典型生態(tài)攔截措施水質(zhì)凈化效果研究

段四喜，張磊，楊芳，沈仕洲，倪喜云，趙正雄，于良君

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；2.大理市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護監(jiān)測站，云南 大理 671000；3.國家農(nóng)業(yè)環(huán)境大理觀測實驗站，云南 大理 671004；4.大理州農(nóng)業(yè)科學(xué)推廣研究院，云南 大理 671005；5.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報編輯部，昆明 650201）

洱海是云南省大理白族自治州的生命源泉，具有供水、農(nóng)灌、發(fā)電、調(diào)節(jié)氣候、漁業(yè)、航運、旅游七大主要功能。近20 年來，受各種因素的影響，入湖污染負(fù)荷量持續(xù)增加，洱海水質(zhì)下降，生態(tài)環(huán)境遭到破壞[1-2]。大量研究表明，流域內(nèi)農(nóng)田面源排放是洱海中氮（N）、磷（P）的主要來源之一[3-4]。洱海流域現(xiàn)存有大量灌排溝渠和庫塘，其水質(zhì)狀況與周邊農(nóng)田尾水的排放具有非常密切的關(guān)系，這些溝渠和庫塘是地表水灌排和村莊供排水的水源[5-7]。但由于其位于農(nóng)田與水體的過渡帶，能有效攔截農(nóng)田排水產(chǎn)生的N、P和化學(xué)需氧量（COD）等農(nóng)業(yè)面源污染物，溝渠和庫塘已成為農(nóng)業(yè)面源污染阻斷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[8-12]。

近幾年，有關(guān)洱海流域生態(tài)溝渠的研究主要集中在不同種植類型[7]、不同年份生態(tài)溝渠[12]和農(nóng)田灌排溝渠[3，13]對水質(zhì)凈化的影響等方面。例如陳安強等[7]的研究表明，不同種植類型對生態(tài)溝渠出水口徑流N、P 濃度的影響從大到小依次為菜地、稻田和苗木地；田昌等[12]的研究表明，2016 年和2017 年生態(tài)溝渠對農(nóng)田排水總氮（TN）平均攔截率為58.49%、47.61%，對N平均攔截率為77.29%、69.72%。謝坤等[5]的研究表明，生態(tài)溝渠農(nóng)田入口、農(nóng)田出口、村落出口等處生態(tài)溝渠的水質(zhì)明顯不同，晝夜節(jié)律變化明顯。有關(guān)生態(tài)庫塘的研究則主要集中在不同水生植物[14-15]和生態(tài)植草[16]對水質(zhì)凈化的影響等方面。例如，不同水生植物的庫塘對TN 的年均去除率表現(xiàn)為荇菜（83.1%）>蘆葦（73.9%）>黑藻（73.3%）>無植物庫塘（65.5%）[15]。

但上述研究僅將生態(tài)溝渠或者庫塘作為單一對象進行研究，在洱海流域“田-村”景觀單元交替分布模式中[5]，實際存在很多灌排水先流經(jīng)生態(tài)溝渠后入庫塘繼續(xù)凈化的情況。同時，洱海流域生態(tài)庫塘包括表流生態(tài)庫塘和潛流生態(tài)庫塘，當(dāng)前有關(guān)生態(tài)庫塘的研究多涉及表流庫塘，鮮有關(guān)于潛流生態(tài)庫塘的研究報道。因此本研究將洱海流域主要的生態(tài)溝渠、表流庫塘、潛流庫塘和生態(tài)溝渠+表流庫塘4 種排灌系統(tǒng)進行改造提升（清淤疏浚、種植水生植物、生態(tài)植草植樹等），分析經(jīng)不同生態(tài)攔截系統(tǒng)后，N、P 和COD 濃度的變化特征，并探討4種生態(tài)攔截系統(tǒng)對TN、TP 和COD 濃度的削減貢獻率，以期為生態(tài)攔截工程設(shè)計和應(yīng)用提供參考，提高灌排系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)面源污染物的攔截效果。

1 試驗區(qū)概況與研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點位于云南省大理市灣橋鎮(zhèn)（100°00′05″～100°09′08″ E，25°44′48″～25°49′22″ N），面積63.8 km2，海拔1 980 m，地形西高東低，位于蒼山與洱海之間的寬谷平壩區(qū)，屬北亞熱帶高原季風(fēng)氣候，受西南季風(fēng)影響，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，年均氣溫15.5 ℃，年均降雨量1 080 mm，降雨主要集中在5—10 月。

1.2 試驗設(shè)計

在不影響農(nóng)田溝渠和庫塘正常灌排水功能的前提下，對現(xiàn)有溝渠和庫塘進行改造提升。根據(jù)實際情況進行清淤疏浚，合理配置水生植物群落，適當(dāng)配置水位調(diào)節(jié)閘門，在溝渠和庫塘周邊生態(tài)植草、放置生態(tài)多孔磚和種植經(jīng)濟林果等（表1），以延長溝渠和庫塘內(nèi)的水力停留時間，削減農(nóng)田排水中污染物含量。其中4 種生態(tài)攔截系統(tǒng)溝壁和塘壁均為帶孔預(yù)制板，孔內(nèi)配置水生植物，溝底為土工溝底，配置水生植物群落。潛流庫塘為水平潛流人工庫塘，采用基質(zhì)搭配與植物配置相結(jié)合的形式，系統(tǒng)分為進水區(qū)、濾料區(qū)和出水區(qū)，其中進水區(qū)和出水區(qū)搭配基質(zhì)從下到上依次為石灰?guī)r細(xì)碎石、礫石和火山巖，鋪設(shè)厚度分別為0.4、0.25 m和1 m，各層鋪設(shè)寬度均為5 m，鋪設(shè)后在進水區(qū)和出水區(qū)填泥，并進行生態(tài)植草，濾料區(qū)（系統(tǒng)土工溝底）先鋪設(shè)石灰?guī)r細(xì)碎石填料層0.4 m，再用礫石鋪設(shè)0.25 m。系統(tǒng)改造提升后，分別在進水口和出水口定時采集水樣，測定進出水污染物濃度，分析污染凈化效果，具體試驗工程系統(tǒng)和試驗措施見表2。

表1 植物種植方式Table 1 Plant planting method

表2 生態(tài)攔截工程基本信息和采樣點設(shè)置Table 2 Basic ecological interception engineering information and sampling point setting

1.3 樣品采集與分析方法

所有生態(tài)攔截系統(tǒng)工程建設(shè)于2019年8月完成，在監(jiān)測期（2019 年9 月—2020 年8 月）內(nèi)，每周于4 個工程區(qū)的進水口、出水口采集水樣各1 次（2020 年2月因受疫情影響未采集），計算經(jīng)4 生態(tài)攔截系統(tǒng)后污染物的去除率，計算方法見公式（1），主要分析指標(biāo)和具體分析方法均選用國標(biāo)測試方法[17]。同時參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）和《國家農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5084—2005）對4個系統(tǒng)的污水處理效果進行綜合評價。

式中：r為污染物（COD、TN和TP）的削減率；C1為系統(tǒng)或某污染物的進水濃度，mg·L-1；C2為經(jīng)生態(tài)攔截系統(tǒng)后某污染物的出水濃度，mg·L-1。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010 軟件進行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 13.0軟件進行差異性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生態(tài)攔截系統(tǒng)對TN凈化效果的影響

由圖1 可知，與進水口TN 濃度相比，經(jīng)生態(tài)攔截系統(tǒng)凈化后，各系統(tǒng)各月出水口TN濃度均有所下降，絕大多數(shù)月份出水口TN 濃度均顯著低于進水口TN濃度。生態(tài)溝渠、表流庫塘、潛流庫塘和生態(tài)溝渠+表流庫塘4 種措施TN 濃度變化范圍分別為進水時1.98～9.24、1.68～7.47、0.69～2.52 mg·L-1和3.47～12.46 mg·L-1，出水時0.98～3.20、1.03～5.35、0.48～2.06 mg·L-1和1.47～4.41 mg·L-1，TN 削減率變化范圍分別為13.50%～76.08%、16.31%～71.52%、18.25%～64.77%、19.57%～86.59%。平均進水TN 濃度由高到低為生態(tài)溝渠+表流庫塘（8.06 mg·L-1）、表流庫塘（4.77 mg·L-1）、生態(tài)溝渠（3.86 mg·L-1）、潛流庫塘（1.35 mg·L-1），但平均削減效果由大到小分別為生態(tài)溝渠+表流庫塘（59.66%）、潛流庫塘（42.13%）、生態(tài)溝渠（40.59%）、表流庫塘（37.60%）。4 個生態(tài)攔截系統(tǒng)各月削減率變幅均較大，且呈不同的削減趨勢。4 個措施的進水平均濃度分別為9.24 mg·L-1（10 月）和4.55 mg·L-1（11 月）、5.26 mg·L-1（3 月）和4.88 mg·L-1（4月）、1.36～1.79 mg·L-1（5—8 月）、10.40～12.46 mg·L-1（12 月和4—8 月）時，系統(tǒng)對TN 的凈化效果較好，削減率分別為76.08% 和61.98%、61.22% 和71.52%、55.88%～64.77%、69.25%～86.59%。

圖1 不同生態(tài)攔截系統(tǒng)對總氮（TN）凈化效果的影響Figure 1 Purification effects of different ecological interception systems on the total nitrogen（TN）

參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002），生態(tài)溝渠出流TN 濃度有4 個月可以達到Ⅴ類水質(zhì)要求（4 月、5 月、11 月和12 月），2 個月可以達到Ⅳ類水質(zhì)要求（5 月和12 月）；表流庫塘有3 個月可以達到Ⅴ類水質(zhì)要求（1 月、4 月和12 月），2 個月可以達到Ⅳ類水質(zhì)要求（1 月和4 月）；潛流庫塘有10 個月（9 月除外）可以達到Ⅳ類水質(zhì)要求；生態(tài)溝渠+表流庫塘有3個月可以達到Ⅴ類水質(zhì)要求（1 月、7 月和8 月），1 個月可以達到Ⅳ類水質(zhì)要求（1月）。

2.2 不同生態(tài)攔截系統(tǒng)對TP凈化效果的影響

由圖2 可知，相比進水口TP 濃度，經(jīng)系統(tǒng)凈化處理后，所有系統(tǒng)各月出水口TP濃度均有所下降，且絕大多數(shù)月份出水口TP 濃度均顯著低于進水口TP 濃度。生態(tài)溝渠、表流庫塘、潛流庫塘和生態(tài)溝渠+表流庫塘4 個系統(tǒng)進水、出水TP 濃度及削減率變化范圍分別為0.22～0.37、0.04～0.20、0.09～1.29、0.03～1.69 mg·L-1，0.20～0.29、0.02～0.17、0.07～1.00、0.01～0.51 mg · L-1，5.65%～34.31%、10.93%～52.48%、12.00%～50.07%、20.83%～84.82%。4 種生態(tài)措施平均進水TP濃度由高到低依次是生態(tài)溝渠+表流庫塘（0.84 mg·L-1）、潛流庫塘（0.55 mg·L-1）、生態(tài)溝渠（0.29 mg·L-1）、表流庫塘（0.12 mg·L-1），但對污染物的削減率由高到低分別為生態(tài)溝渠+表流庫塘（55.99%）、潛流庫塘（31.31%）、表流庫塘（27.69%）、生態(tài)溝渠（21.03%）。削減率在4 個生態(tài)攔截系統(tǒng)各月間波動較大，且呈不同的凈化趨勢。4 個生態(tài)攔截系統(tǒng)的進水平均濃度分別為0.30 mg·L-1（9 月）和0.34 mg·L-1（10月）、0.04 mg·L-1（12月）和0.15 mg·L-1（6月）、0.14 mg·L-1（11 月）和1.14 mg·L-1（4 月）、0.03 mg·L-1（10月）和1.25～1.69 mg·L-1（5—8 月）時，對TP 的攔截作用較強，各系統(tǒng)對應(yīng)的削減率依次是33.33% 和34.31%、50.72% 和52.48%、50.07% 和45.88% 及66.67%～84.82%。

圖2 不同生態(tài)攔截系統(tǒng)對總磷（TP）凈化效果的影響Figure 2 Purification effects of different ecological interception systems on the total phosphorus（TP）

經(jīng)系統(tǒng)凈化后，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002），4 個系統(tǒng)中生態(tài)溝渠和表流庫塘出流TP 濃度各月均可達到Ⅳ類水質(zhì)要求；潛流庫塘出流有6 個月（1 月、3 月和9—12 月）可以達到Ⅳ類水質(zhì)要求；生態(tài)溝渠+表流庫塘出流有10 個月（4 月除外）和7 個月（1 月、3 月、6 月、8 月、9 月、10 月和12 月）可以達到Ⅴ類和Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 不同生態(tài)攔截系統(tǒng)對COD凈化效果的影響

由圖3可知，經(jīng)生態(tài)攔截系統(tǒng)凈化后，4個系統(tǒng)同一月份進水口COD 濃度均顯著低于出水口COD 濃度。4 個生態(tài)攔截系統(tǒng)COD 進水濃度變化范圍為19.37～163.33、28.37～154.47、29.81～297.61 mg·L-1和27.10～62.70 mg·L-1，出水COD 濃度波動范圍是19.07～116.74、20.00～112.62、25.28～172.00 mg·L-1和19.10～41.60 mg·L-1，削減率波動范圍為1.55%～44.78%、8.69%～49.01%、15.20%～49.15% 和16.18%～62.83%。盡管平均進水COD 濃度從大到小為潛流庫塘（140.13 mg·L-1）、生態(tài)溝渠（92.22 mg·L-1）、表流庫塘（83.92 mg·L-1）、生態(tài)溝渠+表流庫塘（48.67 mg·L-1），但平均凈化率從大到小順序為生態(tài)溝渠+表流庫塘（38.33%）、潛流庫塘（34.29%）、表流庫塘（26.07%）、生態(tài)溝渠（25.25%）。4 個生態(tài)攔截系統(tǒng)各月凈化效果波動均較大，且呈不同的削減趨勢。4 個系統(tǒng)進水平均濃度分別為108.11 mg·L-1（10 月）、85.04 mg·L-1（10 月）、297.61 mg·L-1（9 月）和116.18 mg·L-1（10 月）、55.36～56.64 mg·L-1（5—7 月）時，對COD 的凈化效果較好，削減率依次為44.78%、49.01%、49.15%和48.89%、50.43%～62.83%。

圖3 不同生態(tài)攔截系統(tǒng)對化學(xué)需氧量（COD）凈化效果的影響Figure 3 Purification effects of different ecological interception systems on the chemical oxygen demand（COD）

參照《國家農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5084—2005）和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）COD 濃度限值，生態(tài)溝渠出水全年可用于水作和旱作灌溉，其中9 個月（7 月和8 月除外）可用于加工、烹飪及去皮蔬菜灌溉，6 個月（1 月、4 月和9—12 月）可用于生食類蔬菜、瓜類和草本水果灌溉。表流庫塘全年出水均可用于水作和旱作灌溉，其中9個月（7—8月除外）可用于蔬菜加工、烹飪及去皮蔬菜灌溉，7 個月（1 月、3月、4月和9—12月）可用于生食類蔬菜、瓜類和草本水果灌溉，3 個月（3 月、9 月和11 月）和2 個月（3 月和9 月）可達到地表水Ⅴ類和Ⅳ類水質(zhì)要求。潛流庫塘出水全年可用于旱作灌溉，9 個月（1—7 月和10—12月）可用于水作灌溉，6 個月（1—4 月和10—12 月）可用于加工、烹飪及去皮蔬菜灌溉，5 個月（1 月、3 月和10—12 月）可用于生食類蔬菜、瓜類和草本水果灌溉，2個月（1月和12月）可達到地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。生態(tài)溝渠+表流庫塘出水全年可用于各類型農(nóng)田灌溉，10個月（10月除外）和8個月（8月、10月和12月除外）可達到地表水Ⅴ類和Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

3 討論

3.1 不同生態(tài)攔截系統(tǒng)削減率差異分析

生態(tài)攔截系統(tǒng)是一種特殊的濕地生態(tài)系統(tǒng)，具有排灌功能和良好的景觀效果，其內(nèi)部環(huán)境條件能夠使植物和微生物等維持較好的生物穩(wěn)定性，從而達到凈化水質(zhì)的目的[18-20]。本試驗條件下，4 種生態(tài)攔截系統(tǒng)中凈化效率最佳的為生態(tài)溝渠+表流庫塘，這是因為與其他3 個系統(tǒng)相比，生態(tài)溝渠+表流庫塘不僅極大提升了水力停留時間（水力停留時間分別是生態(tài)溝渠、表流庫塘、潛流庫塘的1.44、1.83、1.57倍），而且還使水生植物存量更大（水生植物面積分別是生態(tài)溝渠、表流庫塘、潛流庫塘的2.94、1.89、2.25倍），加上系統(tǒng)維護良好，使削減凈化效率進一步加強[21]。因此，在具體應(yīng)用其他3 個系統(tǒng)時，需定時對系統(tǒng)進行維護，如定期清淤疏浚、采收水生植物、去除死亡根系等。本研究中生態(tài)溝渠+表流庫塘系統(tǒng)對TN 和TP的平均削減率為59.66%和55.99%，與朱金格等[21]在太湖水源區(qū)研究的TN 和TP 平均去除率（59.60%和51.69%）較接近，這進一步證明生態(tài)溝渠+表流庫塘系統(tǒng)應(yīng)用性較廣，可為洱海流域農(nóng)田尾水的處理提供參考。

有研究表明，潛流人工濕地對COD 的去除率為64%～82%[22]，本研究結(jié)果卻顯示，潛流庫塘對COD 的削減率僅在15.20%～49.15%，平均削減率僅為34.29%。這可能與本研究所選潛流人工濕地運行時間較久有關(guān)，相關(guān)基質(zhì)的物理吸附及化學(xué)反應(yīng)（絡(luò)合作用）達到一定限度，導(dǎo)致對COD 的去除效果逐漸降低[23-24]；另外當(dāng)基質(zhì)吸附達到飽和時，基質(zhì)中吸附的污染物可能會釋放進入水體，使?jié)竦貙OD 去除效率進一步降低[21]，因此在實際應(yīng)用潛流人工濕地時應(yīng)注意選擇合適基質(zhì)粒徑和級配以及優(yōu)化潛流人工濕地工藝等。

劉福興等[8]和田昌等[12]的研究表明生態(tài)溝渠對TN、TP的平均去除率均超過50%，本研究表明生態(tài)溝渠對TN、TP 的平均削減率為40.59%、21.03%。這是因為劉福興等[8]和田昌等[12]研究的生態(tài)溝渠觀察期較短，僅為20 d 和5 個月，加上所研究的生態(tài)溝渠長度不同，配備的水生植物也各異等，導(dǎo)致以往研究與本研究削減效果存在差異。本研究結(jié)果還表明表流庫塘對TN 的平均削減率僅為37.60%，但張俊朋等[16]的研究表明表流庫塘對TN 平均去除率在70%以上，這可能是因為張俊朋等[16]的研究系統(tǒng)本底值很低，進水為自來水，植物種類配備單一，本研究中進水為農(nóng)田尾水，本底值較高，配備植物也較多。

本研究證實，2019年9—10月，除生態(tài)溝渠+表流庫塘COD 削減率下降外，其他系統(tǒng)TN、TP 和COD 削減率均逐月上升，這是因為其他系統(tǒng)水生植物2019年8 月種植后，9 月和10 月正好處于旺盛生長期，植物吸收污染物能力較強，微生物活動頻繁，加速了水體污染物的分解[25-26]。生態(tài)溝渠+表流庫塘2019 年9—10月COD 削減率逐月下降的原因，則可能與該系統(tǒng)運行之初（2019 年9 月）即達到較高的削減率（52.62%）有關(guān)，但具體原因有待進一步研究分析。4個系統(tǒng)TN、TP 和COD 削減率均在11 月、12 月或1 月出現(xiàn)削減率較低的情況，這可能是由于此3 個月溫度較低，植物枯萎死亡，微生物活動降低，導(dǎo)致生態(tài)攔截系統(tǒng)削減率下降[27-28]。

3.2 不同生態(tài)攔截系統(tǒng)出水水質(zhì)差異分析

經(jīng)生態(tài)攔截措施凈化后，出流TN、TP和COD濃度較低的系統(tǒng)分別為潛流庫塘、表流庫塘和生態(tài)溝渠+表流庫塘，可能是因為3 個系統(tǒng)對應(yīng)的進水口TN、TP和COD濃度較低，加上3個系統(tǒng)水面面積、水容量和水生植物面積也較大，致使污染物攔截能力更強，因此出水口污染物濃度更低，水質(zhì)更好。

本研究對4 種生態(tài)攔截系統(tǒng)削減效果進行了比較，表明生態(tài)溝渠+表流庫塘削減效果較好，可進一步推廣應(yīng)用。今后需進一步研究典型生態(tài)攔截措施相同單位面積、單位時間內(nèi)負(fù)荷削減率的異同，以更全面掌握生態(tài)攔截系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)面源污染物的凈化效果。

4 結(jié)論

（1）本研究改建的4 個生態(tài)攔截系統(tǒng)對水體污染物TN、TP 和COD 均具有較強的凈化作用。4 個系統(tǒng)對污染物TN、TP 和COD 的平均削減率由高到低依次為生態(tài)溝渠+表流庫塘（59.66%、55.99%和38.33%）、潛流庫塘（42.13%、31.31% 和34.29%）、表流庫塘（37.60%、27.69%、26.07%）、生態(tài)溝渠（40.59%、21.03%、25.25%）。生態(tài)溝渠和生態(tài)溝渠+表流庫塘進水濃度較高時，系統(tǒng)對污染物的削減效果較好，潛流庫塘和表流庫塘進水濃度與系統(tǒng)對污染物削減效果間相關(guān)性不強。

（2）參照《國家農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5084—2005）和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002），生態(tài)溝渠和表流庫塘出水全年可用于水作和旱作灌溉，生態(tài)溝渠出流TN 濃度有4 個月達到Ⅴ類水質(zhì)要求，TP 濃度有11 個月達到Ⅳ類水質(zhì)要求；表流庫塘出流TN 濃度有3 個月達到Ⅴ類水質(zhì)要求，TP 濃度有11 個月達到Ⅳ類水質(zhì)要求，COD 濃度有3個月可達到Ⅴ類水質(zhì)要求；潛流庫塘出水全年各月可用于旱作灌溉，9個月可用于水作灌溉，TN、TP 和COD 濃度分別有10個月、6 個月和2 個月可達到Ⅳ類水質(zhì)要求；生態(tài)溝渠+表流庫塘出水全年各月可用于各類型農(nóng)田灌溉，TN、TP 和COD 濃度分別有3 個月、10 個月和10 個月可達到Ⅴ類水質(zhì)要求。