天津地区生态沟渠不同植物配置对氮磷去除效果研究*

朱晓瑞 张春雪 郑向群 任天志 陈昢圳 杨永安

(1.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；2.中国农业科学院，北京 100081；3.天津市玉米良种场，天津 301507)

随着我国农业的快速发展，农业面源污染已成为水环境污染的主要问题之一。农业化肥中的氮磷等污染物是我国河湖水质不断恶化的一个重要因素。目前，天津地区河湖富营养化现象普遍，潮白河作为天津地区的重要水源之一，其周围大量的农田排水及农村生活污水，就对潮白河水质造成了很大的影响[1]。

沟渠是连接农田与河流、湖泊等受纳水体的纽带，不仅具有排水功能，还具备湿地功效[2]，可通过底泥吸附、植物吸收拦截和微生物降解等机制净化污染物[3]，是治理农业面源污染的重要技术手段之一[4]。近年来，国内外学者对生态沟渠净化富营养水体进行了较系统的研究[5]，大多研究主要集中在通过构建模拟沟渠[6-7]，研究多种水生植物对水体的净化作用。此外，杨林章等[8]、张树楠等[9]、王令等[10]和傅玲[11]对不同植物搭配方式下生态沟渠对水体氮磷去除效果也做了大量研究。然而，关于不同植物布设位置对生态沟渠氮磷去除效果，以及筛选出因地适宜的生态沟渠植物配置模式提高其净化效果的研究较少。

表1 沟渠进水氮磷质量浓度

本试验设置2组沟渠植物配置模式，研究不同植物配置模式下沟渠氮磷去除效果，从而筛选出适宜天津地区的生态沟渠植物配置模式，以期为保障河流水质安全、实现农业可持续发展提供理论依据和技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于天津市宁河县东棘坨乡玉米良种场(39°33′N、117°82′E)，占地面积约0.08 hm2，属大陆性季风气候，地处暖温带半干旱半湿润风带，夏季气温较高且降水集中，冬季较寒冷干燥。全年平均气温11.2 ℃，最低和最高气温分别出现在1、7月。全年平均降水量642 mm左右，主要集中在6—8月(占全年降水量的70%)。试验区土壤为潮土，基本理化性状为pH 8.38、有机质9.70 g/kg、总氮0.49 g/kg、总磷0.64 g/kg、阳离子交换量(CEC)16.30 cmol/L。

1.2 试验材料

试验选择生长良好、对氮磷等污染物去除能力强的水生植物。沟底植物采用水芹(Oenanthejavanica)、空心菜(Ipomoeaaquatica)、茭白(ZizanialatifoliaTurcz)3种水生蔬菜，沟壁植物采用水葱(Scirpusvalidus)、油莎草(CyperusesculentusL.)、梭鱼草(Pontederiacordata)3种护坡植物。所用植物购买于当地市场，植物种植密度均为30株/m2。沟渠用水来源为附近的小河沟，该河与潮白河水体相连，各沟渠进水采用的是模拟农田排水方式。试验期间沟渠进水氮磷质量浓度如表1所示。

1.3 试验设计

试验1：对比不同水生蔬菜(沟底)+护坡植物(沟壁)植物配置模式沟渠氮磷净化效果。试验共设置4条沟渠，以自然沟渠(杂草(沟底)+杂草(沟壁))作为空白对照，其他生态沟渠沟底分别种植水芹、空心菜、茭白，沟壁均种植水葱。

试验2：对比水生蔬菜(沟底)+不同护坡植物(沟壁)植物配置模式沟渠氮磷净化效果。试验共设置4条沟渠，以自然沟渠作为空白对照，其他生态沟渠沟底均种植茭白，沟壁分别种植水葱、油莎草、梭鱼草。

试验沟渠长40 m，横断面形状为倒梯形(见图1)，口、底宽分别为1.5、1.0 m，沟深0.5 m，水深25.0 cm。沟渠从2016年7月26日开始运行，到10月21日停止，试验期共88 d，其中最后一天为沟渠晾干。各沟渠均采用间歇运行方式，沟渠浸水时间∶晾干时间为10∶1，每个运行周期共11 d。在沟渠进水与出水当天采集水样，采样断面分别设定在每条沟渠的前、中、后3处。水样采集后加酸固定，编号标记，带回实验室，4.0 ℃下保存，在24 h内测定其中氮磷含量。

图1 沟渠横断面Fig.1 Cross section view of the ditch

1.4 样品测定与数据处理

总氮采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法；硝态氮采用紫外分光光度法；氨氮采用纳氏试剂分光光度法；总磷采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法[12]。试验数据采用Excel和SigmaPlot处理，利用SPSS进行显著性检验。

2 结果与讨论

2.1 沟底种植不同水生蔬菜对氮磷的净化效果

2.1.1 沟底种植不同水生蔬菜出水氮磷浓度

由表2可看出，4条沟渠出水总氮总体均表现为先升后降的趋势，主要是受进水水质的影响。各处理总氮平均值表现为自然沟渠>水芹>茭白>空心菜。其中，在沟底种植空心菜、茭白的生态沟渠总氮平均值显著低于自然沟渠，而沟底种植水芹的生态沟渠总氮平均值较自然沟渠降低了5.08%，两者之间差异不显著。其原因是，水芹性喜凉、忌炎热，而试验初期(1～54 d)气温最高可达35.0 ℃，水芹生长较慢，导致生态沟渠出水总氮均高于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类标准限值(1.0 mg/L)。樊均德等[13]研究低温条件下水芹对生活污水的净化效果，结果表明，在9.0～12.0 ℃的低温下，水芹对生活污水中氨氮具有较好的去除效果，去除率为47.86%。

水体无机氮主要以硝态氮和氨氮的形式存在，是水生植物的有效氮源。4条沟渠出水硝态氮总体均表现为先升后降的趋势。各处理硝态氮平均值表现为自然沟渠>茭白>水芹>空心菜。4条沟渠出水氨氮在试验1～32 d波动较大。沟底种植3种水生蔬菜的生态沟渠氨氮平均值均显著低于自然沟渠，但3者之间氨氮平均值差异不显著。

生态沟渠对磷的去除主要通过底泥的吸附沉降、植物拦截吸收和微生物降解等。4条沟渠出水总磷在试验21～65 d总体均呈现下降趋势，在试验65～87 d逐渐上升。沟底种植空心菜的生态沟渠总磷平均值显著低于水芹和茭白。其原因可能是，空心菜茎蔓生，发达的根系形成较大的接触面积，促进水体中的磷沉降到沉积物中，并减少底泥中磷向上覆水的释放，导致水体中总磷较低。

2.1.2 沟底种植不同水生蔬菜对氮磷的去除率

由图2可看出，在沟底种植水芹、空心菜、茭白对氮磷的去除率均显著好于自然沟渠。空心菜对总氮、总磷的平均去除率分别为49.00%、56.05%，显著高于水芹和茭白。水生植物的净增生物量是决定水生植物水质净化能力的一个重要因素[14]。空心菜的生长能力最强，长势最好，其茎叶是其主要生物产出量，通过多次收获茎叶而源源不断地将氮磷等养分移出水体，因此对总氮、总磷的去除率较显著。杨绍聪等[15]研究也表明，空心菜通过茎叶大量吸收水中的氮磷等养分，从而获得了较高的茎叶生物产出量，对水体氮磷去除率在50%左右。

植物对氮的吸收利用主要为无机氮，3种水生蔬菜对硝态氮、氨氮的去除效果均表现为空心菜>水芹>茭白，其中水芹、空心菜对硝态氮的平均去除率显著高于茭白，分别是茭白的1.12、1.16倍。其原因可能是，水芹、空心菜对硝态氮的亲和力较强，具有较大的吸收效率[16]，适宜用来修复污染水体，这与谢静等[17]研究结果相似。

表2 沟底种植不同水生蔬菜的沟渠出水氮磷质量浓度1)

注：1)不同字母表示不同处理之间差异性显著(P<0.05)。图2、表3和图3同。

图2 沟底种植不同水生蔬菜的氮磷平均去除率Fig.2 Removal rate of nitrogen and phosphorus in different aquatic vegetables at the bottom of the ditch

表3 沟壁种植不同护坡植物的沟渠出水氮磷质量浓度1)

注：1)根据实际数据进行显著性分析。

2.2 沟壁种植不同护坡植物对氮磷的拦截效果

2.2.1 沟壁种植不同护坡植物出水氮磷浓度

由表3可见，4条沟渠出水总氮为0.38～2.73 mg/L，总体均呈现先升后降的趋势。各处理总氮平均值表现为油莎草>自然沟渠>梭鱼草>水葱。其中，沟壁种植水葱的生态沟渠出水总氮平均值显著低于其他处理，其原因可能是，水葱移栽后适应环境能力较强，根茎对泥沙拦截效果好于油莎草和梭鱼草[18]。4条沟渠出水硝态氮为0.17～1.86 mg/L，总体呈现先升后降的趋势；出水氨氮为0.04～0.20 mg/L，试验1～32 d波动较大，43～87 d沟壁种植水葱、油莎草的出水氨氮较稳定。此外，各处理硝态氮和氨氮平均值均以沟壁种植水葱最低，分别为0.55、0.09 mg/L。试验期间，沟壁种植不同护坡植物出水总磷浓度变化一致，总体呈现先降后升的趋势，其中沟壁种植水葱、油莎草的总磷平均值显著小于梭鱼草、自然沟渠。

图3 沟壁种植不同护坡植物的氮磷平均去除率Fig.3 Removal rate of nitrogen and phosphorus in different slope protection plants in the ditch wall

2.2.2 沟壁种植不同护坡植物对氮磷的去除率

由图3可看出，在沟底种植水葱、油莎草和梭鱼草对氮磷的平均去除率均高于自然沟渠。水葱对总氮、硝态氮、氨氮的去除率分别为41.31%、50.81%、40.74%，显著高于油莎草。其原因可能是，水葱可通过根系向水体中释放化感物质以抑制浮游藻类的生长，达到净化水质的目的[19]。李锋民等[20]研究也表明，在受试浓度范围内，水葱对藻类的最大抑制率能达到70%以上。

沟渠植物对磷的拦截作用主要表现为沉降，其中植物生长和环境条件是影响其对磷素去除效果的主要因素。沟壁种植不同护坡植物对总磷的拦截效果表现为水葱(45.24%)>油莎草(40.04%)>梭鱼草(33.60%)，这与左小凤[21]的研究相似。其原因是，本试验中，水葱的生长情况最好，梭鱼草、油莎草在试验后期先后出现叶片枯萎现象，进入衰败期，其体内的营养物质发生转移，对氮磷的吸收拦截能力大大降低。其次，植物的某些部分不断退化凋落并被微生物分解，分解作用会将水生植物吸收的养分以有机态的形式再次释放到水体中[22]，导致去除效率较低。

2.3 2组植物配置模式沟渠氮磷去除效果比较

综合比较两组植物配置模式沟渠对氮磷的去除效果，人工配置的生态沟渠对水中总氮、总磷的去除率分别为33.43%～49.00%、33.60%～56.05%，均高于自然沟渠。其原因有，生态沟渠沟底水生蔬菜与沟壁护坡植物均有较发达根系，可为微生物提供更多的附着点和营养物质，而微生物降解作用是水体净化的关键；其次，植物光合作用产生的氧经过通气组织传送到根部，扩散到周围缺氧的底质中，促进根际微生物活动，有利于氮磷的吸收转化[23-24]，因此对水体的净化作用较好。此外，在人工配置的生态沟渠中，以空心菜(沟底)+水葱(沟壁)植物配置的生态沟渠对总氮、硝态氮、氨氮和总磷的平均去除率最高，分别可高达49.00%、59.04%、43.91%、56.05%。

3 结 语

(1) 沟渠作为河流入水与农田排水的“源与库”对水体有一定的净化作用，其中人工配置的生态沟渠对水中总氮、总磷的去除率分别为33.43%～49.00%、33.60%～56.05%，均高于自然沟渠。

(2) 在沟底种植不同水生蔬菜中，以空心菜对氮磷的净化作用较好，对总氮、总磷的去除率分别为49.00%、56.05%；在沟壁种植不同护坡植物中，水葱对氨氮和总磷的拦截去除率分别为40.74%、45.24%，显著高于油莎草和梭鱼草。

(3) 综合比较2组植物配置模式的沟渠，以空心菜(沟底)+水葱(沟壁)植物配置的生态沟渠氮磷去除效果最佳，总氮、硝态氮、氨氮和总磷的去除率分别为49.00%、59.04%、43.91%、56.05%。该植物搭配生态沟渠是适宜天津地区治理氮磷污染的一种可行模式，研究成果将为治理天津地区面源污染提供技术指导。