人工濕地在農業面源污染治理中的應用研究進展

竇文婧

摘要 在湖泊水源地中，農業面源污染屬于主要的污染源。近年來，我國農業在實踐過程中，大量使用化肥，同時土地耕種強度相對較大，導致土壤內部營養物質流失嚴重。而各類污染物匯集，通過面源的方式進一步排入湖泊，使得湖泊污染極為嚴重，加上湖泊濕地自身生態環境相對脆弱，因此農業面源污染治理難度較大。為了使農業面源污染得到有效的治理，需要進一步應用人工濕地模式。此模式在面源污染治理中具有更好的效果。基于此，對當前人工濕地在農業面源污染治理中的實際應用進行了綜合性探究，對其進展進行了詳細分析。

關鍵詞 人工濕地；面源污染；農業面源；污染治理

中圖分類號：X52 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）07–0239-03

農業面源污染是當今農業發展面臨的重要環境挑戰之一。隨著農業生產規模的不斷擴大和農業活動的增加，農業面源污染對水體、土壤和生態系統產生了嚴重的影響。在這種情況下，人工濕地作為一種生態工程手段被廣泛應用于農業面源污染治理，且取得了一定的成果。面源污染主要是污染物在不固定排放點進一步的以凈流向水體內匯集，由此導致水體水質惡化。在實際中，農業面源污染源主要為農村的生活污水、農田用水以及禽畜的廢棄物。這些污染物重金屬含量較多，同時會存在農藥殘留和各種類型的磷氮物質。有關研究人員在研究中指出，在農業面源污染進一步惡化的情況下，此類污染成為當前地表水污染中極為重要的原因之一。對農業面源污染開展深入性的研究，并且對其進行合理的治理，同時要提高對水處理的關注。人工濕地能夠有效模擬天然濕地生態系統，通過應用化學、物理以及生物等諸多方法，對于污染物進行降解，在實際應用過程中，主要會使用沉淀、過濾、吸附以及微生物分解等諸多方式[1]。就當前而言，人工濕地依照整體水流的實際方向，可進一步細化為潛流濕地、地表流濕地以及垂直流濕地等諸多內容，在各類濕地之中潛流濕地及地表流濕地的應用較為廣泛。在20世紀人們便開始應用人工濕地，因為人工濕地在農業面源污染治理中的效果較好，且投資相對較少，管理更為便捷。為了對農業面源污染治理工作進行分析，此次研究進一步探討人工濕地在農業面源污染處理中的實際應用情況，對其研究進展進行詳細的分析。

1 農業面源污染的遷移轉化與實際的降解

1.1 含氮物質的降解及氮循環

水體內部的氮污染主要來源于農業回流、地表水徑流與生物固定。同時，會來源于大氣干濕沉降等諸多方式。在當前下游水體污染中，農業徑流是導致其水體出現嚴重污染的主要模式，水體內部的大類污染物主要為相應的氨態氮和硝態氮。實際的含量與土壤性質、礦化速率等具有密切的關系。依照實際的調查結果可以發現，面源污染水體的氮含量主要為硝酸鹽，而實際的氨氮與有機氨含量相對較低。人工濕地內實際的硝酸鹽降解效率與有機氮及氨氮的降解效率相比較高。由此，構建人工濕地能夠對農業面源污染中的硝酸鹽予以有效的控制。氮類物質能夠在人工濕地內進行有效的循環，能夠通過人工濕地發揮微生物的作用。由此，以微生物進行硝酸鹽反硝化作用。在無氧條件下，微生物會繼續進行反應，由此進行轉化，整體反應會在氧化還原電位較低的液氧土層內予以開展。另外，人工濕地以沉積顆粒物吸附及礦化的方式，能夠有效去除氮類物質，通過植物及微生物同化，也能夠有效去除氮類物質。此外，向地下水內予以滲出也是硝酸鹽去向之一。但此過程可能導致地下水內部的硝酸鹽含量進一步增加，存在超標風險。由此，在人工濕地構建時，對于地下水防滲工作進行優化具有極為重要的意義。人工濕地內反硝化整體過程是對硝酸鹽進行有效去除的主要過程，會受到硝酸鹽濃度、溶解氧濃度的實際影響。對于表面流濕地，反硝化速率同樣與整體水體及缺氧土壤層的綜合混合程度具有密切關聯。在人工濕地反硝化相關研究報道中，多數報道對上述影響予以證實，整體反硝化速率會受諸多因素影響。由于人工濕地內存在各類差異性因素，因此需要依照內部水質的綜合情況及當前的綜合條件，調整反硝化速率。

1.2 含磷物質的降解及磷循環

水體富營養化的主要原因在于氮污染及磷污染，而農業面源污染是整體流域水體富營養化的重要原因。人工濕地可在一定程度上強化凈化系統，進一步種植水生植物，去除含磷物質。在整體農業流域內，濕地水體內的含硫物質實際的存在形式主要為微粒無機磷及溶解無機磷等諸多物質。而相關磷物質會在人工濕地內進行實際的循環，主要通過化學沉淀和物理沉積等方式去除，同時也可通過生物體內富集而去除[2]。

在不具備防滲條件的人工濕地之內，周圍水體及磷的交換在一定程度上也會影響磷的去除程度。顆粒磷會隨著懸浮顆粒進行沉淀。而此過程在磷去除中屬于傳統的模式。濕地土壤是磷后續極為重要的去向。磷在人工濕地之內，其實際沉積與整體土壤的酸堿值及其氧化還原電位具有著密切的關聯。土壤若呈現中性或者酸性，抑或其內部擁有大量的鐵氧化物或者可能存在著堿性鈣氧化物，此時濕地土壤整體修復能力相對較強，產生的氧化還原電位可能會在一定程度上對土壤實際固定能力產生影響。另外，濕地土壤及水交界面的天然金屬氧化層，在一定程度上會對土壤向水體釋放磷的綜合過程產生影響。其中，鐵的實際溶解及還原與該氧化層重結晶在一定程度上對于水中的磷具有相對較強的吸附作用。在近些年的發展過程中，含金屬機制應用在人工濕地之內，能夠使得濕地的去除磷效果得到一定程度的增強。機制之內金屬離子能夠對可溶性磷酸鹽進行吸附，并且進行沉淀。

在農業面源污染控制中，以化學熱處理為基礎的各種類型農業生物質能夠為人工濕地后續設計提供一定思路，通過生物作用，能夠在人工濕地系統內有效地清除磷，以微生物對其進行吸收，同時進行同化作用，在生物體內富集，而后基于生物植物的收割，由此將其從濕地系統中去除。在農業污染中，相應的磷會通過顆粒磷進一步向濕地輸送，而后其沉積物及實際的有機顆粒物質會在系統內留存。顆粒形式磷在實際轉化后，會進一步地對其進行生物應用，而人工濕地實際的懸浮沉積物及相應的厭氧土層能夠進一步使其獲得重要的轉化條件。在沉積時，可以基于動力學過程，使得顆粒磷能夠進行溶解性的轉變，實際內部磷循環具有高度的復雜性。有關研究者需要對無機磷去除的機理進行詳細研究，形成更加高效的去除模式，才能夠合理應用人工濕地，盡可能降低農業面源污染的影響。

1.3 重金屬鉛及其沉淀

農業生產及各種類型的礦業活動等諸多人為因素會在一定程度上致使農田出現嚴重的重金屬污染。其中，長期施肥不當，以及有機肥污泥在一定程度上會使得農田內部重金屬濃度大幅度提高。農田土壤內的重金屬會以農業灌溉或者相應的降雨流入水體，由此使得流域的水生態健康受到一定程度的威脅。有關研究發現人工濕地能夠在一定程度上有效清除水體重金屬。相應的土壤及濕地植物與實際水中污染所具有的相互作用，能夠在重金屬清除中有較為突出的作用。在濕地的構建過程中，其內部所具有的土壤介質與各類種植植物在一定程度上會改變水利條件，并且通過深化及物化過程，對重金屬去除產生一定程度的影響。

人工濕地所具有的重金屬去除功能，主要通過化學沉淀、物理過濾以及微生物交互等諸多方式予以實現。具體去除模式與水體重金屬的實際形態及相應的生態環境具有高度的關聯性。人工濕地土壤與季節水淹條件具有關聯，同時在缺氧及好氧之間發生一定的變化。在好氧條件下，土壤層表層的磷酸原有機物及錳、鋁等諸多化合物能夠進一步做到絡合沉淀，并且吸附水中存在的各類微量金屬，使其能夠向土壤表層進行有效的沉淀[3]。酸堿度、金屬溶解度以及相應的離子強度等諸多因素，會對此吸附及相應的沉淀過程產生一定的影響。基于還原條件，諸多重金屬能夠與硫化物礦物進行有效的結合，由此使得濕地土壤之內重金屬沉積量大幅度增加。

另外，沸石、石灰石等諸多機制，能夠在一定程度上強化人工濕地對濕地重金屬的吸附效果。人工濕地土壤及相應的機制存在著吸附飽和情況。由此，很難在濕地系統內完全清除水體內的重金屬。若想徹底清除重金屬，則需要依托濕地生物過程，主要包含植物系統對于重金屬的運輸吸收及相應的積累。根據相應的研究可發現，莎草、澤瀉等諸多植物能夠吸附重金屬。另外，在濕地生物膜內，相應的微生物能夠基于對重金屬價態進行有效的轉化，并且通過包外生物積累吸附等相關過程與植物進行協同，完成生態修復。在人工濕地構建中，對于汞礦區的農業面源污染而言，其治理工作需要注重含汞進水，不可對其進行長期厭氧處理。厭氧微生物在一定程度上可能會使無機汞向甲基汞進行轉化，甲基汞具備相對較強的神經毒素，因此需要更加合理地創設濕地的環境，以降低內部甲基汞含量[4]。

1.4 農藥的降解及遷移轉化

化學農藥能夠確保農作物增產，在農業生產中有著極為重要的作用。但濫用農藥存在各類風險問題，會使現代人的健康受到嚴重威脅。農藥會通過農田排水及降雨等諸多途徑，進入水體。目前，諸多河流都能夠檢測出農藥殘余物。當前主要的農藥主類為除蟲劑、殺線蟲劑以及殺真菌劑。人工濕地能夠基于化學、物理以及生物的綜合降解方式，對于水體內的農藥進行有效的降解。其中，物理模式以沉淀及吸附為主，主要為光解及水解模式。生物過程則需要基于生物吸收以相應的代謝，同時使用微生物降解法。

農藥自身的實際性質、微生物降解的實際情況及其他因素，都會對農藥去除的最終效果產生一定程度的影響。農藥在水環境具體遷移及轉化時，存在水解及吸附等諸多類型。各種差異化類型農藥在一定程度上，由于其自身結構特點存在的差異，可能會出現相對較大的遷移情況，同時會出現不同的轉化特征，致使在實際應用過程中其污染物去除效果會存在一定的差異[5]。有研究人員基于32種較為常見的農藥，對相關農藥在對人工濕地之內的去除效率進行研究，依照農藥的化學結構將其分類可發現，由高至低對效果排列為有機磷類、三唑類、三嗪類、脲類。對于部分低去除率的農藥而言，相關研究并未發現較為顯著的特點。農藥能夠被濕地機制進行轉移，并且對其進行吸附。對于部分有機顆粒物相對較多的農藥而言，可以通過顆粒物吸附將其去除，水體之內的農藥會進一步向實際機制內轉移。另外，試劑能夠直接吸附相應的農藥，機制能夠成為農藥化學及物理反應的重要反應界面。

2 人工生態濕地系統構建的原則、程序及方法

2.1 設計原則

其一，多樣性與穩定性原則。人工濕地系統應設計為多樣化的生態單元，包括濕地植被、水生生物和微生物等組成部分，以增強濕地系統的生態穩定性和抵御能力。其二，水動力與水循環原則。合理進行濕地水力設計，包括水流速度、水位變化和水體循環，促進水體中有害物質的降解和去除。其三，適宜植被選擇原則。根據不同的水質和污染物特點，選擇適應性強、具有良好吸附和降解能力的植物，如蘆葦、蒲公英和菖蒲等，在濕地系統中修復植被和種植水生植物。其四，水質控制與調節原則。通過濕地系統的水質控制和調節，去除污染物，改善水質；采取適當的水質監測和調節措施，如人工增氧、懸浮填料和微生物群落的調控等。其五，水土保持與生態恢復原則。通過合理的濕地設計和管理，保護土壤資源，防止土壤侵蝕和水土流失，提升濕地生態系統的自我修復和恢復能力。其六，長效運營與管理原則。人工濕地系統需要長期的運營和管理，包括適時的植被修剪、水質監測和調節、沉積物清理和維護等，以確保系統的穩定性和高效性。在實際應用中，人工濕地系統的構建應以當地的水質狀況、污染物特征和生態環境需求為依據，結合適宜的技術手段和管理措施，以提升農業面源污染的治理效果。

2.2 程序及方法

人工濕地系統的構建設計，需要運用為科學的方式選擇生物種類，同時需要設置規范的程序。具體而言，其程序及方法如下。其一，需要對于沿岸水生群落的綜合結構進行分析，并且對其進行合理調查，獲取更為詳細的資料，作為人工濕地系統在構建過程中的參考[6]。其二，詳細調查水生物對氮、磷等各種營養性污染物的處理能力，同時，詳細分析有關地區水生物開發的實際利用情況。其三，詳細比對各種類型水生物，探究其優勢及不足之處，在對比的基礎上，確定人工系統建設中需要應用的種類。其四，濕地系統設施建設。根據設計方案進行濕地系統設施建設，包括挖掘濕地基底、種植植物、建設水體流動通道和控制結構等。其五，運營和管理。制定濕地系統的運營和管理計劃，包括水質監測、植被管理、污泥清理和維護等；定期進行水質監測和評估，根據監測結果調整和優化濕地系統運營計劃。其六，監測和評估。監測和評估濕地系統的效果，包括水質改善效果、植被生長狀況和生態功能等；根據監測結果評估濕地系統的治理效果，并進行必要的調整和改進。在構建人工生態濕地系統的過程中，應綜合考慮當地的水質特征、生態環境需求和技術可行性，結合合適的工程方法和管理手段，以實現農業面源污染的有效治理和生態恢復。

3 結束語

在面源污染控制過程中，人工濕地屬于極為重要的技術之一。在建設中其成本相對較低，應用管理更為便捷。據研究，人工濕地能夠有效去除農藥及水體中的重金屬、氮、磷。在農業面源污染控制中，人工濕地的潛力相對較大。但人工濕地在去除重金屬及農藥時，會偏向單一污染的降解。在具體使用過程中，對于氮、磷去除的實際效率，需要進行多案例的驗證及分析，在濕地機制材料進一步發展，以及污染物種類不斷豐富的情況下，人工濕地在具體設計過程中需要進一步與不同工程措施進行有效的聯合，并且制定相應的植物修復方案。以此，對差異化的負載特征進行分析，對水污染處理工作進行研究。另外，由于人工濕地能夠使動物獲得更高質量的棲息地，部分經濟植物在應用過程中能夠具備較高的經濟效益，可以將實際的生態學及景觀設計進行有效的結合。這能夠有效改善農村風貌，進一步優化區域生態功能。

參考文獻

[1] 王一格，王海燕，鄭永林，等.農業面源污染研究方法與控制技術研究進展[J].中國農業資源與區劃.2021，42（1）：25-33.

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[3] 許春華，周琪，宋樂平.人工濕地在農業面源污染控制方面的應用[J].重慶環境科學，2001，23（3）：70-72.

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[5] 張金營.人工濕地在我國農業面源水體污染方面的應用研究[J].建筑工程技術與設計，2015（20）：2079.

[6] 高巍，胡浩云，朱磊，等.邯鄲地區溝渠人工濕地治理農業面源污染可行性研究[J].水利科技與經濟，2009，15（12）：1066-1068.

Advance in Application of Artificial Wetland in Agricultural Non-point Source Pollution Control

Dou Wen-jing （Jiaohe Ecological Forest Farm of Gaomi City， Gaomi， Shandong 261500）

Abstract Agricultural non point sources are the main pollution sources in lake water sources. In recent years， in the process of agricultural practice in China， a large amount of chemical fertilizers have been used， while the intensity of land cultivation was relatively high， leading to serious loss of nutrients in the soil. However， various pollutants were concentrated and further discharged into the lake through non-point sources， resulting in extremely serious pollution in the lake. Due to the relatively fragile ecological environment of the lake wetland itself， it was difficult to control agricultural non-point source pollution. In order to make the water source of various lakes develop and effectively control agricultural non-point source pollution， it was necessary to further apply the artificial wetland model. This model has a more excellent effect in the treatment of non-point source pollution. Based on the above perspective， this article comprehensively explores the practical application of artificial wetlands in agricultural non-point source pollution control， and analyzes its progress in detail.

Key words Artificial wetland; Non-point source pollution; Agricultural non-point source; Pollution control