不同構造生態溝渠的農田面源污染物處理能力及實際應用效果

劉福興，陳桂發，付子軾，楊林章，王俊力① （.上海市農業科學院/上海低碳農業工程技術研究中心，上海0403；.江蘇省農業科學院，江蘇 南京 004）

農田排水溝渠是農田灌排單元的重要組成部分[1]，是農田面源污染物的最初匯集地和向下游水體遷移的重要通道，對下游水體環境有著重要影響[2]。與傳統水泥排水溝渠相比，生態溝渠由帶栽植孔的水泥渠體以及基質和植物組成，能夠減緩流速，促進顆粒物沉淀，有利于污染物的吸收攔截，實現污染物的生態攔截[3]。生態溝渠為農業面源污染防控4R〔源頭減量（reduce）-過程阻斷（retain）-養分再利用（reuse）-水體修復（restore）〕技術體系中“過程阻斷”環節的重要技術[4]，在全國范圍內被廣泛應用。

生態溝渠作為一種特殊的濕地生態系統，其內部環境條件能夠使植物維持較好生物穩定性[5]。生態溝渠對農田徑流氮磷也有較好攔截效果，研究表明，動態進水條件下生態溝渠氮和磷去除率分別為35.7% 和 41.0%[6]，甚至可達 74.1% 和 68.6%[7]；靜態進水條件下則分別為58.2%和84.8%[6]，不同構造生態溝渠對氮磷的去除率均能分別超過40%和50%[5，8-9]。但是生態溝渠構造類型會影響其對污染物的攔截效率，加之農田面源污染物濃度具有較大變異性，因此亟需系統研究生態溝渠構造組成對污染物削減效果及其穩定性的影響，尋求生態溝渠最優配置。劉福興等[10]對太湖流域平原河網區常用的0.80、1.05和1.30 m 3種深度的生態溝渠對農業面源污染物的去除效率進行研究，發現1.30 m深的生態溝渠去除效率較高，耐沖擊負荷能力也較強。

沸石是一種架狀構造的含水硅酸鹽礦物，其內部存在大量有序排列、大小均勻、彼此貫通并與外界相連的空穴和孔道，具有良好的吸附性能[11]。結合已有工作基礎[10]，采用1.30 m深生態溝渠，通過模擬農田面源尾水，比較植被（E草）、沸石填料（E填）以及采用溝底植被與沸石填料（E草+填）3種構造生態溝渠在動態連續進水條件下對銨態氮（NH4+-N）、總氮（TN）、總磷（TP）和懸浮物（SS）的去除效率，并分析采用溝底植被與沸石填料的生態溝渠對農田降雨徑流中氮磷的處理效果，以期為生態攔截技術應用提供設計參考，提高生態溝渠對農業面源（尤其是種植業面源）污染物攔截凈化效果。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地點為上海市農業科學院莊行綜合試驗基地（30°53'N，121°23'E）生態溝渠實驗區。研究區屬亞熱帶季風氣候區，多年平均降水量為1 192 mm，蒸發量為1 237 mm，年均溫為16.1°C。全年日照時數為1 900 h，無霜期為224 d。

1.2 試驗設計

1.2.1 不同構造生態溝渠處理效果試驗

生態溝渠采用同一規格，渠深為1.30 m，長度為90 m，溝壁為帶孔預制板，孔內種植狗牙根（Cyn?odon dactylon）。通過改變溝底填料和植被，設計3種不同構造的生態溝渠：（1）植被生態溝渠，在溝底種植密度為45株·m-2的常綠苦草（Vallisneria na?tans），常綠苦草購自上海海洋大學，該品種生物量小，無需收割；（2）填料生態溝渠，填料為粒徑為4～6 cm的沸石，采用網帶裝填后置于溝底，裝填厚度為0.4 m，以便于回收清洗；（3）植被與填料生態溝渠，綜合上述2種溝渠配置，在溝底同時種植常綠苦草，鋪設沸石填料。試驗開始前，生態溝渠穩定一段時間并對水量進行調試（圖1）。

于2013年7月23日開始進行動態進水試驗，持續時間為20 d，試驗期氣溫和降雨情況見圖2。考慮到進水水質分布特征、處理效果、經濟性以及表流濕地水力負荷[12]，確定溝渠表面水力負荷（N）為0.60 m3·m-2·d-1，則水深為 0.9 m，進水流量（Q）為1.91 m3·h-1，水力停留時間（HRT）為26.5 h。試驗進水根據研究區農田尾水氮磷濃度[13]，采用附近河道水加尿素和KH2PO4配置，進水ρ（TN）為0.86～6.13 mg·L-1，ρ（TP）為0.11～0.24 mg·L-1。采樣點分別設置在進水（1#）、22.5 m（2#）、45.0 m（3#）、67.5 m（4#）和出水（5#）處（圖1）。試驗最初2 d和最后4 d每天采集1次水樣，其他時間間隔1 d采樣1次。

1.2.2 生態溝渠實際處理效果試驗

為研究生態溝渠的實際處理效果，于2013年8月5日開展采用溝底植被與沸石填料的生態溝渠處理農田降雨徑流的模擬試驗。該試驗所用生態溝渠斷面結構與不同構造生態溝渠處理效果試驗相同，總長為110 m，其他規格見圖3。采樣點分別設置在進水（1*）、填料1后（2*）、填料2后（3*）、填料3后（4*）和出水（5*）處（圖3）。模擬的1次降雨過程進水采用附近河道水加尿素和KH2PO4配置，水深維持在0.9 m，Q為1.95 m3·h-1，HRT為28.8 h，該流量相當于30 mm的日降雨量，屬于大雨級別。試驗持續時間為09：30—14：00，為使模擬降雨徑流氮磷濃度符合實際，設置3個進水時段：（1）09：30—10：10為高濃度進水時段，進水ρ（TN）為6.73～7.38 mg·L-1，ρ（TP）為 0.54～0.67 mg·L-1，采樣間隔 10 min；（2）10：10—11：40為中濃度進水時段，進水ρ（TN）為3.82～4.97 mg·L-1，ρ（TP）為0.40～0.49 mg·L-1，采樣間隔20 min；（3）11：40—14：00為低濃度進水時段，進水 ρ（TN）為 2.33～3.05 mg·L-1，ρ（TP）為 0.32～0.44 mg·L-1，采樣間隔30 min。

圖1 生態溝渠斷面規格、取樣斷面設置、填料平面布置圖和實際照片Fig.1 Sectional construction of the ecological ditches，set-up of sampling section，fillers arrangement and actual pictures

圖2 試驗期間平均日溫和降雨量變化Fig.2 Mean daily air temperature and rainfall during the experimental period

1.3 測定指標與方法

1.4 數據統計與分析

采用污染物去除效率的變異系數表征污染物處理效果的穩定性，變異系數為標準偏差除以實測數據平均值。采用SPSS 22.0軟件數據統計分析，采用Sigmaplot 12.0軟件制圖。

圖3 實際應用生態溝渠填料位置及采樣點位Fig.3 Setting up and sampling points of actual ecological ditches

2 結果與分析

2.1 不同構造生態溝渠對農田面源污染物的處理效果

不同構造生態溝渠中ρ（NH4+-N）、ρ（TN）、ρ（TP）和ρ（SS）變化見圖4。進水ρ（NH4+-N）為0.17～1.23 mg·L-1，平均值為0.67 mg·L-1；生態溝渠E草、E填和E草+填出水 ρ（NH4+-N）平均值分別為0.20、0.25和0.17 mg·L-1。表1顯示，生態溝渠E草、E填和E草+填對-N平均總去除率分別為64.9%、62.8%和70.3%，且E草+填的變異系數最小（16.7%），可見E草+填對-N的處理效果較好，去除效率較為穩定，但不同構造溝渠間處理效果差異不顯著（P=0.590）。

生態溝渠E草+填對TN的處理效果最好，出水ρ（TN）平均值為0.54 mg·L-1；平均去除率為70.6%，高于E草（63.1%）和E填（53.2%）。3種生態溝渠平均對TN的去除率之間差異顯著（P=0.006）。E填對TN的去除效率相對較低，但處理效果比較穩定（變異系數為19.1%）。

3種生態溝渠對TP的去除效率均較高，平均去除率分別為71.8%（E草）、73.7%（E填）和74.3%（E草+填），差異不顯著（P=0.724）。處理效果以E草+填最為穩定（變異系數為7.9%），其次為E填（變異系數為8.7%）。生態溝渠E草、E填和E草+填出水ρ（TP）變化范圍分別為0.02～0.10、0.04～0.06和0.04～0.06 mg·L-1。

3種生態溝渠對SS的平均去除率差異顯著（P=0.022），分別為60.8%（E草）、64.1%（E填）和80.2%（E草+填）。E草、E填、E草+填出水 ρ（SS）平均值分別為18.1、17.7和 9.6mg·L-1，遠低于進水ρ（SS）的 49.1 mg·L-1。整體上，生態溝渠E草+填對SS的處理效果最好且最穩定，變異系數為13.8%。

圖4 生態溝渠中銨態氮（NH4+-N）、總氮（TN）、總磷（TP）和懸浮物（SS）濃度變化Fig.4 Dynamic change in concentration of NH4+-N，TN，TP and SS in ecological ditches relative to construction

表1 不同構造生態溝渠對農田面源污染物的去除效率和變異系數以及溝渠間差異Table 1 Removal efficiency of pollutants from non-point source pollution,coefficient variation and P-values relative to con?struction of the ditches

2.2 不同構造生態溝渠沿程處理效果

生態溝渠用于主要攔截農田排水中的氮和磷。對進水濃度較高〔ρ（TN）≥2 mg·L-1，ρ（TP）≥0.2 mg·L-1〕條件下，TN和TP沿生態溝渠長度的濃度變化進行分析。圖5顯示，隨著沿生態溝渠長度的增加，3種生態溝渠中ρ（TN）和ρ（TP）均呈指數遞減變化趨勢。E填和E草+填的ρ（TN）與溝渠長度間遞減規律擬合較好，擬合方程相關系數分別為0.973 3和0.996 3。E草和E填的ρ（TP）與溝渠長度間遞減規律擬合較好，相關系數分別為0.967 8和0.991 3，而E草+填的ρ（TP）沿生態溝渠長度的波動相對較大，特別是在45.0 m處明顯增加。

將出水ρ（TN）和ρ（TP）定為GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中V類水（湖庫），即ρ（TN）為2 mg·L-1，ρ（TP）為0.2 mg·L-1，根據擬合方程計算得到生態溝渠E草、E填和E草+填出水ρ（TN）達標時所需長度分別為27.4、58.0和34.1 m，ρ（TP）達標時所需長度分別為4.9、4.4和2.5 m。綜合而言，當進水濃度一致時，生態溝渠E草處理TN所需長度較短，其次為E草+填；E草+填處理TP所需長度相對較短。

圖5 不同構造生態溝渠中總氮（TN）和總磷（TP）沿程濃度變化Fig.5 Dynamic change in concentration of TN and TP along the ditches relative to construction

2.3 實際應用生態溝渠對農田降雨徑流中氮磷的處理效果

實際應用中生態溝渠對降雨徑流過程中TN和TP的攔截效果，模擬結果見圖6。

圖6 實際應用生態溝渠處理農田降雨徑流中總氮（TN）和總磷（TP）濃度變化Fig.6 Dynamic change in concentration of TN and TP in actual ecological ditch treating farmland rainfall runoff

總體來看，隨溝渠長度增加，降雨徑流中ρ（TN）和ρ（TP）逐漸降低，各采樣點ρ（TN）和ρ（TP）基本表現為1*＞2*＞3*＞4*＞5*。在高、中、低濃度3個進水時段實際應用生態溝渠均呈隨溝渠長度增加，TN和TP的去除效率逐漸升高的趨勢（表2）。

從不同時段對TN的處理效果可以看出，在高、中和低濃度3個進水時段，2*、3*和4*采樣點TN去除效率差異不顯著，而出水處（5*采樣點）去除效率差異顯著（P=0.014），3個進水時段TN最終去除效率平均值分別為46.1%、55.1%和58.0%；在高濃度時段時各采樣點的TN去除率變異系數變化相對最小，去除穩定性最好。從不同時段對TP的處理效果可以看出，在3個進水時段間各采樣點TP去除效率均差異顯著（P＜0.05），高、中、低濃度時段出水去除效率平均值分別為41.9%、25.3%和28.8%，在高濃度進水時段時各采樣點TP處理效果和穩定性均為最佳。

3 討論

3.1 不同構造生態溝渠對農田面源污染物的去除途徑

生態溝渠是一種特殊的濕地生態系統[15]，在人工濕地系統中，NH4+-N主要去除途徑包括硝化作用、基質吸附、植物吸收和氨揮發等[13]。筆者研究發現不同構造生態溝渠對NH4+-N處理效果差異不顯著，但生態溝渠E草的NH4+-N去除效率比生態溝渠E填略有增加，說明植物對NH4+-N的吸收攔截作用比填料的吸附截留作用稍強。也有研究表明，通過植物吸收和氨揮發的除氮量占比不足20%[16]，硝化與反硝化作用才是除氮的主要途徑[17]。在生態溝渠E草+植中，植被與填料的相互作用增強了兩者對NH4+-N的處理效果。與NH4+-N情況一致，生態溝渠E草的TN去除效率比E填要高，這說明與填料相比，植物的存在會增加顆粒物的沉淀，從而在TN處理效果上起作用。研究表明，填料對氮的去除主要依賴吸附作用[11]，吸附過程為先快后慢，若吸附位點部分或全部飽和，吸附則基本趨于平衡狀態，后期還會出現少量釋放現象[18]，這可能是試驗后期生態溝渠E填出水ρ（TN）相對較高（圖4）的原因。懸浮物的沉降以及基質和底泥的吸附是生態溝渠除磷的主要途徑[19]。有研究表明，進水 ρ（TP）決定磷的首要去除途徑，若進水ρ（TP）＞0.5 mg·L-1，主要去除途徑為填料吸附及化學沉淀；若進水ρ（TP）＜0.25 mg·L-1，主要去除途徑則為微生物降解[20]。筆者研究中進水ρ（TP）較低，在整個試驗過程中ρ（TP）均＜0.25 mg·L-1，這表明3種構造溝渠中TP的去除途徑主要為微生物降解。徑流中懸浮物不僅是水體污染物，還會通過吸附、絡合等作用成為其他污染物的載體[21]。研究表明，沉積作用是有效降低出水 ρ（SS）的截留方式[21]，筆者研究中植被和填料的相互作用顯著加強沉積作用，提高溝渠對SS去除效率。筆者試驗開始前2 d有0.1 mm降雨，雖然有研究表明較大降雨對溝渠中的氮磷濃度有重要影響[22]，但試驗過程中降雨量較小，故降雨對筆者試驗結果的影響可忽略。

表2 實際應用生態溝渠對降雨徑流中氮磷的去除效率和變異系數以及時段間差異Table 2 Removal efficiency of nitrogen and phosphorus in farmland rainfall runoff,coefficient variation and P-values rela?tive to time in actual ecological ditches

3.2 不同構造生態溝渠的沿程處理效果與效益分析

從主要污染物沿生態溝渠長度的濃度變化可以看出，隨著溝渠長度增加，TN、TP濃度逐漸降低，說明污染物在生態溝渠中的遷移具有規律性，這與余紅兵等[22]研究結果一致。筆者研究擬合曲線表明，3種構造生態溝渠的前段對TN、TP處理效果較好，后段可能是由于污染物濃度已經較低，處理效果并不明顯，這與陳海生等[23]研究結果類似。研究表明，溝渠系統本身具有抗沖擊的可修復能力，在外界條件作用下具有不穩定特征[24]，這可能是生態溝渠E草+填中ρ（TP）隨遷移距離變化不規律的原因。生態溝渠E草+填在45.0 m處ρ（TP）顯著增加，這可能與污染源或該段填料對TP的吸附飽和再釋放有關[18]，需要開展后續試驗深入探討。筆者研究計算得到進水濃度較高情況下，出水TN、TP濃度達到地表水Ⅴ類標準時，不同構造生態溝渠的適宜長度。綜合TN、TP的處理效果來看，與TP相比，處理TN所需溝渠長度較長，這可能與污染物初始濃度有關。3種構造生態溝渠相比，處理TN時，雖然生態溝渠E草所需長度較短，但生態溝渠E草+填的處理效果較高；從經濟效益上看，生態溝渠E草+填需要購置沸石填料，沸石按價格為500 元·t-1、密度為2.0 g·cm-3計算，同樣建造30 m溝渠，生態溝渠E草+填需比E草多購置0.8 m3（1.6 t）沸石，多投入800元。綜合TP的處理效果來看，生態溝渠E草+填所需長度相對最短，處理效果相對較高，所以應根據實際情況和主要污染物選擇溝渠構造。從環境效益上看，按照每667 m2水稻耗水1 500 m3計算，生態溝渠E草可減少農田徑流中污染物排放2.12 kg TN和0.20 kg TP〔進水平均ρ（TN）為2.24 mg·L-1，去除率為63.1%；進水平均ρ（TP）為 0.19 mg·L-1，去除率為 71.8%〕，E草+填可減少2.37 kg TN和0.21 kg TP（TN去除率為70.6%，TP去除率為74.3%），均可有效減少對周邊水環境的污染。長江中下游地區（如太湖流域）水網密布，農村經濟發達，化肥施用量高，宜選擇合適的生態溝渠來強化凈化農業面源污染物，減輕水體污染負荷。

3.3 農田降雨徑流對生態溝渠處理效果的影響

降雨時產生的徑流排入溝渠會造成氮、磷污染，降雨過程中徑流氮、磷濃度會呈由高到低的趨勢，這是由于降雨初期污染物主要受沉積作用的影響，在短時間內污染物與被沖刷流失的泥土等結合而沉積下來所致。在灌溉和降雨條件下生態溝渠氮磷輸出特征研究結果表明，其對TN、TP的去除率達64%和70%[22]。而筆者模擬降雨徑流試驗中，高、中和低濃度3個進水時段時生態溝渠對TN、TP的去除率均沒達到該比例，這可能是因為生態溝渠對徑流氮磷攔截處理效果因污染物進入量和降雨強度差異導致。有研究表明溝渠進水ρ（TN）的變化對其去除率影響不大[25]，這與筆者研究結果不同。筆者研究發現，進水濃度不同條件下，生態溝渠中各采樣點TN去除率差異不顯著，而出水TN去除率差異顯著（P=0.014）。研究表明，進水ρ（TP）對溝渠磷處理效果有影響[6]，進水ρ（TP）濃度越高，填料對磷的吸附作用越強，處理效果越好。總體來看，110 m長采用溝底植被與沸石填料的生態溝渠在低污染物濃度條件下對徑流TN最終處理效果較好，在高污染物濃度條件下對徑流TP處理效果較好，而高濃度時段去除穩定性較好。

4 結論

（1）在相同動態進水濃度條件下，生態溝渠E草、E填和E草+填對農田面源污染物NH4+-N、TN、TP和SS均有較好的處理效果。與生態溝渠E草和E填相比，生態溝渠E草+填對NH4+-N、TN、TP和SS的去除效率均相對較高，分別達到70.3%、70.6%、74.3%和80.2%，穩定性也相對較強。溝渠中ρ（TN）和ρ（TP）隨遷移距離呈指數降低趨勢。

（2）植被與填料生態溝渠對模擬降雨徑流的實際處理效果因進水濃度不同而存在顯著差異，進水污染物低濃度條件下對TN處理效果較好；對高TP濃度的處理效果顯著高于低濃度時，且較短的生態溝渠距離（25 m）就能達到較好的效果。

（3）實際應用過程中，要根據生態溝渠的最大排水量，結合種植結構、田塊排水口位置和與排入水體位置關系等，因地制宜進行設計，以期實現在有限空間中處理效果和生態效應的最大化。

生態溝渠是與農田密切聯系的線型濕地系統，利用了土壤、植被、填料和水體自身的綜合作用。筆者雖然對主要污染物的處理效果和沿程分布進行研究，但在填料選擇、空間設置間隔和容積占比等方面仍需要進一步研究，以期為不同工況條件下，生態溝渠的設計、運行及維護提供參數。同時，在植被-填料協同作用的機制方面，仍有待進一步研究。