稻田退水沟渠去除氮磷的强化措施及其应用概述

李海波+吕学东+王洪+等

摘要：在阐述稻田退水氮磷面源污染严重性及沟渠结构与功能的基础上，分析了沟渠底泥吸附、植物吸收、微生物分解和协同作用等主要净化机理，探讨了沟渠植物种类选取、沟渠基质类型筛选、沟渠结构的合理设计以及充分利用毗邻生态单元构建生态处理系统4种沟渠改造措施，指出在沟渠工程化建设的同时宜采用人工强化技术，可有效增强沟渠生态与服务功能；从生态学及景观生态学角度，提出生态拦截型沟渠、溪流式接触氧化沟渠、多级消减沟渠等3种新型生态型沟渠的应用。建议在沟渠的改造、利用、管理上要实施合理的监管制度，对新型沟渠的建设相关部门要出台相关法律法规及设计规范；同时，在理论研究的基础上进行实验室模拟分析，为实践工程提供数据支撑及科学指导。

关键词：稻田退水；沟渠系统；农业面源污染；生态沟渠

中图分类号：X703；X71；S511 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）20-4985-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.016

Strengthening Measures and Applications of Paddy Fields Drainage Ditch for Nitrogen and Phosphorus Removal： A Review

LI Hai-bo1，LV Xue-dong2a，2b，WANG Hong2b，WANG Xin2b，LI Ying-hua1，JI Xian-chao2b

（1.College of Resources and Civil Engineering， Northeast University， Shenyang 110004， China；2.Shenyang University， a. Institute of Architectural Engineering， b.School of environment/Key Laboratory of Regional Environment and Eco-Remediation， Ministry of Education， Shenyang 110044， China）

Abstract： To improve the removal rate of pollutant and enhance the ecological function effectively， four strengthening measures were discussed， including species selection of ditch plant， filter type of ditch matrix， reasonable design of ditch structure and constructing ecological treatment system with adjacent wetlands or ponds unit. Furthermore， from the perspective of ecology and landscape ecology， the ecological ditch system with interception function， stream type contact oxidation ditch and multistage reduction ecological ditch were introduced. Finally， it was advised that reasonable regulatory systems on the transformation， utilization and management of the ditch should be carried out， and relevant laws and regulations and design specifications on the construction of new ditches should be established； Meanwhile， theoretical research works should be carried out to conduct laboratory simulation and provide data support and scientific guidance for practical engineering.

Key words： paddy field drainage； ditch system； agricultural non-point source pollution； ecological ditch

进入21世纪以来，面源污染已取代点源污染，成为威胁地表水环境最严重的问题，其中农业面源污染又是水体污染的最大“贡献者”，负荷率最高[1]。稻田生产具有典型的水文过程，稻田退水是一类重要的面源污染形式。据统计，稻田退水对河流、湖泊富营养化的贡献率高达27%，大量未经充分利用的氮、磷随退水流失到周边水体环境中，造成河流、湖泊甚至海洋的富营养化[2，3]。稻田退水沟渠作为稻田的重要水利设施不仅具有汇水、持水、水流通道的作用，而且还担负着一定程度的水质净化及维持生物多样性的功能[4]。对沟渠的定义有许多种，Needelman等[5]认为，沟渠是具有河流和湿地特征的独特工程化生态系统。Strock等[6]认为，沟渠在较长的水力停留时间下，其生态学和物理学的功能与线性湿地相似。周俊等[7]认为，沟渠是人类为满足生产、生活安全保障等需求而人工挖掘的过水通道，但由于其长时间的积水或季节性过水，沟渠内部分布多种适宜生长的沉水、浮水、挺水植物及高低等生物，使沟渠本身具有一定湿地生态功能的性质，对氮、磷等污染物具有明显的去除效力，可以说它是一种在不同因素活动影响下而形成的半自然化的湿地生态系统。稻田退水携带大量未经充分利用的氮、磷营养元素汇入沟渠，沟渠可通过底泥吸附、植物吸收、微生物分解和协同等一系列作用，降低退水进入下一受纳水体的氮、磷含量[8-10]。目前，稻田沟渠系统的污染物截留与净化功能在面源污染与小流域污染治理中愈加受到重视，成为减轻氮、磷和农药等农田非点源污染的有效途径之一[11-13]。

本研究结合沟渠系统对氮磷净化的研究，分析氮磷净化机理，提出氮磷去除强化措施，探讨生态型沟渠的应用，以期为稻田退水沟渠的合理构建、利用、管理提供参考。

1 稻田退水沟渠脱氮除磷机理

1.1 底泥吸附

在沟渠中，土壤一般被称作底泥或沟渠的沉积物，为微生物和水生植物提供了生长的载体和所需的营养物质，并且其本身也对氮、磷等污染物具有吸附净化的功能，特别是对磷污染物的吸附和去除有着重要的作用[14]。一方面，由于底泥中富含有机质，团粒结构好，吸附能力强，且在底泥中生长的微生物种类和数量多，有助于其吸附、降解含磷的污染物[15，16]。同时，沟渠土壤底泥对氨氮也具有很强的吸附和硝化能力，且吸附作用在沟渠沉积物截留效应中占主导作用。徐红灯等[17]就采用沟渠沉积物的吸附效应和硝化效应试验来研究沟渠沉积物对氨氮的吸附和硝化能力，结果表明，沟渠沉积物对氨氮具有很强的吸附和硝化能力，最大饱和吸附量和硝化量分别为1.30和0.15 mg/g。虽然底泥对氮、磷具有很好的吸附能力，但由于底泥对磷的吸附可能出现饱和状态，因此，会使一部分磷由底泥重新释放到水中造成磷二次污染。可以说，沟渠底泥被作为一种“磷缓冲器”来调节排入沟渠磷的浓度[18]。

1.2 植物吸收

水生植物是沟渠系统中水相、沉积物相和生物相的重要组分，其对污染物的净化主要靠植物的吸收、降解、吸附与过滤及化感作用之间的相互影响。水生植物可以直接吸收水体和沉积物中的氮磷营养元素并转化为自身生长所需的物质，最后通过人工收割将固定的氮磷带出水体。植物不同部位对氮、磷吸收也存在差异，植物各个部分对磷的吸收量从大到小分别为叶、根、茎、胚轴[19]。不同生长期植物对氮磷的吸收量也存在着变化，大多数沟渠植物在8～9月份对氮磷吸收量最大，10月份到植被成熟吸收达到饱和是最佳收割期，进入冬季植物吸收量下降不宜收割，可作为沟渠保温材料[20]。植物还可利用其发达的根系，形成密集的拦截网，降低水的流速，增加水体颗粒物沉降，改变沉积物的分布与理化特性，进而减缓养分在沟渠中运输，加速氮、磷界面的交换和传递，增加对流经水体中养分的拦截效应[21]。同时，植物在生长过程中根系部位形成微氧化环境，网络状根系可直接吸收稻田退水中的NH4+、NO3-和PO43-，并且它在植物生命活动的作用下能改变周围的微环境，从而影响污染物的转化过程和去除速率，维持着一定的水体生态平衡[22]。水生植物还会与藻类竞争营养、光照，同时水生植物根系还能分泌出化学物质抑制藻类生长，改善水体溶解氧含量。有报道显示，有植物生长的沟渠系统能够有效地控制磷素流失，截留颗粒态磷量达到70%[23]。由此可见，对沟渠进行适当的植物种植并遵循植物生长习性，能更好地发挥沟渠对氮、磷的净化功能。

1.3 微生物分解

微生物的分解和协同作用对氮磷营养元素的去除发挥着重要作用。沟渠底泥中土壤微生物种类繁多，主要包括细菌、放线菌、真菌和藻类[24]。一些学者在对微生物影响湿地效率试验中发现氨氮的去除率与根际硝化细菌和反硝化细菌数量有着极其显著的相关性[25]，表明硝化细菌和反硝化细菌是氨氮的主要转化者。除此之外，氨化细菌、亚硝化细菌对氮的去除也起到重要作用。过磷细菌和聚磷菌则被认为是除磷的最有效细菌。

在脱氮过程中，退水中的有机氮先在氨化细菌作用下转化为氨氮，氨氮又在好氧和低氧的条件下被硝化细菌和亚硝化细菌通过硝化作用转化为硝态氮和亚硝态氮，产物又被反硝化细菌在厌氧条件下还原成N2O或N2，从而完成氮的去除[26]。沟渠湿地中磷主要具有固体形态和溶解形态，过磷细菌可将不溶性磷通过代谢活动转化为可溶性磷化物，从而可被植物及部分微生物吸收利用，过量的磷还可被聚磷菌吸附摄取实现磷的去除[27]。但生物吸收只是一个短暂的贮存磷的过程，当排水沟渠受污染物入流浓度、降水量、干湿交替等不确定因素的影响乃至藻类死亡以后，35%～75%的磷将最终释放出来，导致二次污染的发生。

2 沟渠去除氮磷的强化措施

根据沟渠对污染物的净化机理可以看出，沟渠净化功能的发挥受诸多因素的影响。针对主要因素对沟渠进行适当的人工改造，可以明显提高沟渠生态功能和污染物的净化能力。大量研究表明，正确选取沟渠植物种类、基质类型，合理设计沟渠结构以及充分利用毗邻生态单元构建生态处理单元等措施可明显提升沟渠脱氮除磷效率。

2.1 选取植物种类

水生植物的品种和组配可有效提升沟渠的污染拦截与吸收作用。徐德福等[28]就通过营养液培养方法分别研究了11种湿地植物对氮、磷营养元素的吸收与利用，根据植株生物量及其对氮、磷含量的变化，表明美人蕉、菩提子、凤眼莲和芦苇这4种植物对氮、磷的吸收能力较强。韩例娜等[29]在研究农业面源污染的生态阻控技术措施及其效果时，以亚热带红壤小流域为研究区域，选取小型农田排水沟渠分别种植美人蕉、狐尾藻、黑三棱、灯心草、铜钱草、水芹菜等6种多年生水生植物进行试验，结果表明6种水生植物对农业面源污染的生态阻控效果具有明显差异，其中美人蕉和黑三棱对N、P生态拦截优势最为突出。田如男等[30]为研究不同水生植物组合对富营养化水体的净化效果，选取了水罂粟、黄菖蒲、三白草和黑藻4种水生植物构建9种组合进行试验，结果表明，对氮磷的去除率，复合植物较单一植物高，复合植物中结构复杂的组合较结构简单的组合高。因此，对沟渠植物的选取要重点考虑区域性的差异，正确选取植物种类的同时还应注意植物种植密度及搭配因素，这样才能充分发挥植物的净化作用[31]。

2.2 筛选基质类型

目前排水沟渠大致可分成混凝土沟渠和直接机械开挖的土质沟渠两大类型。其基质类型对沟渠底泥、微生物等均会产生影响。王岩等[32]在野外分别对混凝土沟渠、土质沟渠及种有植物的土质沟渠进行一系列研究发现，土质沟渠及长有植物的土质沟渠对氮磷的去除效率明显优于混凝土沟渠，建议沟渠建设过程中适当保留底泥，避免纯粹人工化。Ray等[33]在农田排水沟渠中装设FGD石膏板进行对沟渠的改造试验，发现径流中可溶性磷的去除率达35%～90%。吴攀等[34]选取土壤、炉渣、秸秆、锯末4种基质对典型排水支沟进行人工布设，研究分析基质对农田排水沟水质的影响，研究表明，农田排水沟能有效地截留农田退水污染物，不同的基质对不同的污染物截留能力有所不同。陈润等[35]在对不同基质和不同植物对湿地净化效果影响的试验中发现，同种植物不同基质的湿地系统对污染物去除效果有所不同，高炉渣、瓜子片、碎石三种基质中对NH3-N（氨氮）和TN（总氮）的净化效果从高到低顺序为碎石、高炉渣、瓜子片，对TP（总磷）的去除效果从高到低顺序为高炉渣、碎石、瓜子片。根据主导污染物选择适合的基质对沟渠进行改造实际可行，有助于发挥农田排水沟的生态功能。

2.3 构建沟渠结构

沟渠河道的结构特性影响着生物的多样性及氮、磷的转化和去除。在沟渠建设过程中保证疏通退水的前提下适当增加沟渠蜿蜒性，可为更复杂的动植物群落生存提供条件[36]。沿沟渠纵向通过挖掘和垫高的方式或采用置石（也可称为埋石）和浮石带来形成浅滩和深潭，可增加河床的比表面积，形成水体中不同流速和生境，丰富沟渠生物多样性，有利于水体自净能力的增强[37]。对于河床比降较大的沟渠可人工设置多级落差，一方面通过跌水增强水体复氧能力，另一方面也利于水流的多样化，保持生物多样性。但在设置落差时必须考虑鱼类的迁徙，最大设计落差不得超过1.5 m。沟渠深浅、宽窄、大小等结构同样对其生态性功能有着不同程度的影响。王沛芳等[38]通过比较宽浅型河道与深窄型河道发现，宽浅型河道水生生物量要高于深窄型河道，河道水体与水生植物接触的程度高，有利于氮及其化合物被河道中的挺水植物、沉水植物、浮水植物吸收，提高了氮的去除率；同时，水生植物茎秆和叶片作为水体微生物的附着载体，有利于生物膜的形成，进一步提高对氮的去除能力。Peterson等[39]发现小沟渠河道纵坡比较大，水体流速较大，氮、磷在沟渠中的持留时间较短，不利于污染物的去除；对于大河道，纵坡比较小，水体流速较小，氮、磷在河道中持留时间较长，有利于氮、磷的去除。建议在沟渠设计过程中满足疏通退水的同时，对其形态、尺寸等做到恰当考虑，有利于沟渠生态功能的发挥。

2.4 联合生态处理单元

稻田周围多毗邻湿地与塘系统等，与沟渠联合作用对氮磷去除效果明显经济可行。因此许多研究人员致力于将沟渠与塘、湿地系统联合构建，形成面源污染的多级阻控模式。1989年尹澄清就提出构建一类特殊的人工水塘湿地生态系统即多路串联水塘系统，是以水塘为点，沟渠为线的流域系统，经多年的研究表明，多水塘系统能截留来自农业的磷污染负荷94%以上[40]。吴军等[41]在江西省灌溉试验中心站开展对排水沟与塘堰湿地结合的系统净化农田排水，试验研究表明，该系统具有良好的净污效果。稻田种植区往往伴有塘、湿地系统的存在，稻田、沟渠、塘、湿地在空间位置上相互毗邻，沟渠、塘、湿地互相连接贯通且都起到对氮磷的阻控。又由于退水水量、水质的时时变化使得沟渠、塘、湿地不能有效发挥各自最大净化效力，所以有必要将沟渠与塘、湿地系统联合构建，形成面源污染的多级阻控模式，更好地实现沟渠功能的发挥。

3 生态型沟渠的应用

基于稻田生产区沟渠网络特征，越来越多的排水沟渠被加以利用形成生态沟渠。生态型沟渠兼具湿地的功能，主要由工程部分、植物生态系统和底泥及水体中微生物等组成。该方法能减缓排水速度，拦截污染物，构建的立体多物种植物—微生物系统可对沟渠及稻田退水中的氮、磷污染进行有效吸收与降解。同时，随着各学科之间的交叉融合，以生态沟渠为基础，构建生态拦截型沟渠、溪流式接触氧化沟渠、多级消减沟渠等生态型沟渠也得到了广泛的应用。

3.1 生态拦截型沟渠

生态拦截型沟渠（图1）是杨林章等[42]在太湖流域受农田面源严重污染的背景下，结合当地实际情况提出的一种生态工程学解决方法。该系统是通过对沟渠进行清理后，在沟渠塘岸边种植垂柳、草被植物，侧面和底部搭配种植各类氮磷吸附能力强的半旱生植物和水生植物而构成。这些工程建设可通过沟渠拦截径流和泥沙减缓水速，促进流水携带颗粒物质的沉淀，有利于植物对沟壁水体和沟底中逸出养分的立体式吸收和拦截，从而实现对农田排出养分的控制[43，44]。目前在环太湖、滆湖周边地区已经建立面源氮磷流失生态拦截沟渠塘农业湿地系统达8.95万m2，该系统对农田径流中总氮、总磷的去除效果分别达到48.36%和40.53%。

3.2 溪流式接触氧化沟渠

溪流式接触氧化沟渠（图2）是根据生态沟渠修复原理，结合砾间接触氧化、薄层流净化、仿真植物填料等技术，在沟渠顺流方向分段设置固定微生物载体形成间断式生物接触氧化池的一种新型水处理模式。该系统可以在不影响沟渠正常功能的前提下，利用天然材料（如卵石、砾石及天然河床等）或人工合成接触材料（如塑料、纤维等）比表面积大的特点为生物膜提供生长基质来强化水体自净功能。北京南海子公园景观水处理示范工程正是利用微生物与人工填料—碳纤维“生态草”组合技术实现水质生态修复。周婷等[45]在沟渠式生物接触氧化法处理农村面源污水的试验研究中发现沟渠式生物接触氧化法工艺污水处理组合系统是一个比较稳定的工艺系统，值得推广。

3.3 多级消减沟渠

依据稻田退水线的沟渠水网形态与结构特征及水文环境条件，利用稻田产区分布的退水毛细渠、支渠、干渠及自然坑塘、湿地等生态单元，通过人工诱导、自然强化等方法，结合水岸带复合植物体系构建、生态沟渠设计、生态单元联结等技术措施，对退水中的氮磷进行沟渠在线削减及自然塘离线削减。建立用于稻田退水氮磷污染阻控的“沟渠—塘—湿地”生态系统空间配置模式，实现稻田退水的多级削减。南京淳东灌区内也已建成由稻田沟渠—湿地—池塘组成的水循环系统，阻控稻田退水带来的面源污染，运行效果良好。

4 结语

国内外学者对沟渠湿地单体理论研究已较成熟，但在沟渠的改造、利用、管理上仍存在很多问题。从对沟渠净化的机理中可以看出，各种影响因素的改变及不合理的利用都有可能造成沟渠净化效率降低甚至带来“二次污染”的严重性。所以，建议政府出台相关的法律法规及具体管理条例：在沟渠的建设、改造、利用上要因地制宜；运行期间实施长期监控，并开展深入的机理及模拟研究，积累基础数据，实现定量、定性的人工调控管理；停滞期做好植物的后续处理及适当的清淤工作，这样才能保证沟渠湿地良性的运行。

沟渠与其他单元联合模式虽已有部分研究，但对于组合单元之间污染负荷和水力负荷等因素的分配上少有报道，所以今后仍需在理论研究基础上量化退水在组合之间的分配，寻找最优组合系统。开展实验室模拟“沟渠-塘-湿地”组合系统，研究浓度负荷和水力负荷在组合单元间的分配比例，揭示进水浓度变化及水力负荷变化对氮磷削减效果的影响；在实验室模拟基础上利用数学模型分析系统优化组合，并在理论与数据的支撑下进一步实现工程化建设，充分发挥沟渠湿地的水文与生态环境效益。

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