不同植物配置的生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)田排水中氮磷的去除效果

張友德 田文鳳 張?zhí)鹛? 徐欣 許玲

摘要 針對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的現(xiàn)狀，通過設(shè)計(jì)5種植物配置試驗(yàn)，研究不同植物配置的生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)田排水中氮磷的去除效果，篩選出最佳的植物配置組合。結(jié)果表明，5種植物配置均對(duì)農(nóng)田排水中的氮磷具有攔截凈化效果。對(duì)TN（總氮）的去除效果表現(xiàn)為苦草+金魚藻+伊樂藻（35.60%～38.73%）>苦草+伊樂藻（34.67%～36.27%）>苦草+金魚藻（33.20%～35.53%）>苦草（33.73%～34.73%）>土壤空白（29.87%～31.20%）。對(duì)TP（總磷）的去除效果表現(xiàn)為苦草+金魚藻（64.00%～65.00%）>苦草+伊樂藻（59.33%～60.67%）>苦草+金魚藻+伊樂藻（49.33%～53.67%）>苦草（48.33%～52.00%）>土壤空白（42.00%～42.67%）。多種植物組合種植的生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)田排水中氮磷具有較好的去除效果。

關(guān)鍵詞 農(nóng)田排水；生態(tài)溝渠；植物配置；總氮；總磷

中圖分類號(hào) X71? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2023）10-0043-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.10.010

Abstract Aiming at the urgent situation of agricultural nonpoint source pollution， five plant configurations were designed to study the effect of ecological ditches with different plant configurations on nitrogen and phosphorus removal in farmland drainage， and the optimal plant configurations were selected.The results showed that all the five plant configurations could intercept and purify nitrogen and phosphorus in farmland drainage.The removal efficiency of total nitrogen was Vallisneria natans + Ceratophyllum demersum + Elodea nuttallii （35.60%-38.73%） >Vallisneria natans + Elodea nuttallii （34.67%-36.27%） >Vallisneria natans + Ceratophyllum demersum（33.20%-35.53%） >Vallisneria natans（33.73%-34.73%）>Soil blank （29.87%-31.20%）.The removal efficiency of total phosphorus was Vallisneria natans + Ceratophyllum demersum （64.00%-65.00%）>Vallisneria natans + Elodea nuttallii （59.33%-60.67%） > Vallisneria natans + Ceratophyllum demersum + Elodea nuttallii （49.33%-53.67%）>Vallisneria natans （48.33%-52.00%） > soil blank （42.00%-42.67%）.The ecological ditch planted with multiple plants has a better removal effect on nitrogen and phosphorus in farmland drainage.

Key words Farmland drainage;Ecological ditch;Plant configuration;Total nitrogen;Total phosphorus

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)面源污染由于污染量大、范圍廣、治理難度大，一直以來未受到重視，也尚未采取有效的治理措施，導(dǎo)致其所占比重越來越大，已成為水環(huán)境污染的主要問題之一［1］。農(nóng)業(yè)面源污染主要來源于農(nóng)村生活污染源、種植業(yè)污染源、養(yǎng)殖業(yè)污染源等，其中種植業(yè)面源污染難以控制［2］。在我國(guó)傳統(tǒng)種植業(yè)中，為保證農(nóng)作物產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定，單位面積施肥量大，但普遍利用率偏低，因此造成大量未被吸收的氮磷組分在農(nóng)田灌溉排水或降雨時(shí)被沖刷出來，并隨著農(nóng)田徑流經(jīng)溝渠進(jìn)入河流或湖泊，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。自然排水溝渠由于其土質(zhì)常年裸露，攔截去除降雨徑流中氮磷的能力有限，而生態(tài)溝渠由自然排水溝渠及其內(nèi)部種植的植物組成，通過溝渠攔截徑流和泥沙，氮、磷污染物可被植物滯留和吸收，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)攔截凈化氮磷的目的［3-5］。目前，在防控農(nóng)業(yè)面源污染方面，將自然排水溝渠改造為生態(tài)溝渠已得到廣泛應(yīng)用［6］。

沉水植物種類繁多，是生態(tài)溝渠的重要組成部分，選擇合適的沉水植物對(duì)提高生態(tài)溝渠的攔截凈化能力具有重要意義。而單一植物的吸收凈化能力有限，不同植物對(duì)不同污染物的去除效果也不相同，因此發(fā)揮多種植物的協(xié)調(diào)作用至關(guān)重要。考慮到生態(tài)溝渠內(nèi)實(shí)際的水流情況，筆者擬選擇生態(tài)溝渠內(nèi)種植多種沉水植物，通過不同植物配置組合，考察蓄水靜態(tài)條件下生態(tài)溝渠對(duì)模擬農(nóng)田排水中總氮（TN）和總磷（TP）的去除效果，篩選出最佳植物配置方案，分析其去除機(jī)理，旨在為生態(tài)溝渠的植物種植和處理農(nóng)田排水提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)進(jìn)水采用純水、尿素和磷酸二氫鉀配制的模擬農(nóng)田排水，水質(zhì)指標(biāo)：TN（總氮） 15.00 mg/L、TP（總磷） 3.00 mg/L。植物種植選用梯形PVC長(zhǎng)方體種植箱，對(duì)箱體側(cè)壁不進(jìn)行相關(guān)處理，箱底部鋪20 cm厚度的種植土壤。為去除土壤中殘留的氮磷，在試驗(yàn)前15 d向每個(gè)種植箱中加入自來水，并保持在土壤上方2～3 cm深度，試驗(yàn)期間換水3次［7］。經(jīng)5、10、15、20和25 cm多次水位試驗(yàn)，綜合考慮光照、能見度、水下底泥擾動(dòng)等因素，選擇水深5 cm作為試驗(yàn)水位。試驗(yàn)過程中需不斷補(bǔ)水，以保持水位不變。

1.2 試驗(yàn)植物配置方案

苦草、金魚藻和伊樂藻具有較好的耐氨氮性能，同時(shí)有研究表明其去除氮磷的效果也較好，故選擇這3種沉水植物作為試驗(yàn)植物［8-10］。該試驗(yàn)所選用的苦草、金魚藻和伊樂藻均為生長(zhǎng)狀態(tài)良好、植株大小基本相同的植株材料，將植株種苗清洗干凈、稱重后，種植于各種植箱內(nèi)［11］。栽種密度為25株/m2，植物覆蓋率為20%～30%。待植物生長(zhǎng)穩(wěn)定后，適應(yīng)箱內(nèi)環(huán)境后，將配制好的模擬農(nóng)田排水注入種植箱中。植物生長(zhǎng)期間，需及時(shí)除去雜草幼苗和水草帶入的浮萍。對(duì)3種試驗(yàn)植物進(jìn)行不同配置設(shè)計(jì)，并設(shè)置土壤空白對(duì)照組。配置①：苦草；配置②：苦草+金魚藻；配置③：苦草+伊樂藻；配置④：苦草+金魚藻+伊樂藻；配置⑤：土壤空白。

1.3 水樣采集 試驗(yàn)共30 d，分別在植物種植后的第1、3、6、10、13、15、20、25、30天采集水樣。采樣后，對(duì)水樣進(jìn)行過濾，測(cè)定水樣中的TN、TP，計(jì)算不同植物配置處理后的污染物去除率。

1.4 水樣測(cè)定方法

水樣中的TN含量采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636—2012）測(cè)定；TP含量采用堿性過硫酸法消解，鉬酸銨分光光度法（GB/T 11893—89）測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物配置的生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)田排水中TN的去除效果

由圖1可知，隨著天數(shù)的增加，5個(gè)處理模擬農(nóng)田排水中的TN均不斷降低，在降至最低后基本上保持穩(wěn)定。在進(jìn)水第1天時(shí)，模擬農(nóng)田排水中TN含量與初始配水濃度相比保持不變。此時(shí)沉水植物處于生長(zhǎng)初期，生長(zhǎng)量較小，去除TN能力較弱。進(jìn)水第3天TN含量開始降低，在第3～6天及第10～13天去除TN的速率相對(duì)較快。在這段時(shí)間，水生植物進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛期，生物量增大，去除農(nóng)田排水中TN的能力要顯著高于生長(zhǎng)初期。在進(jìn)水13～15天，模擬農(nóng)田排水中TN含量緩慢降低，但變化趨勢(shì)不明顯，趨于穩(wěn)定狀態(tài)；在進(jìn)水第15～30天，TN含量偶有波動(dòng)，但變化幅度較小。這段時(shí)間內(nèi)，幾種植物均已進(jìn)入生長(zhǎng)穩(wěn)定期，去除TN的效果基本上保持穩(wěn)定。存在小幅度波動(dòng)可能是由于土壤中吸附的氮釋放出來，對(duì)模擬農(nóng)田排水的TN去除效果造成影響。分析結(jié)果顯示，沉水植物對(duì)TN的去除效率與植物的生長(zhǎng)周期有關(guān)，處于生長(zhǎng)旺盛期的沉水植物具有較好的TN去除效果，而處于生長(zhǎng)初期、穩(wěn)定期和衰亡階段的沉水植物，其去除污染物的效率降低。因此，在生態(tài)溝渠內(nèi)種植沉水植物時(shí)應(yīng)考慮到植物的生長(zhǎng)周期規(guī)律，使其可以充分發(fā)揮生長(zhǎng)旺盛期去除污染物的能力，從而更高效地去除農(nóng)田排水中的TN，減少面源污染。

在進(jìn)水第15天后，5種植物配置TN含量的變化范圍分別為苦草9.27～9.94 mg/L、苦草+金魚藻9.67～10.02 mg/L、苦草+伊樂藻9.56～9.80 mg/L、苦草+金魚藻+伊樂藻9.19～9.66 mg/L、土壤空白10.32～10.52 mg/L，TN去除率的變化范圍分別為33.73%～34.73%、33.20%～35.53%、34.67%～36.27%、35.60%～38.73%和29.87%～31.20%。比較5種植物配置處理下模擬農(nóng)田排水TN的去除能力，表現(xiàn)為苦草+金魚藻+伊樂藻>苦草+伊樂藻>苦草+金魚藻>苦草>土壤空白。分析可知，不同植物配置下的生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)田排水的TN去除率平均在30%～40%，其中試驗(yàn)植物苦草+金魚藻+伊樂藻效果較好。

從圖1可以看出，單一種植苦草的TN去除效果低于種植多種植物，但TN去除效果也不差?？嗖菔情L(zhǎng)勢(shì)較為高大、根系發(fā)達(dá)的沉水植物，處理農(nóng)田排水時(shí)對(duì)TN有較好的去除效果，有利于攔截凈化污染物。與單一種植苦草相比，種植苦草+金魚藻+伊樂藻的TN去除效果更好。三者組合種植能進(jìn)一步增加生態(tài)溝渠的生物量，提高去除農(nóng)田排水中TN的能力，去除污染物的效果顯著?；旌戏N植方式既能增加生物量，又可提高生物多樣性，能增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高生態(tài)溝渠的觀賞價(jià)值，是較合適的生態(tài)溝渠攔截污染物的種植方式。此外，部分沉水植物會(huì)受到溫度和季節(jié)的影響，去除污染物的效果會(huì)降低。因此，可以通過種植不同的植物配置，來增強(qiáng)生態(tài)溝渠的攔截污染物效果，降低農(nóng)田排水中的污染物。

與土壤空白對(duì)照組相比，沉水植物可增強(qiáng)生態(tài)溝渠中土壤內(nèi)部的微生物活性，提高農(nóng)田排水的TN去除效果。水中的氮元素可被沉水植物吸收合成植物蛋白質(zhì)和有機(jī)氮，是植物生長(zhǎng)過程中必不可少的物質(zhì)［12］。在生態(tài)溝渠系統(tǒng)內(nèi)，沉水植物去除農(nóng)田排水中TN的主要途徑為植物組織及根際微生物吸收、根系滯留及根際周圍硝化反硝化等作用。生態(tài)溝渠中植物的網(wǎng)狀根系不僅可促進(jìn)植物直接吸收農(nóng)田排水中的可溶性氮，還可通過其生命活動(dòng)改變根系周圍的微環(huán)境，影響TN的去除效果。由于沉水植物根系對(duì)生態(tài)溝渠中的底泥具有穿透作用，還可以在底泥和土壤中形成許多微小的空隙或氣室，降低了底泥和土壤的封閉性，增強(qiáng)了底泥和土壤的疏松度，可以加速氮元素進(jìn)入土壤的速度，減少TN含量［13-14］。

2.2 不同植物配置的生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)田排水中TP的去除效果

由圖2可知，不同植物配置處理下農(nóng)田排水中TP含量均隨著天數(shù)的增加而不斷降低，在第15天后基本上趨于穩(wěn)定狀態(tài)。第1天進(jìn)水時(shí)，農(nóng)田排水中的TP含量基本無變化。進(jìn)水第1～3天時(shí)，苦草、金魚藻和伊樂藻進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛期，去除TP的能力大大提高，TP含量大幅降低，其中土壤空白處理的TP含量降低17.97%，苦草+伊樂藻處理的TP含量降低43.07%。在第3～15天，不同植物配置下模擬農(nóng)田排水中TP含量降低的速率相對(duì)較快，其中苦草+金魚藻處理降低速率最快。進(jìn)水時(shí)間為第15～30天幾種沉水植物均進(jìn)入生長(zhǎng)穩(wěn)定期，模擬農(nóng)田排水中的TP含量基本上保持平穩(wěn)，存在小幅波動(dòng)，但變化幅度較小。存在波動(dòng)可能是由于植物的某些部分衰敗凋落后被微生物分解，會(huì)將植物吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以有機(jī)態(tài)的形式再次釋放到水體中，引起TP含量的變化［15］。

在進(jìn)水第15天后，不同植物配置處理后模擬農(nóng)田排水的TP去除效果均達(dá)到最佳，TP含量的變化范圍為苦草1.44～1.55 mg/L、苦草+金魚藻1.05～1.08 mg/L、苦草+伊樂藻1.18～1.22 mg/L、苦草+金魚藻+伊樂藻1.39～1.52 mg/L、土壤空白1.72～1.74 mg/L，TP去除率的變化范圍為48.33%～52.00%、64.00%～65.00%、59.33%～60.67%、49.33%～53.67%和42.00%～42.67%。比較不同植物配置處理的模擬農(nóng)田排水的TP去除效果，表現(xiàn)為苦草+金魚藻>苦草+伊樂藻>苦草+金魚藻+伊樂藻>苦草>土壤空白。通過分析可知，不同植物配置下的生態(tài)溝渠對(duì)模擬農(nóng)田排水的TP去除率在40%～65%，其中試驗(yàn)植物苦草+金魚藻去除TP的效果較好。由以上分析可知，種植多種植物的生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)田排水中污染物的去除能力高于種植單一植物和無植物的溝渠系統(tǒng)。

磷是沉水植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素，農(nóng)田排水中的無機(jī)磷可被沉水植物吸收利用來合成卵磷脂、核酸等。沉水植物對(duì)磷的攔截凈化具有重要作用。一是植物吸收，生態(tài)溝渠中沉水植物的網(wǎng)狀根系不僅可促進(jìn)農(nóng)田排水中可溶性磷和滯留顆粒態(tài)磷被植物直接吸收，還可通過根系的生命活動(dòng)改變土壤周圍的微環(huán)境，從而影響TP的去除效率；二是以磷酸鹽形式沉降并固結(jié)在土壤底泥上，由于其自身吸收可在植物根系區(qū)域產(chǎn)生濃度梯度，打破底泥-水界面的平衡，促進(jìn)磷在界面進(jìn)行交換，提高磷進(jìn)入底泥的速度［16-17］。

3 結(jié)論

（1）不同植物配置的生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)田排水具有一定的凈化作用，對(duì)TN的去除效果表現(xiàn)為苦草+金魚藻+伊樂藻（35.60%～38.73%）>苦草+伊樂藻（34.67%～36.27%）>苦草+金魚藻（33.20%～35.53%）>苦草（33.73%～34.73%）>土壤空白（29.87%～31.20%），其中苦草+金魚藻+伊樂藻去除TN的效果最好。

（2）比較不同植物配置處理模擬農(nóng)田排水的TP去除效果，表現(xiàn)為苦草+金魚藻（64.00%～65.00%）>苦草+伊樂藻（59.33%～60.67%）>苦草+金魚藻+伊樂藻（49.33%～53.67%）>苦草（48.33%～52.00%）>土壤空白（42.00%～42.67%），其中苦草+金魚藻去除TP的效果最好。

（3）綜上，沉水植物可以促進(jìn)氮磷的遷移與吸收，且通過自身生長(zhǎng)還可截留一部分氮磷。生態(tài)溝渠可以通過種植多種沉水植物來提高去除氮磷污染物的效果，降低農(nóng)田排水中的氮磷污染物。不同植物配置的生態(tài)溝渠是一種可行的適宜治理農(nóng)田排水中氮磷污染的模式，可以為防治農(nóng)業(yè)面源污染提供參考依據(jù)。

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