不同攔截植物對小流域農田排水溝渠氮磷消納效果差異研究

文 炯，石敦杰，榮湘民*，田 昌*，楊 勇

(1 湖南農業大學資源環境學院/土壤肥料資源高效利用國家工程實驗室，長沙 410128；2 岳陽市農業科學研究院/農業農村部岳陽農業環境科學觀測實驗站，湖南岳陽 414000)

生態溝渠由農田排水溝渠及其內部栽植植物組成。通過溝渠攔截徑流和泥沙，植物滯留和吸收氮磷，實現生態攔截氮磷、凈化農田排水的功能[1～3]，具有高去除率、低投資、低運行費、低維護、低能耗等優點[4]。相關研究表明，生態溝渠對農業非點源氮、磷污染的去除率分別達48%～64%和41%～70%[5，6]。因此，將現有灌排溝渠改建為生態溝渠，發揮其截留沉淀、植物吸收、沉積物吸附和微生物降解作用，對去除農業面源污染中氮、磷元素具有重要意義。

水生植物是生態溝渠的重要組成部分，在其生長過程中吸收水層和底泥中的氮、磷等營養物質，吸附沉積物[7]，還可為水體中的微生物以及部分水生生物提供棲息場所和食物，在凈化水質、降低水體富營養化過程中起到關鍵作用[8～11]。但不同生態條件、不同污染物來源及不同種類水生植物的生長習性不一，水質凈化效果差異大[12]。不同種類水生植物因其生理生態學特性不同，單位面積上生物量也存在較大差異[13]。因此，選擇適宜的水生植物對提高生態溝渠的氮磷去除率、減少水體氮磷流向河流湖泊意義重大。

相關研究表明，單一的水生植物在水質凈化中會有不穩定性，不利于組建持續長久的植物群落，將不同水生植物構建組合較單一植物的攔截效果更好[14]。因此，研究構建穩定的水生植物組合，對組建良好凈化功能的生態溝渠具有積極意義。目前，關于水稻種植區小流域溝渠生態攔截的研究鮮有報道。本試驗在前期模擬試驗8種水生植物的基礎上[15]，選出狐尾藻、珍珠梅、海壽花等作為篩選品種，以湖南省常德市津市市毛里湖農區農業源頭生態溝渠為研究對象，連續兩年研究不同攔截植物及其組合對農田排水氮磷消納效果的差異，分析溝渠水體中氮、磷濃度的時間變化特征，旨在為毛里湖流域生態溝渠的構建及生態溝渠中水生植物的科學管理提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗溝渠位于湖南省常德市津市市毛里湖農區(111°46′～112°40′E，29°11′30″～29°39′40″N)，該區域屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫16.7℃，年降水量1200～1900 mm，無霜期272 d，適宜水稻、棉花、油料等作物生長。試驗前對該自然排水溝渠按工藝要求進行工程改造及攔截植物種植，生態溝渠的水源基本來自于農田排水。

1.2 試驗設計

該生態溝渠貫穿水稻種植區，改建前先清淤，用水泥護坡，水泥墩和波浪形擋板將各植物區隔開，溝渠總長658.2 m，從上游到下游依次種植狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)(長220 m)、珍珠梅(Sorbariasorbifolia)(長52 m)、海壽花(Pontederiacordata)(長32 m)、狐尾藻+海壽花(長28 m)、自然植被(包括茭白Zizanialatifolia、蘆葦Phragmitesaustralis)(長326.2 m)。試驗期間均有水從擋板平緩流出。渠道結構形狀為倒梯形，上、下寬部分別為4 m和2.8 m，溝深約1 m，水深20～30 cm，溝渠內水流速度基本一致。對溝渠進行清理，去除異物，保持排灌水通暢。(說明：由于每段溝渠長度不一致，為方便比較植物的攔截效果，將各段溝渠濃度差值折算為100 m距離的效果。)

1.3 樣品采集

1.4 測定指標及方法

1.5 計算公式

去除率(%)=(上游濃度×徑流量-下游濃度 徑流量)/(上游濃度×徑流量)×100。

1.6 數據處理

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0軟件進行數據處理和分析，處理間差異顯著性分析采用最小顯著法(LSD)檢驗。

2 結果與分析

2.1 TN消納效果

兩年試驗期間農區溝渠TN去除率整體先下降后上升，逐漸趨于平穩，而2017年后期出現波動，主要受農田施肥、降水、植物腐爛等外界因素的影響。自然植被對農區溝渠TN的消納效果最差，且整體保持平穩。2016年狐尾藻、珍珠梅、海壽花、狐尾藻+海壽花和自然植被對農區溝渠TN的去除率分別為1.48%～13.64%、11.54%～30.77%、3.91%～

圖1 不同攔截植物對農區溝渠水體TN的去除率Fig.1 Removal rates of TN by different interception plants in ditch

34.38%、12.91%～64.29%和3.10%～6.74%；達到峰值時間分別為5月30日、5月20日、7月10日、6月10日和6月20日。2017年狐尾藻、珍珠梅、海壽花、狐尾藻+海壽花和自然植被對農區溝渠TN去除率分別為0.58%～14.32%、10.43%～34.23%、20.08%～52.90%、16.95%～56.85%和1.36%～9.71%；達到峰值時間分別為4月10日、8月30日、7月30日、8月10日和7月10日(圖1)。試驗結果表明，生態溝渠植物較自然植被去除TN污染物效果好，且水生植物組合較單一種植對農區溝渠TN的消納效果好。

圖2 不同攔截植物對農區溝渠水體的去除率Fig.2 Removal rates of ammonium by different interception plants in ditch

圖3 不同攔截植物對農區溝渠水體的去除率Fig.3 Removal rates of nitrate by different interception plants in ditch

2.4 TP消納效果

圖4顯示，兩年試驗期間農區溝渠TP去除率整體先上升后下降，主要受農田施肥、降水、植物腐爛等外界因素的影響。自然植被對農區溝渠TP的消納效果最差，且保持平穩。2016年狐尾藻、珍珠梅、海壽花、狐尾藻+海壽花和自然植被對農區溝渠TP的去除率分別為3.89%～13.88%、5.49%～52.11%、27.64%～105.28%、8.69%～106.14%和4.38%～13.00%；達到峰值時間分別為8月30日、4月10日、6月10日、5月10日和8月30日。2017年狐尾藻、珍珠梅、海壽花、狐尾藻+海壽花和自然植被對農區溝渠TP去除率分別為3.35%～13.35%、5.94%～42.46%、7.78%～79.87%、17.25%～65.78%和1.69%～10.47%；達到峰值時間分別為5月30日、5月10日、8月20日、4月30日和6月20日。試驗結果表明，生態溝渠植物較自然植被去除TP污染物效果好，且水生植物組合較單一種植對農區溝渠TP的消納效果好。

圖4 不同攔截植物對農區溝渠水體TP的去除率Fig.4 Removal rates of total phosphorus by different interception plants in ditch

2.5 氮磷平均去除率

表1 不同攔截植物對氮磷的平均去除率 %

3 討論

農田排水溝渠中氮主要通過植株吸收、脫氮作用、沉積作用等機制遷移轉化[20]。溝渠水中養分減少比例較大的水生植物，底泥中微生物數與微生物量碳氮磷也較高，但溝渠養分減少比例與微生物數量排序并非完全一致[21]。溝渠中底泥對徑流水N、P攔截的作用較大，植物的生長可固定泥土，在溝渠中種植植物可降低底泥隨徑流水流失的風險[15]。盡管綠狐尾藻須根短小，但密度較大，水體中顆粒物在流動過程中遇到的阻力較多，泥沙攔截效果較好[22，23]。同時，狐尾藻多為沉水植物，觀賞性較高，全草可作為魚蝦蟹塘養殖過程的飼料。一方面有效減少農田養分流失對下游水體造成的面源污染，另一方面，攔截植物生物質可用于覆蓋還田或作為動物飼料，實現養分資源循環利用[4]。而本試驗條件下，狐尾藻對泥土的固定能力較弱，監測過程多次出現狐尾藻因水流速太快而被帶走的情況，不建議狐尾藻單獨種植于溝渠中。相關研究表明，在不影響渠道排灌和泄洪能力的情況下，選擇栽種浮水植物和生物量大的挺水植物將能更有效地攔截N、P污染物向河道的輸移。陳英等[14]發現，再力花+蘆葦+黃花水龍、水芹+燈心草+菖蒲等水生植物組合對水體中TN、TP去除率均不低于65%，可作為太湖流域生態溝渠塘組建長期穩定的有良好凈化效果的水生植物組合。本研究中，就單種攔截植物來說，海壽花的消納效果較好，而狐尾藻較差，但兩者組合種植后能進一步增加生態溝渠的生物量，顯著吸收水體中N、P，對N、P攔截的效果顯著。狐尾藻與海壽花的混合種植方式既提高生物量，又防止狐尾藻隨水流移動，是較為理想的溝渠攔截N、P的種植方式。

本研究中，不同生態溝渠植物在晚稻施肥期間(8月)對N、P污染物的去除率要顯著高于在早、中稻排灌水期(4～5月)。這主要是由于在早稻施肥期水生植物的生長量較小，對N、P的去除能力較弱；而在晚稻施肥期，均已達到生長旺盛期，去除溝渠排水中N、P的能力增強。本研究結果顯示，水生植物對氮、磷污染物的凈化率與其生長狀況有關，生長旺盛期的水生植物表現出較高的凈化效率，而在生長初期及處于衰亡階段的水生植物的凈化效率較低。因此，明確不同水生植物的生長發育規律，使其充分發揮生長旺盛期的凈化能力，將能更高效地去除稻田的農業面源污染物。此外，在秋、冬季節，部分一年生植物地上部分死亡以后，其攔截效果會受到很大影響，因此可以通過建立不同特性物種的組合模式，來增強生態溝渠的生態攔截效果，這尚需進一步研究。

4 結論