浙江省农田氮磷生态拦截沟渠系统功能实现结构化评估体系的探讨与实证

董越勇， 鲁长根， 王志荣， 邵建均， 杨旭斌， 吕旭东， 葛佳颖

(浙江省农业农村生态与能源总站，浙江 杭州 310006)

目前，我国不合理水肥管理引发的农业面源污染问题较为突出，是水体污染的一个重要来源[1]。在“十四五”开局之时，生态环境部、农业农村部针对农业面源污染防控指出，在防控路径上要从源头减量延展到过程阻断、养分再利用和生态修复，建立农业面源污染防治技术库，形成易复制、可推广的治理模式和管理措施，逐步形成产业化、规模化效应。其中过程阻断是指在污染物向水体迁移的过程中，通过物理的、生物的以及工程的等方法对污染物进行拦截阻断和强化净化，延长其在陆域的停留时间，最大化减少进入水体的污染物量[2]。目前在过程阻断中应用比较普遍的有生态沟渠技术、人工湿地技术、稻田消纳技术、前置库技术、丁型潜坝技术等[3]。而生态沟渠技术因其不需额外占用耕地等优势，是其中应用比较广泛的农业面源污染过程拦截技术。

1 概况

改造农田排水沟渠或农田灌排两用沟渠为生态沟渠就是利用沟渠是农田与河塘湖库间水流“连通器”的优势，通过在渠内建造透水坝、沉泥池、反硝化除磷装置，并在渠堤、渠内种植蜜源植物与优势水生植物，加强沟渠系统的生态修复与生态拦截能力，实现底泥截留吸附、植物吸收与微生物降解转化等多种途径持留、吸收、固定或转移农田排水中的氮磷营养物质、农药重金属等污染物质[3-6]。对比简易土质排水沟渠与混凝土板型沟渠，生态沟渠表现出对农田径流水中氮磷元素明显的拦截作用[7-9]。通过生态沟渠技术的实施，不仅可以相应地改善环境，还可节省原本通过农田沟渠排放到下游水体中氮磷的潜在处置费用所带来的经济效益，是值得全面推广应用的环境友好型技术[10]。早在2018年，浙江省为坚决打赢污染防治攻坚战，积极推进农田水环境治理，在全国率先开展农田沟渠水环境综合治理工作[11]，建设任务列入省政府重点工作、乡村振兴建设任务和“五水共治”一类考核目标。在建设中，浙江各地把生态沟渠作为农田面源污染治理与农田生态化的重要载体，重点在粮食生产功能区、农业面源污染较重区域和饮用水源等环境敏感区周边建设，因地制宜建设具有区域特点、景观性突出的高标准田园景观型生态沟渠系统,同时与新时代美丽乡村、美丽田园、农业绿色发展、农村人居环境整治等结合起来，从而使生态沟渠在源头减量的基础上完成农田氮磷的过程拦截作用，更兼顾了生态功能、环境功能和景观功能；在生态沟渠的个体表征上，绝大部分具有“氮磷拦截、生态修复、洁净排放、田园景观”四大功能。这一建设载体已高度集成化，必须以系统理念加以规划、建设和管护，浙江省在建设伊始即将其定义为农田氮磷生态拦截沟渠系统(以下简称“生态沟渠系统”)。生态沟渠系统是浙江省在全国唯一全面实施、具有浙江辨析度的标志性工程。如图1所示，2018—2020年全省累计建成农田生态氮磷拦截沟渠402条，总长度453.39 km，覆盖农田面积18 814.67 hm2，累计投入资金1.9亿元。据2020年浙江省生态与能源总站对嘉兴、湖州、杭州、绍兴和金华的5条实施生态沟渠的水质监测结果显示，水体中化学需氧量(COD)平均去除率为30.78%，总磷的平均去除率为29.14%，总氮的平均去除率为23.77%，氨氮的平均去除率为22.76%。2021年浙江省已开工建设生态沟渠103条，建设长度132.09 km，覆盖农田面积5 158.67 hm2，共落实建设资金7 736.21万元。同时凝练、编制、发布了浙江省地方标准《农田面源污染控制氮磷拦截沟渠系统建设规范》(DB33/T 2329—2021)、《浙江省农田面源污染控制氮磷生态拦截沟渠建设技术规范(试行)》、《浙江省农田氮磷生态拦截沟渠系统管理维护技术要点(试行)》等标准规范。

图1 2018—2020年浙江省建设的生态沟渠系统数量与地区分布

生态沟渠系统要实现并充分发挥其兼具的氮磷过程拦截功效生态功能、环境功能和景观功能，必须构建一套“建设-运维-考核(评估)-运维”闭环系统，形成一套行之有效又可持续的生态沟渠良性发展机制。建立合理的考核(评估)体系，一方面可以提高生态沟渠系统建设的科学性、可操作性，推进探索具有乡村振兴新时期特点的生态沟渠系统建设与运维模式；另一方面有助于确定农田水环境治理的短板，进一步明确农业面源污染治理的方向、技术路线、实施重点和具体措施。本研究从生态沟渠技术的科学原理和运维逻辑出发，旨在探索建立完善一套适合浙江省情、目标导向、问题导向和结果导向相融合的生态沟渠系统考核(评估)体系，并通过浙江3 a评估的实证来分析论证该体系所含评价指标的合理性和有效性。

2 影响因子考量

目前，杨洋[12]从环境、经济、技术3个方面出发构建了生态沟渠技术评价指标体系，通过层次分析法确定指标的权重，包括工程投资、运行费、污染物去除率(生化需氧量去除率、化学需氧量去除率、氨氮去除率、总氮去除率、总磷去除率)、抗冲击负荷能力、管理人员数量、操作管理难易程度、出水达标率、废水回收利用率等12个指标，并发现生态沟渠较普通沟渠在污染物去除效果、出水回收利用率、达标率等3个方面得分较高，因而总分占优，此评价指标体系直接明了地凸显了生态沟渠净化能力的重要性。也有研究[10,13]将生态沟渠的建设费用、运行费用、经济效益、环境效益进行调查与测算，从经济有效性角度评估生态沟渠技术，上述的生态沟渠技术评价体系均依赖于污染物去除率的计算。

浙江省素有“七山一水二分田”之称，面对浙江复杂的地形地貌、多种建设类型和功能各有侧重的生态沟渠系统、每年超过100条生态沟渠系统的建设任务，要逐条完成生态沟渠系统的考核与评价任务，污染物去除率这一项的技术指标是较难准确获取进而很难实现的。一方面是因为生态沟渠水质受到诸多因素的影响，农田施肥、人工排灌、暴雨径流、侧渗均会导致排水沟渠水质的异常或突变[4]；另一方面是水质监测任务重，若全部通过第三方上门实施多次取样、检测，程序复杂，可操作性差，效费比不高，若仅通过生态沟渠系统建设或运维的责任主体提供的水质报告判断，由于评估得分直接影响到各地政府与相关职能部门年度目标任务完成情况的评判，因而缺乏一定的公平性与严肃性。由此，创设的生态沟渠系统考核或评价体系，既要适合浙江省生态沟渠系统建设与运维实情，又能起到引导导向作用，还要通俗易懂、简单易行、可操作。

浙江省生态沟渠系统的主体建设涵盖主干沟设计、生态拦截设施设计、植物配置等多个方面[14]。目前，生态沟渠系统多数建立在农田排水主干沟上，主干沟边坡的形态对于生态沟渠系统拦截的效果是非常关键的。最为常见的土质沟渠存在容易产生水土流失和丛生杂草的问题，而混凝土沟渠(即三面光沟渠)，主要靠沉积物和板材的吸附作用去除水体氮磷，仅在第一试验内表现对总氮的去除率较高，而土质沟渠对氮磷的去除主要依靠植物吸收[15]。生态沟渠系统通常不采用这2种沟渠护坡，而采用木桩护坡、连锁型混凝土预制护坡、格宾生态网格护坡等能较好实现工程结构与生态环境有机结合的护坡[16]，Bai等[17]探讨了生态沟渠中所采用4种护坡对磷的拦截效果，包括木桩护岸二级沟、带土工布袋护坡的梯形沟渠、空心六角砖护坡梯形沟渠、加筋植物护坡梯形沟渠，发现木桩护岸二级沟能够持留更多的水体磷素，因而生态沟渠系统的边坡类型是需要考虑的重要因素和指标。

生态沟渠系统对氮磷的净化拦截作用主要是依靠植物吸收、淤泥沉淀、降解、挥发、吸附以及一系列的微生物过程，这些作用都依赖于足够的水力停留时间，一方面依靠低水位堰来实现，另一方面则通过足够的沟渠长度来保证拦截时间[18]，因此，主干沟渠建设规模是生态沟渠系统需要考核的指标，其次通过低水位堰、生态透水坝等生态拦截设施来延长水力停留时间，也是考核考量的重要方面。特别是生态透水坝，能够实现坝前雍水和坝身透水的目的，当富含氮磷的农田尾水过坝渗漏时，生态透水坝通过坝体自身物流过滤的同时，可利用坝上植物吸收、坝体内部微生物分解的原理对水质进行净化[16]。董慧峪等[19]验证了生态透水坝对山溪性河流的原位净化作用，主要依靠减缓河流水速，对水流所携带的悬浮颗粒进行拦截沉降，提高溶解氧，并且在夏季对COD、氨氮、总氮和总磷的去除率可维持在20%。

不同水生植物对氮磷的吸收、减排效果是有差异的[20]，不同水生植物在不同浓度富营养化水体中表现出的适应性也不同[10]，同时，水生植物的吸收效率是季节性的[21]，并没有某一水生植物拥有最有效率的水质净化效果。因此，在生态沟渠系统规划、设计之初，需要尽可能保证适应当地环境、多品种多种类的水生植物，并拥有相互补充的污染物去除能力，以保证全年持续、均衡的污染物去除能力[18]，同时也可以为推进农田生物多样性创造生态环境。因而水生植物的合理配置，常年维持一定的生态水位以保证水生植物正常生长，也是考核的重要方面。同时，生态沟渠系统中水-底泥-植物组成的复合生态结构对面源污染物质有明显的净化效果，但也潜伏着诱发内源污染甚至进一步扩散的威胁，李强坤等[22]发现，以水-底泥-芦苇复合生态体为主体的排水沟渠因为底泥解吸、水生植物生长能力减弱甚至部分根茎叶枯败以及温度降低等环境因素导致微生物作用减弱，在11月出现水体的“负净化”作用，形成“内源污染”或“二次污染”。对生态沟渠系统的水生植物进行定期收割，对沉泥进行及时清理，是保证生态沟渠系统实现长期有效拦截功效的重中之重，生态沟渠系统运维机制的建立、完善与执行状况也是考核(评估)的关键点。

综上，生态沟渠系统集成、配套了建筑工程技术、生物技术等污染物阻控措施和管理技术，其建设与运行维护涵盖了设计、施工、验收、管理、资源化利用等多个环节。浙江省农业农村生态与能源总站组织制订了生态沟渠系统评价体系，从项目建设管理、建设任务执行情况、维护管理与监测评估、科技支撑、示范引领、验收等6个维度设置了24个具体评价指标，并于2019—2021年组织浙江农林大学、浙江科技学院每年年中对全省11个区市上年度建成的农田氮磷生态拦截沟渠系统项目建设进展情况进行第三方评估，使用的评价数据为2019—2021年的数据。

3 评估材料与方法

生态沟渠系统的评估内容是根据上述所构建的指标体系包括项目建设管理、建设任务执行情况、维护管理与监测评估、科技支撑、示范引领、验收工作共六大核心目标(表1)。评估的方式是根据制定的指标体系内容，以现场勘查、资料审阅和座谈交流等方式开展，逐条逐一现场勘查。评估的结果以百分制来计，评估总分90分及以上为优秀，80～90分为良好，60～80分为合格，60分以下为不及格，上年度建成的各条生态沟渠系统得分的平均值即为当年得分值。不同于现有依赖水质监测结果的“结果论”生态沟渠系统评价体系，本研究构建的指标体系从生态沟渠系统发挥净化作用的机理出发，已知影响沟渠净化作用的因素包括但不限于沟渠长度、护坡类型、水生植物种类、低水位堰、生态透水坝基质种类、运维情况和季节性波动。本研究的指标体系着重通过对上述因素满足与否进行评估，以“过程论”方式来判断生态沟渠系统的拦击净化效果(表1)，并将其具体包含在24个核心指标中。

表1 以净化机理为核心的生态沟渠系统评价指标

“项目建设管理”和“验收工作”维度是对生态沟渠系统建设准备、验收工作的度量。明确的责任主体与完善的实施方案是生态沟渠系统建设能够顺利推进的保证，建设资金与运维资金的申请拨划落实是责任主体所需要着重考虑的问题，通过招投标等方式对多种实施方案进行比较筛选，由此获得更为科学合理的实施方案，而规范的验收工作是全面考核建设工作、检查是否符合设计要求和工程质量的重要环节，对保证建设项目及时投入运行、发挥应有生态等综合效益以及总结建设经验有重要作用。

“建设任务执行情况”维度是对生态沟渠系统建设内容的度量，保证生态沟渠系统的建设规模，明确清挖淤泥、加固边坡、合理配置水生生物等规范化内容，强调节制闸、生态透水坝、反硝化除磷池、沉泥池、生态浮床等生态拦截设施的建设，由此保证生态沟渠系统有效的拦截净化作用。生态拦截设施的设置必须因地制宜，坚决抵制为了应付评估考核而出现堵塞排水沟渠、破坏原有沟渠生态系统的画蛇添足类建设内容，如改造的排水沟渠本身较窄，不适合安放生态浮床情况下进行放置。同理也可以视沟渠实际条件将生态透水坝、反硝化除磷池与沉泥池3个功能模块三合一整合为集成式拦截净化模块，提高运维效率。在全面推进乡村振兴的大背景下，生态沟渠系统的建设也提出了更高的要求，在完成过程拦截环境功能的基础上，实现生态功能与景观功能，因而生物多样性、绿色防控植物、田园景观等也是生态沟渠系统建设中所需要考虑的方面。所以，“建设任务执行情况”也是本研究中以生态沟渠系统发挥净化作用的机理出发，评估生态沟渠系统拦截效果体系的核心部分。

“维护管理与监测评估”维度是对生态沟渠系统拦截净化能力持续性、有效性的度量，包括对制度制定、记录记载、专业人员落实情况的考核。“科技支撑”维度是引导生态沟渠系统建设进行技术工艺创新。“示范引领”维度是突出在农田绿色发展先行区、农业面源污染比较严重的永久基本农田保护区、重点饮用水源保护区等基础条件比较好、有迫切治理要求的地方选择项目建设地，有利于推进农田生态沟渠系统环境友好型技术的激励机制以及可持续运维机制的有效运行。

生态沟渠系统作为由各级政府主导的扶持“三农”发展与农村环境类公益项目，是需要通过当地政府、农民群众、相关科研教学单位等多方共同努力来完成农业面源污染的防控与治理。通过考核手段开展建立生态沟渠系统这一农业环保与生产技术固定模式，建立奖惩机制以及补偿效果评价机制，并对积极实施这一环境友好型农业技术的农民或地方给予肯定，可有效提高他们的积极性。

4 结果与分析

浙江省2018—2020年建设生态沟渠系统得分分布情况的结果显示，经过连续3 a对生态沟渠系统建设实施情况的评估，全省优秀率的比例从24.75%显著提高到40.19%，优秀与良好率在2021年更是达到了99.07%(图2)。

图2 浙江省2018—2020年建设生态沟渠系统的得分分布

图3是生态沟渠系统6个核心目标的得分率情况，在项目建设管理、建设任务执行情况、维护管理与监测、验收情况的得分率逐年提升，科技支撑与示范引领的得分率却有下降。

图3 浙江省2018—2020年建设生态沟渠系统的分解目标得分率情况

图4是2019年与2020年分解目标的得分率情况，项目进度和验收工作有了全面的提升，规范化建设、标准化建设、管护机制、监测评估的得分率有一定的提高。

2018年是浙江省全面推广建设生态沟渠系统的第一年，全省一共较为均匀地铺开了198条生态沟渠的建设(图1)。2018年所建设生态沟渠系统在建设任务执行情况上得分较低(图3)。主要是各地对生态沟渠系统的概念比较模糊、理解不一，表现在对生态沟渠系统的净化原理缺乏认识，受到“五水共治”中河道治理的影响，较多地方停留在单一的生态浮床安放，极大地限制了生态沟渠系统的净化能力，并且缺乏对维护管理与监测工作的重视。此外，由于生态沟渠系统建设任务下达时间与年度财政预算时间衔接上的问题，也导致部分生态沟渠系统在项目进度上的推进或受限于资金落实，

图4 浙江省2019—2020年建设生态沟渠系统得分情况

进展较为缓慢。

在总结上年建设工作经验、查找短板和不足的基础上，2019年生态沟渠系统在建设任务执行情况的得分有所提升，同时鉴于山区、海岛的生态沟渠系统建设需求较小并易受到汛期破坏的实际情况，相应地减少了丽水、舟山等山区、海岛区域的建设任务(图1)。通过现场勘查可知更多的地方设置了生态透水坝、沉泥池、反硝化除磷池等有效增强水质净化能力的模块，并在透水坝前建造挺水植物与浮水植物相结合的生态浮岛，通过坝体增大了水力停留时间，有效促进了水生植物生长[23]，这也体现在图2中2019年的优秀良好率大幅度提升，但依然有部分生态沟渠系统存在7、8月份遭到汛期破坏的情况；维护管理与监测这一维度也有了较大的提升(图3)，通过与农场主、村委会等沟渠直接使用主体签订运维合同，并委托第三方进行沟渠进出水的水质测定，多数生态沟渠系统责任主体能够提供相应的水质监测报告，对运维制度与流程已经有了较为清晰的认知。

2020年是全面推进生态沟渠系统建设的第三年，生态沟渠系统建设已经逐步融入到各地政府和相关职能部门的日常工作。2020年的生态沟渠系统建设工程均按时完成，这也直接体现在评估体系中“验收工作”维度与项目进度中。在现场勘查与座谈中也可以感受到生态沟渠系统的生态绿色循环理念也正深入到当地政府和相关职能部门的日常决策中，有的地方打算将农产品产地环境监测点的选址同生态沟渠系统结合，直观呈现农业面源污染的源头治理与过程拦截技术，也为核算农业面源污染防治措施的费用效益提供了一手资料[13]。各地不断采用各种新科技、新材料、新方法因地制宜推进生态沟渠系统的建设，不断创新生态沟渠系统模式，凝练出丰富的地方特色，如末端氧化塘模式、多级透水坝山区模式、松木桩生态微岛模式等，在建设任务执行情况与维护管理与监测方面得分率提升明显(图3)。同时，生态沟渠系统的选址也能与当地的农业绿色发展有机结合在一起，稻鱼、稻蛙、稻鳖共生系统排水均被作为生态沟渠系统的污水治理目标，并自觉将源头减量到过程拦截、到末端治理等一系列小型农业面源污染治理工程结合在一起，并在原有固化学术派的生态沟渠建设模式上进行了技术创新，如放弃原有金属框种植挺水植物的常规方案，在尽可能不改变排水沟渠或灌排两用沟渠原有边坡的情况下，将部分沟渠改造为内凹结构，提供足够稳定的挺水植物生长空间。同时，多地通过适宜的景观设计、游步道布置以及便民设施，与打造美丽乡村、农村人居环境整治提升等有机结合在一起，融入新时代美丽乡村建设，“臭水沟”变成景观带，提供给村民茶余饭后散步休闲的场所，极大地提升了村庄河道沟渠景色，生态沟渠系统建设也真正受到村民的喜爱与欢迎。

示范引领与科技支撑维度的得分率下降，主要是因为第一年采用系统的生态透水坝、反硝化除磷池、沉泥池等拦截净化设置较少，因而将这些常规生态沟渠系统设施作为科技支撑，同时凡是在粮食功能区内的选址也可以获得示范引领的分数。但是第二年，随着各地对生态沟渠系统的净化机理有更深入的认识，普遍设置了上述设施，因而科技支撑将更着眼于有较高科技含量的技术应用或值得推广的因地制宜措施，也正是通过不断提升科技支撑得分要求，才能不断推进生态沟渠系统的技术革新，更是让污染控制相关参与者充分加入到生态沟渠系统的设计与建设中，进一步促进生态沟渠系统这一环境友好型农业生态技术的应用推广。

5 小结与展望

本研究构建了一套从生态沟渠系统发挥净化作用出发的评价指标体系，重点考核沟渠长度、护坡类型、水生植物种类、低水位堰、生态透水坝基质种类、运维情况等影响生态沟渠系统净化能力的直接建设内容，并对浙江省近3 a推广建设的生态沟渠系统进行实例评估。可以发现依靠3 a连续对生态沟渠系统建设实施内容的评估考核工作，浙江省正在逐步形成适应当地建设条件的生态沟渠系统建设技术体系，各指标评分分数都有了显著的提高。可见农田生态拦截沟渠已经成为浙江省农业绿色发展技术体系的重要组成部分，是浙江省农业面源污染末端治理的技术先进、经济合理、实践可行的集成化技术措施与工具。“十四五”期间，浙江省生态沟渠系统在规划建设上将积极推进流域性、区域性生态沟渠系统网络化建设，力求全覆盖，从选址、规划、建设等各环节进一步完善建设内容、标准和规范，做到科学选址、统筹规划、高标准建设，逐步实现农田尾水氮磷治理由减排向洁净排放转变，推进流域性、区域性治理，进一步发挥生态沟渠系统连片成网的示范效果；以集成创新技术组织高标准沟渠系统建设，针对当地农田尾水氮磷排放的突出问题，加强先进实用新技术、新工艺、新设施的集成，推进农艺、生物、工程等综合措施的配套。尤其要充分利用原有排水沟渠、废弃鱼塘和断头浜等，探索建设规模大畈(片)区域性循环沟渠系统，盘活沟-渠-塘-河-湿水系，实现农田面源污染梯度净化、循环净化；提升已建生态沟渠系统的示范效应，生态沟渠系统“三分建、七分管”，要切实加强系统运维，落实管护主体，明确运维职责，制订管护制度，落实运维资金，建立日常管护登记制度，促进系统长效运维；要切实强化生态沟渠系统现场指导，开展设施维护、水质监测与拦截效果评估，因缺补缺，不断完善已建沟渠系统的功能，提升生态拦截沟渠的示范引领性。现有的全省农田氮磷生态拦截沟渠结构化评估体系也要适应生态沟渠系统这四大发展趋势，不断健全完善，真正起到考核“指挥棒”的导向作用。