農田匯水河道水生植物原位凈化工程處理效果分析

張迎穎，聞學政，姚一丹，楊 非，王 巖 ，劉海琴，張志勇*

（1.江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，南京 210014；2.農業部長江下游平原農業環境重點實驗室，南京210014；3.南京理工大學環境與生物工程學院，南京 210094；4.東南大學能源與環境學院，南京 210096）

種植業末端農田徑流排水中含有較高的氮磷污染物，通過周邊溝渠支浜排入自然水體，會引發水體富營養化問題[1-3]。利用生態工程措施控制農田徑流污染是目前采取的重要手段之一。在農田徑流匯水排入自然水體之前，可以通過生態溝渠、人工濕地、生態邊坡、生態修復等技術[4-8]，沿程逐步降低農田徑流氮磷濃度。其中，生態修復是農田徑流污染治理的最后一環，也是農田徑流污染控制的最后一道屏障[8]。常用的生態修復技術，包括河濱帶濕地恢復、漂浮植物控養、沉水植被恢復及組合生態浮床技術等[9-12]，且可用于生態修復技術中的水生植物品種較多，例如水稻、水芹菜、黃菖蒲、水生美人蕉、水葫蘆、綠狐尾藻、梭魚草等。楊林章等[12]的研究顯示：利用水稻生態浮床原位凈化農田徑流匯水河道，對開放水域氨氮、總磷的處理效率達到19.00%和22.00%以上。Reddy等[13]開展了水葫蘆凈化塘處理農田灌溉排水的現場試驗，結果表明：水力滯留時間為3.6 d條件下，水葫蘆塘對輸入水體中硝氮、氨氮的去除率達78.00%和81.00%，對總磷的去除率為54.00%。冬季植物浮床試驗表明：在水溫5.0～10.1℃的條件下，水芹菜、黑麥草和大蒜均能有效去除水體氮、磷及有機物[14]。利用不同類型水生植物對營養元素吸收的互補性[15]，采取合理的搭配種養，構建原位凈化組合生態浮床，可以較大程度地降低河道中的氮磷等污染物濃度。

參考前人的研究結果，本研究選擇漂浮植物水葫蘆與浮水植物綠狐尾藻搭配種植，在江蘇省泗洪縣四河鄉鑫源養豬專業合作社所轄農田片區，開展農田徑流匯水重污染河道原位凈化試驗，監測組合生態浮床技術對于徑流主要污染物的攔截與凈化效果，明確水生植物的氮磷富集量，為種植業末端的農業面源污染防控提供技術選擇與數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與地點

試驗植物有兩種，分別是：水葫蘆[Eichhornia crassipes（Mart.）Solms]，雨久花科鳳眼藍屬，多年生漂浮性草本植物；綠狐尾藻（Myriophyllum elatinoides Gaudich.），小二仙草科狐尾藻屬，多年生沉水或浮水草本植物。試驗河道位于泗洪縣四河鄉，區域地處江蘇省西北部、淮河中游，東臨洪澤湖；屬東亞季風區，四季分明；土壤有黃潮土、砂礓黑土、淋溶褐土三類。試驗河道主要接納稻麥、設施蔬菜（面積約133.33 hm2）的農田排水及少量農村生活污水，水面常年覆蓋大量浮萍，水體氮磷等主要污染物濃度較高，為劣Ⅴ類水。監測數據顯示，2017年5—11月，農田徑流排水經周邊自然溝渠初步沉降后，在試驗河段入水處水體總氮濃度約為5.28～13.55 mg·L-1，總磷濃度約為 0.45～0.96 mg·L-1，化學需氧量濃度約為 35.00～49.33 mg·L-1，懸浮物濃度約為42～130 mg·L-1。

1.2 試驗設計

試驗河段全長約360 m，水面寬度隨著水位變化，約為6.50～8.00 m。沿著水流方向，每隔10 m設置3 m×3 m的水葫蘆種養圍欄1個，全程共設置37個；在河段上游約260 m的長度上，每兩個水葫蘆種養框內扦插2 m×2 m的綠狐尾藻種養圍欄1個，全程共設置27個，增設綠狐尾藻圍欄的目的是對污染物濃度較高的上游排水實施強化凈化。采用PVC管制作浮框，并用細纜繩及木樁在河道兩側對浮框位置進行固定。水葫蘆種苗投放量為0.30±0.02 kg·m-2，綠狐尾藻種苗投放量為1.50±0.05 kg·m-2，于2017年5月10日完成圍欄構建及種苗投放工作。水葫蘆共采收3次，分別為7月11日、9月13日、11月20日；綠狐尾藻共采收2次，分別是8月7日、11月19日。試驗期間，均采收當時生物量的2/3，保留1/3，試驗結束時將植物全部采收。每次采收時，現場測定單位面積植物生物量（鮮質量），并采集植物樣品，測定干物質含量及植株全氮、全磷含量。如圖1所示，沿著水流方向，設置水樣采集位點4個，分別命名為S1（33°11′0.11″N，118°8′15.67″E）、S2（33°11′4.66″N，118°8′17.53″E）、S3（33°11′8.56″N，118°8′18.75″E）、S4（33°11′11.81″N，118°8′19.83″E），即S1為河段上游入水處，S4為河段下游出水處。試驗期間每月采集水樣一次（8月份采樣兩次），測定水體總氮（TN）、總磷（TP）、化學需氧量（CODCr）、懸浮物（SS）等，并現場監測水溫（T）、酸堿度（pH）、溶解氧（DO）。水樣采集時間從2017年5月16日持續到11月23日。

1.3 測定方法

水溫、酸堿度（pH）和溶解氧（DO）采用YSI pro?fessional plus水質監測儀（維賽儀器北京有限公司）現場測定。水體總氮（TN）與總磷（TP）：將水樣消煮，采用AutoAnalyzer3 Applications流動分析儀測定；水體化學需氧量（CODCr）采用重鉻酸鉀法測定；水體懸浮物（SS）采用0.45 μm濾膜過濾稱重法測定。

植株生物量的測定：將植物從水中撈起放在篩網上，直至無滴水時稱取質量；植株干物質含量的測定：采集植株樣品稱量其鮮質量，殺青烘干后稱量其干質量，計算而得；采用混合催化劑硫酸消化凱式滴定法測定植物干物質全氮；采用硫酸高氯酸消煮鉬銻抗比色法測定植株干物質全磷。

1.4 數據處理與分析

試驗數據取3個重復樣品的平均值，由平均值±標準差表示，數據分析與統計處理采用Origin 8.0和SPSS 17.0。各采樣點水質指標之間的差異比較，均采用One-way ANOVA進行單因素方差分析，選用LSD檢驗和Duncan’s檢驗差異顯著性。

各污染物的沿程消減率均采用以下公式計算：

式中：Rr為污染物消減率，%；C1為點位S1的污染物濃度，mg·L-1；C4為點位S4的污染物濃度，mg·L-1。

水生植物的干質量采用以下公式計算：

式中：Qd為植株干質量，g·m-2；Qf為植株鮮質量，kg·m-2；Cd為植株干物質含量，%。

水生植物氮、磷含量采用以下公式計算：

式中，AN和AP分別為單位面積的植株氮磷含量，kg·m-2；Qd為植株干質量，g·m-2；CN為植株干物質中全氮含量，%；Cp為植株干物質中全磷含量，%。

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2 結果與分析

2.1 試驗河段水體水溫、pH及DO變化

如表1所示，試驗期間，河段水溫變化范圍為10.0～31.7 ℃；其中 5—9月，水溫較高，為 23.1～31.7℃；從10月份開始，水溫明顯降低，10月12日的水溫降至16.0℃。水溫高低直接影響到水生植物的生長速率與氮磷吸收量、微生物活性及其對污染物的降解能力。

試驗河段各采樣點位水體pH值變化情況如圖2所示：7月7日、8月7日、9月21日河段水體pH值均呈弱堿性，沿著水流方向，從點位S1到S4水體pH值逐漸降低，趨近于中性；而8月27日，河段水體pH呈弱酸性，各點位水體pH值逐漸升高，亦是趨向中性；而在10月12日之后，這種趨向于中性的變化趨勢不明顯。8—9月的數據顯示，點位S1和S4的pH值之間存在顯著差異（P＜0.05），表明水生植物的種養能夠產生調節水體pH值的作用。

圖1水生植物原位凈化農田匯水河道試驗采樣點位置圖Figure 1 Location of water sampling sites in the purification experiment of farmland catchment river with aquatic macrophyte

圖3 給出了試驗河段各采樣點位水體溶解氧（DO）變化情況。試驗初期（5—6月），河段水面被綠色浮萍基本全部覆蓋，水流緩慢，水體自身的復氧功能受到抑制，DO含量極低，僅為 0.10～1.22 mg·L-1。試驗中期（7—10月），由于水生植物快速生長造成的生物競爭，使得水面浮萍明顯減少，且水生植物被控養在浮框內，并未占據整個水面，使得水體DO有所提高，達到2.64～7.77 mg·L-1。試驗結束時（11月），水生植物完成采收，且氣溫和水溫明顯降低，浮萍無法生長，水體DO維持在較高的水平上，達到4.36～8.69 mg·L-1。試驗期間，溶解氧并未表現出一致的沿程變化規律；只是在試驗過程中，表現出隨著時間逐漸升高的趨勢。

表1 試驗期間河段水溫變化Table 1 Change of water temperature in the river during the experiment

圖2 試驗期間各采樣點pH值變化圖Figure 2 Change of pH at four sampling sites during the experiment

圖3 試驗期間各采樣點DO變化圖Figure 3 Change of DO at four sampling sites during the experiment

2.2 試驗河段水體氮磷濃度變化

沿著水流方向，各采樣點位水體TN濃度變化如圖4所示。試驗數據顯示，7—10月水體TN濃度沿程總消減率較高，除了7月7日以外，各采樣時間水體TN的總消減率均高于50.00%。其中，8月7日水體TN的消減率最高，達到78.00%，TN濃度從點位S1的6.38±0.22 mg·L-1逐漸降低至S4的1.40±0.47 mg·L-1，低于地表水Ⅴ類水的標準限值。在7—10月，與點位S1相比，沿著水流方向各點位TN濃度均有所降低，而點位S4的TN濃度顯著降低（P＜0.05），原因在于：水生植物經過前期的恢復，7—10月為其旺盛生長期，能夠高效吸收富集水體氮磷，且溫度適宜于微生物的生理活動，硝化反硝化脫氮作用也增強[16]。11月23日，水生植物已完成采收，不再發揮攔截凈化作用，水體TN濃度沿著水流方向（從點位S1至S4）逐漸升高，逐漸累積。

如圖5所示，各采樣點位水體TP濃度變化規律與TN類似。7—10月，水體TP濃度沿著水流方向逐漸降低，沿程總消減率為44.62%～73.33%。8月份的兩次采樣數據顯示，水體TP的沿程總消減率均達到70.00%以上，其中8月27日，水體TP的沿程總消減率最高，TP濃度從點位S1的0.75±0.10 mg·L-1降低至S4的0.20±0.05 mg·L-1，達到地表水Ⅴ類水的標準限值。在7—10月，沿著水流方向，點位S4的TP濃度也顯著低于點位S1（P＜0.05）。水體TP的消減，不僅與水生植物對可溶性磷的吸收富集能力相關，也與植物根系對顆粒態磷的攔截吸附過程相關[17]；另外，顆粒態磷還會向底泥沉積。11月23日，水生植物采收工作已完成，植物的攔截凈化作用缺失，水體TP濃度也呈現沿著水流方向逐漸升高的特征。

圖5 試驗期間各采樣點水體TP濃度變化圖Figure 5 Change of TP concentrations at four sampling sites during the experiment

2.3 試驗河段水體COD和SS濃度變化

試驗河段各采樣點水體COD濃度變化如圖6所示。試驗初期（5—6月），水體COD的沿程總消減率相對較低，為15.41%～27.74%。試驗中期（7—10月），隨著植物根系逐漸生長，根系微生物的活躍對水體有機物的降解作用增強，試驗河段出水處S4的水體COD濃度顯著消減（P＜0.05），水體COD的沿程總消減率為46.15%～57.82%。其中8月7日，水體COD濃度從點位S1的42.67±3.19 mg·L-1降低至S4的18.00±2.65 mg·L-1，沿程總消減率最高，達到58%。10月12日，水體COD濃度的沿程總消減率有所降低，約為46.77%。11月份，植物完成采收，各采樣點位的COD濃度之間無明顯差異（P＞0.05）。

圖7給出了試驗河段水體SS濃度的變化情況。試驗初期（5—6月），試驗河段入水處S1的水體SS濃度相對較高，且植物種苗投放不久，植物剛開始生長，根系較短，對水體懸浮物的截留能力較弱，水體SS的沿程總消減率較低，僅為15.84%～16.15%。試驗中期，可能由于降雨次數及農田灌溉用水增多，試驗河段入水處的水體SS濃度有所降低；同時，由于植物生長旺盛，具有發達的根系，形成了較強的根區截留效應。7—10月，經過水生植物根區的攔截，水體SS濃度沿著水流方向顯著降低（P＜0.05）。8月份，河段水體SS的沿程總消減率處于較高水平，其中8月7日，水體SS濃度從河段入水處S1的63±9 mg·L-1降低至出水處S4的30±9 mg·L-1，沿程總消減率達到最高值，約為52.38%，這與水體TP濃度變化情況類似。9—10月份，水體SS消減率略有降低，約為33.33%～38.10%。11月份，各采樣點位的SS濃度之間無明顯差異（P＞0.05）。

圖7 試驗期間各采樣點水體SS濃度變化圖Figure 7 Change of SS concentrations at four sampling sites during the experiment

2.4 試驗植物的氮磷吸收量

如表2所示，試驗植物于2017年5月10日完成種苗投放。水葫蘆的初始生物量為99.90 kg，試驗期間共采收3次，前2次均采收當時生物量的2/3，保留1/3，最后1次將植株全部采收，共采收生物量24 047.10 kg，增加量為23 947.20 kg；通過水葫蘆的采收，去除水體氮45.64 kg、磷5.75 kg。綠狐尾藻的初始生物量為162.00 kg，試驗期間共采收2次，第1次采收當時生物量的2/3，保留1/3，第2次將植株全部采收，共采收生物量12 962.07 kg，增加量為12 800.07 kg；通過綠狐尾藻的采收，去除水體氮22.84 kg、磷1.48 kg。計算可知，通過植物吸收并采收共帶走水體氮68.48 kg，磷7.23 kg。

3 討論

3.1 原位修復生態浮床的運行效果

在植物旺盛生長期，河段水體pH值沿著水流方向逐漸趨于中性，與前人的研究結果一致[18-19]。研究認為：漂浮植物覆蓋水面，會降低溶解氧濃度[20-21]。本試驗中，植物種養后DO濃度明顯升高，平均值達到3.97 mg·L-1，顯著高于試驗初期的0.10 mg·L-1。可能是因為植物只占據少量水面，并未全部覆蓋；同時植株體內的輸氧過程也在發揮作用[22-23]。水葫蘆可利用自身通氣組織將大氣中的氧氣傳輸至根部，并將其中的30.00%～40.00%釋放至根區以供好氧微生物活動[22]，氧氣釋放率可達0.25～9.60 g·m-2·d-1[23]。綠狐尾藻莖部也具有發達的通氣組織，莖與根連通，氣腔截面比為30.60%，可增強根部泌氧功能[24]。

表2 原位凈化工程中植物采收生物量及氮磷含量Table 2 Nitrogen and phosphorus content and harvest biomass of plant in in-situ purification engineering

水葫蘆和綠狐尾藻均能高效吸收富集水體氮磷污染物。在凈化農村污染河道的試驗中，水葫蘆對TN、TP的去除率達到89.40%和84.00%[25]；高氨氮濃度污水（200 mg·L-1）凈化試驗表明，綠狐尾藻濕地對TN的去除率為86.10%[26]。利用稻草-綠狐尾藻構建多級濕地處理養豬廢水，其中綠狐尾藻對于TN、TP的去除率分別為62.60%和54.00%[27]。水葫蘆根系發達，綠狐尾藻具有網狀根莖，均可為微生物生長繁殖提供場所，提高微生物聚集體的細菌密度、多樣性和質量[24]；根系攔截集聚的顆粒物又可提供碳源，增強了根系與水體固-液界面上的硝化反硝化脫氮作用[28-29]。在超富營養化的水環境中，植物會顯示出對水體磷素的超累積性[17]。研究指出：水葫蘆可將高于生理需求8倍的磷富集在組織中[30]。本試驗為野外工程運行試驗，雖然植物與微生物聯合發揮作用，但組合生態浮床面積較小，僅占河段面積的16.90%（取河道寬度7.25 m計算），且河水持續流動，氮磷污染物不斷供應，使得沿程總消減率略低于其他模擬試驗結果[25-26]；由于農田徑流中氮磷污染物濃度遠低于養豬廢水，使得最高沿程總消減率高于李遠航等[27]的研究結果。

水葫蘆和綠狐尾藻對COD均表現出很好的去除效果。Lu等[31]利用水葫蘆凈化塘工藝處理養鴨場排水，對COD的去除率達到64.44%。利用水葫蘆處理低濃度垃圾滲濾液時，24 d后COD去除率達到85.90%[32]。本試驗中，COD的沿程總消減率略低于上述研究結果[31-32]，可能由于植物覆蓋度較低（僅為16.90%），且農田排水持續匯入河道，有機污染物持續供給，而并非靜態試驗中污染物總量固定。研究表明，表面流濕地水體COD的去除率與水溫呈顯著正相關[33]。本試驗也顯示，7—10月份河道水溫較高，植物根系及根區微生物活性較強，對有機污染物的代謝作用增強；水葫蘆與綠狐尾藻生長旺盛，光合作用輸氧功能增強，植物根區氧氣充足，有利于微生物的降解作用。植物的密集根系能夠攔截水體中的懸浮物，達到消減水體SS的效果。Valipour等[23]利用水葫蘆聯合生物對沖基質構建濕地系統凈化市政污水，對TSS的去除率達到67.40%～73.02%。水葫蘆具有異常發達的根系，而綠狐尾藻根狀莖繁茂、相互交錯形成網狀，均有助于懸浮物的攔截滯留，從而有效降低水體SS濃度。

3.2 生態浮床的周年運行及資源化利用

按照有效試驗周期180 d計算（5—10月），水葫蘆種養面積約 333 m2，氮去除量約 0.76 g·m-2·d-1，磷去除量約0.09 g·m-2·d-1；綠狐尾藻種養面積約108 m2，氮去除量約 1.17 g·m-2·d-1，磷去除量約 0.08 g·m-2·d-1。試驗期間，通過植物采收共帶走水體氮68.48 kg、磷7.23 kg。由于所選的兩種試驗植物均為喜溫植物，而冬季溫室大棚仍有蔬菜種植，亦有農田徑流及灌溉排水，受納河道依然需要有效的生態措施加以凈化處理。為了保障生態浮床的周年運行，本課題組開展了冬季耐寒植物生態浮床原位凈化試驗，選用的植物主要有水芹菜、黑麥草和西伯利亞鳶尾。

植物采收后采用適宜的資源化利用方式，可實現環境效益與經濟效益的雙贏。目前水生植物的資源化利用途徑主要有3類：（1）肥料化。水葫蘆有機肥和尿素按照4∶6的比例配施，能顯著提高小麥旗葉和水稻劍葉花后氮代謝酶活性，提高作物灌漿葉片氮代謝，為籽粒輸送充足的養分，為作物高產奠定基礎[34]。（2）飼料化。以水葫蘆青貯飼料作為波雜羊日糧粗飼料來源，處理組日增質量顯著高于對照組[35]。飼料中添加適宜比例的綠狐尾藻對雞、鴨、豬等動物的生長性能無不良影響，在一定程度上改善了肉類品質[24]。（3）能源化。將水葫蘆作為厭氧發酵底物，采用水葫蘆固液分離，擠壓汁、擠壓渣分開厭氧發酵的技術工藝，制取生物質能，形成水生植物能源化利用新途徑[36]。

4 結論

在農田匯水河道原位凈化工程中，水葫蘆和綠狐尾藻組合生態浮床能大幅消減水體氮磷濃度，有效降解有機污染物和攔截水體顆粒物，從而降低匯入下游水域的污染負荷。植物的吸收作用與根系及水體微生物的降解作用是河段水體污染物的主要凈化途徑。采收的水葫蘆和綠狐尾藻可生產動物飼料、有機肥料或生物質能源，實現水體氮磷的資源化利用。

致謝：對江蘇省宿遷市泗洪縣四河鄉鑫源養豬專業合作社龐靠山總經理及合作社工作人員等在試驗過程中給予的幫助表示感謝。