洱海流域生态沟-库塘湿地系统对农田排水的净化效应

谢坤 邓伟明 范力

摘 要：为探讨洱海流域生态沟-库塘湿地系统对农田排水氮、磷去除效应及其应用前景，在流域原位构建生态沟-库塘湿地系统对农田尾水进行了拦截净化，在分析流域雨季、旱季及全年3个时间段内系统进出水水质中化学需氧量（Chemical oxygen demand， COD）、总氮（Total nitrogen， TN）、总磷（Total phosphorus， TP）及铵态氮（Ammonium nitrogen， NH4+-N）浓度变化特征基础上，引入改进灰色模式识别模型和综合平均污染指数对系统水质净化效果进行综合评价。结果表明，生态沟-库塘湿地系统对农田排水中TN、NH4+-N、TP和COD起到有效净化作用，全年对TN和COD去除率分别为15.20%～69.59%和4.46%～61.90%，出水最低浓度均可达地表水环境质量Ⅱ类标准；系统出水NH4+-N和TP全年平均分别达到地表水环境质量Ⅱ类和Ⅲ类标准。系统在雨季和旱季2个时间段平均出水分别为地表水环境质量Ⅲ类和Ⅳ类标准，全年平均出水可达地表水环境质量Ⅲ类标准，系统对农田排水中TN和COD的去除是影响出水水质变化的重要因数。该研究表明，生态沟搭配库塘湿地能明显提高对流域农田排水中氮、磷及COD去除效率，系统全年平均出水可达地表水环境质量Ⅲ类标准，同时具有运行稳定和环境经济效益的特点。

关键词：洱海流域；农业面源污染；灰色模式识别模型；生态沟；库塘湿地

中图分类号：X52文献标志码：A文章编号：1673-9655（2024）01-000-09

0 引言

农业生产中氮、磷肥被广泛施用，未被作物吸收的氮、磷随降雨和灌溉进入地表水和地下水，造成水体污染和富营养化[1-2]。水体富营养化已成为中国最严重的水污染问题之一[3]，湖泊和河流等地表水体生态环境受到严重破坏[4]。洱海作为云贵高原第二大淡水湖泊[5]，目前水质总体稳定在Ⅱ～Ⅲ类，已度过中营养化向富营养化转变阶段[6]，正处于早期富营养化[7]。洱海富营养化的主要因素为面源污染[8]，流域面源污染多以农田径流、初期降雨和村落生活污水排放等组成[9]，存在分布零散、组分复杂、污染严重和治理困難等特点[10]。其中农田耕地氮、磷流失已成为流域面源污染主要来源[11]，约占污染总量的70%左右[12]，未经净化的农田面源污水排放入受纳水体，导致洱海水体富营养化加剧。因此，为满足水环境承载力需求及水环境生态健康，急需良好的生态工程实现对流域农田面源污染水体的净化处理。

利用生态沟渠对农田流失的氮磷进行截留和去除，是净化农田面源污水的重要途径之一。生态沟渠是由传统农业排水沟渠改造而来，传统农业排水沟渠由排水渠道、基质、植被和流量控制设施组成[13]，它们可以很好地减轻污染物。因较小的土地需求、较高的养分去除率、较低的建设和维护运营成本[14-15]，使得生态沟渠已成为减少面源污染中氮磷营养物质的一种常用方法。生态沟渠是通过天然水体的自净机制，如曝气、氨氧化、植物吸收、沉淀、吸附、挥发、硝化和反硝化等机制，对农业径流中的氮磷进行削减[16]。研究表明，生态沟渠可以有效地去除因施肥造成的农田土壤氮磷养分流失[16-17]。人工湿地作为一种生态水处理方式，也被广泛用于削减农田非点源污染[18]。人工湿地通过湿地植物、基质和相关微生物的自然净化过程协同作用去除水体中污染物[19]，与生态沟渠相比，人工湿地水力停留时间相对较长，使得水体流速降低，悬浮颗粒易于沉淀，同时可以充分发挥植物对污染物的吸收作用[20]，处理低浓度氮、磷污染水体时具有较好的效果[21]。生态沟渠末端配置人工湿地可以更为高效地净化农业面源污染排水中氮、磷。研究结果表明，生态沟与人工湿地搭配施用对农业面源污染排水中氮、磷的去除率可达38.66%～59.60%和44.90%～60.92%[22-24]。然而，目前对于洱海流域生态沟渠与人工湿地研究多集中于新工艺的开发、工艺参数优化、机理解析等方面[25-26]，且生态沟渠配置人工湿地对农田排水氮、磷削减研究多以小中试为主[27]，而对于近自然野外应用型生态沟-库塘湿地系统对农田排水中氮磷截留及出水水质综合评价鲜见报道。

洱海流域海西农区农业产业升级带来的蔬菜花卉面积快速增长，农业面源污染日趋严重，洱海流域花卉种植随着观光旅游业的发展种植面积急速增长，种植形式多以花卉博览园为主。其中，《大理州统计年鉴》显示2017年流域花卉种植面积为450 hm2，流域内花卉博览园面积达246.66 hm2，占流域种植面积的54.81%[28]。本研究针对洱海流域典型花卉种植存在的农田面源污染问题，利用现有生态拦截技术对农田周边已有沟渠及积水区域进行改造，构建生态沟-库塘湿地系统对农田排水进行拦截净化，在生态沟-库塘湿地系统对农田排水中氮、磷及COD处理效果变化特征基础上，运用“综合平均污染指数”明确主要污染物贡献率，同时以改进灰色模式识别模型对系统水质净化效果进行综合分析评价，以期为洱海流域地区利用已有沟渠及积水区改造进行农田尾水氮、磷的原位拦截提供借鉴及关键参数。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

生态沟-库塘湿地系统试验区位于洱海流域内规模较大的云海芳草花海庄园（种植面积为146.67 hm2）内[28]，为洱海西区主要的花卉集中种植区域。试验区域属于典型的高原低纬度西南季风气候区，平均海拔1970～2049 m，年平均气温13～20℃，年降雨量约1000～1500 mm，其主要降水期（雨季）集中于每年的5—10月，降水量占全年的85%～96%，降水高峰期主要集中于7—8月，雨季月平均降雨量约147.85 mm[29]。试验区内农田汇水面积约为104277 m2，农田以花卉种植为主（图1），监测期内每月降雨量及气温变化见图2，气候数据来自研究区域内所安装气象站。试验前期对原有农田排水沟渠进行基底和边坡平整改造，同时引种典型湿地植物构建生态沟。且对生态沟渠下游集水区域进行生态改造，构建库塘湿地对生态沟出水进一步净化，最终通过流域主干渠汇入洱海。系统中库塘湿地为细长条不规则形状，湿地外围挺水植物群落分区种植棱鱼草和再力花，中央水域引种轮叶狐尾藻。同时，在沟塘两端出口修筑溢流坝，抬高出水口水位，以延长农田排水在沟塘的过流时间，充分利用沟塘的净化作用，系统设计参数见表1。系统于2016年11月—2017年2月进行建设，建设完成后为保证系统中植被生长及微生物种群构建，于2017年3—4月流域旱季进行系统前期稳定性运行，待系统运行稳定后于2017年5月雨季开始对试验区农田尾水进行处理。

1.2 样品采集与分析

2017年5月—2018年4月，在系统的进水口、交界口（生态沟出水口）和出水口进行布点及水样采集。每个采样点取样时，每次采集液面以下5 cm处水样150 mL，采样频率为雨季（2017年5—10月）4次/月，旱季（2017年11月—2018年4月）3次/月，总共取样42批次，水样于保温箱中4℃低温储存，24 h内进行实验室指标测定。水质指标选取化学需氧量（Chemical oxygen demand， COD）、总氮（Total nitrogen， TN）、总磷（Total phosphorus， TP）及铵态氮（Ammonium nitrogen， NH4+-N）。TN浓度采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法测定，NH4+-N浓度采用纳氏试剂紫外分光光度法测定，TP采用钼锑抗紫外分光光度法测定，COD浓度采用密封催化消解-酸性重铬酸盐滴定法测定[30]。

1.3 数据处理

实验数据采用SPASS 22软件和Excel制图进行数据分析和制图，图3～图5污染物浓度变化数据均为平均值±标准误差表示，系统对农田排水中污染物净化率通过式（1）计算：

（1）

式中：P—污染物净化率，%；Cin—进口水体污染物质量浓度，mg/L；Cout—出口水体污染物质量浓度，mg/L。

1.4 改进灰色模式识别水质评价模型[31]

改进模型评价过程分为以下几个步骤：①确定比较数列和参考数列，通常将所有断面监测值表示为参考数列，水质分级标准浓度数列为比较数列；②通过“中心化”的方法对数据无量纲化处理；③采用一种基于点到区间距离的关联系数公式计算绝对差；④利用基本灰色关联分析模型计算出参考数列与比较数列的关联系数；⑤通过监测断面水体污染指标关联系数与指标权重求得水质关联度，按数值从大到小排列得出灰色关联序列；⑥通过水质关联度求得隶属度，进而算出灰色綜合指数（grey composite index， GC），以及对应水质类别。

传统灰色模式识别模型对水质分级界限区分存在不确定性，因分级临界值附近的实测浓度或综合污染指数的微小变化可能导致评价结果级别归属的改变[32]，改进的灰色模式识别模型充分考虑了以区间形式存在的水质评价标准，相比于临界值直接判断水质级别归属更加客观，同时采用“中心化”方法进行水质数据无量纲化，使计算结果的差异性体现的更加明显，且具有明确的物理意义[33]。同时结合“综合平均污染指数法”[34]对系统水质氮、磷和COD污染指标权重径流浓度变化的影响程度。

2 结果与分析

2.1 生态沟-库塘湿地系统中水质变化特征

2.1.1 系统中氮的变化特征

不同时期TN浓度指标动态特征及去除率见图3。

系统中水质TN表现为从监测断面1到断面3逐渐下降的趋势，系统进水全年TN浓度最大、最小和平均分别为3.91（2018年4月）、1.02（2017年7月）和1.93 mg/L，除2017年10月、2018年3月和4月进水TN浓度大于地表水Ⅴ类水外，其余时间段都小于Ⅴ类水质。农田排水进入系统后，通过生态沟渠、库塘湿地和系统处理全年不同时段TN浓度去除率分别为1.28%～49.59%、2.69%～68.48%和15.20%～69.59%。系统全年水质中NH4+-N在TN比率为7.05%～45.71%，说明NH4+-N不是水质中氮的主要形态。但NH4+-N表现出与TN相同降低的趋势，有着相同的浓度最大时间段（2018年4月），最大为1.05 mg/L，全年平均浓度为0.38 mg/L，系统全年对进水中NH4+-N去除率在17.04%～64.18%。系统出水中TN和NH4+-N最低出水浓度可分别达地表Ⅱ类和Ⅰ类水标准，生态沟-库塘湿地系统对高TN和NH4+-N浓度的农田排水表现出了有效的削减作用，且在2017年5月和10月有着较高的削减。

2.1.2 系统中磷的变化特征

不同时期TP浓度指标动态特征及去除率见图4。

研究区域农田施肥以氮肥为主，施用磷肥相对较少，使得农田排水中磷浓度低于氮浓度。系统中全年进水TP浓度最大值和最小值分别为0.68 mg/L（2018年3月）与0.05 mg/L（2017年10月），全年平均浓度为0.17 mg/L，达到地表Ⅲ类水标准。系统进水经过生态沟的拦截与吸收，排出生态沟的最大、最小和平均TP浓度分别为0.55 mg/L、0.04 mg/L和0.16 mg/L，相比于进水浓度显著降低。在库塘湿地对生态沟出水进行进一步处理，最终出水浓度最大、最小和平均浓度分别为0.53 mg/L、0.039 mg/L和0.15 mg/L，最低出水浓度达到地表Ⅰ类水标准，同时生态沟-库塘湿地系统全年对农田排水中TP的去除率为8.43%～51.50%，2017年11月系统达到51.50%的最大削减率，说明系统对进水TP有着较好的去除作用。

2.1.3 系统中COD变化特征

不同时期水质COD浓度指标动态特征及去除率见图5。系统进水断面处农田排水COD浓度均超过地表Ⅲ类水标准，在2017年7月和2018年2—4月中进水断面水质COD浓度大于地表Ⅳ类水标准（≤30 mg/L）。通过生态沟渠的拦截和吸收作用，生态沟渠全年出水中COD浓度下降0.60%～23.99%，库塘湿地对生态沟出水进一步处理后，全年不同时段去除率为0.93%～50.78%，系统对农田排水中COD削减率为4.46%～61.90%，在2017年5月系统有着最高去除率61.90%，且出水中COD浓度达到监测期内最低为地表Ⅰ类水标准。

2.2 生态沟-库塘湿地系统水质净化效果综合分析

2.2.1 系统水质污染物综合权重及污染贡献率

据2017年5月—2018年4月流域生态沟-库塘湿地系统雨季、旱季及全年不同断面水质TN、TP、NH4+-N和COD监测数据，利用“综合平均污染指数法”[33]求得系统中各污染因子的权重及污染贡献率见表2。系统雨季、旱季及全年不同断面水体污染物污染贡献率排序均为TN>COD>TP>NH4+-N，在系统中TN和COD均为全年水质变化最重要影响因子，TN污染贡献率随系统水体流向逐渐降低，水质全年平污染贡献率为43.71%～44.18%，系统中COD污染贡献率随流向呈现出生态沟段增加湿地段降低的变化，污染贡献率为26.60%～27.10%，NH4+-N污染贡献率特征与TP相似。

2.2.2 系统水质净化效果综合分析

根据流域生态沟-库塘湿地系统2017年5月—2018年4月COD、TN、TP及NH4+-N水质变化数据，利用改进灰色模式识别模型对系统2017年5月—2018年4月雨季、旱季和全年的水质进行综合分析与评价，评价结果见表3。通过模型得出系统雨季、旱季及全年不同断面灰色综合指数（Grey composite index， GC）和水质类别，采用GC数值对水质状况进行评价时，GC最大值为5，最小值为1，当各指标均达到Ⅰ类水要求时，GC=1；当所有指标都超过或等于Ⅴ类水要求时，GC=5[35]。流域雨季、旱季及全年农田排水经系统处理后，沿水流方向水质灰色综合指数变化明显，系统不同断面灰色综合指数分别为3.00～3.70、3.80～4.74和3.05～4.29，出水灰色综合指数分别为3.00、3.80和3.05，相对应水质类别分别为Ⅲ、Ⅳ和Ⅲ类，表明不同时间段生态沟-库塘湿地系统对农田排水处理效果存在差异。

3 讨论

3.1 生态沟-库塘湿地系统中水质变化特征

生态沟-库塘湿地系统是一个由土壤、植物和微生物构成的综合系统，通过植物吸收、底泥的吸附和截留、微生物降解和根区反应等综合作用，以达到对农田排水中氮、磷的净化作用[36]。在系统中，农田排水经过生态沟-湿地的联合净化作用后，出水氮、磷及COD浓度较入水大幅降低（图2～图4），在2017年5月、10月和11月都有着较大的去除。监测期内系统对农田排水中TN去除表现出先降低再增加最后降低的趋势，雨季对TN平均去除率为26.61%，大于旱季时系统平均去除率19.72%，主要在于雨季温度较高，系统中生态沟和湿地对农田排水TN去除机制主要是微生物反硝化作用，微生物反硝化速率随温度的升高而升高，上下限温度分别在5℃和70℃[37]。此外，系统中湿地植物正处于暖季生长期，通过植物吸收是去除TN的另一种重要途径[38]。系统入水中TN初始浓度相对较低（1.34 mg/L），此时生态沟出水TN浓度为1.29 mg/L，去除率为3.73%，表明生态沟在净化初始浓度较低的水体时效果并不明显；相反人工湿地最终出水TN浓度为0.41 mg/L，去除率为68.41%，高于生态沟去除率，其余时段湿地去除率为2.69%～26.81%。有研究表明，生态沟末端配置湿地处理农田排水，湿地在净化TN初始浓度较低水体时具有更好的效果[22]。系统中NH4+-N去除率表现出波动变化的趋势，旱季平均去除率（18.10%）同雨季（17.85%）相接近，由于流域旱季降雨量较少，系统中进水水体流量较小，造成水力停留时间增加，系统中较长的水力停留时间有利于生态沟和湿地中植物吸收、底泥和基质吸附、微生物硝化作用对水体NH4+-N去除[16，19]。有研究表明，NH4+-N带正电荷易被沉积物、底泥和基质吸附，当水化学条件发生变化时容易释放入水体中，NH4+-N在生态沟的迁移及转化受到田间停留时间的影响[15]。本研究中，生态沟对NH4+-N去除率为14.85%～47.76%，而人工湿地对NH4+-N最大去除率为31.43%，平均去除率为7.37%。由于系统中生态沟相比于湿地水位较低和水体流速快，使得水体多为好氧环境，农田排水中NH4+-N经过微生物硝化作用去除[39]，与生态沟相比，水生植物生物量较大以及水位较深，使得湿地容易处于缺氧状态，不利于NH4+-N的吸收转化。此外，湿地中大量植物腐烂分解导致水体NH4+-N浓度增大[40-41]。生態沟-湿地系统中底泥和基质吸附、植物拦截是去除水体中P主要作用[42]，生态沟和湿地的合理工程构建、适宜的基质条件和植物结构可以有效提升磷的去除效率[43-44]。在本研究中，系统监测期内对TP的总去除率在9.77%～51.50%，平均去除率23.38%，有效降低了农田尾水中TP的含量。由于旱季降雨较小使得系统中水力停留时间大于雨季，有利于系统中植物拦截、底泥和基质吸附对水体中磷的去除[45]，使得旱季（18.87%）系统对磷的去除率大于雨季（8.43%），同时湿地雨旱季水力停留时间大于生态沟，可进一步有效去除生态沟排水中磷，说明系统可有效净化低浓度含磷农田排水。系统中生态沟与湿地主要通过沉降、基质吸附、微生物作用去除农田排水中COD[46]，王[27]等研究发现，沟-塘系统对农田退水中COD的净化率为28.91%～51.77%，同一沟塘处理系统在不同的时间对TP和COD的净化效果尤为突出。本研究中生态沟-湿地系统在野外运行中对农田排水COD净化率为4.46%～61.90%，系统前期对农田排水中COD削减波动性较大，后期对农田排水中COD削减趋于稳定。由于研究区域种植施用有机肥易带来有机质的增加的问题，雨季降雨前期降雨冲刷农田，且降雨较小，导致农田排水中COD浓度的增加。雨季中期降雨增加，同时前期农田土壤中有机质流失较多，使得系统入水中COD浓度减小，且旱季降雨较少，同时研究区域种植频繁，旱季时农田排水中COD浓度增加，导致系统入水浓度升高，有研究表明，湿地中植物对水体中某种营养物质的吸收利用率与它的供应浓度有关，在一定的浓度范围内，植物吸收离子的速度随介质中浓度的升高而增加，浓度降低则吸收速率降低[47]，不同进水COD浓度使得系统净化率发生着改变，同时系统旱季净化率稳定变化，说明在流域冬季系统可以对农田排水进行稳定净化。

3.2 生态沟-库塘湿地系统水质净化效果综合分析

通过表1可知，在生态沟-湿地系统所有污染物中TN和COD是水质变化的主要影响因素。因在洱海流域现有农田种植模式下大量氮残留在土壤中，这一现象的主要原因可能在于研究区以花卉种植为主，一方面花卉种植的施肥强度大、种植茬数多、管理更集约、季节性强，造成土壤中大量肥料残留[48]，另一方面研究区内农田种植多无覆膜处理，相比于农田露地种植，土壤表面覆膜种植可以减少氮、磷及COD流失[49]，经流域降雨冲刷以及养护灌溉形成的地表径流和淋溶侧渗作用将土壤中氮、磷及COD等污染物从土壤输送进入沟渠水体中。除化肥外，花卉种植过程中有机肥的施用以及种植区植物秸秆的残留也成为农田排水中氮、磷及COD的高潜在来源[50]，使得农田排入生态沟水体中TN和COD占比大。农田排水通过生态沟和湿地植物吸收、底泥的吸附和微生物作用削减水体中TN[16，19]，使得系统中水质TN污染贡献率随系统水体流向逐渐降低，同时生态沟对TP和NH4+-N削减率分别为2.05%～39.10%和15.19%～47.76%，而COD平均削减率为2.49%，使得生态沟出水中COD对水质影响增大，湿地对生态沟排水进一步处理过程中，水力停留时间较长，使得COD削减较大，湿地出水中COD占比下降。

研究区域沟渠主要功能为农业灌排一体，因沟渠改造前对环境排放污水中污染物去除能力较差，通过沟渠生态化和沟塘串联等改造工程对原农田灌排沟渠进行生态化改造，加强沟渠污染物削减效应。通过表2可知，根据评价模型对生态沟-湿地系统2017年5月—2018年4月不同断面各水质指标及水质变化综合分析结果可知，系统雨季、旱季和全年入水口断面水质类别分别为Ⅳ、Ⅴ和Ⅴ类，主要在于研究区内农业以花卉种植为主，花卉种植的施肥强度大、种植茬数多和施肥次数多，造成土壤中大量氮、磷残留，通过地表径流及侧渗作用进入生态沟入水断面水体[47]，同时雨季较多降雨对生态沟入水中氮、磷及COD等污染物起到了一定的稀释作用，使得雨季入水水质类别总体小于旱季。研究区农田排水通过生态沟渠后水质得到明显改善，生态沟通过植物吸收、底泥的吸附和微生物作用对农田排水中氮、磷及COD等污染物进行削减[16]，雨季、旱季和全年生态沟出水断面水体水质类别由进水断面分由Ⅳ、Ⅴ和Ⅴ类提升到Ⅲ、Ⅳ和Ⅳ类水质，水质类别相应提升一个类别，水质总体污染状况改善较为明显。通过进出水GC变化可知，雨季和旱季生态沟ΔGC分别为0.59和0.19，生态沟对农田排水净化作用在流域雨季大于旱季，雨季生态沟对TN和COD去除率大于旱季，由于雨季平均气温大于旱季，较高温度有利于植物吸收以及微生物作用对农田排水进行净化[51]。有研究表明生态沟对农田排水中N去除具有很强的季节性，特别是在温暖的环境中，一般在夏季（5—8月）达到峰值[15]。水体由生态沟渠处理后进入末端湿地进一步对污染物削减，通过模型评价所得结果可以看出，雨季、旱季和全年湿地出水水质类别为Ⅲ、Ⅳ和Ⅲ类水质，除全年总体出水水质提升一个等级外，雨季、旱季出水水质类别相比于进水未有等级上变化，通过水质GC指数变化可以看出，湿地雨季进出水和全年出水水质同为Ⅲ类情况下，水质GC值分别为3.11、3.00和3.05，雨季湿地进出水ΔGC值为-0.11，表明湿地对于污染物浓度较低水体时具有一定处理效果。

4 結论

（1）构建生态沟-湿地系统可对农田排水中TN、NH4+-N、TP和COD有效净化，出流最低TN、COD分别可达地表Ⅱ类水标准，出流NH4+-N和TP全年平均分别达到地表Ⅱ类和Ⅲ类水标准，系统全年雨季对TN去除大于旱季，TP和COD旱季去除大于雨季，雨旱季NH4+-N系统去除率相接近。

（2）综合平均污染指数分析显示生态沟-湿地系统雨季、旱季及全年不同断面水体污染物污染贡献率排序均为TN>COD>TP>NH4+-N，水体中TN和COD均为全年水质变化最重要影响因子，TN污染贡献率随系统水体流向逐渐降低，COD污染贡献率随流向呈现出生态沟段增加湿地段降低的变化。

（3）运用“中心化”灰色模式识别模型对洱海流域生态沟-湿地系统不同断面水质进行评价，监测期内农田排水经沟-湿地系统处理后，沿水流方向水质总体类别变化明显，水质灰色综合指数在3.00～4.74变化，系统监测期内出水水质类型总体达Ⅲ类，系统雨季出水水质总体为Ⅲ类，优于旱季Ⅳ类出水水质。

参考文献：

[1] 欧阳威，蔡冠清，黄浩波，等.小流域农业面源氮污染时空特征及与土壤呼吸硝化关系分析[J].环境科学，2014，35（6）：2411-2418.

[2] 宋立芳，王毅，吴金水，等.水稻种植对中亚热带红壤丘陵区小流域氮磷养分输出的影响[J].环境科学，2014，35（1）：150-156.

[3] Zhang W，Jin X，Liu D，et al.Temporal and spatial variation of nitrogen and phosphorus and eutrophication assessment for a typical arid river：Fuyang River in northern China[J].Journal of Environmental Sciences，2017（55）：41-48.

[4] Qin B Q，Gao G，Zhu G W，et al.Lake eutrophication and its ecosystem response[J].Chinese Science Bulletin，2013，58（9）：961-970.

[5] Lin Q，Liu E，Zhang E，et al.Spatial distribution，contamination and ecological risk assessment of heavy metals in surface sediments of Erhai Lake，a large eutrophic plateau lake in southwest China[J].Catena，2016（145）：193-203.

[6] Liu W，Wang S，Zhang L，et al.Phosphorus release characteristics of sediments in Erhai Lake and their impact on water quality Environmental Earth [J].Sciences，2015，74（5）：3753-3766.

[7] Wang S，Zhang L，Ni L，et al.Ecological degeneration of the Erhai Lake and prevention measures.Environmental Earth [J].Sciences，2015，74（5）：3839-3847.

[8] Zhang L，Wang S，Wu Z.Coupling effect of pH and dissolved oxygen in water column on nitrogen release at water–sediment interface of Erhai Lake，China[J].Estuarine，Coastal and Shelf Science，2014（149）：178-186.

[9] Tao W，Sauba K，Fattah K P，et al.Designing constructed wetlands for reclamation of pretreated wastewater and stormwater[J].Reviews in Environmental Science and Bio/Technology，2017，16（1）：37-57.

[10] 李丹，儲昭升，刘琰，等.洱海流域生态塘湿地氮截留特征及其影响因素[J].环境科学研究，2019，32（2）：212-218.

[11] QuanLi X，Kun Y，GuiLin W，et al.Agent-based modeling and simulations of land-use and land-cover change according to ant colony optimization：a case study of the Erhai Lake Basin，China[J].Natural Hazards，2015，75（1）：95-118.

[12] 卢中辉，余斌，张辉，等.洱海流域农业面源污染与水环境变化的关联分析[J].华中师范大学学报（自然科学版），2017，51（2）：215-223.

[13] Wu M，Tang X，Li Q，et al.Review of ecological engineering solutions for rural non-point source water pollution control in Hubei Province，China[J].Water，Air，& Soil Pollution，2013，224（5）：1561.

[14] Liu F，Wang Y，Xiao R，et al.Influence of substrates on nutrient removal performance of organic channel barriers in drainage ditches[J].Journal of Hydrology，2015（527）：380-386.

[15] Chen L，Liu F，Wang Y，et al.Nitrogen removal in an ecological ditch receiving agricultural drainage in subtropical central China[J].Ecological Engineering，2015（82）：487-492.

[16] Tang W，Zhang W，Zhao Y，et al.Nitrogen removal from polluted river water in a novel ditch–wetland–pond system[J].Ecological engineering，2013（60）：135-139.

[17] Vymazal J，B?ezinová T D.Removal of nutrients，organics and suspended solids in vegetated agricultural drainage ditch[J].Ecological engineering，2018（ 118）：97-103.

[18] Dal Ferro N，Ibrahim H M S，Borin M.Newly-established free water-surface constructed wetland to treat agricultural waters in the low-lying Venetian plain：Performance on nitrogen and phosphorus removal[J].Science of the Total Environment，2018（639）：852-859.

[19] Cheng G，Li Q，Su Z，et al.Preparation，optimization，and application of sustainable ceramsite substrate from coal fly ash/waterworks sludge/oyster shell for phosphorus immobilization in constructed wetlands[J].Journal of Cleaner Production，2018（ 175）：572-581.

[20] Coban O，Kuschk P，Kappelmeyer U，et al.Nitrogen transforming community in a horizontal subsurface-flow constructed wetland [J].Water research，2015（74）：203-212.

[21] Zhu J，Hu W，Hu L，et al.Variation in the efficiency of nutrient removal in a pilot-scale natural wetland [J].Wetlands，2012，32（2）：311-319.

[22] 朱金格，张晓姣，刘鑫，等.生态沟-湿地系统对农田排水氮磷的去除效应[J].农业环境科学学报，2019，38（2）：405-411.

[23] 郑志伟，胡莲，邹曦，等.生态沟渠+稳定塘系统处理山区农村生活污水的研究[J].水生态学杂志，2016，37（4）：42-47.

[24] Tang W，Zhang W，Zhao Y，et al.Nitrogen removal from polluted river water in a novel ditch–wetland–pond system [J].Ecological engineering，2013（60）：135-139.

[25] 王哲，謝杰，刘爱武，等.经济植物湿地处理洱海流域低污染河水的性能[J].环境科学研究，2016，29（8）：1230-1235.

[26] Han H，Cui Y，Gao R，et al.Study on nitrogen removal from rice paddy field drainage by interaction of plant species and hydraulic conditions in eco-ditches[J].Environmental Science and Pollution Research，2019，26（7）：6492-6502.

[27] 王春雪，李敏，陈建军，等.不同牛粪化肥配施比例下水稻田-沟-塘系统的水质及植物特征[J].生态与农村环境学报，2019，35（4）：506-514.

[28] 李叶芳，马诗雨，李红媛，等.大理市花海庄园发展现状调查与分析[J].现代园艺，2018 （21）：26-30.

[29] 姚金玲，张克强，郭海刚，等.不同施肥方式下洱海流域水稻-大蒜轮作体系氮磷径流损失研究[J].农业环境科学学报，2017，36（11）：2287-2296.

[30] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法（四版）[M]北京：中国环境科学出版社，2002：701-705.

[31] 谢坤，罗元，冯弋洋，等.改进灰色模式识别模型评价洱海雨季灌排沟渠水质[J].农业工程学报，2019，35（23）：234-241.

[32] 申剑，史淑娟，周扬，等.基于改进灰色关联分析法的丹江口流域地表水环境质量评价[J].中国环境监测，2014，30（5）：41-46.

[33] 徐红敏，刘静，毛红健，等.改进的灰色关联度分析在地表水环境质量评价中的应用[J].北京石油化工学院学报，2010，18（2）：55-58.

[34] Ban X，Yu C，Pan B，et al.Application of the CWQII method and a 2D water quality model to assess diversion schemes for East Lake （Donghu），Wuhan，China[J].Lake and Reservoir Management，2014，30（4）：358-370.

[35] 田伟东，贾克力，史小红，等.2005—2014年乌梁素海湖泊水质变化特征[J].湖泊科学，2016，28（6）：1226-1234.

[36] 彭世彰，高焕芝，张正良.灌区沟塘湿地对稻田排水中氮磷的原位削减效果及机理研究[J].水利学报，2010，41（4）：406-411.

[37] Vymazal J.Removal of nutrients in various types of constructed wetlands[J].Science of the total environment，2007，380（1-3）：48-65.

[38] Kumwimba M N，Dzakpasu M，Zhu B，et al.Uptake and release of sequestered nutrient in subtropical monsoon ecological ditch plant species[J].Water，Air，& Soil Pollution，2016，227（11）：405.

[39] Wang T，Zhu B，Zhou M.Ecological ditch system for nutrient removal of rural domestic sewage in the hilly area of the central Sichuan Basin，China[J].Journal of hydrology，2019（570）：839-849.

[40] Hu L，Hu W，Deng J，et al.Nutrient removal in wetlands with different macrophyte structures in eastern Lake Taihu，China[J].Ecological Engineering，2010，36（12）：1725-1732.

[41] 余红兵，杨知建，肖润林，等.水生植物的氮磷吸收能力及收割管理研究[J].草业学报，2013，22（1）：294-299.

[42] Wang C，Pei Y.Effects of light，microbial activity，and sediment resuspension on the phosphorus immobilization capability of drinking water treatment residuals in lake sediment[J].Environmental Science and Pollution Research，2013，20（12）：8900-8908.

[43] 刘福兴，陈桂发，付子轼，等.不同构造生态沟渠的农田面源污染物处理能力及实际应用效果[J].生态与农村环境学报，2019，35（6）：787-794.

[44] 刘福兴，王俊力，付子轼.不同规格生态沟渠对排水污染物处理能力的研究[J].土壤学报，2019，56（3）：561-570.

[45] Kleinman P J A，Allen A L，Needelman B A，et al.Dynamics of phosphorus transfers from heavily manured Coastal Plain soils to drainage ditches[J].Journal of Soil and Water Conservation，2007，62（4）：225-235.

[46] 刘洋，王世和，黄娟，等.两种人工湿地长期运行效果研究[J].生态环境，2006，15（6）：1156-1159.

[47] Montemurro F，Convertini G，Ferri D.Nitrogen application in winter wheat grown in Mediterranean conditions：effects on nitrogen uptake，utilization efficiency，and soil nitrogen deficit[J].Journal of plant nutrition，2007，30（10）：1681-1703.

[48] 曾晓岚，王涛涛，罗萬申，等.设施农业生产区降雨径流和氮磷输出特征及模拟——以滇池东岸花卉大棚种植区为例[J].湖泊科学，2017，29（5）：1061-1069.

[49] Shan L，He Y，Chen J，et al.Nitrogen surface runoff losses from a Chinese cabbage field under different nitrogen treatments in the Taihu Lake Basin，China [J].Agricultural Water Management，2015（159）：255-263.

[50] 湛方栋，傅志兴，杨静，等.滇池流域套作玉米对蔬菜农田地表径流污染流失特征的影响[J].环境科学学报，2012，32（4）：847-855.

[51] Kumwimba M N，Zhu B，Muyembe D K.Estimation of the removal efficiency of heavy metals and nutrients from ecological drainage ditches treating town sewage during dry and wet seasons [J].Environmental monitoring and assessment，2017，189（9）：434.

Purification Effect of Ecological Ditch-pond Wetland System on Farmland Drainage in the Erhai Lake Basin

XIE Kun， DENG Wei-ming， FAN Li

（Yunnan Appraisal Center for Ecological and Environmental Engineering， Kunming Yunnan 650028， China）

Abstract： In order to explore the nitrogen and phosphorus removal effect and application prospect of ecological ditch-pond wetland system on farmland drainage in the Erhai basin， the ecological ditch-pond wetland system was constructed in situ to intercept and purify farmland tail water. Based on the analysis of the concentration characteristics of COD， TN， TP and NH4+-N in the influent and effluent of the system during the rainy season， dry season and the whole year， an improved grey pattern recognition model and a comprehensive average pollution index were introduced to comprehensively evaluate the water purification effect of the system. The results showed that the ecological ditch-pond wetland system has played an effective role in purifying TN， NH4+-N， TP and COD in farmland drainage. The annual removal rates of TN and COD were 15.20%～69.59% and 4.46%～61.90%， respectively. The lowest concentration of effluent could reach class II standards of surface water environmental quality， and the average annual effluent NH4+-N and TP could reach class II and III standards of surface water quality， respectively. In the rainy season and dry season， the average effluent of the system was Class III and IV， respectively， and the annual average effluent could reach the Class III standard of surface water quality. The removal of TN and COD in farmland drainage was an important factor affecting the change of effluent quality. The study showed that ecological ditch combined with pond wetland could obviously improve the removal efficiency of nitrogen， phosphorus and COD in farmland drainage in the basin， and the annual average effluent of the system could reach the class III standard of surface water environmental quality. At the same time， it has the characteristics of stable operation and environmental and economic benefits， and has a certain prospect of popularization and application in the Erhai basin.

Keywords： the Erhai lake basin; agricultural non-point source pollution; gray-mode identification model; ecological ditch; pond wetland

收稿日期：2023-05-21

基金项目：国家重点研发计划（2017YFD0800403）；农业农村农村部财政项目（22110402001006）。

作者简介：谢坤（1994-），男，四川广安人，硕士，助理工程师，主要从事河湖水环境生态修复方面的研究。

通信作者：范力（1994-），男，云南昆明人，硕士，工程师，从事河湖水环境生态修复方面的研究。