農田排水中氮磷遷移轉化規律研究進展

程希雷

（遼寧省環境科學研究院，遼寧 沈陽110031）

1 引言

水體富營養化是一種嚴重的水體污染，不僅影響水體水質，也會對水環境造成負面影響。水體富營養化已經成為全球性環境問題，也是世界水環境面臨的最為重要的問題，引起了生態學家、湖沼、海洋學家的普遍重視，同時也得到一些國際組織、國家政府及社會各界人士的廣泛關注與重視［1－3］。大量研究表明，農田氮磷流失導致的農業面源污染是形成水體富營養化的主要原因［4－10］。如何有效防治農田面源污染，修復水環境是目前亟待解決的問題。針對農田氮磷流失引起的農業面源污染問題，采用的控制措施主要可歸納為：源頭控制、中間調控和末端治理3個方面［11］。源頭控制就是通過加強田間管理、科學施肥減少面源污染的產生。中間調控就是在面源污染遷移的過程中加以截留和凈化，達到削減污染物進入下游受納水體的總量；末端治理就是在污染物匯入河流、湖泊等后進行去除。與源頭控制和末端治理相比，中間調控是一種更加經濟可行的手段，這是由于雖然源頭控制是削減農業面源污染物最有效的措施，但是在目前糧食危機日趨嚴峻的形勢下，大幅度減少化肥施用量難以實現，而末端治理又具有高投入、低收效的特點［12，13］。也正因如此，中間調控措施得到了國內外學者以及水環境保護工作者的高度重視［14］。農田排水是農田氮磷流失的主要途徑，研究農田排水中的氮磷在排水溝渠系統中的遷移轉化規律是有效進行中間調控的基礎，因此在治理以及防治因農業面源污染而引起的水體富營養化中顯得尤為重要，對于水環境治理具有事半功倍的效果，對正確評估水稻田流失氮、磷對環境的污染和影響，提出科學有效的控制措施具有重要意義。

本文旨在對農田排水中的氮磷遷移轉化規律進行綜述，以期為建立科學合理的水體富營養化控制措施以及后續的污染治理工程提供決策依據，并為建立可持續發展的生態農業提供理論依據和數據支持，也為面源污染模型的建立及應用提供理論基礎。同時本文還將分析探討目前研究工作的不足，并對未來的研究方向提出展望。

2 氮磷在排水溝渠系統中的遷移轉化機制

排水溝渠中的氮主要以有機氮、氨態氮（NH＋4－N）和硝態氮（NO－3－N）的形式存在［15］，磷主要是以溶解態磷（DP）和顆粒結合態磷（PP）形式存在［16］。這些不同形態的氮、磷在植物、微生物和基質底泥的共同作用下在排水溝渠系統中進行著遷移轉化。因此，氮、磷在排水溝渠系統中的遷移轉化機制可以概括為：底泥吸附、植物吸收和微生物降解與協同。

2.1 底泥吸附

排水溝渠的底泥有巨大的表面積，富含有機質，有較好的團粒結構，對水體中的氮磷會產生吸附作用［17］。從農田流失掉的不同形態的N隨著排水進入溝渠，其中有機態N和NH＋4－N會被底泥所吸附，研究表明溝渠底泥對NH＋4－N的最大飽和吸附量可達1.3mg/g［18］，而由于底泥膠體帶負電荷，因此NO－3－N不易被底泥吸附［19］。被底泥吸附的有機N通過礦化作用轉化為NH＋4－N，并在硝化細菌作用下進一步發生硝化作用轉化為NO－3－N，厭氧條件下，發生反硝化作用，形成N2和N2O，揮發進入大氣。與氮相比，底泥對磷的吸附能力和速度要更強大［20］。當農田排水進入溝渠以后，大量的可溶性磷被底泥吸附，研究表明，底泥對磷的吸附率最大可達99%，底泥吸附是農田排水中磷去除的主要機制［21］。底泥對磷有很強的吸附能力是由于底泥中含有較多的無定型（非晶體型）鐵、鋁氧化物，能與磷形成溶解度很低的磷酸鐵或磷酸鋁［22］，但隨著底泥深度的增加，好氧狀態逐漸向缺氧、厭氧狀態轉化，鐵、鋁等形態隨之發生變化，因此，底泥對磷的吸附主要發生在表層，且隨深度增加，吸附能力下降［23］。底泥對磷的吸附過程是可逆的，因此被底泥吸附的部分磷只是暫時儲存在底泥中，一旦底泥對磷的吸收會出現飽和狀態，或是溝渠水體磷濃度降低，不能滿足植物和其他生物的生長需求，就會使一部分磷由底泥重新釋放到水中［24］。正由于被吸附的磷會發生解吸現象，因此盡管底泥吸附作用對磷的去除發揮重要作用，但是同時溝渠底泥中的磷也是造成磷二次污染的一個主要原因［25］。

2.2 植物吸收

氮、磷是植物生長的必需營養元素，因此，排水溝渠系統中生長的植物可以直接吸收利用農田排水中的氮、磷，進而同化為自身所需的物質（蛋白質和核酸等）［26］。植物除了可以直接吸收利用水中的氮、磷外，在其生長過程中，還會將光合作用產生的O2通過莖葉輸送到根區，在根區形成好氧微環境，進而促進根區的氧化還原反應與好氧微生物的活動，從而影響水中氮、磷的去除率［27，28］。例如，根區的好氧環境有助于硝化細菌的生長并進行硝化反應，而硝化反應產生的NO－3－N經過擴散和滲濾作用進入根區以外的厭氧環境進行反硝化反應，最終形成N2和N2O以氣體的形式從溝渠系統中逸出［29］。因此，植物的根區好氧環境及植物吸收能力是農田排水中N去除的主要機制［30］。雖然相對于氮來說，植物吸收對磷的去除效果是有限的，磷的去除主要還是靠底泥吸附和截留，但是植物對磷的去除也有很大的幫助，一方面由于植物的吸收作用在根區形成濃度梯度，打破了底泥－水界面平衡，促進磷在界面的交換作用，進而加速磷進入底泥的速度；另一方面，植物根區的好氧微環境，有利于微生物對有機磷降解［29，31］。此外，植物還能夠增加溝渠的粗糙度、阻力和摩擦力，從而降低流速，促進懸浮物的淤積，增加水力停留時間，延長水中的化學反應時間，進而提高對氮、磷的去除潛力［32］。

2.3 微生物的降解與協同

氮、磷的遷移轉化過程離不開微生物的參與，可以說微生物對于農田排水中氮、磷的去除起著重要作用。農田排水中的部分有機氮、磷，在微生物參與的礦化作用下轉化為NH＋4、NO－3和PO3－4等，可以被植物直接吸收利用［25］，同時，在好氧條件下NH＋4－N在硝化細菌作用下進行硝化反應轉化為NO－3－N，而在厭氧條件下，反硝化細菌將NO－3－N還原成為氣態的N2和N2O逸出［12］。在厭氧條件下，厭氧微生物能夠利用鐵結合態的鐵磷等，進而促進磷從底泥中轉化為溶解態被釋放出來［33］，釋放出來的溶解態磷雖然為植物生長提供了營養元素，但是也提高了發生二次污染的風險。同時，也有研究發現，氮的去除與硝化細菌和反硝化細菌都有明顯相關性，但是磷的去除與各類微生物均無明顯相關性［34］。

3 氮磷在排水溝渠系統中遷移轉化的影響因素

3.1 溫度和季節

底泥吸附、植物吸收以及微生物的降解和轉化作用都受到溫度的影響，而季節變化會導致溫度的變化，因此溫度和季節是影響氮、磷在排水溝渠中遷移轉化的重要因素。植物具有最適生長溫度，在一定溫度范圍內隨著溫度升高，植物光合作用增強，促進植物生長，進而促進植物對氮、磷的吸收。Kovacic等［35］研究發現由于夏、秋季節溫度適宜植物生長，因此對氮、磷的凈化效果也更加明顯。另外，微生物的生長和代謝活動也受溫度的顯著影響。微生物最適宜的生長溫度是20～40℃，在此范圍內，溫度每增加10℃，微生物的代謝速率將提高1～2倍。周鳳霞等［36］總結在10～30℃范圍內，隨著溫度升高，反硝化細菌活性增強，有利于反硝化作用的進行，但是溫度高于30℃后，則會對硝化反硝化過程產生抑制作用。同時，溫度也影響磷的釋放。Liikanen等［37］研究表明，磷的釋放量隨溫度升高而增加，溫度升高1～13℃，可使底泥中磷的釋放增加9%～57%。此外，溫度升高不僅能使磷釋放量明顯增加，也會使釋放速度明顯增加［38］。

3.2 pH值和溶解氧（DO）

pH值會對微生物活性產生影響，進而影響氮、磷的遷移轉化［39］。硝化細菌和反硝化細菌適宜在中－堿性條件下生長，因此，排水溝渠在中－堿性條件下對氮的去除效果要好于酸性條件下［18，29］。此外，NH3揮發與pH值密切相關，pH＝9.3時，NH3揮發顯著；pH＝7.5～8.0時，NH3揮發不顯著；pH＜7.5時，NH3揮發可忽略［40］。底泥對磷的吸附和解吸是一個動態平衡過程，該過程與pH值密切相關。在酸性條件下磷與Al3＋和Fe2＋形成難溶化合物；在堿性條件下與Ca2＋形成難溶化合物［41］。若pH值過低，鈣結合態磷、鋁結合磷易被溶出，導致底泥吸附磷的能力下降；溝渠水體pH≥7時，鋁離子水解形成具有較大比表面積的膠體狀Al（OH）3，對水體中的磷酸鹽具有較強的吸附能力，促進水體磷的凈化［25］。

氮、磷循環轉化過程也受水中DO的影響。高濃度DO會促進硝化作用而限制反硝化作用進行，而低濃度DO則促進反硝化作用抑制硝化作用［42］。李強坤等［29］認為冬季氨氮去除效果低于夏季的原因之一是：冬季濕地表面被冰雪覆蓋，阻止大氣O2的輸入，導致DO濃度較低，進而抑制了硝化反應的進行［25］。

3.3 植物種類

不同植物對氮、磷的去除率會有一些差異。余紅兵［21］研究發現不同水生植物全年可帶走氮和磷的范圍20.34～109.12g/m2、3.41～17.95g/m2，其中狐尾藻、水生美人蕉吸收能力最強。Ng等［43］研究發現蘆葦和茭草吸收氮磷的能力要強于香蒲，這是由于蘆葦和茭草的根系要比香蒲的根系更加發達。蔣躍平等［44］研究發現17種植物平均氮磷積累量對去除水中氮磷的貢獻率分別為46.8和51.0%，其中，美人蕉具有最高的N積累量（24.48g/m），而菖蒲具有最高的P積累量（1.95g/m）。一般而言，生物量較大、根系比較發達、輸氧能力較強的植物對氮、磷的凈化能力較強［45］。

3.4 排水溝渠的斷面、長度和水力特征

農田排水中氮、磷的遷移轉化還與排水溝渠的長度、斷面尺寸以及排水溝渠中的水位、流速等水力特征有關。上述因素決定了農田排水在排水溝渠中的滯留時間，而農田排水在溝渠系統中滯留的時間與污染物去除率之間有很大關系。翟麗華等［46］在杭嘉湖流域研究發現溝渠排水中總磷、總氮和氨氮均隨滯留時間逐漸降低。Brooks等［47］指出溶解磷的去除分為兩個階段，第一階段速度很快，主要是吸附作用和磷酸鹽的形成，第二階段速度較慢，主要是化學促沉作用和被吸附物結成固體物質，因此只有滯留時間足夠長能夠保證達到第二階段，才能保證并提高磷的去除效果。一般來說，排水中氮、磷在寬淺型溝渠中的轉化和去除率要高于深窄型溝渠，這是由于寬淺型溝渠中水生植物生物量高于深窄型溝渠，增加了水體與水生植物的接觸程度，此外與深窄型溝渠相比，寬淺型溝渠的縱坡比較小，水體流速較小，氮、磷在溝渠中持留時間較長，也有利于氮和磷的去除［48］。

溝渠長度與排水在溝渠中的滯留時間有關，進而會影響著氮磷元素的去除效果，徐劉凱［49］在贛江下游研究發現水稻田溝渠系統中氮磷濃度具有沿程大幅度遞減的規律。徐紅燈［23］和余紅兵［21］也發現了相同規律。但是劉小飛等［15］在吉林省西部松嫩平原的前郭灌區研究發現總氮在排水干渠內呈現沿程略有增加的趨勢，而不是降低趨勢。

溝渠中水流流速影響泥砂的沉降，流速越慢越有利于泥砂沉降，而泥砂沉降是磷截留固持的重要過程，因此溝渠系統中水流速影響磷的沉降［21，23］。而水流流速增大雖然使得水中充氧能力增強，能夠加快氮的氧化分解過程［48］，但流速加大使得排水在溝渠中停留時間縮短，所以氮的分解量相對來說減少。張燕［12］研究發現低流速延長了水力停留時間，有利于溝壁土壤和溝底底泥對流水中NH－4N和PO－4P的吸附截留。

干濕交替是溝渠的重要特征之一，干濕交替過程實質上是好氧和厭氧環境的交替過程，該過程會對溝渠底泥中氮、磷的轉化和釋放產生影響［13］。當溝渠處于干涸狀態時，底部暴露到空氣中，溝渠呈現好氧環境，該環境有利于氮發生硝化作用，將NH＋4離子轉變為NO－3；當溝渠處于淹水狀態時，溝渠呈現厭氧環境，此時利于NO－3發生反硝化作用形成氣態的N2和N2O，從系統中逸失。所以，干濕交替促進了溝渠中氮的轉化。但是干濕交替對磷的影響比較復雜。一方面認為，溝渠底泥經過干濕交替過程后可增強底泥向水體釋磷潛力。這是由于在干涸初期時，好氧環境有利于微生物的快速生長，使磷富集在增長的微生物群落中，但當進一步干燥時，就會導致大量微生物死亡，而當再次淹水，這時被微生物吸收利用的磷就又被釋放出來［50］。

4 結語

國內外學者針對農田排水中氮、磷遷移轉化規律開展了大量研究，但是多數結果是基于實驗室受控條件或是小尺度試區為背景得出，而原位條件及大尺度范圍的研究少見報道，受控條件或是小尺度試區得到的結果往往難以反映農田真實情況。就地區而言，在江蘇、浙江、湖南、三江平原等糧食主產區且面源污染比較嚴重地區開展的研究比較多，而河口鹽堿地帶稻區開展的研究比較有限。河口區由于其特殊的地理位置，使得在其區域流失的氮、磷極易擴散進入海洋，從而產生赤潮，因此，潛在威脅更大。此外，由于該地區土壤的鹽堿特性，使得該區域農田排水中氮、磷遷移轉化規律與其他區域勢必存在差異。因此，有必要加強該區域的相關研究，彌補區域空白。最后，溝渠系統不同組分以及不同影響因素對氮、磷遷移轉化的影響并不是單一作用，往往是同時發生，相互影響，綜合作用的結果。因此，應該加強研究各組分及因素綜合作用下氮、磷遷移轉化規律，進而揭示各組分及影響因素的相互作用機理，定量評價各組分及因素的貢獻率，以確定不同組分和因素的影響程度。

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