浙江省農田氮磷生態攔截溝渠系統功能實現結構化評估體系的探討與實證

董越勇， 魯長根， 王志榮， 邵建均， 楊旭斌， 呂旭東， 葛佳穎

(浙江省農業農村生態與能源總站，浙江 杭州 310006)

目前，我國不合理水肥管理引發的農業面源污染問題較為突出，是水體污染的一個重要來源[1]。在“十四五”開局之時，生態環境部、農業農村部針對農業面源污染防控指出，在防控路徑上要從源頭減量延展到過程阻斷、養分再利用和生態修復，建立農業面源污染防治技術庫，形成易復制、可推廣的治理模式和管理措施，逐步形成產業化、規?；?。其中過程阻斷是指在污染物向水體遷移的過程中，通過物理的、生物的以及工程的等方法對污染物進行攔截阻斷和強化凈化，延長其在陸域的停留時間，最大化減少進入水體的污染物量[2]。目前在過程阻斷中應用比較普遍的有生態溝渠技術、人工濕地技術、稻田消納技術、前置庫技術、丁型潛壩技術等[3]。而生態溝渠技術因其不需額外占用耕地等優勢，是其中應用比較廣泛的農業面源污染過程攔截技術。

1 概況

改造農田排水溝渠或農田灌排兩用溝渠為生態溝渠就是利用溝渠是農田與河塘湖庫間水流“連通器”的優勢，通過在渠內建造透水壩、沉泥池、反硝化除磷裝置，并在渠堤、渠內種植蜜源植物與優勢水生植物，加強溝渠系統的生態修復與生態攔截能力，實現底泥截留吸附、植物吸收與微生物降解轉化等多種途徑持留、吸收、固定或轉移農田排水中的氮磷營養物質、農藥重金屬等污染物質[3-6]。對比簡易土質排水溝渠與混凝土板型溝渠，生態溝渠表現出對農田徑流水中氮磷元素明顯的攔截作用[7-9]。通過生態溝渠技術的實施，不僅可以相應地改善環境，還可節省原本通過農田溝渠排放到下游水體中氮磷的潛在處置費用所帶來的經濟效益，是值得全面推廣應用的環境友好型技術[10]。早在2018年，浙江省為堅決打贏污染防治攻堅戰，積極推進農田水環境治理，在全國率先開展農田溝渠水環境綜合治理工作[11]，建設任務列入省政府重點工作、鄉村振興建設任務和“五水共治”一類考核目標。在建設中，浙江各地把生態溝渠作為農田面源污染治理與農田生態化的重要載體，重點在糧食生產功能區、農業面源污染較重區域和飲用水源等環境敏感區周邊建設，因地制宜建設具有區域特點、景觀性突出的高標準田園景觀型生態溝渠系統,同時與新時代美麗鄉村、美麗田園、農業綠色發展、農村人居環境整治等結合起來，從而使生態溝渠在源頭減量的基礎上完成農田氮磷的過程攔截作用，更兼顧了生態功能、環境功能和景觀功能；在生態溝渠的個體表征上，絕大部分具有“氮磷攔截、生態修復、潔凈排放、田園景觀”四大功能。這一建設載體已高度集成化，必須以系統理念加以規劃、建設和管護，浙江省在建設伊始即將其定義為農田氮磷生態攔截溝渠系統(以下簡稱“生態溝渠系統”)。生態溝渠系統是浙江省在全國唯一全面實施、具有浙江辨析度的標志性工程。如圖1所示，2018—2020年全省累計建成農田生態氮磷攔截溝渠402條，總長度453.39 km，覆蓋農田面積18 814.67 hm2，累計投入資金1.9億元。據2020年浙江省生態與能源總站對嘉興、湖州、杭州、紹興和金華的5條實施生態溝渠的水質監測結果顯示，水體中化學需氧量(COD)平均去除率為30.78%，總磷的平均去除率為29.14%，總氮的平均去除率為23.77%，氨氮的平均去除率為22.76%。2021年浙江省已開工建設生態溝渠103條，建設長度132.09 km，覆蓋農田面積5 158.67 hm2，共落實建設資金7 736.21萬元。同時凝練、編制、發布了浙江省地方標準《農田面源污染控制氮磷攔截溝渠系統建設規范》(DB33/T 2329—2021)、《浙江省農田面源污染控制氮磷生態攔截溝渠建設技術規范(試行)》、《浙江省農田氮磷生態攔截溝渠系統管理維護技術要點(試行)》等標準規范。

圖1 2018—2020年浙江省建設的生態溝渠系統數量與地區分布

生態溝渠系統要實現并充分發揮其兼具的氮磷過程攔截功效生態功能、環境功能和景觀功能，必須構建一套“建設-運維-考核(評估)-運維”閉環系統，形成一套行之有效又可持續的生態溝渠良性發展機制。建立合理的考核(評估)體系，一方面可以提高生態溝渠系統建設的科學性、可操作性，推進探索具有鄉村振興新時期特點的生態溝渠系統建設與運維模式；另一方面有助于確定農田水環境治理的短板，進一步明確農業面源污染治理的方向、技術路線、實施重點和具體措施。本研究從生態溝渠技術的科學原理和運維邏輯出發，旨在探索建立完善一套適合浙江省情、目標導向、問題導向和結果導向相融合的生態溝渠系統考核(評估)體系，并通過浙江3 a評估的實證來分析論證該體系所含評價指標的合理性和有效性。

2 影響因子考量

目前，楊洋[12]從環境、經濟、技術3個方面出發構建了生態溝渠技術評價指標體系，通過層次分析法確定指標的權重，包括工程投資、運行費、污染物去除率(生化需氧量去除率、化學需氧量去除率、氨氮去除率、總氮去除率、總磷去除率)、抗沖擊負荷能力、管理人員數量、操作管理難易程度、出水達標率、廢水回收利用率等12個指標，并發現生態溝渠較普通溝渠在污染物去除效果、出水回收利用率、達標率等3個方面得分較高，因而總分占優，此評價指標體系直接明了地凸顯了生態溝渠凈化能力的重要性。也有研究[10,13]將生態溝渠的建設費用、運行費用、經濟效益、環境效益進行調查與測算，從經濟有效性角度評估生態溝渠技術，上述的生態溝渠技術評價體系均依賴于污染物去除率的計算。

浙江省素有“七山一水二分田”之稱，面對浙江復雜的地形地貌、多種建設類型和功能各有側重的生態溝渠系統、每年超過100條生態溝渠系統的建設任務，要逐條完成生態溝渠系統的考核與評價任務，污染物去除率這一項的技術指標是較難準確獲取進而很難實現的。一方面是因為生態溝渠水質受到諸多因素的影響，農田施肥、人工排灌、暴雨徑流、側滲均會導致排水溝渠水質的異常或突變[4]；另一方面是水質監測任務重，若全部通過第三方上門實施多次取樣、檢測，程序復雜，可操作性差，效費比不高，若僅通過生態溝渠系統建設或運維的責任主體提供的水質報告判斷，由于評估得分直接影響到各地政府與相關職能部門年度目標任務完成情況的評判，因而缺乏一定的公平性與嚴肅性。由此，創設的生態溝渠系統考核或評價體系，既要適合浙江省生態溝渠系統建設與運維實情，又能起到引導導向作用，還要通俗易懂、簡單易行、可操作。

浙江省生態溝渠系統的主體建設涵蓋主干溝設計、生態攔截設施設計、植物配置等多個方面[14]。目前，生態溝渠系統多數建立在農田排水主干溝上，主干溝邊坡的形態對于生態溝渠系統攔截的效果是非常關鍵的。最為常見的土質溝渠存在容易產生水土流失和叢生雜草的問題，而混凝土溝渠(即三面光溝渠)，主要靠沉積物和板材的吸附作用去除水體氮磷，僅在第一試驗內表現對總氮的去除率較高，而土質溝渠對氮磷的去除主要依靠植物吸收[15]。生態溝渠系統通常不采用這2種溝渠護坡，而采用木樁護坡、連鎖型混凝土預制護坡、格賓生態網格護坡等能較好實現工程結構與生態環境有機結合的護坡[16]，Bai等[17]探討了生態溝渠中所采用4種護坡對磷的攔截效果，包括木樁護岸二級溝、帶土工布袋護坡的梯形溝渠、空心六角磚護坡梯形溝渠、加筋植物護坡梯形溝渠，發現木樁護岸二級溝能夠持留更多的水體磷素，因而生態溝渠系統的邊坡類型是需要考慮的重要因素和指標。

生態溝渠系統對氮磷的凈化攔截作用主要是依靠植物吸收、淤泥沉淀、降解、揮發、吸附以及一系列的微生物過程，這些作用都依賴于足夠的水力停留時間，一方面依靠低水位堰來實現，另一方面則通過足夠的溝渠長度來保證攔截時間[18]，因此，主干溝渠建設規模是生態溝渠系統需要考核的指標，其次通過低水位堰、生態透水壩等生態攔截設施來延長水力停留時間，也是考核考量的重要方面。特別是生態透水壩，能夠實現壩前雍水和壩身透水的目的，當富含氮磷的農田尾水過壩滲漏時，生態透水壩通過壩體自身物流過濾的同時，可利用壩上植物吸收、壩體內部微生物分解的原理對水質進行凈化[16]。董慧峪等[19]驗證了生態透水壩對山溪性河流的原位凈化作用，主要依靠減緩河流水速，對水流所攜帶的懸浮顆粒進行攔截沉降，提高溶解氧，并且在夏季對COD、氨氮、總氮和總磷的去除率可維持在20%。

不同水生植物對氮磷的吸收、減排效果是有差異的[20]，不同水生植物在不同濃度富營養化水體中表現出的適應性也不同[10]，同時，水生植物的吸收效率是季節性的[21]，并沒有某一水生植物擁有最有效率的水質凈化效果。因此，在生態溝渠系統規劃、設計之初，需要盡可能保證適應當地環境、多品種多種類的水生植物，并擁有相互補充的污染物去除能力，以保證全年持續、均衡的污染物去除能力[18]，同時也可以為推進農田生物多樣性創造生態環境。因而水生植物的合理配置，常年維持一定的生態水位以保證水生植物正常生長，也是考核的重要方面。同時，生態溝渠系統中水-底泥-植物組成的復合生態結構對面源污染物質有明顯的凈化效果，但也潛伏著誘發內源污染甚至進一步擴散的威脅，李強坤等[22]發現，以水-底泥-蘆葦復合生態體為主體的排水溝渠因為底泥解吸、水生植物生長能力減弱甚至部分根莖葉枯敗以及溫度降低等環境因素導致微生物作用減弱，在11月出現水體的“負凈化”作用，形成“內源污染”或“二次污染”。對生態溝渠系統的水生植物進行定期收割，對沉泥進行及時清理，是保證生態溝渠系統實現長期有效攔截功效的重中之重，生態溝渠系統運維機制的建立、完善與執行狀況也是考核(評估)的關鍵點。

綜上，生態溝渠系統集成、配套了建筑工程技術、生物技術等污染物阻控措施和管理技術，其建設與運行維護涵蓋了設計、施工、驗收、管理、資源化利用等多個環節。浙江省農業農村生態與能源總站組織制訂了生態溝渠系統評價體系，從項目建設管理、建設任務執行情況、維護管理與監測評估、科技支撐、示范引領、驗收等6個維度設置了24個具體評價指標，并于2019—2021年組織浙江農林大學、浙江科技學院每年年中對全省11個區市上年度建成的農田氮磷生態攔截溝渠系統項目建設進展情況進行第三方評估，使用的評價數據為2019—2021年的數據。

3 評估材料與方法

生態溝渠系統的評估內容是根據上述所構建的指標體系包括項目建設管理、建設任務執行情況、維護管理與監測評估、科技支撐、示范引領、驗收工作共六大核心目標(表1)。評估的方式是根據制定的指標體系內容，以現場勘查、資料審閱和座談交流等方式開展，逐條逐一現場勘查。評估的結果以百分制來計，評估總分90分及以上為優秀，80～90分為良好，60～80分為合格，60分以下為不及格，上年度建成的各條生態溝渠系統得分的平均值即為當年得分值。不同于現有依賴水質監測結果的“結果論”生態溝渠系統評價體系，本研究構建的指標體系從生態溝渠系統發揮凈化作用的機理出發，已知影響溝渠凈化作用的因素包括但不限于溝渠長度、護坡類型、水生植物種類、低水位堰、生態透水壩基質種類、運維情況和季節性波動。本研究的指標體系著重通過對上述因素滿足與否進行評估，以“過程論”方式來判斷生態溝渠系統的攔擊凈化效果(表1)，并將其具體包含在24個核心指標中。

表1 以凈化機理為核心的生態溝渠系統評價指標

“項目建設管理”和“驗收工作”維度是對生態溝渠系統建設準備、驗收工作的度量。明確的責任主體與完善的實施方案是生態溝渠系統建設能夠順利推進的保證，建設資金與運維資金的申請撥劃落實是責任主體所需要著重考慮的問題，通過招投標等方式對多種實施方案進行比較篩選，由此獲得更為科學合理的實施方案，而規范的驗收工作是全面考核建設工作、檢查是否符合設計要求和工程質量的重要環節，對保證建設項目及時投入運行、發揮應有生態等綜合效益以及總結建設經驗有重要作用。

“建設任務執行情況”維度是對生態溝渠系統建設內容的度量，保證生態溝渠系統的建設規模，明確清挖淤泥、加固邊坡、合理配置水生生物等規范化內容，強調節制閘、生態透水壩、反硝化除磷池、沉泥池、生態浮床等生態攔截設施的建設，由此保證生態溝渠系統有效的攔截凈化作用。生態攔截設施的設置必須因地制宜，堅決抵制為了應付評估考核而出現堵塞排水溝渠、破壞原有溝渠生態系統的畫蛇添足類建設內容，如改造的排水溝渠本身較窄，不適合安放生態浮床情況下進行放置。同理也可以視溝渠實際條件將生態透水壩、反硝化除磷池與沉泥池3個功能模塊三合一整合為集成式攔截凈化模塊，提高運維效率。在全面推進鄉村振興的大背景下，生態溝渠系統的建設也提出了更高的要求，在完成過程攔截環境功能的基礎上，實現生態功能與景觀功能，因而生物多樣性、綠色防控植物、田園景觀等也是生態溝渠系統建設中所需要考慮的方面。所以，“建設任務執行情況”也是本研究中以生態溝渠系統發揮凈化作用的機理出發，評估生態溝渠系統攔截效果體系的核心部分。

“維護管理與監測評估”維度是對生態溝渠系統攔截凈化能力持續性、有效性的度量，包括對制度制定、記錄記載、專業人員落實情況的考核。“科技支撐”維度是引導生態溝渠系統建設進行技術工藝創新。“示范引領”維度是突出在農田綠色發展先行區、農業面源污染比較嚴重的永久基本農田保護區、重點飲用水源保護區等基礎條件比較好、有迫切治理要求的地方選擇項目建設地，有利于推進農田生態溝渠系統環境友好型技術的激勵機制以及可持續運維機制的有效運行。

生態溝渠系統作為由各級政府主導的扶持“三農”發展與農村環境類公益項目，是需要通過當地政府、農民群眾、相關科研教學單位等多方共同努力來完成農業面源污染的防控與治理。通過考核手段開展建立生態溝渠系統這一農業環保與生產技術固定模式，建立獎懲機制以及補償效果評價機制，并對積極實施這一環境友好型農業技術的農民或地方給予肯定，可有效提高他們的積極性。

4 結果與分析

浙江省2018—2020年建設生態溝渠系統得分分布情況的結果顯示，經過連續3 a對生態溝渠系統建設實施情況的評估，全省優秀率的比例從24.75%顯著提高到40.19%，優秀與良好率在2021年更是達到了99.07%(圖2)。

圖2 浙江省2018—2020年建設生態溝渠系統的得分分布

圖3是生態溝渠系統6個核心目標的得分率情況，在項目建設管理、建設任務執行情況、維護管理與監測、驗收情況的得分率逐年提升，科技支撐與示范引領的得分率卻有下降。

圖3 浙江省2018—2020年建設生態溝渠系統的分解目標得分率情況

圖4是2019年與2020年分解目標的得分率情況，項目進度和驗收工作有了全面的提升，規范化建設、標準化建設、管護機制、監測評估的得分率有一定的提高。

2018年是浙江省全面推廣建設生態溝渠系統的第一年，全省一共較為均勻地鋪開了198條生態溝渠的建設(圖1)。2018年所建設生態溝渠系統在建設任務執行情況上得分較低(圖3)。主要是各地對生態溝渠系統的概念比較模糊、理解不一，表現在對生態溝渠系統的凈化原理缺乏認識，受到“五水共治”中河道治理的影響，較多地方停留在單一的生態浮床安放，極大地限制了生態溝渠系統的凈化能力，并且缺乏對維護管理與監測工作的重視。此外，由于生態溝渠系統建設任務下達時間與年度財政預算時間銜接上的問題，也導致部分生態溝渠系統在項目進度上的推進或受限于資金落實，

圖4 浙江省2019—2020年建設生態溝渠系統得分情況

進展較為緩慢。

在總結上年建設工作經驗、查找短板和不足的基礎上，2019年生態溝渠系統在建設任務執行情況的得分有所提升，同時鑒于山區、海島的生態溝渠系統建設需求較小并易受到汛期破壞的實際情況，相應地減少了麗水、舟山等山區、海島區域的建設任務(圖1)。通過現場勘查可知更多的地方設置了生態透水壩、沉泥池、反硝化除磷池等有效增強水質凈化能力的模塊，并在透水壩前建造挺水植物與浮水植物相結合的生態浮島，通過壩體增大了水力停留時間，有效促進了水生植物生長[23]，這也體現在圖2中2019年的優秀良好率大幅度提升，但依然有部分生態溝渠系統存在7、8月份遭到汛期破壞的情況；維護管理與監測這一維度也有了較大的提升(圖3)，通過與農場主、村委會等溝渠直接使用主體簽訂運維合同，并委托第三方進行溝渠進出水的水質測定，多數生態溝渠系統責任主體能夠提供相應的水質監測報告，對運維制度與流程已經有了較為清晰的認知。

2020年是全面推進生態溝渠系統建設的第三年，生態溝渠系統建設已經逐步融入到各地政府和相關職能部門的日常工作。2020年的生態溝渠系統建設工程均按時完成，這也直接體現在評估體系中“驗收工作”維度與項目進度中。在現場勘查與座談中也可以感受到生態溝渠系統的生態綠色循環理念也正深入到當地政府和相關職能部門的日常決策中，有的地方打算將農產品產地環境監測點的選址同生態溝渠系統結合，直觀呈現農業面源污染的源頭治理與過程攔截技術，也為核算農業面源污染防治措施的費用效益提供了一手資料[13]。各地不斷采用各種新科技、新材料、新方法因地制宜推進生態溝渠系統的建設，不斷創新生態溝渠系統模式，凝練出豐富的地方特色，如末端氧化塘模式、多級透水壩山區模式、松木樁生態微島模式等，在建設任務執行情況與維護管理與監測方面得分率提升明顯(圖3)。同時，生態溝渠系統的選址也能與當地的農業綠色發展有機結合在一起，稻魚、稻蛙、稻鱉共生系統排水均被作為生態溝渠系統的污水治理目標，并自覺將源頭減量到過程攔截、到末端治理等一系列小型農業面源污染治理工程結合在一起，并在原有固化學術派的生態溝渠建設模式上進行了技術創新，如放棄原有金屬框種植挺水植物的常規方案，在盡可能不改變排水溝渠或灌排兩用溝渠原有邊坡的情況下，將部分溝渠改造為內凹結構，提供足夠穩定的挺水植物生長空間。同時，多地通過適宜的景觀設計、游步道布置以及便民設施，與打造美麗鄉村、農村人居環境整治提升等有機結合在一起，融入新時代美麗鄉村建設，“臭水溝”變成景觀帶，提供給村民茶余飯后散步休閑的場所，極大地提升了村莊河道溝渠景色，生態溝渠系統建設也真正受到村民的喜愛與歡迎。

示范引領與科技支撐維度的得分率下降，主要是因為第一年采用系統的生態透水壩、反硝化除磷池、沉泥池等攔截凈化設置較少，因而將這些常規生態溝渠系統設施作為科技支撐，同時凡是在糧食功能區內的選址也可以獲得示范引領的分數。但是第二年，隨著各地對生態溝渠系統的凈化機理有更深入的認識，普遍設置了上述設施，因而科技支撐將更著眼于有較高科技含量的技術應用或值得推廣的因地制宜措施，也正是通過不斷提升科技支撐得分要求，才能不斷推進生態溝渠系統的技術革新，更是讓污染控制相關參與者充分加入到生態溝渠系統的設計與建設中，進一步促進生態溝渠系統這一環境友好型農業生態技術的應用推廣。

5 小結與展望

本研究構建了一套從生態溝渠系統發揮凈化作用出發的評價指標體系，重點考核溝渠長度、護坡類型、水生植物種類、低水位堰、生態透水壩基質種類、運維情況等影響生態溝渠系統凈化能力的直接建設內容，并對浙江省近3 a推廣建設的生態溝渠系統進行實例評估。可以發現依靠3 a連續對生態溝渠系統建設實施內容的評估考核工作，浙江省正在逐步形成適應當地建設條件的生態溝渠系統建設技術體系，各指標評分分數都有了顯著的提高。可見農田生態攔截溝渠已經成為浙江省農業綠色發展技術體系的重要組成部分，是浙江省農業面源污染末端治理的技術先進、經濟合理、實踐可行的集成化技術措施與工具?！笆奈濉逼陂g，浙江省生態溝渠系統在規劃建設上將積極推進流域性、區域性生態溝渠系統網絡化建設，力求全覆蓋，從選址、規劃、建設等各環節進一步完善建設內容、標準和規范，做到科學選址、統籌規劃、高標準建設，逐步實現農田尾水氮磷治理由減排向潔凈排放轉變，推進流域性、區域性治理，進一步發揮生態溝渠系統連片成網的示范效果；以集成創新技術組織高標準溝渠系統建設，針對當地農田尾水氮磷排放的突出問題，加強先進實用新技術、新工藝、新設施的集成，推進農藝、生物、工程等綜合措施的配套。尤其要充分利用原有排水溝渠、廢棄魚塘和斷頭浜等，探索建設規模大畈(片)區域性循環溝渠系統，盤活溝-渠-塘-河-濕水系，實現農田面源污染梯度凈化、循環凈化；提升已建生態溝渠系統的示范效應，生態溝渠系統“三分建、七分管”，要切實加強系統運維，落實管護主體，明確運維職責，制訂管護制度，落實運維資金，建立日常管護登記制度，促進系統長效運維；要切實強化生態溝渠系統現場指導，開展設施維護、水質監測與攔截效果評估，因缺補缺，不斷完善已建溝渠系統的功能，提升生態攔截溝渠的示范引領性。現有的全省農田氮磷生態攔截溝渠結構化評估體系也要適應生態溝渠系統這四大發展趨勢，不斷健全完善，真正起到考核“指揮棒”的導向作用。