农田养分流失及水生植物吸收再利用研究进展

盛婧，王子臣，朱普平，陈留根，郑建初

江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014

农田养分流失及水生植物吸收再利用研究进展

盛婧，王子臣，朱普平，陈留根，郑建初

江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014

农田养分排放是造成水体富营养化的重要原因之一，农业面源污染受到广泛关注。针对农业面源污染治理，从源头上减少化肥投入被认为是控制农业面源污染最为根本的方法。然而由于农民对环境不够重视，目前源头化肥减量的方法实现难度较大，仍然有大量的养分流失到农田之外，因此如何减少农田流失养分进入河流、湖泊等水体也是当前亟需解决的问题。事实证明，农田流失养分通过水生植物富集后进行资源化再利用是一项较为有效、可行的养分减排措施。笔者对近年来国内外在农田养分流失及水生植物吸收再利用方面的研究进行了梳理与总结，首先介绍了农田养分流失特征及其影响因素，接着阐述了水生植物富集农田流失养分以及水生植物对养分的资源化利用两个方面的研究进展，并针对流失养分再利用过程中出现的问题进行了深入地探讨，同时展望了今后的研究方向，以期为长江三角洲地区农业面源污染末端治理研究与工程实践提供参考。

农田；养分流失；水生植物；资源化利用；面源污染

随着我国农田化肥投入量的连年增加，农业导致的面源污染日趋严重。尤其在长江三角洲地区，农田管理传统习惯是降雨前施肥，这使得大量的氮磷钾等养分随雨水流失，农田养分资源变成水体污染源。有研究表明，农业面源污染对太湖氮、磷的贡献率高达64%和57%（程波等，2005）；太湖地区每年稻田地表径流造成的氮素损失约为29 kg∙hm-2，占氮肥施用量的8.4%，以目前江苏太湖地区稻田面积2.45×106hm2估算，地表径流造成的氮肥损失达7×104t以上，养分资源浪费极其严重（朱成立等，2003）。然而，另一方面，我国养分资源却面临着存量不足的现状。钾肥资源短缺，2012年钾肥自给率只有47.6%；磷肥资源也丰而不富。协调这两者矛盾的最佳途径是将农田水体流失养分提取，进行再次利用。

当前水体养分再利用主要有3种方法。第一种方法是化学固定再利用，最著名的是鸟粪石法，该方法的优点是快速富集氮磷，但缺点是固定效果受水体氨、磷浓度的影响。第二种方法是直接灌溉再利用，其优点是操作简单，缺点是养分浓度低，排水与灌溉同地不同时。第三种方法是植物富集再利用，如水生植物吸收水体养分后有机堆肥还田和藻类、浮萍Lemnaceae原位富集水体养分后直接还田，该方法成本低、效率高、可行性强，是较为理想的水体养分再利用方法（方云英等，2008）。

在农业面源污染治理中，采用植物富集流失养分进行再利用的治理方法（图1）正受到越来越多的关注。本文就近年来国内外在农田流失养分生物富集及再利用方面开展的工作进行梳理与总结，并针对流失养分再利用过程中出现的问题进行深入探讨，以期为长江三角洲地区农业面源污染治理研究与工程实践提供参考。

1 农田养分流失

农田养分流失是农田养分再利用的前提，了解农田养分流失形态、数量以及时间对于提高农田流失养分再利用效率至关重要。当降雨或排水时，农田土壤表层的部分养分会随着水体流失。流失的氮素形态，主要是可溶态部分，约占总氮流失量的75%～90%，流失的可溶态氮又以硝态氮为主，占可溶态氮的45.0%～70.8%（章明奎等，2011；Shan et al.，2015）；流失的磷素形态则主要是颗粒态部分，其占总流失磷的比例为70%～80%，而可溶性磷流失仅占20%～30%（Braskerud，2002；曹志洪等，2005）。作物种植初期是养分流失的关键时期，养分流失高风险期通常发生在施肥后一周内（晏维金等，1999；Shan et al.，2015）。因此，周年农田流失养分再利用关注的重点，是作物种植初期及施肥后一周内随径流水流出的硝态氮和颗粒态磷的利用。

国内外研究表明，农田养分流失量和流失时间受到降雨、施肥、种植模式、土壤状况等多个因素共同影响。

图1 植物富集流失养分及再利用方法示意图Fig.1 The diagram of runoff nutrient enrichment and its reuse by aquatic plants

1.1 降雨

降雨是径流产生的先决条件，降雨强度和时长对径流产生的时间以及径流量有着直接影响。Liu et al.（2014）研究发现，径流发生的最低条件是降雨深度5.1 mm、降雨强度50 mm∙h-1、土壤水分29.6%。一般情况下，雨强越大，降雨时间越长，则氮、磷流失负荷越大（Zhang et al.，2016；Liu et al.，2014）。降雨径流产生过程中总氮、硝态氮与铵态氮流失质量浓度呈现先增大后逐步降低的趋势。径流氮浓度出现峰值的时间与雨强大小有关，当雨强增大时，氮浓度出现峰值的时间提前（向速林，2013；傅涛等，2003）。梁新强等（2006）对不同降雨强度条件下油菜地养分流失进行研究发现，在降雨量为120 mm∙h-1的条件下农田总氮表观流失系数高达24.3%，而80、40 mm∙h-1条件下农田总氮表观流失系数仅为8.6%、2.2%；在雨强为120 mm∙h-1条件下，径流总氮浓度在32 min时达到峰值，48 min到达平衡，平衡时平均总氮质量浓度为10 mg∙L-1，而在雨强为40 mm∙h-1条件下，径流总氮浓度在36 min时达到峰值，56 min达到平衡，平衡时平均总氮质量浓度为5 mg∙L-1。径流中磷浓度变化动态的表现则显著不同（Kalkhoff et al.，2016）。在径流流速从低速上升至平均流速这一阶段，径流磷浓度基本保持不变；只有当径流流速超过平均流速数倍时，磷浓度才开始增加。降雨强度大小还决定着养分的流失形态（马琨等，2002）。当雨强较小时，氮流失以可溶性硝态氮为主；随着雨强的增加，颗粒态氮流失比例显著增加；当雨强较大时，氮流失以颗粒态氮为主（井光花等，2012）。

降雨时间延长，会使侵蚀泥沙的团聚体组成发生变化，＜0.25 mm的团聚体含量呈现增加的趋势。黄满湘等（2003）研究发现，径流中78%的颗粒态氮是由粒径0.25 mm以下的团聚体所贡献。过短的施肥-降雨时间间隔会造成严重的氮磷损失，特别是1～3 d。梁新强等（2006）研究表明，施肥-降雨时间间隔为1 d、3 d的处理，油菜地的总氮表观流失系数分别达到24.3%、19.5%，而5 d后总氮表观流失系数均小于9.3%。

1.2 施肥

径流氮、磷的流失量与施肥量存在显著的正相关关系。晏维金等（1999）研究表明，在正常施肥情况下，水稻田氮、磷流失量分别高达11.2和0.69 kg∙hm-2，是不施肥情况下的10～30倍。当土壤氮、磷含量超过环境警戒值时，径流中氮、磷流失显著增加。Klimer et al.（1974）连续4年研究了两种坡度耕地上施氮肥对径流中硝态氮含量的影响，当氮肥年施用量达到112 kg∙hm-2时，径流中硝态氮质量浓度超过10 mg∙L-1。曹志洪等（2005）研究认为，太湖流域水稻土速效磷环境警戒值为25～30 mg∙kg-1。施肥量减少，农田养分流失量也随之减少。俞映倞等（2011）研究表明，当麦季施氮量由240 kg∙hm-2降低到180 kg∙hm-2时，氮环境排放量可减少7.7～12.0 kg∙hm-2。

施用不同类型肥料，由于进入土壤中养分的形态有所差异，地表径流中养分的流失形态和流失量也有所不同（段亮等，2007）。酰胺态氮不易被土壤吸附，更易于吸附在土壤颗粒表面，而主要存在于土壤溶液中。段永惠等（2005）对施用不同氮肥种类农田养分径流流失的研究表明，土壤径流中TN含量大小为尿素＜硫酸铵＜氯化铵＜碳酸铵＜硝酸铵。朱利群等（2009）对施用不同种类肥料后田面水体总氮浓度的监测表明，全部施用复合肥处理总氮浓度最大，施用复合肥+碳铵处理浓度最小；与施用尿素处理相比，施用有机肥可以减少氮素挥发损失和降低径流损失，可较大程度地减少田面水体总氮含量。黄东风等（2009）研究表明，化肥和有机肥各半、化肥和双氰胺基施2种施肥模式能显著减少蔬菜种植期间菜地土壤硝态氮和铵态氮随地表径流的流失量，从而减少菜地土壤氮素对水体造成的农业面源污染。

过量、不当的肥料施用是农田氮磷污染之源。众多研究表明，减少化肥投入量、采取有机-无机肥配施或无机肥添加硝化抑制剂的方法，能够有效地降低农田氮磷流失量。因此，合理地控制作物各生育阶段的施肥量，同时选择适宜的农田肥料种类，对减轻水体污染至关重要。

1.3 种植类型

农田养分流失量与种植的作物类型有着密不可分的关系。不同种植类型农田径流总氮、水溶态总氮、水溶态有机氮和硝态氮的流失量由低至高依次为休闲地＜苗木地＜双季稻农田＜油菜(或小麦)-单季水稻农田＜蔬菜地；径流总磷和颗粒态磷的流失量也表现为休闲地＜苗木地＜双季稻农田＜油菜（或小麦）-单季水稻农田＜蔬菜地。章明奎等（2011）研究结果表明，蔬菜地总氮、颗粒态磷流失量高达37.09、6.71 kg∙hm-2，而苗木地总氮、颗粒态磷流失量仅为10.71、1.87 kg∙hm-2。TN和TP的流失比例随作物复种指数的提高而降低。湛方栋等（2012）对自然降雨条件下农田地表径流污染研究表明，蔬菜单作种植模式下地表径流中TN、TP、COD和SS流失量分别为1.74～2.39､0.18～0.26､7.71～10.59和10.4～21.7 kg∙hm-2；玉米与蔬菜套作种植模式显著减少蔬菜农田地表径流量和径流污染流失，其地表径流中TN、TP、COD和SS流失量分别为0.82～1.22､0.10～0.16､4.17～6.03和8.71～12.6 kg∙hm-2。

1.4 土壤状况

农田的土壤类型影响着肥料养分利用效率。砂土由于粒间孔隙大，毛管作用弱，通气透水性强，其保水保肥能力差，施肥后氮和磷不易被砂土颗粒吸附，在砂土间运移快，容易流失；而粘壤土由于粒间孔隙相对较小，又具有一定的毛管孔隙，故通气透水性良好，保水保肥能力强，施肥后氮和磷易被土壤颗粒吸附，其在土壤间运移慢，不易流失（段亮等，2007；朱利群等，2009）。

农田径流中氮、磷污染负荷还取决于土地利用方式。焦荔（1991）对西湖流域面源污染的调查发现，氮、磷的单位面积负荷以水田最高，尽管水田面积只占整个流域面积的3.9%，但产生的氮负荷量为5.94 t∙hm-2∙a-1，占流域总负荷的16%；磷负荷量为0.45 t∙hm-2∙a-1，占17.5%。在不同灌溉模式下，农田的滞蓄能力不同，土壤优先水流和径流量差别明显（朱成立等，2003）。马立珊（1992）研究发现，当水田灌溉用水量减少31%～36%时，地表排水量减少78%～90%，氮素负荷量减少76%～80%。

耕作方式会通过改变径流产生时间与强度，对氮、磷流失产生影响。免耕覆盖的耕作方式下，径流开始产生的时间最晚，径流强度最小，径流量最少，保水保土效果最好；而传统耕作方式下，径流总磷和氨氮流失量比免耕处理高出3倍以上（王晓燕等，2000；Delaune et al.，2012；王辉等，2008）。

由此可见，关于农田养分流失的影响因素，前人已开展了许多系统地、深入的研究，这些研究从控源和节流两个方面为农田养分流失控制提出了措施，并奠定了丰厚的基础。然而相关研究多集中在一些单因素个案的研究上，对多因素互作效应的研究较为不足，难以根据当地降雨、作物栽培和土壤等综合条件精确地估测某一区域的养分流失状况，今后有必要加强基于农田养分循环模型的多因素互作效应研究，使植物高效富集流失养分更具有针对性。

2 养分在沟渠运移过程中变化

掌握氮、磷在农田地表径流中的沿程迁移特征，对于农田流失养分高效捕获与富集具有十分重要的意义。农田、水塘及连接农田和水塘的水沟是农业灌溉网络的主要组成部分。沟渠对降雨径流水体养分具有截留效应，沿沟渠水流方向水体养分含量总体上沿程下降（王晓玲等，2014）。罗专溪等（2009）研究降雨径流过程中氮磷在自然沟渠内的空间变化特征表明，TN、、TP、PP和等氮磷污染物均呈沿程递减趋势。晏维金等（1999）研究表明，初始TN质量浓度为7.56 mg∙L-1、TP质量浓度6.22 mg∙L-1的水体，以0.005 m3∙s-1流速通过长250 m、深0.7 m的水渠后，TN、TP截留率分别达57.3%、94.8%；初始TN质量浓度为12.26 mg∙L-1、TP质量浓度为8.65 mg∙L-1的水体，通过面积1550 m2、深1.5 m的水塘后，TN、TP截留率分别达73.4%、95.0%。向速林（2013）研究表明，农田沟渠系统对径流中总氮、铵态氮、硝态氮的截留率分别为50.0%、47.5%、51.5%，而对总磷与磷酸盐的截留率分别约为53.0%与36.6%。

沟渠类型、大小、水力滞留时间以及水体N素存在形态等因素都会影响沟渠去除N、P的速率。不同沟渠类型以生态沟渠对水体N、P 去除率最高，土质沟渠次之，混凝土沟渠对水体N、P去除率最低（王岩等，2009；Fu et al.，2014）。小型沟渠中N的吸收和转化速率快于大型沟渠（Peterson et al.，2001）。水力滞留时间较长时，沟渠对N的去除以沟渠中的植物对N的吸收为主；而当水力滞留时间较短时，则是沟渠壁对N的吸附在N去除上占主导地位；当水力滞留时间短于50 min时，沟渠对N的去除不存在明显的净化作用（王岩等，2009）。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约为1.3、0.15 mg∙g-1（徐红灯等，2007）。水体被去除所需距离为去除所需平均距离的5～10倍（Peterson et al.，2001）。

颗粒沉降作用是沟渠能够截留P的主要原因（Braskerud，2002）。当径流进入沟渠中，大多数颗粒物主要沉降在沟渠的前端部分。Braskerud et al.（2000）研究表明，当沟渠长宽比为9～16时，前端颗粒物沉降区长度约占沟渠总长度的30%～67%。然而在不同时间段，沟渠对水体P变化的贡献不一致。Kröger et al.（2008）发现，处于作物生长期时沟渠为无机磷和粒子磷的汇，而在休眠期时沟渠则为其源。沉积物对磷的吸附-解吸平衡质量浓度为0.046 mg∙kg-1（翟丽华等，2008）。

综上所述，当农田排水进入沟渠以后，沟渠对水体养分具有一定的截留作用，使得最终进入水塘的氮磷负荷减少。沟渠对水体养分截留的效果受到沟渠本身、水体流速、养分形态、季节等多个因素影响。通过缩短水体在沟渠中的运移路径、加大沟渠宽度、选择硬质化沟渠等途径，可以降低水体养分在运输过程的损失，从而使更多的养分进入水塘被富集利用。

3 水生植物富集流失养分

在长江三角洲地区，水网发达，农田周边存在水塘的现象极为普遍。流失的养分随着农田径流通过沟渠，最终进入水塘。在塘中种植水生植物缓冲带，能够有效地固持、滞留径流养分和沉淀（Syversen，2005）。缓冲区的存在降低了径流流速，从而增加径流中颗粒物沉积。由于水生植物在生长发育过程中会从水体和底泥中吸收大量的氮、磷等营养盐，流失养分因此被富集到水生植物体中（吴旭娟，2015）。而水生植物的养分累积主要集中在植物地上部，及时收割其地上部分可以将氮、磷带离水体（蒋跃平等，2004；胡秋香等，2010；张树楠等，2012）。有研究表明，地上部分的氮、磷累积量对水体氮、磷去除的贡献率分别可达38.5%、40.5%以上（蒋跃平等，2004；Zheng et al.，2015）。

3.1 养分高效富集的水生植物选择

水生植物体中的氮、磷质量分数分别为13.67～26.38 mg∙g-1和1.16～3.50 mg∙g-1（金树权等，2010）。植物对养分的吸收能力取决于植物类型。从生活型来说，挺水植物的氮、磷含量较低，碳、木质纤维素含量较高，浮叶植物的氮含量较高，沉水植物的磷含量较高（曹培培等，2014）。已报道的夏季具有较强养分富集能力的水生植物有凤眼莲Eichhornia crassipes、大薸Pistia stratiotes、菱Trapa bispinosa、浮萍、芦苇Phragmites communis、再力花Thalia dealbata、睡莲Nymphaeaceae、菖蒲Acorus calamus、茭白Zizania latifolia、狐尾藻Myriophyllum aquaticum、菹草Potamogeton crispus等。冬季高效富集养分的水生植物选择是近年来水体养分富集工程的难点，主要是由于大多数水生植物在冬季无法进行正常生长。近期，在冬季水生植物筛选方面的研究已取得了突破。周金波等（2011）研究发现，大聚藻Myriophyllum aquaticum、香菇草Hydrocotyle vulgaris能在冬季正常生长且生物量有所增长，其TN净化增效作用分别为45.7%、39.6%，TP净化增效作用分别为31.1%、30.1%。汪秀芳等（2013）发现，常绿水生鸢尾Iris hexagonus、羊蹄Rumex japonicus、金叶金钱蒲Acorus gramineus Soland、反曲灯心草Juncus inflexus 4种植物，也均能在低温条件下茂盛生长。这些研究的发现为实现农田流失养分周年循环利用提供了可能。有研究表明，植物组合可提高植物对水体氮磷的整体改善效率，如香蒲Typha orientalis-睡莲、芦苇-荇菜Nymphoides peltatum等对氮磷的去除率相对较高（丁玲，2006；杨涓等（2012）。

水生植物生长成熟之后收割，养分被携出。袁从祎等（1983）研究表明，每年凤眼莲收获可从水中带走氮738.7 kg∙hm-2和磷127.5 kg∙hm-2，大薸可带走氮630.7 kg∙hm-2和磷122.2 kg∙hm-2，空心莲子草Alternanthera philoxeroides可带走氮441 kg∙hm-2和磷40.5 kg∙hm-2。姜翠玲等（2005）研究表明每年秋季芦苇地上部分收割以后，可带走氮818 kg∙hm-2和磷103.6 kg∙hm-2，茭草通过收割可带走氮131 kg∙hm-2和磷28.9 kg∙hm-2。据报道，1 hm2的天然湿地植物每年可拦截2.3～3.2 hm2农田流失的氮肥、1.3～3.0 hm2农田流失的磷肥（姜翠玲等，2004）。

3.2 水生植物养分富集特征

植物在不同生长季节和发育阶段具有不同的养分吸收特性（Liu et al.，2012；Wang et al.，2015）。不同发育阶段植物养分吸收量高低与生物量增幅大小呈正相关关系，处于快速生长期的植物养分吸收量高于枯萎期（Syversen，2005）。尹炜等（2006）研究芦苇地上部氮、磷含量在不同生长期的变化，结果表明，芦苇氮磷吸收量在5—8月逐渐升高，8月吸收量达到最高值，然后随着植物的衰老呈下降趋势，11月芦苇枯萎期植物体内的氮磷达到低值。吴建强等（2011）研究表明，水生植物的生长速率随时间变化呈现出低→高→低的变化趋势，美人蕉Canna indica、黄菖蒲Iris pseudacorus和再力花在10月出现生长速率的峰值，而千屈菜 Lythrum salicaria的生长速率峰值出现在8月；其中美人蕉和再力花8—10月整株生物量（鲜重）日均增长量均超过300 g。余红兵等（2013a）表明，狐尾藻和灯心草氮､磷吸收量峰值出现在4月，铜钱草Hydrocotyle chinensis和黑三棱Sparganiaceae氮､磷吸收量峰值出现在5月，而水生美人蕉氮､磷吸收量峰值则在6月。

不同生长阶段水生植物对养分的富集能力不同，因此其对养分的富集量与收获时间也密切相关。Hosoi et al.（1998）认为当芦苇收割方式为一年两次时，可以有效地富集营养物。盛婧等（2011）研究表明，当凤眼莲生长密度达20～25 kg∙m-2时进行收获，每次收获比例为2/3，可获得较高的周年生物量以及水体养分富集量。余红兵等（2013a）研究表明，多次收割收获的地上部生物量､植物氮､磷吸收量远高于单次收割｡5种水生植物单次收割可带走7.40～28.23g∙m-2的氮，1.13～4.49 g∙m-2的磷，其中水生美人蕉带走的氮最多（28.23 g∙m-2），狐尾藻带走的磷最多（4.49 g∙m-2）；而全年多次收割可带走氮20.34～109.12 g∙m-2和磷3.4～17.95 g∙m-2，分别是一次收割带走总氮､总磷的3.78倍和6.72倍，其中狐尾藻多次收割带走的氮磷最多，可带走氮109.12 g∙m-2和磷17.95 g∙m-2。

3.3 影响水生植物对水体养分富集的因素

不同水生植物对水体氮、磷的存在形态具有不同的偏好。金送笛等（1994）研究表明，当水中氨氮质量浓度低于0.35 mg∙L-1左右时，菹草茎、叶优先吸收硝态氮；而当水中氨氮质量浓度高于0.35 mg∙L-1时，则优先吸收氨氮。胡绵好（2011）研究表明，当水体氮浓度较低时，水芹Oenanthe javanica有优先吸收硝态氮的趋势，豆瓣菜Nasturtium officinale和再力花有优先吸收铵态氮的趋势，空心莲子草对磷具有较强的亲和力；而当氮营养供给充分（30～40 mg∙L-1）时，水生植物氮含量基本稳定，受水体氮浓度影响较小。水生植物氮磷富集能力还受到水体氮/磷比例的影响。一般来说，水生植物氮磷富集能力强弱与生物量大小呈正比例关系（余红兵等，2013a）。向律成（2009）研究表明，穗状狐尾藻Myriophyllum spicatum在低氮磷比（2∶1）时生物量最大；黄花水龙Ludwigia stipulacea subsp在中等氮磷比（10∶1～20∶1）时生物量最大；喜旱莲子草Alternanthera philoxeroides在较高氮磷比（20∶1～40∶1）时生物量最大。因此，在充分了解各种水生植物特性的基础上，可针对不同类型水体将水生植物种类进行有效地搭配与组合。

水力滞留时间决定着水生植物对养分的富集程度以及富营养化水体中氮磷的去除效果。杨小红等（2015）采用人工植物塘净化水体，当塘中植物处于旺盛生长期时，水力滞留时间为1 d，起始总氮质量浓度为6 mg∙L-1的水体氮去除率为35.84%；水体滞留时间为3 d，氮去除率达到80%以上。孙映波等（2011）选择了香根草Vetiveria zizanioides、风车草Cyperus alternifolius、美人蕉等10种净化能力较强的植物品种，组成6种不同配置，进行静态培养试验，结果表明在停留时间为5 d时，6种不同配置的水生植物组合对NH4+-N、TN、TP、CODCr、BOD的去除率均较高。

目前，水生植物在水体处理工程应用中已有一定的成效，已经筛选出一些在秋冬季节能高效吸收氮磷的水生植物，明确了不同水生植物对水中氮、磷等营养元素的吸收规律，并利用不同植物养分需求特点进行植物组合，时期发挥各自优势，显著提高了水体养分富集效率。然而前人关于水生植物应用的研究大多集中于城市废水和养殖污水处理。与城市废水和养殖污水不同的是，农田排水具有低有机碳、低铵氮、高硝氮的特点，针对农田排水处理的水生植物应用研究亟待加强。

4 水塘配置及植物缓冲区设计

前人在水生植物应用方面已开展了较为广泛的研究，但是研究多限于小型室内试验，而关于野外大型植物缓冲区的最佳设计研究较少。有研究表明，水生植物缓冲区宽度以及植物群体大小（密度、硬度、高度）都会影响径流养分的捕获效率。缓冲区宽度5～10 m能够有效地捕获颗粒物和颗粒态养分，特别是在暴雨期。Syversen（2005）研究表明，在径流N 8 mg∙L-1、P 2 mg∙L-1、颗粒物2000 mg SS（具有代表性的径流状况）条件下，径流以0.4 L∙s-1流速通过缓冲区，总磷、总氮、颗粒物平均捕获效率分别为60%～89%、37%～81%、81%～91%。宽度为10 m的缓冲区比5 m缓冲区去除效率更高。然而实际生产中，植物缓冲区宽度的选择往往要在农田面积需求和临近河流水质量保护两者之间寻求一个平衡点。

尽管水塘湿地养分滞留效率还取决于气候、土壤类型、地形地貌、水流及污染物特性等多个因素，过程相当复杂，学者们仍然对水塘湿地与农田配置进行了艰难的探索。Tournebize et al.（2016）研究表明，若要实现径流中硝态氮降低50%的目标，每公顷农田建议配置76 m3水塘湿地，水塘最大水深不超过0.8 m，即水塘面积相当于农田面积的1%。Karpuzcu et al.（2012）研究表明，若要将农田排水中硝态氮质量浓度降至0.5 mg∙L-1，湿地所需面积应不少于农田面积的3%。水塘湿地与农田配置标准是流失养分减排成功的关键，研究适合我国国情的农区湿地设计具有重要的意义。

5 水生植物肥料化利用

水生植物的处置利用是湿地应用中不可忽视的问题，然而目前有关水生植物的资源化利用方面的研究报道甚少。水生植物体内含丰富的氮、磷、钾等矿物质元素（高于常见作物秸秆），有机质、水分含量高，将其处置后施用到农田可以为农作物的生产提供优良的有机肥料，从而使农田流失养分再次得以利用。对于农村地区来说，简易的堆肥和绿肥还田是最为合适的水生植物处置方式（徐祖信等，2008）。水生植物堆肥能够保证大部分的氮、磷和钾都保留在肥料中，是一个切实可行的利用水生植物的方法，并且水生植物的分解使得营养元素矿化从而利于植物吸收。在3种生活型水生植物中，浮叶植物的分解速率最快，沉水植物其次，挺水植物最慢；且水生植物分解具有明显的阶段性，前期分解速率较快，后期缓慢下降（曹培培等，2014）。不同植物分解过程中残余物成分变化总体趋势一致。植物残余物中磷、纤维素、木质素含量的变化趋势种间差异较小，总体上磷含量先迅速下降后缓慢上升，纤维素含量先下降后趋于稳定，木质素含量先上升后趋于稳定；碳、氮、半纤维素含量在分解初期种间的变化趋势有所不同，而分解后期则均为碳含量上升，氮、半纤维素含量趋于稳定。

为了促进水生植物分解，通常将水生植物切成小段以增加微生物与水生植物的接触面积，由此取得较好的堆肥效果。水生植物堆肥所需时间较短，通常只需30 d左右（Gunnarsson et al.，2007）。黄东风等（2007）采用“微生物好氧发酵堆肥化技术”工艺生产出来的凤眼莲肥料产品，其有机质含量高达49.9%，氮磷钾总养分含量为11.4%，属优质的作物有机肥料。有些水生植物木质素和纤维素含量较高、不易降解，可在发酵系统中添加真菌、放线菌和细菌从而提高木质素和纤维素的降解率（Adhikary et al.，1992）。目前有关水生植物有机肥农田应用的研究已经开展了很多。水生植物堆肥与普通肥料比较，对作物有明显的增产作用。在酸性土上施用5%和10%的水生植物堆肥，能促进玉米和芝麻籽粒对微量元素养分的吸收和增加产量（黄和等，1999；Abdel-Sabour et al.，2001）。采用水生植物有机肥进行草莓栽培，在化学施氮量减少14%的条件下，其产量与常规施肥处理相同，而且水生植物有机肥施用还可促进草莓可溶性固形物含量、还原糖含量及糖酸比等品质指标的提高，同时明显增加土壤有机质、速效钾、全氮等养分含量（周新伟等，2013；余红兵等，2013b）。

水生植物具有较高的营养物质含量，因此可以考虑用作绿肥。水生植物用作绿肥，可将新鲜植株直接切碎抛洒，也可将水生植物晒干后再施于田中。选择何种施用方式可视当地具体情况而定，但两种施用方式均需翻耕入土，以减少因氮挥发而造成的营养损失。卢隆杰等（2003）研究表明，凤眼莲在晾晒的干物质量达87%时可以施用，此时植株内部微生物已停止活动。

总之，水生植物作为肥源是技术上可行且生产上易操作的一种利用方法，其对于作物生长发育和品质以及土壤肥力改善均表现出显著的促进效应。

6 问题与展望

当前，农田养分大量流失已经成为我国农业发展不容忽视的问题，正受到越来越多的重视。利用区域地理优势，将农田流失养分富集并再利用，对于减轻水体污染、节约资源具有重要意义。迄今为止，农田流失养分再利用三大环节已取得一系列成果。在农田养分流失环节，深入地研究了污染物的流失形态、降雨过程中污染物流失的变化规律，以及施肥、作物种植模式、土地类型等因素对农田养分流失的影响，为农田流失养分再利用工程中养分拦截与暴雨旁路系统设置提供了参数。在水塘中水生植物富集环节，筛选出一批能在夏、冬季高效吸收水体氮磷的水生植物，尤其是冬季水生植物，对于实现周年水体流失养分富集利用具有重要意义，并明确了水体营养状态、水力滞留时间、打捞时间等因素对水生植物养分富集的影响。在水生植物资源化利用环节，明确了水生植物处置利用方式及其农田施用效果。但是从农田流失养分再利用实际运行目标来看，还存在一定的差距，主要体现在：

第一，农田沟渠、水塘等湿地规模与布局。沟渠与水塘是农田流失养分再利用系统的重要组成部分。关于沟渠长度、水塘大小及其布局对径流氮磷钾迁移变化的影响尚缺乏深入的研究。为使农田流失养分被高效利用，应尽可能地降低流失养分在输移过程中损失，因此基于流失养分损失减控的湿地规模与布局应是农田流失养分再利用重点研究的内容。

第二，水生植物富集效率偏低。首先，众所周知，农田流失养分呈现季节性动态变化，每种植物在不同时期的生长速率和代谢功能也不同，而已有的水生植物研究均为静态试验研究结果，忽略了水生植物生长规律与养分流失动态变化的耦合，尚未没有形成周年高效的水生植物富集吸收水体养分的调控技术体系。其次，大部分针对水生植物的研究均是以水体净化修复为目标，而针对具有不同养分富集优势（富氮或富磷）的水生植物研究较少。由于种植作物种类和施肥习惯不同，不同区域径流养分状况不同。针对不同营养程度水体，难以具体地提出养分高效富集的水生植物配置。最后，汇集养分的水体状况也存在差异。虽然水生植物在流失养分富集工程应用中已有一定的成效，但其吸附效果仍然受水体深度、沉积物、温度等因素的影响，目前有关此方面的研究尚缺乏系统的报道。针对农田流失养分周年高效富集的水生植物配置仍有待更深入的研究。

第三，除草剂问题。工程实践中发现，农田除草剂使用对水体中水生植物生长影响巨大，主要表现在水稻生长初期，除草剂进入水体造成水生植物生长受抑制或死亡。周俊等（2008）报道，部分水生植物对农药具有一定的去除效果。如何控制水体中除草剂浓度或筛选水生植物不敏感的除草剂将是实现农田流失养分再利用迫切需要解决的问题。

第四，水生植物打捞成本高，养分再利用效率低。水生植物人工收获用工量大、效率低，是其充分利用的瓶颈，迫切需要研发小型打捞及粉碎一体化设备。另外，由于水生植物含水量极高，达90%以上，而水生植物吸收的氮绝大部分分布在可溶性组分（细胞质液和液泡溶液）中，占总吸收量的96%以上，主要以可溶性蛋白质（包括酶）、多肽和游离氨基酸等形态存在，因此易于流失（沈根祥等，2005，杜静等，2010）。如何减少水生植物在利用过程中的养分损失也是需要重点研究的内容。

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Research Progress on Field Nutrient Loss and Its Uptake and Reuse by Aquatic Plants

SHENG Jing, WANG Zichen, ZHU Puping, CHEN Liugen, ZHENG Jianchu
Institute of Agricultural Resource and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Science, Nanjing 210014, China

Nutrient discharge from field is one of the important reasons for water eutrophication.The agricultural non-point source pollution is becoming more and more widespread concern.In view of the agricultural non-point source pollution control, reducing the fertilizer input from the source is considered as the most fundamental measure to control the agricultural non-point source pollution.However, because the farmers do not pay enough attention to the environment, at present it is difficult to achieve chemical fertilizer reduction.There are still a lot of nutrients discharged into farmland, hence how to reduce the loss of farmland nutrients into the rivers and lakes is a serious problem needed to be solved urgently.It has been proved that the utilization of aquatic plants which enrich nutrients lost from field is an effective and feasible measure for reducing nutrients into water body.The research of field nutrient loss and its uptake and reuse by aquatic plants in recent years was summarized in this review.It first introduced the characteristics and influencing factors of farmland nutrient loss; then described two aspects of research progress, including aquatic plants enriching nutrients lost from field and the utilization of aquatic plants as organic fertilizers; and discussed the problems probably rising during the utilization of nutrients from agricultural runoff.Also, it prospected the future research directions.The aim of the review would be to provide the reference for the research and engineering practice of agricultural non-point source pollution terminal control in the Yangtze river delta area.

field; runoff nutrients; aquatic plants; resource utilization; non-point pollution

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.10.020

S181; X171.1

A

1674-5906（2016）10-1733-08

盛婧, 王子臣, 朱普平, 陈留根, 郑建初.2016.农田养分流失及水生植物吸收再利用研究进展[J].生态环境学报, 25(10): 1733-1740.

SHENG Jing, WANG Zichen, ZHU Puping, CHEN Liugen, ZHENG Jianchu.2016.Research progress on field nutrient loss and its uptake and reuse by aquatic plants [J].Ecology and Environmental Sciences, 25(10): 1733-1740.

国家支撑计划项目（2012BAD14B12）

盛婧（1978年生），女，研究员，博士，主要从事生态循环农业方面的研究。E-mail: nkysj@hotmail.com

2016-07-28