不同排水模式下農(nóng)田污染物消納規(guī)律研究

房 凱，李 磊，周國勝，王彥東，武 鵬，王中文，劉亮軍，丁繼輝

（1.江蘇省宿遷市節(jié)約用水管理服務(wù)中心，江蘇宿遷 223800；2.江蘇省宿遷市水利局，江蘇宿遷 223800；3.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210098；4.江蘇省宿豫區(qū)水利局，江蘇宿遷 223801）

0 引言

灌區(qū)是我國糧食安全的基礎(chǔ)保障、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要基地、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐、生態(tài)環(huán)境保護的基本依托［1］。在以往的生產(chǎn)經(jīng)實踐中，由于客觀條件有限，灌區(qū)本身的建設(shè)與經(jīng)濟效果得到了有效保證，但灌區(qū)的環(huán)境質(zhì)量在某種程度上得不到足夠的重視，這是當(dāng)下我國部分灌區(qū)面源污染嚴(yán)重的重要原因。目前，全國用水總量約有60%用于農(nóng)田灌溉。《第一次全國污染源普查公報》數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的化學(xué)需氧量、總磷、總氮排放分別約占全國總排放的44%，38%和59%［2］。因此，灌區(qū)排水已成為了江、河、湖、庫水體污染的主要污染源，不僅影響灌區(qū)生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，危害居民健康，而且威脅區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量［3］。

作為農(nóng)田排水的通道，灌區(qū)排水溝、塘、濕地在控制農(nóng)業(yè)非點源污染等方面意義重大。目前，大量的活化氮主要是通過徑流進入溝道系統(tǒng)［4］。以美國東北部為例，有高達65%的農(nóng)業(yè)非點源氮通過徑流進入溝道系統(tǒng)［5］。近年來生態(tài)溝道在農(nóng)田排水中應(yīng)用廣泛，主要通過溝塘及其配套建筑物攔截徑流和泥沙，并利用植物系統(tǒng)滯留和吸收氮磷，實現(xiàn)生態(tài)攔截氮磷的功能［6-9］。顧斌杰等［10］人研究表明，彎曲的溝渠可為溝渠內(nèi)的物種提供適宜的生長環(huán)境，與直線河流相比，彎曲溝渠擁有更復(fù)雜而完備的動植物生態(tài)系統(tǒng)，溝渠通道的斷面形式多樣化，利于形成灘地生境。孫寧寧等［11］通過“稻田節(jié)水灌概-田間排水草溝-坑塘濕地-生態(tài)骨干排水溝”系統(tǒng)處理污染，形成在源頭上控制、在輸移過程中消減的綜合田間灌排模式來處理農(nóng)業(yè)面源污染。李林娜等［12］人于2010年在淳東灌區(qū)通過對“濕地一水塘一地下灌排綜合水管理系統(tǒng)”（Wetland Reservoir Sub-Irriga‐tion System，WRSIS）改進濕地子系統(tǒng)實際運行過程的分析，對WRSIS 改進濕地子系統(tǒng)在水旱輪作條件下對農(nóng)田排出水的凈化效果進行試驗，驗證了該系統(tǒng)濕地在淳東灌區(qū)對農(nóng)田排水凈化、農(nóng)業(yè)面源污染減少上是成功的。目前，有關(guān)農(nóng)田溝道系統(tǒng)去除面源污染研究，主要針對大尺度溝道的作用，對農(nóng)溝、相關(guān)節(jié)制閘、坑塘等小尺度田間設(shè)施作用的相關(guān)研究不多，并且鮮有研究探討不同排水模式下農(nóng)田污染物的消納規(guī)律。本研究以宿遷市宿城區(qū)運南生態(tài)灌區(qū)為研究對象，結(jié)合實地取樣實驗分析灌區(qū)不同排水模式下農(nóng)田污染物的消納規(guī)律。研究成果可為該區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染防控、地表水市控以上斷面優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)的實現(xiàn)及建設(shè)規(guī)劃提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

本項研究以運南灌區(qū)為研究對象。運南灌區(qū)主要位于宿遷市宿城區(qū)，北至大運河，南部與洪澤湖相連，向北到中運河?xùn)|與淮陰區(qū)相接，向西與泗洪縣、宿豫區(qū)相連（見圖1），原設(shè)計灌溉面積51.75 萬畝。研究區(qū)氣候?qū)儆谂瘻貛Ъ撅L(fēng)性氣候，光熱資源比較優(yōu)越，四季分明，氣候溫和，具有明顯的季風(fēng)區(qū)氣候特點。年均降水量892.3 mm，年平均氣溫14.1 ℃，一年之中1月份為全年最冷，月平均氣溫為0 ℃，極端最低溫度為-23.4 ℃；7 月份最熱，月平均氣溫為26.8 ℃，極端最高溫度為40 ℃。年均日照2 315 h，無霜期較長，平均為211 d，該區(qū)地形總體上屬黃淮平原，土質(zhì)條件是深厚的黃潮土，農(nóng)耕文化悠久，全年作物生長期為310.5 d，水田、旱地作業(yè)并存。年際降水變化較大，且年內(nèi)分布不均，易形成春旱、夏澇、秋冬干的天氣，加之長期以來一家一戶的耕作模式，水稻灌區(qū)大灌大排，容易造成水資源浪費。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

（1）代表性排水系統(tǒng)的選擇：由于面源污染物的產(chǎn)生在空間上具有差異性，為確保氣候、施肥、灌溉、播種水稻品種等客觀條件基本相同，以運南灌區(qū)的古山河一側(cè)為研究區(qū)域。根據(jù)閘口布置、末級溝道規(guī)格以及不同級別溝道之間搭配布置的不同，從上游到下游依次選擇了三種排水系統(tǒng)，分別為溝閘調(diào)蓄系統(tǒng)（系統(tǒng)一），即農(nóng)溝、斗溝、支溝均有控制閘，支溝尺度為三條支溝內(nèi)最大、水量最多；田溝直排系統(tǒng)（系統(tǒng)二），即農(nóng)溝、斗溝、支溝出口均未配置閘門，自由排水；有閘無農(nóng)溝系統(tǒng)（系統(tǒng)三），即田間毛溝直排斗溝，其支溝在灌溉季節(jié)溝內(nèi)水流較少、未能完全流滿溝底。此外，依次在農(nóng)溝、斗溝、支溝及干溝沿程布設(shè)若干個水質(zhì)監(jiān)測點，共布設(shè)了43個監(jiān)測點在三個排水系統(tǒng)內(nèi)（圖2右圖）。

圖2 古山河取樣點示意圖及分布圖Fig.2 Schematic diagram and distribution of sampling points of Gushan River

（2）樣品采集：于2019 年5-11 月對研究區(qū)各代表性系統(tǒng)各監(jiān)測點位的水質(zhì)進行了連續(xù)監(jiān)測，為消除降雨條件的影響，選擇了不同級別的降雨條件，且在每次降雨后的第一天進行水樣的采集（表1）。當(dāng)溝中沒有明顯徑流時，至溝道中的積水洼地用50 mL 醫(yī)用注射器多次抽取水樣，但吸管頭部不觸及底泥部分，吸水盡量選取相對穩(wěn)定的區(qū)域；溝中有徑流、但水不深，或溝上部不好直接扔取水器時，下到溝邊用手將空瓶水平放入水中取樣。取水前先用溝中水潤洗空瓶2～3 次，防止瓶子中有干擾物質(zhì)；溝中水深足夠、且水面較寬時，將取水器拋入水中，分岸邊、河中部表層、河中部中層三處取樣。在農(nóng)溝的上、中、下游各取1 瓶，在斗溝、支溝的上、中、下游各取3 瓶，并在古山河干溝與3 個系統(tǒng)支溝交會處各取3 瓶水樣。在理想情況下，灌溉季節(jié)有穩(wěn)定排水時各溝道內(nèi)形成徑流，每次總共需要采集樣品63瓶。為防止水樣在運輸途中因溫度過高而出現(xiàn)變質(zhì)情況，水樣瓶放置在有冰袋的保溫箱中。全部取樣工作在一個白天內(nèi)完成，晚上回到實驗室立即將水樣放進冰箱進行保存待測。

表1 取樣日期及前一天天氣情況Tab.1 Sampling date and weather conditions of the previous day

經(jīng)實地調(diào)研得知當(dāng)?shù)厮痉N植為單季稻，施肥情況為每年每畝水稻田基肥施25 斤尿素（CH4N2O），25 斤碳銨（NH4HCO3），10斤鉀肥，返青分蘗肥25斤尿素，二次分蘗肥25斤尿素。由此可知，該灌區(qū)的面源污染輸入以氮元素為主。結(jié)合面源污染的相關(guān)研究，本實驗選取了氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷、化學(xué)需氧量等五個指標(biāo)進行測試研究。氨態(tài)氮測定采用納氏試劑分光光度計法；硝態(tài)氮測定采用氨基磺酸紫外分光光度法；總氮測定采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度計法；總磷測定采用過硫酸鉀消解法、鉬銻抗分光光度計法；化學(xué)需氧量（COD）測定采用高錳酸鉀滴定法。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同排水模式下農(nóng)田污染物時空變化規(guī)律

3.1.1 不同排水模式下農(nóng)田污染物的變化規(guī)律

根據(jù)對3 個排水系統(tǒng)的水質(zhì)取樣測試，計算并分析了排水系統(tǒng)污染物濃度的變化規(guī)律（見圖3～5）。比較3 種排水系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，各級溝道污染物隨時間持續(xù)表現(xiàn)出減小—增長—減小—增大的趨勢。5-6 月各級渠溝COD、TN、NH4+-N、TP 濃度均有所減少，這是由于進入灌溉季節(jié)，灌溉水體和降雨對污染物濃度進行稀釋導(dǎo)致的［13］；同時植物開始生長，對污染物具有一定的吸收消解作用［14，15］，使污染物數(shù)量減少。6-8 月各類污染物濃度均呈現(xiàn)上升趨勢，可能主要原因是該地區(qū)6-8 月間會重施拔節(jié)孕穗肥［16］，而往往施肥不當(dāng)便會導(dǎo)致農(nóng)田及溝道污染物含量增加［17］；9 月灌區(qū)停止灌溉，排水量大幅減少，農(nóng)田流失的各類污染物減少，使得溝渠水體中各類污染物濃度也相應(yīng)地有所減少；10-11月由于取樣前試驗區(qū)持續(xù)性降雨，造成氮磷等污染物隨徑流流失，以及水生植物部分開始枯萎，植物體內(nèi)氮磷等污染物釋放進入水體和溝道底泥中，致使各級溝道中部分污染物濃度有一定程度增加。

由各類污染物濃度變化特征可知，COD、TN、NH4+-N、NO3--N、TP 在各級溝道中濃度整體呈自上到下逐級減少趨勢（圖3～5）。這說明排水溝道系統(tǒng)具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力，可以高效消納和去除污然物［14］，阻止化肥和農(nóng)藥中的過多污染物直接從田間排向河流。此外，通過對比3 個排水系統(tǒng)內(nèi)的不同污染物發(fā)現(xiàn)，溝道中氨氮濃度普遍要高于硝態(tài)氮濃度。這可能與農(nóng)田施用尿素（CH4N2O）和碳銨（NH4HCO3）有一定的關(guān)系。大量氮肥的施用造成氨氮未被轉(zhuǎn)化為硝氮就隨水體流失，導(dǎo)致溝道中氨氮濃度含量高，硝氮濃度含量較低。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因還與溝中水生植物吸收作用、反硝化作用以及閘門緊閉使水體在溝道中停留時間較長有關(guān)。然而，施肥和灌溉季節(jié)氨氮濃度的峰值均出現(xiàn)在干溝之前并沒有向干溝遷移，這說明溝道對氨氮具有較強的截留消納作用。此外，硝氮濃度較氨氮濃度起伏變化幅度較大，因為土壤膠體帶負(fù)電而不容易吸附NO3-，對NH4+有較強的吸附作用，進而NH4+容易吸附到土壤或者匯入地下水中。

3.1.2 不同排水模式下農(nóng)田污染物的差異

通過分析不同排水系統(tǒng)對農(nóng)田污染物的截留凈化效果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)一截留凈化污染物的效果最好，其次是系統(tǒng)二，最后是系統(tǒng)三（圖3～5）。相比于系統(tǒng)一，系統(tǒng)二中污染物濃度變化幅度更低。主要原因可能是田溝直排系統(tǒng)各級溝道排水沒有閘門控制，水體流速更快，農(nóng)田排水在溝道中停留的時間更短，污染物截除程度更低。而系統(tǒng)三相較于系統(tǒng)一，各級溝道中污染物濃度均更高。主要原因是系統(tǒng)三缺少一級溝道對農(nóng)田排水的截留凈化作用，以及系統(tǒng)三支溝附近存在養(yǎng)雞場導(dǎo)致點源污染的發(fā)生；并且系統(tǒng)三支溝較短，對污染消納吸收效果不佳，致使污染物濃度較大。此外，系統(tǒng)三干溝取樣點位于系統(tǒng)一和系統(tǒng)二干溝取樣點下游，水體受到上游較低污染物濃度排水的稀釋作用導(dǎo)致系統(tǒng)三干溝取點污染物濃度下降。同時系統(tǒng)三溝道受到養(yǎng)雞場點源污染的影響，出現(xiàn)了部分下級溝道污染物濃度高于上級溝道污染物濃度現(xiàn)象，即“未去除”的現(xiàn)象。圖5中，COD 濃度在5月和11月濃度較大，主要是因為系統(tǒng)三中斗溝內(nèi)水生植物較多，植株枯萎殘骸再次釋放出氮磷等污染物導(dǎo)致濃度急劇上升［18，19］。

圖3 系統(tǒng)一COD、TN、NH4+-N、NO3--N以及TP濃度時空變化規(guī)律Fig.3 Spatio-temporal variation of COD，TN，NH4+-N，NO3--N and TP concentrations in system I

圖4 系統(tǒng)二COD、TN、NH4+-N、NO3--N以及TP濃度時空變化規(guī)律Fig.4 Spatio-temporal variation of COD，TN，NH4+-N，NO3--N and TP concentrations in system II

圖5 系統(tǒng)三COD、TN、NH4+-N、NO3--N以及TP濃度時空變化規(guī)律Fig.5 Spatio-temporal variation of COD，TN，NH4+-N，NO3--N and TP concentrations in system III

3.2 不同排水系統(tǒng)消納污染物的效果對比

3.2.1 不同排水系統(tǒng)污染物濃度差異分析

根據(jù)水質(zhì)測樣數(shù)據(jù)，分析對比不同排水系統(tǒng)的各級排水溝污染物濃度變化情況，將各系統(tǒng)初級溝道水質(zhì)作為溝道系統(tǒng)的入口污染物濃度，將干溝水質(zhì)作為出口污染物濃度。各排水系統(tǒng)不同污染物入口和出口濃度見圖6。

由圖6 可知，5 月份系統(tǒng)三COD 濃度顯著高于其他兩個系統(tǒng)，高于其他時間排水溝內(nèi)COD 濃度。主要因為系統(tǒng)三溝道內(nèi)存在大量豐富的水生植物殘骸未被清理，而5月份降水少，攔水閘長期關(guān)閉，溝內(nèi)水體流動性差，植株殘骸原地腐爛釋放出污染物，引發(fā)了二次污染。王曉棟［19］表明水生植物腐爛易造成水體二次污染，且腐爛過程及水質(zhì)效應(yīng)因植物種類和殘體分解量而不同。此外，水生植物在腐敗、被分解的過程中，同時要消耗大量的溶解氧，從而導(dǎo)致該進口COD濃度明顯較高。

對比分析不同系統(tǒng)排水溝入口和出口污染物濃度（見圖6），在7-8月施肥季節(jié)，系統(tǒng)一入口各污染物濃度顯著高于另外兩系統(tǒng)入口污染物濃度。這是因為系統(tǒng)一農(nóng)溝末尾設(shè)置了節(jié)制閘，施肥產(chǎn)生的剩余污染物隨灌溉水和降雨徑流共同排入，水體流速緩慢，農(nóng)田排水在溝道中停留的時間更長，導(dǎo)致系統(tǒng)一入口污染物濃度顯著高于其他系統(tǒng)入口污染物濃度。系統(tǒng)一出口污染物濃度顯著低于另外兩系統(tǒng)出口污染物濃度，由于污染物在溝道中停留時間長而產(chǎn)生物理沉降，有利于水生植物對污染物充分吸收利用，因此系統(tǒng)對污染物消解能力更強。劉福興［14］等就不同構(gòu)造生態(tài)溝渠的農(nóng)田面源污染物處理能力進行分析發(fā)現(xiàn)，溝底植草+沸石填料的生態(tài)溝渠對污染物的去除效率最高，這是因為填料不僅能吸附氮，還能減緩流速，便于溝底植被的充分吸收。同理，10月發(fā)生持續(xù)性降雨后系統(tǒng)一出口污染物濃度顯著低于其他兩個系統(tǒng)出口污染物濃度，說明施肥后受到雨水沖刷時，沒有控制排水的溝道系統(tǒng)內(nèi)污染物濃度更高。

圖6 不同排水系統(tǒng)COD、TN、NH4+-N、NO3--N以及TP濃度差異Fig.6 Concentration difference of COD，TN，NH4+-N，NO3--N and TP in different drainage systems

3.2.2 不同排水系統(tǒng)對污染物去除效應(yīng)分析

由圖7 分析可知，6-8 月份系統(tǒng)一對污染物的去除率基本高于系統(tǒng)二和系統(tǒng)三。這是因為系統(tǒng)一為溝閘調(diào)蓄排水系統(tǒng)，溝道中配有節(jié)制閘門，相比系統(tǒng)二，農(nóng)田排水被攔蓄在溝道中的時間更長，降低了流速。這有利于污染物物理性的沉降和過濾，有利于水生植物和微生物充分吸收利用，截留凈化效果更好。相比系統(tǒng)三，系統(tǒng)一比系統(tǒng)三多了農(nóng)溝系統(tǒng)，有更長的溝道系統(tǒng)，利于植物和微生物充分發(fā)揮截留消解污染物的功能，對水體的凈化效果更好。Wang［20］等研究結(jié)果也表明，懸浮物的沉降以及基質(zhì)和底泥的吸附是溝道除磷的主要途徑。目前，大量研究結(jié)果表明［21-25］，水生植物逐漸成為凈化水體水質(zhì)的熱點，主要通過直接吸收、根莖葉釋氧及微生物降解等方式來實現(xiàn)。

圖7 6-8月各系統(tǒng)對污染物去除率Fig.7 Pollutant removal rate of each system from June to August

通過對6-8月各系統(tǒng)對污染物去除率計算可知，6月3個系統(tǒng)對COD 去除率分別為20.3%、15.1%、10.3%，7 月分別為41.5%、31.3%、12.9%，而8 月分別為39.1%、22.1%、20.5%。6 月份3 個系統(tǒng)對COD 的去除率均不高，這是由于剛進入灌溉季節(jié)，植物大部分處于幼苗生長階段，其根系不夠發(fā)達，不足以充分發(fā)揮吸收污染物的能力。

3 個排水系統(tǒng)6-8 月對TN 去除率在27.3%～61.0%之間，對NO3--N 去除率在12.9%～59.9% 之間，對NH4+-N 去除率在29.2%～65.9%之間。氨氮是各種形態(tài)氮中去除率最高的，TP 去除率在17.3%～54.8%之間。整體上各溝道系統(tǒng)對氮磷有較好的截留凈化作用，系統(tǒng)一的凈化能力高于系統(tǒng)二和系統(tǒng)三。

4 結(jié)論

（1）各級溝道污染物隨時間持續(xù)表現(xiàn)出減小—增長—減小—增大的趨勢。各類污染物濃度在各級溝道中濃度整體呈自上到下逐級遞減趨勢。

（2）系統(tǒng)一的凈化能力要高于系統(tǒng)二和系統(tǒng)三；系統(tǒng)三5月份COD 濃度顯著高于其他兩個系統(tǒng)，高于其他時間排水溝內(nèi)COD濃度。

（3）整體上各溝道系統(tǒng)對氮磷有較好的截留凈化作用，氨氮是各種形態(tài)氮中去除率最高的。在灌溉季節(jié)，7、8 月份農(nóng)田排水溝道系統(tǒng)消納污染物的效果最好。