農田面源污染生態溝渠生態凈化效能評估

陳重軍++王建芳++凌士平等

摘要：在長三角地區某水稻種植密集區，建設農田面源污染溝渠塘生態凈化工程，并根據水流方向對各區域生態溝渠的作用和污染物去除效果進行評價。結果表明，生態溝渠對農田徑流中氮、磷具有顯著的去除作用，最高去除率分別可達74.13%、68.63%。但各周期污染物去除作用波動較大，需要從維持植物高生物量、植物殘體清理和溝渠水位恒定等方面繼續改進，同時為保證工程的長效運行，應建立“區-鎮-村”于一體的梯度式運行管理機制。

關鍵詞：農田面源污染；生態溝渠；凈化；效能評估

中圖分類號： X171.5；X71文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0472-03

收稿日期：2014-11-13

基金項目：江蘇省蘇州市科技計劃（編號：SYN201320、SYN201411）；江蘇省昆山市生態農業技術科技專項（編號：331311201）；江蘇省蘇州市相城區科技計劃（編號：201338）。

作者簡介：陳重軍（1984—），男，浙江義烏人，博士，講師，主要從事農業面源污染控制與治理研究。E-mail：chongjunchen@163.com。

通信作者：王建芳，博士，副教授，主要從事廢水生物處理研究。E-mail：wjf302@163.com。農業面源污染已成為我國首要污染來源，農業面源中化學需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）污染負荷分別占水體污染負荷的43.7%、572%和67.4%，其中農田的污染貢獻不容忽視[1]。有研究表明，生態溝渠具有良好的氮磷凈化功能和較好的景觀效應[2]，其動態氮、磷去除率達35.7%、41.0%，靜態氮、磷去除率達58.2%、84.8%，成為農田面源污染治理的有效途徑[3]。但目前針對農田面源污染的控制大多還在實驗室或試驗田小范圍研究階段，雖然部分地區已經建成區域性大規模農田面源污染生態溝渠凈化示范工程，但也嚴重缺乏對污染控制的績效評價及長效維護機制，限制了農田面源污染控制工程的效能發揮。本研究對區域性農田面源污染控制示范工程的長期效能進行評估，并提出相應的長效管理機制和方案，為我國農田面源污染減控技術的研發和應用提供了一定的基礎。

1試驗方案與采樣設計

1.1工程建設

農田面源污染溝渠塘生態凈化工程建設地點位于江蘇省蘇州市某地，建設面積約20 hm2，農田徑流按照區域劃分，在不同的區域設置不同的尾水處理設施（圖1）。整個工程分為3塊區域，分別為區域1、區域2、區域3，各自不同的農田徑流流入不同生態濕地進行處理，分別為1號、2號、3號人工濕地系統。農田徑流主要處理流程為：各區域有不同的源水（其中區域1和區域2源水一致）進入農田，種植過程中化肥流失進入農田徑流，農田徑流統一收集到生態溝渠，生態溝渠中種植香蒲、菖蒲、蘆葦、金魚藻等挺水植物和淺水植物，并控制徑流流速和流向，最后從生態溝渠流出的農田徑流進入尾水生態濕地深度處理，在生態濕地內部和四周種植蘆葦、菖蒲、美人蕉等濕地植物，實現氮磷的進一步吸收和轉化，最終處理出水排入周邊流域。

1.2采樣設計

對農田面源污染溝渠塘生態凈化工程的效能評估工作，分別于2013年7月18日、8月27日、10月31日、12月4日進行4次采樣，采樣點布置見圖1。共設13個采樣點，各采樣點位置和涵義說明見表1。

表1采樣點位置與涵義

編號區域采樣點位置采樣點描述點11、2區域1、區域2進水源水點21、2區域1田面水污染的水點31、2區域1溝渠水經處理的水點41、21號濕地經深度處理的水點51、2區域2田面水污染的水點61、2區域2溝渠水經處理的水點71、22號濕地經深度處理的水點83區域3進水源水點93區域3田面水污染的水點103區域3溝渠水（1）經處理的水點113區域3溝渠水（2）經處理的水點1233號濕地經深度處理的水點1333號濕地排水口最終排水

1.3測定方法

COD濃度：重鉻酸鉀消解法測定（本研究測定的均為CODCr）；銨態氮（NH+4-N）濃度：納氏試劑光度法測定；亞硝態氮（NO-2-N）濃度：N-（1-萘基）-乙二胺光度法測定；硝態氮（NO-3-N）濃度：紫外分光光度法測定；TN濃度：過硫酸氧化-紫外分光光度法測定；TP濃度：過硫酸鉀消解法測定[4]。

2工程效能評價

由圖2至圖5可以看出，4次監測結果各采樣點水質的波動較大，推測水稻的生長期、肥料施用期、徑流量的大小與季節、氣溫等息息相關。但是，總體來說，生態溝渠的建設對農田徑流污染物的削減具有明顯的作用。

以區域1為例，進水pH值7.21～7.97，COD 33～98 mg/L、NH+4-N濃度1.12～1.90 mg/L、NO-2-N濃度010～0.14 mg/L、NO3-N濃度0.24～1.10 mg/L、TN濃度 2.37～4.38 mg/L、TP濃度0.41～3.04 mg/L；進水水質劣于GB 3838—2002《地表水環境質量標準》規定的Ⅴ類水標準，特別是TN濃度、TP濃度、COD濃度較高。經灌溉農田后，田間表面徑流污染物濃度較高，pH值為7.23～8.54，COD 32～34 mg/L、NH+4-N濃度1.57～1.83 mg/L、NO-2-N濃度 001 mg/L、NO-3-N濃度 0.84～1.20 mg/L、TN濃度 3.50～10.90 mg/L、TP濃度0.50～4.08 mg/L。隨著氮、磷的施用，徑流中氮、磷濃度顯著提高，特別是TN的濃度遠高于進水，但COD并未升高，反而有所下降，因化肥成分主要以氮、磷為主，并未對徑流有機物有所影響，且土壤微生物對有機物有降解作用，造成有機物含量降低。從農田田面徑流排入到生態溝渠中，溝渠水pH值7.45～8.08，COD 18～84 mg/L、NH+4-N濃度1.00～2.10 mg/L、NO-2-N濃度 002～0.08 mg/L、NO-3-N濃度0.05～1.27 mg/L、TN濃度1.61～3.36 mg/L、TP濃度0.48～1.28 mg/L。與田面徑流水質進行比較，經過生態溝渠中植物吸收和微生物代謝作用，氮、磷濃度顯著降低，氮、磷最高去除率可達74.13%、6863%。最后，生態塘的水質為pH值6.98～7.94，COD濃度 24～80 mg/L、NH+4-N 濃度0.20～2.34 mg/L、NO-2-N 濃度0.01～0.34 mg/L、NO-3-N濃度 濃度0.02～1.82 mg/L、TN濃度1.58～5.01 mg/L、TP濃度0.28～4.81 mg/L。氮素在生態溝渠中的轉化與去除作用較為復雜，主要包括微生物脫氮作用、沉積和滲透作用、植物吸收作用等。而通過脫氮微生物的氨化-硝化/反硝化作用是生態溝渠去除N的主要途徑[5]。同時，植物根系致密的環境和泌氧效應，以及光合作用產生氧氣作用，造成生態溝渠存在明顯交替的好氧區和厭氧區，極大地促進了生態溝渠對氮素的轉化和去除。植物吸收是生態溝渠磷去除的重要途徑，因此植物生物量的大小和生命活性將直接決定生態溝渠磷的去除效能[6]。然而，從生態溝渠進入到最終的植物塘，水質并未有所改善，反而使氮、磷濃度有所回升，造成該結果可能是因為植物塘內植物較少，且多有腐爛植物存在，導致污染物沒有得到有效降解。但是，總體來說，經過生態溝渠的作用，農田徑流氮、磷含量大幅度降低，對農業面源污染的減排及周邊水體質量改善具有明顯作用。

區域2、區域3和區域1對污染物的去除作用基本一致，本研究不再贅述。生態溝渠是農業面源污染減控的重要途徑，對污染物特別是氮磷的削減具有顯著作用。

3經濟效益與推廣應用前景分析

本項目實施后，按照水稻每667 m2耗水1 500 m3計算，開展生態溝渠工程從農田徑流中減少污染物排放氮0.43 t、磷0.21 t，可有效減少對周邊環境的危害，同時具有顯著的環境效益和經濟效益。根據自2008年1月1日起施行的《江蘇省環境資源區域補償辦法（試行）》（蘇政發[2007]149號），環境資源區域補償因子及補償標準暫定為NH+4-N 10萬元/t、TP 10萬元/t，如按照補償辦法交納補償金，約合6.4萬元。該方法管理方便，運行費用省，對污染物去除效率高，成為農業面源污染去除的重要途徑。

4生態溝渠長效運行的建議

工程運行效果表明，農田生態溝渠塘生態凈化工程可以有效攔截農田地表徑流中氮、磷等營養物質，減輕周邊水體富營養化程度。但該類工程的建設使用尚處于探索階段，其長效管理機制還不健全，須要從以下幾個方面深化：（1）生態濕地植物過少，生物量低，造成水質不穩定，特別是冬季溫度較低，造成濕地植物死亡，同時微生物活性減弱，導致水質惡化。建議加大生態溝渠植物密度，特別是種植一些冬季也能生長的植物，如黑麥草[7]、水芹[8]等，保證冬季去除效果。（2）溝渠內死亡植物未及時收割，腐爛后造成出水水質惡化。應適時對植物地上部進行收割，可以有效地從水體中移除氮、磷，并促進植物再生，以維持生態溝渠對水體的持續凈化作用，避免植物枯落物對水體產生二次污染[9]。（3）生態溝渠枯水期的保水效果較差，導致溝渠干涸、植物死亡。建議在各溝渠內設置可控制水位的閘閥，保證基本水位在10 cm左右，保障溝渠植物生長。（4）生態溝渠長效管理體制不完善，須要建立“區-鎮-村”于一體的管理體制，建立生態溝渠維護專項資金，確保生態溝渠長效穩定運行。

參考文獻：

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