川中丘陵區(qū)生態(tài)溝渠對徑流無機含氮化合物的截除效果

周邶邶，馮鈺婷，劉 泉

(綿陽師范學(xué)院 資源環(huán)境工程學(xué)院，四川 綿陽 621006)

我國農(nóng)村地區(qū)污水處理的工程設(shè)施建設(shè)仍較為滯后，未經(jīng)妥善處理且富含大量氮(N)、磷(P)等營養(yǎng)元素的場鎮(zhèn)生產(chǎn)、生活廢水直接排放，通過溝渠系統(tǒng)向流域遷移，使得水中N、P等營養(yǎng)物質(zhì)濃度增加，藻類過度繁殖，水質(zhì)惡化，影響水域內(nèi)的生產(chǎn)、生活活動[1-2]。尋求一種低能耗、低成本的污水生態(tài)處理技術(shù)，已成為農(nóng)村生態(tài)文明建設(shè)的首要任務(wù)。溝渠濕地生態(tài)系統(tǒng)凈化效果好，易建造且成本低廉，后期勞動力消耗少，具有較高的社會價值和環(huán)境效益。近年來，國內(nèi)外科學(xué)家們高度重視溝渠在非點源污染治理中的重要作用。美國、加拿大已有65%左右的農(nóng)田利用溝渠系統(tǒng)排水[5]。

研究區(qū)位于川中丘陵區(qū),是三峽庫區(qū)、長江流域水環(huán)境的重要影響區(qū)，具有特殊的生態(tài)敏感性[3]，為了更好地進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與泄洪，建設(shè)了大量的非水泥硬化人工生態(tài)系統(tǒng)[4]。汪濤等[6]研究表明，川中丘陵區(qū)天然溝渠N含量受多種因素影響，該區(qū)少數(shù)居民區(qū)溝渠水體污染嚴(yán)重，富營養(yǎng)化現(xiàn)象明顯。所以，開展川中丘陵區(qū)生態(tài)溝渠攔截、去除作用研究，系統(tǒng)認(rèn)識川中丘陵區(qū)溝渠植物生態(tài)攔截作用顯得尤為重要。

本研究依托四川鹽亭農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，以在生態(tài)溝渠不同區(qū)段合理布設(shè)不同水生植物作為創(chuàng)新點，對不同點位生態(tài)溝渠的水樣和沉積物進行收集處理并檢測分析，剖析生態(tài)溝渠的生態(tài)攔截效應(yīng)，探討生態(tài)溝渠內(nèi)不同植被組合對村鎮(zhèn)生活污水的凈化效率，可為制定無機含氮化合物的去除措施和類似地區(qū)的非點源污染治理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為綿陽市鹽亭縣林山鄉(xiāng)，位于四川盆地北部，該地區(qū)位于我國第二、三階梯過渡帶，隸屬嘉陵江水系三級支流，平均海拔420 m，是典型的紫色土丘陵農(nóng)耕區(qū)[7]。林山鄉(xiāng)是紫色土丘陵地區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)合部典型的村鎮(zhèn)，具有農(nóng)村和城市雙重耦合的特點。該鄉(xiāng)控制面積約2.34 hm2，場鎮(zhèn)總?cè)丝? 097人，常駐居民約450人。每月的逢場日都會有大規(guī)模的市場活動，此時餐飲排污、屠宰廢水等排放量猛增且無序排放，使得場鎮(zhèn)以不足5%的土地利用面積貢獻(xiàn)了30%～40%的小流域N的污染負(fù)荷[8]，這對當(dāng)?shù)厮h(huán)境，甚至對長江上游水環(huán)境都產(chǎn)生了影響。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的傳統(tǒng)模式和頻繁的場鎮(zhèn)商業(yè)活動交疊給截流村非點源污染治理帶來了復(fù)雜的挑戰(zhàn)。

1.1 采樣點選取

通過調(diào)查林山鄉(xiāng)居民的生活及商業(yè)活動，了解污水的排放時間和排放方式，確定采樣日期為2018年7月至2018年8月(雨季)。依據(jù)生態(tài)溝渠分段種植植物的特點以及溝渠地形地勢，沿著水流方向設(shè)置4個沉積物采樣點以及6個采水樣點(圖1)。

1.2 生態(tài)溝渠植被生長特性

試驗期間，各植物均長勢良好，且溝渠進、出口水質(zhì)有顯著感官差別：前者水體渾濁呈黃灰色，并伴有一定的惡臭味和油脂類物質(zhì)(屠宰廢水、居民用水等)；后者水體清澈見底，無異味。村鎮(zhèn)生活用水水質(zhì)的改善，大部分歸功于利用不同植物組合的生長特性(表1)增強了對N的親活力，提升了水質(zhì)凈化效果。

表1 水生植物生長情況及水質(zhì)凈化功能表

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 水樣采集及分析方法

每次6個采水樣點同時進行采樣，同一取樣點同一時間內(nèi)取樣3次。樣品用潔凈的500 mL塑料瓶采集后立即送回實驗室，4 ℃保存并在48 h內(nèi)進行分析[10]。

1.3.2 沉積物采集及分析方法

用無擾動沉積物采樣器(內(nèi)徑50 mm，長1 m)在沉積物采樣點進行采集，采樣深度為0～10 cm，同一采樣點同一時間內(nèi)取樣1次。沉積物采集完畢后，密封送回實驗室。

(1)沉積物含水量測定：取沉積物，放入已知重量的鋁盒中，在分析天平上稱重，然后將鋁盒蓋套在鋁盒下面，以103～105 ℃烘8 h，取出并將鋁盒蓋好，放入干燥器中冷卻至室溫，并稱重。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析方法

污染物的攔截去除率公式為：Ri=(C0i-C1i)/C0i×100%，其中，Ri為不同形態(tài)無機含氮化合物的去除率(%)；C0i為前端相應(yīng)污染物質(zhì)量濃度(mg·L-1)；C1i為后端相應(yīng)污染物質(zhì)量濃度(mg·L-1)。

沉積物含水量計算公式為：η=(W1-W2)/(W2-W)×100%，其中，η為沉積物含水量(%)；W1為濕土重+鋁盒重(g)；W2為烘干土重+鋁盒重(g)；W為鋁盒重(g)。

沉積物無機含氮化合物的含量計算公式為：M=(ρ×V/G)×(1+η)，其中，M為沉積物中無機含氮化合物的含量(mg·kg-1)；ρ為沉積物無機含氮化合物的濃度(mg·L-1)；V為濾液體積(mL)；G為稱取的沉積物質(zhì)量(g)。

分段削減貢獻(xiàn)率計算公式為[13]：N=(K分段后-K分段前)/(L出口-L進口)×100%，其中，N為分段削減貢獻(xiàn)率(%)；K分段后為不同植物段后污染物濃度(mg·L-1)；K分段前為不同植物段前污染物濃度(mg·L-1)；L出口為溝渠出口處污染物濃度(mg·L-1)；L進口為溝渠進口處污染物濃度(mg·L-1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)溝渠對水體無機含氮化合物的去除效果

2.1.1 不同形態(tài)無機含氮化合物的變化情況

研究結(jié)果表明，隨著溝渠長度的不斷增加和不同區(qū)段種植適宜的水生植物，水體中的無機含氮化合物能夠有效地被去除。

2.1.2 不同形態(tài)無機含氮化合物去除效果分析

表2 分段植物無機含氮化合物去除率

2.2 生態(tài)溝渠沉積物含量特征

2.3 溝渠植物對水體凈化效率分析

2.3.1 不同段植物凈化效果排序

各植被段去除效率排序如表3所示：溝渠段的去除效率為A4—A5=A3—A4>A2—A3>A1—A2，即菖蒲、銅錢草的去除效果不及美人蕉和雜草段，這需要在溝渠凈化水體時重新調(diào)整物種搭配以及重設(shè)溝渠各段長度；在雜草段鋪設(shè)礫石、鵝卵石等作為過濾層，可有效吸附污染物質(zhì)，起到很好的過濾作用。

表3 去除效率排序表

2.3.2 不同段植物對水體凈化的貢獻(xiàn)率

分段消減貢獻(xiàn)率如表4所示。生態(tài)溝渠中無機含氮化合物濃度總體上呈削減態(tài)勢，但各段的去除貢獻(xiàn)率差異較大，依次為：美人蕉段(A3—A4)為181.78%；雜草段(A4—A5)為120.95%；銅錢草段(A2—A3)為86.56%；菖蒲段(A1—A2)為10.69%?？傮w來說，經(jīng)過生態(tài)溝渠的作用，徑流無機含氮化合物含量大幅度降低，對非點源污染監(jiān)控特別是水體質(zhì)量改善具有明顯作用。

表4 溝渠進出口濃度差與各植物段去除貢獻(xiàn)率

2.4 沉積物與水體中含量的相互關(guān)系