稻田退水污染處理方法初探
——WRSIS技術(shù)引進(jìn)與改良

燕 紅，山廣茂

(1.東北師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130024;2.吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130033)

稻田退水污染處理方法初探
——WRSIS技術(shù)引進(jìn)與改良

燕 紅1，山廣茂2

(1.東北師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130024;2.吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130033)

結(jié)合我國(guó)灌溉排水系統(tǒng)的實(shí)際情況對(duì)WRSIS系統(tǒng)進(jìn)行了改造，以“暗管控制排水”為主轉(zhuǎn)為以“明溝排水”為主，并在吉林省莫莫格地區(qū)開展了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，改進(jìn)后的新系統(tǒng)對(duì)稻田退水中氮磷的去除率均能達(dá)到25%以上，改進(jìn)的WRSIS系統(tǒng)治理水稻區(qū)非點(diǎn)源污染是非常有效的途徑。

稻田;非點(diǎn)源污染;WRSIS;濕地

我國(guó)是世界第一產(chǎn)稻大國(guó)，水稻種植面積約占全國(guó)糧食作物總面積的40%。但是水稻的大面積種植，使得農(nóng)田化肥施用量急劇增加，周圍水體的富營(yíng)養(yǎng)化和農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染加劇。司友斌等人［2］對(duì)巢湖西半湖水體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)水體中總氮(TN)、總磷(TP)分別為4.14 mg/L和0.31mg/L，劣于V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。巢湖四周都是農(nóng)田，肥料的大量流入是巢湖水質(zhì)TN、TP超標(biāo)的重要原因。

2008年，吉林省發(fā)布《吉林省增產(chǎn)百億斤商品糧能力建設(shè)工程總體規(guī)劃》，莫莫格地區(qū)是主要示范地之一，大面積水稻田的開發(fā)將產(chǎn)生更大的面源污染問題，莫莫格地區(qū)的稻田退水污染將出現(xiàn)加劇的趨勢(shì)。莫莫格濕地處于吉林省農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，屬于生態(tài)脆弱帶，是水禽的重要棲息繁殖地和東亞候鳥南北遷徙主干線上的重要停歇中轉(zhuǎn)站，在保護(hù)生物多樣性尤其是保護(hù)水禽方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和國(guó)際意義［3］。

在濕地污水凈化過(guò)程中，濕地植被扮演了重要角色，它能吸附沉積物，吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)儲(chǔ)存在體內(nèi)，創(chuàng)造適宜植物生長(zhǎng)的微環(huán)境，同時(shí)為分解污染物有益菌提供碳源。因此，我們有必要結(jié)合濕地本身的凈化功能和新的技術(shù)方法提高濕地處理稻田退水能力，為解決糧食增產(chǎn)和造成的非點(diǎn)源污染二者沖突提供依據(jù)，也為保護(hù)生物多樣性做出貢獻(xiàn)。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

WRSIS系統(tǒng)試驗(yàn)地選在吉林省西部鎮(zhèn)賚縣莫莫格保護(hù)區(qū)附近的五棵樹鎮(zhèn)東800米處的水稻田邊，實(shí)驗(yàn)區(qū)水稻面積6公頃，濕地面積為0.8公頃，整片共計(jì)30塊稻田相連，排水進(jìn)入250米長(zhǎng)的生態(tài)溝渠，然后排入濕地中，濕地的位置位于水稻田邊地勢(shì)最低處。并且，在實(shí)驗(yàn)的濕地中設(shè)置幾塊不同植被類型的小型濕地，同時(shí)監(jiān)測(cè)比較不同植物之間的凈化效果差異。

1.2 WRSIS系統(tǒng)技術(shù)體系

美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)Czartoski等［6］學(xué)者研究開發(fā)了濕地－水塘－地下灌溉系統(tǒng)(WRSIS)，WRSIS由人工濕地、水塘、地下灌溉兼控制排水系統(tǒng)所組成，整個(gè)工藝流程如下:灌溉用水首先通過(guò)地下排灌系統(tǒng)進(jìn)入農(nóng)田，農(nóng)田排出的含氮磷較高的污水被引入濕地中進(jìn)行自然凈化，凈化后的水又排入水塘中進(jìn)行儲(chǔ)存，待農(nóng)田需水季節(jié)重新被利用，從而完成整個(gè)循環(huán)。WRSIS研究的初衷是為減少農(nóng)田污染物質(zhì)排放、提高灌溉保證率和水分利用率，以及增加糧食產(chǎn)量。主要目的是為了解決非點(diǎn)源污染(NPS)問題。該研究小組在美國(guó)俄亥俄州的三個(gè)地區(qū)進(jìn)行了示范和推廣，這種技術(shù)濕地可吸收大約68%的氮和43%的磷，取得了良好的效果。目前國(guó)內(nèi)對(duì)WRSIS系統(tǒng)的研究在2006年開始。2006年7月在桂林建立了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行研究［7］。2009年吉林省將該技術(shù)引入吉林省西部用來(lái)處理大面積稻田退水造成的非點(diǎn)源污染。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)WRSIS系統(tǒng)技術(shù)改造。結(jié)合我國(guó)灌溉排水系統(tǒng)中主要是以明渠(溝)為主的實(shí)際情況，我們對(duì)WRSIS系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，將俄亥俄州立大學(xué)的技術(shù)中的地下灌溉系統(tǒng)改為明渠灌溉，“水稻田－人工濕地－蓄水池”更能實(shí)現(xiàn)農(nóng)田排水水質(zhì)控制和管理技術(shù)在吉林省西部莫莫格地區(qū)農(nóng)村的推廣(圖1)。該系統(tǒng)由三部分組成:水稻田－人工濕地－蓄水池，并通過(guò)溝渠系統(tǒng)將三者連結(jié)起來(lái)。其中，水稻田的排水通過(guò)生態(tài)排水溝流入濕地系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)濕地中的基質(zhì)和植物的吸附和吸收凈化后排入氧化塘，對(duì)凈化后的水進(jìn)行儲(chǔ)存;當(dāng)水稻田需要灌溉的時(shí)候，可以從氧化塘中引入凈化后的水重新進(jìn)入濕地，從而完成各個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)利用。與美國(guó)的系統(tǒng)相比取消了在農(nóng)田中設(shè)置價(jià)格昂貴的地下灌溉與控制排水系統(tǒng)。因此本系統(tǒng)投資少，適合我國(guó)的經(jīng)濟(jì)條件。

圖1 改進(jìn)后WRSIS系統(tǒng)濕地凈化稻田退水實(shí)驗(yàn)示意圖

(2)水質(zhì)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)總面積約為0.8公頃，設(shè)置進(jìn)水口與出水口，于5，6，7和8月定期采樣，計(jì)算整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的凈化效果。

(3)濕地中植物的監(jiān)測(cè)。對(duì)凈化污水的濕地植物配置，采用“自我設(shè)計(jì)”觀點(diǎn)，其中時(shí)間是影響自然濕地植物群落發(fā)育的重要因素，特別是采用人工方法恢復(fù)植被的濕地，濕地植被的發(fā)育依靠自有種子，或經(jīng)由風(fēng)或經(jīng)造訪濕地的野生動(dòng)物攜帶而來(lái)的種子。這種被動(dòng)的方法取決于特定物種造訪的時(shí)間和物種在人工濕地定植的適宜條件。

維管植被調(diào)查開展于2010年和2011年植物生物量最高的8月中旬。通過(guò)使用樣帶法隨機(jī)抽取季節(jié)性的固定的一系列樣方。樣點(diǎn)分布見圖1。濕地內(nèi)共取樣方20個(gè)，每個(gè)點(diǎn)5個(gè)重復(fù)。畫出物種地區(qū)曲線以便檢驗(yàn)抽樣數(shù)量是否適當(dāng)。在2011年生長(zhǎng)季期間分三次取樣，自五月份開始于九月底結(jié)束。調(diào)查項(xiàng)目包括定量和定性調(diào)查，這些項(xiàng)目有樣方中的蓋度、群落類型和所有物種的名稱，其中采用Braun-Blanquet scale(1932)做定量分析，調(diào)查的結(jié)果用作計(jì)算物種的豐富度等，樣方中的不同物種重要值則用以計(jì)算多樣性指數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中將稻田的排水引入濕地，對(duì)稻田排出的水質(zhì)以及濕地內(nèi)和流出濕地的水質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，于每個(gè)月的中期進(jìn)行采樣，并計(jì)算濕地對(duì)退水的去除率。

圖2可見，TN的去除率在5月份最高，6、7月份逐漸下降，8月份又有所回升，最終達(dá)到20%。TP去除效果良好，5、6月份去除效果明顯，7、8月份開始回落，最終達(dá)到30%。分析其原因，5月份稻田剛開始插秧，濕地中植物也剛萌芽，排入濕地中的稻田的氮磷含量低，濕地土壤在其中起到了關(guān)鍵的作用，主要氮磷物質(zhì)被土壤顆粒吸附，6、7月份，正是施氮磷的高峰季節(jié)，排水中的氮磷負(fù)荷較重，濕地植物還沒有進(jìn)入最好的吸收狀態(tài)，所以，去除率有所下降，進(jìn)入8月份，濕地中植物的生產(chǎn)力和豐富度均達(dá)到最高，對(duì)氮磷的吸收也是效果最好的時(shí)候，因此去除率開始增加。

圖2 實(shí)驗(yàn)區(qū)不同月份去除率比較

2.2 濕地植物監(jiān)測(cè)

根據(jù)對(duì)樣地的調(diào)查，經(jīng)過(guò)一年的恢復(fù)與生長(zhǎng)，共發(fā)現(xiàn)植物物種13種，其中優(yōu)勢(shì)植物為蘆葦(Phrnagmite australis)，香蒲(Typha orientalis)，小香蒲(Typha minima)扁稈藨草(Scirpus planiculmis)，四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的物種多樣性見表1。

表1 不同取樣點(diǎn)濕地植物多樣性

從表中可以看出，四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)物種數(shù)差異不顯著，整體來(lái)講，樣點(diǎn)4物種數(shù)及物種多樣性較高，因?yàn)闃狱c(diǎn)4位于濕地入水口處，并且該處是濕地中地勢(shì)較高的地方，一些適宜淺水生長(zhǎng)和較旱生的物種能夠生存，如扁稈藨草適宜生長(zhǎng)在水位低于20cm的濕地生長(zhǎng)。

3 結(jié)論與討論

濕地蓄水地下灌溉(WRSIS)系統(tǒng)在去除氮磷元素具有一定的效果，去除率平均能達(dá)到25%以上，濕地物種較之建設(shè)初期有所增加，濕地植被恢復(fù)取得一定的效果。但是本文并未過(guò)多的考慮濕地水力停留時(shí)間對(duì)總氮的去除的影響，據(jù)有研究表明水力停留時(shí)間對(duì)氮磷的吸收具有一定的影響［8］，這是下一步實(shí)驗(yàn)需要主要考慮的問題。濕地中濕地植物長(zhǎng)勢(shì)還有待提高，還不能為總氮的去除提供適宜的條件，直到發(fā)稿時(shí)，濕地植物比例仍未能達(dá)到期望值。主要原因是該塊濕地是從撂荒地改造而成，其中常年生長(zhǎng)各類雜草，在濕地運(yùn)行過(guò)程中的第一年，積累在土壤中的氮磷在形成濕地時(shí)會(huì)有部分的釋放，對(duì)濕地的凈化效果產(chǎn)生了一定的影響，這種影響對(duì)總氮較為明顯。

［1］司友斌.農(nóng)田氮、磷流失與水體富營(yíng)養(yǎng)化［J］.土壤，2000(4):188－193.

［2］Lee M.Luckeydoo，N.R.Fausey.Early development of vascular vegetation of constructed wetlands in northwest Ohio receiving agricultural waters Agriculture［J］.Ecosystems and Environment，2002(88):89 － 94.

［3］韓春玲，王修貴，金苗，等.一種全新的農(nóng)田水量水質(zhì)綜合水管理系統(tǒng)——美國(guó)“濕地－水塘－地下灌排 綜合水管理系統(tǒng)(WRSIS)［J］.濕地科學(xué)與管理，2008，4(2):57 －59.

［4］張愛平.寧夏黃灌區(qū)稻田退水氮磷污染特征研究［D］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2009.

Preliminary Study on Pollution Treatment of Drainage Water in Paddy Field—A Discussion on the Introduced and Refined WRSIS

YAN Hong1，SHAN Guang-mao2

(1.School of Urban and Environmental Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China;2.Jilin Provincial Academy of Forestry Science，Changchun 130013，China)

We refine WRSIS by research on the situation of our country＇s irrigation and drainage system，changing the technique of underground pipe drainage into that of ditch drainage and making an experimental research on Momoge District in Jilin Province.The results show that the refined system＇s removal rate of N and P in paddy field after recession can reach above 25% ，indicating that the refined WRSIS is very effective to manage the problems of non-point agricultural pollution in paddy field.

paddy field;non-point source pollution;WRSIS;wetland

X506

A

1009－3907(2012)06－0698－03

2011-10-28

國(guó)家林業(yè)局引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)林業(yè)科學(xué)技術(shù)948項(xiàng)目(2009-4-32);國(guó)家環(huán)保部環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(2011467032)

燕紅(1980-)，女，內(nèi)蒙呼倫貝爾人，博士研究生，主要從事濕地生態(tài)學(xué)研究。

責(zé)任編輯:劉 琳