不同拦截植物对小流域农田排水沟渠氮磷消纳效果差异研究

文 炯，石敦杰，荣湘民*，田 昌*，杨 勇

(1 湖南农业大学资源环境学院/土壤肥料资源高效利用国家工程实验室，长沙 410128；2 岳阳市农业科学研究院/农业农村部岳阳农业环境科学观测实验站，湖南岳阳 414000)

生态沟渠由农田排水沟渠及其内部栽植植物组成。通过沟渠拦截径流和泥沙，植物滞留和吸收氮磷，实现生态拦截氮磷、净化农田排水的功能[1～3]，具有高去除率、低投资、低运行费、低维护、低能耗等优点[4]。相关研究表明，生态沟渠对农业非点源氮、磷污染的去除率分别达48%～64%和41%～70%[5，6]。因此，将现有灌排沟渠改建为生态沟渠，发挥其截留沉淀、植物吸收、沉积物吸附和微生物降解作用，对去除农业面源污染中氮、磷元素具有重要意义。

水生植物是生态沟渠的重要组成部分，在其生长过程中吸收水层和底泥中的氮、磷等营养物质，吸附沉积物[7]，还可为水体中的微生物以及部分水生生物提供栖息场所和食物，在净化水质、降低水体富营养化过程中起到关键作用[8～11]。但不同生态条件、不同污染物来源及不同种类水生植物的生长习性不一，水质净化效果差异大[12]。不同种类水生植物因其生理生态学特性不同，单位面积上生物量也存在较大差异[13]。因此，选择适宜的水生植物对提高生态沟渠的氮磷去除率、减少水体氮磷流向河流湖泊意义重大。

相关研究表明，单一的水生植物在水质净化中会有不稳定性，不利于组建持续长久的植物群落，将不同水生植物构建组合较单一植物的拦截效果更好[14]。因此，研究构建稳定的水生植物组合，对组建良好净化功能的生态沟渠具有积极意义。目前，关于水稻种植区小流域沟渠生态拦截的研究鲜有报道。本试验在前期模拟试验8种水生植物的基础上[15]，选出狐尾藻、珍珠梅、海寿花等作为筛选品种，以湖南省常德市津市市毛里湖农区农业源头生态沟渠为研究对象，连续两年研究不同拦截植物及其组合对农田排水氮磷消纳效果的差异，分析沟渠水体中氮、磷浓度的时间变化特征，旨在为毛里湖流域生态沟渠的构建及生态沟渠中水生植物的科学管理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验沟渠位于湖南省常德市津市市毛里湖农区(111°46′～112°40′E，29°11′30″～29°39′40″N)，该区域属于亚热带季风气候，年均气温16.7℃，年降水量1200～1900 mm，无霜期272 d，适宜水稻、棉花、油料等作物生长。试验前对该自然排水沟渠按工艺要求进行工程改造及拦截植物种植，生态沟渠的水源基本来自于农田排水。

1.2 试验设计

该生态沟渠贯穿水稻种植区，改建前先清淤，用水泥护坡，水泥墩和波浪形挡板将各植物区隔开，沟渠总长658.2 m，从上游到下游依次种植狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)(长220 m)、珍珠梅(Sorbariasorbifolia)(长52 m)、海寿花(Pontederiacordata)(长32 m)、狐尾藻+海寿花(长28 m)、自然植被(包括茭白Zizanialatifolia、芦苇Phragmitesaustralis)(长326.2 m)。试验期间均有水从挡板平缓流出。渠道结构形状为倒梯形，上、下宽部分别为4 m和2.8 m，沟深约1 m，水深20～30 cm，沟渠内水流速度基本一致。对沟渠进行清理，去除异物，保持排灌水通畅。(说明：由于每段沟渠长度不一致，为方便比较植物的拦截效果，将各段沟渠浓度差值折算为100 m距离的效果。)

1.3 样品采集

1.4 测定指标及方法

1.5 计算公式

去除率(%)=(上游浓度×径流量-下游浓度 径流量)/(上游浓度×径流量)×100。

1.6 数据处理

采用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0软件进行数据处理和分析，处理间差异显著性分析采用最小显著法(LSD)检验。

2 结果与分析

2.1 TN消纳效果

两年试验期间农区沟渠TN去除率整体先下降后上升，逐渐趋于平稳，而2017年后期出现波动，主要受农田施肥、降水、植物腐烂等外界因素的影响。自然植被对农区沟渠TN的消纳效果最差，且整体保持平稳。2016年狐尾藻、珍珠梅、海寿花、狐尾藻+海寿花和自然植被对农区沟渠TN的去除率分别为1.48%～13.64%、11.54%～30.77%、3.91%～

图1 不同拦截植物对农区沟渠水体TN的去除率Fig.1 Removal rates of TN by different interception plants in ditch

34.38%、12.91%～64.29%和3.10%～6.74%；达到峰值时间分别为5月30日、5月20日、7月10日、6月10日和6月20日。2017年狐尾藻、珍珠梅、海寿花、狐尾藻+海寿花和自然植被对农区沟渠TN去除率分别为0.58%～14.32%、10.43%～34.23%、20.08%～52.90%、16.95%～56.85%和1.36%～9.71%；达到峰值时间分别为4月10日、8月30日、7月30日、8月10日和7月10日(图1)。试验结果表明，生态沟渠植物较自然植被去除TN污染物效果好，且水生植物组合较单一种植对农区沟渠TN的消纳效果好。

图2 不同拦截植物对农区沟渠水体的去除率Fig.2 Removal rates of ammonium by different interception plants in ditch

图3 不同拦截植物对农区沟渠水体的去除率Fig.3 Removal rates of nitrate by different interception plants in ditch

2.4 TP消纳效果

图4显示，两年试验期间农区沟渠TP去除率整体先上升后下降，主要受农田施肥、降水、植物腐烂等外界因素的影响。自然植被对农区沟渠TP的消纳效果最差，且保持平稳。2016年狐尾藻、珍珠梅、海寿花、狐尾藻+海寿花和自然植被对农区沟渠TP的去除率分别为3.89%～13.88%、5.49%～52.11%、27.64%～105.28%、8.69%～106.14%和4.38%～13.00%；达到峰值时间分别为8月30日、4月10日、6月10日、5月10日和8月30日。2017年狐尾藻、珍珠梅、海寿花、狐尾藻+海寿花和自然植被对农区沟渠TP去除率分别为3.35%～13.35%、5.94%～42.46%、7.78%～79.87%、17.25%～65.78%和1.69%～10.47%；达到峰值时间分别为5月30日、5月10日、8月20日、4月30日和6月20日。试验结果表明，生态沟渠植物较自然植被去除TP污染物效果好，且水生植物组合较单一种植对农区沟渠TP的消纳效果好。

图4 不同拦截植物对农区沟渠水体TP的去除率Fig.4 Removal rates of total phosphorus by different interception plants in ditch

2.5 氮磷平均去除率

表1 不同拦截植物对氮磷的平均去除率 %

3 讨论

农田排水沟渠中氮主要通过植株吸收、脱氮作用、沉积作用等机制迁移转化[20]。沟渠水中养分减少比例较大的水生植物，底泥中微生物数与微生物量碳氮磷也较高，但沟渠养分减少比例与微生物数量排序并非完全一致[21]。沟渠中底泥对径流水N、P拦截的作用较大，植物的生长可固定泥土，在沟渠中种植植物可降低底泥随径流水流失的风险[15]。尽管绿狐尾藻须根短小，但密度较大，水体中颗粒物在流动过程中遇到的阻力较多，泥沙拦截效果较好[22，23]。同时，狐尾藻多为沉水植物，观赏性较高，全草可作为鱼虾蟹塘养殖过程的饲料。一方面有效减少农田养分流失对下游水体造成的面源污染，另一方面，拦截植物生物质可用于覆盖还田或作为动物饲料，实现养分资源循环利用[4]。而本试验条件下，狐尾藻对泥土的固定能力较弱，监测过程多次出现狐尾藻因水流速太快而被带走的情况，不建议狐尾藻单独种植于沟渠中。相关研究表明，在不影响渠道排灌和泄洪能力的情况下，选择栽种浮水植物和生物量大的挺水植物将能更有效地拦截N、P污染物向河道的输移。陈英等[14]发现，再力花+芦苇+黄花水龙、水芹+灯心草+菖蒲等水生植物组合对水体中TN、TP去除率均不低于65%，可作为太湖流域生态沟渠塘组建长期稳定的有良好净化效果的水生植物组合。本研究中，就单种拦截植物来说，海寿花的消纳效果较好，而狐尾藻较差，但两者组合种植后能进一步增加生态沟渠的生物量，显著吸收水体中N、P，对N、P拦截的效果显著。狐尾藻与海寿花的混合种植方式既提高生物量，又防止狐尾藻随水流移动，是较为理想的沟渠拦截N、P的种植方式。

本研究中，不同生态沟渠植物在晚稻施肥期间(8月)对N、P污染物的去除率要显著高于在早、中稻排灌水期(4～5月)。这主要是由于在早稻施肥期水生植物的生长量较小，对N、P的去除能力较弱；而在晚稻施肥期，均已达到生长旺盛期，去除沟渠排水中N、P的能力增强。本研究结果显示，水生植物对氮、磷污染物的净化率与其生长状况有关，生长旺盛期的水生植物表现出较高的净化效率，而在生长初期及处于衰亡阶段的水生植物的净化效率较低。因此，明确不同水生植物的生长发育规律，使其充分发挥生长旺盛期的净化能力，将能更高效地去除稻田的农业面源污染物。此外，在秋、冬季节，部分一年生植物地上部分死亡以后，其拦截效果会受到很大影响，因此可以通过建立不同特性物种的组合模式，来增强生态沟渠的生态拦截效果，这尚需进一步研究。

4 结论