不同构造生态沟渠的农田面源污染物处理能力及实际应用效果

刘福兴，陈桂发，付子轼，杨林章，王俊力① （.上海市农业科学院/上海低碳农业工程技术研究中心，上海0403；.江苏省农业科学院，江苏 南京 004）

农田排水沟渠是农田灌排单元的重要组成部分[1]，是农田面源污染物的最初汇集地和向下游水体迁移的重要通道，对下游水体环境有着重要影响[2]。与传统水泥排水沟渠相比，生态沟渠由带栽植孔的水泥渠体以及基质和植物组成，能够减缓流速，促进颗粒物沉淀，有利于污染物的吸收拦截，实现污染物的生态拦截[3]。生态沟渠为农业面源污染防控4R〔源头减量（reduce）-过程阻断（retain）-养分再利用（reuse）-水体修复（restore）〕技术体系中“过程阻断”环节的重要技术[4]，在全国范围内被广泛应用。

生态沟渠作为一种特殊的湿地生态系统，其内部环境条件能够使植物维持较好生物稳定性[5]。生态沟渠对农田径流氮磷也有较好拦截效果，研究表明，动态进水条件下生态沟渠氮和磷去除率分别为35.7% 和 41.0%[6]，甚至可达 74.1% 和 68.6%[7]；静态进水条件下则分别为58.2%和84.8%[6]，不同构造生态沟渠对氮磷的去除率均能分别超过40%和50%[5，8-9]。但是生态沟渠构造类型会影响其对污染物的拦截效率，加之农田面源污染物浓度具有较大变异性，因此亟需系统研究生态沟渠构造组成对污染物削减效果及其稳定性的影响，寻求生态沟渠最优配置。刘福兴等[10]对太湖流域平原河网区常用的0.80、1.05和1.30 m 3种深度的生态沟渠对农业面源污染物的去除效率进行研究，发现1.30 m深的生态沟渠去除效率较高，耐冲击负荷能力也较强。

沸石是一种架状构造的含水硅酸盐矿物，其内部存在大量有序排列、大小均匀、彼此贯通并与外界相连的空穴和孔道，具有良好的吸附性能[11]。结合已有工作基础[10]，采用1.30 m深生态沟渠，通过模拟农田面源尾水，比较植被（E草）、沸石填料（E填）以及采用沟底植被与沸石填料（E草+填）3种构造生态沟渠在动态连续进水条件下对铵态氮（NH4+-N）、总氮（TN）、总磷（TP）和悬浮物（SS）的去除效率，并分析采用沟底植被与沸石填料的生态沟渠对农田降雨径流中氮磷的处理效果，以期为生态拦截技术应用提供设计参考，提高生态沟渠对农业面源（尤其是种植业面源）污染物拦截净化效果。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点为上海市农业科学院庄行综合试验基地（30°53'N，121°23'E）生态沟渠实验区。研究区属亚热带季风气候区，多年平均降水量为1 192 mm，蒸发量为1 237 mm，年均温为16.1°C。全年日照时数为1 900 h，无霜期为224 d。

1.2 试验设计

1.2.1 不同构造生态沟渠处理效果试验

生态沟渠采用同一规格，渠深为1.30 m，长度为90 m，沟壁为带孔预制板，孔内种植狗牙根（Cyn‑odon dactylon）。通过改变沟底填料和植被，设计3种不同构造的生态沟渠：（1）植被生态沟渠，在沟底种植密度为45株·m-2的常绿苦草（Vallisneria na‑tans），常绿苦草购自上海海洋大学，该品种生物量小，无需收割；（2）填料生态沟渠，填料为粒径为4～6 cm的沸石，采用网带装填后置于沟底，装填厚度为0.4 m，以便于回收清洗；（3）植被与填料生态沟渠，综合上述2种沟渠配置，在沟底同时种植常绿苦草，铺设沸石填料。试验开始前，生态沟渠稳定一段时间并对水量进行调试（图1）。

于2013年7月23日开始进行动态进水试验，持续时间为20 d，试验期气温和降雨情况见图2。考虑到进水水质分布特征、处理效果、经济性以及表流湿地水力负荷[12]，确定沟渠表面水力负荷（N）为0.60 m3·m-2·d-1，则水深为 0.9 m，进水流量（Q）为1.91 m3·h-1，水力停留时间（HRT）为26.5 h。试验进水根据研究区农田尾水氮磷浓度[13]，采用附近河道水加尿素和KH2PO4配置，进水ρ（TN）为0.86～6.13 mg·L-1，ρ（TP）为0.11～0.24 mg·L-1。采样点分别设置在进水（1#）、22.5 m（2#）、45.0 m（3#）、67.5 m（4#）和出水（5#）处（图1）。试验最初2 d和最后4 d每天采集1次水样，其他时间间隔1 d采样1次。

1.2.2 生态沟渠实际处理效果试验

为研究生态沟渠的实际处理效果，于2013年8月5日开展采用沟底植被与沸石填料的生态沟渠处理农田降雨径流的模拟试验。该试验所用生态沟渠断面结构与不同构造生态沟渠处理效果试验相同，总长为110 m，其他规格见图3。采样点分别设置在进水（1*）、填料1后（2*）、填料2后（3*）、填料3后（4*）和出水（5*）处（图3）。模拟的1次降雨过程进水采用附近河道水加尿素和KH2PO4配置，水深维持在0.9 m，Q为1.95 m3·h-1，HRT为28.8 h，该流量相当于30 mm的日降雨量，属于大雨级别。试验持续时间为09：30—14：00，为使模拟降雨径流氮磷浓度符合实际，设置3个进水时段：（1）09：30—10：10为高浓度进水时段，进水ρ（TN）为6.73～7.38 mg·L-1，ρ（TP）为 0.54～0.67 mg·L-1，采样间隔 10 min；（2）10：10—11：40为中浓度进水时段，进水ρ（TN）为3.82～4.97 mg·L-1，ρ（TP）为0.40～0.49 mg·L-1，采样间隔20 min；（3）11：40—14：00为低浓度进水时段，进水 ρ（TN）为 2.33～3.05 mg·L-1，ρ（TP）为 0.32～0.44 mg·L-1，采样间隔30 min。

图1 生态沟渠断面规格、取样断面设置、填料平面布置图和实际照片Fig.1 Sectional construction of the ecological ditches，set-up of sampling section，fillers arrangement and actual pictures

图2 试验期间平均日温和降雨量变化Fig.2 Mean daily air temperature and rainfall during the experimental period

1.3 测定指标与方法

1.4 数据统计与分析

采用污染物去除效率的变异系数表征污染物处理效果的稳定性，变异系数为标准偏差除以实测数据平均值。采用SPSS 22.0软件数据统计分析，采用Sigmaplot 12.0软件制图。

图3 实际应用生态沟渠填料位置及采样点位Fig.3 Setting up and sampling points of actual ecological ditches

2 结果与分析

2.1 不同构造生态沟渠对农田面源污染物的处理效果

不同构造生态沟渠中ρ（NH4+-N）、ρ（TN）、ρ（TP）和ρ（SS）变化见图4。进水ρ（NH4+-N）为0.17～1.23 mg·L-1，平均值为0.67 mg·L-1；生态沟渠E草、E填和E草+填出水 ρ（NH4+-N）平均值分别为0.20、0.25和0.17 mg·L-1。表1显示，生态沟渠E草、E填和E草+填对-N平均总去除率分别为64.9%、62.8%和70.3%，且E草+填的变异系数最小（16.7%），可见E草+填对-N的处理效果较好，去除效率较为稳定，但不同构造沟渠间处理效果差异不显著（P=0.590）。

生态沟渠E草+填对TN的处理效果最好，出水ρ（TN）平均值为0.54 mg·L-1；平均去除率为70.6%，高于E草（63.1%）和E填（53.2%）。3种生态沟渠平均对TN的去除率之间差异显著（P=0.006）。E填对TN的去除效率相对较低，但处理效果比较稳定（变异系数为19.1%）。

3种生态沟渠对TP的去除效率均较高，平均去除率分别为71.8%（E草）、73.7%（E填）和74.3%（E草+填），差异不显著（P=0.724）。处理效果以E草+填最为稳定（变异系数为7.9%），其次为E填（变异系数为8.7%）。生态沟渠E草、E填和E草+填出水ρ（TP）变化范围分别为0.02～0.10、0.04～0.06和0.04～0.06 mg·L-1。

3种生态沟渠对SS的平均去除率差异显著（P=0.022），分别为60.8%（E草）、64.1%（E填）和80.2%（E草+填）。E草、E填、E草+填出水 ρ（SS）平均值分别为18.1、17.7和 9.6mg·L-1，远低于进水ρ（SS）的 49.1 mg·L-1。整体上，生态沟渠E草+填对SS的处理效果最好且最稳定，变异系数为13.8%。

图4 生态沟渠中铵态氮（NH4+-N）、总氮（TN）、总磷（TP）和悬浮物（SS）浓度变化Fig.4 Dynamic change in concentration of NH4+-N，TN，TP and SS in ecological ditches relative to construction

表1 不同构造生态沟渠对农田面源污染物的去除效率和变异系数以及沟渠间差异Table 1 Removal efficiency of pollutants from non-point source pollution,coefficient variation and P-values relative to con‑struction of the ditches

2.2 不同构造生态沟渠沿程处理效果

生态沟渠用于主要拦截农田排水中的氮和磷。对进水浓度较高〔ρ（TN）≥2 mg·L-1，ρ（TP）≥0.2 mg·L-1〕条件下，TN和TP沿生态沟渠长度的浓度变化进行分析。图5显示，随着沿生态沟渠长度的增加，3种生态沟渠中ρ（TN）和ρ（TP）均呈指数递减变化趋势。E填和E草+填的ρ（TN）与沟渠长度间递减规律拟合较好，拟合方程相关系数分别为0.973 3和0.996 3。E草和E填的ρ（TP）与沟渠长度间递减规律拟合较好，相关系数分别为0.967 8和0.991 3，而E草+填的ρ（TP）沿生态沟渠长度的波动相对较大，特别是在45.0 m处明显增加。

将出水ρ（TN）和ρ（TP）定为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中V类水（湖库），即ρ（TN）为2 mg·L-1，ρ（TP）为0.2 mg·L-1，根据拟合方程计算得到生态沟渠E草、E填和E草+填出水ρ（TN）达标时所需长度分别为27.4、58.0和34.1 m，ρ（TP）达标时所需长度分别为4.9、4.4和2.5 m。综合而言，当进水浓度一致时，生态沟渠E草处理TN所需长度较短，其次为E草+填；E草+填处理TP所需长度相对较短。

图5 不同构造生态沟渠中总氮（TN）和总磷（TP）沿程浓度变化Fig.5 Dynamic change in concentration of TN and TP along the ditches relative to construction

2.3 实际应用生态沟渠对农田降雨径流中氮磷的处理效果

实际应用中生态沟渠对降雨径流过程中TN和TP的拦截效果，模拟结果见图6。

图6 实际应用生态沟渠处理农田降雨径流中总氮（TN）和总磷（TP）浓度变化Fig.6 Dynamic change in concentration of TN and TP in actual ecological ditch treating farmland rainfall runoff

总体来看，随沟渠长度增加，降雨径流中ρ（TN）和ρ（TP）逐渐降低，各采样点ρ（TN）和ρ（TP）基本表现为1*＞2*＞3*＞4*＞5*。在高、中、低浓度3个进水时段实际应用生态沟渠均呈随沟渠长度增加，TN和TP的去除效率逐渐升高的趋势（表2）。

从不同时段对TN的处理效果可以看出，在高、中和低浓度3个进水时段，2*、3*和4*采样点TN去除效率差异不显著，而出水处（5*采样点）去除效率差异显著（P=0.014），3个进水时段TN最终去除效率平均值分别为46.1%、55.1%和58.0%；在高浓度时段时各采样点的TN去除率变异系数变化相对最小，去除稳定性最好。从不同时段对TP的处理效果可以看出，在3个进水时段间各采样点TP去除效率均差异显著（P＜0.05），高、中、低浓度时段出水去除效率平均值分别为41.9%、25.3%和28.8%，在高浓度进水时段时各采样点TP处理效果和稳定性均为最佳。

3 讨论

3.1 不同构造生态沟渠对农田面源污染物的去除途径

生态沟渠是一种特殊的湿地生态系统[15]，在人工湿地系统中，NH4+-N主要去除途径包括硝化作用、基质吸附、植物吸收和氨挥发等[13]。笔者研究发现不同构造生态沟渠对NH4+-N处理效果差异不显著，但生态沟渠E草的NH4+-N去除效率比生态沟渠E填略有增加，说明植物对NH4+-N的吸收拦截作用比填料的吸附截留作用稍强。也有研究表明，通过植物吸收和氨挥发的除氮量占比不足20%[16]，硝化与反硝化作用才是除氮的主要途径[17]。在生态沟渠E草+植中，植被与填料的相互作用增强了两者对NH4+-N的处理效果。与NH4+-N情况一致，生态沟渠E草的TN去除效率比E填要高，这说明与填料相比，植物的存在会增加颗粒物的沉淀，从而在TN处理效果上起作用。研究表明，填料对氮的去除主要依赖吸附作用[11]，吸附过程为先快后慢，若吸附位点部分或全部饱和，吸附则基本趋于平衡状态，后期还会出现少量释放现象[18]，这可能是试验后期生态沟渠E填出水ρ（TN）相对较高（图4）的原因。悬浮物的沉降以及基质和底泥的吸附是生态沟渠除磷的主要途径[19]。有研究表明，进水 ρ（TP）决定磷的首要去除途径，若进水ρ（TP）＞0.5 mg·L-1，主要去除途径为填料吸附及化学沉淀；若进水ρ（TP）＜0.25 mg·L-1，主要去除途径则为微生物降解[20]。笔者研究中进水ρ（TP）较低，在整个试验过程中ρ（TP）均＜0.25 mg·L-1，这表明3种构造沟渠中TP的去除途径主要为微生物降解。径流中悬浮物不仅是水体污染物，还会通过吸附、络合等作用成为其他污染物的载体[21]。研究表明，沉积作用是有效降低出水 ρ（SS）的截留方式[21]，笔者研究中植被和填料的相互作用显著加强沉积作用，提高沟渠对SS去除效率。笔者试验开始前2 d有0.1 mm降雨，虽然有研究表明较大降雨对沟渠中的氮磷浓度有重要影响[22]，但试验过程中降雨量较小，故降雨对笔者试验结果的影响可忽略。

表2 实际应用生态沟渠对降雨径流中氮磷的去除效率和变异系数以及时段间差异Table 2 Removal efficiency of nitrogen and phosphorus in farmland rainfall runoff,coefficient variation and P-values rela‑tive to time in actual ecological ditches

3.2 不同构造生态沟渠的沿程处理效果与效益分析

从主要污染物沿生态沟渠长度的浓度变化可以看出，随着沟渠长度增加，TN、TP浓度逐渐降低，说明污染物在生态沟渠中的迁移具有规律性，这与余红兵等[22]研究结果一致。笔者研究拟合曲线表明，3种构造生态沟渠的前段对TN、TP处理效果较好，后段可能是由于污染物浓度已经较低，处理效果并不明显，这与陈海生等[23]研究结果类似。研究表明，沟渠系统本身具有抗冲击的可修复能力，在外界条件作用下具有不稳定特征[24]，这可能是生态沟渠E草+填中ρ（TP）随迁移距离变化不规律的原因。生态沟渠E草+填在45.0 m处ρ（TP）显著增加，这可能与污染源或该段填料对TP的吸附饱和再释放有关[18]，需要开展后续试验深入探讨。笔者研究计算得到进水浓度较高情况下，出水TN、TP浓度达到地表水Ⅴ类标准时，不同构造生态沟渠的适宜长度。综合TN、TP的处理效果来看，与TP相比，处理TN所需沟渠长度较长，这可能与污染物初始浓度有关。3种构造生态沟渠相比，处理TN时，虽然生态沟渠E草所需长度较短，但生态沟渠E草+填的处理效果较高；从经济效益上看，生态沟渠E草+填需要购置沸石填料，沸石按价格为500 元·t-1、密度为2.0 g·cm-3计算，同样建造30 m沟渠，生态沟渠E草+填需比E草多购置0.8 m3（1.6 t）沸石，多投入800元。综合TP的处理效果来看，生态沟渠E草+填所需长度相对最短，处理效果相对较高，所以应根据实际情况和主要污染物选择沟渠构造。从环境效益上看，按照每667 m2水稻耗水1 500 m3计算，生态沟渠E草可减少农田径流中污染物排放2.12 kg TN和0.20 kg TP〔进水平均ρ（TN）为2.24 mg·L-1，去除率为63.1%；进水平均ρ（TP）为 0.19 mg·L-1，去除率为 71.8%〕，E草+填可减少2.37 kg TN和0.21 kg TP（TN去除率为70.6%，TP去除率为74.3%），均可有效减少对周边水环境的污染。长江中下游地区（如太湖流域）水网密布，农村经济发达，化肥施用量高，宜选择合适的生态沟渠来强化净化农业面源污染物，减轻水体污染负荷。

3.3 农田降雨径流对生态沟渠处理效果的影响

降雨时产生的径流排入沟渠会造成氮、磷污染，降雨过程中径流氮、磷浓度会呈由高到低的趋势，这是由于降雨初期污染物主要受沉积作用的影响，在短时间内污染物与被冲刷流失的泥土等结合而沉积下来所致。在灌溉和降雨条件下生态沟渠氮磷输出特征研究结果表明，其对TN、TP的去除率达64%和70%[22]。而笔者模拟降雨径流试验中，高、中和低浓度3个进水时段时生态沟渠对TN、TP的去除率均没达到该比例，这可能是因为生态沟渠对径流氮磷拦截处理效果因污染物进入量和降雨强度差异导致。有研究表明沟渠进水ρ（TN）的变化对其去除率影响不大[25]，这与笔者研究结果不同。笔者研究发现，进水浓度不同条件下，生态沟渠中各采样点TN去除率差异不显著，而出水TN去除率差异显著（P=0.014）。研究表明，进水ρ（TP）对沟渠磷处理效果有影响[6]，进水ρ（TP）浓度越高，填料对磷的吸附作用越强，处理效果越好。总体来看，110 m长采用沟底植被与沸石填料的生态沟渠在低污染物浓度条件下对径流TN最终处理效果较好，在高污染物浓度条件下对径流TP处理效果较好，而高浓度时段去除稳定性较好。

4 结论

（1）在相同动态进水浓度条件下，生态沟渠E草、E填和E草+填对农田面源污染物NH4+-N、TN、TP和SS均有较好的处理效果。与生态沟渠E草和E填相比，生态沟渠E草+填对NH4+-N、TN、TP和SS的去除效率均相对较高，分别达到70.3%、70.6%、74.3%和80.2%，稳定性也相对较强。沟渠中ρ（TN）和ρ（TP）随迁移距离呈指数降低趋势。

（2）植被与填料生态沟渠对模拟降雨径流的实际处理效果因进水浓度不同而存在显著差异，进水污染物低浓度条件下对TN处理效果较好；对高TP浓度的处理效果显著高于低浓度时，且较短的生态沟渠距离（25 m）就能达到较好的效果。

（3）实际应用过程中，要根据生态沟渠的最大排水量，结合种植结构、田块排水口位置和与排入水体位置关系等，因地制宜进行设计，以期实现在有限空间中处理效果和生态效应的最大化。

生态沟渠是与农田密切联系的线型湿地系统，利用了土壤、植被、填料和水体自身的综合作用。笔者虽然对主要污染物的处理效果和沿程分布进行研究，但在填料选择、空间设置间隔和容积占比等方面仍需要进一步研究，以期为不同工况条件下，生态沟渠的设计、运行及维护提供参数。同时，在植被-填料协同作用的机制方面，仍有待进一步研究。