川中丘陵区生态沟渠对径流无机含氮化合物的截除效果

2022-03-30周邶邶冯钰婷

西华师范大学学报（自然科学版） 2022年1期

周邶邶，冯钰婷，刘泉

(绵阳师范学院资源环境工程学院，四川绵阳 621006)

我国农村地区污水处理的工程设施建设仍较为滞后，未经妥善处理且富含大量氮(N)、磷(P)等营养元素的场镇生产、生活废水直接排放，通过沟渠系统向流域迁移，使得水中N、P等营养物质浓度增加，藻类过度繁殖，水质恶化，影响水域内的生产、生活活动[1-2]。寻求一种低能耗、低成本的污水生态处理技术，已成为农村生态文明建设的首要任务。沟渠湿地生态系统净化效果好，易建造且成本低廉，后期劳动力消耗少，具有较高的社会价值和环境效益。近年来，国内外科学家们高度重视沟渠在非点源污染治理中的重要作用。美国、加拿大已有65%左右的农田利用沟渠系统排水[5]。

研究区位于川中丘陵区,是三峡库区、长江流域水环境的重要影响区，具有特殊的生态敏感性[3]，为了更好地进行农业生产与泄洪，建设了大量的非水泥硬化人工生态系统[4]。汪涛等[6]研究表明，川中丘陵区天然沟渠N含量受多种因素影响，该区少数居民区沟渠水体污染严重，富营养化现象明显。所以，开展川中丘陵区生态沟渠拦截、去除作用研究，系统认识川中丘陵区沟渠植物生态拦截作用显得尤为重要。

本研究依托四川盐亭农田生态系统国家野外科学观测研究站，以在生态沟渠不同区段合理布设不同水生植物作为创新点，对不同点位生态沟渠的水样和沉积物进行收集处理并检测分析，剖析生态沟渠的生态拦截效应，探讨生态沟渠内不同植被组合对村镇生活污水的净化效率，可为制定无机含氮化合物的去除措施和类似地区的非点源污染治理提供科学依据和技术支撑。

1 研究区概况

研究区为绵阳市盐亭县林山乡，位于四川盆地北部，该地区位于我国第二、三阶梯过渡带，隶属嘉陵江水系三级支流，平均海拔420 m，是典型的紫色土丘陵农耕区[7]。林山乡是紫色土丘陵地区城乡结合部典型的村镇，具有农村和城市双重耦合的特点。该乡控制面积约2.34 hm2，场镇总人口5 097人，常驻居民约450人。每月的逢场日都会有大规模的市场活动，此时餐饮排污、屠宰废水等排放量猛增且无序排放，使得场镇以不足5%的土地利用面积贡献了30%～40%的小流域N的污染负荷[8]，这对当地水环境，甚至对长江上游水环境都产生了影响。因此，农业生产的传统模式和频繁的场镇商业活动交叠给截流村非点源污染治理带来了复杂的挑战。

1.1 采样点选取

通过调查林山乡居民的生活及商业活动，了解污水的排放时间和排放方式，确定采样日期为2018年7月至2018年8月(雨季)。依据生态沟渠分段种植植物的特点以及沟渠地形地势，沿着水流方向设置4个沉积物采样点以及6个采水样点(图1)。

1.2 生态沟渠植被生长特性

试验期间，各植物均长势良好，且沟渠进、出口水质有显著感官差别：前者水体浑浊呈黄灰色，并伴有一定的恶臭味和油脂类物质(屠宰废水、居民用水等)；后者水体清澈见底，无异味。村镇生活用水水质的改善，大部分归功于利用不同植物组合的生长特性(表1)增强了对N的亲活力，提升了水质净化效果。

表1 水生植物生长情况及水质净化功能表

1.3 样品采集与测定

1.3.1 水样采集及分析方法

每次6个采水样点同时进行采样，同一取样点同一时间内取样3次。样品用洁净的500 mL塑料瓶采集后立即送回实验室，4 ℃保存并在48 h内进行分析[10]。

1.3.2 沉积物采集及分析方法

用无扰动沉积物采样器(内径50 mm，长1 m)在沉积物采样点进行采集，采样深度为0～10 cm，同一采样点同一时间内取样1次。沉积物采集完毕后，密封送回实验室。

(1)沉积物含水量测定：取沉积物，放入已知重量的铝盒中，在分析天平上称重，然后将铝盒盖套在铝盒下面，以103～105 ℃烘8 h，取出并将铝盒盖好，放入干燥器中冷却至室温，并称重。

1.3.3 数据分析方法

污染物的拦截去除率公式为：Ri=(C0i-C1i)/C0i×100%，其中，Ri为不同形态无机含氮化合物的去除率(%)；C0i为前端相应污染物质量浓度(mg·L-1)；C1i为后端相应污染物质量浓度(mg·L-1)。

沉积物含水量计算公式为：η=(W1-W2)/(W2-W)×100%，其中，η为沉积物含水量(%)；W1为湿土重+铝盒重(g)；W2为烘干土重+铝盒重(g)；W为铝盒重(g)。

沉积物无机含氮化合物的含量计算公式为：M=(ρ×V/G)×(1+η)，其中，M为沉积物中无机含氮化合物的含量(mg·kg-1)；ρ为沉积物无机含氮化合物的浓度(mg·L-1)；V为滤液体积(mL)；G为称取的沉积物质量(g)。

分段削减贡献率计算公式为[13]：N=(K分段后-K分段前)/(L出口-L进口)×100%，其中，N为分段削减贡献率(%)；K分段后为不同植物段后污染物浓度(mg·L-1)；K分段前为不同植物段前污染物浓度(mg·L-1)；L出口为沟渠出口处污染物浓度(mg·L-1)；L进口为沟渠进口处污染物浓度(mg·L-1)。

2 结果与分析

2.1 生态沟渠对水体无机含氮化合物的去除效果

2.1.1 不同形态无机含氮化合物的变化情况

研究结果表明，随着沟渠长度的不断增加和不同区段种植适宜的水生植物，水体中的无机含氮化合物能够有效地被去除。

2.1.2 不同形态无机含氮化合物去除效果分析

表2 分段植物无机含氮化合物去除率

2.2 生态沟渠沉积物含量特征

2.3 沟渠植物对水体净化效率分析

2.3.1 不同段植物净化效果排序

各植被段去除效率排序如表3所示：沟渠段的去除效率为A4—A5=A3—A4>A2—A3>A1—A2，即菖蒲、铜钱草的去除效果不及美人蕉和杂草段，这需要在沟渠净化水体时重新调整物种搭配以及重设沟渠各段长度；在杂草段铺设砾石、鹅卵石等作为过滤层，可有效吸附污染物质，起到很好的过滤作用。

表3 去除效率排序表

2.3.2 不同段植物对水体净化的贡献率

分段消减贡献率如表4所示。生态沟渠中无机含氮化合物浓度总体上呈削减态势，但各段的去除贡献率差异较大，依次为：美人蕉段(A3—A4)为181.78%；杂草段(A4—A5)为120.95%；铜钱草段(A2—A3)为86.56%；菖蒲段(A1—A2)为10.69%。总体来说，经过生态沟渠的作用，径流无机含氮化合物含量大幅度降低，对非点源污染监控特别是水体质量改善具有明显作用。