典型生态拦截措施水质净化效果研究

段四喜，张磊，杨芳，沈仕洲，倪喜云，赵正雄，于良君

（1.云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201；2.大理市农业环境保护监测站，云南 大理 671000；3.国家农业环境大理观测实验站，云南 大理 671004；4.大理州农业科学推广研究院，云南 大理 671005；5.云南农业大学学报编辑部，昆明 650201）

洱海是云南省大理白族自治州的生命源泉，具有供水、农灌、发电、调节气候、渔业、航运、旅游七大主要功能。近20 年来，受各种因素的影响，入湖污染负荷量持续增加，洱海水质下降，生态环境遭到破坏[1-2]。大量研究表明，流域内农田面源排放是洱海中氮（N）、磷（P）的主要来源之一[3-4]。洱海流域现存有大量灌排沟渠和库塘，其水质状况与周边农田尾水的排放具有非常密切的关系，这些沟渠和库塘是地表水灌排和村庄供排水的水源[5-7]。但由于其位于农田与水体的过渡带，能有效拦截农田排水产生的N、P和化学需氧量（COD）等农业面源污染物，沟渠和库塘已成为农业面源污染阻断的关键环节[8-12]。

近几年，有关洱海流域生态沟渠的研究主要集中在不同种植类型[7]、不同年份生态沟渠[12]和农田灌排沟渠[3，13]对水质净化的影响等方面。例如陈安强等[7]的研究表明，不同种植类型对生态沟渠出水口径流N、P 浓度的影响从大到小依次为菜地、稻田和苗木地；田昌等[12]的研究表明，2016 年和2017 年生态沟渠对农田排水总氮（TN）平均拦截率为58.49%、47.61%，对N平均拦截率为77.29%、69.72%。谢坤等[5]的研究表明，生态沟渠农田入口、农田出口、村落出口等处生态沟渠的水质明显不同，昼夜节律变化明显。有关生态库塘的研究则主要集中在不同水生植物[14-15]和生态植草[16]对水质净化的影响等方面。例如，不同水生植物的库塘对TN 的年均去除率表现为荇菜（83.1%）>芦苇（73.9%）>黑藻（73.3%）>无植物库塘（65.5%）[15]。

但上述研究仅将生态沟渠或者库塘作为单一对象进行研究，在洱海流域“田-村”景观单元交替分布模式中[5]，实际存在很多灌排水先流经生态沟渠后入库塘继续净化的情况。同时，洱海流域生态库塘包括表流生态库塘和潜流生态库塘，当前有关生态库塘的研究多涉及表流库塘，鲜有关于潜流生态库塘的研究报道。因此本研究将洱海流域主要的生态沟渠、表流库塘、潜流库塘和生态沟渠+表流库塘4 种排灌系统进行改造提升（清淤疏浚、种植水生植物、生态植草植树等），分析经不同生态拦截系统后，N、P 和COD 浓度的变化特征，并探讨4种生态拦截系统对TN、TP 和COD 浓度的削减贡献率，以期为生态拦截工程设计和应用提供参考，提高灌排系统对农业面源污染物的拦截效果。

1 试验区概况与研究方法

1.1 试验区概况

试验地点位于云南省大理市湾桥镇（100°00′05″～100°09′08″ E，25°44′48″～25°49′22″ N），面积63.8 km2，海拔1 980 m，地形西高东低，位于苍山与洱海之间的宽谷平坝区，属北亚热带高原季风气候，受西南季风影响，冬无严寒，夏无酷暑，年均气温15.5 ℃，年均降雨量1 080 mm，降雨主要集中在5—10 月。

1.2 试验设计

在不影响农田沟渠和库塘正常灌排水功能的前提下，对现有沟渠和库塘进行改造提升。根据实际情况进行清淤疏浚，合理配置水生植物群落，适当配置水位调节闸门，在沟渠和库塘周边生态植草、放置生态多孔砖和种植经济林果等（表1），以延长沟渠和库塘内的水力停留时间，削减农田排水中污染物含量。其中4 种生态拦截系统沟壁和塘壁均为带孔预制板，孔内配置水生植物，沟底为土工沟底，配置水生植物群落。潜流库塘为水平潜流人工库塘，采用基质搭配与植物配置相结合的形式，系统分为进水区、滤料区和出水区，其中进水区和出水区搭配基质从下到上依次为石灰岩细碎石、砾石和火山岩，铺设厚度分别为0.4、0.25 m和1 m，各层铺设宽度均为5 m，铺设后在进水区和出水区填泥，并进行生态植草，滤料区（系统土工沟底）先铺设石灰岩细碎石填料层0.4 m，再用砾石铺设0.25 m。系统改造提升后，分别在进水口和出水口定时采集水样，测定进出水污染物浓度，分析污染净化效果，具体试验工程系统和试验措施见表2。

表1 植物种植方式Table 1 Plant planting method

表2 生态拦截工程基本信息和采样点设置Table 2 Basic ecological interception engineering information and sampling point setting

1.3 样品采集与分析方法

所有生态拦截系统工程建设于2019年8月完成，在监测期（2019 年9 月—2020 年8 月）内，每周于4 个工程区的进水口、出水口采集水样各1 次（2020 年2月因受疫情影响未采集），计算经4 生态拦截系统后污染物的去除率，计算方法见公式（1），主要分析指标和具体分析方法均选用国标测试方法[17]。同时参照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）和《国家农田灌溉水质标准》（GB 5084—2005）对4个系统的污水处理效果进行综合评价。

式中：r为污染物（COD、TN和TP）的削减率；C1为系统或某污染物的进水浓度，mg·L-1；C2为经生态拦截系统后某污染物的出水浓度，mg·L-1。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010 软件进行数据处理，用SPSS 13.0软件进行差异性分析。

2 结果与分析

2.1 不同生态拦截系统对TN净化效果的影响

由图1 可知，与进水口TN 浓度相比，经生态拦截系统净化后，各系统各月出水口TN浓度均有所下降，绝大多数月份出水口TN 浓度均显著低于进水口TN浓度。生态沟渠、表流库塘、潜流库塘和生态沟渠+表流库塘4 种措施TN 浓度变化范围分别为进水时1.98～9.24、1.68～7.47、0.69～2.52 mg·L-1和3.47～12.46 mg·L-1，出水时0.98～3.20、1.03～5.35、0.48～2.06 mg·L-1和1.47～4.41 mg·L-1，TN 削减率变化范围分别为13.50%～76.08%、16.31%～71.52%、18.25%～64.77%、19.57%～86.59%。平均进水TN 浓度由高到低为生态沟渠+表流库塘（8.06 mg·L-1）、表流库塘（4.77 mg·L-1）、生态沟渠（3.86 mg·L-1）、潜流库塘（1.35 mg·L-1），但平均削减效果由大到小分别为生态沟渠+表流库塘（59.66%）、潜流库塘（42.13%）、生态沟渠（40.59%）、表流库塘（37.60%）。4 个生态拦截系统各月削减率变幅均较大，且呈不同的削减趋势。4 个措施的进水平均浓度分别为9.24 mg·L-1（10 月）和4.55 mg·L-1（11 月）、5.26 mg·L-1（3 月）和4.88 mg·L-1（4月）、1.36～1.79 mg·L-1（5—8 月）、10.40～12.46 mg·L-1（12 月和4—8 月）时，系统对TN 的净化效果较好，削减率分别为76.08% 和61.98%、61.22% 和71.52%、55.88%～64.77%、69.25%～86.59%。

图1 不同生态拦截系统对总氮（TN）净化效果的影响Figure 1 Purification effects of different ecological interception systems on the total nitrogen（TN）

参照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），生态沟渠出流TN 浓度有4 个月可以达到Ⅴ类水质要求（4 月、5 月、11 月和12 月），2 个月可以达到Ⅳ类水质要求（5 月和12 月）；表流库塘有3 个月可以达到Ⅴ类水质要求（1 月、4 月和12 月），2 个月可以达到Ⅳ类水质要求（1 月和4 月）；潜流库塘有10 个月（9 月除外）可以达到Ⅳ类水质要求；生态沟渠+表流库塘有3个月可以达到Ⅴ类水质要求（1 月、7 月和8 月），1 个月可以达到Ⅳ类水质要求（1月）。

2.2 不同生态拦截系统对TP净化效果的影响

由图2 可知，相比进水口TP 浓度，经系统净化处理后，所有系统各月出水口TP浓度均有所下降，且绝大多数月份出水口TP 浓度均显著低于进水口TP 浓度。生态沟渠、表流库塘、潜流库塘和生态沟渠+表流库塘4 个系统进水、出水TP 浓度及削减率变化范围分别为0.22～0.37、0.04～0.20、0.09～1.29、0.03～1.69 mg·L-1，0.20～0.29、0.02～0.17、0.07～1.00、0.01～0.51 mg · L-1，5.65%～34.31%、10.93%～52.48%、12.00%～50.07%、20.83%～84.82%。4 种生态措施平均进水TP浓度由高到低依次是生态沟渠+表流库塘（0.84 mg·L-1）、潜流库塘（0.55 mg·L-1）、生态沟渠（0.29 mg·L-1）、表流库塘（0.12 mg·L-1），但对污染物的削减率由高到低分别为生态沟渠+表流库塘（55.99%）、潜流库塘（31.31%）、表流库塘（27.69%）、生态沟渠（21.03%）。削减率在4 个生态拦截系统各月间波动较大，且呈不同的净化趋势。4 个生态拦截系统的进水平均浓度分别为0.30 mg·L-1（9 月）和0.34 mg·L-1（10月）、0.04 mg·L-1（12月）和0.15 mg·L-1（6月）、0.14 mg·L-1（11 月）和1.14 mg·L-1（4 月）、0.03 mg·L-1（10月）和1.25～1.69 mg·L-1（5—8 月）时，对TP 的拦截作用较强，各系统对应的削减率依次是33.33% 和34.31%、50.72% 和52.48%、50.07% 和45.88% 及66.67%～84.82%。

图2 不同生态拦截系统对总磷（TP）净化效果的影响Figure 2 Purification effects of different ecological interception systems on the total phosphorus（TP）

经系统净化后，参照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），4 个系统中生态沟渠和表流库塘出流TP 浓度各月均可达到Ⅳ类水质要求；潜流库塘出流有6 个月（1 月、3 月和9—12 月）可以达到Ⅳ类水质要求；生态沟渠+表流库塘出流有10 个月（4 月除外）和7 个月（1 月、3 月、6 月、8 月、9 月、10 月和12 月）可以达到Ⅴ类和Ⅳ类水质标准。

2.3 不同生态拦截系统对COD净化效果的影响

由图3可知，经生态拦截系统净化后，4个系统同一月份进水口COD 浓度均显著低于出水口COD 浓度。4 个生态拦截系统COD 进水浓度变化范围为19.37～163.33、28.37～154.47、29.81～297.61 mg·L-1和27.10～62.70 mg·L-1，出水COD 浓度波动范围是19.07～116.74、20.00～112.62、25.28～172.00 mg·L-1和19.10～41.60 mg·L-1，削减率波动范围为1.55%～44.78%、8.69%～49.01%、15.20%～49.15% 和16.18%～62.83%。尽管平均进水COD 浓度从大到小为潜流库塘（140.13 mg·L-1）、生态沟渠（92.22 mg·L-1）、表流库塘（83.92 mg·L-1）、生态沟渠+表流库塘（48.67 mg·L-1），但平均净化率从大到小顺序为生态沟渠+表流库塘（38.33%）、潜流库塘（34.29%）、表流库塘（26.07%）、生态沟渠（25.25%）。4 个生态拦截系统各月净化效果波动均较大，且呈不同的削减趋势。4 个系统进水平均浓度分别为108.11 mg·L-1（10 月）、85.04 mg·L-1（10 月）、297.61 mg·L-1（9 月）和116.18 mg·L-1（10 月）、55.36～56.64 mg·L-1（5—7 月）时，对COD 的净化效果较好，削减率依次为44.78%、49.01%、49.15%和48.89%、50.43%～62.83%。

图3 不同生态拦截系统对化学需氧量（COD）净化效果的影响Figure 3 Purification effects of different ecological interception systems on the chemical oxygen demand（COD）

参照《国家农田灌溉水质标准》（GB 5084—2005）和《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）COD 浓度限值，生态沟渠出水全年可用于水作和旱作灌溉，其中9 个月（7 月和8 月除外）可用于加工、烹饪及去皮蔬菜灌溉，6 个月（1 月、4 月和9—12 月）可用于生食类蔬菜、瓜类和草本水果灌溉。表流库塘全年出水均可用于水作和旱作灌溉，其中9个月（7—8月除外）可用于蔬菜加工、烹饪及去皮蔬菜灌溉，7 个月（1 月、3月、4月和9—12月）可用于生食类蔬菜、瓜类和草本水果灌溉，3 个月（3 月、9 月和11 月）和2 个月（3 月和9 月）可达到地表水Ⅴ类和Ⅳ类水质要求。潜流库塘出水全年可用于旱作灌溉，9 个月（1—7 月和10—12月）可用于水作灌溉，6 个月（1—4 月和10—12 月）可用于加工、烹饪及去皮蔬菜灌溉，5 个月（1 月、3 月和10—12 月）可用于生食类蔬菜、瓜类和草本水果灌溉，2个月（1月和12月）可达到地表水Ⅳ类水质标准。生态沟渠+表流库塘出水全年可用于各类型农田灌溉，10个月（10月除外）和8个月（8月、10月和12月除外）可达到地表水Ⅴ类和Ⅳ类水质标准。

3 讨论

3.1 不同生态拦截系统削减率差异分析

生态拦截系统是一种特殊的湿地生态系统，具有排灌功能和良好的景观效果，其内部环境条件能够使植物和微生物等维持较好的生物稳定性，从而达到净化水质的目的[18-20]。本试验条件下，4 种生态拦截系统中净化效率最佳的为生态沟渠+表流库塘，这是因为与其他3 个系统相比，生态沟渠+表流库塘不仅极大提升了水力停留时间（水力停留时间分别是生态沟渠、表流库塘、潜流库塘的1.44、1.83、1.57倍），而且还使水生植物存量更大（水生植物面积分别是生态沟渠、表流库塘、潜流库塘的2.94、1.89、2.25倍），加上系统维护良好，使削减净化效率进一步加强[21]。因此，在具体应用其他3 个系统时，需定时对系统进行维护，如定期清淤疏浚、采收水生植物、去除死亡根系等。本研究中生态沟渠+表流库塘系统对TN 和TP的平均削减率为59.66%和55.99%，与朱金格等[21]在太湖水源区研究的TN 和TP 平均去除率（59.60%和51.69%）较接近，这进一步证明生态沟渠+表流库塘系统应用性较广，可为洱海流域农田尾水的处理提供参考。

有研究表明，潜流人工湿地对COD 的去除率为64%～82%[22]，本研究结果却显示，潜流库塘对COD 的削减率仅在15.20%～49.15%，平均削减率仅为34.29%。这可能与本研究所选潜流人工湿地运行时间较久有关，相关基质的物理吸附及化学反应（络合作用）达到一定限度，导致对COD 的去除效果逐渐降低[23-24]；另外当基质吸附达到饱和时，基质中吸附的污染物可能会释放进入水体，使湿地对COD 去除效率进一步降低[21]，因此在实际应用潜流人工湿地时应注意选择合适基质粒径和级配以及优化潜流人工湿地工艺等。

刘福兴等[8]和田昌等[12]的研究表明生态沟渠对TN、TP的平均去除率均超过50%，本研究表明生态沟渠对TN、TP 的平均削减率为40.59%、21.03%。这是因为刘福兴等[8]和田昌等[12]研究的生态沟渠观察期较短，仅为20 d 和5 个月，加上所研究的生态沟渠长度不同，配备的水生植物也各异等，导致以往研究与本研究削减效果存在差异。本研究结果还表明表流库塘对TN 的平均削减率仅为37.60%，但张俊朋等[16]的研究表明表流库塘对TN 平均去除率在70%以上，这可能是因为张俊朋等[16]的研究系统本底值很低，进水为自来水，植物种类配备单一，本研究中进水为农田尾水，本底值较高，配备植物也较多。

本研究证实，2019年9—10月，除生态沟渠+表流库塘COD 削减率下降外，其他系统TN、TP 和COD 削减率均逐月上升，这是因为其他系统水生植物2019年8 月种植后，9 月和10 月正好处于旺盛生长期，植物吸收污染物能力较强，微生物活动频繁，加速了水体污染物的分解[25-26]。生态沟渠+表流库塘2019 年9—10月COD 削减率逐月下降的原因，则可能与该系统运行之初（2019 年9 月）即达到较高的削减率（52.62%）有关，但具体原因有待进一步研究分析。4个系统TN、TP 和COD 削减率均在11 月、12 月或1 月出现削减率较低的情况，这可能是由于此3 个月温度较低，植物枯萎死亡，微生物活动降低，导致生态拦截系统削减率下降[27-28]。

3.2 不同生态拦截系统出水水质差异分析

经生态拦截措施净化后，出流TN、TP和COD浓度较低的系统分别为潜流库塘、表流库塘和生态沟渠+表流库塘，可能是因为3 个系统对应的进水口TN、TP和COD浓度较低，加上3个系统水面面积、水容量和水生植物面积也较大，致使污染物拦截能力更强，因此出水口污染物浓度更低，水质更好。

本研究对4 种生态拦截系统削减效果进行了比较，表明生态沟渠+表流库塘削减效果较好，可进一步推广应用。今后需进一步研究典型生态拦截措施相同单位面积、单位时间内负荷削减率的异同，以更全面掌握生态拦截系统对农业面源污染物的净化效果。

4 结论

（1）本研究改建的4 个生态拦截系统对水体污染物TN、TP 和COD 均具有较强的净化作用。4 个系统对污染物TN、TP 和COD 的平均削减率由高到低依次为生态沟渠+表流库塘（59.66%、55.99%和38.33%）、潜流库塘（42.13%、31.31% 和34.29%）、表流库塘（37.60%、27.69%、26.07%）、生态沟渠（40.59%、21.03%、25.25%）。生态沟渠和生态沟渠+表流库塘进水浓度较高时，系统对污染物的削减效果较好，潜流库塘和表流库塘进水浓度与系统对污染物削减效果间相关性不强。

（2）参照《国家农田灌溉水质标准》（GB 5084—2005）和《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），生态沟渠和表流库塘出水全年可用于水作和旱作灌溉，生态沟渠出流TN 浓度有4 个月达到Ⅴ类水质要求，TP 浓度有11 个月达到Ⅳ类水质要求；表流库塘出流TN 浓度有3 个月达到Ⅴ类水质要求，TP 浓度有11 个月达到Ⅳ类水质要求，COD 浓度有3个月可达到Ⅴ类水质要求；潜流库塘出水全年各月可用于旱作灌溉，9个月可用于水作灌溉，TN、TP 和COD 浓度分别有10个月、6 个月和2 个月可达到Ⅳ类水质要求；生态沟渠+表流库塘出水全年各月可用于各类型农田灌溉，TN、TP 和COD 浓度分别有3 个月、10 个月和10 个月可达到Ⅴ类水质要求。