不同攔截植物對(duì)小流域農(nóng)田排水溝渠氮磷消納效果差異研究

文 炯，石敦杰，榮湘民*，田 昌*，楊 勇

(1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/土壤肥料資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410128；2 岳陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部岳陽(yáng)農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，湖南岳陽(yáng) 414000)

生態(tài)溝渠由農(nóng)田排水溝渠及其內(nèi)部栽植植物組成。通過(guò)溝渠攔截徑流和泥沙，植物滯留和吸收氮磷，實(shí)現(xiàn)生態(tài)攔截氮磷、凈化農(nóng)田排水的功能[1～3]，具有高去除率、低投資、低運(yùn)行費(fèi)、低維護(hù)、低能耗等優(yōu)點(diǎn)[4]。相關(guān)研究表明，生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮、磷污染的去除率分別達(dá)48%～64%和41%～70%[5，6]。因此，將現(xiàn)有灌排溝渠改建為生態(tài)溝渠，發(fā)揮其截留沉淀、植物吸收、沉積物吸附和微生物降解作用，對(duì)去除農(nóng)業(yè)面源污染中氮、磷元素具有重要意義。

水生植物是生態(tài)溝渠的重要組成部分，在其生長(zhǎng)過(guò)程中吸收水層和底泥中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，吸附沉積物[7]，還可為水體中的微生物以及部分水生生物提供棲息場(chǎng)所和食物，在凈化水質(zhì)、降低水體富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)程中起到關(guān)鍵作用[8～11]。但不同生態(tài)條件、不同污染物來(lái)源及不同種類水生植物的生長(zhǎng)習(xí)性不一，水質(zhì)凈化效果差異大[12]。不同種類水生植物因其生理生態(tài)學(xué)特性不同，單位面積上生物量也存在較大差異[13]。因此，選擇適宜的水生植物對(duì)提高生態(tài)溝渠的氮磷去除率、減少水體氮磷流向河流湖泊意義重大。

相關(guān)研究表明，單一的水生植物在水質(zhì)凈化中會(huì)有不穩(wěn)定性，不利于組建持續(xù)長(zhǎng)久的植物群落，將不同水生植物構(gòu)建組合較單一植物的攔截效果更好[14]。因此，研究構(gòu)建穩(wěn)定的水生植物組合，對(duì)組建良好凈化功能的生態(tài)溝渠具有積極意義。目前，關(guān)于水稻種植區(qū)小流域溝渠生態(tài)攔截的研究鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)在前期模擬試驗(yàn)8種水生植物的基礎(chǔ)上[15]，選出狐尾藻、珍珠梅、海壽花等作為篩選品種，以湖南省常德市津市市毛里湖農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)源頭生態(tài)溝渠為研究對(duì)象，連續(xù)兩年研究不同攔截植物及其組合對(duì)農(nóng)田排水氮磷消納效果的差異，分析溝渠水體中氮、磷濃度的時(shí)間變化特征，旨在為毛里湖流域生態(tài)溝渠的構(gòu)建及生態(tài)溝渠中水生植物的科學(xué)管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)溝渠位于湖南省常德市津市市毛里湖農(nóng)區(qū)(111°46′～112°40′E，29°11′30″～29°39′40″N)，該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均氣溫16.7℃，年降水量1200～1900 mm，無(wú)霜期272 d，適宜水稻、棉花、油料等作物生長(zhǎng)。試驗(yàn)前對(duì)該自然排水溝渠按工藝要求進(jìn)行工程改造及攔截植物種植，生態(tài)溝渠的水源基本來(lái)自于農(nóng)田排水。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該生態(tài)溝渠貫穿水稻種植區(qū)，改建前先清淤，用水泥護(hù)坡，水泥墩和波浪形擋板將各植物區(qū)隔開(kāi)，溝渠總長(zhǎng)658.2 m，從上游到下游依次種植狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)(長(zhǎng)220 m)、珍珠梅(Sorbariasorbifolia)(長(zhǎng)52 m)、海壽花(Pontederiacordata)(長(zhǎng)32 m)、狐尾藻+海壽花(長(zhǎng)28 m)、自然植被(包括茭白Zizanialatifolia、蘆葦Phragmitesaustralis)(長(zhǎng)326.2 m)。試驗(yàn)期間均有水從擋板平緩流出。渠道結(jié)構(gòu)形狀為倒梯形，上、下寬部分別為4 m和2.8 m，溝深約1 m，水深20～30 cm，溝渠內(nèi)水流速度基本一致。對(duì)溝渠進(jìn)行清理，去除異物，保持排灌水通暢。(說(shuō)明：由于每段溝渠長(zhǎng)度不一致，為方便比較植物的攔截效果，將各段溝渠濃度差值折算為100 m距離的效果。)

1.3 樣品采集

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.5 計(jì)算公式

去除率(%)=(上游濃度×徑流量-下游濃度 徑流量)/(上游濃度×徑流量)×100。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，處理間差異顯著性分析采用最小顯著法(LSD)檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 TN消納效果

兩年試驗(yàn)期間農(nóng)區(qū)溝渠TN去除率整體先下降后上升，逐漸趨于平穩(wěn)，而2017年后期出現(xiàn)波動(dòng)，主要受農(nóng)田施肥、降水、植物腐爛等外界因素的影響。自然植被對(duì)農(nóng)區(qū)溝渠TN的消納效果最差，且整體保持平穩(wěn)。2016年狐尾藻、珍珠梅、海壽花、狐尾藻+海壽花和自然植被對(duì)農(nóng)區(qū)溝渠TN的去除率分別為1.48%～13.64%、11.54%～30.77%、3.91%～

圖1 不同攔截植物對(duì)農(nóng)區(qū)溝渠水體TN的去除率Fig.1 Removal rates of TN by different interception plants in ditch

34.38%、12.91%～64.29%和3.10%～6.74%；達(dá)到峰值時(shí)間分別為5月30日、5月20日、7月10日、6月10日和6月20日。2017年狐尾藻、珍珠梅、海壽花、狐尾藻+海壽花和自然植被對(duì)農(nóng)區(qū)溝渠TN去除率分別為0.58%～14.32%、10.43%～34.23%、20.08%～52.90%、16.95%～56.85%和1.36%～9.71%；達(dá)到峰值時(shí)間分別為4月10日、8月30日、7月30日、8月10日和7月10日(圖1)。試驗(yàn)結(jié)果表明，生態(tài)溝渠植物較自然植被去除TN污染物效果好，且水生植物組合較單一種植對(duì)農(nóng)區(qū)溝渠TN的消納效果好。

圖2 不同攔截植物對(duì)農(nóng)區(qū)溝渠水體的去除率Fig.2 Removal rates of ammonium by different interception plants in ditch

圖3 不同攔截植物對(duì)農(nóng)區(qū)溝渠水體的去除率Fig.3 Removal rates of nitrate by different interception plants in ditch

2.4 TP消納效果

圖4顯示，兩年試驗(yàn)期間農(nóng)區(qū)溝渠TP去除率整體先上升后下降，主要受農(nóng)田施肥、降水、植物腐爛等外界因素的影響。自然植被對(duì)農(nóng)區(qū)溝渠TP的消納效果最差，且保持平穩(wěn)。2016年狐尾藻、珍珠梅、海壽花、狐尾藻+海壽花和自然植被對(duì)農(nóng)區(qū)溝渠TP的去除率分別為3.89%～13.88%、5.49%～52.11%、27.64%～105.28%、8.69%～106.14%和4.38%～13.00%；達(dá)到峰值時(shí)間分別為8月30日、4月10日、6月10日、5月10日和8月30日。2017年狐尾藻、珍珠梅、海壽花、狐尾藻+海壽花和自然植被對(duì)農(nóng)區(qū)溝渠TP去除率分別為3.35%～13.35%、5.94%～42.46%、7.78%～79.87%、17.25%～65.78%和1.69%～10.47%；達(dá)到峰值時(shí)間分別為5月30日、5月10日、8月20日、4月30日和6月20日。試驗(yàn)結(jié)果表明，生態(tài)溝渠植物較自然植被去除TP污染物效果好，且水生植物組合較單一種植對(duì)農(nóng)區(qū)溝渠TP的消納效果好。

圖4 不同攔截植物對(duì)農(nóng)區(qū)溝渠水體TP的去除率Fig.4 Removal rates of total phosphorus by different interception plants in ditch

2.5 氮磷平均去除率

表1 不同攔截植物對(duì)氮磷的平均去除率 %

3 討論

農(nóng)田排水溝渠中氮主要通過(guò)植株吸收、脫氮作用、沉積作用等機(jī)制遷移轉(zhuǎn)化[20]。溝渠水中養(yǎng)分減少比例較大的水生植物，底泥中微生物數(shù)與微生物量碳氮磷也較高，但溝渠養(yǎng)分減少比例與微生物數(shù)量排序并非完全一致[21]。溝渠中底泥對(duì)徑流水N、P攔截的作用較大，植物的生長(zhǎng)可固定泥土，在溝渠中種植植物可降低底泥隨徑流水流失的風(fēng)險(xiǎn)[15]。盡管綠狐尾藻須根短小，但密度較大，水體中顆粒物在流動(dòng)過(guò)程中遇到的阻力較多，泥沙攔截效果較好[22，23]。同時(shí)，狐尾藻多為沉水植物，觀賞性較高，全草可作為魚(yú)蝦蟹塘養(yǎng)殖過(guò)程的飼料。一方面有效減少農(nóng)田養(yǎng)分流失對(duì)下游水體造成的面源污染，另一方面，攔截植物生物質(zhì)可用于覆蓋還田或作為動(dòng)物飼料，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分資源循環(huán)利用[4]。而本試驗(yàn)條件下，狐尾藻對(duì)泥土的固定能力較弱，監(jiān)測(cè)過(guò)程多次出現(xiàn)狐尾藻因水流速太快而被帶走的情況，不建議狐尾藻單獨(dú)種植于溝渠中。相關(guān)研究表明，在不影響渠道排灌和泄洪能力的情況下，選擇栽種浮水植物和生物量大的挺水植物將能更有效地?cái)r截N、P污染物向河道的輸移。陳英等[14]發(fā)現(xiàn)，再力花+蘆葦+黃花水龍、水芹+燈心草+菖蒲等水生植物組合對(duì)水體中TN、TP去除率均不低于65%，可作為太湖流域生態(tài)溝渠塘組建長(zhǎng)期穩(wěn)定的有良好凈化效果的水生植物組合。本研究中，就單種攔截植物來(lái)說(shuō)，海壽花的消納效果較好，而狐尾藻較差，但兩者組合種植后能進(jìn)一步增加生態(tài)溝渠的生物量，顯著吸收水體中N、P，對(duì)N、P攔截的效果顯著。狐尾藻與海壽花的混合種植方式既提高生物量，又防止狐尾藻隨水流移動(dòng)，是較為理想的溝渠攔截N、P的種植方式。

本研究中，不同生態(tài)溝渠植物在晚稻施肥期間(8月)對(duì)N、P污染物的去除率要顯著高于在早、中稻排灌水期(4～5月)。這主要是由于在早稻施肥期水生植物的生長(zhǎng)量較小，對(duì)N、P的去除能力較弱；而在晚稻施肥期，均已達(dá)到生長(zhǎng)旺盛期，去除溝渠排水中N、P的能力增強(qiáng)。本研究結(jié)果顯示，水生植物對(duì)氮、磷污染物的凈化率與其生長(zhǎng)狀況有關(guān)，生長(zhǎng)旺盛期的水生植物表現(xiàn)出較高的凈化效率，而在生長(zhǎng)初期及處于衰亡階段的水生植物的凈化效率較低。因此，明確不同水生植物的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，使其充分發(fā)揮生長(zhǎng)旺盛期的凈化能力，將能更高效地去除稻田的農(nóng)業(yè)面源污染物。此外，在秋、冬季節(jié)，部分一年生植物地上部分死亡以后，其攔截效果會(huì)受到很大影響，因此可以通過(guò)建立不同特性物種的組合模式，來(lái)增強(qiáng)生態(tài)溝渠的生態(tài)攔截效果，這尚需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論