农田排水中氮磷迁移转化规律研究进展

程希雷

（辽宁省环境科学研究院，辽宁 沈阳110031）

1 引言

水体富营养化是一种严重的水体污染，不仅影响水体水质，也会对水环境造成负面影响。水体富营养化已经成为全球性环境问题，也是世界水环境面临的最为重要的问题，引起了生态学家、湖沼、海洋学家的普遍重视，同时也得到一些国际组织、国家政府及社会各界人士的广泛关注与重视［1－3］。大量研究表明，农田氮磷流失导致的农业面源污染是形成水体富营养化的主要原因［4－10］。如何有效防治农田面源污染，修复水环境是目前亟待解决的问题。针对农田氮磷流失引起的农业面源污染问题，采用的控制措施主要可归纳为：源头控制、中间调控和末端治理3个方面［11］。源头控制就是通过加强田间管理、科学施肥减少面源污染的产生。中间调控就是在面源污染迁移的过程中加以截留和净化，达到削减污染物进入下游受纳水体的总量；末端治理就是在污染物汇入河流、湖泊等后进行去除。与源头控制和末端治理相比，中间调控是一种更加经济可行的手段，这是由于虽然源头控制是削减农业面源污染物最有效的措施，但是在目前粮食危机日趋严峻的形势下，大幅度减少化肥施用量难以实现，而末端治理又具有高投入、低收效的特点［12，13］。也正因如此，中间调控措施得到了国内外学者以及水环境保护工作者的高度重视［14］。农田排水是农田氮磷流失的主要途径，研究农田排水中的氮磷在排水沟渠系统中的迁移转化规律是有效进行中间调控的基础，因此在治理以及防治因农业面源污染而引起的水体富营养化中显得尤为重要，对于水环境治理具有事半功倍的效果，对正确评估水稻田流失氮、磷对环境的污染和影响，提出科学有效的控制措施具有重要意义。

本文旨在对农田排水中的氮磷迁移转化规律进行综述，以期为建立科学合理的水体富营养化控制措施以及后续的污染治理工程提供决策依据，并为建立可持续发展的生态农业提供理论依据和数据支持，也为面源污染模型的建立及应用提供理论基础。同时本文还将分析探讨目前研究工作的不足，并对未来的研究方向提出展望。

2 氮磷在排水沟渠系统中的迁移转化机制

排水沟渠中的氮主要以有机氮、氨态氮（NH＋4－N）和硝态氮（NO－3－N）的形式存在［15］，磷主要是以溶解态磷（DP）和颗粒结合态磷（PP）形式存在［16］。这些不同形态的氮、磷在植物、微生物和基质底泥的共同作用下在排水沟渠系统中进行着迁移转化。因此，氮、磷在排水沟渠系统中的迁移转化机制可以概括为：底泥吸附、植物吸收和微生物降解与协同。

2.1 底泥吸附

排水沟渠的底泥有巨大的表面积，富含有机质，有较好的团粒结构，对水体中的氮磷会产生吸附作用［17］。从农田流失掉的不同形态的N随着排水进入沟渠，其中有机态N和NH＋4－N会被底泥所吸附，研究表明沟渠底泥对NH＋4－N的最大饱和吸附量可达1.3mg/g［18］，而由于底泥胶体带负电荷，因此NO－3－N不易被底泥吸附［19］。被底泥吸附的有机N通过矿化作用转化为NH＋4－N，并在硝化细菌作用下进一步发生硝化作用转化为NO－3－N，厌氧条件下，发生反硝化作用，形成N2和N2O，挥发进入大气。与氮相比，底泥对磷的吸附能力和速度要更强大［20］。当农田排水进入沟渠以后，大量的可溶性磷被底泥吸附，研究表明，底泥对磷的吸附率最大可达99%，底泥吸附是农田排水中磷去除的主要机制［21］。底泥对磷有很强的吸附能力是由于底泥中含有较多的无定型（非晶体型）铁、铝氧化物，能与磷形成溶解度很低的磷酸铁或磷酸铝［22］，但随着底泥深度的增加，好氧状态逐渐向缺氧、厌氧状态转化，铁、铝等形态随之发生变化，因此，底泥对磷的吸附主要发生在表层，且随深度增加，吸附能力下降［23］。底泥对磷的吸附过程是可逆的，因此被底泥吸附的部分磷只是暂时储存在底泥中，一旦底泥对磷的吸收会出现饱和状态，或是沟渠水体磷浓度降低，不能满足植物和其他生物的生长需求，就会使一部分磷由底泥重新释放到水中［24］。正由于被吸附的磷会发生解吸现象，因此尽管底泥吸附作用对磷的去除发挥重要作用，但是同时沟渠底泥中的磷也是造成磷二次污染的一个主要原因［25］。

2.2 植物吸收

氮、磷是植物生长的必需营养元素，因此，排水沟渠系统中生长的植物可以直接吸收利用农田排水中的氮、磷，进而同化为自身所需的物质（蛋白质和核酸等）［26］。植物除了可以直接吸收利用水中的氮、磷外，在其生长过程中，还会将光合作用产生的O2通过茎叶输送到根区，在根区形成好氧微环境，进而促进根区的氧化还原反应与好氧微生物的活动，从而影响水中氮、磷的去除率［27，28］。例如，根区的好氧环境有助于硝化细菌的生长并进行硝化反应，而硝化反应产生的NO－3－N经过扩散和渗滤作用进入根区以外的厌氧环境进行反硝化反应，最终形成N2和N2O以气体的形式从沟渠系统中逸出［29］。因此，植物的根区好氧环境及植物吸收能力是农田排水中N去除的主要机制［30］。虽然相对于氮来说，植物吸收对磷的去除效果是有限的，磷的去除主要还是靠底泥吸附和截留，但是植物对磷的去除也有很大的帮助，一方面由于植物的吸收作用在根区形成浓度梯度，打破了底泥－水界面平衡，促进磷在界面的交换作用，进而加速磷进入底泥的速度；另一方面，植物根区的好氧微环境，有利于微生物对有机磷降解［29，31］。此外，植物还能够增加沟渠的粗糙度、阻力和摩擦力，从而降低流速，促进悬浮物的淤积，增加水力停留时间，延长水中的化学反应时间，进而提高对氮、磷的去除潜力［32］。

2.3 微生物的降解与协同

氮、磷的迁移转化过程离不开微生物的参与，可以说微生物对于农田排水中氮、磷的去除起着重要作用。农田排水中的部分有机氮、磷，在微生物参与的矿化作用下转化为NH＋4、NO－3和PO3－4等，可以被植物直接吸收利用［25］，同时，在好氧条件下NH＋4－N在硝化细菌作用下进行硝化反应转化为NO－3－N，而在厌氧条件下，反硝化细菌将NO－3－N还原成为气态的N2和N2O逸出［12］。在厌氧条件下，厌氧微生物能够利用铁结合态的铁磷等，进而促进磷从底泥中转化为溶解态被释放出来［33］，释放出来的溶解态磷虽然为植物生长提供了营养元素，但是也提高了发生二次污染的风险。同时，也有研究发现，氮的去除与硝化细菌和反硝化细菌都有明显相关性，但是磷的去除与各类微生物均无明显相关性［34］。

3 氮磷在排水沟渠系统中迁移转化的影响因素

3.1 温度和季节

底泥吸附、植物吸收以及微生物的降解和转化作用都受到温度的影响，而季节变化会导致温度的变化，因此温度和季节是影响氮、磷在排水沟渠中迁移转化的重要因素。植物具有最适生长温度，在一定温度范围内随着温度升高，植物光合作用增强，促进植物生长，进而促进植物对氮、磷的吸收。Kovacic等［35］研究发现由于夏、秋季节温度适宜植物生长，因此对氮、磷的净化效果也更加明显。另外，微生物的生长和代谢活动也受温度的显著影响。微生物最适宜的生长温度是20～40℃，在此范围内，温度每增加10℃，微生物的代谢速率将提高1～2倍。周凤霞等［36］总结在10～30℃范围内，随着温度升高，反硝化细菌活性增强，有利于反硝化作用的进行，但是温度高于30℃后，则会对硝化反硝化过程产生抑制作用。同时，温度也影响磷的释放。Liikanen等［37］研究表明，磷的释放量随温度升高而增加，温度升高1～13℃，可使底泥中磷的释放增加9%～57%。此外，温度升高不仅能使磷释放量明显增加，也会使释放速度明显增加［38］。

3.2 pH值和溶解氧（DO）

pH值会对微生物活性产生影响，进而影响氮、磷的迁移转化［39］。硝化细菌和反硝化细菌适宜在中－碱性条件下生长，因此，排水沟渠在中－碱性条件下对氮的去除效果要好于酸性条件下［18，29］。此外，NH3挥发与pH值密切相关，pH＝9.3时，NH3挥发显著；pH＝7.5～8.0时，NH3挥发不显著；pH＜7.5时，NH3挥发可忽略［40］。底泥对磷的吸附和解吸是一个动态平衡过程，该过程与pH值密切相关。在酸性条件下磷与Al3＋和Fe2＋形成难溶化合物；在碱性条件下与Ca2＋形成难溶化合物［41］。若pH值过低，钙结合态磷、铝结合磷易被溶出，导致底泥吸附磷的能力下降；沟渠水体pH≥7时，铝离子水解形成具有较大比表面积的胶体状Al（OH）3，对水体中的磷酸盐具有较强的吸附能力，促进水体磷的净化［25］。

氮、磷循环转化过程也受水中DO的影响。高浓度DO会促进硝化作用而限制反硝化作用进行，而低浓度DO则促进反硝化作用抑制硝化作用［42］。李强坤等［29］认为冬季氨氮去除效果低于夏季的原因之一是：冬季湿地表面被冰雪覆盖，阻止大气O2的输入，导致DO浓度较低，进而抑制了硝化反应的进行［25］。

3.3 植物种类

不同植物对氮、磷的去除率会有一些差异。余红兵［21］研究发现不同水生植物全年可带走氮和磷的范围20.34～109.12g/m2、3.41～17.95g/m2，其中狐尾藻、水生美人蕉吸收能力最强。Ng等［43］研究发现芦苇和茭草吸收氮磷的能力要强于香蒲，这是由于芦苇和茭草的根系要比香蒲的根系更加发达。蒋跃平等［44］研究发现17种植物平均氮磷积累量对去除水中氮磷的贡献率分别为46.8和51.0%，其中，美人蕉具有最高的N积累量（24.48g/m），而菖蒲具有最高的P积累量（1.95g/m）。一般而言，生物量较大、根系比较发达、输氧能力较强的植物对氮、磷的净化能力较强［45］。

3.4 排水沟渠的断面、长度和水力特征

农田排水中氮、磷的迁移转化还与排水沟渠的长度、断面尺寸以及排水沟渠中的水位、流速等水力特征有关。上述因素决定了农田排水在排水沟渠中的滞留时间，而农田排水在沟渠系统中滞留的时间与污染物去除率之间有很大关系。翟丽华等［46］在杭嘉湖流域研究发现沟渠排水中总磷、总氮和氨氮均随滞留时间逐渐降低。Brooks等［47］指出溶解磷的去除分为两个阶段，第一阶段速度很快，主要是吸附作用和磷酸盐的形成，第二阶段速度较慢，主要是化学促沉作用和被吸附物结成固体物质，因此只有滞留时间足够长能够保证达到第二阶段，才能保证并提高磷的去除效果。一般来说，排水中氮、磷在宽浅型沟渠中的转化和去除率要高于深窄型沟渠，这是由于宽浅型沟渠中水生植物生物量高于深窄型沟渠，增加了水体与水生植物的接触程度，此外与深窄型沟渠相比，宽浅型沟渠的纵坡比较小，水体流速较小，氮、磷在沟渠中持留时间较长，也有利于氮和磷的去除［48］。

沟渠长度与排水在沟渠中的滞留时间有关，进而会影响着氮磷元素的去除效果，徐刘凯［49］在赣江下游研究发现水稻田沟渠系统中氮磷浓度具有沿程大幅度递减的规律。徐红灯［23］和余红兵［21］也发现了相同规律。但是刘小飞等［15］在吉林省西部松嫩平原的前郭灌区研究发现总氮在排水干渠内呈现沿程略有增加的趋势，而不是降低趋势。

沟渠中水流流速影响泥砂的沉降，流速越慢越有利于泥砂沉降，而泥砂沉降是磷截留固持的重要过程，因此沟渠系统中水流速影响磷的沉降［21，23］。而水流流速增大虽然使得水中充氧能力增强，能够加快氮的氧化分解过程［48］，但流速加大使得排水在沟渠中停留时间缩短，所以氮的分解量相对来说减少。张燕［12］研究发现低流速延长了水力停留时间，有利于沟壁土壤和沟底底泥对流水中NH－4N和PO－4P的吸附截留。

干湿交替是沟渠的重要特征之一，干湿交替过程实质上是好氧和厌氧环境的交替过程，该过程会对沟渠底泥中氮、磷的转化和释放产生影响［13］。当沟渠处于干涸状态时，底部暴露到空气中，沟渠呈现好氧环境，该环境有利于氮发生硝化作用，将NH＋4离子转变为NO－3；当沟渠处于淹水状态时，沟渠呈现厌氧环境，此时利于NO－3发生反硝化作用形成气态的N2和N2O，从系统中逸失。所以，干湿交替促进了沟渠中氮的转化。但是干湿交替对磷的影响比较复杂。一方面认为，沟渠底泥经过干湿交替过程后可增强底泥向水体释磷潜力。这是由于在干涸初期时，好氧环境有利于微生物的快速生长，使磷富集在增长的微生物群落中，但当进一步干燥时，就会导致大量微生物死亡，而当再次淹水，这时被微生物吸收利用的磷就又被释放出来［50］。

4 结语

国内外学者针对农田排水中氮、磷迁移转化规律开展了大量研究，但是多数结果是基于实验室受控条件或是小尺度试区为背景得出，而原位条件及大尺度范围的研究少见报道，受控条件或是小尺度试区得到的结果往往难以反映农田真实情况。就地区而言，在江苏、浙江、湖南、三江平原等粮食主产区且面源污染比较严重地区开展的研究比较多，而河口盐碱地带稻区开展的研究比较有限。河口区由于其特殊的地理位置，使得在其区域流失的氮、磷极易扩散进入海洋，从而产生赤潮，因此，潜在威胁更大。此外，由于该地区土壤的盐碱特性，使得该区域农田排水中氮、磷迁移转化规律与其他区域势必存在差异。因此，有必要加强该区域的相关研究，弥补区域空白。最后，沟渠系统不同组分以及不同影响因素对氮、磷迁移转化的影响并不是单一作用，往往是同时发生，相互影响，综合作用的结果。因此，应该加强研究各组分及因素综合作用下氮、磷迁移转化规律，进而揭示各组分及影响因素的相互作用机理，定量评价各组分及因素的贡献率，以确定不同组分和因素的影响程度。

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