稻田水系統(tǒng)各單元功能協(xié)同：防控農(nóng)業(yè)面源污染新策略

摘要：綜述稻田水系統(tǒng)各單元功能及協(xié)同作用，為業(yè)面源污染控制提供參考。稻田兼具農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)與污染凈化功能；溝渠可排水、灌溉、減輕洪水風(fēng)險(xiǎn)，還能消納污染；水塘具有蓄水、灌溉、養(yǎng)殖、凈化水質(zhì)等作用。各單元協(xié)同可實(shí)現(xiàn)源頭減排、過程削減、末端治理。通過聯(lián)合調(diào)控，稻田水系統(tǒng)能有效吸納污染物，凈化尾水回用，周叢生物在其中也發(fā)揮重要作用。未來應(yīng)深入研究系統(tǒng)對氮磷的吸收容量、優(yōu)化植物配置與管理、因地制宜選擇基質(zhì)和植物、建立野外監(jiān)測系統(tǒng)，以提升對農(nóng)業(yè)面源污染的控制效果，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：稻田水系統(tǒng)；溝塘濕地；面源污染；氮磷

中圖分類號：X506" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " 文章編號：1674-3075（2025）01-0155-11

農(nóng)業(yè)面源污染是指在農(nóng)業(yè)區(qū)域內(nèi)發(fā)生的面源污染，是在降水或灌溉時(shí)，農(nóng)藥、氮、磷和其他有機(jī)或無機(jī)污染物質(zhì)通過稻田排水、地表徑流等方式進(jìn)入環(huán)境水體的污染模式。在很多發(fā)達(dá)國家，農(nóng)業(yè)面源污染也是水環(huán)境污染的主要來源。在美國，農(nóng)業(yè)面源污染排放量占水體總污染物的67.0%以上，并有持續(xù)升高趨勢（Mekonnen amp; Hoekstra，2018）。在加拿大迪芬貝克湖地區(qū)，農(nóng)業(yè)面源污染中的總氮與總磷排放量分別占排入水體總氮、總磷污染物的70.0%和90.0%（Out et al，2017）。英國農(nóng)業(yè)面源污染是地表水體中氮磷的主要污染源，丹麥270條河流94%的氮負(fù)荷和52%的磷負(fù)荷主要來源于氮磷面源污染（徐雅等， 2022）。隨著點(diǎn)源污染逐步得到有效控制，農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國的主要環(huán)境問題，嚴(yán)重影響了我國的生態(tài)環(huán)境和人體健康。2020年第二次全國污染源普查公報(bào)顯示，農(nóng)業(yè)污染源是中國水環(huán)境污染的“主要貢獻(xiàn)者”，化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）和總磷（TP）排放量分別占地表水體總污染負(fù)荷的49.8%、46.5%和67.2%（中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部，2020）。

稻田、排水溝、渠和水塘作為稻田水系統(tǒng)的組成單元，對于面源污染的源頭減排、環(huán)境自凈具有重要作用。彭世彰等（2013）和吳夢（2019）認(rèn)為，在稻田與明溝濕地協(xié)同控制灌溉和排水可大幅降低稻田和明溝的排水量，從而有效減少氮磷的排放負(fù)荷。然而，稻田與明溝濕地協(xié)同系統(tǒng)更注重對水流的控制，未考慮稻田水系統(tǒng)各單元的協(xié)同作用。石闖等（2021）認(rèn)為，溝渠作為農(nóng)業(yè)面源污染物的遷移通道，在適當(dāng)?shù)母蓾窠惶骝?qū)動(dòng)下，對各形態(tài)氮均有較好的去除效果；羅躍輝等（2022）指出，在洱海保護(hù)行動(dòng)中，大理市建設(shè)的生態(tài)應(yīng)急庫塘對農(nóng)業(yè)面源污染起到了攔截作用；張功良等（2021）應(yīng)用了梯級濕地技術(shù)處理川渝地區(qū)典型丘陵地形小流域農(nóng)村非點(diǎn)源污染控制問題；這些措施雖然發(fā)揮了一定的作用，卻只應(yīng)用了稻田水系統(tǒng)中的某一單元，并未從整個(gè)稻田水系統(tǒng)方面去考慮解決農(nóng)業(yè)面源污染問題。

目前，有關(guān)農(nóng)業(yè)面源污染的來源、控制措施和阻控方法的綜述較多，但對于稻田水系統(tǒng)各單元協(xié)同阻控農(nóng)業(yè)面源污染以及如何優(yōu)化水系統(tǒng)中各單元布局等方面的綜述還較少。因此，本文整合稻田、排水溝渠、溝塘濕地等水體單元，形成一體化的水生環(huán)境，對稻田水系統(tǒng)各單元的功能進(jìn)行梳理。通過對稻田水系統(tǒng)各單元的全程調(diào)控，強(qiáng)化其協(xié)同作用，改變系統(tǒng)內(nèi)部的污染狀態(tài)，并構(gòu)成多結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合的水生生態(tài)，從而解決農(nóng)業(yè)面源污水無組織排放的問題。

1" "稻田水系統(tǒng)中各單元的功能

稻田水系統(tǒng)主要由稻田、溝渠和水塘組成，這些單元是稻田生態(tài)系統(tǒng)中水體的主要載體，各單元具有不同的功能，對稻田生態(tài)系統(tǒng)的水分和養(yǎng)分輸送具有重要作用。同時(shí)，溝渠和水塘既有助于洪水時(shí)的排澇，也有助于減輕稻田化肥和農(nóng)藥對河湖水體的污染。

1.1" "稻田生態(tài)系統(tǒng)的功能

稻田生態(tài)系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，可以為人類提供大量的農(nóng)產(chǎn)品，滿足人類生存發(fā)展的需求（方福平，2016）。稻田生態(tài)系統(tǒng)是由稻田生物系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)和人為調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成的人工-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)（方福平，2016；徐琪等，1998）。在水稻生產(chǎn)過程中，稻田會(huì)通過地表徑流、地下滲漏、氨揮發(fā)等途徑對環(huán)境造成污染。稻田的生態(tài)工程，如稻鴨共作、稻蝦共作、稻魚共作等，為農(nóng)民和環(huán)境帶來多種益處，可以改善農(nóng)業(yè)土壤的營養(yǎng)，也可以從源頭上控制稻田的化學(xué)農(nóng)藥污染（Horgan et al，2017）。

稻田生態(tài)系統(tǒng)也是一個(gè)特殊的濕地系統(tǒng)，能夠消納部分未被作物利用的化肥和農(nóng)藥，減少這些污染物的外排。稻田生態(tài)系統(tǒng)還可用于凈化污水。在歷史上，東京直到人口超過100萬才有污水處理系統(tǒng)，主要是因?yàn)楫?dāng)時(shí)人類的排泄物被用于稻田施肥。污水中富含植物生長所需的養(yǎng)分，因此非常適合農(nóng)業(yè)灌溉，將廢水回用于農(nóng)業(yè)灌溉可帶來巨大的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益（Natuhara，2013；Norton-Brand?o et al，2013）。Watanabe等（2017）通過在循環(huán)灌溉系統(tǒng)中使用經(jīng)過處理的城市廢水種植用作動(dòng)物飼料的水稻，實(shí)現(xiàn)了更高的作物產(chǎn)量和更多的大米蛋白質(zhì)含量。這意味著稻田生態(tài)系統(tǒng)有效地吸收了處理后的廢水中的養(yǎng)分，從而凈化了污水并增加了水稻產(chǎn)量和整個(gè)植物的生物量。

1.2" "溝渠的功能

溝渠可自然形成或由人工挖掘而成，在水利和生態(tài)方面發(fā)揮重要作用，也是一種特殊的濕地系統(tǒng)。Gerakis和Kalburtji（1998）認(rèn)為稻田溝渠是人工挖掘的以排水為主要目的人工水道，是連接稻田和受納水體（湖泊、江河、濕地）的過渡區(qū)域。溝渠的主要作用包括排水、灌溉農(nóng)作物和減輕洪水風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，農(nóng)業(yè)溝渠對排污和運(yùn)輸?shù)乇韽搅髦陵P(guān)重要，能夠在排水不暢的農(nóng)業(yè)景觀中實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生產(chǎn)。溝渠還將稻田生態(tài)系統(tǒng)中的化肥和農(nóng)藥等污染物傳輸?shù)较掠嗡w。在集約化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，徑流是農(nóng)藥的污染主要擴(kuò)散途徑之一，對地表水構(gòu)成潛在威脅。此外，溝渠對農(nóng)業(yè)景觀的豐富性也具有獨(dú)特貢獻(xiàn)。

農(nóng)業(yè)面源污染會(huì)導(dǎo)致周圍水體的富營養(yǎng)化和生態(tài)系統(tǒng)惡化（Cui et al，2020），而溝渠被廣泛用于控制農(nóng)業(yè)面源污染的水利工程之一。在傳統(tǒng)上，溝渠可以保護(hù)稻田免受土壤侵蝕和控制內(nèi)澇，通過割草、化學(xué)除草、疏浚或燃燒來管理可以確保它們的最佳水力容量。Needelman等（2007）認(rèn)為溝渠是同時(shí)具有溪流和濕地特征的獨(dú)特的工程生態(tài)系統(tǒng)。總之，溝渠不僅僅用于稻田排水和灌溉，還具有消納來自稻田的污染以及景觀的作用。

1.3" "水塘的功能

水塘是農(nóng)村景觀的重要組成部分，是一個(gè)復(fù)合的水生態(tài)系統(tǒng)，具有蓄水防洪、灌溉稻田、提供飼料、養(yǎng)殖魚類、凈化水質(zhì)和保護(hù)生物多樣性等功能（Fu et al，2018；Choe et al，2016）。

灌溉是水塘的主要功能之一。在灌溉期，水塘可作為地表和地下水資源的重要替代水源（Ouyang et al，2018），用于稻田灌溉，實(shí)現(xiàn)生態(tài)循環(huán)，為農(nóng)作物的生長提供充足的水源，提高作物產(chǎn)量（Jiang et al，2019；Noory et al，2019；Riley et al，2018）。氮磷等養(yǎng)分會(huì)隨著地表徑流進(jìn)入水塘（Pham et al，2017），因此灌溉池塘的使用可以提高灌溉水資源的可用性和質(zhì)量并促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)性（López-Felices et al，2020）。

農(nóng)村的水塘里一般會(huì)養(yǎng)殖一些用作牲畜飼料的水生植物，如浮萍、水葫蘆等。這些水生植物不僅可以給農(nóng)民提供飼料，還可以凈化水質(zhì)。此外，水塘具有良好的持留能力，能夠有效控制氮磷等面源污染的輸出，在水質(zhì)凈化方面具有明顯的調(diào)節(jié)作用。Arheimer和Wittgren（ 2002）對瑞士南部流域的研究表明，恢復(fù)占流域0.4%的濕地能減少6%的氮素進(jìn)入海岸帶。Zhao等（2016）建立了2個(gè)與濕地相結(jié)合的藻類水塘，在水力停留3 d時(shí)，氮的去除率為92.85%，磷的去除率為69.74%。Fairchild等（2006）在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)水力停留時(shí)間較長的水塘對污染物的去除率更高。

2" "稻田水系統(tǒng)各單元的協(xié)同作用

2.1" "源頭控制：科學(xué)施肥，控制農(nóng)藥

氮肥為農(nóng)作物生長提供了必要的氮元素，但是過量施用氮肥會(huì)導(dǎo)致氮利用效率 （NUE） 低和溫室氣體N2O的排放升高（Maaz et al，2021；He et al，2021）。施用的磷肥在土壤中會(huì)被快速固定，只有小部分磷可直接被作物吸收，導(dǎo)致大部分磷留在土壤表層，而植物根部磷含量偏低（Tumbure et al，2020；Zheng et al， 2020）。An等（2022）利用小分子腐植酸包覆磷肥，得到一種流動(dòng)性好的新型磷肥，提高了磷肥的縱向遷移效率。Ikram等（2019）在2年的田間試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，與單獨(dú)施用磷肥相比，施用有機(jī)肥改良的磷肥有利于提高土壤中磷的有效性，提高無機(jī)肥料的效率，并提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。

施肥方式對于肥料的利用有重要影響。與采用傳統(tǒng)灌溉方法的水稻相比，滴灌的使用在提高干物質(zhì)分配、葉片光合作用以及根系氧化能力的同時(shí)還提高了一倍的水分生產(chǎn)率（Bansal et al，2021）。與傳統(tǒng)灌溉方法相比，在不影響糧食產(chǎn)量的前提下，滴灌技術(shù)能節(jié)水27.0%。

施肥時(shí)間也會(huì)影響作物對肥料的利用率。推遲基肥施用既可以降低稻田的氮肥施用量，又可以提高作物產(chǎn)量，在三控技術(shù)（控肥、控苗、控病蟲）下，可以將施肥從生長前期推遲到生長后期（Wang et al，2017）。從田間試驗(yàn)結(jié)果可知，大約90%的N2O排放是由基肥投入造成的，隨著小穗施肥量從0增加到60%時(shí)，小穗數(shù)不斷增加， N2O排放量也不斷減少。田間試驗(yàn)結(jié)果還表明，優(yōu)化小穗施肥量將使籽粒產(chǎn)量提高20%。因此，優(yōu)化小穗肥料投入可以減少N2O排放，提高氮素利用效率，提高糧食產(chǎn)量（Zhang et al，2020；Zhang et al，2022）。

此外，肥料的形態(tài)也會(huì)影響作物對肥料的利用率。為了提高養(yǎng)分的利用效率，可以將傳統(tǒng)肥料加工成化學(xué)合成緩釋肥。但是目前市場上的化學(xué)合成緩釋肥僅含氮養(yǎng)分，短期內(nèi)難以降解和釋放養(yǎng)分，不能完全滿足農(nóng)作物的營養(yǎng)需求。Li等（2022）以尿素、甲醛和磷酸氫二銨為原料，采用噴霧干燥法制備了一種低成本的綠色化學(xué)合成緩釋肥料。與傳統(tǒng)化學(xué)合成緩釋肥相比，這款新型綠色化學(xué)合成緩釋肥不僅提高了磷、鉀的緩釋功能，表現(xiàn)出優(yōu)異的養(yǎng)分緩釋性能，而且原料成本和能耗分別降低了17.51%和38.13%，顯著提高了農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。

農(nóng)藥是稻田生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的生產(chǎn)資料，對控制病蟲草的發(fā)生危害、保護(hù)水稻安全生長、提高水稻產(chǎn)量均有重要作用，但是農(nóng)藥的大量使用也對環(huán)境造成了不可忽視的面源污染，控制農(nóng)藥施用可以從以下幾方面入手。

首先是生物防治，在秧苗移栽返青后，將雛鴨雌雄混合放入稻田，水稻抽穗后田間停止放鴨，稻鴨共育期間不得使用任何化學(xué)農(nóng)藥。在稻鴨共育期過后可以有針對性地施用生物農(nóng)藥，例如對于紋枯病，在水稻分蘗期、抽穗期和灌漿期，用0.5%幾丁聚糖水劑兌水噴霧，注意把藥液著重噴到稻株下部；也可以通過理化誘控來殺滅害蟲，使用太陽能頻振式殺蟲燈誘殺水稻螟蟲、稻飛虱、葉蟬等鱗翅目、同翅目害蟲；最后是化學(xué)防治，必要時(shí)控制使用高效、低毒、低殘留的化學(xué)農(nóng)藥。2 種以上病（蟲、草）害混合發(fā)生時(shí)，則選擇具有兼治作用的復(fù)配農(nóng)藥。堅(jiān)持適期防治、輪換交替使用農(nóng)藥的原則（徐麗君和倪萌，2014）。

化肥的過度使用會(huì)導(dǎo)致稻田土壤退化和微生物群落的減少，過量使用化肥會(huì)使農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)失衡，導(dǎo)致土地超載、肥力降低和種植障礙（Shen et al，2022）。農(nóng)藥的過度使用會(huì)導(dǎo)致土壤板結(jié)、病菌和害蟲對農(nóng)藥的抗藥性增強(qiáng)、有益生物被殺傷。因此，科學(xué)合理的使用化肥和農(nóng)藥能夠獲得高質(zhì)量和高產(chǎn)量的農(nóng)產(chǎn)品，帶來經(jīng)濟(jì)利益，也能減少對環(huán)境的污染（Tabak et al，2020）。

2.2" "過程削減：稻田農(nóng)藝調(diào)控

中國地勢西高東低，地形復(fù)雜。地形坡度較大的稻田容易流失水土養(yǎng)分（包括氮磷等營養(yǎng)元素）。在丘陵區(qū)，耕地需要采取合適的農(nóng)藝調(diào)控手段，以便調(diào)節(jié)徑流、控制氮磷流失、改善耕地質(zhì)量（Han et al，2019）。

緩坡地是指地形坡度小于10°、滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械化或土地規(guī)模化經(jīng)營要求的大面積耕地。當(dāng)斜坡耕地改造成緩坡地后，稻田系統(tǒng)能有效攔截地表徑流，增加土壤水分和養(yǎng)分，保持耕地水、土、肥，防止水土流失。并且稻田建設(shè)可以促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，反過來推動(dòng)區(qū)域耕作技術(shù)和施肥技術(shù)的不斷改進(jìn)，從而降低農(nóng)藥和化肥的使用（Zhong et al，2020）。

不同的種植方式對斜坡耕地的土壤和養(yǎng)分流失也存在影響，凸床種植和等高樹籬可有效減少地表徑流造成的養(yǎng)分流失。水稻種植通常采用淹水平栽，但這會(huì)降低肥料吸收率，可以在田間作一個(gè)15 cm高的凸床，然后種植水稻。灌溉水從溝渠進(jìn)入稻田，并通過毛細(xì)管作用向上驅(qū)動(dòng)至河床表面。與平原系統(tǒng)中的灌溉相比，凸床上的種植促進(jìn)了養(yǎng)分的吸收、運(yùn)輸和水稻產(chǎn)量的增加（Majeed et al，2017）。

在田埂上種植桑樹作為綠籬，可以拔高田埂的高度且更有利于保持水土，避免水土流失。每年修剪的桑枝被用來生產(chǎn)有機(jī)食用菌，并將菌渣作為有機(jī)肥還田，減少施肥量。這種生態(tài)循環(huán)使土壤的蓄水能力和養(yǎng)分含量分別提高了約20%～35%和9%～13%； 減少泥沙流失60%～80%，減少氮磷流失30%～70%和50%～90%（Zhong et al，2020；Xia et al，2014）。

休耕季節(jié)時(shí)，在稻田里種植覆蓋作物可以改善土壤質(zhì)量，減少化肥施用量，同時(shí)仍保持或增加隨后的作物產(chǎn)量。這種方法會(huì)影響稻田的NH3和溫室氣體排放（Raheem et al，2019）。這些覆蓋作物包括豆類和有色作物。休耕期種植豌豆可增加豆科殘?jiān)械牡?，提高主要作物的氮素吸收和氮素利用效率（Guardia et al，2016）。黑麥草、芥菜、蘿卜等有色作物可以減少休耕期的氮素淋失，增加土壤有機(jī)質(zhì)的氮素儲(chǔ)量和主要農(nóng)作物產(chǎn)量，與沒有覆蓋作物的情況相比，顯著減少了N2O和CO2排放（Sun et al，2022）。有研究發(fā)現(xiàn)，在稻麥輪作系統(tǒng)中，使用紫云英替代小麥后，通過調(diào)整施肥時(shí)間，即使施氮量減少44%～56%，其水稻產(chǎn)量仍與稻麥系統(tǒng)中氮肥施用量為270kg/hm2時(shí)的水稻產(chǎn)量相當(dāng)（Qiao et al，2021）。

傳統(tǒng)的稻田水分管理用水量大，水分利用效率低，加劇了稻田面源污染。新型的稻田水分管理措施包括節(jié)水灌溉模式、稻田“零排放”水分管理模式和稻田流域化水分管理模式。周靜雯等（2016）在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，干濕交替節(jié)水灌溉的稻田在降雨量達(dá)到90 mm時(shí)未產(chǎn)生徑流，而傳統(tǒng)灌溉的稻田在降雨量達(dá)到50 mm時(shí)便已產(chǎn)生徑流造成氮磷流失。這說明節(jié)水灌溉模式可以明顯減少農(nóng)業(yè)面源污染。張志劍等（2007）提出了稻田“零排放”水分管理模式，即在節(jié)水灌溉的基礎(chǔ)上，綜合降雨信息，將田間烤田取代人工田間排水，確保在水稻的全生育期內(nèi)只灌不排的稻田水分管理技術(shù)。稻田流域化水分管理模式即將稻田和周圍的溝渠、水塘等各單元看成一個(gè)稻田水系統(tǒng)，稻田排水進(jìn)入周圍溝渠后，部分停留在溝渠中，隨著水力停留時(shí)間的延長，氮磷排出的負(fù)荷會(huì)降低，部分通過溝渠進(jìn)入滯留塘凈化處理后可再次利用，降低了氮磷流失負(fù)荷的同時(shí)提高了水體的利用率（華玲玲等，2018）。

2.3" "末端治理：溝塘凈化過程

稻田系統(tǒng)中流失的農(nóng)藥及氮磷等營養(yǎng)元素是造成面源污染的主要原因。排水渠、排水溝、水塘是小型的濕地系統(tǒng)。其中的植物、微生物和底層基質(zhì)是去除污染物的主力軍。溝塘濕地能有效地去除稻田排水中的氮磷和農(nóng)藥，并且營運(yùn)和維護(hù)成本低，對于農(nóng)業(yè)面源污染的治理具有重要意義。有研究表明（Durán-de-Bazúa et al，2008；Pi?eyro et al，2019；Li et al，2020a），溝塘濕地通過植物、基質(zhì)及微生物的共同作用，能有效地去除氮磷及農(nóng)藥等污染物，并能截留降雨徑流，有效地控制稻田面源污染物的輸出，其去除氮磷的途徑見圖1。

在溝塘濕地系統(tǒng)中，植物是主要組成部分（Hu et al，2021）。水生植物的種類、密度和分布會(huì)影響溝塘濕地的持水能力，從而影響其除污能力（Guo et al，2017）。 Gill等（2008）研究表明，天然的植草排水溝對農(nóng)藥毒死蜱（chlorpyrifos）的去除率達(dá)38%。Borin等（2001）的研究表明，植草的人工濕地能夠吸收10倍面積的稻田排水中的硝氮。

濕地植物種類繁多。不同植物的生存條件和凈水效果差異很大。因此，根據(jù)環(huán)境條件，選擇合適的濕地植物，既有助于其生長，又能獲得更好的除污效果。Weimin等（2020）研究發(fā)現(xiàn)，所選擇的濕地植物對NH4+-N和NO3--N的去除率分別為71%～96%和46%～76%，PO43--P的去除率為79%～94%。

濕地內(nèi)的基質(zhì)對污染物有過濾和吸附作用。礫石是一種常用的填充基質(zhì)，通過物理吸附來實(shí)現(xiàn)污染物的去除。通過人工曝氣，用礫石建造的濕地可以去除58%的總氮（Lin et al，2015）。沸石是一種天然礦石，其內(nèi)部空隙大，對氮磷有很好的吸附效果（Sethia et al，2015）。沸石作為基質(zhì)，對有機(jī)物、氮和磷的去除率分別為95%、80%和70%（Stefanakis et al，2009）。當(dāng)使用沸石作為混合基質(zhì)時(shí)，對總氮的去除率達(dá)到80.3%～92.1%（He et al，2017）。礦渣作為基質(zhì)，對人工濕地處理污水的效果較好，磷的去除率維持在較高水平（Luo et al，2017；Park et al，2016；Blanco et al，2016）。礦渣對總磷的吸附量比礫石高20%，且礦渣對總磷的吸附飽和較快（Li et al，2021）。

溝塘濕地系統(tǒng)中的微生物在凈化污水過程中發(fā)揮重要作用（Tang et al， 2020）。有研究表明，在4 d內(nèi)，施用有效微生物菌群（effective microorganisms）后，總氮和總磷的濃度分別降低了78%和40%，而不施用有效微生物菌群情況下，總氮和總磷濃度分別降低50%和20%（Li et al，2020b）。

3" "各單元聯(lián)合調(diào)控應(yīng)對農(nóng)業(yè)面源污染

稻田水系統(tǒng)是控制農(nóng)業(yè)面源污染的水資源綜合管理系統(tǒng)，由稻田系統(tǒng)、排水溝渠和水塘濕地組成。該系統(tǒng)通過聯(lián)合控制灌溉技術(shù)、控制排水技術(shù)和溝塘濕地生態(tài)凈化技術(shù)，使稻田系統(tǒng)、排水明溝和溝塘濕地系統(tǒng)緊密聯(lián)結(jié)成為一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)。稻田水系統(tǒng)各單元協(xié)同作用示意見圖2。

稻田生態(tài)系統(tǒng)能夠吸納水體和土壤中的有機(jī)碳、營養(yǎng)物質(zhì)和無機(jī)微量元素，在獲得較高的作物產(chǎn)出的同時(shí)也凈化了水質(zhì)，減輕了環(huán)境壓力。當(dāng)施肥過度，稻田本身無法完全吸收時(shí)，養(yǎng)分可以經(jīng)由溝渠排入池塘。這些養(yǎng)分在流經(jīng)溝渠和水塘的過程中，部分被攔截，剩余的養(yǎng)分在水塘生態(tài)系統(tǒng)中被進(jìn)一步去除，從而避免污染物隨水流進(jìn)入下游的河流和湖泊中水體。下暴雨時(shí)，水流域系統(tǒng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量懸浮物，這些懸浮物往往攜帶多種污染物。若溝塘濕地的環(huán)境容量達(dá)到極限，則稻田生態(tài)系統(tǒng)可以幫助消納部分懸浮物和污染物。在前期，溝塘濕地中的周叢生物和基質(zhì)是養(yǎng)分的“匯”，到了后期，周叢生物和基質(zhì)便成了養(yǎng)分的“源”，此時(shí)可以將周叢生物作為肥料轉(zhuǎn)移到稻田生態(tài)系統(tǒng)中，既為稻田生態(tài)系統(tǒng)提供了養(yǎng)分，又避免了后期“源”對流域的污染。經(jīng)過溝塘濕地凈化并達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的稻田尾水可以回用，再次灌溉稻田或者向下游河湖水體排放，當(dāng)附近水域達(dá)到承載上限時(shí)，需將尾水調(diào)控至其他具有自凈能力的水域。

周叢生物由藻類、細(xì)菌、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物、附生植物和無機(jī)礦物組成，普遍存在于淹沒在水中的各種基質(zhì)表面，如稻田、溝渠和水塘中（Lu et al，2016）。周叢生物能有效去除稻田水系統(tǒng)中的氮磷污染物，其主要通過硝化與反硝化、吸收來脫氮，機(jī)理見圖3，而除磷原理包括吸收降解、胞外聚合物吸附和共沉淀（圖4）。稻田水系統(tǒng)中的各個(gè)單元有著豐富的水源和養(yǎng)分，為周叢生物的生長提供保障。藻類和細(xì)菌都能有效去除氮磷。它們之間會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用，比單獨(dú)的藻類或細(xì)菌能更快去除養(yǎng)分和污染物。周叢生物對于面源污染的控制具有重要的作用（Marella et al，2022）。

周叢生物光合作用釋放的氧氣會(huì)增加上覆水和表層土壤的溶解氧，從而促進(jìn)銨和尿素的硝化作用。此外，硝酸鹽會(huì)遷移到厭氧層，并在反硝化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為N2（Wu et al，2018）。周叢生物會(huì)將一部分無機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮，促進(jìn)生物的增殖。此時(shí)周叢生物是氮的“匯”。而當(dāng)周叢生物腐爛后，氮會(huì)被釋放到環(huán)境中，成為氮的“源”（Nakanishi et al，2014）。由此可見，周叢生物能夠吸收稻田和溝塘濕地中的氮，從而減少氮的徑流流失。

周叢生物在調(diào)節(jié)局部磷循環(huán)中同樣發(fā)揮關(guān)鍵作用。一方面，周叢生物對磷有很高的親和力，可以通過截留、同化、吸附等過程去除水中的磷；另一方面，周叢生物可以產(chǎn)生胞外酶，如堿性磷酸酶（AP），將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷（Wu et al，2016；Wu et al，2018）。

4" "結(jié)論與展望

稻田流失的氮、磷是導(dǎo)致環(huán)境水體富營養(yǎng)化的主要原因之一。隨著點(diǎn)源污染逐漸得到控制，如何有效防治稻田面源污染、修復(fù)水環(huán)境成為目前需要解決的問題。化肥和農(nóng)藥的施用顯著提高了作物產(chǎn)量和品質(zhì)，但也給生態(tài)環(huán)境造成潛在的危害。大量氮磷污染物會(huì)隨稻田排水進(jìn)入溝渠和水塘，最后進(jìn)入河流和湖泊等下游水體。溝渠起到為稻田排水和灌溉的作用，也是小型的濕地系統(tǒng)，對稻田排水中的養(yǎng)分和污染物起到攔截作用。水塘具有蓄水防洪、灌溉、魚類生產(chǎn)、水質(zhì)凈化和生物多樣性保護(hù)等功能，是稻田水生態(tài)系統(tǒng)中的重要一環(huán)。稻田、溝渠和水塘中的植物、微生物和底層基質(zhì)通過生物、化學(xué)和物理過程，能有效降低稻田及其排水中殘余的氮磷，為面源污染控制發(fā)揮重要作用。在稻田吸收部分氮磷后，剩余氮磷排入溝塘濕地。當(dāng)下暴雨時(shí)，溝塘濕地產(chǎn)生的懸浮物能夠被稻田消納一部分。而且溝塘濕地凈化后的尾水和周叢生物肥料可以回用至稻田，這樣可以減少化肥的使用，降低污染排放。因此，協(xié)調(diào)稻田、溝渠和水塘之間的相互關(guān)系，有助于實(shí)現(xiàn)對面源污染的源頭減排、過程削減和末端治理，從而顯著降低農(nóng)業(yè)面源污染對下游河流和湖泊等水體的危害，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

目前，農(nóng)業(yè)面源污染控制多強(qiáng)調(diào)減少化肥和農(nóng)藥的使用，以及采用工程措施強(qiáng)化面源污染處理，卻忽視了稻田、溝渠和水塘等前體單元及其三者協(xié)同作用產(chǎn)生的自凈能力，因而難以取得好的面源污染控制效果。今后，應(yīng)強(qiáng)化稻田、溝渠和水塘之間的協(xié)同作用，不斷提升其對農(nóng)業(yè)面源污染的減排效果，可著重從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究。

（1）稻田水系統(tǒng)包括了稻田、排水溝渠和水塘濕地等水體，是一個(gè)有機(jī)聯(lián)系的整體，尚需進(jìn)一步研究不同系統(tǒng)對氮磷的吸收容量，以及如何提高該系統(tǒng)對氮磷的吸收能力。

（2）系統(tǒng)內(nèi)的植物成熟后若不及時(shí)收割移除，衰敗后的植物殘?bào)w在溝塘濕地內(nèi)分解，消耗溶解氧的同時(shí)會(huì)釋放有毒有害物質(zhì)，分解出的有機(jī)質(zhì)逐年沉積會(huì)墊厚底泥層，導(dǎo)致水質(zhì)局部惡化現(xiàn)象。因此，在系統(tǒng)中如何配置水生植物、控制其生長繁殖、收割移除及植物殘?bào)w腐爛分解等方面仍需優(yōu)化。

（3）部分地區(qū)土壤和水體不斷堿化、有機(jī)污染嚴(yán)重，可供選擇的基質(zhì)和植物種類較少，限制了生態(tài)溝塘濕地的應(yīng)用。因此，對于生態(tài)溝渠基質(zhì)的選擇和植物的適應(yīng)性需進(jìn)一步研究，開發(fā)出因地制宜的防治農(nóng)業(yè)面源污染的生態(tài)溝渠。

（4）稻田水系統(tǒng)的凈化能力容易受氣溫、進(jìn)水水質(zhì)、水量的影響，需要在野外設(shè)立在線監(jiān)測系統(tǒng)，及時(shí)獲取數(shù)據(jù)，以便研究不同因素對稻田水系統(tǒng)凈化能力的影響。

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Functions of Paddy Field Water System Units and Their Synergistic Effects

in Reducing Agricultural Non-point Source Pollution

Abstract：With effective control of point source pollution in China， agricultural non-point source pollution has become a major environmental problem. Protecting rural ecosystems and controlling agricultural non-point source pollution are important for developing an ecological civilization and revitalizing the rural regions of China. Due to excessive usage of chemical fertilizers and pesticides， agricultural chemicals not absorbed by crops enter the water environment by surface runoff， paddy field drainage and underground seepage， resulting in surface and groundwater pollution. Paddy fields， irrigation ditches， and ditch-pond wetlands， as integral components of the paddy field water system， play a crucial role in reducing non-point source pollution at the source and enhancing environmental self-purification. In this study， we summarized the primary functions of each unit in the paddy field water system， as well as their synergistic effects in enhancing the self-purification capacity of paddy field ecosystems and controlling agricultural non-point source pollution. Through spatial optimization and comprehensive regulation and control of each unit within the paddy field water system， the system can achieve source control， process reduction and end-of-pipe treatment of agricultural non-point source pollution， consequently improving the agricultural ecological environment and enhancing the environmental carrying capacity of the paddy field ecosystem. Recommendations for further study of the paddy field water system are also made， including the nitrogen and phosphorus absorption capacity of each unit of the system， selecting and managing substrates and aquatic plants according to local conditions， and establishing a field detection system to explore the impact of various factors on the purification capacity of the paddy field water system.

Key words：paddy field water system；ditch-pond wetland；non-point source pollution；nitrogen and phosphorus