排水溝水位控制閘—過水堰系統對于稻田排水中氮素的去除效果

和玉璞，王 潔，洪大林，夏超凡，車 力，張 建

(1. 南京水利科學研究院水文水資源與水利工程國家重點實驗室，南京 210029；2. 江蘇省農村水利科技發展中心，南京 210029；3. 淮安市洪澤區水利局，江蘇 淮安 223100)

目前，面源污染是我國地表水體中氮磷等營養物質的重要來源，同時也是全球面臨的主要環境問題之一[1]。其中，農業面源污染漸成為農村地表水環境惡化的主要貢獻者。據《第一次全國污染源普查公報》，農業污染源中總氮、總磷排放量分別為270.46和28.47萬t，分別占地表水體污染負荷總量的57.2%和67.4%。水稻是我國最重要的糧食作物之一，2016年，我國水稻播種面積3 074.59 萬hm2，產量達到21 109.42 萬t。我國水稻生產中為追求糧食高產，普遍過量施用化肥，加之不合理的稻田灌溉排水措施，使得稻田大量營養元素經田表排水進入周邊水體，成為了農業面源污染的重要來源。溝渠是農業面源污染運移的主要路徑，采用適宜技術構建生態溝渠實現農業面源污染的過程阻斷，是面源污染“4R”防控策略的重要環節[1-6]，已成為國內外研究的熱點問題。部分學者結合氮磷吸附基質與生物系統構建排水溝過水堰，攔截并去除農田溝渠中營養物質[7-9]。然而，由于稻田排水溝具備排澇降漬功能，為減少過水堰對排水溝過水斷面的占用，實際應用的過水堰規格普遍較小，僅能夠在溝道少量排水時(水量少、流速低)發揮凈化作用。在遭遇較大降雨后，稻田產流歷時短、水量較大，大量排水從過水堰上表面進入上級溝道，無法有效發揮過水堰的氮磷去除功能。相關研究表明，排水溝控制排水技術通過對農田排水的攔蓄，延長了排水停留時間，對農田排水中氮磷具有良好的去除效果[4, 10]。因此，可以考慮將排水溝控制排水與過水堰技術結合，充分發揮兩種技術的優勢，增強對于排水中氮磷的去除效果。然而，已有研究未涉及控制排水與過水堰組合調控對于稻田排水中氮磷的去除效果與機制，系統組成形式與調控模式尚屬空白。為此，本文構建了排水溝水位控制閘-過水堰組合系統，基于田間實測資料，分析系統對于稻田排水中氮素的去除效果，探討系統作用機制，旨在利用過程控制的方式減少稻田面源污染輸出量。

1 材料與方法

1.1 試區概況

試驗于2017年在江蘇省淮安市洪澤區曹圩村開展(33°19′05″N; 119°02′25″E)。試區屬于北亞熱帶和暖溫帶過渡性地帶，具有季風性和兼受洪澤湖水體調節的氣候特點。試區四季分明，氣候溫和，年平均氣溫14.9 ℃，年均無霜期242 d，年均降水量913.3 mm，年均日照2 300 h。當地習慣稻麥輪作，土壤為水稻土。

1.2 試驗布置

2017年選取試區典型農溝并在其與生產河交匯處新建了水位控制閘-過水堰組合系統(圖1)，農溝匯水區域為長方形的稻田，田塊規格為605 m×160 m，約9.67 hm2。其中，水位控制閘采用鋼筋混凝土結構，鋼制的閘門頂高程與匯水區域的農田田面高程一致。在水位控制閘頂部布置有手動啟閉機，用于控制鋼制閘門。在稻季的大部分時段，水位控制閘的閘門處于關閉狀態，用于攔蓄稻田排水，農溝水蓄滿后從閘門頂溢流。在稻田曬田及遭遇暴雨后，打開水位控制閘的閘門進行自由排水。過水堰由六級堰體組成，位于水位控制閘下游2 m，對從水位控制閘的溢流水體進一步凈化。第一級與第六級堰體填料為粒徑2～3 cm的塊石，主要作用為水力消能與穩定堰體結構；第二、三級堰體填料為粒徑2 cm左右的沸石，作為氮素吸附基質；第四、五級堰體填料為立體彈性立體材料(塑料毛刷)，作為生物膜的載體。各種濾料用金剛網(100目)包裹后置于金屬框架作為單級堰體。

水位控制閘用于攔蓄稻田排水，發揮明溝控制排水技術對于農溝水體的氮磷去除效果。農溝水蓄滿后從水位控制閘自動溢流，經過水堰凈化后流入生產河。試驗區為機插秧水稻，6月15日插秧，11月10日收割。

1.3 試驗觀測內容與方法

本研究在稻田黃熟期排水后(2017年10月11-15日)進行系統各環節的水樣采集與分析工作，試驗時段內稻田田面排水及側向滲漏導致農溝水位保持在較高水平，水位控制閘持續溢流。水樣具體采集方法如下：稻田排水在排水溝攔蓄的5 d內，每天在排水溝水位控制閘上游固定處采集1個水樣，結合水位控制閘門溢流情況，在過水堰后固定處采集1個水樣(圖1)。

圖1 水位控制閘-過水堰示意圖Fig.1 Controlled drainage gate and matrix dam in ditch

2 結果與分析

2.1 農溝水體氮素濃度變化特征

試驗觀測時段內，水位控制閘前及過水堰后水體中TN濃度總體下降(圖2)。其中控制閘前水體TN濃度下降速度前期較大，后期下降速度降低。控制閘前水體中TN濃度從10月11日的7.44 mg/L，迅速降至10月12日的5.62 mg/L，至試驗觀測結束時控制閘前水體中TN濃度降至4.00 mg/L。水位控制閘將稻田排水攔蓄在農溝后，水體中氮素在微生物轉化、植物吸收、底泥吸附和氨揮發的協同作用下被有效去除，濃度穩定下降[4]。試驗觀測時段內，過水堰后水體TN濃度大部分時間均低于閘前水體，平均降幅8.19%(圖2)。由于過水堰內組合布設了沸石與彈性材料，對水體中氮素具有吸附作用，從而降低了水體中TN濃度。

圖2 試驗觀測期內農溝水體總氮濃度變化過程Fig.2 Changes of total nitrogen concentration in eco-ditch

圖3 試驗觀測期內農溝水體銨態氮濃度變化過程Fig.3 Changes of ammonium nitrogen concentration in eco-ditch

圖4 試驗觀測期內農溝水體硝態氮濃度變化過程Fig.4 Changes of nitrate nitrogen concentration in eco-ditch

2.2 系統對于氮素去除效果

排水溝水位控制閘-過水堰系統有效降低了稻田排水中氮素濃度，對農溝排水中TN的去除率達到58.20%，環境效應顯著(表1)。國內外已見報道的生態排水溝對于農田排水中氮素去除率多在27.0%～49.9%[20]，本研究構建的系統綜合發揮了控制排水技術與吸附基質對于農田排水中氮素的協同去除作用，去除效果優于傳統的生態溝渠，且系統建設成本、運行管理難度較低，具有較高的技術可行性。

表1 排水溝水位控制閘-過水堰系統各環節 對于氮素的去除率 %

注：在水位控制閘上游固定處逐日采集水樣并分析氮素濃度的變化，獲得水位控制閘對于稻田排水氮素的去除率；在過水堰下游固定處逐日采集水樣并分析氮素濃度的變化，與水位控制閘上游同時采集水樣的氮素濃度進行對比，獲得過水堰對于稻田排水氮素的去除率。

排水溝水位控制閘-過水堰系統對于農溝水體中有機氮的去除效果優于無機氮(表1)。系統綜合作用下，農溝排水中無機氮的去除率為11.89%，明顯低于系統對于農溝排水中TN及有機氮的去除率。在排水溝控制排水技術作用下，農溝水體流速降低、排水量下降，農溝水體停留時間延長，對于水體中顆粒態有機氮的沉淀及攔截作用隨之增強[21, 22]。此外，稻田水環境中溶解性有機氮具有較高的可生物降解性[23]，在農溝攔蓄的時段內，土壤及水體中的微生物可大量分解溶解性有機氮。同時，過水堰中采用了沸石作為吸附材料，對于水體中溶解性有機氮具備一定的吸附能力[24]。系統綜合作用下，農溝水體中有機氮濃度大幅降低。

排水溝控制排水技術對于氮素的去除是系統水體凈化能力的主要貢獻(表1)。系統中水位控制閘對于農溝排水中氮素的去除率為46.24%，遠大于過水堰的去除率8.19%。本研究中過水堰吸附基質對于稻田排水中氮素的去除效果低于已有研究結果，Fu等人[7]、何元慶等人[9]利用吸附材料構建生態溝渠，對于稻田排水中TN去除率分別達到27.0%、49.9%。本研究是在水位控制閘下游布置生態過水堰，填充吸附基質，Fu、何元慶等人的試驗是在沿排水溝在底部一定深度范圍布設吸附基質[7, 9]，材料使用量遠高于本研究。此外，本研究過水堰處理水體的氮素濃度較低，也在一定程度影響了氮素去除率[25]。

3 結 語

(1)排水溝水位控制閘-過水堰系統有效降低了稻田排水中氮素濃度，環境效應顯著。系統綜合發揮了控制排水技術與吸附基質對于農田排水中氮素的去除作用，對農溝排水中TN的去除率達到58.20%。

(2)有機氮是黃熟期稻田排水后農溝水體氮素的主要存在形式，排水溝水位控制閘-過水堰系統主要通過去除有機氮大幅降低了農溝排水中氮素濃度。水位控制閘前、過水堰后水體中有機氮占總氮的平均占比為78.14%，遠高于無機氮的占比。系統對于農溝排水中無機氮的去除率為11.89%，明顯低于總氮及有機氮的去除率。

(3)排水溝控制排水技術對于氮素的去除是系統水體凈化能力的主要貢獻。水位控制閘對于農溝排水中氮素的去除率為46.24%，遠大于過水堰的去除率8.19%。

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