干濕循環下4種護坡基質對氮素吸附試驗研究

周 波，王紅雨，紀敬輝

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.銀川能源學院，銀川 750105；3.寧夏大學寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021)

農業排水是控制土壤鹽分、保證灌溉農業可持續發展的前提。排水良好的土壤有利于提高整個季節的農田耕作效率，但是排水過程中從土壤中淋洗出的各種鹽分以及化肥和農藥等，會成為周邊河道或湖泊等地表水體的污染源[1-3]。寧夏地處黃河中上游，土地面積的3/4屬于干旱地帶，區內自產水資源量少質差，是典型的資源型缺水地區。大量的生產實踐表明，控制排水與實施溝水凈化回用是灌溉農業開源節流的一條有效途徑[4,5]。通過合理控制排水，以排水溝道排出的多余水量并能有效凈化，補充灌溉水源，形成一個可重復利用的農業灌排水循環系統非常必要。因此，農田水質凈化問題成為首要解決的問題。

大量關于農田水質凈化的研究表明[6-13]，多數研究都針對于濕地，或者溝渠內的水生植物的凈化效果，并且取得了一定成果。

而在基質吸附方面，劉嬌[14]等研究表明，與直接施加玉米秸稈相比，施加黑炭顯著降低了土壤氮化物排放量。張燕[15]等研究了排水溝渠爐渣與底泥對水中氮、磷截留效應，并選擇爐渣作為溝渠基質壩的填充物。任玉銳[16]等研究植物作為反硝化碳源試驗，表明橘樹葉或者玉米芯作為反硝化固相碳源，適合作為生物膜載體。劉瑋晶[17]等研究表明，生物質炭能夠提高土壤對按態氮素的吸附能力，顯著降低土壤銨態氮素養分的淋失。魏星[18]等表明，補充植物桔稈能將人工濕地系統的總氮去除。王改玲[19]等研究表明，秸稈還田可降低反硝化反應速率及反硝化過程中N2O的排放。吳攀[20]等試驗說明，農田排水溝能有效地截留農田排水污染物，選擇適合的基質進行人工布設實際可行，有助于發揮農田排水溝的生態功能。邵留[21]等以甘蔗渣、玉米芯、稻草、稻殼、花生殼、木屑6種農業廢物作為反硝化碳源和生物膜載體的備選材料，初步優選出了玉米芯、稻草、稻殼可用做替代傳統液體碳源的固體碳源。基質對氮的去除主要依賴于生化反應的硝化/反硝化作用，且相關研究表明有機填料更加能促進脫氮反應因而好于礦物填料[22]。

而從農田排水溝護坡基質方面研究凈化農業排水水質效果的相關研究很少。本研究秉著“以廢治廢”的原則，以玉米芯、干樹葉和鋸木渣與土混合作為排水溝護坡基質，并和全原土基質作為對比，在4次干濕循環條件下，進行不同濃度人工配水過濾吸附試驗，考察所選基質對氮素的吸附能力，以期為可重復利用的農業灌排水循環系統中的水質凈化環節提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗中需要的玉米芯和干樹葉為農村廢棄物，鋸木渣取自銀川匯特家具廠，上述基質均經去離子水浸泡后烘干粉碎備用。試驗土壤取自寧夏青銅峽市葉盛鎮勝利溝邊坡，物理性質見表1。試驗配水為蒸餾水，所需的氮源采用分析純NH4NO3，磷源采用分析純NaH2PO4。

1.2 試驗方法與儀器

試驗所需基質分別為玉米芯、干樹葉和鋸木渣與土的混合物，考慮到護坡基質質量不能過輕，其含量為設計試驗土壤總質量的3.1%，并以全原土作為對比，共4種。

人工配水以氮磷濃度不同分別設計為N高P高、N高P低、N低P高和N低P低4種，見表2。

表2 試驗配水濃度Tab.2 Concentration of test water

試驗儀器為自制梯度比試驗儀，示意圖見圖1(儀器截面為100 mm×100 mm正方形)，材質為8 mm厚鋼化玻璃，開始試驗時將圖1中1～6管口關閉。每次將總質量1 599 g混合均勻的基質倒入儀器內，分4層，按干密度為1. 551 g/cm3的標準，每層用木錘輕擊至25 mm厚度，基質總高為100 mm，將2 L表2中4種濃度配水分別從注水口緩緩注入，為使每種基質吸附氮素效果具有可比性， 均在室溫下使基質和配水在容器上部先浸泡12 h，保證相同的HRT，再將配水勻速流入儀器下部，從出水口將流出的配水全部收集，澄清后將漏土加入原基質中，并把澄清的配水混勻在1周內作水質檢測，每次16組試驗。將儀器內基質取出晾干，重復上述水質吸附試驗，循環4次，每次循環間隔1周。水質監測方法及儀器見表3。

圖1 試驗所用梯度比裝置Fig.1 Apparatus and Schematic of apparatus for gradient ratio tests

本實驗數據處理用Origin 8.6和Excel進行圖片制作和分析。

2 實驗結果與討論

2.1 TN濃度變化

圖2為不同濃度進水條件下TN濃度隨干濕循環次數的變化。從圖2中可以看出，各種基質都表現為第2次循環后TN凈化效果最好，隨著循環次數的增加TN含量逐漸升高，凈化率降低。第1次循環水中TN減少，主要是因為原水中NH+4-N進入水中后一部分被未飽和的混合土體吸附，另一部分經微生物的硝化和反硝化作用轉化為N2O和N2等氣體，脫離水中，從而使氮素從水中永久去除；但硝化細菌只能將NH+4-N轉化為NO-2-N和NO-3-N，并不能使含氮化合物從水中去除，只是改變氮的存在形式[23]。圖2(a)表明N高P高時，第1次循環后4種基質的凈化能力均較高，玉米芯混合基質對TN的凈化率最高，為78.25%，后3次循環后樹葉均表現為最高的凈化能力，凈化率分別為88.83%、25.63%和27.18%。圖2(b)表明N高P低時第1次、第2次循環后樹葉基質凈化率最高分別為91.13%、90.57%，第3次、第4次循環后，鋸木渣基質均表現最高凈化率分別為39.49%和 45.38%。圖2(c)表明N低P高時，第1次循環后凈化率最高為原土基質，為81.43%，第2次、第3次和第4次循環后樹葉基質凈化率均最高，分別為95.08%、71.81%和35.12%，凈化效果呈遞減趨勢。圖2(d)表明N低P低時，第1次、第2次循環后凈化能力最高的基質分別為鋸木渣、原土，凈化率分別為63.08%、94.73%，第3次、第4次凈化率最高的均為玉米芯，分別為50.89%和35.38%。

表3 水質檢測方法Tab.3 Water quality detection

圖2 不同進水條件下TN濃度隨循環次數的變化Fig 2 Under different inflow TN concentration varies over cycle times

綜上所述，4種基質經過不同濃度進水，4次循環后的水質凈化試驗表明干樹葉基質對TN總體表現為較高的凈化能力。

2.2 NH+4-N濃度變化

圖3為不同濃度進水條件下NH+4-N濃度隨干濕循環次數的變化。圖3(a)中N高P高時，第1次、第2次和第3次循環后，玉米芯凈化率均最高分別為29.03%、16.31%和29.12%，第4次循環后，鋸木渣凈化率最高為22.58%。圖3(b)中N高P低時，4次循環凈化率最高的基質分別為樹葉、原土、樹葉和玉米芯，凈化率分別為75.07%、21.80%、21.71%和23.21%。圖3(c)中N低P高時，第1次、第2次循環后凈化率最高基質分別為玉米芯、鋸木渣，凈化率分別為45.39%、20.27%，第3次、第4次循環后均是樹葉表現為較高的凈化率，分別為30.18%、80.87%。圖3(d)中N低P低時，4次循環凈化率最高的基質分別為原土、鋸木渣、樹葉和樹葉，凈化率分別為29.65%、45.67%、35.76%和39.26%。氮濃度高的溝渠中NH+4-N濃度下降較快，這主要是由于水體中高濃度NH+4-N與孔隙水形成濃度梯度，促進水中NH+4-N向基質孔隙水擴散，加速了NH+4-N向基質擴散。

圖3 不同進水條件下NH+4-N濃度隨循環次數的變化Fig 3 Under different inflow NH+4-N concentration varies over cycle times

2.3 NO-3-N濃度變化

圖4為不同濃度進水條件下NO-3-N濃度隨干濕循環次數的變化。圖4(a)中N高P高時，第1次、第2次循環后樹葉基質表現為較高的凈化率，分別為49.52%、36.15%，第3次、第4次循環后，鋸木渣表現為較高的凈化率，分別為9.31%、5.97%。圖4(b)中N高P低時，第1次、第2次和第4次循環樹葉凈化率均最高，分別為24.12%、17.17%和14.76%，第3次循環后玉米芯凈化率最高，為8.88%。圖4(c)為N低P高時，前3次循環后，樹葉凈化率最高，分別為76.3%、76.5%和26.2%，第4次循環后玉米芯凈化率最高，為42.77%。圖4(d)中N低P低時，前2次循環鋸木渣凈化率最高，為55.47%和46.6%，后2次循環后樹葉的凈化率最高，分別為65.66%和35.47%。試驗初期第1次循環硝化細菌的硝化作用占優勢，水體中NO-3-N相對積累，隨停留時間延長，水環境由好氧狀態逐漸向缺氧、厭氧狀態轉化，厭氧細菌得以快速生長并充分利用水中豐富NO-3-N，將其轉化為N2O和N2等氣體，致使水體NO-3-N濃度降低。4次干濕循環試驗中，表明干樹葉對NO-3-N總體有較好的凈化能力。

圖4 不同進水條件下NO-3-N濃度隨循環次數的變化Fig 4 Under different inflow NO-3-N concentration varies over cycle times

3 結 語

排水溝護坡作為溝渠濕地的重要組成部分，除了固坡防塌外，在很大程度上影響著排水溝對污染物攔截作用的發揮，并且可在一定程度上提高溝渠對污染物的去除效率。通過在排水溝護坡基質中進行的物理、化學和生物反應，包括過濾、沉淀、絮凝和微生物降解等作用，可使農田退水得到凈化。

通過玉米芯、樹葉、鋸木渣和土的混合物與全原土4種基質在4種不同濃度人工配水條件下，4次干濕循環后的氮素吸附試驗研究，得出結論如下。

(1)TN濃度變化。當氮濃度較高和較低時，樹葉的凈化能力均最好，凈化率達到95.08%，其次為玉木芯和原土，凈化率分別為78.25%、94.73%。

(2)NH+4-N濃度變化。當氮濃度高時，樹葉具有較高的凈化能力，凈化率為75.07%；當氮濃度低時，樹葉凈化能力強，凈化率為80.87%。

(3)NO-3-N濃度變化。當氮濃度高時，樹葉具有較高的凈化能力，凈化率為49.52%；當氮濃度低時，樹葉凈化能力強，為76.5%，其次為鋸末渣，凈化率為55.47%。

(4)干樹葉對3種氮素均有較好的凈化效果。在不同進水濃度情況下，4種基質均表現為隨著循環次數的增加，TN和NO-3-N凈化率逐漸減小，NH+4-N有增加趨勢。

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