生态沟渠对农区农业污水中氮素的拦截效果研究

摘 要：本文以长沙县北部乡镇的典型农区为研究对象，通过监测农业径流污染的生态示范沟渠水质，分析了生态沟对农业径流氮污染迁移拦截作用及其季节性变化特征。研究结果显示，生态沟对农业污水中的氮素具有较好的拦截效果，全年对铵态氮、硝态氮和总氮的总拦截量分别为3 8070.8、35095.5和110341.1g，其中对铵态氮的拦截效果最好，最高拦截率可达99%，平均拦截率为86%。可见，生态沟渠对农区地表径流中氮素迁移有较好的拦截作用，可作为一项重要的农业面源氮污染防控技术。

关键词：农业污水 分散式养殖 生态沟渠 氮素拦截

中图分类号：S274 TV93 X522 文献标识码：A 文章编号：1003-9082 （2017） 04-0212-02

生态沟是指具有一定宽度和深度，主要由水、土壤和水生植物组成，具有自身独特结构并发挥相应生态功能的农田沟渠生态系统，也称之为农田沟渠湿地生态系统。生态沟作为人工湿地的一种类型，对农业面源污染中氮磷迁移具有较好的效果，其去除氮、磷的机理是通过底泥吸附和沉降、植物吸收、微生物硝化-反硝化作用等协同作用达到去除污染物的目的[1]，生态沟系统中物理、化学及生物的协同作用以及水生植物输氧系统形成的根区效应是提高农业污染物处理效果的重要保证[2]。

目前研究生态沟对农业面源污染物迁移拦截效率成为我国的研究领域关注的热点之一，生态沟种植水生植物对污染物的去除有较好的效果[3-5]。生态沟系统中的水生植物不仅能有效吸收污水中营养物质，同时有的植物种类对污水中的重金属等有害物质具有吸附、吸收和富集作用[6]。另外，水生植物还可降低水流速度，增加水体颗粒物沉降速度，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、磷界面交换和传递，增加对流经水体中养分的拦截效应[7]，此外，选择水生植物种类时考虑种类间合理搭配，形成优势互补，可以有效提高对污染物的拦截效率。

本文通过沟渠水体中氮含量的时间变化特征，分析了生态沟对氮污染物的拦截效应，以期为生态沟渠技术在面源污染的地区推广应用提供理论依据和合理建议。

一、材料与方法

1.研究区概况

试验区位于金井河流域（113°18'～113°26'E，28°30'～28°39' N），该流域面积为144 km2，主要分布在湖南省长沙县金井镇。当地属于亚热带季风气候，为典型的江南丘陵地貌，成土母质主要是花岗岩。年平均气温在16.5～20.5℃之间，极端最低气温为-5.2℃，极端最高气温为39.1℃，≥10℃的有效积温6539 ℃；年平均降雨量1389 mm，降雨多集中在4～6月，占全年降雨的76%。

试验于金井镇脱甲村的一条生态沟渠进行，该沟于2009年初建成，2011年重新改建，至今已运行了4年，该沟渠为城郊农业区环境质量修复与功能提升技术研究示范项目基地，是四周农田径流、农户养殖废水和日常生活用水的汇水之地，沟渠上口宽4米，下口宽2米，长200米，沟壁由混泥土材料建成，沟渠从上到下分别分为15个植物区，每个植物区长约13.3 m×宽2 m，植物区之间有梯度差并用水泥墩和波浪形挡板隔开，由上到下分别种有水生美人蕉、狐尾藻、梭鱼草、铜钱草和黑三棱。该试验区有农户20户，生猪出栏量为200头/年，主要以种植业和养殖业为主，无水环保设施。非降雨期生态沟渠中的水主要来源于农业污水和农民生活用水。

2.样品采集与分析方法

从2013年1月到12月，每个月分别在该生态沟的进水口和出水口取水样，水样运回实验室后，尽快分析，来不及分析的样品迅速放入-20℃冰箱中冷冻起来。分析指标包括铵态氮、硝态氮、总氮、磷酸盐和总磷。水样过0.45 μm滤膜后，直接用流动分析仪测定铵态氮和硝态氮；总氮用碱性过硫酸钾消解，流动分析仪测定；磷酸盐用钼锑抗分光光度法测定；总磷用过硫酸钾消解，钼锑抗分光光度法测定。

3.数据处理

所有试验数据用2003版Excel和SPSS 17.0 进行计算和统计分析。

二、结果与分析

1.生态沟进、出水中不同形态氮浓度变化特征分析

生态沟进水铵态氮、硝态氮和总氮浓度受降雨、农田灌溉、气温等外界因素影响较大。从表1中可以看出，5-8月份生态沟基流流量比其他时间大，为当地的丰水季节，而基流流量12月份最小，为枯水季节。

如图1所示，一年中进水铵态氮浓度变化范围为0.18～1.36 mg/L，9月份最高达1.36 mg/L；出水的铵态氮浓度变化范围为0.02～0.14 mg/L，显著低于进水浓度（p<0.05），达Ⅰ类水质标准，且无明显的季节变化特征。

硝态氮进水浓度范围为0.15～1.85 mg/L，有较明显的季節变化特征，最低峰值在4月份，为0.15 mg/L，最高峰值出现在9月份，达1.85 mg/L，5～8月份之间变化幅度较小；出水浓度变化与进水浓度变化有相似规律，4月份浓度最低，最高峰值出现在2月份，且出水硝态氮浓度均小于进水浓度。

进水总氮浓度范围为2.31～4.38 mg/L，均超过V类水质标准（2 mg/L），具有较明显的季节性变化特征，峰值出现在2月份和9月份，分别为4.32和4.38 mg/L，在5～8月份总体污染浓度较低，且变化幅度较小，可能该时间段内当地连续降雨使得污染物受到稀释有关；出水浓度在1.03～2.37 mg/L之间，均低于进水浓度。

总的来看，研究区的生态沟对氮有明显的拦截效应，出水的铵态氮、硝态氮和总氮的浓度均低于进水的浓度。进水铵态氮、硝态氮和总氮浓度都在9月份达到最高值，主要原因可能与9月份正值水稻生长季节，稻田施加追肥使生态沟氮含量增加有关。

2.生态沟对氮的拦截特征分析

结合生态沟进出水浓度和当月的基流流量估算研究农区随径流迁移进入生态沟的氮、磷量及其在生态沟中拦截量等数据见表2。

由表2可知，生态沟中铵态氮的月平均输入量为3720.9 g，月平均拦截量为3712.6 g，拦截率在67～99%之间；硝态氮的月平均输入量为6707.2 g，月平均拦截量为2924.6 g，平均拦截率为44%；总氮月平均输入量为23756.2 g，月平均拦截量为9195.1 g，平均拦截率为42%。全年对铵态氮、硝态氮和总氮的总拦截量分别为38070.8、35095.5和110341.1g。从无机氮的输入量来看，硝态氮的输入量大于铵态氮的，但是生态沟对铵态氮的拦截效果较明显，全年的拦截率均在67%以上，最高去除率可达99%，平均去除率为86%，而对硝态氮的平均去除率仅为44%。从全年的基流流量情况可以看出，2013年5～8月份降雨較多，其中6、7月份生态沟对铵态氮、硝态氮和总氮的拦截率都处于全年中的最低。全年12个月生态沟对氮素的拦截效果进行对比，在9月份总体上对氮的拦截率最好，可能原因与9月份温度适宜、基流流量不大，水力停留时间长和在此期间对水生植物进行刈割带走一部分氮有关，因为以上这些因素都会对生态沟中氮的去除率有较大影响[8-9]，而在丰水季节，由于基流流量大，水流速度大，停留时间短，生态沟对污染物的去除效果就会明显变差（如6、7月份）。

本研究中生态沟对铵态氮的平均拦截率（86%）明显高于硝态氮的（44%），与徐红灯研究结果相似[10]。出现这种情况的的可能原因是：铵态氮去除路径包括泥沙沉降、底泥吸附、植物吸收同化、微生物硝化作用和氨挥发，而硝态氮的去除以反硝化作用为主。硝化作用属于耗氧反应，反硝化作用需要在厌氧环境下进行。在植物生长的季节，由于根际效应，植物输送的氧气根区周围形成有氧环境，在促进硝化细菌进行硝化作用的同时抑制了反硝化作用的进行，硝化细菌把铵态氮转化成硝态氮，使水体中的硝态氮含量不断得到补充；在植物吸收方面，由于铵态氮带正电荷，植物细胞膜外侧带负电荷，所以对铵态氮有更大的亲和性，此外铵态氮可以作为植物合成氨基酸的最初原料，可以被直接吸收利用，而吸收硝态氮需要更多的能量和相关的酶参与才能转化成铵态氮被植物利用[1]。因此就会出现生态沟对铵态氮的拦截效果比硝态氮好的结果。

三、结论

通过对研究结果进行分析，得出以下结论：2013年生态沟中出水氮浓度普遍低于进水浓度，生态沟对铵态氮、硝态氮和总氮均有一定的拦截效应，全年对铵态氮、硝态氮和总氮的总拦截量分别为38070.8、35095.5和110341.1g；生态沟对铵态氮的拦截效率明显大于硝态氮的，对铵态氮平均拦截率为86%。因此，生态沟渠可作为一项农业面源污染的防控技术进行推广。

参考文献

[1]卢少勇，金相灿，余刚.人工湿地的氮去除机理[J].生态学报，2006，26（8）：2670-2677.

[2]吴晓磊.人工湿地废水处理机理[J].环境科学，1995，16（3）：83-86.

[3]张树楠，肖润林，刘锋，等.生态沟渠对氮、磷污染物的拦截效应[J].环境科学，2015，36（12）：4516-4522.

[4]孙映波，梅瑜，曹君喜，等.不同水生植物配置对河涌污水的净化效果[J].生态环境学报，2011，20（6-7）：1123-1126.

[5]张来甲，叶春，李春华，等.沉水植物腐解对水体水质的影响[J].环境科学研究，2013，26（2）：145-151.

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[7]徐红灯，席北斗，王京刚，等.水生植物对农田排水沟渠中氮、磷的截留效应[J].环境科学研究，2007，20（2）：84-88.

[8]张婷婷，张建，杨芳，等.温度对污水脱氮系统污染物去除效果及氧化亚氮释放的影响[J].环境科学，2012，33（4）：1283-1287.

[9]张树楠，肖润林，余红兵，等.水生植物刈割对生态沟渠中氮、磷拦截的影响[J].中国生态农业学报，2012，20（8）：1066-1071.

[10]徐红灯.农田排水沟渠对流失氮、磷的截留和去除效应[D].北京：北京化工大学硕士学位论文，2007.

作者简介：杨凤飞（1987-），硕士，助教，研究方向：农业生态与环境修复。