生態溝渠對農區農業污水中氮素的攔截效果研究

摘 要：本文以長沙縣北部鄉鎮的典型農區為研究對象，通過監測農業徑流污染的生態示范溝渠水質，分析了生態溝對農業徑流氮污染遷移攔截作用及其季節性變化特征。研究結果顯示，生態溝對農業污水中的氮素具有較好的攔截效果，全年對銨態氮、硝態氮和總氮的總攔截量分別為3 8070.8、35095.5和110341.1g，其中對銨態氮的攔截效果最好，最高攔截率可達99%，平均攔截率為86%。可見，生態溝渠對農區地表徑流中氮素遷移有較好的攔截作用，可作為一項重要的農業面源氮污染防控技術。

關鍵詞：農業污水 分散式養殖 生態溝渠 氮素攔截

中圖分類號：S274 TV93 X522 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082 （2017） 04-0212-02

生態溝是指具有一定寬度和深度，主要由水、土壤和水生植物組成，具有自身獨特結構并發揮相應生態功能的農田溝渠生態系統，也稱之為農田溝渠濕地生態系統。生態溝作為人工濕地的一種類型，對農業面源污染中氮磷遷移具有較好的效果，其去除氮、磷的機理是通過底泥吸附和沉降、植物吸收、微生物硝化-反硝化作用等協同作用達到去除污染物的目的[1]，生態溝系統中物理、化學及生物的協同作用以及水生植物輸氧系統形成的根區效應是提高農業污染物處理效果的重要保證[2]。

目前研究生態溝對農業面源污染物遷移攔截效率成為我國的研究領域關注的熱點之一，生態溝種植水生植物對污染物的去除有較好的效果[3-5]。生態溝系統中的水生植物不僅能有效吸收污水中營養物質，同時有的植物種類對污水中的重金屬等有害物質具有吸附、吸收和富集作用[6]。另外，水生植物還可降低水流速度，增加水體顆粒物沉降速度，改變沉積物的分布與理化特性，進而減緩養分在溝渠中運輸，加速氮、磷界面交換和傳遞，增加對流經水體中養分的攔截效應[7]，此外，選擇水生植物種類時考慮種類間合理搭配，形成優勢互補，可以有效提高對污染物的攔截效率。

本文通過溝渠水體中氮含量的時間變化特征，分析了生態溝對氮污染物的攔截效應，以期為生態溝渠技術在面源污染的地區推廣應用提供理論依據和合理建議。

一、材料與方法

1.研究區概況

試驗區位于金井河流域（113°18'～113°26'E，28°30'～28°39' N），該流域面積為144 km2，主要分布在湖南省長沙縣金井鎮。當地屬于亞熱帶季風氣候，為典型的江南丘陵地貌，成土母質主要是花崗巖。年平均氣溫在16.5～20.5℃之間，極端最低氣溫為-5.2℃，極端最高氣溫為39.1℃，≥10℃的有效積溫6539 ℃；年平均降雨量1389 mm，降雨多集中在4～6月，占全年降雨的76%。

試驗于金井鎮脫甲村的一條生態溝渠進行，該溝于2009年初建成，2011年重新改建，至今已運行了4年，該溝渠為城郊農業區環境質量修復與功能提升技術研究示范項目基地，是四周農田徑流、農戶養殖廢水和日常生活用水的匯水之地，溝渠上口寬4米，下口寬2米，長200米，溝壁由混泥土材料建成，溝渠從上到下分別分為15個植物區，每個植物區長約13.3 m×寬2 m，植物區之間有梯度差并用水泥墩和波浪形擋板隔開，由上到下分別種有水生美人蕉、狐尾藻、梭魚草、銅錢草和黑三棱。該試驗區有農戶20戶，生豬出欄量為200頭/年，主要以種植業和養殖業為主，無水環保設施。非降雨期生態溝渠中的水主要來源于農業污水和農民生活用水。

2.樣品采集與分析方法

從2013年1月到12月，每個月分別在該生態溝的進水口和出水口取水樣，水樣運回實驗室后，盡快分析，來不及分析的樣品迅速放入-20℃冰箱中冷凍起來。分析指標包括銨態氮、硝態氮、總氮、磷酸鹽和總磷。水樣過0.45 μm濾膜后，直接用流動分析儀測定銨態氮和硝態氮；總氮用堿性過硫酸鉀消解，流動分析儀測定；磷酸鹽用鉬銻抗分光光度法測定；總磷用過硫酸鉀消解，鉬銻抗分光光度法測定。

3.數據處理

所有試驗數據用2003版Excel和SPSS 17.0 進行計算和統計分析。

二、結果與分析

1.生態溝進、出水中不同形態氮濃度變化特征分析

生態溝進水銨態氮、硝態氮和總氮濃度受降雨、農田灌溉、氣溫等外界因素影響較大。從表1中可以看出，5-8月份生態溝基流流量比其他時間大，為當地的豐水季節，而基流流量12月份最小，為枯水季節。

如圖1所示，一年中進水銨態氮濃度變化范圍為0.18～1.36 mg/L，9月份最高達1.36 mg/L；出水的銨態氮濃度變化范圍為0.02～0.14 mg/L，顯著低于進水濃度（p<0.05），達Ⅰ類水質標準，且無明顯的季節變化特征。

硝態氮進水濃度范圍為0.15～1.85 mg/L，有較明顯的季節變化特征，最低峰值在4月份，為0.15 mg/L，最高峰值出現在9月份，達1.85 mg/L，5～8月份之間變化幅度較小；出水濃度變化與進水濃度變化有相似規律，4月份濃度最低，最高峰值出現在2月份，且出水硝態氮濃度均小于進水濃度。

進水總氮濃度范圍為2.31～4.38 mg/L，均超過V類水質標準（2 mg/L），具有較明顯的季節性變化特征，峰值出現在2月份和9月份，分別為4.32和4.38 mg/L，在5～8月份總體污染濃度較低，且變化幅度較小，可能該時間段內當地連續降雨使得污染物受到稀釋有關；出水濃度在1.03～2.37 mg/L之間，均低于進水濃度。

總的來看，研究區的生態溝對氮有明顯的攔截效應，出水的銨態氮、硝態氮和總氮的濃度均低于進水的濃度。進水銨態氮、硝態氮和總氮濃度都在9月份達到最高值，主要原因可能與9月份正值水稻生長季節，稻田施加追肥使生態溝氮含量增加有關。

2.生態溝對氮的攔截特征分析

結合生態溝進出水濃度和當月的基流流量估算研究農區隨徑流遷移進入生態溝的氮、磷量及其在生態溝中攔截量等數據見表2。

由表2可知，生態溝中銨態氮的月平均輸入量為3720.9 g，月平均攔截量為3712.6 g，攔截率在67～99%之間；硝態氮的月平均輸入量為6707.2 g，月平均攔截量為2924.6 g，平均攔截率為44%；總氮月平均輸入量為23756.2 g，月平均攔截量為9195.1 g，平均攔截率為42%。全年對銨態氮、硝態氮和總氮的總攔截量分別為38070.8、35095.5和110341.1g。從無機氮的輸入量來看，硝態氮的輸入量大于銨態氮的，但是生態溝對銨態氮的攔截效果較明顯，全年的攔截率均在67%以上，最高去除率可達99%，平均去除率為86%，而對硝態氮的平均去除率僅為44%。從全年的基流流量情況可以看出，2013年5～8月份降雨較多，其中6、7月份生態溝對銨態氮、硝態氮和總氮的攔截率都處于全年中的最低。全年12個月生態溝對氮素的攔截效果進行對比，在9月份總體上對氮的攔截率最好，可能原因與9月份溫度適宜、基流流量不大，水力停留時間長和在此期間對水生植物進行刈割帶走一部分氮有關，因為以上這些因素都會對生態溝中氮的去除率有較大影響[8-9]，而在豐水季節，由于基流流量大，水流速度大，停留時間短，生態溝對污染物的去除效果就會明顯變差（如6、7月份）。

本研究中生態溝對銨態氮的平均攔截率（86%）明顯高于硝態氮的（44%），與徐紅燈研究結果相似[10]。出現這種情況的的可能原因是：銨態氮去除路徑包括泥沙沉降、底泥吸附、植物吸收同化、微生物硝化作用和氨揮發，而硝態氮的去除以反硝化作用為主。硝化作用屬于耗氧反應，反硝化作用需要在厭氧環境下進行。在植物生長的季節，由于根際效應，植物輸送的氧氣根區周圍形成有氧環境，在促進硝化細菌進行硝化作用的同時抑制了反硝化作用的進行，硝化細菌把銨態氮轉化成硝態氮，使水體中的硝態氮含量不斷得到補充；在植物吸收方面，由于銨態氮帶正電荷，植物細胞膜外側帶負電荷，所以對銨態氮有更大的親和性，此外銨態氮可以作為植物合成氨基酸的最初原料，可以被直接吸收利用，而吸收硝態氮需要更多的能量和相關的酶參與才能轉化成銨態氮被植物利用[1]。因此就會出現生態溝對銨態氮的攔截效果比硝態氮好的結果。

三、結論

通過對研究結果進行分析，得出以下結論：2013年生態溝中出水氮濃度普遍低于進水濃度，生態溝對銨態氮、硝態氮和總氮均有一定的攔截效應，全年對銨態氮、硝態氮和總氮的總攔截量分別為38070.8、35095.5和110341.1g；生態溝對銨態氮的攔截效率明顯大于硝態氮的，對銨態氮平均攔截率為86%。因此，生態溝渠可作為一項農業面源污染的防控技術進行推廣。

參考文獻

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[3]張樹楠，肖潤林，劉鋒，等.生態溝渠對氮、磷污染物的攔截效應[J].環境科學，2015，36（12）：4516-4522.

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[5]張來甲，葉春，李春華，等.沉水植物腐解對水體水質的影響[J].環境科學研究，2013，26（2）：145-151.

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[8]張婷婷，張建，楊芳，等.溫度對污水脫氮系統污染物去除效果及氧化亞氮釋放的影響[J].環境科學，2012，33（4）：1283-1287.

[9]張樹楠，肖潤林，余紅兵，等.水生植物刈割對生態溝渠中氮、磷攔截的影響[J].中國生態農業學報，2012，20（8）：1066-1071.

[10]徐紅燈.農田排水溝渠對流失氮、磷的截留和去除效應[D].北京：北京化工大學碩士學位論文，2007.

作者簡介：楊鳳飛（1987-），碩士，助教，研究方向：農業生態與環境修復。