稻田退水污染处理方法初探——WRSIS技术引进与改良

燕 红，山广茂

(1.东北师范大学 城市与环境科学学院，长春 130024;2.吉林省林业科学研究院，长春 130033)

稻田退水污染处理方法初探
——WRSIS技术引进与改良

燕 红1，山广茂2

(1.东北师范大学 城市与环境科学学院，长春 130024;2.吉林省林业科学研究院，长春 130033)

结合我国灌溉排水系统的实际情况对WRSIS系统进行了改造，以“暗管控制排水”为主转为以“明沟排水”为主，并在吉林省莫莫格地区开展了试验研究。结果表明，改进后的新系统对稻田退水中氮磷的去除率均能达到25%以上，改进的WRSIS系统治理水稻区非点源污染是非常有效的途径。

稻田;非点源污染;WRSIS;湿地

我国是世界第一产稻大国，水稻种植面积约占全国粮食作物总面积的40%。但是水稻的大面积种植，使得农田化肥施用量急剧增加，周围水体的富营养化和农业非点源污染加剧。司友斌等人［2］对巢湖西半湖水体进行监测，发现水体中总氮(TN)、总磷(TP)分别为4.14 mg/L和0.31mg/L，劣于V类水质标准。巢湖四周都是农田，肥料的大量流入是巢湖水质TN、TP超标的重要原因。

2008年，吉林省发布《吉林省增产百亿斤商品粮能力建设工程总体规划》，莫莫格地区是主要示范地之一，大面积水稻田的开发将产生更大的面源污染问题，莫莫格地区的稻田退水污染将出现加剧的趋势。莫莫格湿地处于吉林省农牧交错区，属于生态脆弱带，是水禽的重要栖息繁殖地和东亚候鸟南北迁徙主干线上的重要停歇中转站，在保护生物多样性尤其是保护水禽方面具有重要的现实意义和国际意义［3］。

在湿地污水净化过程中，湿地植被扮演了重要角色，它能吸附沉积物，吸收营养物质储存在体内，创造适宜植物生长的微环境，同时为分解污染物有益菌提供碳源。因此，我们有必要结合湿地本身的净化功能和新的技术方法提高湿地处理稻田退水能力，为解决粮食增产和造成的非点源污染二者冲突提供依据，也为保护生物多样性做出贡献。

1 研究方法

1.1 试验地点

WRSIS系统试验地选在吉林省西部镇赉县莫莫格保护区附近的五棵树镇东800米处的水稻田边，实验区水稻面积6公顷，湿地面积为0.8公顷，整片共计30块稻田相连，排水进入250米长的生态沟渠，然后排入湿地中，湿地的位置位于水稻田边地势最低处。并且，在实验的湿地中设置几块不同植被类型的小型湿地，同时监测比较不同植物之间的净化效果差异。

1.2 WRSIS系统技术体系

美国俄亥俄州立大学Czartoski等［6］学者研究开发了湿地－水塘－地下灌溉系统(WRSIS)，WRSIS由人工湿地、水塘、地下灌溉兼控制排水系统所组成，整个工艺流程如下:灌溉用水首先通过地下排灌系统进入农田，农田排出的含氮磷较高的污水被引入湿地中进行自然净化，净化后的水又排入水塘中进行储存，待农田需水季节重新被利用，从而完成整个循环。WRSIS研究的初衷是为减少农田污染物质排放、提高灌溉保证率和水分利用率，以及增加粮食产量。主要目的是为了解决非点源污染(NPS)问题。该研究小组在美国俄亥俄州的三个地区进行了示范和推广，这种技术湿地可吸收大约68%的氮和43%的磷，取得了良好的效果。目前国内对WRSIS系统的研究在2006年开始。2006年7月在桂林建立了第一个实验基地进行研究［7］。2009年吉林省将该技术引入吉林省西部用来处理大面积稻田退水造成的非点源污染。

1.3 实验设计

(1)WRSIS系统技术改造。结合我国灌溉排水系统中主要是以明渠(沟)为主的实际情况，我们对WRSIS系统进行了改进，将俄亥俄州立大学的技术中的地下灌溉系统改为明渠灌溉，“水稻田－人工湿地－蓄水池”更能实现农田排水水质控制和管理技术在吉林省西部莫莫格地区农村的推广(图1)。该系统由三部分组成:水稻田－人工湿地－蓄水池，并通过沟渠系统将三者连结起来。其中，水稻田的排水通过生态排水沟流入湿地系统，经过湿地中的基质和植物的吸附和吸收净化后排入氧化塘，对净化后的水进行储存;当水稻田需要灌溉的时候，可以从氧化塘中引入净化后的水重新进入湿地，从而完成各个系统的循环利用。与美国的系统相比取消了在农田中设置价格昂贵的地下灌溉与控制排水系统。因此本系统投资少，适合我国的经济条件。

图1 改进后WRSIS系统湿地净化稻田退水实验示意图

(2)水质监测实验设计。整个实验区总面积约为0.8公顷，设置进水口与出水口，于5，6，7和8月定期采样，计算整个实验区的净化效果。

(3)湿地中植物的监测。对净化污水的湿地植物配置，采用“自我设计”观点，其中时间是影响自然湿地植物群落发育的重要因素，特别是采用人工方法恢复植被的湿地，湿地植被的发育依靠自有种子，或经由风或经造访湿地的野生动物携带而来的种子。这种被动的方法取决于特定物种造访的时间和物种在人工湿地定植的适宜条件。

维管植被调查开展于2010年和2011年植物生物量最高的8月中旬。通过使用样带法随机抽取季节性的固定的一系列样方。样点分布见图1。湿地内共取样方20个，每个点5个重复。画出物种地区曲线以便检验抽样数量是否适当。在2011年生长季期间分三次取样，自五月份开始于九月底结束。调查项目包括定量和定性调查，这些项目有样方中的盖度、群落类型和所有物种的名称，其中采用Braun-Blanquet scale(1932)做定量分析，调查的结果用作计算物种的丰富度等，样方中的不同物种重要值则用以计算多样性指数。

2 实验结果分析

2.1 水质监测

在水稻生长过程中将稻田的排水引入湿地，对稻田排出的水质以及湿地内和流出湿地的水质进行了监测，于每个月的中期进行采样，并计算湿地对退水的去除率。

图2可见，TN的去除率在5月份最高，6、7月份逐渐下降，8月份又有所回升，最终达到20%。TP去除效果良好，5、6月份去除效果明显，7、8月份开始回落，最终达到30%。分析其原因，5月份稻田刚开始插秧，湿地中植物也刚萌芽，排入湿地中的稻田的氮磷含量低，湿地土壤在其中起到了关键的作用，主要氮磷物质被土壤颗粒吸附，6、7月份，正是施氮磷的高峰季节，排水中的氮磷负荷较重，湿地植物还没有进入最好的吸收状态，所以，去除率有所下降，进入8月份，湿地中植物的生产力和丰富度均达到最高，对氮磷的吸收也是效果最好的时候，因此去除率开始增加。

图2 实验区不同月份去除率比较

2.2 湿地植物监测

根据对样地的调查，经过一年的恢复与生长，共发现植物物种13种，其中优势植物为芦苇(Phrnagmite australis)，香蒲(Typha orientalis)，小香蒲(Typha minima)扁秆藨草(Scirpus planiculmis)，四个监测点的物种多样性见表1。

表1 不同取样点湿地植物多样性

从表中可以看出，四个监测点物种数差异不显著，整体来讲，样点4物种数及物种多样性较高，因为样点4位于湿地入水口处，并且该处是湿地中地势较高的地方，一些适宜浅水生长和较旱生的物种能够生存，如扁秆藨草适宜生长在水位低于20cm的湿地生长。

3 结论与讨论

湿地蓄水地下灌溉(WRSIS)系统在去除氮磷元素具有一定的效果，去除率平均能达到25%以上，湿地物种较之建设初期有所增加，湿地植被恢复取得一定的效果。但是本文并未过多的考虑湿地水力停留时间对总氮的去除的影响，据有研究表明水力停留时间对氮磷的吸收具有一定的影响［8］，这是下一步实验需要主要考虑的问题。湿地中湿地植物长势还有待提高，还不能为总氮的去除提供适宜的条件，直到发稿时，湿地植物比例仍未能达到期望值。主要原因是该块湿地是从撂荒地改造而成，其中常年生长各类杂草，在湿地运行过程中的第一年，积累在土壤中的氮磷在形成湿地时会有部分的释放，对湿地的净化效果产生了一定的影响，这种影响对总氮较为明显。

［1］司友斌.农田氮、磷流失与水体富营养化［J］.土壤，2000(4):188－193.

［2］Lee M.Luckeydoo，N.R.Fausey.Early development of vascular vegetation of constructed wetlands in northwest Ohio receiving agricultural waters Agriculture［J］.Ecosystems and Environment，2002(88):89 － 94.

［3］韩春玲，王修贵，金苗，等.一种全新的农田水量水质综合水管理系统——美国“湿地－水塘－地下灌排 综合水管理系统(WRSIS)［J］.湿地科学与管理，2008，4(2):57 －59.

［4］张爱平.宁夏黄灌区稻田退水氮磷污染特征研究［D］.北京:中国农业科学院，2009.

Preliminary Study on Pollution Treatment of Drainage Water in Paddy Field—A Discussion on the Introduced and Refined WRSIS

YAN Hong1，SHAN Guang-mao2

(1.School of Urban and Environmental Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China;2.Jilin Provincial Academy of Forestry Science，Changchun 130013，China)

We refine WRSIS by research on the situation of our country＇s irrigation and drainage system，changing the technique of underground pipe drainage into that of ditch drainage and making an experimental research on Momoge District in Jilin Province.The results show that the refined system＇s removal rate of N and P in paddy field after recession can reach above 25% ，indicating that the refined WRSIS is very effective to manage the problems of non-point agricultural pollution in paddy field.

paddy field;non-point source pollution;WRSIS;wetland

X506

A

1009－3907(2012)06－0698－03

2011-10-28

国家林业局引进国际先进林业科学技术948项目(2009-4-32);国家环保部环保公益性行业科研专项(2011467032)

燕红(1980-)，女，内蒙呼伦贝尔人，博士研究生，主要从事湿地生态学研究。

责任编辑:刘 琳