3種濕地植物對農(nóng)田溝渠水體氮、磷的消減作用

張 震，劉伸伸，胡宏祥，何金鈴，馬友華，王一帆，代宇雨，徐 微

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥230036；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230036；3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥230036）

農(nóng)業(yè)面源污染是非點(diǎn)源污染的主要形式之一，常指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)、農(nóng)藥以及其他有機(jī)物和污染物質(zhì)通過地表徑流和農(nóng)田滲漏而形成的水環(huán)境污染［1－3］。中國農(nóng)業(yè)面源污染的迅速擴(kuò)展主要與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中化肥和農(nóng)藥等的過量使用、施肥方式的落后等有關(guān)［4－5］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國化肥年使用量達(dá)4.12×107t，施肥量高達(dá)400 kg·hm－2以上；但農(nóng)作物對氮肥利用率僅為30%～35%，磷肥為10%～25%，鉀肥為35%～50%［6］。而歐美國家為防止過量施肥對環(huán)境產(chǎn)生的污染，設(shè)置平均化肥使用量限值為225 kg·hm－2。農(nóng)業(yè)面源污染不僅污染農(nóng)田土壤，改變原有土壤的結(jié)構(gòu)和特性，造成土壤板結(jié)、土壤質(zhì)量下降；還通過農(nóng)田徑流引發(fā)對水體的有機(jī)污染，富營養(yǎng)化污染，甚至污染地下水和空氣，直接損害人體健康［7－8］。巢湖作為中國五大淡水湖之一，面臨著較為嚴(yán)峻的面源污染問題［9］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因水土流失而輸入巢湖的總氮達(dá)945 t，總磷達(dá)567 t，有機(jī)質(zhì)達(dá)1.4×104t；每年總計(jì)約有4 200 t農(nóng)業(yè)化肥、100 t農(nóng)藥流入巢湖［10］。巢湖流域作為安徽省重要的農(nóng)業(yè)區(qū)，耕地面積約5.02×105hm2［9］，由于復(fù)種指數(shù)高，作物種植面積大，對化肥的需求量較大，造成施肥結(jié)構(gòu)極不合理，施用氮肥過量明顯，而有機(jī)肥嚴(yán)重不足，造成大量的氮、磷源源不斷流入巢湖，導(dǎo)致巢湖水體富營養(yǎng)化程度過高。目前，關(guān)于農(nóng)業(yè)面源污染控制的技術(shù)有人工濕地技術(shù)、前置庫技術(shù)、緩沖帶和水陸交錯(cuò)帶技術(shù)、水土保持技術(shù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)工程技術(shù)等［11］。其中，人工濕地技術(shù)具有投資成本低、操作簡單、處理效果好等特點(diǎn)，已較多地運(yùn)用于生活污水和某些工農(nóng)業(yè)廢水、垃圾滲濾液等的凈化［12］。生態(tài)溝渠即采用人工濕地技術(shù)在農(nóng)田溝渠內(nèi)種植不同的植物，使溝渠內(nèi)氮、磷等進(jìn)入受納水體前通過溝渠攔截、植物滯留而吸收，最終減少水體的污染負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)生態(tài)攔截功能［13］。錢銀飛等［14］研究了溝渠內(nèi)水生植物香根草Vetiveria zizanioides，茭白Zizania latifolia和白蓮Nelumbo nucifera對雙季稻田施肥期間氮磷污染物的凈化效果，發(fā)現(xiàn)處于生長旺盛期的水生植物對溝渠水體中氮、磷污染物的去除率最高。張樹楠等［15］通過將原農(nóng)業(yè)排水溝渠改建成生態(tài)溝，以美人蕉Canna indica，黑三棱Sparganium stoloniferum，燈心草Juncus effusus，銅錢草Hyrocotyle vulgaris和綠狐尾藻Myriophyllum elatinoides等為試驗(yàn)植物，探討了生態(tài)溝渠對農(nóng)業(yè)面源污染的阻控效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)生態(tài)溝渠對氮、磷污染物有較好的攔截效應(yīng)。本研究以石菖蒲Acorus tatarinowii，水芹Oenanthe javanica和刺苦草Vallisneria spinulosa等3種濕地植物作為溝渠攔截植物，分析溝渠內(nèi)氮、磷質(zhì)量濃度的攔截效果，以期為巢湖流域及其周邊等污染水體的生態(tài)修復(fù)治理提供參考。

1 研究地區(qū)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于巢湖市下朱新村水稻田（31.63°N，117.87°E），距巢湖入湖河流雞裕河不足2 km。該區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量適中，光照充分，熱量條件較好，無霜期長，常年平均氣溫為16.0℃。1月平均氣溫普遍在0℃以上，7月平均氣溫為25.0℃左右，冬夏風(fēng)向有明顯變化。年降水量一般在1 000 mm以上，主要集中在夏季5－8月，約占全年降水量的55%［16］。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

所選用的石菖蒲、水芹和刺苦草等3種植物，可以藥用或食用，具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值，且為巢湖流域常見且易于獲得的植物。其中石菖蒲，屬天南星科Araceae菖蒲屬Acorus禾草狀多年生常綠草本植物，對濕潤環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，根莖常作藥用；水芹，屬傘形科Umbelliferae水芹屬Oenanthe多年水生宿根草本植物，耐低溫，生活在河溝、水田旁，富含營養(yǎng)物質(zhì)，藥用價(jià)值較高；刺苦草，水鱉科Hydrocharitaceae苦草屬Vallisneria沉水草本植物，通常生長于2 m以內(nèi)的水域，以根狀莖越冬。實(shí)驗(yàn)所用苗株采購于安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)高新技術(shù)農(nóng)業(yè)園區(qū)。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究中溝渠總長300 m，形狀為上寬下窄的倒梯形，上部寬度為1.2 m，底部寬度為0.6 m，溝渠一側(cè)為水稻田，另一側(cè)為道路（圖1）。選取長勢良好、株高相當(dāng)?shù)挠酌缭跍锨性苑N（2015年3月20日），隔10 m依次栽植石菖蒲、水芹和刺苦草。3種植物的種植密度為36株·m－2，株間距為20 cm。同時(shí)，在生態(tài)溝兩側(cè)溝壁上栽植絡(luò)石Trachelospermum jasminoides，黑麥草Lolium perenne和常春藤Hedera nepalensis，以防止稻田水土流失。溝渠水流為循環(huán)式水體，從水泵站流出后經(jīng)排灌溝回到泵站。由于實(shí)驗(yàn)區(qū)位于村落附近，水稻生長需定期進(jìn)行灌溉，因而有部分農(nóng)村生活用水經(jīng)稻田流入溝渠。研究區(qū)于2015年5月6日播種水稻，6月15日移栽，2015年9月28日收獲。水稻的生育過程分為前、中、后3個(gè)時(shí)期，在水稻生長過程中共施肥4次，基肥、分蘗肥、穗肥和粒肥。研究區(qū)于5月30日在稻田施加基肥，6月15日移栽，7月15日追施分蘗肥，8月10日、9月5日分別施加穗肥和粒肥。

圖1 下竹新村溝渠道路剖面圖Figure 1 Ditch road profile of Xiazhuxin Villiage

1.4 樣品采集

選取巢湖市下朱新村的基本水稻田作為研究區(qū)，選擇1條長為300 m的水田溝渠，沿著溝渠水流方向設(shè)立5個(gè)采樣點(diǎn)，分別記為P1～P5（圖2），P5位于泵站附近，各樣點(diǎn)分別間隔55 m。2015年6月20日在溝渠中定期采集5個(gè)樣點(diǎn)的徑流水樣，同一取樣點(diǎn)同一時(shí)間取樣3次，以后隔10 d取樣1次。獲取的水樣經(jīng)0.45 μm尼龍膜過濾后裝入聚乙烯塑料瓶，放入4℃低溫冰箱中保存，用于測定徑流水樣中不同形態(tài)氮、磷質(zhì)量濃度，探討生態(tài)攔截溝對農(nóng)田徑流中氮磷的去除效果。

圖2 下竹新村樣地平面示意圖Figure 2 Schematic diagram of sample plot of Xiazhuxin Villiage

1.5 分析方法

主要監(jiān)測指標(biāo)有總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷。總氮用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法，銨態(tài)氮采用納氏試劑比色法，硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法；總磷采用過硫酸鉀氧化-鉬銻抗比色法［17］。水質(zhì)情況判定依據(jù)表1進(jìn)行［18］。

表1 水質(zhì)分類等級Table 1 Water quality evaluation

去除率計(jì)算公式： R=［（C0－C1）/C0］×100%［19］。其中：R為對應(yīng)指標(biāo)的去除率；C0為進(jìn)水端污染物質(zhì)量濃度；C1為出水端污染物質(zhì)量濃度。

采用Origin 7.5及SPSS 13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1生態(tài)溝渠中不同形態(tài)氮的變化

2.1.1 生態(tài)溝渠內(nèi)總氮的變化 由圖3可見：進(jìn)水中總氮質(zhì)量濃度為0.98～7.39 mg·L－1，其最小值和最大值分別出現(xiàn)在9月8日和6月20日。9次采樣中有6次進(jìn)水未達(dá)到地表水V類標(biāo)準(zhǔn)（≤2.00 mg·L－1），其中只有3次達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)（≤1.50 mg·L－1）。稻田來水經(jīng)生態(tài)溝渠處理后，出水中總氮質(zhì)量濃度有顯著降低（P＜0.01），并和進(jìn)水質(zhì)量濃度有相同的變化趨勢，其中有2次達(dá)到地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，5次達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，1次為Ⅴ類水。分析表明：生態(tài)溝渠對總氮的去除率受季節(jié)影響明顯，夏季去除率較高，最大值為8月19日的74.58%，最小值為7月10日的53.86%，監(jiān)測期間對總氮的平均去除率為65.11%。

2.1.2 生態(tài)溝渠內(nèi)銨態(tài)氮的變化 如圖4所示：在6－9月，生態(tài)溝渠進(jìn)水中銨態(tài)氮質(zhì)量濃度在0.18～1.48 mg·L－1，6月和7月的質(zhì)量濃度要高于8月和9月。田間排水經(jīng)生態(tài)溝渠處理后，出水中銨態(tài)氮質(zhì)量濃度出現(xiàn)明顯降低。其中，9次采樣中有1次出水水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（≤0.15 mg·L－1），7次達(dá)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)（≤0.50 mg·L－1）， 1 次達(dá)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（≤1.00 mg·L－1）。 在試驗(yàn)監(jiān)測期間， 銨態(tài)氮的平均去除率達(dá)到48.71%，最高值59.33%和最低值36.23%分別出現(xiàn)在9月8日和8月29日，去除率隨時(shí)間變化而波動。

圖3 進(jìn)出水中總氮 （TN）質(zhì)量濃度及去除率變化Figure 3 Variation of TN mass concentration and removal rate in water

圖4 進(jìn)出水中銨態(tài)氮（NH4＋-N）質(zhì)量濃度及去除率變化Figure 4 Variation of NH4＋-N mass concentration and removal rate in water

2.1.3 生態(tài)溝渠內(nèi)硝態(tài)氮的變化 圖5表明：7和8月溝渠進(jìn)水中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度較高，6和9月則相對較低，6月20日質(zhì)量濃度最高，為3.72 mg·L－1，最低值0.57 mg·L－1出現(xiàn)在7月10日。來水經(jīng)溝渠中植物吸收凈化后，出水中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度明顯低于進(jìn)水中的質(zhì)量濃度（P＜0.01），且出水質(zhì)量濃度受進(jìn)水質(zhì)量濃度影響，存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。在監(jiān)測期間，生態(tài)溝渠對硝態(tài)氮的去除率在7月和8月較高。其中，去除率最低為7月10日的34.35%，6月20日出現(xiàn)去除率最高值（66.88%），生態(tài)溝渠對硝態(tài)氮平均去除率為51.58%。

2.2 生態(tài)溝渠中總磷的變化

生態(tài)溝渠進(jìn)出水中總磷質(zhì)量濃度為0.119～0.484 mg·L－1，最小值和最大值分別出現(xiàn)在7月1日和6月20日（圖6）。稻田來水經(jīng)生態(tài)溝渠處理后，出水中總磷質(zhì)量濃度有顯著降低（P＜0.01），并和進(jìn)水質(zhì)量濃度有相同的變化趨勢，其中有8次達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（≤0.20 mg·L－1），1次達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。生態(tài)溝渠對總磷的去除率受季節(jié)影響明顯，夏秋季去除率較高，最大值為8月19日的74.58%，監(jiān)測期間對總磷的平均去除率58.92%。

3 討論與結(jié)論

濕地植物是水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，既可以直接吸收氮、磷等營養(yǎng)成分，也可以在根區(qū)促進(jìn)氮物質(zhì)的氧化分解［20］。水生植物可通過體內(nèi)發(fā)達(dá)的通氣系統(tǒng)使氧從莖葉向根處轉(zhuǎn)移，在根區(qū)附近形成有氧環(huán)境；其根系可作為微生物附著的良好界面，并分泌一些有機(jī)物促進(jìn)微生物的代謝，為好氧微生物群落提供了一個(gè)適宜的生長環(huán)境；而根區(qū)以外則適于厭氧微生物群落的生存，進(jìn)行反硝化和有機(jī)物的厭氧降解［21］。當(dāng)總氮進(jìn)入水體后，先經(jīng)過微生物的氨化作用轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，然后揮發(fā)或直接被植物吸收；銨態(tài)氮?jiǎng)t通過硝化作用氧化成硝態(tài)氮成為植物吸收利用的另一種形式［22］；有機(jī)氮在礦化作用下轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，通過硝化細(xì)菌作用進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，最后在厭氧條件下發(fā)生反硝化作用形成氮?dú)猓∟2）和氧化亞氮（N2O），揮發(fā)進(jìn)入大氣［23］。當(dāng)農(nóng)田排水進(jìn)入溝渠后，水體中的銨態(tài)氮和有機(jī)態(tài)氮會被底泥土壤中帶負(fù)電荷膠體顆粒所吸附固定，因而溝渠中銨態(tài)氮的去除率要高于硝態(tài)氮［24］。在試驗(yàn)區(qū)，水體含氮污染物在溝渠遷移過程中易發(fā)生氧化作用轉(zhuǎn)換為硝態(tài)氮，因而溝渠進(jìn)水中硝態(tài)氮的含量要高于銨態(tài)氮。與氮相比，底泥對磷的吸附能力和速度要更強(qiáng)大。無機(jī)磷是植物必需的營養(yǎng)元素，水體中有機(jī)磷在微生物作用下分解氧化為無機(jī)磷，然后在植物吸收及同化作用下轉(zhuǎn)化成植物所需的ATP，DNA，RNA等有機(jī)成分，最后通過植物的收割而移去［25］。

圖5 進(jìn)出水中硝態(tài)氮（NO3--N）質(zhì)量濃度及去除率變化Figure 5 Variation of NO3--N mass concentration and removal rate in water

圖6 進(jìn)出水中總磷（TP）質(zhì)量濃度及去除率變化Figure 6 Variation of TP mass concentration and removal rate in water

由于野外實(shí)驗(yàn)受自然條件的影響較大，不可控因素較多，氮、磷的去除效果呈現(xiàn)一定的波動性。降雨和施肥是影響氮素、磷素徑流輸出的主要因子，結(jié)合氮、磷元素輸出負(fù)荷，發(fā)現(xiàn)三者之間具有極顯著的二元一次非線性相關(guān)關(guān)系［26］。施肥過程中受不定期降雨和徑流的影響，各樣點(diǎn)氮、磷質(zhì)量濃度呈波動變化。7月15日，實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)人工對稻田追施分蘗肥。受7月18日降雨和徑流的影響，至7月20日各樣點(diǎn)氮、磷均有所回升，之后繼續(xù)呈波動下降趨勢，這與于會彬等［27］的研究相符。水稻Oryza sativa是喜水作物，田面需要保持一定的水深以利于水稻生長。由于傳統(tǒng)灌水方式蓄水較多且利用效率不高，經(jīng)常將肥料隨水一齊排出，導(dǎo)致排水徑流中含有大量的氮素和磷素，氮、磷淋失量較大。石麗紅等［28］通過單次徑流事件中徑流水的氮、磷研究發(fā)現(xiàn)，氮、磷流失量與其施用量存在極顯著線性正相關(guān)，流失量隨施肥量的增加而增大。8月10日追施惠肥后，8月15日，稻田進(jìn)行蓄水，一周后放水。隨水流的不斷向外滲透，各樣點(diǎn)氮、磷質(zhì)量濃度在8月19日有所回升。

在溝渠中，氮、磷等污染物的去除依賴于植物的吸收、底泥的吸附以及微生物的降解轉(zhuǎn)化作用，而季節(jié)和溫度對這些作用的發(fā)揮影響較大。植物的生長受到溫度的制約，在適宜的生長溫度范圍內(nèi)，植物的光合作用隨溫度的升高而相應(yīng)升高，其對氮、磷的吸收作用也不斷增強(qiáng)。KOVACIC等［29］研究發(fā)現(xiàn)：在夏秋季節(jié)，植物處于生長的適宜溫度期，其對氮、磷的吸收效果較為顯著。本研究的采樣集中于6－9月，此時(shí)水生植物處于生長旺盛期，對水體中氮、磷的去除效率逐漸升高。在此階段植物光合作用較強(qiáng)，隨著光合作用的增大，植物根際的生長以及微生物活性的提高，更有利于植物對氮、磷的吸收。本研究表明：通過在溝渠中種植水芹、石菖蒲和刺苦草，溝渠內(nèi)總氮去除率為56.18%～74.58%，銨態(tài)氮去除率為36.23%～59.33%，硝態(tài)氮去除率為34.35%～66.88%，總磷去除率為44.38%～76.35%，說明水芹、石菖蒲和刺苦草3種植物對富營養(yǎng)化水體具有良好的凈化作用［30－32］。

本研究選取的3種植物均具有一定的藥用或食用價(jià)值，在溝渠內(nèi)栽植可以產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，在農(nóng)田生態(tài)溝渠中栽植此類水生植物可對農(nóng)田徑流中的氮、磷污染物起到較好的截留作用，在農(nóng)業(yè)面源污染防治中具有一定的應(yīng)用價(jià)值，有利于減輕巢湖的污染負(fù)荷。本研究僅從植物對水質(zhì)的凈化作用開展了相關(guān)研究，今后可結(jié)合植物對氮、磷的吸收及溝渠底泥對氮、磷的吸附等方面進(jìn)行綜合研究。