特點，對水體中氮、磷的吸收和去除能力也不同（表1）[41-46]。一般而言，根系發(fā)達、生物量大的植物對氮、磷的吸收效果也更高。通過對比美人蕉、狐尾藻、黑三棱、燈心草等水生植物對水體的凈化能力表明，美人蕉、黑三棱對氮、磷的富集能力最強，分別為23.90和4.04? g/m2。徐紅燈等[21]研究也表明，茭白和菖蒲對氮、磷的截留凈化能力顯著，其中菖蒲對磷的吸收能力要強于茭白。同時，木本植物柳樹由于根系泌氧能力強，須根旺盛，具有更強的供氧能力，對氮、磷去除率高達56.49%、55.76%[27]。特別是冬季氣溫低，部分水生草本植物枯萎死亡會加重水體污染，而柳樹可以越冬，對氮、磷的去除更穩(wěn)定。

植物的不同部位對氮、磷的去除效率存在顯著差異。研究表明，美人蕉、狐尾藻、黑三棱、燈心草、銅錢草這5種植物的地上部分，其氮、磷的累積量均高于地下部分，且對氮磷的去除貢獻率可達38.5%和40.5%[44，47]。韓例娜等[43]研究也表明美人蕉和狐尾藻地上部和地下部的生物量比值分別為2.1和2.0，遠高于銅錢草和黑三棱的0.9和0.7，對氮、磷的吸收凈化效果最好。因此，適時對植物地上部分進行收割對水體中氮磷的去除更為有利，且多次收割帶走的總氮、總磷量是較單次收割效果更顯著。

此外，植物生長具有不穩(wěn)定性，植物生長前期對氮磷的吸收能力較強，隨著植物的季節(jié)性代謝，生長后期對氮磷的吸收能力下降，植物生物量逐漸減少以及與微生物間的關(guān)系，多種植物搭配種植能夠取長補短，保持長期穩(wěn)定的凈化效果。陳英等[48]利用不同植物組合凈化溝渠水中的氮磷，顯示6種植物組合均對總氮、總磷、氨態(tài)氮有良好的凈化效果，其中組合再力花、蘆葦、黃花水龍和水芹、燈心草、菖蒲組合對總氮、總磷的去除率均超過65%，且后者對氨態(tài)氮的去除率達84.88%。Tripathi等[49]也表明水葫蘆和浮萍組合也比單種植物和其他組合形式氮磷凈化效果更顯著。

2.4 溝渠結(jié)構(gòu)

農(nóng)田排水中氮磷的遷移轉(zhuǎn)化還與溝渠的長短、斷面尺寸、縱坡大小等有關(guān)。研究表明，溝渠長度顯著影響氮磷的去除效果，總氮總磷均沿程呈指數(shù)遞減變化，降雨徑流條件下，溝渠水體中的氮磷也呈現(xiàn)相似規(guī)律[50]。與深窄型溝渠相比，寬淺型溝渠水生植物生物量高，增加了水體與水生植物的接觸程度，有利于植物對氮磷的吸收。同時，水生植物的莖葉為微生物提供附著載體，進一步提高了氮磷的凈化水平。此外，大河道縱坡比較小，水流速度較慢，延長了氮磷在溝渠中的水力停留時間，也有利于氮、磷的去除[51-52]。

3 排水溝渠中氮磷的截留凈化措施

3.1 控制排水

在排水溝渠中設(shè)置排水閥、閘等，調(diào)節(jié)溝渠中的水流及水位，降低溝渠水體的擾動，同時利用植物、底泥的的吸附凈化作用，能夠降低農(nóng)田排水中氮磷的濃度。根據(jù)排水溝的深度和寬度，利用土工布沙袋、捆扎秸稈調(diào)整排水速度，促進懸移質(zhì)沉降，并通過調(diào)節(jié)溝渠的水位變化和田間下滲量，促進氮磷的轉(zhuǎn)化分解[53-54]。王巖等[55]通過在溝渠內(nèi)部布設(shè)攔截壩，水力停留時間得以延長2倍，同時因水流速度緩慢，流水攜帶的氮磷和泥沙等顆粒物質(zhì)得以高速沉降，增強溝渠對污染物的攔截凈化。

3.2 基質(zhì)選擇

不同基質(zhì)類型的溝渠在底泥和微生物的作用下，對氮磷的去除也會產(chǎn)生不同的影響。通過比較生態(tài)溝渠、土質(zhì)溝渠以及混凝土溝渠對氮磷攔截效果發(fā)現(xiàn)，土質(zhì)溝渠憑借底泥吸附和少量植物作用，較混凝土溝渠更能凈化水體，而生態(tài)溝渠人為種有大量水生植物，通過植物的吸收、攔截，以及微生物的協(xié)同作用，對氮磷的攔截效率明顯優(yōu)于土質(zhì)溝渠和混凝土溝渠[56]?；鹕绞⒎惺?、生物陶粒、無煙煤和爐渣等是去除排水中氮磷的良好基質(zhì)，由于其本身吸附或含有各種金屬離子，與水中的氮、磷發(fā)生置換反應(yīng)沉淀，良好條件下對氮磷的去除可達80%以上[57-60]。王功等[61]選取海綿鐵、礫石、沸石和土壤為基質(zhì)，研究復(fù)合型基質(zhì)填料對氮磷的去除，結(jié)果顯示，在土壤和微生物的共同作用下，脫氮除磷效果顯著。但也有學(xué)者表明沸石、火山石、生物陶粒等造價偏高，作為基質(zhì)大量投入濕地、溝渠運用受到限制，建筑碎磚具有較多的微孔和較大的比表面積，用一定濃度的乙酸、HCl、AlCl3和 BaCl2等溶液浸泡后對磷的吸附能力均有所提高，尤其是經(jīng)Al3+改性后的碎磚對磷的去除率可達 97.8%。選取碎磚、廢磚塊等廢棄物用于溝渠或濕地大面積的水體凈化效果顯著且成本較低，具有良好的應(yīng)用前景[62-63]。

3.3 生化措施

向溝渠中投加外源微生物，增加微生物數(shù)量，改善其群落結(jié)構(gòu)，促進硝化反硝化作用，可強化溝渠的凈化能力。試驗表明投加外源微生物的溝渠對氮磷的削減率可達50.3.%、60.6%，較傳統(tǒng)溝渠分別提高了 20.2%、36.8%[64]。除此之外，明礬和FeCl3能夠充當絮凝劑的作用，通過將水體中的懸浮物凝聚起來而加速沉淀，達到凈化水體的作用[65]。目前也有微生物絮凝劑提取技術(shù)，但工藝復(fù)雜，需要深入研究。而生物接觸氧化技術(shù)具有穩(wěn)定的外界適應(yīng)能力，在除水體氮磷的運用中已相當成熟[66-67]。通過以上方式，不僅能夠改善農(nóng)田排水溝渠的管理，亦可實現(xiàn)面源污染氮磷的控制。

4 結(jié)論與展望

盡管國內(nèi)外學(xué)者對排水溝渠中氮磷的遷移轉(zhuǎn)化和凈化措施已進行了一定的研究，但從溝渠氮磷凈化機理可以看出，由于溝渠系統(tǒng)本身各組分相互作用的復(fù)雜性和自身局限，各種因素的改變及不合理控制都有可能造成溝渠凈化效率降低甚至帶來二次污染的嚴重性，為更好地發(fā)揮排水溝渠在減輕農(nóng)業(yè)面源污染，提高生態(tài)環(huán)境效應(yīng)方面的潛力，還應(yīng)在以下幾個方面進行深入研究：①對溝渠植物適時收割并循環(huán)利用，如將溝渠植物還田，或加工后作為畜禽飼料，做好植物的后續(xù)處理及清淤工作，有利于植物體內(nèi)的營養(yǎng)元素再次利用，減少肥料投入并避免植物枯落造成的二次污染;②植物根系的存在增加了底泥和水體中微生物的生物量和活力，進而增加溝渠對氮磷的降解作用，因此，在野外長期監(jiān)測的基礎(chǔ)上，強化植物-底泥-微生物界面相互作用機理及實驗?zāi)M研究，明確各組分間的量化作用，實現(xiàn)定量、定性的人工調(diào)控管理，以加速溝渠水體中氮磷降解;③因區(qū)域差異和受污染水體地域性，氮磷在不同排水溝渠系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化和去除效率也將不同，開展“田-溝渠-塘-濕地”模式系統(tǒng)研究，因地制宜，構(gòu)建生態(tài)溝渠，優(yōu)選植物及組合搭配，控制排水，揭示區(qū)域農(nóng)田的污染排放削減量，在數(shù)據(jù)與理論的基礎(chǔ)上，探索排水溝渠的構(gòu)建與管理應(yīng)用規(guī)程，充分發(fā)揮農(nóng)田排水溝渠的脫氮除磷效應(yīng)。

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