不同种植季三塘生态治理工程处理农田退水效能分析

2023-10-26范亚骏何成达宋玉君季俊杰

乡村科技 2023年15期

范亚骏蔡颖何成达宋玉君季俊杰

1.扬州大学环境科学与工程学院，江苏扬州 225127；2.江苏省环境工程技术有限公司，江苏南京 210000；3.江苏美景时代环保科技有限公司，江苏扬州 225100

0 引言

随着我国农业和农村经济的快速发展，化肥、农药等农用化学品投入逐年增加，导致农业面源污染问题严重。相较于点源污染，面源污染具有随机、多源、面广等特点，控制农业面源污染成为解决我国水环境和农村用水问题的关键。农田退水排入河流、湖泊，会造成水体富营养化，成为农业面源污染的主要输出途径之一。诸多研究表明，农田退水中的氮、磷元素含量在不同程度上超过了地表水环境质量标准，但是对有关有机物的迁移转化规律研究较少，且缺乏对小麦种植季农田退水治理效果的对比分析［1-2］。

笔者选定江苏省扬州市某农田集中区为研究区。当地利用沟渠、芦苇滩地建设表流人工湿地，将污染物拦截和末端生态治理相结合，实现农田退水“蓄、净、排”的设计目标。当地采用“蓄、净、排”的创新技术体系，构建一种新型的“三级阶梯式”三塘生态治理工程：将自然降水和农业灌溉后形成的农田退水引入生态拦截渠，滞留1～3 d后引入三塘生态治理区，经充分停留后进入受纳水体。笔者通过考察不同种植季（水稻种植季、小麦种植季）农田退水生态治理工程的治理效果，探索效益高、造价低、可持续的农田退水生态治理方式。

1 试验材料与方法

1.1 样品采集方法

研究工程收集农田退水总面积约为9.3 hm2，农田退水生态治理工程占地约0.2 hm2。研究区土地利用方式包括农田、灌排沟渠、田埂道路、泵房和自然湿地5 种类型。其中，农田占比约95.7%，灌排沟渠总长约520 m，自然湿地占地约1 390 m2，泵房占地约20 m2。研究区种植模式以“一稻一麦”轮作为主。

连续水质监测采样点在农田、生态治理工程中均有分布。其中，农田水质采样依托于22 支农田退水采样管，主要分布于农田退水渠边。生态治理工程中有3个采样点分布于生态拦截渠，另有3个采样点分布于“三级阶梯式”三塘生态治理工程，1 个采样点位于生态治理工程的出水口。对研究区共进行了12 次水质采样，均为雨后采样。其中，水稻种植季采样7 次，采集水样24 个，采样时间为2021 年9—10 月和2022 年6—9 月；小麦种植季采样5 次，采集水样45 个，采样时间为2021年1—5月。

1.2 分析检测方法

化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）采用快速消解仪（TE-5102G）测定，氨氮（NH3-N）、总磷（Total phosphorus，TP）质量浓度采用纳氏试剂分光光度法和钼锑抗分光光度法测定，pH值用哈希便携式pH计（WTW pH/Oxi 340i）测定。根据各次采样检测结果，分析农田退水从农田到生态治理工程的污染物浓度和去除率等情况，并以《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的Ⅳ类水作为达标标准。

2 试验结果与分析

2.1 农田退水污染物变化

2.1.1 水稻种植季

由图1 可知，水稻种植季农田退水pH 值在6.84～7.81 范围内波动，在10 月呈现强碱性；COD 质量浓度范围为21.32～74.2 mg/L，仅有8 个样品低于Ⅳ类标准，即超标率（未达到Ⅳ类标准，下同）为66.67%，且7—8 月水质恶化严重，出现了V 类和劣V 类水质；TP最高值为0.32 mg/L，最低值为0.02 mg/L，超标率仅为4.17%，且超过83%的样品可以满足Ⅲ类标准；NH3-N质量浓度与COD 质量浓度变化趋势相似，2021 年9—10月和2022年6月水质较好（最低值为0.34 mg/L），而2022 年7—8 月NH3-N 质量浓度急剧上升（最高值可达到14.16 mg/L，超标率为20.83%），2022 年9 月NH3-N 质量浓度呈现下降趋势，出水可满足Ⅲ类标准。该现象与廖伟［3］的研究结果相似，即受水稻栽培农事活动（如施肥时间）的影响，水稻种植季农田退水过程中TN 的迁移速度高于TP。整体上，农田水样基本可以满足Ⅳ类水，且V 类和劣V 类水质主要出现在7—8月；从超标率上看，水稻种植季农田退水主要污染因子为COD。

图1 水稻种植季不同采样时间点的污染物质量浓度

2.1.2 小麦种植季

由图2 可知，农田退水pH 值在6.62～8.11 范围内波动，且大部分时间段属于碱性水质；COD 质量浓度最高值为84 mg/L，最低值18.6 mg/L，仅有10 组样品水质低于Ⅳ类标准，超标率为77.78%；相比水稻种植季，TP 质量浓度波动范围较大（0.04～1.11 mg/L），超标率为42.22%，当然仍有28%的样品可以满足Ⅲ类标准；NH3-N 质量浓度为0.26～8.89 mg/L，且在同一个月内波动较大，超标率为65.91%。因此，整个小麦种植季农田退水的水质几乎为V 类和劣V 类，且COD、TP、NH3-N的超标率相对较高，3个指标均为主要污染因子。

图2 小麦种植季不同采样时间点的污染物质量浓度

2.2 生态治理过程污染物去除效果分析

2.2.1 水稻种植季

由图3 可知，在水稻种植季，生态拦截渠中农田退水COD 质量浓度在22.8～33.6 mg/L 范围内波动，平均值为27.7 mg/L，经过三塘生态治理区后，出水COD质量浓度降为23.93 mg/L；经生态拦截渠、三塘生态治理区处理后，农田退水TP 平均质量浓度分别降低至0.07、0.05 mg/L；生态拦截渠中农田退水NH3-N 平均质量浓度为0.94 mg/L，随后经三塘生态治理区又得到进一步去除（如2022 年7 月，NH3-N 质量浓度从3.28 mg/L 降到0.33 mg/L），农田退水NH3-N 平均质量浓度仅为0.62 mg/L；农田退水pH值在6.8～8.0范围内波动，受季节影响不大。很明显，受农田退水碳源不足的限制，TP 很难通过生物除磷被进一步高效吸收，而氧气作为NH3-N 硝化的主要限制因素，致使生物反硝化效果差。因此，强化农田退水过程深度脱氮除磷技术应用具有重要的价值［4］。

图3 水稻种植季不同采样时间点的污染物演变规律

生态拦截渠整体出水水质为Ⅳ类，其中COD是主要的超标因子，而经三塘生态治理区后出水的TP、NH3-N 质量浓度可达到Ⅲ类水质标准。通过计算去除率可知，COD 平均去除率相对较低，仅为34.6%；TP平均去除率次之，为46.1%；NH3-N 平均去除率最高，为58.9%。因此，在水稻种植季三塘生态治理对农田退水NH3-N的去除性能相对较好。

2.2.2 小麦种植季

由图4可知，生态拦截渠和三塘生态治理区pH值在7.0～8.0范围内波动，同样受季节影响不大；出水平均COD质量浓度从31.07 mg/L（生态拦截渠）降到25.54 mg/L（三塘生态治理区），主要借助水生植物对有机物的吸附、净化作用，其中沉水植物介导形成的微环境结构更为复杂，能够表现出较为稳定持续的水质净化潜力［5］。生态拦截渠中TP 质量浓度在0.03～0.15 mg/L范围内波动，而在三塘生态治理区质量浓度降为0.05～0.09 mg/L；NH3-N质量浓度整体相对较高，在生态拦截渠、三塘生态治理区平均值高达2.21、1.36 mg/L，是主要的超标因子。