不同水力負(fù)荷對(duì)兩種生態(tài)溝渠內(nèi)沉水植物苦草凈化效果的影響研究

摘要：利用農(nóng)業(yè)灌排系統(tǒng)改造建設(shè)生態(tài)溝渠是治理農(nóng)田面源污染的重要技術(shù)措施，水生植物、填料及水力負(fù)荷等是影響溝渠凈化效率的重要因素。本研究以沉水植物苦草（Vallisneria natans）溝渠和沸石+苦草溝渠為研究對(duì)象，分析了不同水力負(fù)荷（HIR）下兩種溝渠對(duì)農(nóng)田徑流中氮磷污染物的凈化效果差異，闡明了苦草對(duì)溝渠脫氮除磷的貢獻(xiàn)及其主要影響因素。結(jié)果表明，不同HLR下溝渠對(duì)水體氮和磷濃度去除率分別為47.7%-66.0%和57.5%-77.1%，隨HLR升高而降低；氮和磷單位面積去除率為305.3-1 009.2 mg·m-2·d-1和17.8-66.7 mg·m-2·d-1，隨HLR升高而升高。HLR顯著影響溝渠氮、磷凈化效率（P＜0．05），而沸石填料則影響較小（P＞0．05）。與溝渠運(yùn)行前相比，苦草的密度、葉長(zhǎng)以及總生物量（干質(zhì)量）分別增加5.9-7.0、1.8-2.3倍和4.0-5.0倍，低 HLR下苦草生長(zhǎng)更好?？嗖萑~片及根系的氮、磷和葉綠素含量與水體氮磷含量顯著正相關(guān)（P＜0．05）。苦草直接吸收去除氮和磷量分別為2 674.4-3 384.1 mg·m-2和579.6-673.9 mg·m-2，對(duì)溝渠氮和磷去除的貢獻(xiàn)分別為5.6%-19.9%和20.1%-65.0%，苦草吸收貢獻(xiàn)率隨HLR升高而降低，HLR是影響苦草直接吸收對(duì)溝渠氮、磷去除貢獻(xiàn)的主要因素。綜上，苦草溝渠可有效削減農(nóng)田氮、磷流失，提高HLR雖然降低氮、磷濃度去除率，但能顯著增加氮、磷截留量。沸石+苦草溝渠長(zhǎng)期運(yùn)行后，應(yīng)及時(shí)更新沸石以保障溝渠內(nèi)填料強(qiáng)化凈化功能的發(fā)揮。因此，從濃度和通量?jī)煞矫鎸?duì)生態(tài)溝渠凈化效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)對(duì)于優(yōu)化溝渠設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理具有重要實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田徑流；生態(tài)溝渠；沉水植物；填料；水力負(fù)荷

中圖分類號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-2043（2024）07-1621-11 doi：10.11654/jaes.2023-1112

農(nóng)業(yè)種植過程中施用的大量化肥、農(nóng)藥等往往不能被植物完全吸收利用，導(dǎo)致隨降雨或人為排水產(chǎn)生的農(nóng)田徑流中攜帶高負(fù)荷的氮、磷等污染物進(jìn)入周圍水體，加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化、有害藻華爆發(fā)以及水體生態(tài)退化，成為水體污染的主要驅(qū)動(dòng)因素。自農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的農(nóng)田排水溝建設(shè)發(fā)展以來，生態(tài)溝渠是農(nóng)田徑流進(jìn)入地表水體的主要通道，功能上類似于表流濕地或河流生態(tài)系統(tǒng)，可以通過底質(zhì)吸附、植物吸收以及微生物降解等物理—化學(xué)—生物聯(lián)合作用去除水體中氮、磷等污染物，是農(nóng)業(yè)面源污染防控的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，如何提高生態(tài)溝渠運(yùn)行效果是農(nóng)業(yè)面源污染治理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

作為生態(tài)溝渠的主要組成部分，沉水植物是溝渠常用水生植物類型之一，可以直接吸收水體中的氮磷等污染物將其去除，同時(shí)其葉片或根系表面能為微生物生長(zhǎng)提供適宜微生境，間接促進(jìn)水體污染物的微生物降解。沉水植物還可以有效降低水流速度，增加水力停留時(shí)間，促進(jìn)懸浮顆粒的沉淀或防止其再懸浮，進(jìn)而為生態(tài)溝渠截留凈化污染物提供適宜條件。植物通過吸收水體氮、磷等污染物并將其儲(chǔ)存在植物體內(nèi)是水體氮、磷去除的重要機(jī)制之一，然而水力負(fù)荷、營(yíng)養(yǎng)鹽含量等運(yùn)行條件如何影響溝渠內(nèi)沉水植物的生長(zhǎng)及其對(duì)污染物的去除機(jī)制仍不清楚，尤其是沉水植物的直接吸收作用對(duì)溝渠脫氮除磷的貢獻(xiàn)如何仍需深入研究。

另外，由于我國土地資源緊缺，在不增加溝渠建設(shè)規(guī)模、避免占用額外土地的前提下，在溝渠內(nèi)間隔設(shè)置功能性基質(zhì)填料，利用填料吸附作用截留氮、磷等污染物，并為微生物生長(zhǎng)提供載體環(huán)境，是進(jìn)一步提高生態(tài)溝渠凈化效率的有效方式。然而，由于填料存在吸附飽和的問題，溝渠運(yùn)行一定周期后填料強(qiáng)化功能如何仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。

苦草（Vallisneria natans）為常綠沉水植物，水質(zhì)凈化效果好、易管理，已被廣泛應(yīng)用于生態(tài)溝渠建設(shè)。因此，本文以苦草溝渠（VDD）和填料苦草溝渠（ZVDD）為研究對(duì)象，通過分析不同水力負(fù)荷下的兩種溝渠凈化效果差異，探究水力負(fù)荷差異對(duì)兩種溝渠內(nèi)沉水植物生長(zhǎng)和吸收去除氮、磷的影響，查明沉水植物吸收對(duì)溝渠氮、磷去除的貢獻(xiàn)及其影響因素，為進(jìn)一步利用生態(tài)溝渠有效控制農(nóng)田面源污染提供理論依據(jù)與技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院下屬莊行試驗(yàn)站（30°53＇24N，121°23＇15E）的中試規(guī)模生態(tài)溝渠內(nèi)開展，實(shí)驗(yàn)區(qū)域氣候?yàn)閬啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，10a平均氣溫為16.1 0C，降水量為1 191.5 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇研究區(qū)內(nèi)的6條生態(tài)溝渠開展實(shí)驗(yàn)，溝渠深1.30 m、長(zhǎng)30.00 m，橫截面為上底寬1.05 m、下底寬0.40 m的倒梯形，溝渠側(cè)壁為預(yù)留種植孔預(yù)制板，孔內(nèi)種植狗牙根[Cynodon daccYJon（L．）Pers.]。其中3條為苦草溝渠；另外3條為沸石+苦草溝渠，即每隔Sm在溝底設(shè)置了粒徑為4-6 cm的沸石填料，沸石裝填于尼龍網(wǎng)袋后置于溝底，厚度為0.40 m、長(zhǎng)度為1.00m，與溝渠內(nèi)壁同寬，為2013年填入（圖1）。在溝渠內(nèi)按50株·m-2密度種植沉水植物苦草，采用附近河道水澆灌培育1個(gè)月，待苦草成活、群落建成后開始正式實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)農(nóng)田排水中氮、磷濃度，在40m3的配水池內(nèi)，用附近池塘水添加NH4Cl和KH2PO4配制進(jìn)水，進(jìn)水中TN、氨氮、硝態(tài)氮和TP濃度分別為2.32-5.35、1.18-2.50、0.64-1.70 mg·L-1和0.09-0.26mg·L-1。實(shí)驗(yàn)期間，每條溝渠內(nèi)保持水深0.70 m、水量為11.76 m3。依據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮進(jìn)水水質(zhì)特征、凈化效率、溝渠規(guī)格等，采用流量閥控制、設(shè)置29.20、14.60 m3·m-2·d-1和7.30 m3·m-2·d-13種水力負(fù)荷（HIR），隨機(jī)對(duì)應(yīng)兩種類型溝渠的3條溝渠，共形成6個(gè)處理：高、中、低水力負(fù)荷下的苦草溝渠（VDD -H，VDD -M，VDD -L）和沸石+苦草溝渠（ZVDD-H，ZVDD-M，ZVDD-L）。于2019年6月20日正式啟動(dòng)動(dòng)態(tài)進(jìn)水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)持續(xù)53d。

1.3 樣品采集與分析

實(shí)驗(yàn)期間，每6-7 d上午9：00-10： 00利用塑料水樣瓶在溝渠進(jìn)、出水口處采集水樣，送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析。同時(shí)，采用便攜式水質(zhì)測(cè)定儀HI9829（HANNA，意大利）原位測(cè)定水體溫度、pH、溶解氧（DO）和電導(dǎo)率（EC）等指標(biāo)。采用流式注射自動(dòng)分析儀（Seal，AA3，德國）測(cè)定水體氨氮、硝態(tài)氮濃度。采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法（GB11894-1989）測(cè)定水體總氮（TN）含量，采用過硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法（GB 11893-1989）測(cè)定水體總磷（TP）含量。

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行前后，采集進(jìn)水區(qū)和出水區(qū)植物樣品。每個(gè)區(qū)域隨機(jī)采集3個(gè)植物樣方（25 cm×25 cm）。帶根系采集整株植物，用自來水清洗干凈底泥等雜物，計(jì)數(shù)植物株數(shù)。測(cè)量植物葉長(zhǎng)、根長(zhǎng)及地上、地下部分濕質(zhì)量。將植物在烘箱內(nèi)105℃殺青后，在80℃烘干至質(zhì)量恒定，測(cè)定植物地上、地下干質(zhì)量。植物樣品研磨過篩后，采用元素分析儀測(cè)定植物TN含量，采用H2SO4-H2O2消煮后、鉬銻抗分光光度法測(cè)定植物TP含量。隨機(jī)采集進(jìn)水區(qū)和出水區(qū)苦草新生完全展開葉片，用自來水沖洗干凈后，再用超純水沖洗3次、用濾紙將葉片表面水分擦干，采用95%乙醇提取法測(cè)定葉片葉綠素含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

目前通常采用沿溝渠水流方向的氮、磷濃度差對(duì)溝渠攔截凈化效率進(jìn)行評(píng)價(jià)。但是也有研究認(rèn)為，采用通量表征污染量，通過污染物濃度與流量的乘積，表征通過某一橫截面積的污染物量，兼顧濃度及水體流量等特征的變化，對(duì)于流速時(shí)空差異較大的溝渠更為合理。但是，目前關(guān)于生態(tài)溝渠凈化效率的研究多以濃度差異評(píng)價(jià)為主，結(jié)合通量的單位面積凈化效率報(bào)道較少，難以綜合評(píng)價(jià)生態(tài)溝渠實(shí)際運(yùn)行效果。因此，本研究采用濃度和通量?jī)煞N方法綜合評(píng)價(jià)不同處理下溝渠凈化效率，兩種評(píng)價(jià)方法計(jì)算公式分別如下：

（1）以氮、磷濃度差計(jì)算濃度去除率（RR）計(jì)算公式為：

RR=（Ci-Ce/Ci）×100%（1）

式中：Ci和Ce為進(jìn)出水中氮、磷質(zhì)量濃度，mg·L-1。

（2）氮、磷單位面積去除率（AR， mg·m-2·d-1）計(jì)算公式為：

AR=（Ci-Ce/A）×Flow＊103（2）

式中：Flow為流量，m3·d-1；A為溝渠面積，m2。

根據(jù)運(yùn)行前后進(jìn)、出水區(qū)植物生物量，氮、磷含量等計(jì)算評(píng)估植物吸收對(duì)溝渠脫氮除磷的貢獻(xiàn)（PC），計(jì)算公式如下：

PC=QP／Q×100%（3）

Q=AR×T（4）

QP=Bf×Cpf-Bi×Cpi（5）

式中：Q為溝渠氮、磷去除量，mg·m-2;AR為氮、磷單位面積去除率，mg·m-2·d-1；y為運(yùn)行天數(shù)，d；Qp為植物吸收氮、磷量（進(jìn)、出水區(qū)平均值），mg·m-2，及和Bf分別為溝渠運(yùn)行前后苦草生物量，g·m-2;Cpi和Cpf分別為溝渠運(yùn)行前后苦草氮、磷含量，mg·g-1。

所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用SPSS 19．0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析、雙因素方差分析和Tukey多重比較分析結(jié)果的顯著性，采用Pearson雙尾檢驗(yàn)分析指標(biāo)間的相關(guān)性，采用P＜0.05代表統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溝渠對(duì)農(nóng)田徑流中氮、磷凈化效果

2.1.1 不同溝渠內(nèi)水體理化性質(zhì)差異

由表1可知，實(shí)驗(yàn)期間，進(jìn)水區(qū)pH值范圍為7.64-7.74，各溝渠出水pH普遍升高，并且總體上表現(xiàn)為未添加沸石溝渠高于有沸石溝渠，尤其是在中低HLR下出現(xiàn)顯著差異（P＜0．05）。同樣地，水體D0含量在進(jìn)水區(qū)為5.21-5.48 mg·L-1，出水區(qū)則顯著升高至5.58-7.32 mg·L-1，也表現(xiàn)為未添加沸石溝渠出水DO高于有沸石溝渠，并且在中低HLR下出現(xiàn)顯著差異（P＜0.05）。水體中游離的CO2和碳酸鹽含量變化在一定程度上會(huì)改變水體的pH值，溝渠內(nèi)苦草通過光合作用消耗水體CO2并釋放氧氣導(dǎo)致水體DO和pH升高，而VDD中較多的苦草量可能是導(dǎo)致其pH和DO高于ZVDD的主要原因。進(jìn)水EC值平均為550-568 μS·cm-1，出水EC值總體低于進(jìn)水，并且呈現(xiàn)隨HLR升高而增加的趨勢(shì)，另外未添加沸石溝渠EC值更低，尤其是在中低HLR下VDD-L和VDD-M中的EC值分別為508 μS·cm-1和501 μS·cm-1，而添加沸石的ZVDD-L和ZVDD-M則分別達(dá)532 μS·cm-1和540 μS·cm-1，這一結(jié)果與Kumwimba等報(bào)道的溝渠水體EC值為255-1 320μS·cm-1一致。沉水植物的攔截凈化以及顆粒物沉降吸附等作用可能是導(dǎo)致水體EC值下降的主要原因，另外，高HLR下水流較快，影響沉降吸附，導(dǎo)致EC值相對(duì)較高。

2.1.2 不同生態(tài)溝渠對(duì)水體氮、磷凈化效果差異

圖2為實(shí)驗(yàn)期間不同溝渠進(jìn)、出水氮、磷濃度。除前3次部分各溝渠出水平均TN濃度高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）V類標(biāo)準(zhǔn)2.0 mg·L-1外，隨著溝渠內(nèi)苦草生長(zhǎng)，溝渠凈化能力增強(qiáng)，各溝渠出水TN濃度基本低于2.0 mg·L-1，低HLR下VDD和ZVDD甚至低至0.32 mg·L-1。另外，不同溝渠出水平均TN濃度呈現(xiàn)較大差異，總體表現(xiàn)為ZVDD - H＞VDD-H＞VDD-M＞ZVDD-M＞ZVDD-L＞VDD-L，即出水中TN含量隨HLR升高而增加。相應(yīng)地，各溝渠平均TN濃度去除率為47.7%-66.0%，隨HLR升高而降低（圖3）。雙因素方差分析結(jié)果表明，溝渠類型和HLR及其交互作用對(duì)TN去除率均無顯著影響（表2）。除實(shí)驗(yàn)早期高水力負(fù)荷下溝渠出水氨氮濃度約為0.5-1．0 mg·L-1外，各溝渠出水中氨氮濃度多為0.20 mg·L-1左右，優(yōu)于地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，各溝渠出水中氨氮平均濃度總體表現(xiàn)為ZVDD-H＞VDD -H＞ZVDD-M＞VDD-M＞ZVDD-L＞VDD-L，隨HLR降低而降低；各溝渠對(duì)氨氮的平均去除率為78 .0%- 89.7%。表明苦草溝渠可以有效去除水體氨氮。雙因素方差分析結(jié)果表明，HLR顯著影響溝渠對(duì)氨氮的凈化效果，其中高HLR下溝渠對(duì)氨氮凈化效率顯著低于中和低HLR下（P＜0．05）。各溝渠出水中硝態(tài)氮濃度總體變化范圍為0.08-1.40 mg·L-1，平均硝態(tài)氮濃度為0.46-0.82 mg·L-1，總體表現(xiàn)為ZVDD -H＞VDD-H＞ZVDD-M＞VDD-M＞VDD-L＞ZVDD-L，各溝渠對(duì)硝態(tài)氮的去除率為30.6%-62.3%，高HLR下硝態(tài)氮去除率顯著小于低HLR下（P＜0．05）?？嗖轀锨?duì)氨氮的去除率高于硝態(tài)氮，一方面沉水植物苦草會(huì)優(yōu)先吸收利用氨氮，另一方面植物光合產(chǎn)氧可能促進(jìn)氨氮通過硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，另外在pH＞8.0的情況下少量氨氮可通過氨揮發(fā)去除；硝態(tài)氮?jiǎng)t主要通過微生物的反硝化作用轉(zhuǎn)化為N2O或N2得以從水體中徹底去除，這一過程多受水體DO以及碳源供應(yīng)等影響，尤其是農(nóng)田徑流中往往由于低碳氮比限制了反硝化作用，這也很好地解釋了進(jìn)水以氨氮為主，而溝渠出水硝態(tài)氮含量更高。在各采樣時(shí)間溝渠出水TP濃度多低于0．1 mg·L-1，出水平均TP濃度為0．04-0.08 mg·L-1，可達(dá)地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，總體表現(xiàn)為ZVDD -H＞VDD - H＞ZVDD - L＞VDD - M＞ZVDD - M＞VDD-L，各溝渠TP濃度去除率為57.5%-77.1%（圖3d），這與張樹楠等報(bào)道的結(jié)果接近；TP濃度去除率隨HLR升高而降低，并在高和低HLR間存在顯著差異（P＜0．05）。總體而言，各溝渠對(duì)氮、磷的去除率主要受HLR影響，隨HLR降低而升高，這與溝渠內(nèi)氮、磷主要通過植物吸收、基質(zhì)吸附、化學(xué)沉降以及微生物降解等作用得以去除有關(guān)。HLR低時(shí)，污水停留時(shí)間長(zhǎng)，有助于各類生化反應(yīng)的充分發(fā)生，促進(jìn)氮、磷的有效去除。沸石填料添加對(duì)溝渠氮、磷凈化效率沒有顯著影響，這可能是由于沸石在溝渠內(nèi)放置時(shí)間較長(zhǎng)，出現(xiàn)了吸附飽和，雖然其表面微生物仍能發(fā)揮作用，但對(duì)溝渠凈化效率的提升有限，因此應(yīng)及時(shí)進(jìn)行填料的更新或解吸以保障其作用的有效發(fā)揮。

圖4為不同溝渠的單位面積氮、磷去除率。六條溝渠對(duì)TN、氨氮、硝態(tài)氮和TP的單位面積去除率分別為305.3-1 009.2、213.2-758.2、82.7-221.2 mg·m-2·d-1和17.8-66.7 mg·m-2·d-1，Chen等阻也報(bào)道了近似的去除效果。雙因素方差分析（表2）結(jié)果表明，HLR顯著影響單位面積TN（P＜0.01）、氨氮（P＜0．01）、硝態(tài)氮（P＜0．05）和TP （P＜0．01）去除率，而溝渠類型及其與HLR的交互作用對(duì)單位面積氮、磷去除率無顯著影響（P＞0．05）。Tukey事后檢驗(yàn)結(jié)果表明，高HLR下溝渠TN單位面積去除率顯著高于中、低HLR下（P＜0.05），而中、低HLR下TN單位面積去除率無顯著差異（P＞0．05）；氨氮單位面積去除率隨HLR升高顯著升高，并在3個(gè)HLR梯度間均呈現(xiàn)極顯著差異（P＜0.01），硝態(tài)氮單位面積去除率只在高和低HLR間表現(xiàn)出顯著差異（P＜0．05）。TP單位面積去除率在3個(gè)HLR間均表現(xiàn)出顯著差異（P＜0．05）。總體而言，與濃度去隙率相反，各溝渠對(duì)不同形態(tài)氮和磷的單位面積去除率隨HLR升高而增加。Reedy等認(rèn)為HLR升高為更多營(yíng)養(yǎng)鹽去除提供了可能，Chen等的研究也報(bào)道了同樣的結(jié)果。目前對(duì)于生態(tài)溝渠出水氮、磷濃度還沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，本研究的結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)水濃度下，出水氮、磷濃度基本可以達(dá)到低于地表水水質(zhì)Ⅴ類、甚至Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，并且中、高HLR下氮、磷濃度去除率也多無顯著差異，因此，在實(shí)際運(yùn)行中適當(dāng)提高HLR可能有利于溝渠截留更多氮、磷污染物。

2.2 不同溝渠中苦草生長(zhǎng)繁殖響應(yīng)特征

2.2.1 不同溝渠內(nèi)苦草生長(zhǎng)繁殖特征

實(shí)驗(yàn)期間，溝渠內(nèi)水溫為28.1-31.3℃，比較適宜苦草的生長(zhǎng)繁殖。圖5為不同溝渠內(nèi)苦草生長(zhǎng)指標(biāo)情況。與實(shí)驗(yàn)開始時(shí)相比，苦草的植株密度、葉片長(zhǎng)度以及總生物量（干質(zhì)量）分別增加5.9-7．0、1.8-2.3倍和4.0-5.0倍，表明在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行條件下苦草生長(zhǎng)良好；并且低HLR下溝渠內(nèi)苦草葉長(zhǎng)、根長(zhǎng)及總生物量（干質(zhì)量）略高于高HLR。Pearson相關(guān)分析表明（表3），苦草植株密度與水體TN、氨氮和TP含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05，雙尾檢測(cè)），溝渠水體高氮、磷含量可能促進(jìn)了苦草的營(yíng)養(yǎng)繁殖。周金波等研究發(fā)現(xiàn)，苦草對(duì)氨氮的最大適宜濃度為6.0 mg·L-1，在此范圍內(nèi)苦草生物量隨氨氮濃度升高而增加。也有研究表明，苦草在一級(jí)B標(biāo)水體中，即TN濃度和TP濃度分別約為9.6 mg·L-1和1.0 mg·L-1時(shí)，生物量大幅增加，并可將水質(zhì)凈化達(dá)到Ⅴ類。本實(shí)驗(yàn)中溝渠水體TN、氨氮及TP濃度均低于以上報(bào)道的數(shù)值范圍，有利于苦草的生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)而促進(jìn)溝渠對(duì)氮、磷等污染物的去除。

2.2.2 不同溝渠內(nèi)苦草氮、磷及葉綠素含量特征

圖6為溝渠內(nèi)苦草氮、磷含量情況。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，苦草葉片和根系TN含量分別為30.5 mg·g-1和22.8 mg·g-1；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，苦草葉片TN含量顯著升高為32.3-41.0 mg·g-1，根系TN含量為19.3-26.5 mg·g-1，較實(shí)驗(yàn)開始時(shí)部分溝渠中苦草根系TN含量有小幅下降?？嗖軹N含量總體表現(xiàn)為葉片高于根系，這一結(jié)果與Wang等的報(bào)道一致。另外，進(jìn)水區(qū)苦草的葉片和根系TN含量均高于出水區(qū)，其中ZVDD-H和VDD-M中葉片以及VDD-H中的TN含量在進(jìn)水區(qū)顯著高于出水區(qū)（P＜0．05）。實(shí)驗(yàn)起始時(shí)，苦草葉片和根系TP含量分別為6.07 mg·g-1和5.97 mg·g-1；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，葉片和根系TP含量在各溝渠進(jìn)水區(qū)總體表現(xiàn)為升高，但在出水區(qū)降至3.97-4.80 mg·g-1。另外，與苦草TN含量變化趨勢(shì)一致，進(jìn)水區(qū)根葉TP含量均高于出水區(qū)，但是與TN不同的是，幾乎所有6個(gè)溝渠內(nèi)進(jìn)水區(qū)和出水區(qū)苦草TP含量都表現(xiàn)出顯著甚至極顯著差異。這可能是由于植物體內(nèi)元素含量反映了周圍環(huán)境中元素的濃度情況，而植物磷含量相較于氮對(duì)周圍環(huán)境中氮、磷的供應(yīng)更敏感。這一結(jié)果也與溝渠內(nèi)氮、磷濃度從進(jìn)水區(qū)至出水區(qū)逐漸降低相一致，進(jìn)水區(qū)較高的水體氮、磷含量保障了更充分的氮、磷供應(yīng)量。Pearson相關(guān)分析結(jié)果也表明，苦草葉片TN含量主要與溝渠水體中氨氮和TP呈顯著正相關(guān)（P＜0．05），這可能與溝渠內(nèi)氮以氨氮為主要成分，并且苦草等沉水植物通常優(yōu)先吸收利用氨氮相關(guān)?？嗖萑~片和根系TP含量則與水體TN、氨氮和TP含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0．01）（表2），這與Garbey等報(bào)道的結(jié)果相一致，即沉水植物磷含量通常隨水體養(yǎng)分升高而增加。相應(yīng)地，苦草地上、地下及總磷儲(chǔ)量也與水體TN、氨氮和TP含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），表明水體高氮、磷含量促進(jìn)了苦草對(duì)水體中磷的吸收同化，從而將磷從水體徹底去除。

光合作用是植物對(duì)環(huán)境變化最為敏感的生理過程之一，葉片葉綠素含量是衡量光合作用強(qiáng)弱的重要因素，并與環(huán)境氮、磷供應(yīng)密切相關(guān)。圖6（e）表明，與實(shí)驗(yàn)前相比，運(yùn)行結(jié)束時(shí)各溝渠內(nèi)苦草葉綠素含量呈升高趨勢(shì)，為2.22-3.60 mg·g-1，表明溝渠氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽輸入促進(jìn)了苦草葉綠素的合成。另外，苦草葉片葉綠素含量總體表現(xiàn)為進(jìn)水區(qū)高于出水區(qū)，并與硝態(tài)氮含量極顯著正相關(guān)（P＜0.01），表明氮營(yíng)養(yǎng)鹽是影響植物葉綠素的重要因素。實(shí)驗(yàn)前，苦草葉片葉綠素a/b為1.58，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)進(jìn)水區(qū)苦草葉片葉綠素a/b值多表現(xiàn)為小幅降低、而出水區(qū)則小幅增加，并且葉綠素a/b與水體TN、氨氮、硝態(tài)氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0．01）、和TP含量呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0．05），可能是由于在相對(duì)較高氮、磷含量環(huán)境下，苦草通過增加葉綠素b的含量調(diào)整對(duì)光線的適應(yīng)能力。

2.3 苦草氮、磷吸收對(duì)生態(tài)溝渠凈化效率的貢獻(xiàn)

植物吸收是沉水植物水質(zhì)凈化的主要途徑之一。但是關(guān)于植物直接吸收對(duì)溝渠、濕地等系統(tǒng)脫氮除磷的貢獻(xiàn)一直存在爭(zhēng)議。由表4可知，六條溝渠內(nèi)苦草吸收除氮量為2 674.4-3 384.1 mg·m-2，低于沉水植物穗狀狐尾藻（Myriophyllum aquaticum）的4.0-222 g·m-2，以及植物溝渠中的挺水植物水甜茅（GZYceriamaxima）的17.8-86.2 g·m-2、蘆葦（Phragmites austra-lis）的50.5-81.8 g·m-2以及香蒲的（Typha latifolia）的66.3-86.2 g·m-2；溝渠內(nèi)苦草直接吸收去除磷量為579.6-673.9 g·m-2，這一值也遠(yuǎn)低于挺水植物的8.52-81.8 g·m-2。造成這一差異的原因，一方面可能是由于苦草生物量遠(yuǎn)低于上述報(bào)道中的挺水或沉水植物；其次是不同報(bào)道溝渠中氮、磷濃度差異、運(yùn)行方式、季節(jié)等也會(huì)影響植物吸收氮、磷量?？嗖菸盏⒘字饕獌?chǔ)存于地上部分，分別占82.10%-87.2%和78.7%-85.7%，這是由于溝渠內(nèi)苦草地上生物量及氮、磷含量均高于地下部分（圖5，圖6）。不同溝渠間，VDD-L中苦草吸收氮、磷量最大，可能是低HLR下增加了水力停留時(shí)間，促進(jìn)苦草吸收氮、磷。苦草直接吸收對(duì)溝渠氮和磷去除的貢獻(xiàn)分別為5.6%-19.9%和18.1%-65.0%，其中對(duì)脫氮的貢獻(xiàn)與金樹權(quán)等報(bào)道的1.5%-13.3%接近，而對(duì)溝渠除磷的貢獻(xiàn)則高于報(bào)道的2.2%-13.2%。另外，苦草吸收對(duì)溝渠氮、磷去除的貢獻(xiàn)隨HLR升高顯著降低，這主要是由于隨HLR升高各溝渠去除氮、磷量顯著升高（圖4），導(dǎo)致苦草直接吸收對(duì)脫氮的貢獻(xiàn)降低。因此，植物吸收對(duì)溝渠脫氮除磷的貢獻(xiàn)一方面因物種、運(yùn)行條件、季節(jié)等因素而異，另一方面需綜合考慮HLR等運(yùn)行參數(shù)差異。另外，研究也發(fā)現(xiàn)隨著溝渠水體氮、磷含量從進(jìn)水區(qū)至出水區(qū)遞減，進(jìn)、出水區(qū)苦草生物量，氮、磷含量等顯著降低，因此在評(píng)估溝渠這類線型濕地內(nèi)植物吸收氮、磷的貢獻(xiàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)流程氮、磷等含量變化合理設(shè)置植物樣品采集樣點(diǎn)，以提高評(píng)估植物吸收作用的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

（1）苦草溝渠和沸石+苦草溝渠中總氮、總磷的去除率分別可達(dá)47.7%-66.0%、5 7.5 %-77.1%，總氮、總磷的單位面積去除率分別為305.3-1 009.2、17.8-66.7 mg·m-2·d-1；濃度去除率隨水力負(fù)荷（HIR）升高而降低，單位面積去除率則隨HLR升高而升高；HLR是影響生態(tài)溝渠氮、磷去除效果的主要因素，其中對(duì)總氮和總磷單位面積去除率的影響更為顯著。

（2）低HLR下溝渠內(nèi)苦草生長(zhǎng)更好，苦草葉片及根系氮、磷和葉綠素含量在進(jìn)出水區(qū)差異顯著，并與溝渠水體氮、磷含量顯著相關(guān)。

（3）苦草直接吸收對(duì)溝渠氮、磷去除量的貢獻(xiàn)分別為5.6%-19.9%、20.1%-65.0%，并且隨HLR升高而降低，HLR是影響苦草直接吸收對(duì)溝渠氮、磷去除貢獻(xiàn)的主要因素。

（4）雖然提高HLR會(huì)降低生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)田尾水中氮、磷的濃度去除率，但可以顯著增加氮、磷的截留量。因此，根據(jù)區(qū)域農(nóng)田面源污染現(xiàn)狀和控制要求，采用濃度和通量相結(jié)合對(duì)生態(tài)溝渠凈化效率進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，優(yōu)化生態(tài)溝渠設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理，有助于提高農(nóng)田面源污染治理效果。另外，還應(yīng)加強(qiáng)水力負(fù)荷等因素影響下外加填料凈化機(jī)理的研究，及時(shí)更新或替換填料以保障其強(qiáng)化凈化功能的發(fā)揮。

（責(zé)任編輯：葉飛）

基金項(xiàng)目：上海市2022年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”國內(nèi)科技合作項(xiàng)目（22015821200）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（202IYFC3201503-02） ；長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)聯(lián)合研究二期項(xiàng)目（2022-LHYJ-02-0304）；上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院卓越團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目（滬農(nóng)科卓2022-023）