生態(tài)溝渠對小流域農田排水中氮磷的攔截效果研究

田 昌，陳 敏，周 旋，石敦杰，榮湘民*，謝桂先，彭建偉，文 炯

（1.湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南 長沙 410128；2.瀏陽市永安鎮(zhèn)農業(yè)技術服務站，湖南 瀏陽 410323；3.湖南省農業(yè)科學院土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125；4.岳陽市農業(yè)科學研究院，湖南 岳陽 414000）

畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)等農業(yè)源的氮（N）、磷（P）排放是區(qū)域水體富營養(yǎng)化的重要養(yǎng)分來源［1-2］，嚴重影響水體質量且威脅生態(tài)系統(tǒng)［3］。研究表明，國外地表水中50%以上N、P 源自于農田徑流，而我國農業(yè)面源N、P 占30%～60%以上［4］。因此，研究農業(yè)面源污染阻控技術具有重要意義。農田排水溝渠系統(tǒng)為農田與水體過渡帶，具有排水和生態(tài)濕地雙重功效，是農田N、P 等面源污染物的匯聚地［5］，也是富營養(yǎng)化水體的營養(yǎng)物質輸出源，已成為研究農業(yè)面源污染防控技術的關鍵［6］。

農田排水溝渠（寬深一般都在2 m 以下）是南方丘陵農業(yè)區(qū)最常見的農田排灌設施，溝網密度大，面積一般占總土地的3%左右［7］。傳統(tǒng)土溝渠雖有一定吸附N、P 作用，但保土能力差，易引起水土流失；混凝土溝渠只能排水，無N、P 攔截消納功能［8-10］。生態(tài)溝渠是將自然排水溝渠進行改造，在滿足農田排澇防滯前提下，增加溝渠植被覆蓋量［11］，以溝渠植物吸收、攔截作用和水、底泥中化學轉化、微生物作用等方式有效攔截和轉化溝渠中N、P 等污染物，減少其進入河流和湖泊［8，12］。研究表明，生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng)對農田徑流水中TN、TP 的攔截效率均較好［13-14］，但運行效果易受進水N、P 濃度、水力負荷、水深、植物種類以及水力停留時間、污染負荷、季節(jié)溫度等因素影響［3］。因此，必須因地制宜選用生態(tài)溝渠攔截集成技術，才能取得較好治理效果［10］。

農田溝渠系統(tǒng)承擔著農業(yè)小流域非點源污染物向地表水體運移的重要作用，其污染物的輸出直接影響受納水體質量，組成的運輸通道對污染物攔截作用不可忽視［15］，因此，了解溝渠系統(tǒng)對N、P 的攔截規(guī)律尤為重要［16］。目前針對生態(tài)溝渠去除N、P 機理的研究主要是在室內模擬及野外控制排水條件下進行，而針對水稻生長期內自然降雨條件下生態(tài)溝渠對農田徑流排水中N、P 攔截的研究較少。為此，本文以湘北常德市津市市毛里湖水稻耕作區(qū)小流域為研究對象，將該區(qū)域的一段自然農田排水溝渠改造為生態(tài)溝渠，于2016 ～2017 年連續(xù)監(jiān)測水稻生長時期內自然降雨條件下生態(tài)溝渠對稻田降雨徑流N、P 的攔截效果，分析溝渠N、P 濃度的沿程變化規(guī)律，旨在為農田排水N、P 的溝渠攔截、生態(tài)溝渠的優(yōu)化運行及推廣建設、構建農業(yè)面源污染防控生態(tài)工程提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗溝渠位于湖南省常德市津市市毛里湖農區(qū)（111°46′～112°40′E，29°11′30″～29°39′40″N），該區(qū)域屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫16.7℃，年降水量1 200～1 900 mm，無霜期272 d，適宜水稻、棉花、油料等作物生長。試驗前對該自然排水溝渠按工藝要求進行工程改造及攔截植物種植，生態(tài)溝渠的水源基本來自于農田排水。

1.2 試驗設計

該區(qū)域水稻種植模式為一季中稻，當地農民習慣方式的N 和P2O5用量分別為225 和112.5 kg·hm-2，其中60% N 和100% P2O5作基肥與土混施肥，40% N 作追肥（分蘗肥）表面撒施。生態(tài)溝渠從上游至下游依次種植綠狐尾藻、珍珠梅、海壽花、狐尾藻+海壽花、自然植被（茭白、蘆葦等），總長度658.2 m（圖1）。各植物種植區(qū)均由水泥砌成堰和波浪形擋板隔開。2016 ～2017 年4 ～8 月定期監(jiān)測生態(tài)溝渠上游與下游水中N、P 濃度。

圖1 生態(tài)溝渠示意圖

1.3 樣品采集

該區(qū)域4～5 月為南方梅雨季節(jié)，溝渠中有一定水流量；5～9 月為中稻生長季（但9 月中下旬中稻收獲，9 月上中旬基本無農田排灌水和降雨產生徑流，溝渠中無水樣）。兩年的中稻移栽和施基肥、追肥（分蘗肥）、排水曬田及收獲時間分別為2016 年5 月31 日、6 月10 日、7 月1 日、9 月20 日和2017年6 月3 日、6 月12 日、7 月5 日、9 月26 日。 本研究分別于2016、2017 年4 ～8 月的10、20、30日在溝渠上、下游取水樣，其中上游水樣即狐尾藻進水口，下游水樣即自然植被出水口，監(jiān)測期間水位均有5 cm 以上，其余時間溝渠基本枯竭少水。2016 年 共 采 集 水 樣13 次（2016 年7 月20 日 和30日受汛期影響未取樣）；2017 年共采集水樣15 次。

1.4 樣品測定指標及分析方法

水 樣 過 濾 后，NH4+-N、NO3--N 濃 度 采 用SmartChem 200 全自動間斷化學分析儀測定。TN 濃度采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、TP濃度采用鉬酸銨分光光度法測定［5］。

1.5 計算公式

N、P 攔截率：R（%）=（Cin-Cout）/Cin×100式中R為排水溝段N、P 污染物攔截率（%）；Cin為進水口N、P 污染物質量濃度（mg·L-1）；Cout為出水口N、P 污染物質量濃度（mg·L-1）。

1.6 數據處理與分析

采用Excel 2003 進行數據處理和分析。

2 結果與分析

2.1 降水量

如圖2 所示，稻田施肥時期人為排灌水及大雨形成的地表徑流會造成N、P 污染物進入溝渠，是我國南方農業(yè)面源污染主要成因，觀測此時期小流域溝渠水體N、P 污染物基本變化規(guī)律，有助于防控農業(yè)面源污染。2016 年稻季降水量為1 179.1 mm，較大降雨發(fā)生在7 月，達323.5 mm。2017 年稻季降水量為970.3 mm，較大降雨發(fā)生在6 月，達194.0 mm。

圖2 月累計降水量

2.2 農田排水中TN 濃度

如圖3 所示，生態(tài)溝渠TN 濃度沿程逐漸降低，沿程TN 攔截效果比較穩(wěn)定。2016 年溝渠上游TN 濃度介于1.04～3.91 mg·L-1，平均2.66 mg·L-1。其中，11 次高于國家地表水環(huán)境質量標準Ⅴ類（總氮≤2.0 mg·L-1），2 次達Ⅴ類，5 月30 日出現(xiàn)峰值。下游TN 濃度介于0.66 ～1.52 mg·L-1，平均1.06 mg·L-1，13 次采樣中，1 次達Ⅴ類，5 次達國家地表水環(huán)境質量標準Ⅳ類（總氮≤1.5 mg·L-1），7 次達國家地表水環(huán)境質量標準Ⅲ類（總氮≤1.0 mg·L-1）。監(jiān)測期間生態(tài)溝渠對TN 攔截率為31.73%～76.86%，平均58.49%。2017 年溝渠上游TN 濃度介于1.41 ～2.98 mg·L-1，平均1.96 mg·L-1。其 中，6 次高于Ⅴ類，8 次達Ⅴ類，1 次達Ⅳ類，5 月20 日出現(xiàn)峰值。下游TN 濃度介于0.65 ～1.58 mg·L-1，平均1.02 mg·L-1，15 次采樣中，1 次達Ⅴ類，6 次達Ⅳ類，8 次達Ⅲ類。監(jiān)測期間生態(tài)溝渠對TN 攔截率為34.19%～61.07%，平均值為47.61%。2016和2017 年6、7、8 月平均攔截率分別為56.73%、56.90%、67.99%和41.85%、50.25%、44.75%。 說明生態(tài)溝渠對水體中TN 有較好的攔截效果，且隨時間進行其攔截效率逐漸提高。

圖3 溝渠上、下游水體中TN 濃度的動態(tài)變化

2.3 農田排水中NH4+-N 濃度

如圖4 所示，生態(tài)溝渠對NH4+-N 的去除主要通過溝渠底泥的吸附、溝渠植物的吸收、硝化作用以及降雨過程中的稀釋作用［9］。生態(tài)溝渠NH4+-N 濃度沿程逐漸降低，沿程的攔截效果比較穩(wěn)定。2016 年溝渠上游NH4+-N 濃度為0.83 ～1.81 mg·L-1， 平 均1.28 mg·L-1。 其 中，5 次 達 國 家地表水環(huán)境質量標準Ⅴ類（氨氮≤2.0 mg·L-1），5 次達國家地表水環(huán)境質量標準Ⅳ類（氨氮≤1.5 mg·L-1），3 次達國家地表水環(huán)境質量標準Ⅲ類（氨氮≤1.0 mg·L-1），5 月30 日出現(xiàn)峰值。下游NH4+-N 濃度為0.14 ～0.56 mg·L-1，平均0.28 mg·L-1。13 次采樣中，1 次達Ⅲ類，11 次達國家地表水環(huán)境質量標準Ⅱ類（氨氮≤0.5 mg·L-1），1 次達國家地表水環(huán)境質量標準Ⅰ類（氨氮≤0.15 mg·L-1）。監(jiān)測期間生態(tài)溝渠對NH4+-N 攔截率為33.38%～83.14%，平均77.29%。2017 年溝渠上游NH4+-N 濃 度為0.47 ～1.37 mg·L-1，平均0.85 mg·L-1。其中，3 次達Ⅳ類，11 次達Ⅲ類，1 次達Ⅱ類，5 月20 日出現(xiàn)峰值。下游NH4+-N 濃度為0.13 ～0.36 mg·L-1， 平 均0.24 mg·L-1。15 次采樣中，13 次達Ⅱ類，2 次達Ⅰ類。監(jiān)測期間生態(tài)溝渠對NH4+-N 攔截率為34.82%～82.34%，平均69.72%。說明生態(tài)溝渠對水體中NH4+-N 有較好的攔截效果。

2.4 農田排水中NO3--N 濃度

由 圖5 可 知，2016 年 上 游 水 體NO3--N 濃 度為0.19 ～1.33 mg·L-1，平均0.91 mg·L-1，下游為0.11 ～0.54 mg·L-1， 平 均0.36 mg·L-1，5 月30 日出現(xiàn)峰值。監(jiān)測期間生態(tài)溝渠對NO3--N 攔截率達42.43%～82.41%，平均58.77%。2017 年溝渠上游水體NO3--N 濃度為0.52 ～0.97 mg·L-1，平均0.72 mg·L-1； 下 游 為0.22 ～0.61 mg·L-1， 平 均0.38 mg·L-1，5 月20 日出現(xiàn)峰值。監(jiān)測期間生態(tài)溝渠對NO3--N 攔截率達33.91%～66.32%，平均47.79%。說明生態(tài)溝渠對水體中NO3--N 有較好的攔截效果。

圖4 溝渠上、下游水體中NH4+-N 含量的動態(tài)變化

圖5 溝渠上、下游水體中NO3--N 含量的動態(tài)變化

2.5 農田排水中TP 濃度

生態(tài)溝渠入水口P 質量濃度主要受農田施肥、降雨、植物腐爛等外界因素影響而出現(xiàn)較大變化。TP 濃度變化趨勢出現(xiàn)小幅波動，但整體為降低趨勢，TP 濃度出現(xiàn)小幅升高現(xiàn)象是由于此渠段底泥沉積物P 的再釋放，增加水體中TP 濃度。由圖6 可知，2016 年溝渠上游TP 濃度為0.10 ～0.29 mg·L-1，平均0.21 mg·L-1。其中，8 次達國家地表水環(huán)境質量標準Ⅳ類（總磷≤0.3 mg·L-1），4 次達到國家地表水環(huán)境質量標準Ⅲ類（總磷≤0.2 mg·L-1），1 次達國家地表水環(huán)境質量標準Ⅱ類（總磷≤0.1 mg·L-1），5 月20 日或6 月30 日出現(xiàn)峰值。下游TP 濃度為0.04 ～0.09 mg·L-1， 平 均0.07 mg·L-1。13 次 采樣中，均達Ⅱ類。監(jiān)測期間生態(tài)溝渠對TP 攔截率為53.54% ～74.47%，平均67.07%。2017 年溝渠 上 游TP 濃 度 為0.09 ～0.25 mg·L-1， 平 均0.15 mg·L-1。其中，1 次達Ⅳ類，12 次達Ⅲ類，2 次達Ⅱ類標準，5 月10 日出現(xiàn)峰值。下游TP 濃度為0.04 ～0.10 mg·L-1，平均0.07 mg·L-1。在15 次采樣中，全部達Ⅱ類。監(jiān)測期間生態(tài)溝渠對TP 攔截率為30.57%～70.03%， 平 均54.47%。2016 和2017 年6、7、8 月平均攔截率分別為69.12%、69.99%、71.96%和52.31%、44.62%、50.88%。說明生態(tài)溝渠對水體中TP 有較好的攔截效果，且存在攔截效果的年際差異。

圖6 溝渠上、下游水體中TP 含量的動態(tài)變化

2.6 溝渠N、P 平均攔截率

由圖7 可知，連續(xù)2 年溝渠水體TN、NH4+-N、NO3--N、TP 的 平 均 攔 截 率 分 別 為53.02%、73.51%、53.28%、60.77%。說明生態(tài)溝渠有較好自凈能力，能在一定程度上攔截農田徑流N、P，并降低污染水體風險。

圖7 溝渠N、P 平均攔截率

3 討論

生態(tài)阻控技術是充分合理利用溝渠系統(tǒng)栽植水生植物，水生植物可直接吸收水層和底泥中N、P，增強對泥沙N、P 的滯留，加速水氣界面N 素交換和傳遞，有利于溝渠水體中N 素去除［17］；且其發(fā)達的根系強泌氧作用，可為微生物提供大量氧氣，有效促進濕地N 素轉化，顯著縮短無機N 素在濕地中寄宿時間［18］。植物莖稈亦可通過減緩徑流水流速來使顆粒態(tài)N、P 沉積而達到攔截效果［19］。張樹楠等［20］發(fā)現(xiàn)，生態(tài)溝渠對TN、TP 的攔截率分別為29.3% ～69.2%和34.2% ～72.8%。陸宏鑫等［5］發(fā)現(xiàn)，在低、中、高不同濃度廢水中，生態(tài)溝渠對TN、TP 的攔截率分別為20.22%、36.64%、71.00%和90.96%、49.53%、62.31%。陳海生等［21］研究認為，杭嘉湖地區(qū)生態(tài)溝渠對TN、TP 攔截率分別為39.53%、39.58%，其效果較自然溝渠高20多個百分點。本研究認為，溝渠中N 的輸移形態(tài)以無機N 主，占比78.93%（2016 年）和75.39%（2017年）。兩年4 ～8 月監(jiān)測期間，生態(tài)溝渠對水中TN攔截率分別為58.49%、47.61%，對NH4+-N 攔截率分別為77.29%、69.72%，對NO3--N 攔截率分別為58.77%、47.79%，對TP 攔截率分別為67.07%、54.47%。較優(yōu)于前期盆栽試驗結果［22］。植物溝渠隨水體在溝渠中停留時間增加，TN 濃度逐漸下降。由于底泥和挺水植物存在，植物溝渠使水體中N、P 等污染物發(fā)生較復雜的物理、化學和生物作用，并使水體中N、P 污染物通過植物吸收、微生物降解得到凈化［23］。又因溝渠植物在生長發(fā)育過程中進行光合作用，使植物周圍形成有氧環(huán)境，有助于硝化細菌生長，增強攔截氮磷能力。

陳英等［24］發(fā)現(xiàn)，再力花+蘆葦+黃花水龍、水芹+燈心草+菖蒲2 種水生植物組合對水體中TN、TP 攔截率均不低于65%。本研究中，連續(xù)2年溝渠水體TN、NH4+-N、NO3--N、TP 平均攔截率分別為53.02%、73.51%、53.28%、60.77%，其水生植物搭配方式為狐尾藻+珍珠梅+海壽花+自然植被（茭白、蘆葦等）。略低于前人研究結果，因為不同水生植物在不同生長階段對污染物的吸收能力不同［25］，且農田排水溝渠水質變化與季節(jié)、溝渠位置的變化有關［26］。隨著攔截植物生長時期推進，不同植物生物量逐漸增加，尤其是夏季過后水生植物地上部生物量增加明顯，秋季達最大值，至冬季后又逐步降低。本研究中，溝渠對TN 攔截率隨時間的推進和攔截植物的生長而逐漸升高，但對TP 的作用規(guī)律不明顯。前期由于溝段本底N 濃度較低，對污染物攔截效應較好，中期由于溝段負荷增加，對污染物攔截效果降低甚至有富集效應，后期由于植物吸收、底泥吸附及農田N 污染排放相對前期減少，溝段N 負荷降低，攔截效果有所恢復。

4 結論

連續(xù)兩年試驗結果認為，生態(tài)溝渠有效攔截消納水中TN、TP，且對TP 的攔截效果優(yōu)于TN；對水中TN 攔截率達47%以上，TP 攔截率達54%以上。溝渠系統(tǒng)在確保排澇排滯的同時，有效發(fā)揮污染物生態(tài)攔截作用，值得推廣應用。今后仍需進一步研究攔截植物不同生長階段及生態(tài)溝渠本身對徑流污染物負荷動態(tài)變化的特定響應機制。