氮磷面源污染在溝渠中的遷移轉化機理

余紅兵 戴桂金

摘? ?要? ?分析當前氮磷農業(yè)面源污染的現(xiàn)狀，簡要綜述了農田排水溝渠中氮元素的轉化機理（植物吸收、脫氮作用、沉積作用、滲透作用），磷元素的遷移轉化機理（植物吸收、底泥吸附、底泥沉降、還原產(chǎn)生PH3等）。

關鍵詞? ?農業(yè)面源污染;排水溝渠;氮;磷;遷移轉化

中圖分類號：X592? ? 文獻標志碼：B? ? DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.31.030

農業(yè)面源污染已成為水體氮、磷的重要污染源。2017年中央一號文件和政府工作報告中均指出：需加快治理農業(yè)面源污染，治理流域水污染和控制農村面源污染。農業(yè)面源污染已成為我國環(huán)境污染治理的重中之重。

1 農業(yè)面源污染現(xiàn)狀

農業(yè)面源污染，又稱農業(yè)非點源污染，是由農田中的土粒、氮素、磷素、農藥重金屬、農村禽畜糞便與生活垃圾等有機或無機物質，在降水和徑流沖刷作用下，通過農田地表徑流、農田排水和地下滲漏，使大量污染物進入受納水體（河流、湖泊等）所引起的污染。農業(yè)面源污染因范圍廣闊，難以控制，成為重要的污染源，是水環(huán)境污染的主要來源，其中，氮、磷營養(yǎng)元素是農業(yè)面源污染的主要污染物質。在我國，氮、磷富營養(yǎng)化已成為水污染的核心問題，有25個湖泊水體中全氮均富營養(yǎng)化，山東近海和太湖流域等地的污染負荷均是由農業(yè)非點源污染造成的[1-2]，在其他主要湖泊和水系中，高濃度的總氮和總磷是影響水體水質的主要原因。研究表明，水體中35.7%的氮和24.7%的磷均來自農田系統(tǒng)的面源污染。在荷蘭，60%的氮負荷和40%～50%的磷負荷也均來自農田系統(tǒng)的面源污染。在法國、英國等國，氮素流失已成為水體污染的主要原因。丹麥的270條河流中來自于面源污染的氮負荷和磷負荷分別達到94%和52%。在美國，農業(yè)面源污染分別占所有湖泊和河流營養(yǎng)物質負荷總量的57%和64%，農業(yè)面源污染是湖泊和河流污染物的主要來源之一。

2 氮在農田排水溝渠中的轉化機理

淋溶遷移和徑流遷移是排水溝渠中氮的兩種主要遷移方式[3]。氮的淋溶遷移是指底泥中的氮向下移至根系以下，造成氮素損失，無法被植物根系吸收。氮的徑流遷移則是指通過泥沙顆粒表面吸附或直接溶解在徑流中，氮素隨徑流而損失。氮的徑流遷移主要包括懸浮態(tài)流失和淋洗態(tài)流失，它們都進入水體。降雨徑流對氮的遷移起著重要作用，其中氨態(tài)氮是降雨徑流中的主要遷移形態(tài)，硝態(tài)氮以土壤滲漏的形式迅速遷移到溝渠中[4]。在溝渠系統(tǒng)中，總氮的44%和15%左右分別以可溶性有機氮和顆粒態(tài)形式存在，隨著農田排水或降雨徑流，顆粒沉降在溝渠中[5]。在旱地，主要通過“化學侵蝕”和“物理侵蝕”途徑來進行氮、磷養(yǎng)分和表土有機物質的遷移[6]。

氮循環(huán)的幾個主要環(huán)節(jié)包括硝化作用、氨化作用、固氮、脫氮和礦化作用[7]。農田排水溝渠中氮主要通過四種機制遷移轉化：植物吸收、脫氮作用、沉積作用和滲透作用等。

人工濕地和天然濕地對氮的去除率可達到79%。據(jù)研究報道，濕地對氨態(tài)氮的吸收率可達14%～98%，對硝態(tài)氮的吸收率為96%，且濕地內硝態(tài)氮的轉化率高于95%。由于溝渠具有排水和濕地系統(tǒng)的雙重功效，干燥和濕潤交替，且有植被存在，溝渠系統(tǒng)中存在好氧區(qū)和厭氧區(qū)。土壤表面會在堿性條件下吸附有機氮，使微生物發(fā)生氨化作用或礦化作用，形成氨態(tài)氮，并被植物吸收或揮發(fā)。同時，在好氧環(huán)境中，即在植物的根部區(qū)域，由于微生物硝化細菌的存在，氨態(tài)氮通過硝化作用轉化為硝態(tài)氮，主要被植物吸收，是植物吸收的另一種無機氮。楊林章等研究表明，植物不僅可以通過吸收來去除水中的部分氮和磷，還能產(chǎn)生有利于去除氮和磷的環(huán)境，即厭氧-好氧環(huán)境，而且由于溝渠植物根系發(fā)達，底層植物降低了水的流動速度而使顆粒物沉淀[8]。植物系統(tǒng)與無植物系統(tǒng)相比，微生物含量更多[9]。水生植物香蒲和蘆葦具有明顯的根際效應，且根際微生物活性比非根際微生物活性高，而且蘆葦與香蒲相比，凈化效果更好，是因為蘆葦根際亞硝酸細菌數(shù)量更多[10]。植物吸收在人工濕地中處理富營養(yǎng)化水的氮發(fā)揮了重要作用[11]。也有研究表明可通過選擇光合能力強的植物來構建溝渠，可間接影響氨態(tài)氮的硝化作用，從而增強溝渠的脫氮效果[12]。其實，反硝化作用是氮遷移去除的主要方式，因地上部分向根部輸送的氧氣，在植物的根區(qū)形成好氧環(huán)境，發(fā)生硝化作用，相反，在根部周圍形成厭氧環(huán)境發(fā)生反硝化作用，產(chǎn)生N2和N2O，以氣體的形式揮發(fā)，反硝化作用是溝渠系統(tǒng)能永久去除氮污染的唯一自然過程[13]，也是氨態(tài)氮去除的主要途徑。另外，氮的遷移去除的另一種方式是通過下滲作用去除硝態(tài)氮。因此，去除排水溝渠氮的主要途徑主要靠硝化-反硝化作用，而植物根區(qū)的好氧環(huán)境及植物吸收能力是影響氮遷移的關鍵因素。

3 磷在農田排水溝渠中的轉化機理

在地表徑流中，磷主要以溶解態(tài)和吸附態(tài)形式存在于排水溝渠中[3]，磷通過排水或徑流形式以溶解態(tài)向水體遷移，或者通過泥土顆粒形式進行遷移。其中，90%的磷負荷通過泥土顆粒態(tài)遷移。溶解態(tài)磷是農田溝渠中磷流失的主要途徑。溶解態(tài)磷和吸附態(tài)磷可以相互交換，吸附和解吸處于動態(tài)平衡。當降雨發(fā)生時，溝渠中的顆粒態(tài)磷與水流量變化一致，隨水流量增加而增加[7]。溝渠系統(tǒng)中磷遷移轉化機理主要包括以下幾個方面：植物吸收、底泥吸附、底泥沉降、還原產(chǎn)生PH3等。植物通過生物、物理、化學吸收等作用來實現(xiàn)對磷的去除。還原產(chǎn)生PH3不是去除磷的主要機制，因為生成的PH3量不高。在處理污水的人工濕地系統(tǒng)中，通過植物吸收除磷的效果是有限的。在濕地生態(tài)系統(tǒng)研究中，磷主要被土壤吸附和截留，植物吸收很少，并不是除磷的主要途徑[14]。但是，植物對除磷有很大的助力，一方面，植物根區(qū)的微氧化環(huán)境，有利于有機磷被微生物降解[15]，成為可被植物吸收的無機磷;另一方面，由于植物龐大的根系，磷通過底泥吸附可以沉淀。研究表明，磷去除的主要機制是底泥沉降和底泥吸附，這是磷含量下降的主要原因。泥砂沉降是磷截留固持的重要過程，溝渠中的水流速度會影響泥砂沉降，流速越慢，就越有利于泥砂沉降，但太快會造成顆粒懸浮。據(jù)研究報告，磷的最大吸附率可達99%，這意味著大多數(shù)可溶性磷可以被底泥吸附，因為底泥中非晶體型鋁、鐵氧化物與磷結合形成磷酸鋁或磷酸鐵，由于溶解度低而沉積于底泥中。底泥在需氧環(huán)境中對磷的吸附性比厭氧環(huán)境好，吸附量大。底泥中磷含量、季節(jié)變化、沉降作用和積水時間等都會影響磷的截留率[16]。

總之，溝渠系統(tǒng)中的氮、磷污染物通過徑流遷移、底泥吸附、植物吸收和微生物作用等一系列遷移和轉化過程，降低了氮、磷污染物的濃度，減少了氮、磷污染的負荷，從而降低水富營養(yǎng)化的風險。

參考文獻：

[1] 張維理，武淑霞，冀宏杰，等.中國農業(yè)面源污染形勢估計及控制對策I. 21世紀初期中國農業(yè)面源污染的形勢估計[J].中國農業(yè)科學，2004，37（7）：1008-1017.

[2] 劉紀輝，賴格英.農業(yè)非點源污染研究進展[J].水資源與水工程學報，2007，18（1）：29-32.

[3] T.C. Daniel， A.N. Sharpley， J.L. Lemunyon. Agricultural phosphorus and eutrophication： A symposium overview[J]. Journal of Environmental Quality，1998，27（2）：251-257.

[4] M.P. Mosley. Subsurface flow velocities through selected forest soil， South Island， New Zealand[J]. Journal of Hydrology，1982，55（1）：65-92.

[5] S.E. Jorgenson， S.N. Nielsen. Application of ecological engineering principles in agriculture[J]. Ecological Engineering，1996，7（4）：373-381.

[6] 周俊，朱祖.合肥近郊旱地土壤養(yǎng)分徑流流失途徑的研究[J].應用生態(tài)學報，2001，12（3）：391-394.

[7] 馬永生，張淑英，鄧蘭萍.氮、磷在農田溝渠濕地系統(tǒng)中的遷移轉化機理及其模型研究進展[J].甘肅科技，2005，21（2）：106-107.

[8] 楊林章，周小平，王建國，等.用于農田非點源污染控制的生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng)及其效果[J].生態(tài)學雜志，2005，24（11）：1371-1374.

[9] 張榮社，李廣賀，周琪，等.潛流濕地中植物對脫氮除磷效果的影響中試研究[J].環(huán)境科學，2005，26（4）：83-86.

[10] 項學敏，宋春霞，李彥生，等.濕地植物蘆葦和香蒲根際微生物特性研究[J].環(huán)境保護科學，2004，30（4）：35-38.

[11] 蔣躍平，葛瀅，岳春雷，等.人工濕地植物對觀賞水中氮磷去除的貢獻[J].生態(tài)學報，2004，24（8）：1718-1723.

[12] 黃娟，王世和，雒維國，等.植物光合特性及其對濕地DO分布、凈化效果的影響[J].環(huán)境科學學報，2006，26（11）：1828-1832.

[13] P.G. Eriksson， S.E.B. Weisner. Nitrogen removal in a wastewater reservoir： The importance of denitrification by epiphytic biofilms on submersed vegetation[J]. Journal of Environmental Quality，2015，26（3）：905-910.

[14] 繆紳裕，陳桂珠，黃玉山，等.人工污水中的磷在模擬秋茄濕地系統(tǒng)中的分配與循環(huán)[J].生態(tài)學報，1999，19（2）：236-241.

[15] M.Z. Moustafa. Analysis of phosphorus retention in free-water surface treatment wetlands[J]. Hydrobiologia，1999，392（1）：41-53.

[16] B.C. Braskerud. Factors affecting phosphorus retention in small constructed wetlands treating agricultural non-point source pollution[J]. Ecological Engineering，2003，19（1）：41-61.