科研成果在環境學教學中的應用與實踐

熊慧欣 徐軼群

(揚州大學環境科學與工程學院 江蘇揚州 225129)

高等學校是我國人才培養和科技創新的主要力量[1-3]。隨著我國經濟的快速發展，中央和各級地方政府持續加大了對高校的財政投入，高校在政府的大力支持下科研水平得到了很大的提升，科研成果不斷涌現，極大地推動了我國的經濟發展和社會進步。如何將科研成果在服務于經濟和社會發展的同時融入本科教學，傳授學科前沿知識，提高學生綜合素質，實現教學效果的最優化，是目前值得探討的問題。

環境學是環境科學與工程類專業的一門重要專業基礎課，是環境類專業學生最早接觸的一門專業課程。該課程以人類面臨的主要環境問題為主要研究對象，探討人類活動導致的環境污染的成因、特征及規律，目的是使學生掌握一定的環境科學知識，了解當前全球和我國環境問題的嚴重性、危害及產生的原因。由于環境科學是一門綜合學科，涉及內容多，范圍廣，對于低年級的學生來說，很多內容不能充分理解，加之專業老師為了完成教學內容，更多時候是填鴨式教學，導致教師在講授環境學有關內容時學生不能深入理解，只會機械記憶，且遇到實際問題不能很好應對。因此需在環境學課程講授過程中引入一些科研成果，使學生能理論與實踐相結合，培養學生解決問題的能力[4]。該文結合多年來在科研方面的研究成果，并把這些科研成果應用于環境學課程教學中，以期提高本科教學效果，落實該校研究型教學改革的需要，達到“授人以魚不如授人以漁”的教學目的[5]。

1 河流一維水質模型的應用與實踐

在環境學課程的講授過程中，一維水質模型在污染物的遷移轉化過程中具有重要的意義及地位，它主要用來評價和預測中小型河流中污染物在下游某處污染物的濃度c，從而為排污口的合理設置及污染物的削減提供依據。

上述一維水質模型中，c0為排污口斷面污染物的初始濃度（mg/L），包括排污口上游河流中污染物的濃度和廢水中污染物的濃度；ux為河流平均流速（m/d 或m/s）；Dx為廢水與河水的縱向混合系數（m2/d或m2/s）；K為污染物的衰減系數（1/d 或1/s）；x為河水從排放口向下游流經的距離（m）。應用該水質模型時，常假設該河段無其他支流或河水流量是穩定的，因為c和c0是濃度單位，跟水的體積或水量相關，運算時必須河流穩定。但在實際存在的河流中，河流由于可能存在多個排污口及支流，河水流量持續穩定幾乎不可能出現，這樣就給模型的實際使用帶來困難。由于課本上只對理想狀態下的模型進行了闡述，一旦出現上述復雜情況，學生將非常迷茫，特別是工作過程中遇到類似問題將無從下手。筆者在蘇州有關河流的污染物削減科研工作中也遇到類似問題，通過認真研究，較好地解決了類似問題。

蘇州某水功能區（A）水質目標為Ⅲ類水，目前水質不達標，需提出污染物削減方案。上游水功能區水質目標為Ⅲ類水。所在河流上游來水流量為24 m3/s，流速為1 m/s，河流寬度為12 m，平均水深2 m。A水功能區長為7 km，所在鄉鎮有污水處理廠一座，設計規模為4 000 m3/d，執行一級B標準，排入該水功能區。A水功能區有一支流，流量為4 m3/s，實測支流COD濃度分別為40 mg/L。水功能區沿岸有2 家紡織企業，污水直排入河，排放量分別為500 m3/d 和1 000 m3/d。水功能區調查信息如表1所示。

表1 排污口信息

從相關數據可以看出，要使水功能區水質達標，需保證在水功能區水質監測斷面的COD 達到Ⅲ類水的要求。為了解決污染物削減的問題，首先應核算各個排污口流經水功能區后的污染物濃度，以此作為污染物削減的依據。從上述信息可以看出，該水功能區不同的排污口離監測（考核）斷面距離不一致，且排污量不同，加之從排污口至斷面由于支流等的原因水的流量一直變化，理想化的一維水質模型核算某一排污口流經某一距離的過程中要求河水流量持續穩定，所以利用一維水質模型核算各個排污口流經監測斷面的COD濃度存在困難。

研究發現，河流水質模型的實質是微生物等對好氧有機污染物的降解（衰減），污染物的衰減系數跟河水體積或流量并沒有多少關系，如果把c和c0換成污染物的量，不考慮河水體積，只考慮污染物的實際含量，無論流經河段有多少支流，均可以利用改進后的一維水質模型解決實際困難問題。當需要核算排污口下游某處的污染物濃度時，只要把該處污染物的量除于該河段河水的流量，而河水在該處的流量是比較容易計算出來的。在實際運用過程中，如果遇到多個排污口，依然可以按照以上思路分別計算不同的排污口，最后得出排污口下游某處污染物的濃度。該案例中，首先把各排污口（或支流）的COD換算成mg/s，也就是不考慮體積單位，然后根據一維水質模型計算各排污口（或支流）COD 流經水功能區后在監測斷面的實際含量，這樣就不必受制于水的流量變化帶來的運算困難，而且很好地理清了各排污口（或支流）對監測斷面COD含量的貢獻，據此可以制訂一個科學的污染物削減方案。

通過該科研成果的引入，能讓學生領悟到科研的魅力，把復雜的問題簡單化，從而增強學生探索困難、解決問題的信心與決心。

2 土壤污染防治措施的應用與實踐

在環境學的教學過程中，土壤環境污染防治有多種方法，對于土壤重金屬污染，提出了施用化學改良劑，采用生物措施及控制氧化還原條件等措施，以控制氧化還原條件為例，教材中只有歸納式的寥寥幾句，沒有對其機理進行闡述，故不能加深學生對知識的理解及應用。為了讓學生進一步理解土壤污染的防治措施，筆者以最受關注的土壤重金屬鎘污染防治為例，結合近期取得的耕地土壤污染防治科研成果，以提高學生綜合知識的運用能力。

在土壤污染防治的研究中，耕地重金屬鎘（Cd）污染防治問題是國內外研究的熱點。我國主要的糧食作物為水稻，而水稻容易吸收積累鎘進而威脅人類的身體健康[6-7]。因此，如何降低污染土壤中水稻鎘的積累具有重要的意義。傳統的土壤污染以降低土壤中重金屬的含量為目的，這樣耗資巨大且周期長，并不符合我國的國情，而通過調控措施改變土壤重金屬鎘的存在形態進而降低水稻對鎘的積累具有更現實的意義。土壤中可溶和有效態的Cd 主要受Eh 和pH 值控制[8]，水稻能吸收的Cd形態主要為Cd2+，在還原的條件下Cd的吸收被抑制[9]。Ito 等把植物吸收積累有效態Cd 的減少歸因于Cd 硫化物的形成[8]，在淹水的情況下，Eh 降低，Cd主要以CdS的形態存在，排干使稻田產生好氧環境，Eh 升高，CdS 被氧化為Cd2+和SO42-，CdSO4具有很高的水溶性，Cd的生物有效性得到了提高。筆者通過多年的研究發現，通過施用有機物料，結合調控稻田水分，可以改變土壤中鎘的存在狀態，有效降低污染土壤中水稻籽粒對鎘的積累，從而達到污染土壤安全利用的目的。具體為：水稻移栽前，土壤表層（0～15 cm）添加適量有機物料，翻耕，有機物料的添加量根據表層土壤實際有機質含量來定。水稻移栽后，稻田保持持續淹水狀態，水深5～7 cm 左右，目的是使土壤環境呈還原狀態，鎘的形態發生改變從而不利于水稻根系的吸收。在水稻特定生長階段，如灌漿期，水稻推遲1～2周排水。分蘗末期保持淹水狀態，通過提高稻田水深的方式控制水稻無效分蘗。水稻收割前，稻田自然落干或在收獲前1～2 周內適時排水曬田，以保證水稻收獲正常進行。

3 農村面源污染控制技術的應用與實踐

由于過量施加化肥和農藥，加之農村生活污水、農業養殖廢水等沒有經過處理而隨意排放，使農田地表徑流中含有大量的氮磷營養物質和有毒的農藥。農村面源污染具有污染面廣、來源分散、難于收集、難于治理的特點。過量的氮、磷等營養物質進入水體，容易引起藻類及其他浮游生物大量繁殖，導致水體缺氧、水質惡化、魚類等生物大量死亡。另外，富含氮、磷營養物質的農業退水進入河流，將嚴重影響飲用水水源地水質安全，需嚴格控制排污口污染物濃度及排放量。目前，由于農村面源污染固有的特點，涉及污染種類多，更多的是借鑒點源污染控制技術進行污染防治。在環境學的教學內容中，沒有對農村面源污染控制技術進行詳細闡述，學生對這部分內容比較陌生，筆者結合農村面源污染控制技術方面的有關科研成果的講解，可以加強學生對知識的理解，培養學生的科研素養。

揚州某農業區毗鄰京杭大運河，存在農業面源污染，產生的農業退水對附近河流帶來污染，需采取適當措施，提升入河流農業排水水質，達到環保管理目標要求。根據調查發現，產生污染的原因主要是化肥及有機肥施用、少量畜禽養殖導致的污染，污染物主要為N、P 營養物質。區域灌排水系發達，根據農業灌溉排水中主要污染物的類型和遷移轉化的規律及面源污染的特點，綜合考慮投資、管理及長期有效運行等諸多因素，可優選人工濕地的構建達到面源污染治理的目的。具體為：采用生態溝渠與人工濕地串聯，利用植物吸收、微生物處理以及土地吸附等途徑將污染物削減至達標排放。即根據現有地勢，排水以自流為主，水泵動力提升為輔。依托原有排灌溝渠，建設生態溝渠，含污染物的排水經生態溝渠停留、初步處理后，進入表面流人工濕地進一步強化處理，最后達標排放至河流。

在農田系統中構建一定的溝渠，在溝渠中配置多種植物，并在溝渠中設置透水壩、攔截壩等輔助性工程設施，對溝渠水體中氮、磷等物質進行攔截、吸附，從而凈化水質。生態溝渠建設密度應能滿足農田排水要求和生態攔截需要，一般為每公頃農田100 m生態溝渠，分布在農田四周與農田區外的河道之間。生態攔截型溝渠系統主要由工程部分和生物部分組成，工程部分主要包括渠體及節制閘壩等，生物部分主要包括渠底、渠兩側的植物。在有效處理污染的同時，植物的選擇兼顧景觀效果，水生植物選擇具有相應凈化能力優勢物種，盡可能選用土著物種，物種的選用應考慮污染處理效果和花期，同時高低搭配，注意植物層次性。

表面流濕地也稱水面濕地系統。在表面流人工濕地系統中，灌溉排水在濕地表面流動，水位較淺，流速較慢。這種系統與自然濕地最為接近，污水中的大部分有機污染物的去除依靠生長在植物水下部分的莖、竿上的生物膜來完成。濕地中種植茭草、香蒲、美人蕉、鳶尾、再力花等生物量大、根系發達的挺水植物，利用植物的根區效應和吸收能力凈化污染物。

4 結果和結論

蘇州某水功能區污染物削減相關科研項目成果的引入，加深了學生對一維水質模型的理解并能靈活應用。以土壤重金屬鎘為例的污染防治的科研成果案例講授，培養了學生運用專業知識解決生產實際問題的能力。揚州某農業區生態溝渠與人工濕地的構建是解決農村面源污染的一次有益嘗試，讓學生對農業面源污染這個陌生的環境污染問題有了一個全新的理解，為后續有關專業課的學習打下了良好的基礎。

環境學教學過程中對科研成果的引入，大大激發了學生學習環境學及后續專業課程的興趣與熱情，學生愿意提出問題、討論問題，更加堅定了學好環境專業知識解決我國環境污染問題的信心與決心。

5 結語

針對教學過程中出現的重要知識點或難于理解的內容，可以選擇性地引入一些易理解、較前沿的相關科研成果，通過類似案例教學的方式融入教學環節中去。

專業基礎課程教學的目的是使學生掌握基本理論知識并能運用專業知識解決實際問題，同時為后續專業課打下扎實的基礎。專業基礎課由于內容繁雜，如果采取傳統的教學方法，學生將感到枯燥乏味，教學效果大打折扣，研究成果的引入，不僅使教學內容更為豐富、課堂更為活躍，還培養了學生獨立思考問題、解決問題的能力，從而為將來走向工作崗位、繼續深造打下堅實的基礎。