長江流域農(nóng)田生態(tài)排水溝渠氮削減效應(yīng)研究

摘要：為研究長江流域農(nóng)田生態(tài)排水溝渠對總氮（TN）的削減效果，本研究收集長江流域生態(tài)排水溝渠的639項(xiàng)野外現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過Mann-Whitney U檢驗(yàn)和K-W檢驗(yàn)方法探究了不同植被類型、溝渠類型、強(qiáng)化措施類型、溫度范圍和進(jìn)水濃度范圍等因子對生態(tài)排水溝渠TN削減效率的影響。結(jié)果表明：在農(nóng)田生態(tài)排水溝渠中，不同植被類型中的多種人工植被對TN削減效果最好，平均削減效率為47.72％；溝渠類型為邊坡半襯砌（溝壁材質(zhì)為部分混凝土，溝底材質(zhì)為全土）對TN去除效果最佳，其平均削減率為58.18％；強(qiáng)化措施類型中，添加基質(zhì)類和設(shè)置攔截類強(qiáng)化措施的生態(tài)排水溝渠對TN削減效果最好，其平均削減效率為54.24％；氣溫處于gt;25-35℃時(shí)生態(tài)排水溝渠TN削減效果更有效，而在低溫環(huán)境下可以通過種植耐寒植物（綠狐尾藻、黑麥草等）提高削減率；溝渠進(jìn)口TN濃度多數(shù)集中在gt;2-4 mg·L-1之間，溝渠出口TN濃度主要分布在0～2 mg·L-1之間，TN進(jìn)口濃度為gt;2～4 mg·L-1時(shí)溝渠TN削減效果最佳；不同濃度條件下，溝渠選擇種植多種人工植被，對溝壁進(jìn)行半襯砌，設(shè)有強(qiáng)化措施都能有效提高TN的凈化效果；TN削減效率與水力停留時(shí)間、溝渠長度、水深呈現(xiàn)正相關(guān)；在多種因素最優(yōu)的情形下，TN表面去除負(fù)荷隨著TN進(jìn)口濃度增大而增大。研究表明，長江流域農(nóng)田生態(tài)排水溝渠選擇多種人工挑選的植被、溝渠類型選擇邊坡半襯砌、同時(shí)添加基質(zhì)類和設(shè)置攔截類強(qiáng)化措施更能有效地削減TN，并且控制氣溫在gt;25-35℃和進(jìn)口濃度為gt;2-4 mg·L-1來削減TN，另外延長溝渠長度和控制水體的水深、水力停留時(shí)間可更好地削減TN。

關(guān)鍵詞：長江流域；生態(tài)排水溝渠；農(nóng)業(yè)面源；氮；Mann-Whitney U檢驗(yàn)；K-W檢驗(yàn)

中圖分類號：X71；X52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）02-0389-12 doi：10.11654/jaes.2023-0517

長江流域是我國主要糧食生產(chǎn)基地，耕地面積占全國耕地總面積的24％，中下游流域農(nóng)業(yè)集約化程度高。2020年長江經(jīng)濟(jì)帶11?。ㄊ校┑霓r(nóng)用化肥施用強(qiáng)度（275.1 kg·hm-2）是國際化肥安全施用強(qiáng)度上限（225 kg-hm-2）的1.22倍，農(nóng)用氮肥施用量占全國農(nóng)用氮肥施用量的39.4％。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中氮肥的過量施用、資源化利用率低，氮類污染物流失嚴(yán)重，導(dǎo)致湖泊等水體富營養(yǎng)化，破壞水生態(tài)系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)面源氮污染物的最佳控制措施是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)，并取得了良好的實(shí)踐效果。生態(tài)排水溝渠是一種占地少、環(huán)境友好的農(nóng)田面源污染治理措施。生態(tài)排水溝渠中氮的去除機(jī)制包括硝化和反硝化作用、植物吸收、沉降、揮發(fā)、微生物同化等，其中硝化和反硝化作用是主要去除途徑。溝渠中的NH+4被植物藻類的光合作用和異養(yǎng)生物吸收或者沉積物吸附，也會被硝化作用消耗，NO-3被生物吸收和反硝化作用去除。當(dāng)溝渠底部處于好氧條件下發(fā)生硝化作用，將NH+4轉(zhuǎn)化為NO-3，異養(yǎng)細(xì)菌直接吸收NO-3，溝渠底部沉積物在有碳源的厭氧環(huán)境中發(fā)生反硝化作用消耗NO-3。生態(tài)排水溝渠中氮的去除需要具有良好的氧化還原條件、比較充足的碳源和較長的滯留時(shí)間等因素。

近年來，國內(nèi)外開展了不同條件下溝渠對TN削減能力的影響研究。例如，Kumwimba等分析了植被類型、季節(jié)、溝渠類型等因素對生態(tài)溝渠削減氮的影響，并提出在溝渠中構(gòu)建堰壩可以提高TN削減效果。張樹楠等探究不同植被對生態(tài)溝渠削減TN的影響，發(fā)現(xiàn)水生美人蕉、綠狐尾藻對TN的吸收效果最好，其TN削減效率高達(dá)64.3％。陳淑芬等研究發(fā)現(xiàn)種植石菖蒲和水芹的生態(tài)溝渠對TN平均去除效率為12.66％。祝浩翔等研究發(fā)現(xiàn)夏季時(shí)植被對TN削減效率為81.33％，冬季時(shí)植被對TN削減效率為52.18％。溝渠對TN的削減能力受到不同條件（植被種類、溝渠類型、環(huán)境因子、進(jìn)水濃度）影響，導(dǎo)致TN削減效率變化范圍很大。為了揭示長江流域生態(tài)排水溝渠對TN的削減效率分布，以及探討提高生態(tài)排水溝渠對TN的削減效果的優(yōu)選因素，本文通過在公開文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫中搜索長江流域中農(nóng)田生態(tài)排水溝渠削減TN的相關(guān)數(shù)據(jù)，基于多源數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法，研究不同條件下農(nóng)田生態(tài)排水溝渠對TN削減效率及優(yōu)選因素，為農(nóng)田生態(tài)排水溝渠優(yōu)化設(shè)計(jì)、氮類污染物削減效應(yīng)評估提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)收集

在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫（CNKI）和Web of Science檢索1990-2022年長江流域生態(tài)排水溝渠野外現(xiàn)場試驗(yàn)研究，通過直接引用或利用Getdata軟件從文獻(xiàn)（正文、圖、表）中獲取TN進(jìn)出口濃度和削減效率。數(shù)據(jù)篩選條件為：溝渠為野外現(xiàn)場試驗(yàn)且為農(nóng)田排水；溝渠進(jìn)出口之間沒有地表水匯入，且溝渠為農(nóng)田排水溝渠；試驗(yàn)類型為動態(tài)試驗(yàn)。經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選及整理最終共獲取來自63篇文獻(xiàn)（中文文獻(xiàn)43篇，英文文獻(xiàn)20篇）的639項(xiàng)數(shù)據(jù)，各試驗(yàn)地點(diǎn)分布見表1。生態(tài)排水溝渠TN削減效率通過進(jìn)口、出口的TN濃度計(jì)算得出：

R=（Cin-Cout）/Cin×100％ （1）

其中，R為生態(tài)排水溝渠TN削減效率；Cin為生態(tài)排水溝渠進(jìn)口TN濃度，mg·L-1；Cout為生態(tài)排水溝渠出口TN濃度，mg·L-1。

根據(jù)生態(tài)排水溝渠排水特征，計(jì)算單位時(shí)間單位面積TN的表面去除負(fù)荷，公式如下：

n=（Cin-Cout）Q/A （2）

式中：n為生態(tài)排水溝渠TN表面去除負(fù)荷，g·m-2·d-1；Q為生態(tài)排水溝渠流量，m3·d-1；Cin為生態(tài)排水溝渠TN進(jìn)口濃度，mg·L-1；Cout為生態(tài)排水溝渠TN出口濃度，mg·L-1；A為生態(tài)排水溝渠溝底面積，m2。

在生態(tài)排水溝渠中植被類型、溝渠類型、環(huán)境因子等條件對TN削減的影響較大，根據(jù)收集的生態(tài)排水溝渠數(shù)據(jù)庫中各條件的樣本量進(jìn)行分組，包括植被類型、溝渠類型、強(qiáng)化措施類型、溫度、進(jìn)水濃度，各組分類樣本量見表2。

（1）依據(jù)植被類型分組。植被類型分為自然植被（如當(dāng)?shù)厣L的過江草、水花生和水芹等植被）和人工植被（經(jīng)過人工挑選的植被如水蔥、綠狐尾藻、狗牙根和美人蕉等）兩組，進(jìn)一步細(xì)分為單一自然植被、多種自然植被、單一人工植被、多種人工植被等。

（2）依據(jù)溝渠類型分組。溝渠類型分為人工溝渠（溝渠材質(zhì)為部分混凝土）和自然溝渠（溝渠材質(zhì)全土）兩組，其中人工溝渠分為邊坡半襯砌（溝壁材質(zhì)為部分混凝土，溝底材質(zhì)為全土）、邊坡完全襯砌（溝壁材質(zhì)為全混凝土，溝底材質(zhì)為全土）、完全半襯砌（邊坡和溝底材質(zhì)均為部分混凝土）。

（3）依據(jù)強(qiáng)化措施類型分組。強(qiáng)化措施類型分為無強(qiáng)化措施、攔截類措施、基質(zhì)類措施、攔截+基質(zhì)類措施，其中溝渠中設(shè)置壩、堰、閘等屬于攔截類強(qiáng)化措施，溝渠中設(shè)置具有吸附功能的沸石、陶粒、礫石等屬于基質(zhì)類強(qiáng)化措施。

（4）溫度分為3個(gè)區(qū)間：0-15、gt;15-25、gt;25-35℃，分別接近長江流域冬季氣溫區(qū)間、春秋兩季氣溫區(qū)間和夏季氣溫區(qū)分。

（5）依據(jù)TN進(jìn)水濃度范圍分組。TN進(jìn)水濃度共分為3個(gè)區(qū)間，分別為0-2、gt;2-4、gt;4 mg·L-1。

1.2分析方法

本文利用Mann-Whitney U檢驗(yàn)和K-W檢驗(yàn)分析不同影響因素條件下農(nóng)田生態(tài)排水溝渠TN削減效率及分布范圍的變化特征，具體分析方法見表2。通過Excel 2010對數(shù)據(jù)記錄和整理，利用SPSS Statistic 26和Origin 2021進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

2結(jié)果與分析

2.1 TN削減效率總體情況

生態(tài)排水溝渠TN削減效率（R）波動大，各區(qū)間樣本量分布見圖1，R分布在20％-30％樣本量最多，其次是50％-60％，而R整體分布范圍為-31.31％-90.25％，TN平均削減效率為40.02％，可見通常情況下生態(tài)排水溝渠能夠有效削減TN，在控制農(nóng)業(yè)面源污染中發(fā)揮著重要作用。為了進(jìn)一步提高生態(tài)排水溝渠對TN的消減效果，有必要研究不同條件對生態(tài)排水溝渠削減TN的影響。

2.2生態(tài)排水溝渠植被類型對TN的削減效率

采用Mann-Whitney U檢驗(yàn)分析生長自然植被和人工植被的生態(tài)排水溝渠的TN削減效率，Plt;0.001，說明兩者TN削減效率的分布具有極其顯著性統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由圖2（a）可知，Rnv均低于80％及以下，主要集中在40％及以下；Rsv分布在40％-60％樣本量最大，占該類植被樣本量的27.14％，超過80％的樣本量共有32項(xiàng)。由表3可知，Rsv的均值（40.52％）高于Rnv的均值（32.89％）。Rsv的最大值、75％值、中位值、25％值均比Rnv相對應(yīng)的值高。Mann-Whitney U檢驗(yàn)結(jié)果表明，Rsv的秩均值（320.64）高于Rnv的秩均值（314.98）。人工植被覆蓋的生態(tài)排水溝渠TN削減效率高于自然植被覆蓋的生態(tài)排水溝渠。

單一自然植被、多種自然植被、單一人工植被、多種人工植被覆蓋的生態(tài)排水溝渠對TN的削減效率經(jīng)過K-W檢驗(yàn)得到Plt;0.001，說明四者之間TN削減效率的差異極其顯著。由圖2（b）可知，Rvs在40％-60％區(qū)間中樣本量占該類植被樣本量的30.22％，與其他3類植被相比，Rvs超過60％的樣本量占比最大；Rsn樣本量較少，主要集中在20％以下。由表3可得，Rvs的均值在4種植被細(xì)類中最高，達(dá)到47.72％；Rvn和Rss的均值分別為35.99％和29.26％，處于中游；Rsn的均值僅為17.36％。Rvs的最大值、75％值、中位值、25％值在4種植被細(xì)類中最高。K-W檢驗(yàn)表明，Rvs的秩均值明顯高于其他3種類型的秩均值。多種人工植被覆蓋的生態(tài)排水溝渠TN削減效果最優(yōu)。

2.3生態(tài)排水溝渠材質(zhì)類型對TN的削減效率

人工和自然生態(tài)排水溝渠對TN削減效率通過Mann-Whitney U檢驗(yàn)分析得到Plt;0.001，說明兩者TN削減效率的差異極其顯著。由圖3（a）可得，Ri在40％-60％區(qū)間中的樣本量占該類植被樣本量的27.35％，Rs的樣本主要分布在40％及以下，而高于40％時(shí)R1的樣本量明顯比Rs的樣本量多。由表4可知，R1的均值為46.57％，Rs的均值為32.56％。R1的最大值、75％值、中位值、25％值、最小值均比Rs相應(yīng)值高。由Mann-Whitney U檢驗(yàn)結(jié)果可得，R1的秩均值高于Rs的秩均值。人工生態(tài)排水溝渠對TN削減效率更佳。

人工溝渠類型中，邊坡半襯砌、邊坡完全襯砌、完全半襯砌的生態(tài)排水溝渠對TN削減效率經(jīng)過K-W檢驗(yàn)分析，得到Plt;0.001，說明三者之間TN削減效率的分布具有極其顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由圖3（b）可知，Rds在40％及以下的樣本量較少，而超過60％以上的樣本量在3種人工溝渠類型中最大；Rsb樣本主要集中在0-40％。由表4可得Rds的均值最高，為58.18％；其次是Rsb的均值，為36.49％；最低的是Rdf的均值，為35.64％。與其他類型人工溝渠相比，Rds的75％值、中位值、25％值、最小值最大。根據(jù)K-W檢驗(yàn)得到的結(jié)果，Rds的秩均值最高（表4）。邊坡半襯砌生態(tài)排水溝渠對TN削減效果最好。

2.4生態(tài)排水溝渠強(qiáng)化措施類型對TN的削減效率

根據(jù)K-W檢驗(yàn)，得到無強(qiáng)化措施、攔截類、基質(zhì)類、攔截+基質(zhì)類的生態(tài)排水溝渠對TN削減效率四者具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（Plt;0.05）。由圖4可知，Rwr分布在低于20％-40％的樣本量最大，其次是低于20％的樣本量；Ri分布在40％-60％的樣本量最大，其次是低于20％的樣本量；Ras分布在20％-40％的樣本量最多，其次是在40％-60％的樣本量；Riamp;a分布在40％-60％的樣本量最大，其次是在60％-80％的樣本量。由表5可知，Riamp;a的均值最高，為54.24％；其次是Ras的均值，為42.47％；再者是Ri的均值，為41.51％，最低的是Rwr的均值，為34.49％。與其他類型措施相比，Riamp;a的75％值、中位值、25％值、最小值最大。根據(jù)K-W檢驗(yàn)得到的秩均值，設(shè)置攔截+基質(zhì)類的生態(tài)排水溝渠對TN去除效果明顯高于僅設(shè)置攔截類強(qiáng)化措施。

2.5不同溫度下生態(tài)排水溝渠對TN的削減效率

根據(jù)K-W檢驗(yàn)，0-15、gt;15-25、gt;25-35℃3個(gè)溫度區(qū)間生態(tài)排水溝渠對TN削減效率存在極顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（Plt;0.001）。由圖5可知，RT3在40％-60％區(qū)間的樣本占該類溫度樣本量的33.18％，在超過60％的區(qū)間中其樣本量遠(yuǎn)高于其他2個(gè)溫度區(qū)間的在該范圍中的樣本量。由表6可知，RT3的均值達(dá)到最高，為47.06％；其次是RT1的均值為45.39％；最低是RT2的均值為36.43％。RT3的最大值和75％值比其他溫度區(qū)間相應(yīng)值高。值得注意的是0-15℃時(shí)生態(tài)排水溝渠對TN削減效果僅次于夏季且高于春季和秋季，主要是在部分試驗(yàn)中低溫條件下通過種植耐寒植物提高生態(tài)溝渠削減TN的效果。K-W檢驗(yàn)結(jié)果表明，RT3的秩均值最高，gt;25-35℃時(shí)生態(tài)排水溝渠對TN削減效果最好。

2.6TN進(jìn)水濃度對生態(tài)排水溝渠削減TN的影響

溝渠TN進(jìn)水濃度與出水濃度數(shù)據(jù)量的分布情況見圖6。TN進(jìn)水濃度中的樣本量最大為gt;24 mg·L-1，該濃度范圍的樣本量占全區(qū)間樣本的41.51％；TN出水濃度中g(shù)t;2-4 mg·L-1的樣本量占全區(qū)間樣本的17.34％。TN出水濃度的樣本量最大為0-2mg·L-1，該濃度范圍的樣本量占全區(qū)間樣本的59.04％；TN進(jìn)水濃度中0-2 mg·L-1的樣本量占全區(qū)間樣本的27.49％?？梢缘贸鯰N出水濃度的高濃度范圍的樣本量明顯減少，低濃度范圍的樣本量明顯增大，說明農(nóng)田生態(tài)排水溝渠能夠有效地削減TN。

根據(jù)K-W檢驗(yàn)，0-2、gt;2-4、gt;4 mg·L-1 3個(gè)進(jìn)水濃度區(qū)間的生態(tài)排水溝渠對TN削減效率的差異極其顯著（Plt;0.001）。由圖7可知，Rc2在40％-60％的樣本量占該類濃度樣本量的28.89％，超過60％區(qū)間中的樣本量高于其他2個(gè)濃度區(qū)間；Rc3分布在20％及以下的樣本量較多。由表7可知，Rc2均值達(dá)到最高，為48.17％；其次是Rc3均值為36.03％；最低是Rc1均值為35.00％。Rc2的75％值、中位值、25％值比其他濃度區(qū)間所對應(yīng)值高。K-W檢驗(yàn)表明，Rc2的秩均值最高，說明進(jìn)水gt;2-4 mg·L-1時(shí)生態(tài)排水溝渠的TN削減效果最高。

根據(jù)前文分析的結(jié)果可以明確多種人工植被、邊坡半襯砌材質(zhì)、設(shè)有強(qiáng)化措施為優(yōu)選因素下的生態(tài)排水溝渠能更有效地削減TN。將優(yōu)選因素為定量關(guān)系探討該情況下生態(tài)排水溝渠的TN表面去除負(fù)荷與進(jìn)水濃度和R的關(guān)系。TN進(jìn)水濃度與表面去除負(fù)荷關(guān)系如圖8所示，R2為0.76，擬合效果好；皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.87，呈現(xiàn)強(qiáng)正相關(guān)。TN進(jìn)水濃度為0.86-6.14mg·L-1，在該范圍內(nèi)，進(jìn)水濃度越大，溝渠TN表面去除負(fù)荷越大。已有研究證明在一定的TN進(jìn)水濃度范圍內(nèi)，TN表面去除負(fù)荷與進(jìn)水濃度之間有極顯著正相關(guān)性。

根據(jù)TN進(jìn)水濃度范圍的樣本量分為低濃度（0-2 mg·L-1）、中濃度（gt;2-4 mg·L-1）、高濃度（gt;4 mg·L-1），并比較低濃度、中濃度、高濃度在植被類型、溝渠類型、強(qiáng)化措施下生態(tài)排水溝渠的TN平均削減效率，見圖9。在低濃度條件下，植被類型中多種人工植被（Rvs）的均值達(dá)到最高，為38.82％；溝渠類型中邊坡半襯砌（Rds）的均值達(dá)到最高，為54.50％；強(qiáng)化措施中添加基質(zhì)類（Ras）的均值達(dá)到最高，為40.68％。在中濃度條件下，植被類型中多種人工植被（Rvs）的均值達(dá)到最高，為56.41％；溝渠類型中邊坡半襯砌（Rds）的均值達(dá)到最高，為68.63％；強(qiáng)化措施中設(shè)置攔截類（Ras）的均值達(dá)到最高，為51.46％。在高濃度條件下，植被類型中多種人工植被（Rvs）的均值達(dá)到最高，為44.22％；溝渠類型中邊坡半襯砌（Rds）的均值達(dá)到最高，為49.19％；強(qiáng)化措施中添加基質(zhì)類（Ras）的均值達(dá)到最高，為44.37％?？梢园l(fā)現(xiàn)在不同濃度條件下，植被類型為多種人工植被的生態(tài)排水溝渠對TN削減效果較好；溝渠材質(zhì)為邊坡半襯砌的生態(tài)排水溝渠對TN削減效果最好。在低濃度和高濃度條件下，添加基質(zhì)類措施更能有效削減溝渠中的TN。而在高濃度條件下，設(shè)置攔截類措施更能有效削減溝渠中的TN。

2.7多因素與生態(tài)排水溝渠TN削減效率關(guān)系

溝渠長度、水深、水力停留時(shí)間等因素對生態(tài)排水溝渠削減TN能產(chǎn)生影響，為探究不同因素的影響，采用主成分分析法對溝渠長度（L-Length）、水深（D-depth）、水力停留時(shí)間（HRT-Hydraulic retention time）和TN削減效率（R-TN removal efficiency）共219組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（圖10），共提取2個(gè)主成分，可以反映出78.3％的信息。第一主成分的貢獻(xiàn)率為50.5％，其中水深和水力停留時(shí)間有較高的正載荷，說明水深和水力停留時(shí)間影響較大。第二主成分的貢獻(xiàn)率為27.8％，主要貢獻(xiàn)因子是溝長。

3討論

3.1植被對生態(tài)排水溝渠削減氮的影響

農(nóng)田生態(tài)排水溝渠中植被在脫氮過程中發(fā)揮著重要作用。植被可以直接從底泥和水體中吸收氮，另外，植被可以增加溝渠糙率，減緩水流流速，延長硝化／反硝化反應(yīng)的時(shí)間。Vymazal等在200 m的溝渠中，發(fā)現(xiàn)植物吸收氮類污染物占全部去除的26％。植被不僅可以為根際微生物的生長提供附著空間和氧氣，增強(qiáng)硝化作用，還可以從根系中分泌碳源，為生化反應(yīng)提供能量，進(jìn)而促進(jìn)反硝化作用。覆蓋人工植被的生態(tài)排水溝渠對TN的削減效果優(yōu)于覆蓋自然植被的生態(tài)排水溝渠，且在詳細(xì)植被類型中，覆蓋多種人工植被的生態(tài)排水溝渠對TN削減效果最好，其平均削減效率比農(nóng)田生態(tài)排水溝渠總體平均削減效率（40.02％）高出7.70％，與Liang等的研究結(jié)果一致，TN削減效率的最大值出現(xiàn)在多種人工植被的生態(tài)排水溝渠。不同種類的植被削減氮類污染物存在差異，生物量是影響植物吸收氮類營養(yǎng)鹽能力的決定性因素。Kumwimba等研究表明在多種植被中水生美人蕉對氮的吸收效果最好，TN削減效率為72％。周曉燕等發(fā)現(xiàn)蘆葦對氮類污染物的去除效率能達(dá)到77.25％。本研究中自然植被以溝渠內(nèi)生長的雜草和當(dāng)?shù)匾吧脖粸橹?，該植被類型對氮類污染物的吸收能力比較弱；而人工植被以水花生、美人蕉、蘆葦、菖蒲等為主。人工植被長勢高大，根系發(fā)達(dá)，多種植被相輔相成，對氮類污染物的吸收能力較強(qiáng)。選擇種植多種人工植被可以提高農(nóng)田生態(tài)排水溝渠對氮類污染物的削減率。

3.2溝渠材質(zhì)對生態(tài)排水溝渠削減氮的影響

農(nóng)田生態(tài)排水溝渠類型中部分混凝土溝渠對氮的削減效果優(yōu)于全土溝渠。3種不同類型人工生態(tài)排水溝渠中，邊坡半襯砌生態(tài)排水溝渠對TN削減效果最好，其平均削減效率比總體平均削減效率（40.02％）高出18.16％。溝壁材質(zhì)為部分混凝土、溝底材質(zhì)為全土的邊坡半襯砌生態(tài)排水溝渠對TN削減效果優(yōu)于其他類型溝渠，與Wang等研究結(jié)果一致。與完全半襯砌生態(tài)排水溝渠相比，邊坡半襯砌生態(tài)排水溝渠給植被生長提供了更大的空間；與邊坡完全襯砌生態(tài)排水溝渠相比，邊坡半襯砌生態(tài)排水溝渠能增加溝壁的糙率，進(jìn)而減緩溝渠內(nèi)水流流速，增加水體停留時(shí)間；同時(shí)與全土材質(zhì)生態(tài)排水溝渠相比，其能保持邊坡在排水時(shí)的穩(wěn)定性，避免水土流失引起的二次污染。

3.3強(qiáng)化措施對生態(tài)排水溝渠削減氮的影響

本研究分析結(jié)果表明無強(qiáng)化措施的生態(tài)排水溝渠對TN削減效果低于設(shè)置攔截類、添加基質(zhì)類的生態(tài)排水溝渠，同時(shí)設(shè)置有攔截類和基質(zhì)類措施削減TN效果最好，說明具有強(qiáng)化措施的生態(tài)排水溝渠能夠提升削減TN的效果。而攔截類的TN削減效果稍低于基質(zhì)類的TN削減效果，可能是由于溝渠中植被的存在、溝渠自身特征、溫度等因素的對沖作用，致使攔截類措施的作用減小。基質(zhì)削減氮的主要途徑是依賴微生物的硝化／反硝化作用。攔截類措施可以減緩水流流速，使水力停留時(shí)間得到延長，氮與底泥、植物、微生物相互作用時(shí)間越長，越有利于提高溝渠對氮類污染物的削減效果。當(dāng)無攔截措施，溝渠中水體流速較大時(shí)，氮類污染物在溝渠中的停留時(shí)間較短，不足以影響植物對氮類營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，不利于氮的吸附和沉積。Baker等研究發(fā)現(xiàn)有堰的溝渠對無機(jī)氮攔截效率高達(dá)96％。Littlejohn等對帶有堰的溝渠進(jìn)行研究，表明農(nóng)田排水溝渠中水體的水力停留時(shí)間增加，使氮磷負(fù)荷減少14％-67％。Cai等將天然沸石和稻草組合作為生態(tài)排水溝渠的基質(zhì)，對氮的削減效率達(dá)到39.7％-65.9％，明顯高于單一基質(zhì)的生態(tài)排水溝渠。研究表明有機(jī)基質(zhì)（如木屑、秸稈和草炭等）比礦物基質(zhì)（如沸石、礫石、陶粒和碎石等）更有利于脫氮反應(yīng)，含碳的基質(zhì)可以為微生物的生長提供碳源，增強(qiáng)微生物活性，為硝酸鹽的反硝化提供條件。王孜顏等研究表明填料為木屑的生態(tài)溝渠對TN去除效率最高可達(dá)68.6％。生態(tài)排水溝渠中同時(shí)設(shè)置攔截措施和添加基質(zhì)類措施能夠極大提高對TN的削減效果，兩類措施能相輔相成，為生態(tài)排水溝渠削減TN提供良好的條件。

3.4溫度對生態(tài)排水溝渠削減氮的影響

農(nóng)田生態(tài)排水溝渠中的脫氮率有很強(qiáng)的溫度和季節(jié)變異性。溫度對氮污染物的削減起著重要的作用，溫度影響植被的生長、微生物的活性和生化反應(yīng)（硝化和反硝化反應(yīng)）的速率。本研究中，在gt;25-35℃時(shí)，生態(tài)排水溝渠對TN平均削減效率比總體平均削減效率（40.02％）高出7.04％。與Chen等的研究結(jié)果一致，在夏季（5-8月）時(shí)生態(tài)排水溝渠對TN削減效率達(dá)到峰值。數(shù)據(jù)庫中試驗(yàn)研究區(qū)域都處在長江流域且是亞熱帶，則溫度和季節(jié)具有很高的重合性，溫度處于gt;25-35℃的樣本量占夏季總樣本量的92.35％，溫度處于gt;15-25℃的樣本量占春秋兩季總樣本量的81.71％，溫度處于0-15℃的樣本量占冬季總樣本量的100％。

不同生長期植物對氮類污染物的去除效果也不相同。農(nóng)田生態(tài)排水溝渠數(shù)據(jù)庫中的植物以水花生、美人蕉、菖蒲、茭白等為主。春季時(shí)，植被處于生長階段且生物量較小，對氮吸收能力較差。秋末植被易枯萎腐敗，造成二次污染，降低溝渠對TN削減效率。研究表明，硝化作用的最佳溫度范圍為25-35℃，其中30℃時(shí)硝態(tài)氮的削減效率達(dá)到最大，適宜的溫度有利于氨的揮發(fā)以及氮的反硝化作用。同時(shí)夏季適宜植被生長，植物吸收氮的能力增強(qiáng)，植被覆蓋密度高，生物量大，對氮的積累量增加，凈化效果達(dá)到最好。

另外，在溫度為0-15℃，農(nóng)田生態(tài)排水溝渠對TN平均削減效率高于春秋兩季，主要原因是試驗(yàn)中種植了耐寒植被綠狐尾藻，其具有較高的生物量，能直接吸收氮類營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)硝化和反硝化反應(yīng)，有效削減氮類污染物。而春季時(shí)對氮吸收能力較小，秋季時(shí)植被枯萎腐敗，導(dǎo)致溝渠削減氮的效果較差。研究發(fā)現(xiàn)黑麥草、金錢蒲和西伯利亞鳶尾等屬于常綠性耐寒植物，能提高農(nóng)田生態(tài)排水溝渠在低溫下對氮類污染物的削減效果。

3.5TN進(jìn)水濃度對生態(tài)排水溝渠削減氮的影響

對于不同濃度的排水，氮去除的主要機(jī)理不同。氮的去除主要還是依靠硝化和反硝化反應(yīng)。Li等研究表明TN進(jìn)水濃度、懸浮物濃度、進(jìn)水流量和水深等4個(gè)因素中，TN進(jìn)水濃度對生態(tài)溝渠去除氮類污染物的影響最顯著。在一定濃度范圍內(nèi)，生態(tài)排水溝渠對氮類污染物削減效率隨進(jìn)水濃度增加而增大，當(dāng)進(jìn)水濃度超出凈化能力，TN削減效率下降。本文中農(nóng)田退水TN進(jìn)水濃度為gt;2-4 mg·L-1時(shí)，生態(tài)排水溝渠對TN削減效果最佳，主要是在該濃度范圍樣本量較大，且溝渠中種植吸收氮能力較強(qiáng)的植物（美人蕉、銅錢草、黑三棱、綠狐尾藻等），使得溝渠能夠高效地削減TN。徐涵等發(fā)現(xiàn)較低濃度下生態(tài)溝渠對氮削減效果高于較高濃度。劉福興等在實(shí)際應(yīng)用生態(tài)溝渠中，在低濃度（2.33-3.05 mg·L-1）和中濃度（3.82-4.97 mg·L-1）時(shí)，TN平均去除效率分別為58.00％和55.10％。溝渠中水體的氮負(fù)荷較低時(shí)，對氮類污染物去除效果更明顯。研究表明氨氮負(fù)荷在0.15-30.0 g·m-2·d-1范圍內(nèi)，濕地具有較高的去除能力。溝渠對氮類污染物有著一定的承受能力，超過溝渠的容納范圍，過量的氨會阻礙溝渠中的植被生長，甚至導(dǎo)致植被死亡，則溝渠的凈化效果減弱。對于不同TN進(jìn)水濃度，氮去除的主要機(jī)理不同。鄭于聰?shù)妊芯堪l(fā)現(xiàn)水葫蘆、百喜草、水花生和香根草4種植物在不同濃度的污水中表現(xiàn)為不同的生長狀態(tài)和不同的氮凈化效率。施思研究了圓幣草、菖蒲和美人蕉在低、中、高3種濃度污水中對總氮、氨態(tài)氮、總磷、化學(xué)需氧量的去除效果，發(fā)現(xiàn)不同水生植物凈化相同濃度污水的效果不同，同種水生植物凈化不同濃度污水的效果也不同。嚴(yán)國安等研究發(fā)現(xiàn)鳳眼蓮對污水中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的凈化效率與污水中氮、磷的濃度負(fù)荷有相關(guān)性，隨著氮、磷負(fù)荷的增加，鳳眼蓮對氮、磷的去除也增加，但若氮、磷負(fù)荷太高，超過鳳眼蓮的吸收速率，則凈化效果反而下降。對于不同的TN進(jìn)水濃度，溝渠需要定制合理的措施有效地削減TN。

3.6多因素對生態(tài)排水溝渠削減氮的影響

溝渠的長、寬、深對氮的截留效果有很大影響，溝渠規(guī)格不同，溝渠內(nèi)能容納的植物和微生物的數(shù)量和能力不同，規(guī)格越大，容納量越大，凈化氮磷潛能也越大。隨著溝渠長度增加，污染物濃度逐漸降低，說明污染物在生態(tài)排水溝渠中的遷移具有一定的規(guī)律性。有研究表明，水位0.4 m相比于0.1 m和0.2 m時(shí)，綠狐尾藻的生長高度最高，根系最長，說明較高水位對植被的生長有一定的保護(hù)作用。一般來說，溝渠長度較長且溝渠深度較深時(shí)，溝渠中水生植物生長狀況更好，與水體接觸時(shí)間更長，有利于水生植物對氮磷的吸收和利用。不同水深對氮去除效果不同，水體中溶解氧的濃度會隨著水深的增大而減小，硝化反應(yīng)需要在有氧環(huán)境，而反硝化時(shí)需要在低氧環(huán)境下。一般認(rèn)為進(jìn)水污染物濃度越高，停留時(shí)間越長，水質(zhì)凈化效果越好。張燕研究了生態(tài)溝渠中水力停留時(shí)間對氮去除效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在較低的流速下，水力停留時(shí)間得到延長，溝渠能更有效地去除氮。

4結(jié)論

（1）確定生態(tài)排水溝渠削減TN的優(yōu)選因素。種植人工植被的生態(tài)排水溝渠TN削減效果優(yōu)于自然植被；多種人工植被的TN削減效果優(yōu)于多種自然植被、單一人工植被、單一自然植被。溝渠類型中半襯砌材質(zhì)溝渠對TN削減效果優(yōu)于全土材質(zhì)；半襯砌材質(zhì)中，選擇邊坡半襯砌的生態(tài)排水溝渠TN削減效果優(yōu)于邊坡完全襯砌和完全半襯砌。設(shè)置有強(qiáng)化措施的生態(tài)排水溝渠對TN去除效果優(yōu)于未設(shè)置強(qiáng)化措施；設(shè)置有攔截+基質(zhì)類的生態(tài)排水溝渠對TN削減效果比單獨(dú)添加基質(zhì)類或設(shè)置攔截類強(qiáng)化措施好。

（2）在不同溫度條件下，生態(tài)排水溝渠處于gt;25-35℃時(shí)TN削減效果最佳，其TN平均削減效率為47.06％。在低溫條件下需要通過種植耐寒植物來提高農(nóng)田生態(tài)排水溝渠對氮類污染物削減效果。

（3）農(nóng)田排水溝渠TN進(jìn)水濃度在gt;2-4 mg·L-1之間，占全區(qū)間樣本的41.51％，TN出水濃度在0-2 mg·L-1之間，占全區(qū)間樣本的59.04％。TN進(jìn)水濃度為gt;2-4 mg·L-1時(shí)，生態(tài)排水溝渠對TN削減效率最佳，TN平均削減效率達(dá)到48.17％。

（4）TN削減效率隨著溝渠長度、水深、水力停留時(shí)間增大而增大。在多種人工植被、邊坡半襯砌材質(zhì)、設(shè)有強(qiáng)化措施的的溝渠中，TN表面去除負(fù)荷與TN進(jìn)口濃度呈現(xiàn)正相關(guān)性。