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畜禽养殖业和种植业等农业源的氮(N)､磷(P)排放是区域水体富营养化的重要养分来源[1-2], 严重影响水体质量且威胁生态系统[3]｡研究表明, 国外地表水中50%以上N､P源自于农田径流,而我国农业面源N､P占30%~60%以上[4]｡因此, 研究农业面源污染阻控技术具有重要意义｡农田排水沟渠系统为农田与水体过渡带,具有排水和生态湿地双重功效,是农田N､P等面源污染物的汇聚地[5],也是富营养化水体的营养物质输出源,已成为研究农业面源污染防控技术的关键[6]｡
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农田排水沟渠(宽深一般都在2 m以下)是南方丘陵农业区最常见的农田排灌设施,沟网密度大,面积一般占总土地的3%左右[7]｡传统土沟渠虽有一定吸附N､P作用,但保土能力差,易引起水土流失;混凝土沟渠只能排水,无N､P拦截消纳功能[8-10]｡生态沟渠是将自然排水沟渠进行改造,在满足农田排涝防滞前提下,增加沟渠植被覆盖量[11],以沟渠植物吸收､拦截作用和水､底泥中化学转化､微生物作用等方式有效拦截和转化沟渠中N､P等污染物,减少其进入河流和湖泊[8,12]｡研究表明,生态拦截型沟渠系统对农田径流水中TN､TP的拦截效率均较好[13-14],但运行效果易受进水N､P浓度､水力负荷､水深､ 植物种类以及水力停留时间､污染负荷､季节温度等因素影响[3]｡因此,必须因地制宜选用生态沟渠拦截集成技术,才能取得较好治理效果[10]｡
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农田沟渠系统承担着农业小流域非点源污染物向地表水体运移的重要作用,其污染物的输出直接影响受纳水体质量,组成的运输通道对污染物拦截作用不可忽视[15],因此,了解沟渠系统对N､P的拦截规律尤为重要[16]｡目前针对生态沟渠去除N､ P机理的研究主要是在室内模拟及野外控制排水条件下进行,而针对水稻生长期内自然降雨条件下生态沟渠对农田径流排水中N､P拦截的研究较少｡ 为此,本文以湘北常德市津市市毛里湖水稻耕作区小流域为研究对象,将该区域的一段自然农田排水沟渠改造为生态沟渠,于2016~2017 年连续监测水稻生长时期内自然降雨条件下生态沟渠对稻田降雨径流N､P的拦截效果,分析沟渠N､P浓度的沿程变化规律,旨在为农田排水N､P的沟渠拦截､ 生态沟渠的优化运行及推广建设､构建农业面源污染防控生态工程提供理论依据｡
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1 材料与方法
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1.1 研究区概况
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试验沟渠位于湖南省常德市津市市毛里湖农区(111°46′~112°40′E,29°11′30″~29°39′40″N), 该区域属于亚热带季风气候,年均气温16.7℃,年降水量1200~1900 mm,无霜期272 d,适宜水稻､ 棉花､油料等作物生长｡试验前对该自然排水沟渠按工艺要求进行工程改造及拦截植物种植,生态沟渠的水源基本来自于农田排水｡
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1.2 试验设计
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该区域水稻种植模式为一季中稻,当地农民习惯方式的N和P2O5 用量分别为225 和112.5 kg·hm-2,其中60%N和100%P2O5 作基肥与土混施肥,40%N作追肥(分蘖肥)表面撒施｡生态沟渠从上游至下游依次种植绿狐尾藻､珍珠梅､海寿花､狐尾藻 + 海寿花､自然植被(茭白､芦苇等), 总长度658.2 m(图1)｡各植物种植区均由水泥砌成堰和波浪形挡板隔开｡2016~2017 年4~8 月定期监测生态沟渠上游与下游水中N､P浓度｡
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图1 生态沟渠示意图
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1.3 样品采集
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该区域4~5 月为南方梅雨季节,沟渠中有一定水流量;5~9 月为中稻生长季(但9 月中下旬中稻收获,9 月上中旬基本无农田排灌水和降雨产生径流,沟渠中无水样)｡两年的中稻移栽和施基肥､追肥(分蘖肥)､排水晒田及收获时间分别为2016 年5 月31 日､6 月10 日､7 月1 日､9 月20 日和2017 年6 月3 日､6 月12 日､7 月5 日､9 月26 日｡ 本研究分别于2016､2017 年4~8 月的10､20､30 日在沟渠上､下游取水样,其中上游水样即狐尾藻进水口,下游水样即自然植被出水口,监测期间水位均有5 cm以上,其余时间沟渠基本枯竭少水｡ 2016 年共采集水样13 次(2016 年7 月20 日和30 日受汛期影响未取样);2017 年共采集水样15 次｡
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1.4 样品测定指标及分析方法
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水样过滤后,NH4 +-N､NO3 --N浓度采用SmartChem 200 全自动间断化学分析仪测定｡TN浓度采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法､TP浓度采用钼酸铵分光光度法测定[5]｡
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1.5 计算公式
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N､P拦截率:R(%)=(Cin-Cout)/Cin×100 式中R为排水沟段N､P污染物拦截率(%);Cin为进水口N､P污染物质量浓度(mg·L-1);Cout 为出水口N､P污染物质量浓度(mg·L-1)｡
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1.6 数据处理与分析
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采用Excel 2003 进行数据处理和分析｡
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2 结果与分析
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2.1 降水量
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如图2 所示,稻田施肥时期人为排灌水及大雨形成的地表径流会造成N､P污染物进入沟渠,是我国南方农业面源污染主要成因,观测此时期小流域沟渠水体N､P污染物基本变化规律,有助于防控农业面源污染｡2016 年稻季降水量为1179.1 mm,较大降雨发生在7 月,达323.5 mm｡2017 年稻季降水量为970.3 mm,较大降雨发生在6 月,达194.0 mm｡
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图2 月累计降水量
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2.2 农田排水中TN浓度
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如图3 所示,生态沟渠TN浓度沿程逐渐降低, 沿程TN拦截效果比较稳定｡2016 年沟渠上游TN浓度介于1.04~3.91 mg·L-1,平均2.66 mg·L-1｡其中, 11 次高于国家地表水环境质量标准Ⅴ类(总氮≤ 2.0 mg·L-1),2 次达Ⅴ类,5 月30 日出现峰值｡下游TN浓度介于0.66~1.52 mg·L-1,平均1.06 mg·L-1, 13 次采样中,1 次达Ⅴ类,5 次达国家地表水环境质量标准Ⅳ类(总氮≤ 1.5 mg·L-1),7 次达国家地表水环境质量标准Ⅲ类(总氮≤ 1.0 mg·L-1)｡监测期间生态沟渠对TN拦截率为31.73%~76.86%,平均58.49%｡2017 年沟渠上游TN浓度介于1.41~2.98 mg·L-1, 平均1.96 mg·L-1｡ 其中,6 次高于 Ⅴ 类,8 次达Ⅴ类,1 次达Ⅳ类,5 月20 日出现峰值｡下游TN浓度介于0.65~1.58 mg·L-1,平均1.02 mg·L-1,15 次采样中,1 次达Ⅴ类,6 次达 Ⅳ类,8 次达Ⅲ类｡监测期间生态沟渠对TN拦截率为34.19%~61.07%, 平均值为47.61%｡2016 和2017 年6､7､8 月平均拦截率分别为56.73%､ 56.90%､67.99%和41.85%､50.25%､44.75%｡ 说明生态沟渠对水体中TN有较好的拦截效果,且随时间进行其拦截效率逐渐提高｡
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图3 沟渠上､下游水体中TN浓度的动态变化
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2.3 农田排水中NH4 +-N浓度
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如图4 所示,生态沟渠对NH4 + -N的去除主要通过沟渠底泥的吸附､沟渠植物的吸收､硝化作用以及降雨过程中的稀释作用[9]｡生态沟渠NH4 +-N浓度沿程逐渐降低,沿程的拦截效果比较稳定｡2016 年沟渠上游NH4 +-N浓度为0.83~1.81 mg·L-1, 平均1.28 mg·L-1｡ 其中,5 次达国家地表水环境质量标准Ⅴ类(氨氮≤ 2.0 mg·L-1), 5 次达国家地表水环境质量标准Ⅳ类(氨氮≤ 1.5 mg·L-1),3 次达国家地表水环境质量标准Ⅲ类(氨氮≤ 1.0 mg·L-1),5 月30 日出现峰值｡下游NH4 +-N浓度为0.14~0.56 mg·L-1,平均0.28 mg·L-1｡ 13 次采样中,1 次达Ⅲ类,11 次达国家地表水环境质量标准Ⅱ类(氨氮≤ 0.5 mg·L-1),1 次达国家地表水环境质量标准Ⅰ类(氨氮≤ 0.15 mg·L-1)｡监测期间生态沟渠对NH4 +-N拦截率为33.38%~83.14%, 平均77.29%｡2017 年沟渠上游NH4 + -N浓度为0.47~1.37 mg·L-1,平均0.85 mg·L-1｡其中,3 次达Ⅳ类,11 次达Ⅲ类,1 次达Ⅱ类,5 月20 日出现峰值｡下游NH4 +-N浓度为0.13~0.36 mg·L-1, 平均0.24 mg·L-1｡15 次采样中,13 次达Ⅱ类,2 次达Ⅰ类｡监测期间生态沟渠对NH4 +-N拦截率为34.82%~82.34%,平均69.72%｡说明生态沟渠对水体中NH4 +-N有较好的拦截效果｡
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2.4 农田排水中NO3 --N浓度
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由图5 可知,2016 年上游水体NO3--N浓度为0.19~1.33 mg·L-1,平均0.91 mg·L-1,下游为0.11~0.54 mg·L-1,平均0.36 mg·L-1,5 月30 日出现峰值｡监测期间生态沟渠对NO3 --N拦截率达42.43%~82.41%,平均58.77%｡2017 年沟渠上游水体NO3 --N浓度为0.52~0.97 mg·L-1,平均0.72 mg·L-1; 下游为0.22~0.61 mg·L-1, 平均0.38 mg·L-1,5 月20 日出现峰值｡监测期间生态沟渠对NO3 --N拦截率达33.91%~66.32%,平均47.79%｡ 说明生态沟渠对水体中NO3--N有较好的拦截效果｡
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图4 沟渠上､下游水体中NH4 +-N含量的动态变化
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图5 沟渠上､下游水体中NO3 --N含量的动态变化
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2.5 农田排水中TP浓度
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生态沟渠入水口P质量浓度主要受农田施肥､ 降雨､植物腐烂等外界因素影响而出现较大变化｡ TP浓度变化趋势出现小幅波动,但整体为降低趋势,TP浓度出现小幅升高现象是由于此渠段底泥沉积物P的再释放,增加水体中TP浓度｡由图6 可知,2016 年沟渠上游TP浓度为0.10~0.29 mg·L-1, 平均0.21 mg·L-1｡其中,8 次达国家地表水环境质量标准Ⅳ类(总磷≤ 0.3 mg·L-1),4 次达到国家地表水环境质量标准Ⅲ类(总磷≤ 0.2 mg·L-1),1 次达国家地表水环境质量标准Ⅱ类(总磷≤ 0.1 mg·L-1), 5 月20 日或6 月30 日出现峰值｡下游TP浓度为0.04~0.09 mg·L-1, 平均0.07 mg·L-1｡13 次采样中,均达Ⅱ类｡监测期间生态沟渠对TP拦截率为53.54%~74.47%, 平均67.07%｡2017 年沟渠上游TP浓度为0.09~0.25 mg·L-1, 平均0.15 mg·L-1｡ 其中,1 次达 Ⅳ 类,12 次达 Ⅲ 类,2 次达Ⅱ类标准,5 月10 日出现峰值｡下游TP浓度为0.04~0.10 mg·L-1,平均0.07 mg·L-1｡在15 次采样中,全部达Ⅱ类｡监测期间生态沟渠对TP拦截率为30.57%~70.03%, 平均54.47%｡2016 和2017 年6､ 7､8 月平均拦截率分别为69.12%､69.99%､71.96%和52.31%､44.62%､50.88%｡说明生态沟渠对水体中TP有较好的拦截效果,且存在拦截效果的年际差异｡
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图6 沟渠上､下游水体中TP含量的动态变化
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2.6 沟渠N､P平均拦截率
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由图7 可知,连续2 年沟渠水体TN､NH4 +-N､ NO3 --N､TP的平均拦截率分别为53.02%､ 73.51%､53.28%､60.77%｡说明生态沟渠有较好自净能力,能在一定程度上拦截农田径流N､P,并降低污染水体风险｡
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图7 沟渠N､P平均拦截率
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3 讨论
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生态阻控技术是充分合理利用沟渠系统栽植水生植物,水生植物可直接吸收水层和底泥中N､P, 增强对泥沙N､P的滞留,加速水气界面N素交换和传递,有利于沟渠水体中N素去除[17];且其发达的根系强泌氧作用,可为微生物提供大量氧气, 有效促进湿地N素转化,显著缩短无机N素在湿地中寄宿时间[18]｡植物茎秆亦可通过减缓径流水流速来使颗粒态N､P沉积而达到拦截效果[19]｡张树楠等[20]发现,生态沟渠对TN､TP的拦截率分别为29.3%~69.2%和34.2%~72.8%｡ 陆宏鑫等[5]发现,在低､中､高不同浓度废水中,生态沟渠对TN､TP的拦截率分别为20.22%､36.64%､ 71.00%和90.96%､49.53%､62.31%｡陈海生等[21] 研究认为,杭嘉湖地区生态沟渠对TN､TP拦截率分别为39.53%､39.58%,其效果较自然沟渠高20 多个百分点｡本研究认为,沟渠中N的输移形态以无机N主,占比78.93%(2016 年)和75.39%(2017 年)｡两年4~8 月监测期间,生态沟渠对水中TN拦截率分别为58.49%､47.61%,对NH4 +-N拦截率分别为77.29%､69.72%,对NO3 --N拦截率分别为58.77%､47.79%,对TP拦截率分别为67.07%､ 54.47%｡较优于前期盆栽试验结果[22]｡植物沟渠随水体在沟渠中停留时间增加,TN浓度逐渐下降｡ 由于底泥和挺水植物存在,植物沟渠使水体中N､ P等污染物发生较复杂的物理､化学和生物作用, 并使水体中N､P污染物通过植物吸收､微生物降解得到净化[23]｡又因沟渠植物在生长发育过程中进行光合作用,使植物周围形成有氧环境,有助于硝化细菌生长,增强拦截氮磷能力｡
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陈英等[24]发现,再力花 + 芦苇 + 黄花水龙､ 水芹 + 灯心草 + 菖蒲2 种水生植物组合对水体中TN､TP拦截率均不低于65%｡本研究中,连续2 年沟渠水体TN､NH4 +-N､NO3 --N､TP平均拦截率分别为53.02%､73.51%､53.28%､60.77%, 其水生植物搭配方式为狐尾藻 + 珍珠梅 + 海寿花 + 自然植被(茭白､芦苇等)｡略低于前人研究结果,因为不同水生植物在不同生长阶段对污染物的吸收能力不同[25],且农田排水沟渠水质变化与季节､沟渠位置的变化有关[26]｡随着拦截植物生长时期推进,不同植物生物量逐渐增加,尤其是夏季过后水生植物地上部生物量增加明显,秋季达最大值,至冬季后又逐步降低｡本研究中,沟渠对TN拦截率随时间的推进和拦截植物的生长而逐渐升高,但对TP的作用规律不明显｡前期由于沟段本底N浓度较低,对污染物拦截效应较好,中期由于沟段负荷增加,对污染物拦截效果降低甚至有富集效应,后期由于植物吸收､底泥吸附及农田N污染排放相对前期减少,沟段N负荷降低,拦截效果有所恢复｡
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4 结论
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连续两年试验结果认为,生态沟渠有效拦截消纳水中TN､TP,且对TP的拦截效果优于TN;对水中TN拦截率达47%以上,TP拦截率达54%以上｡沟渠系统在确保排涝排滞的同时,有效发挥污染物生态拦截作用,值得推广应用｡今后仍需进一步研究拦截植物不同生长阶段及生态沟渠本身对径流污染物负荷动态变化的特定响应机制｡
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摘要
农田养分大量流失已成为农业面源污染的主要来源之一,研究自然降雨排水条件下生态沟渠对稻作区小流域农田排水中氮(N)､磷(P)的拦截效应具有重要意义｡以流入湘北津市市毛里湖区的生态沟渠为研究对象, 连续 2 年系统研究多级植物组合截留后 N､P 的沿程变化规律及拦截效率｡结果表明:生态沟渠对稻作区小流域农田排水中 TN､NH4 + -N､NO3 - -N 和 TP 均有一定的拦截净化作用｡2016 年和 2017 年生态沟渠对农田排水中 TN 平均拦截率分别为 58.49%､47.61%,对 NH4 + -N 平均拦截率分别为 77.29%､69.72%,对 NO3 - -N 平均拦截率分别为 58.77%､47.79%,对 TP 平均拦截率分别为 67.07%､54.47%｡总体认为,生态沟渠能有效拦截农田排水中 N､ P,减轻周围环境受纳水体的污染负荷｡
Abstract
Nutrient loss from farmland has become one of the main sources of agricultural non-point source pollution,and it was of great significant to study the interception effect of ecological ditches on nitrogen(N)and phosphorus(P)in farmland drainage under natural rainfall and drainage conditions.Taking ecological ditches flowing into Mauri Lake area as the research object,the change rule and reducing rate of N and P after interception by multi-stage plant assemblage were systematically studied for two consecutive years.Results showed that the ecological ditch can effectively intercept the nitrogen and phosphorus in farmland drainage in small watershed.In 2016 and 2017,the average reducing rate of total nitrogen in the channel is 58.49% and 47.61%,respectively.The average reducing rate of ammonium nitrogen is 77.29% and 69.72%, respectively.The average reducing rate of nitrate nitrogen is 58.77% and 47.79%,respectively.The average reducing rate of total phosphorus is 67.07% and 54.47%,respectively.It is generally believed that the ecological ditches can effectively intercept and absorb N and P from farmland drainage water,and can reduce the pollution load of the receiving water body in the surrounding environment.