生態溝渠對農田徑流污染物的去除效果*

王華棟 唐 浩 張 衛

(1.華東理工大學資源與環境工程學院，上海 200237；2.上海市環境科學研究院，上海 200233)

降雨會導致大量農田徑流污染物隨地表徑流匯入河流，使得河流中懸浮物(SS)、氮、磷和有機物等污染物負荷急劇增加，進而造成水體富營養化等環境問題[1]。溝渠是農業非點源污染物的首要匯合點，是河流、湖泊等收納水體的輸入源[2]。與傳統溝渠相比，生態溝渠除滿足農田排澇防滯要求外，還可通過截留泥沙、植物吸收、填料吸附、微生物降解等作用對徑流污染物進行攔截去除[3-5]。而且，由于生態溝渠占地面積小、運行費用低[6]，有學者認為這是一種新的攔截農田徑流污染物的最佳管理實踐[7-9]。目前，國內外學者多以直線型生態溝渠為研究對象，主要研究溝渠內不同植物配置或填料組合對農田徑流污染物的攔截凈化能力[10]，而因地制宜構建彎曲型生態溝渠的研究以及應用較少。此外，前人的研究多只考慮了單次降雨的效果[11]，而事實上生態溝渠作為一個復雜的系統在每一場降雨后的攔截凈化能力都會受到此前降雨的影響[12]。

上海是平原地區，河網密布，田間缺乏有效的生態攔截設施。因此，本研究在上海青浦區設計了“一”字型和“弓”字型生態溝渠，探索兩次模擬降雨徑流過程中對農田徑流污染物的去除效果。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗生態溝渠位于上海青浦區華新鎮東風港試驗基地。該基地建成于2005年，占地約8 000 m2，南北長約100 m，東西寬約80 m，2012年建成了“一”字型和“弓”字型兩種生態溝渠各一條，沿程總長均為100 m，兩種生態溝渠的平面布置圖見圖1，斷面示意圖見圖2。為了種植植物及邊坡穩定，生態溝渠邊坡采用“8”字形帶孔磚鋪設，溝渠底部鋪設防滑磚，渠底種植菖蒲(AcoruscalamusL.)，邊坡種植麥冬(Ophiopogonjaponicus)和黑麥草(LoliumperenneL.)。

注：圖中尺寸單位為mm，圖2同；Y1～Y8和G1～G8分別為“一”字型和“弓”字型生態溝渠的取樣點。圖1 兩種生態溝渠平面布置圖Fig.1 Two ecological ditches layout plans

圖2 生態溝渠斷面示意圖Fig.2 Schematic diagram of ecological ditch section

1.2 試驗設計

在試驗生態溝渠進水端附近構建的10 m3蓄水池中通過河水添加碳酸氫銨、過磷酸鈣和泥土顆粒等配制農田徑流水，然后將農田徑流水用抽水機抽入生態溝渠進水端。本研究模擬了兩次間隔30 min的降雨徑流過程，單次降雨歷時為90 min，排水產流過程約45 min，以90 min內30 mm的降雨量控制徑流量。根據對上海青浦區農田溝渠水質的調研，主要是氮、磷受到此前降雨的影響比較明顯，因此設定如表1所示的兩次農田徑流水污染物質量濃度，并在每次模擬前對各項分析指標進行實測。

表1 農田徑流水污染物質量濃度

1.3 樣品采集與分析

當生態溝渠穩定排水產流后，同時在各取樣點采集500 mL水樣，運回實驗室，分析前在4 ℃條件下保存。

分析指標包括SS、TN、氨氮、TP、COD和高錳酸鹽指數。SS用重量法測定，TN用過硫酸鉀消解/紫外分光光度法測定，氨氮用納氏試劑分光光度法測定，TP用過硫酸鉀消解/鉬銻抗分光光度法測定，COD用重鉻酸鉀法測定，高錳酸鹽指數用酸性高錳酸鉀法測定[13]。

2 結果與分析

2.1 “一”字型生態溝渠沿程污染物去除效果

“一”字型生態溝渠沿程的污染物去除效果見圖3。兩次降雨徑流過程中SS總體變化不大，沿程呈小幅波動下降趨勢。TN和氨氮的變化趨勢非常一致，第1次降雨徑流過程中，TN和氨氮總去除率分別為13.0%、13.6%，第2次降雨徑流過程中，TN和氨氮總去除率分別為17.2%、18.4%，兩次降雨徑流過程中由于農田徑流水中TN濃度的差異，第1次降雨徑流過程中TN和氨氮始終保持相對高于第2次的規律，TN和氨氮在Y7出現明顯升高的原因是該段植物存活量較少且存在腐爛植物。第1次降雨徑流過程中，TP總去除率為33.1%，主要在前半段Y1～Y3去除，第2次降雨徑流過程中，TP去除效果總體不如第1次，總去除率僅為1.0%。兩次降雨徑流過程中，COD和高錳酸鹽指數的去除效果都不是很理想，總去除率均低于6%。

圖3 “一”字型生態溝渠中污染物沿程變化Fig.3 Dynamic changes of pollutants along the straight ecological ditch

2.2 “弓”字型生態溝渠沿程污染物去除效果

“弓”字型生態溝渠沿程的污染物去除效果見圖4。第1次降雨徑流過程中，SS具有明顯的下降趨勢，去除效果較好，總去除率達到35.3%，但第2次降雨徑流過程中，SS去除效果明顯變差，總去除率僅為4.0%。與“一”字型生態溝渠相似，TN和氨氮的變化趨勢也基本一致，且第1次降雨徑流過程中TN和氨氮始終高于第2次，第1次降雨徑流過程中，TN和氨氮總去除率分別為35.2%、19.8%，第2次降雨徑流過程中，TN和氨氮總去除率分別為33.8%、16.0%，主要在后半段G5～G8去除。TP主要在前半段G1～G4去除，兩次降雨徑流過程的總去除率依次為20.2%、31.5%，第2次還高于第1次。COD、高錳酸鹽指數的去除效果較好，第1次降雨徑流過程中總去除率分別為27.3%、31.7%，第2次分別為19.4%、31.6%，但是COD和高錳酸鹽指數的沿程變化呈現出不穩定性。

圖4 “弓”字型生態溝渠中污染物沿程變化Fig.4 Dynamic changes of pollutants along the bent ecological ditch

2.3 兩種生態溝渠對農田徑流污染物的去除效果比較

生態溝渠兼具溪流和濕地的特征[14]，可以作為農田徑流污染物的匯、源調節器[15-16]。在本研究中，渠底種植菖蒲，邊坡種植麥冬和黑麥草，與溝渠底部的底泥共同形成了底泥、水生植物、微生物系統。在溝渠中，密集生長的植物對徑流產生摩擦，會減慢水流速度，起到過濾的作用，從而使SS沉降[17]。生態溝渠對氮的去除是植物吸收和微生物降解的結果[18]。磷通常會以顆粒態的形式存在于農田降雨徑流中，特別是在以黏土或淤泥為主的農田區域[19]，其去除過程除溶解態磷的吸附或吸收[20]外，顆粒態磷的沉積和植物吸收[21]至關重要。另有研究表明，植物根系共生的微藻和附生藻類也被證明可以協同去除營養鹽[22]。有機物主要通過水中微生物的降解作用去除[23]，水生植物光合作用產生的氧氣可以促進好氧微生物活動，從而分解有機物。

從圖5可以看出，兩次降雨徑流過程中，“弓”字型生態溝渠對SS、TN、氨氮、TP、COD、高錳酸鹽指數的平均去除率分別為19.6%、34.5%、17.9%、25.8%、23.4%、31.6%，“一”字型生態溝渠的平均去除率分別為9.6%、15.1%、16.0%、17.0%、5.6%、3.8%?？梢姡肮弊中蜕鷳B溝渠對各農田徑流污染物的去除效果均優于“一”字型生態溝渠，這是因為“弓”字型生態溝渠存在轉折，能減慢溝渠中的水流速度，延長徑流在溝渠中的停留時間，有利于污染物的去除，從而提高了對農田徑流污染物的截留能力。兩種生態溝渠對氨氮的去除率(13.6%～19.8%)總體不高，這可能是因為氨氮的去除需由硝化作用主導[24]，而本研究中的氧含量不足以供給硝化細菌對氨氮的氧化?？傮w上，生態溝渠對TP的去除效果尚可，最高去除率可達33.1%，這是因為本研究配置的農田徑流水中以溶解態磷為主，比較容易去除。

圖5 兩種生態溝渠對農田徑流污染物的平均去除率Fig.5 The average removal rates of farmland runoff pollutants in two types of ecological ditches

2.4 降雨徑流事件對生態溝渠處理效果的影響探討

降雨徑流是農業非點源污染物負荷產生的動力，是污染物運輸的載體[25]。若施肥初期發生降雨徑流事件，農田土壤和作物表面的大部分氮、磷營養鹽就會隨徑流進入生態溝渠，溝渠內的農田徑流污染物濃度就會迅速升高，之后發生降雨徑流事件農田徑流污染物會逐漸降低。本研究采用兩種濃度的氮、磷模擬兩次降雨徑流過程就是模擬了降雨事件與施肥時間的關系。有研究表明，生態溝渠對水中TN、TP的去除率都高達60%[26-27]，而本研究模擬的降雨徑流過程中生態溝渠對TN、TP的去除率均不到36%，這可能與溝渠長度、降雨強度等有關。本研究的生態溝渠處于運行初期，植物種植時間較短，各渠段植物生長情況還不穩定，進而影響各渠段對農田徑流污染物的植物吸收、底泥吸附和微生物降解等作用。在保證生態溝渠能正常運行的情況下，應選擇性地增加水生、陸生植物的種類，以期提高生態溝渠對污染物的截留能力，而且生態溝渠運行期間應定期對植物進行養護和清理，以免影響去除效果。此外，模擬降雨徑流過程不同于自然降雨徑流過程，人工配制的農田徑流水污染物成分、濃度、形態等也與實際的農田徑流水存在一定的差別，都可能會對實驗結果產生一定的影響。因此，后續應進一步研究生態溝渠在自然降雨過程中對農田徑流污染物的沿程去除效果，不過本研究對于“一”字型和“弓”字型生態溝渠的比較是有效的。

3 結 論

兩次降雨徑流過程中，第1次降雨徑流過程的氮、磷始終高于第2次?！肮弊中蜕鷳B溝渠對SS、TN、氨氮、TP、COD、高錳酸鹽指數的平均去除率分別為19.6%、34.5%、17.9%、25.8%、23.4%、31.6%，而“一”字型生態溝渠的平均去除率分別為9.6%、15.1%、16.0%、17.0%、5.6%、3.8%。顯然，“弓”字型生態溝渠對農田徑流污染物的去除效果優于“一”字型生態溝渠。