天津地區(qū)生態(tài)溝渠不同植物配置對氮磷去除效果研究*

朱曉瑞 張春雪 鄭向群 任天志 陳昢圳 楊永安

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，北京 100081；3.天津市玉米良種場，天津 301507)

隨著我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)面源污染已成為水環(huán)境污染的主要問題之一。農(nóng)業(yè)化肥中的氮磷等污染物是我國河湖水質(zhì)不斷惡化的一個重要因素。目前，天津地區(qū)河湖富營養(yǎng)化現(xiàn)象普遍，潮白河作為天津地區(qū)的重要水源之一，其周圍大量的農(nóng)田排水及農(nóng)村生活污水，就對潮白河水質(zhì)造成了很大的影響[1]。

溝渠是連接農(nóng)田與河流、湖泊等受納水體的紐帶，不僅具有排水功能，還具備濕地功效[2]，可通過底泥吸附、植物吸收攔截和微生物降解等機制凈化污染物[3]，是治理農(nóng)業(yè)面源污染的重要技術(shù)手段之一[4]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)溝渠凈化富營養(yǎng)水體進行了較系統(tǒng)的研究[5]，大多研究主要集中在通過構(gòu)建模擬溝渠[6-7]，研究多種水生植物對水體的凈化作用。此外，楊林章等[8]、張樹楠等[9]、王令等[10]和傅玲[11]對不同植物搭配方式下生態(tài)溝渠對水體氮磷去除效果也做了大量研究。然而，關(guān)于不同植物布設(shè)位置對生態(tài)溝渠氮磷去除效果，以及篩選出因地適宜的生態(tài)溝渠植物配置模式提高其凈化效果的研究較少。

表1 溝渠進水氮磷質(zhì)量濃度

本試驗設(shè)置2組溝渠植物配置模式，研究不同植物配置模式下溝渠氮磷去除效果，從而篩選出適宜天津地區(qū)的生態(tài)溝渠植物配置模式，以期為保障河流水質(zhì)安全、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于天津市寧河縣東棘坨鄉(xiāng)玉米良種場(39°33′N、117°82′E)，占地面積約0.08 hm2，屬大陸性季風氣候，地處暖溫帶半干旱半濕潤風帶，夏季氣溫較高且降水集中，冬季較寒冷干燥。全年平均氣溫11.2 ℃，最低和最高氣溫分別出現(xiàn)在1、7月。全年平均降水量642 mm左右，主要集中在6—8月(占全年降水量的70%)。試驗區(qū)土壤為潮土，基本理化性狀為pH 8.38、有機質(zhì)9.70 g/kg、總氮0.49 g/kg、總磷0.64 g/kg、陽離子交換量(CEC)16.30 cmol/L。

1.2 試驗材料

試驗選擇生長良好、對氮磷等污染物去除能力強的水生植物。溝底植物采用水芹(Oenanthejavanica)、空心菜(Ipomoeaaquatica)、茭白(ZizanialatifoliaTurcz)3種水生蔬菜，溝壁植物采用水蔥(Scirpusvalidus)、油莎草(CyperusesculentusL.)、梭魚草(Pontederiacordata)3種護坡植物。所用植物購買于當?shù)厥袌?，植物種植密度均為30株/m2。溝渠用水來源為附近的小河溝，該河與潮白河水體相連，各溝渠進水采用的是模擬農(nóng)田排水方式。試驗期間溝渠進水氮磷質(zhì)量濃度如表1所示。

1.3 試驗設(shè)計

試驗1：對比不同水生蔬菜(溝底)+護坡植物(溝壁)植物配置模式溝渠氮磷凈化效果。試驗共設(shè)置4條溝渠，以自然溝渠(雜草(溝底)+雜草(溝壁))作為空白對照，其他生態(tài)溝渠溝底分別種植水芹、空心菜、茭白，溝壁均種植水蔥。

試驗2：對比水生蔬菜(溝底)+不同護坡植物(溝壁)植物配置模式溝渠氮磷凈化效果。試驗共設(shè)置4條溝渠，以自然溝渠作為空白對照，其他生態(tài)溝渠溝底均種植茭白，溝壁分別種植水蔥、油莎草、梭魚草。

試驗溝渠長40 m，橫斷面形狀為倒梯形(見圖1)，口、底寬分別為1.5、1.0 m，溝深0.5 m，水深25.0 cm。溝渠從2016年7月26日開始運行，到10月21日停止，試驗期共88 d，其中最后一天為溝渠晾干。各溝渠均采用間歇運行方式，溝渠浸水時間∶晾干時間為10∶1，每個運行周期共11 d。在溝渠進水與出水當天采集水樣，采樣斷面分別設(shè)定在每條溝渠的前、中、后3處。水樣采集后加酸固定，編號標記，帶回實驗室，4.0 ℃下保存，在24 h內(nèi)測定其中氮磷含量。

圖1 溝渠橫斷面Fig.1 Cross section view of the ditch

1.4 樣品測定與數(shù)據(jù)處理

總氮采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法；硝態(tài)氮采用紫外分光光度法；氨氮采用納氏試劑分光光度法；總磷采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法[12]。試驗數(shù)據(jù)采用Excel和SigmaPlot處理，利用SPSS進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 溝底種植不同水生蔬菜對氮磷的凈化效果

2.1.1 溝底種植不同水生蔬菜出水氮磷濃度

由表2可看出，4條溝渠出水總氮總體均表現(xiàn)為先升后降的趨勢，主要是受進水水質(zhì)的影響。各處理總氮平均值表現(xiàn)為自然溝渠>水芹>茭白>空心菜。其中，在溝底種植空心菜、茭白的生態(tài)溝渠總氮平均值顯著低于自然溝渠，而溝底種植水芹的生態(tài)溝渠總氮平均值較自然溝渠降低了5.08%，兩者之間差異不顯著。其原因是，水芹性喜涼、忌炎熱，而試驗初期(1～54 d)氣溫最高可達35.0 ℃，水芹生長較慢，導(dǎo)致生態(tài)溝渠出水總氮均高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)Ⅲ類標準限值(1.0 mg/L)。樊均德等[13]研究低溫條件下水芹對生活污水的凈化效果，結(jié)果表明，在9.0～12.0 ℃的低溫下，水芹對生活污水中氨氮具有較好的去除效果，去除率為47.86%。

水體無機氮主要以硝態(tài)氮和氨氮的形式存在，是水生植物的有效氮源。4條溝渠出水硝態(tài)氮總體均表現(xiàn)為先升后降的趨勢。各處理硝態(tài)氮平均值表現(xiàn)為自然溝渠>茭白>水芹>空心菜。4條溝渠出水氨氮在試驗1～32 d波動較大。溝底種植3種水生蔬菜的生態(tài)溝渠氨氮平均值均顯著低于自然溝渠，但3者之間氨氮平均值差異不顯著。

生態(tài)溝渠對磷的去除主要通過底泥的吸附沉降、植物攔截吸收和微生物降解等。4條溝渠出水總磷在試驗21～65 d總體均呈現(xiàn)下降趨勢，在試驗65～87 d逐漸上升。溝底種植空心菜的生態(tài)溝渠總磷平均值顯著低于水芹和茭白。其原因可能是，空心菜莖蔓生，發(fā)達的根系形成較大的接觸面積，促進水體中的磷沉降到沉積物中，并減少底泥中磷向上覆水的釋放，導(dǎo)致水體中總磷較低。

2.1.2 溝底種植不同水生蔬菜對氮磷的去除率

由圖2可看出，在溝底種植水芹、空心菜、茭白對氮磷的去除率均顯著好于自然溝渠?？招牟藢偟?、總磷的平均去除率分別為49.00%、56.05%，顯著高于水芹和茭白。水生植物的凈增生物量是決定水生植物水質(zhì)凈化能力的一個重要因素[14]?？招牟说纳L能力最強，長勢最好，其莖葉是其主要生物產(chǎn)出量，通過多次收獲莖葉而源源不斷地將氮磷等養(yǎng)分移出水體，因此對總氮、總磷的去除率較顯著。楊紹聰?shù)萚15]研究也表明，空心菜通過莖葉大量吸收水中的氮磷等養(yǎng)分，從而獲得了較高的莖葉生物產(chǎn)出量，對水體氮磷去除率在50%左右。

植物對氮的吸收利用主要為無機氮，3種水生蔬菜對硝態(tài)氮、氨氮的去除效果均表現(xiàn)為空心菜>水芹>茭白，其中水芹、空心菜對硝態(tài)氮的平均去除率顯著高于茭白，分別是茭白的1.12、1.16倍。其原因可能是，水芹、空心菜對硝態(tài)氮的親和力較強，具有較大的吸收效率[16]，適宜用來修復(fù)污染水體，這與謝靜等[17]研究結(jié)果相似。

表2 溝底種植不同水生蔬菜的溝渠出水氮磷質(zhì)量濃度1)

注：1)不同字母表示不同處理之間差異性顯著(P<0.05)。圖2、表3和圖3同。

圖2 溝底種植不同水生蔬菜的氮磷平均去除率Fig.2 Removal rate of nitrogen and phosphorus in different aquatic vegetables at the bottom of the ditch

表3 溝壁種植不同護坡植物的溝渠出水氮磷質(zhì)量濃度1)

注：1)根據(jù)實際數(shù)據(jù)進行顯著性分析。

2.2 溝壁種植不同護坡植物對氮磷的攔截效果

2.2.1 溝壁種植不同護坡植物出水氮磷濃度

由表3可見，4條溝渠出水總氮為0.38～2.73 mg/L，總體均呈現(xiàn)先升后降的趨勢。各處理總氮平均值表現(xiàn)為油莎草>自然溝渠>梭魚草>水蔥。其中，溝壁種植水蔥的生態(tài)溝渠出水總氮平均值顯著低于其他處理，其原因可能是，水蔥移栽后適應(yīng)環(huán)境能力較強，根莖對泥沙攔截效果好于油莎草和梭魚草[18]。4條溝渠出水硝態(tài)氮為0.17～1.86 mg/L，總體呈現(xiàn)先升后降的趨勢；出水氨氮為0.04～0.20 mg/L，試驗1～32 d波動較大，43～87 d溝壁種植水蔥、油莎草的出水氨氮較穩(wěn)定。此外，各處理硝態(tài)氮和氨氮平均值均以溝壁種植水蔥最低，分別為0.55、0.09 mg/L。試驗期間，溝壁種植不同護坡植物出水總磷濃度變化一致，總體呈現(xiàn)先降后升的趨勢，其中溝壁種植水蔥、油莎草的總磷平均值顯著小于梭魚草、自然溝渠。

圖3 溝壁種植不同護坡植物的氮磷平均去除率Fig.3 Removal rate of nitrogen and phosphorus in different slope protection plants in the ditch wall

2.2.2 溝壁種植不同護坡植物對氮磷的去除率

由圖3可看出，在溝底種植水蔥、油莎草和梭魚草對氮磷的平均去除率均高于自然溝渠。水蔥對總氮、硝態(tài)氮、氨氮的去除率分別為41.31%、50.81%、40.74%，顯著高于油莎草。其原因可能是，水蔥可通過根系向水體中釋放化感物質(zhì)以抑制浮游藻類的生長，達到凈化水質(zhì)的目的[19]。李鋒民等[20]研究也表明，在受試濃度范圍內(nèi)，水蔥對藻類的最大抑制率能達到70%以上。

溝渠植物對磷的攔截作用主要表現(xiàn)為沉降，其中植物生長和環(huán)境條件是影響其對磷素去除效果的主要因素。溝壁種植不同護坡植物對總磷的攔截效果表現(xiàn)為水蔥(45.24%)>油莎草(40.04%)>梭魚草(33.60%)，這與左小鳳[21]的研究相似。其原因是，本試驗中，水蔥的生長情況最好，梭魚草、油莎草在試驗后期先后出現(xiàn)葉片枯萎現(xiàn)象，進入衰敗期，其體內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，對氮磷的吸收攔截能力大大降低。其次，植物的某些部分不斷退化凋落并被微生物分解，分解作用會將水生植物吸收的養(yǎng)分以有機態(tài)的形式再次釋放到水體中[22]，導(dǎo)致去除效率較低。

2.3 2組植物配置模式溝渠氮磷去除效果比較

綜合比較兩組植物配置模式溝渠對氮磷的去除效果，人工配置的生態(tài)溝渠對水中總氮、總磷的去除率分別為33.43%～49.00%、33.60%～56.05%，均高于自然溝渠。其原因有，生態(tài)溝渠溝底水生蔬菜與溝壁護坡植物均有較發(fā)達根系，可為微生物提供更多的附著點和營養(yǎng)物質(zhì)，而微生物降解作用是水體凈化的關(guān)鍵；其次，植物光合作用產(chǎn)生的氧經(jīng)過通氣組織傳送到根部，擴散到周圍缺氧的底質(zhì)中，促進根際微生物活動，有利于氮磷的吸收轉(zhuǎn)化[23-24]，因此對水體的凈化作用較好。此外，在人工配置的生態(tài)溝渠中，以空心菜(溝底)+水蔥(溝壁)植物配置的生態(tài)溝渠對總氮、硝態(tài)氮、氨氮和總磷的平均去除率最高，分別可高達49.00%、59.04%、43.91%、56.05%。

3 結(jié) 語

(1) 溝渠作為河流入水與農(nóng)田排水的“源與庫”對水體有一定的凈化作用，其中人工配置的生態(tài)溝渠對水中總氮、總磷的去除率分別為33.43%～49.00%、33.60%～56.05%，均高于自然溝渠。

(2) 在溝底種植不同水生蔬菜中，以空心菜對氮磷的凈化作用較好，對總氮、總磷的去除率分別為49.00%、56.05%；在溝壁種植不同護坡植物中，水蔥對氨氮和總磷的攔截去除率分別為40.74%、45.24%，顯著高于油莎草和梭魚草。

(3) 綜合比較2組植物配置模式的溝渠，以空心菜(溝底)+水蔥(溝壁)植物配置的生態(tài)溝渠氮磷去除效果最佳，總氮、硝態(tài)氮、氨氮和總磷的去除率分別為49.00%、59.04%、43.91%、56.05%。該植物搭配生態(tài)溝渠是適宜天津地區(qū)治理氮磷污染的一種可行模式，研究成果將為治理天津地區(qū)面源污染提供技術(shù)指導(dǎo)。