稻田退水污染處理方法初探
——WRSIS技術引進與改良

燕 紅，山廣茂

(1.東北師范大學 城市與環境科學學院，長春 130024;2.吉林省林業科學研究院，長春 130033)

稻田退水污染處理方法初探
——WRSIS技術引進與改良

燕 紅1，山廣茂2

(1.東北師范大學 城市與環境科學學院，長春 130024;2.吉林省林業科學研究院，長春 130033)

結合我國灌溉排水系統的實際情況對WRSIS系統進行了改造，以“暗管控制排水”為主轉為以“明溝排水”為主，并在吉林省莫莫格地區開展了試驗研究。結果表明，改進后的新系統對稻田退水中氮磷的去除率均能達到25%以上，改進的WRSIS系統治理水稻區非點源污染是非常有效的途徑。

稻田;非點源污染;WRSIS;濕地

我國是世界第一產稻大國，水稻種植面積約占全國糧食作物總面積的40%。但是水稻的大面積種植，使得農田化肥施用量急劇增加，周圍水體的富營養化和農業非點源污染加劇。司友斌等人［2］對巢湖西半湖水體進行監測，發現水體中總氮(TN)、總磷(TP)分別為4.14 mg/L和0.31mg/L，劣于V類水質標準。巢湖四周都是農田，肥料的大量流入是巢湖水質TN、TP超標的重要原因。

2008年，吉林省發布《吉林省增產百億斤商品糧能力建設工程總體規劃》，莫莫格地區是主要示范地之一，大面積水稻田的開發將產生更大的面源污染問題，莫莫格地區的稻田退水污染將出現加劇的趨勢。莫莫格濕地處于吉林省農牧交錯區，屬于生態脆弱帶，是水禽的重要棲息繁殖地和東亞候鳥南北遷徙主干線上的重要停歇中轉站，在保護生物多樣性尤其是保護水禽方面具有重要的現實意義和國際意義［3］。

在濕地污水凈化過程中，濕地植被扮演了重要角色，它能吸附沉積物，吸收營養物質儲存在體內，創造適宜植物生長的微環境，同時為分解污染物有益菌提供碳源。因此，我們有必要結合濕地本身的凈化功能和新的技術方法提高濕地處理稻田退水能力，為解決糧食增產和造成的非點源污染二者沖突提供依據，也為保護生物多樣性做出貢獻。

1 研究方法

1.1 試驗地點

WRSIS系統試驗地選在吉林省西部鎮賚縣莫莫格保護區附近的五棵樹鎮東800米處的水稻田邊，實驗區水稻面積6公頃，濕地面積為0.8公頃，整片共計30塊稻田相連，排水進入250米長的生態溝渠，然后排入濕地中，濕地的位置位于水稻田邊地勢最低處。并且，在實驗的濕地中設置幾塊不同植被類型的小型濕地，同時監測比較不同植物之間的凈化效果差異。

1.2 WRSIS系統技術體系

美國俄亥俄州立大學Czartoski等［6］學者研究開發了濕地－水塘－地下灌溉系統(WRSIS)，WRSIS由人工濕地、水塘、地下灌溉兼控制排水系統所組成，整個工藝流程如下:灌溉用水首先通過地下排灌系統進入農田，農田排出的含氮磷較高的污水被引入濕地中進行自然凈化，凈化后的水又排入水塘中進行儲存，待農田需水季節重新被利用，從而完成整個循環。WRSIS研究的初衷是為減少農田污染物質排放、提高灌溉保證率和水分利用率，以及增加糧食產量。主要目的是為了解決非點源污染(NPS)問題。該研究小組在美國俄亥俄州的三個地區進行了示范和推廣，這種技術濕地可吸收大約68%的氮和43%的磷，取得了良好的效果。目前國內對WRSIS系統的研究在2006年開始。2006年7月在桂林建立了第一個實驗基地進行研究［7］。2009年吉林省將該技術引入吉林省西部用來處理大面積稻田退水造成的非點源污染。

1.3 實驗設計

(1)WRSIS系統技術改造。結合我國灌溉排水系統中主要是以明渠(溝)為主的實際情況，我們對WRSIS系統進行了改進，將俄亥俄州立大學的技術中的地下灌溉系統改為明渠灌溉，“水稻田－人工濕地－蓄水池”更能實現農田排水水質控制和管理技術在吉林省西部莫莫格地區農村的推廣(圖1)。該系統由三部分組成:水稻田－人工濕地－蓄水池，并通過溝渠系統將三者連結起來。其中，水稻田的排水通過生態排水溝流入濕地系統，經過濕地中的基質和植物的吸附和吸收凈化后排入氧化塘，對凈化后的水進行儲存;當水稻田需要灌溉的時候，可以從氧化塘中引入凈化后的水重新進入濕地，從而完成各個系統的循環利用。與美國的系統相比取消了在農田中設置價格昂貴的地下灌溉與控制排水系統。因此本系統投資少，適合我國的經濟條件。

圖1 改進后WRSIS系統濕地凈化稻田退水實驗示意圖

(2)水質監測實驗設計。整個實驗區總面積約為0.8公頃，設置進水口與出水口，于5，6，7和8月定期采樣，計算整個實驗區的凈化效果。

(3)濕地中植物的監測。對凈化污水的濕地植物配置，采用“自我設計”觀點，其中時間是影響自然濕地植物群落發育的重要因素，特別是采用人工方法恢復植被的濕地，濕地植被的發育依靠自有種子，或經由風或經造訪濕地的野生動物攜帶而來的種子。這種被動的方法取決于特定物種造訪的時間和物種在人工濕地定植的適宜條件。

維管植被調查開展于2010年和2011年植物生物量最高的8月中旬。通過使用樣帶法隨機抽取季節性的固定的一系列樣方。樣點分布見圖1。濕地內共取樣方20個，每個點5個重復。畫出物種地區曲線以便檢驗抽樣數量是否適當。在2011年生長季期間分三次取樣，自五月份開始于九月底結束。調查項目包括定量和定性調查，這些項目有樣方中的蓋度、群落類型和所有物種的名稱，其中采用Braun-Blanquet scale(1932)做定量分析，調查的結果用作計算物種的豐富度等，樣方中的不同物種重要值則用以計算多樣性指數。

2 實驗結果分析

2.1 水質監測

在水稻生長過程中將稻田的排水引入濕地，對稻田排出的水質以及濕地內和流出濕地的水質進行了監測，于每個月的中期進行采樣，并計算濕地對退水的去除率。

圖2可見，TN的去除率在5月份最高，6、7月份逐漸下降，8月份又有所回升，最終達到20%。TP去除效果良好，5、6月份去除效果明顯，7、8月份開始回落，最終達到30%。分析其原因，5月份稻田剛開始插秧，濕地中植物也剛萌芽，排入濕地中的稻田的氮磷含量低，濕地土壤在其中起到了關鍵的作用，主要氮磷物質被土壤顆粒吸附，6、7月份，正是施氮磷的高峰季節，排水中的氮磷負荷較重，濕地植物還沒有進入最好的吸收狀態，所以，去除率有所下降，進入8月份，濕地中植物的生產力和豐富度均達到最高，對氮磷的吸收也是效果最好的時候，因此去除率開始增加。

圖2 實驗區不同月份去除率比較

2.2 濕地植物監測

根據對樣地的調查，經過一年的恢復與生長，共發現植物物種13種，其中優勢植物為蘆葦(Phrnagmite australis)，香蒲(Typha orientalis)，小香蒲(Typha minima)扁稈藨草(Scirpus planiculmis)，四個監測點的物種多樣性見表1。

表1 不同取樣點濕地植物多樣性

從表中可以看出，四個監測點物種數差異不顯著，整體來講，樣點4物種數及物種多樣性較高，因為樣點4位于濕地入水口處，并且該處是濕地中地勢較高的地方，一些適宜淺水生長和較旱生的物種能夠生存，如扁稈藨草適宜生長在水位低于20cm的濕地生長。

3 結論與討論

濕地蓄水地下灌溉(WRSIS)系統在去除氮磷元素具有一定的效果，去除率平均能達到25%以上，濕地物種較之建設初期有所增加，濕地植被恢復取得一定的效果。但是本文并未過多的考慮濕地水力停留時間對總氮的去除的影響，據有研究表明水力停留時間對氮磷的吸收具有一定的影響［8］，這是下一步實驗需要主要考慮的問題。濕地中濕地植物長勢還有待提高，還不能為總氮的去除提供適宜的條件，直到發稿時，濕地植物比例仍未能達到期望值。主要原因是該塊濕地是從撂荒地改造而成，其中常年生長各類雜草，在濕地運行過程中的第一年，積累在土壤中的氮磷在形成濕地時會有部分的釋放，對濕地的凈化效果產生了一定的影響，這種影響對總氮較為明顯。

［1］司友斌.農田氮、磷流失與水體富營養化［J］.土壤，2000(4):188－193.

［2］Lee M.Luckeydoo，N.R.Fausey.Early development of vascular vegetation of constructed wetlands in northwest Ohio receiving agricultural waters Agriculture［J］.Ecosystems and Environment，2002(88):89 － 94.

［3］韓春玲，王修貴，金苗，等.一種全新的農田水量水質綜合水管理系統——美國“濕地－水塘－地下灌排 綜合水管理系統(WRSIS)［J］.濕地科學與管理，2008，4(2):57 －59.

［4］張愛平.寧夏黃灌區稻田退水氮磷污染特征研究［D］.北京:中國農業科學院，2009.

Preliminary Study on Pollution Treatment of Drainage Water in Paddy Field—A Discussion on the Introduced and Refined WRSIS

YAN Hong1，SHAN Guang-mao2

(1.School of Urban and Environmental Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China;2.Jilin Provincial Academy of Forestry Science，Changchun 130013，China)

We refine WRSIS by research on the situation of our country＇s irrigation and drainage system，changing the technique of underground pipe drainage into that of ditch drainage and making an experimental research on Momoge District in Jilin Province.The results show that the refined system＇s removal rate of N and P in paddy field after recession can reach above 25% ，indicating that the refined WRSIS is very effective to manage the problems of non-point agricultural pollution in paddy field.

paddy field;non-point source pollution;WRSIS;wetland

X506

A

1009－3907(2012)06－0698－03

2011-10-28

國家林業局引進國際先進林業科學技術948項目(2009-4-32);國家環保部環保公益性行業科研專項(2011467032)

燕紅(1980-)，女，內蒙呼倫貝爾人，博士研究生，主要從事濕地生態學研究。

責任編輯:劉 琳