农田生态沟渠效能研究

Tang Van Tai，Tran Ngoc Binh，Tang Thi Thanh Sang，Le Hong Hanh

农田生态沟渠效能研究

Tang Van Tai1，Tran Ngoc Binh2，Tang Thi Thanh Sang3，Le Hong Hanh3

(1.东南大学 土木工程学院，江苏 南京210096;2.Vinh Medical University;3.Vinh University)

传统混凝土沟渠主要使用浆砌石、钢筋混凝土等材料建造成排水沟渠，难以有效去除农田污水中的富营养化，引起河道污染[1]。本实验在调查太湖运河沿岸农田的污染情况的基础上，设计并建造复合生态沟渠示范工程，然后根据季节差异种植复合的植物。通过观察植物生长情况研究生态沟渠的植生价值，检测生态沟渠的水质变化情况以检验农田污水富营养化的去除效能。

生态沟渠；农田污水；太滆运河

1 研究背景及方法

1.1 研究背景

太湖地区现有农田沟渠以混凝土沟渠和自然沟渠为主，但随着经济的发展，有向混凝土沟渠发展的趋势。这两种沟渠自然沟渠保土能力差，容易产生水土流失和沟壁崩塌等问题，对环境产生污染。混凝土沟渠虽然解决了上述问题，但它作用单一，仅起到农田排水的作用，其中水速较快，对流水所携带的泥土和营养成分无法去除，同样会带来环境污染问题[2]。生态拦截型沟渠不仅起到了沟渠应有的排灌作用，还能减少农田氮磷所造成的污染，而且景观效果良好，在该地区具有较大的推广潜力。

1.2 研究地点

太滆运河是流入太湖的主要河流之一，在沟通太湖和滆湖方面起到了极为重要的作用。本实验以太滆运河中下游河段约10km长的河岸(西起运村大桥，东至浒民桥，距太湖入湖口仅3km)作为研究对象。

1.3 研究方法

图1 太滆运河位置

(1)河岸污染调研内容。

本课题以太滆运河中下游段的河岸作为调研农田污染点源，调查太湖沿岸的农田生产、畜禽养殖生产和生活污水情况，分析农业生产产生污染的原因。

(2)沟渠植物生长情况观察和分析。

在生态沟渠建造一个月之后，观察植物生长情况，并测定植物生物量。

(3)生态沟渠结构方案。

本课题在示范河段对现有农田沟渠进行生态化改造，共改造1 000m。以运村大河头11号附近一条农田沟渠生态化改造为例(如图2所示)，沟渠横截面为梯形，上口宽1.00 m，底宽0.50 m，深0.94 m;两壁采用分布有10 cm×10 cm长方形孔的混凝土板材，沟底、沟壁种植植物，并在沟渠尾部出水处设置了沸石滞留塘，以进一步强化沟渠对氮类污染物质的吸附去除作用以及生物去除作用，沟渠长度约80m。夏季生态沟渠沟底种植空心菜，沟壁种植狗牙根;冬季沟渠沟底种植水芹，沟壁种植黑麦草。

图2 农田生态沟渠工程实施照片

2012年6月15日，沟渠生态化改造完成并开始试验研究，同时选择附近另一条源水相同的自然沟渠为参照，进行对比试验(如图3所示)。从进水口每隔20m布置一个采样点，单个沟渠全长80m，共设置4个采样点。

图3 生态沟渠与自然沟渠对比照片

2 结果和分析

2.1 农业污染源调研结果

(1)农田污染原。

太滆运河沿岸60%以上的土地均用于农业生产。当地农田利用以稻麦轮作为主，此外还包括葡萄、蚕豆等主要经济作物。既往研究结果表明，太湖沿岸农田普遍存在过量施肥的现象，每年到降雨季节，会有大量的农田面源污染负荷产生。

图4 农田污染源

实地调查发现，太滆运河上游沿岸建筑物较多，约占运河岸线的35%，进而减少了农田污染随降雨径流进入水体的污染物[3]。但在其他地区，部分农田建设了传统的沟渠系统(见图4-b)，这样的沟渠对于控制农田面源污染有着负面的作用。沟渠的存在使得雨水径流被很快地导入了受纳水体中，从而加剧了污染负荷。在另外一些地方，沟渠系统则完全不存在(见图4-a)，这就使得面源污染直接进入了太滆运河。由于此类农田面积相对较多，因而有大量面源污染产出负荷最终进入受纳水体。

(2)畜禽养殖和民居污染源。

太滆运河周边地区养殖业较为发达，有大量的畜禽养殖场，养殖的畜禽种类主要有鸡、鸭和猪等。

图5 养殖和民区污水

部分养殖户采用了生态养殖，具体做法就是将禽类养殖于果树等经济作物的果园内，这样既可使禽类粪便不随便排入周围水体造成环境污染，同时也可使粪便直接作为果树所需的肥料。采用生态养殖的方式对周围环境影响较小，但采用生态养殖模式只是养殖户中的一部分，并不是运河沿岸的所有养殖户都会采用这样的方法。具体而言，采用生态养殖的只有丁舍村的养鸡场和塘家湾的养鹅场(如图5-a)。因此，畜禽养殖对于太滆运河的影响仍然是不能忽视的。鹅养殖过程中，养殖户会定期将所养的鹅驱赶入水体，鹅会将粪便排入水体。由于运河周边鹅类养殖场数量较多，这样的污染长期积累就会对水体产生严重的污染。不仅如此，喂养畜禽的一些饲料如果保存不当，在降雨季节也会进入水体并产生一定程度的污染。

养猪场也存在着较大问题。对养猪场调查发现，很少有专业的收集系统对粪便进行收集处理。经常可见的情况是，粪便被堆弃在农田里，冲洗猪圈后的水也流入了周围农田。据观察，养猪场并没有使用干湿分离，尿液也进入了农田。这样的现象会导致严重的后果。粪便的大量存在首先会使农田肥料施加量超标。太湖地区农田化肥施量超标已是普遍现象，过量的肥料会影响农田的生长情况。不仅如此，肥料被土壤吸收后，会有一部分氮化合物进入地下水，对于地下水造成污染。当地人的饮水并不仅仅来自于自来水，有一部分来自于抽采的地下水，长期饮用会危害人体生理健康。再者，猪在养殖过程中有可能会出现一些疾病的发生，这些疾病的致病菌或寄生虫等可能随着猪的粪便被一起排入农田，这样对农作物就有一定的危险性。这些致病菌或寄生虫有可能随着农作物的转移而转移，并进一步造成潜在的威胁。类似的情况不仅仅存在于养猪场，也同样存在于其他养殖场。

太滆运河周边居住着大量的居民，较大的居民聚集地至少有4个，上游的坊前、中游的运村、下游的凤沟村以及分水村都是比较大的村镇，这些地方的常驻人口都有几百至上千人。除了这些较大的村镇外，还有众多人口数在100左右的小村子分布在运河两岸。

通过对当地居民的调查得知，居民月均用水量基本为1t/人，90%的村镇没有污水收集设施，平时产生的生活污水一般直接排入附近水体。少数村庄仅有生活污水收集系统而没有配套的处理设施，收集的污水直接排入受纳水体(如图5-b)。这些受污染的水体、水塘严重影响了周围的环境，不仅会产生强烈的气味，而且夏季又将成为蚊虫滋生的天然环境。

2.2 植物生长情况

在冬季和夏季观察和检测植物在生态沟渠的生长情况，结果见表1。

表1 植物发芽生长状况

(1)夏季植物生长情况：夏季是植物旺盛生长的时段，空心菜和狗牙根在高温气候条件下可快速生长。在生长过程中，植物通过光合作用使废水的富营养化转化为植物的生物量。

(2)冬季植物生长情况：冬季是植物生长缓慢的时段，水芹和黑麦草可耐低温气候条件，能吸附水中污染物，达到农业废水净化的效果。

根据上面的结果可知，植物可生长在生态护岸结构中。生态沟渠的沟底和沟壁有孔洞可保证水土交换，并为植物提供生长的空间。

2.3 生态沟渠去除农业废水的作用

沟渠是农田排水汇入河流和湖泊的通道，是占地面积最大的农田排水设施。沟渠系统一般起始于田间毛沟或农沟，经腰沟、淋沟、支沟、干沟及总干沟排入外界大面积水体。毛沟或农沟密度大，断面较小，灌溉(降雨)期间直接承接田间地表和地下渗漏排水，并逐级汇入支沟、干沟，在非灌溉(降雨)期则基本呈干涸状态，因此沟渠是一种非常独特的生态系统，具有河流和湿地双重特征。沟渠中生长着适应于此环境的水生植物，并在一年内周期性地生长变化;渠底沉积物随水位升降周期性地暴露、淹没，干湿变化有利于沟渠沉积物对氮的去除;沉积物中丰富的营养源保证了水生植物的生长需求和其中微生物的持续生存。沟渠既是农业非点源污染物的最初汇聚地，又是河道和湖泊营养盐的输出源。将干湿交替的断面小、渠深浅的毛沟或农沟建成生态沟渠，能对农业面源污染起到控制作用。其中，生态沟渠是由农田排水沟渠及其内部种植的植物组成，通过沟渠拦截径流和泥沙，使植物滞留和吸收N、P，实现生态拦截N、P的功能。大量研究表明，对农村面源污染物中的N、P拦截，生态沟渠相比于混凝土沟渠、自然沟渠有较好的优越性。

(1)生态沟渠对农业面源污染物NH3-N的降解。

图6 生态沟渠中农业面源污染物NH3-N含量沿程变化

生态沟渠与自然沟渠相比，对农业面源污染中的NH3-N有着较强的去除能力。从图6可以看出，在设置生态沟渠后的第15d测定，生态沟渠80m处的NH3-N含量为0.61mg/L，比生态沟渠进水口的NH3-N含量1.49mg/L降低59.1%;而自然沟渠80m处的NH3-N含量为1.16mg/L，比自然沟渠进水口处的NH3-N含量1.45 mg/L降低20.0%。生态沟渠对农业面源污染物中NH3-N的去除率比自然沟渠对高39.1%。靠近进水口处的40m生态沟渠内，NH3-N的去除幅度较大，去除率为49.0%，而自然沟渠的去除率仅为13.8%;远离进水口处的40m生态沟渠内，NH3-N的去除幅度则相对较小，生态沟渠的去除率为19.7%，而自然沟渠的去除率仅为7.2%。

(2)生态沟渠对农业面源污染物TN的降解。

图7 生态沟渠中农业面源污染物TN含量沿程变化

生态沟渠与自然沟渠相比，对农业面源污染物中的TN有着较强的去除能力。从图7可以看出，在设置生态沟渠后的第15d，生态沟渠80m处的TN含量为1.9 mg/L，比生态沟渠进水口的TN含量5.5 mg/L降低65.5%;而自然沟渠80m处的TN含量为4.7 mg/L，比自然沟渠进水口的TN含量5.5 mg/L仅降低14.5%，生态沟渠对农业面源污染物中TN的降污率比自然沟渠高51.0%。靠近进水口处的40m生态沟渠内，TN的去除幅度较大，去除率为50.9%，而自然沟渠的去除率为9.1%;远离进水口处的40m生态沟渠内，TN的去除幅度则相对较小，生态沟渠的去除率为29.6%，而自然沟渠的去除率为6.0%。

(3)生态沟渠对农业面源污染物TP的降解。

图8 生态沟渠中农业面源污染物TP含量沿程变化

生态沟渠与自然沟渠相比，对农业面源污染物中的TP有较强的去除能力。从图8可以看出，生态沟渠处理15d时，生态沟渠80m处TP含量为0.891 mg/L，比生态沟渠进口处的TP含量2.600 mg/L降低65.7%;而自然沟渠80m处的TP含量为2.050mg/L，比自然沟渠进水口处的TP含量2.600 mg/L降低21.2%。生态沟渠对农业面源污染物中TP的降污率比自然沟渠高44.6%。靠近进水口处的40m生态沟渠内，TP的去除幅度较大，去除率为56.5%，而自然沟渠的去除率仅为14.2%;远离进水口处的40m生态沟渠内，TP的去除幅度则相对较小，生态沟渠中的TP去除率为21.1%，而自然沟渠的去除率为8.1%。

3 结论

生态沟渠沟壁植物能吸收侧渗水体中的营养成分，沟底植物对水流中养分具有吸收作用，并有利于水流中携带的泥沙、颗粒物质的沉降。生态拦截型沟渠通过对沟壁、水体和沟底中养分的立体式拦截作用实现对农田流失N、P的控制。结果显示，生态沟渠对农田排水中TN的截留率为65.5%。

植物在生态拦截型沟渠中占有重要地位，也说明对沟渠植物管理的重要性。本研究选用具有一定经济价值植物来构建生态拦截型沟渠，所选择的植物生长旺盛，不仅可以带来一定的经济补偿，还形成了良好的生态景观。

以多孔植生混凝土板改造农田沟渠，两壁交替种植狗牙根和黑麦草，渠底交替种植水芹和空心菜，渠端和渠尾因地制宜设置沸石滞留塘，该系统实现了沟渠出水总氮小于2 mg/L。

[1]叶艳妹，吴次芳.农地整理中路沟渠生态化设计研究进展[J].应用生态学报，2011(7):1 931-1 938.

[2]张文艺，韩有法.太滆运河流域水环境污染解析[J].中国农村水利水电，2012(9):47-50.

[3]金相灿，叶春，颜昌宙.太湖重点污染控制区综合整治方案研究[J].环境科学研究，1999，12(5):1-5.

[4]薛峰，颜廷梅，乔俊，等.太湖地区稻田减量施肥的环境效益和经济效益分析[J].生态与农村环境学报，2009，25(4):26-31，51.

[5]王岩，王建国，李伟，等.三种类型农田排水沟渠氮磷拦截效果比较[J].土壤，2009，41(6):902-910.

[6]郭鸿鹏，朱静雅，杨印生.农业非点源污染防治技术的研究现状及进展[J].农业工程学报，2008，24(4):290-295.

责任编辑：富春凯

Study on the Effectiveness of Farmland Ecological Ditch

Tang Van Tai1，Tran Ngoc Binh2，Tang Thi Thanh Sang3，Le Hong Hanh3
(1.Southeast University， Nanjing 210096， China;2.Vinh Medical University;3.Vinh University)

The material used for construct the traditional drainage ditch structure mainly consists of masonry stone， reinforced concrete and others.It is difficult to remove eutrophication in farmland sewage effectively，which leads pollution to the river.In this experiment，based on investigating the pollution in the farmland along the Yun He canal of Tai Hu lake basin， design and construct compound ecological ditch training project，then plant composit plants according to season differences.The plant value of ecological ditch was studied by observing the growth of plant.The water quality changes of ecological ditches were tested to prove the removal efficiency of farmland eutrophication.

Ecological ditch;Farmland sewage;Yun He canal

S279.3

B

1674-6341(2017)05-0005-04

10.3969/j.issn.1674-6341.2017.05.002

2017-02-19

Tang Van Tai(1987—)，男，越南人，东南大学土木工程学院在读博士生。研究方向:生态沟渠。