排水沟水位控制闸—过水堰系统对于稻田排水中氮素的去除效果

2019-12-27和玉璞洪大林夏超凡

中国农村水利水电 2019年12期

和玉璞，王洁，洪大林，夏超凡，车力，张建

(1. 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程国家重点实验室，南京 210029；2. 江苏省农村水利科技发展中心，南京 210029；3. 淮安市洪泽区水利局，江苏淮安 223100)

目前，面源污染是我国地表水体中氮磷等营养物质的重要来源，同时也是全球面临的主要环境问题之一[1]。其中，农业面源污染渐成为农村地表水环境恶化的主要贡献者。据《第一次全国污染源普查公报》，农业污染源中总氮、总磷排放量分别为270.46和28.47万t，分别占地表水体污染负荷总量的57.2%和67.4%。水稻是我国最重要的粮食作物之一，2016年，我国水稻播种面积3 074.59 万hm2，产量达到21 109.42 万t。我国水稻生产中为追求粮食高产，普遍过量施用化肥，加之不合理的稻田灌溉排水措施，使得稻田大量营养元素经田表排水进入周边水体，成为了农业面源污染的重要来源。沟渠是农业面源污染运移的主要路径，采用适宜技术构建生态沟渠实现农业面源污染的过程阻断，是面源污染“4R”防控策略的重要环节[1-6]，已成为国内外研究的热点问题。部分学者结合氮磷吸附基质与生物系统构建排水沟过水堰，拦截并去除农田沟渠中营养物质[7-9]。然而，由于稻田排水沟具备排涝降渍功能，为减少过水堰对排水沟过水断面的占用，实际应用的过水堰规格普遍较小，仅能够在沟道少量排水时(水量少、流速低)发挥净化作用。在遭遇较大降雨后，稻田产流历时短、水量较大，大量排水从过水堰上表面进入上级沟道，无法有效发挥过水堰的氮磷去除功能。相关研究表明，排水沟控制排水技术通过对农田排水的拦蓄，延长了排水停留时间，对农田排水中氮磷具有良好的去除效果[4, 10]。因此，可以考虑将排水沟控制排水与过水堰技术结合，充分发挥两种技术的优势，增强对于排水中氮磷的去除效果。然而，已有研究未涉及控制排水与过水堰组合调控对于稻田排水中氮磷的去除效果与机制，系统组成形式与调控模式尚属空白。为此，本文构建了排水沟水位控制闸-过水堰组合系统，基于田间实测资料，分析系统对于稻田排水中氮素的去除效果，探讨系统作用机制，旨在利用过程控制的方式减少稻田面源污染输出量。

1 材料与方法

1.1 试区概况

试验于2017年在江苏省淮安市洪泽区曹圩村开展(33°19′05″N; 119°02′25″E)。试区属于北亚热带和暖温带过渡性地带，具有季风性和兼受洪泽湖水体调节的气候特点。试区四季分明，气候温和，年平均气温14.9 ℃，年均无霜期242 d，年均降水量913.3 mm，年均日照2 300 h。当地习惯稻麦轮作，土壤为水稻土。

1.2 试验布置

2017年选取试区典型农沟并在其与生产河交汇处新建了水位控制闸-过水堰组合系统(图1)，农沟汇水区域为长方形的稻田，田块规格为605 m×160 m，约9.67 hm2。其中，水位控制闸采用钢筋混凝土结构，钢制的闸门顶高程与汇水区域的农田田面高程一致。在水位控制闸顶部布置有手动启闭机，用于控制钢制闸门。在稻季的大部分时段，水位控制闸的闸门处于关闭状态，用于拦蓄稻田排水，农沟水蓄满后从闸门顶溢流。在稻田晒田及遭遇暴雨后，打开水位控制闸的闸门进行自由排水。过水堰由六级堰体组成，位于水位控制闸下游2 m，对从水位控制闸的溢流水体进一步净化。第一级与第六级堰体填料为粒径2～3 cm的块石，主要作用为水力消能与稳定堰体结构；第二、三级堰体填料为粒径2 cm左右的沸石，作为氮素吸附基质；第四、五级堰体填料为立体弹性立体材料(塑料毛刷)，作为生物膜的载体。各种滤料用金刚网(100目)包裹后置于金属框架作为单级堰体。

水位控制闸用于拦蓄稻田排水，发挥明沟控制排水技术对于农沟水体的氮磷去除效果。农沟水蓄满后从水位控制闸自动溢流，经过水堰净化后流入生产河。试验区为机插秧水稻，6月15日插秧，11月10日收割。

1.3 试验观测内容与方法

本研究在稻田黄熟期排水后(2017年10月11-15日)进行系统各环节的水样采集与分析工作，试验时段内稻田田面排水及侧向渗漏导致农沟水位保持在较高水平，水位控制闸持续溢流。水样具体采集方法如下：稻田排水在排水沟拦蓄的5 d内，每天在排水沟水位控制闸上游固定处采集1个水样，结合水位控制闸门溢流情况，在过水堰后固定处采集1个水样(图1)。

图1 水位控制闸-过水堰示意图Fig.1 Controlled drainage gate and matrix dam in ditch

2 结果与分析

2.1 农沟水体氮素浓度变化特征

试验观测时段内，水位控制闸前及过水堰后水体中TN浓度总体下降(图2)。其中控制闸前水体TN浓度下降速度前期较大，后期下降速度降低。控制闸前水体中TN浓度从10月11日的7.44 mg/L，迅速降至10月12日的5.62 mg/L，至试验观测结束时控制闸前水体中TN浓度降至4.00 mg/L。水位控制闸将稻田排水拦蓄在农沟后，水体中氮素在微生物转化、植物吸收、底泥吸附和氨挥发的协同作用下被有效去除，浓度稳定下降[4]。试验观测时段内，过水堰后水体TN浓度大部分时间均低于闸前水体，平均降幅8.19%(图2)。由于过水堰内组合布设了沸石与弹性材料，对水体中氮素具有吸附作用，从而降低了水体中TN浓度。

图2 试验观测期内农沟水体总氮浓度变化过程Fig.2 Changes of total nitrogen concentration in eco-ditch

图3 试验观测期内农沟水体铵态氮浓度变化过程Fig.3 Changes of ammonium nitrogen concentration in eco-ditch

图4 试验观测期内农沟水体硝态氮浓度变化过程Fig.4 Changes of nitrate nitrogen concentration in eco-ditch

2.2 系统对于氮素去除效果

排水沟水位控制闸-过水堰系统有效降低了稻田排水中氮素浓度，对农沟排水中TN的去除率达到58.20%，环境效应显著(表1)。国内外已见报道的生态排水沟对于农田排水中氮素去除率多在27.0%～49.9%[20]，本研究构建的系统综合发挥了控制排水技术与吸附基质对于农田排水中氮素的协同去除作用，去除效果优于传统的生态沟渠，且系统建设成本、运行管理难度较低，具有较高的技术可行性。

表1 排水沟水位控制闸-过水堰系统各环节对于氮素的去除率 %

注：在水位控制闸上游固定处逐日采集水样并分析氮素浓度的变化，获得水位控制闸对于稻田排水氮素的去除率；在过水堰下游固定处逐日采集水样并分析氮素浓度的变化，与水位控制闸上游同时采集水样的氮素浓度进行对比，获得过水堰对于稻田排水氮素的去除率。

排水沟水位控制闸-过水堰系统对于农沟水体中有机氮的去除效果优于无机氮(表1)。系统综合作用下，农沟排水中无机氮的去除率为11.89%，明显低于系统对于农沟排水中TN及有机氮的去除率。在排水沟控制排水技术作用下，农沟水体流速降低、排水量下降，农沟水体停留时间延长，对于水体中颗粒态有机氮的沉淀及拦截作用随之增强[21, 22]。此外，稻田水环境中溶解性有机氮具有较高的可生物降解性[23]，在农沟拦蓄的时段内，土壤及水体中的微生物可大量分解溶解性有机氮。同时，过水堰中采用了沸石作为吸附材料，对于水体中溶解性有机氮具备一定的吸附能力[24]。系统综合作用下，农沟水体中有机氮浓度大幅降低。

排水沟控制排水技术对于氮素的去除是系统水体净化能力的主要贡献(表1)。系统中水位控制闸对于农沟排水中氮素的去除率为46.24%，远大于过水堰的去除率8.19%。本研究中过水堰吸附基质对于稻田排水中氮素的去除效果低于已有研究结果，Fu等人[7]、何元庆等人[9]利用吸附材料构建生态沟渠，对于稻田排水中TN去除率分别达到27.0%、49.9%。本研究是在水位控制闸下游布置生态过水堰，填充吸附基质，Fu、何元庆等人的试验是在沿排水沟在底部一定深度范围布设吸附基质[7, 9]，材料使用量远高于本研究。此外，本研究过水堰处理水体的氮素浓度较低，也在一定程度影响了氮素去除率[25]。