基于生態混凝土的農田生態排水溝構建與環境效應

和玉璞，洪大林，徐 爍，芮旭倩，楊幸福，芮衛國，芮偉宏

(1.南京水利科學研究院,南京 210029;2.南京市高淳區水務局,南京 211300;3.南京市高淳區淳東抽水站管理所,南京 211301)

目前，我國農業生產中為追求糧食高產，普遍存在過量施用化肥等現象[1,2]，加之不合理的農田灌溉排水措施，使得農田大量營養元素經農田徑流進入周邊水體，引起水環境惡化，進而導致嚴重的農業面源污染問題[3,4]。農田排水溝是農田排水進入周邊水體的主要通道，農田排水中的營養物質在排水溝的流動過程中可以通過底泥吸附、植物吸收和微生物降解等多種機制被吸收、固定或脫離排水溝[5,6]。因此，充分發揮農田排水溝的環境功能，構建農田生態排水溝成為了國內外農業面源污染防治研究的熱點。目前，我國學者在土質排水溝與混凝土排水溝的基礎上結合控制排水、適宜植物選型及工程技術開展了一系列生態排水溝的研究[4,7-9]。然而，以土質排水溝為基礎的生態排水溝工程耐久性較差，加大了后期工程維護工作量，同時土質邊坡穩定性較差，增加了水土流失的風險；以普通混凝土材料構建生態排水溝，材料透水性能較差，影響排水溝降漬功能與農田水分循環過程，此外，選用混凝土材質無法體現基質對農田排水中氮磷等營養物質的吸附作用。本研究以多孔生態混凝土為基質構建農田生態排水溝，研究農田生態排水溝對稻田排水中氮磷的去除效果及機制，為農業面源污染防治提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 試區概況

試驗區位于江蘇省南京市高淳區椏溪鎮尚義村，屬于亞熱帶濕潤季風氣候區，氣候溫和，雨量豐沛，年平均氣溫16.2 ℃，年降雨量1 194.7 mm，年蒸發量861.9 mm，日照時數2 027.6 h，平均無霜期245 d。當地習慣稻麥輪作，土壤為滲育水稻土。

1.2 試驗處理

在承接相同稻田排水的條件下，分別建立土質、混凝土、生態排水溝系統，排水溝為平坡，長度均為50 m，排水溝斷面按照當地習慣設計，深度為50 cm，底寬為30 cm，邊坡系數為0.3。其中土質排水溝的溝壁與溝底均為土壤，混凝土排水溝的溝壁與溝底為傳統的混凝土板材，生態排水溝的溝壁與溝底為生態混凝土板材，兩種板材規格均為30 cm×30 cm×8 cm(長×寬×厚)。生態混凝土板材利用多孔混凝土制備，水灰比0.3，灰骨比0.2，骨料采用10～20 mm單粒級沸石與普通礫石，其中沸石占骨料質量的50%。

試驗在2015年6月下旬到10月下旬開展，稻田灌溉方法為淺濕灌溉，稻田分蘗后期曬田，黃熟期自然落干至收割，在生育期的其他時間以田間水層作為灌水控制指標，在田面維持20～50 mm水層。稻田施肥采用當地農民習慣管理，施肥過程見表1。供試水稻品種為南粳46，2015年6月29日采用機插秧。

表1 稻田施肥量及時間Tab.1 Time and amount of fertilization

1.3 試驗觀測與取樣

稻田施用分蘗肥與穗肥后第1 d開始每隔2 d取樣，取4次，每次在排水溝兩端和中段的固定3處取水混成一個水樣。采集的水樣經過濾處理后立即分析TN與TP的含量。

2 結果與分析

2.1 不同排水溝氮素濃度變化特征

各排水溝水體中TN濃度在稻田施肥后的變化特征較為一致，排水溝水體中TN濃度在稻田施肥后較高，隨時間進程迅速下降，在肥后10 d左右降至很低的水平(圖1)。例如，稻田施用分蘗肥后，各排水溝水體中TN濃度為11.424 mg/L，肥后第3 d，混凝土、生態及土質排水溝水體中TN濃度分別降至10.827、10.439及11.259 mg/L，且隨著時間進程，各排水溝水體中TN濃度持續下降，在肥后第11 d，混凝土、生態及土質排水溝水體中TN濃度分別降至2.703、1.720及2.593 mg/L，穩定在較低水平。

圖1 不同排水溝水體氮素濃度變化Fig.1 Changes of nitrogen concentration in different ditch

稻田施肥后，生態排水溝水體中TN濃度均小于混凝土及土質排水溝，且隨時間進程TN濃度差值逐漸增加(圖1)。稻田施用穗肥后第3 d，生態排水溝水體中TN濃度為11.110 mg/L，分別較混凝土及土質排水溝(11.150及11.171 mg/L)降低0.039及0.061 mg/L，在肥后第5 d，生態排水溝水體中TN濃度降為6.233 mg/L，分別較混凝土及土質排水溝(8.340及7.311 mg/L)降低2.107及1.078 mg/L，TN濃度差值逐漸增加。

生態排水溝對稻田排水中TN的去除效果強于土質及混凝土排水溝(表2)。稻田施肥后10 d，生態排水溝對稻田排水中TN的去除率均值為86.57%，分別較土質及混凝土排水溝(82.05%及83.55%)增加4.52%及3.02%。生態排水溝的制作材料具有高透水性、氮磷吸附效果顯著等特點[10,11]，在田間運行條件下，生態混凝土的多孔結構為微生物提供了適宜的生存環境和空間，會附著多種微生物形成生物膜[12]，進一步增強對水體中氮素的去除效果。

表2 不同排水溝對水體中TN的去除率 %

土質排水溝對稻田排水中TN的去除效果強于混凝土排水溝(表2)。稻田施肥后10 d，土質排水溝對稻田排水中TN的去除率較混凝土排水溝增加1.50%。土質排水溝的溝壁與溝底均為土壤，且溝壁上分布有植物，可以通過底泥吸附、植物吸收等方式實現對水體中氮素的去除[6]。

2.2 不同排水溝磷素濃度變化特征

各排水溝水體中TP濃度在稻田施肥后的變化特征較為一致，排水溝水體中TP濃度隨時間進程持續下降，在肥后第6 d左右TP濃度下降速度減緩(圖2)。稻田施用分蘗肥與穗肥后，各排水溝水體中TP初始濃度均較低，這是由于稻田僅在施用基肥時補充了120 kg/hm2磷肥，且施入稻田的磷肥只有小部分呈離子態的磷酸鹽能被作物吸收[13]，大部分被土壤吸持轉化為難溶性磷酸鹽類，在后期灌水和降雨反復的沖刷、擊濺作用下以顆粒態磷隨水排入農溝[14]。本研究中首次水樣采集時距稻田基肥施用已17 d，部分磷肥已經以顆粒態磷流失，導致各排水溝水體中TP濃度保持在較低水平。

圖2 不同排水溝水體磷素濃度變化Fig.2 Changes of phosphorus concentration in different ditch

各排水溝對于稻田排水中TP的去除率差別較大，變化范圍為4.75%～62.86%，均值為32.34%(表3)。這是由于稻田排水中TP濃度在稻季的大部分時間保持在較低水平，水樣采集過程中各種因素引起的誤差，導致了排水溝對于稻田排水中TP的去除率存在較大差別。

表3 不同排水溝對水體中TP的去除率 %

生態排水溝對稻田排水中TP的去除效果強于土質及混凝土排水溝(表3)。稻田施肥后10 d，生態排水溝對稻田排水中TP的去除率均值為37.86%，分別較土質及混凝土排水溝(25.62%及33.53%)增加12.24%及4.33%。生態排水溝的制作材料孔隙率較高，可以有效吸附水體中顆粒態磷，增強對水體中TP的去除效果[15]。

混凝土排水溝對稻田排水中TP的去除效果強于土質排水溝(表3)。稻田施肥后10 d，土質排水溝對稻田排水中TP的去除率較混凝土排水溝增加7.91%。由于混凝土浸泡在水中，會溶析出大量的氫氧化鈣等堿性物質，與水中的磷酸根離子反應生成沉淀從而實現對磷素的去除。

3 結 語

(1)生態排水溝對稻田排水中TN、TP的去除率大于土質及混凝土排水溝，有效增強了對稻田排水中氮磷的去除效果。稻田施肥后10 d，生態排水溝對稻田排水中TN的去除率均值為86.57%，分別較土質(82.05%)及混凝土排水溝(83.55%)增加4.52%及3.02%；對稻田排水中TP的去除率均值為37.86%，分別較土質(25.62%)及混凝土排水溝(33.53%)增加12.24%及4.33%。

(2)土質排水溝對稻田排水中TN去除效果強于混凝土排水溝，對稻田排水中TP的去除效果弱于混凝土排水溝。稻田施肥后10 d，土質排水溝對稻田排水中TN的去除率較混凝土排水溝增加1.50%，對稻田排水中TP的去除率較混凝土排水溝降低7.91%。

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