稻田人工湿地氮磷去除机制及其研究进展

郭海瑞， 赵立纯， 窦超银

(1.辽宁师范大学，辽宁大连 116029； 2.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225009)

近年来，人工湿地作为独具特色的生态污水处理方法，广泛用于城市暴雨径流、生活污水、工业废水和农业排水等水质处理中。根据《湿地公约》，稻田是人工湿地的一种，现有研究也表明，稻田的特征与湿地相似，水稻本身和稻田土壤对氮磷有吸收和固定作用，可有效减少农田排水中氮磷的流失[1]；在采用科学施肥、轮作方法条件下，水稻不仅是重要的粮食作物，还是一种非常高效的水体净化植物，水稻对降低水体中的氮磷有着积极的作用[2]。但在生产实践中，一直以来稻田管理以追求效益为主，往往忽视了其湿地功能，相反，由于不合理的施肥和灌溉排水措施，稻田排水成为农业面源污染的主要来源之一，造成湖泊富营养化、污染饮用水源等严重后果，由此可见，稻田湿地一方面是消纳氮磷污染的“汇”，另一方面也是农业面源污染的“源”，只有合理构建和应用稻田湿地才能发挥“汇”的功能。

我国6 600万hm2灌溉面积中，水稻种植面积3 000万hm2，分别占灌溉面积、耕地面积的45.9%和22.2%[3]，稻田湿地是我国也是世界上最大的人工湿地，充分利用稻田湿地功能，将在改善土壤氮素肥力、减少氮肥用量、净化水质、降低对环境负面影响等方面发挥巨大作用，同时，也有助于稻田稳产增产、水生态文明建设，确保社会可持续发展，因此，稻田湿地的研究与应用具有十分重要的意义。本研究拟从稻田湿地氮磷去除的机制、稻田湿地构建应用及影响因素等方面作一综述，以期为深化稻田湿地的研究和应用提供参考。

1　稻田人工湿地去除氮磷机制

1.1　氮

稻田人工湿地对氮的去除主要包括生物、物理和化学反应几方面的协同作用。

氮是水稻合成氨基酸或蛋白质及其他含氮有机物的大量营养元素，在植物的生命活动中发挥着极其重要的作用，水稻一生对氮的吸收总量，按收获中的含量来计，每形成100 kg的产量需从土壤吸收氮素2.1～2.4 kg[4]。水稻吸收的氮通过收割而去除，但这一部分氮仅占土壤中总氮含量的10%左右，不是去氮的主要过程[5]。除对氮素直接吸收外，在淹渍条件下，水稻利用通气组织将氧气输送至根部，在根部附近形成一个好氧环境，随着离根系距离的逐渐增大，田间依次出现缺氧、厌氧状态，为硝化菌和反硝化菌的生长创造了有利条件，进而增强稻田微生物的硝化和反硝化作用，提高田间氮素的净化效率[6]。

氨挥发和硝化-反硝化是稻田氮素去除的主要途径。氨和铵态氮进入稻田停留在田面水中时，在光照和高pH条件下，氨挥发强烈，在石灰性土壤中，尿素的氨挥发损失达施氮量的30%，占氮素总损失量的48%，而非石灰性土壤中，尿素的氨挥发为9%～11%，占总损失的19%～21%[7]。在硝化作用下NH3-N转化为NO2--N和NO3--N，一部分被植物和好氧微生物吸收利用去除，另一部分在反硝化作用下还原成N2O和N2形式从系统中根本去除。

通过土壤吸附和离子交换是减少水体中氮素的另一途径，稻田土壤颗粒带有负电荷，很容易吸附氨离子，同时，生活在水、腐殖层和土壤中细菌、蓝藻等各种微生物对水体中的氮素也有一定的固持作用，但土壤颗粒的吸附能力有限，且只有置换土壤才能将氮素从系统去除，微生物残体在死亡后很快就被分解，生长所吸收利用的N返回水体，因此，这两个过程的氮素去除效果并不显著。

1.2　磷

稻田对磷的去除是植物吸收、土壤吸附和微生物去除3条途径共同作用的结果，而磷最终从系统中去除依赖于水稻的收割。

磷也是植物必需的营养元素，水稻吸收无机磷并用它组成卵磷脂、核酸及ATP等，然后通过植物的收割而移去，按收获中的含量来计，每形成100 kg的产量需从土壤吸收磷(P2O5)0.9～1.3 kg[4]。大多数情况下，可溶性磷的去除途径主要是基质的沉淀和吸附作用，土壤不仅对磷具有吸附作用，而且土壤中的Ca和Fe可与PO43-反应而沉淀[8]。但磷的沉淀吸附是一个可逆的过程，当进入水中磷的浓度太低，不能满足水稻生长的需求时，生物可利用因沉淀和吸附积蓄的磷。

微生物对磷的去除包括对磷的正常同化和对磷的过量积累。微生物吸收的磷素存在于核酸、核苷酸、磷脂和其他含磷化合物中，是构成细胞的重要组成部分，所有的微生物均含有一定数量的磷，一般占灰分总量的30%～50%(以P2O5计)[9]。但在微生物死亡后，其体内吸附的磷几乎全部迅速分解释放，回到水体当中，所以一般认为微生物的活动与总磷的去除效率之间并不显著相关[10]。

2　影响稻田人工湿地氮磷去除的因素

稻田人工湿地与其他人工湿地的明显区别在于必须考虑水稻生长特性和遵循水稻生产的基本规律，同时兼顾生态效益和经济效益，因此，稻田人工湿地对氮磷的去除受到多种因素制约。

2.1　土壤

土壤吸附是氮磷去除的途径之一，磷的去除与土壤基质密切相关，一般人工湿地为了提高对氮磷的去除效果，通常选择效果较好的基质，如石灰石、沸石、白云石、浮石和工业废料等。稻田人工湿地基质即为稻田土，对于某一稻田，土壤对氮磷的作用效果相对稳定，但不同地区之间，效果因母质类型变化而异。如沙性土壤中，水分与土壤表面接触后易向下淋失，氮磷运移较深，而黏性土壤容易造成氮磷元素的表层累积[11]。除直接影响作用外，土壤母质还通过影响土壤的质地、通气性以及土壤的水热状况等，间接影响土壤氮素积累和氮矿化过程。

此外，增施土壤改良剂，即在稻田土中增加基质，将改变土壤特性，对氮磷去除起到积极作用，如石灰和硅钙将促进水稻对氮磷钾养分的吸收，生石灰和白云石粉将增加土壤中的钙镁离子，增加可溶性磷酸盐的固定；沸石的强吸附能力和离子交换能力，可减少氮磷流失并调节氮磷在土壤中的分布，有利于水稻吸收等[12]。

2.2　水稻

稻田人工湿地根据水稻生长的环境特性构建，一方面，水稻直接摄取水体中的氮磷物质，另一方面，水稻根系的泌氧功能为微生物分解转化有机物提供了适宜的环境条件。水稻喜湿耐淹，但长期淹渍会产生胁迫，抑制水稻生长，研究表明稻田长期保持25～30 cm水层时，水稻分蘖期耐淹历时约 6 d[13]，分蘖期水稻被完全淹没时，耐淹历时约1 d[14]，在以减产不超过10%为评价标准情况下，水稻淹水历时临界值为 3 d[15]，即稻田人工湿地构建时必须以水稻耐淹特性为基础，合理设定水力停留时间和水层深度等系统参数。

水稻不同季节、不同生长期对氮磷的吸收利用存在明显差异。泡田期田间水量大，淋失量也大，在与雨季同步时，灌溉和降雨还会引起频繁的排水，此时用稻田人工湿地进行水处理容易污染地下和地表水体；在水稻返青和分蘖期，水稻根系尚未形成，对氮磷需要的绝对量小，水质净化缓慢；在分蘖后期常采用晒田控制有效分蘖，湿地效果降低。如果在水稻生长前期处理养分物质含量较高的水，会促使分蘖多发，最高苗过多，成穗率下降，不利于水稻生长和产量形成。水稻生育期对氮磷去除的另一个影响是不同生育期对氮磷吸收的选择性，如水稻在营养生长期以吸收NH4+-N为主，生殖生长期对NO3--N的吸收增加，水稻在生殖生长期转移至稻穗中的氮素形态以NH4+-N为主[16]。

水稻的基因型对氮磷吸收也有重要影响，如生育期较长的基因型品种氮素吸收效率较高，云南水稻成熟期植株的氮素积累量比国际水稻研究所品种高出19%～30%[17]，氮高效基因型品种能高效吸收土壤氮素，降低土壤氮素残留和减轻对环境质量的影响。耐低磷基因型和磷敏感基因型水稻品种则能够分泌有机酸、质子等活化难溶性无机磷，或分泌酶类分解有机磷等，以提高根际有效磷浓度供作物吸收利用。

2.3　水分管理

水是稻田人工湿地调控土壤环境、水稻生长发育和氮磷形态的关键因子。稻田湿地水体在田间滞留期间流速接近零，水中悬移质和颗粒态的氮磷得以部分沉淀，可大大消纳氮磷含量，并给土壤吸附、水稻吸收和反硝化利用充分时间。长期处于淹水状态的稻田，空气很难进入到土壤中，水稻根系及微生物的呼吸作用消耗大量氧气，导致土壤中的氧浓度极低，持续的低氧环境会引起稻田还原性有毒物质的积累，根系细胞能量代谢失衡、细胞质酸化及低氧的生理生化反应，对水稻的养分吸收利用产生严重影响[18]。但长期淹水有利于土壤中Fe3+还原成溶解度更高的Fe2+，部分被氢氧化铁所吸持的闭蓄态磷得以释放，土壤对磷的吸持有所减少[19]，同时通过调控水分管理增加根际溶氧量，可显著提高稻田氧化还原电位和硝态氮含量，促进水稻的根系形态建成和氮磷吸收[20]。

在干湿交替的水分管理条件下，土壤通气环境良好，有利于氮磷的转化吸收，同时根系生长旺盛，白根多且分布深，吸肥力高于淹灌[21]，氮磷的农学利用率、吸收利用率、生理利用率得到提高；有氧-厌氧的交替循环还能够使土壤的氧化还原电位降低到足够水平以诱导土壤中的反硝化作用，增大了氮素的去除率[22]。但也有研究表明，稻田干湿交替水分管理土壤氧气含量、氧化还原电位较高，土壤中的一些金属离子以高价形态存在，容易与土壤中的速效磷反应，形成溶解度很低的化合物，从而影响磷的有效性，导致水稻对磷素的吸收量减少[23]。当稻田水分管理产生水分胁迫时，则会影响水稻对氮磷的吸收和转运，减少稻株氮磷累积量[24]。

灌溉排水过程也会影响氮磷去除效果，稻田补水时通过扰动土壤，促进土壤表层吸附的NH4+-N的释放及硝化进程；补水中含有大量待处理的氮磷元素时，田间水体中氮磷浓度会迅速上升，并在维持一段时间后，随着淹水时间的延长逐渐降低，或在出现峰值后迅速下降并逐渐趋于稳定，即稻田人工湿地氮磷的去除需要一定的周期，合理地控制排水可减少氮磷的流失，提高系统净化效果，尤其在遇到较大降雨时，应根据水稻耐淹特性，适当增加雨水在稻田中的滞留时间，发挥稻田湿地功能。

2.4　水力负荷

水力负荷是影响湿地净化效果的关键因子，也是湿地运行的重要参数。目前，关于稻田人工湿地水力负荷的研究较少，通常情况下，湿地氮磷去除效率会随着水力负荷的降低而增强；在水力负荷较大、处理量较高时，污水在湿地中的停留时间较短，氮磷的生化降解作用不充分，出水水质可能不达标；当水力负荷超过最佳水力负荷后，湿地的氮磷去除效果会明显降低[25]。除量的影响外，负荷构成也会影响净化结果，如当有机负荷较高时，异养细菌的生长占优势，会抑制硝化细菌的生长，影响湿地系统氮的去除；污水中的重金属离子以有效态形式作用于湿地微生物群落，严重抑制反硝化等微生物代谢过程，削弱氮磷的去除。进水C、N、P在一定范围内能使人工湿地中的微生物发生相似转化，TN的去除率随着碳氮比的增大而逐渐升高，但NH4+-N的去除率随着碳氮比的增加而降低；进水含C时，释磷菌能够从进水中获得充足的碳源，从而可以比较充分地释磷，磷的去除率将随碳氮比的增加而提高[26]。

除上述因素外，水稻耕作制度、稻田温度、风速、光照、空气相对湿度、pH值等均会影响氮磷迁移转化。如高温、强光照、少雨等气候条件会促进稻田氨挥发[27]；在较低温度条件下，氮的去除能力只有常温的3%～15%；pH值为7～8时，硝化-反硝化作用最强，有利于提高氨氮的降解率等[28]。总体而言，稻田人工湿地虽然构建形式单一，但其影响因素复杂，只有在了解土壤理化性质、水稻生长特性和气象特点的基础上合理设定水力负荷并进行水分管理，才能发挥系统功能。

3　稻田人工湿地的应用研究

3.1　稻田人工湿地的农业面源污染防治

稻田人工湿地的农业面源污染防治，一方面是根据稻田人工湿地氮磷去除特性调控灌溉排水，减少面源污染源；另一方面，作为水质净化系统对农业面源污染源进行处理。如章明奎等用不施肥的水稻带代替传统的缓冲区，利用水稻本身和稻田土壤吸收、固定氮磷，减少农田排水过程中氮磷的流失，当宽度大于15 m时，水稻缓冲带可显著地降低排水中氮磷的流失[1]。陈柏湘利用稻田湿地修复养殖污水，污水中总磷含量降低66.0%～69.3%，总氮含量降低41.4%～42.5%[29]。周元等研究也表明稻田湿地对养殖塘废水中的氮磷具有显著的净化效果，总氮、总磷、硝态氮和铵态氮含量分别降低 65.2%、72.0%、87.3%和66.8%[30]。宋祥甫等研究表明种稻对富营养化水体中氮磷的去除效果最高可分别达到 58.7% 和49.1%[31]。稻田生态种养模式虽然不是直接对养殖水体进行修复，但是可以作为一种生态养殖模式来部分替代对水体污染重的集约化养殖方式，从而减轻面源污染发生的风险，如稻鱼共作系统水体氨氮含量要比鱼单作系统低24.5%，总磷含量低32.6%[32]。

3.2　稻田人工湿地的生活污水处理

考虑到稻田人工湿地的净化能力和食品安全，一般生活污水需要经过初步处理，把油腻和动物性脂状物、其他有机物、总悬浮固体物等去除，在消灭有害微生物和调节酸碱度后再进入稻田湿地系统。薛利红等利用太湖流域广泛存在的稻田湿地净化周围低污染水，表明利用稻田湿地净化分散式农村生活污水工程尾水或富营养化河水等低污染水是可行的，氮、磷的去除率可分别达77%～93%、87%～98%[33]。李松等对农村生活污水进行近4个月的稻田湿地处理，氮素去除率62.9%～69.3%，磷去除率60.3%～71.4%，稻田排水满足地表水排放标准，同时，水稻增产明显[34]。童泽霞等利用稻田生态湿地治理生活污水和轻工业污水，发现稻田湿地除可以净化污水水质外，还可以起到减少空气浮尘、保护农业耕地、降低农业成本、发展旅游休闲的效果和作用[35]。施卫明等研究认为，对于太湖流域内日处理水量为20 t的小型分散生活污水处理设施而言，只需充分利用周边稻田，将其出水引入稻田人工湿地，保证水力停留时间在4 d以上，就能保证出水中全氮含量在2 mg/L以下，而且稻田湿地面积仅需0.10～0.12 hm2[36]。

3.3　稻田人工湿地的劣质水灌溉应用

稻田人工湿地对污水的生态处理功能为劣质水灌溉提供了理论支持，一方面可缓解日益紧张的农业用水压力，另一方面可减少对劣质水处理的投入。目前，稻田劣质水灌溉对土壤污染、水稻生长和地下水质量等方面的研究还较少，劣质水利用存在的“安全”问题还需要进一步解决。已有的研究表明，利用农村生活污水替代地表水灌溉稻田湿地，可在保证产量的同时实现高效除磷，去除率高达75.2%～98.2%；利用稀释后的生活污水灌溉稻田，水稻生长不受影响，生物量和产量均有所增加[37]。黄俊友等研究表明，利用适当浓度的污水进行灌溉对水稻株高、穗长、千粒质量以及结实率均有积极的影响，其结实率能提高2～4百分点，但高浓度污水则可能降低水稻50%～90%的分蘖率，从而最终导致水稻实际产量下降，降幅达到3.9%～18.6%[38]。付红等研究表明，污水中含有大量的有机和无机营养物质，在灌溉过程中，肥随水到，用污水灌溉可比用清水灌溉增产20%～30%，同时起到提高土壤肥力、净化水质的效果，污水净化率可达70%～80%[39]。

4　问题与展望

目前，稻田人工湿地对氮磷去除的研究多以稻田氮磷迁移转化规律和一般人工湿地系统水质处理原理为理论基础，虽然研究结果表明稻田人工湿地是处理污水或污水利用的一种经济有效的手段，并且已在一些地区进行应用，取得了较理想的效果，但稻田人工湿地在水肥运动、水分管理和工程建设等方面仍有别于一般的人工湿地，其理论和应用还有待于进一步完善。

(1)稻田人工湿地氮磷迁移转化规律。尽管稻田氮磷迁移转化机制的理论已非常成熟，但现有研究多以迁移转化的影响因素、变化的理化过程和去除效果等为主。当稻田作为净水系统时，必须考虑如何利用氮磷迁移转化规律对系统进行有效控制，实现系统功能、效益最大化，因此，需要对稻田人工湿地氮磷的迁移转化速率、间歇进水条件下湿地水体氮磷浓度变化规律、污水对地下水的影响等深入研究，根据湿地氮磷动力学特征，在不污染地下水和排水水质阈值范围内，建立动力学方程模型，为系统控制提供方案。

(2)稻田人工湿地的构建。稻田以格田为单元，格田规格首先应满足农业生产需求，既要考虑灌溉效果，又要考虑机耕和管理等，尤其是在土地流转规模化经营趋势下，格田面积有增大的趋势。以室内试验或小区试验为主的模拟研究结果由于尺度效应，可能并不能真实反映湿地整体的应用效果，因此，需要对不同规格稻田湿地单元的氮磷去除效果进行研究，并深入探讨稻田人工湿地的耕作方式、种植密度、水稻品种、进水方式等与净化效果之间的关系，为稻田人工湿地的规划设计和构建提供理论基础。

(3)稻田人工湿地的应用。根据稻田人工湿地氮磷去除的影响因素，氮磷的去除受土壤特性、进水水质和水分管理等影响，并随着水稻生育期和季节而变化，系统在多因素作用下复杂化，因此，为了便于技术推广应用，应因地制宜地提出技术模式，为生产实践提供技术指导。

(4)稻田人工湿地与高效节水灌溉的结合。随着国家节水灌溉技术的大力推行，水稻高效节水灌溉是必然趋势[40-41]。水稻高效节水灌溉减少了水肥用量，提高了水肥利用率，改善了水生态环境，但同时也改变了当前水田的种植模式和湿地特征，传统种植模式下稻田人工湿地的氮磷去除过程、构建方法和应用可能都将改变，这就需要对高效节水灌溉模型下稻田人工湿地应用开展新的研究。

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