天津地區生態溝渠不同植物配置對氮磷去除效果研究*

朱曉瑞 張春雪 鄭向群 任天志 陳昢圳 楊永安

(1.農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191；2.中國農業科學院，北京 100081；3.天津市玉米良種場，天津 301507)

隨著我國農業的快速發展，農業面源污染已成為水環境污染的主要問題之一。農業化肥中的氮磷等污染物是我國河湖水質不斷惡化的一個重要因素。目前，天津地區河湖富營養化現象普遍，潮白河作為天津地區的重要水源之一，其周圍大量的農田排水及農村生活污水，就對潮白河水質造成了很大的影響[1]。

溝渠是連接農田與河流、湖泊等受納水體的紐帶，不僅具有排水功能，還具備濕地功效[2]，可通過底泥吸附、植物吸收攔截和微生物降解等機制凈化污染物[3]，是治理農業面源污染的重要技術手段之一[4]。近年來，國內外學者對生態溝渠凈化富營養水體進行了較系統的研究[5]，大多研究主要集中在通過構建模擬溝渠[6-7]，研究多種水生植物對水體的凈化作用。此外，楊林章等[8]、張樹楠等[9]、王令等[10]和傅玲[11]對不同植物搭配方式下生態溝渠對水體氮磷去除效果也做了大量研究。然而，關于不同植物布設位置對生態溝渠氮磷去除效果，以及篩選出因地適宜的生態溝渠植物配置模式提高其凈化效果的研究較少。

表1 溝渠進水氮磷質量濃度

本試驗設置2組溝渠植物配置模式，研究不同植物配置模式下溝渠氮磷去除效果，從而篩選出適宜天津地區的生態溝渠植物配置模式，以期為保障河流水質安全、實現農業可持續發展提供理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于天津市寧河縣東棘坨鄉玉米良種場(39°33′N、117°82′E)，占地面積約0.08 hm2，屬大陸性季風氣候，地處暖溫帶半干旱半濕潤風帶，夏季氣溫較高且降水集中，冬季較寒冷干燥。全年平均氣溫11.2 ℃，最低和最高氣溫分別出現在1、7月。全年平均降水量642 mm左右，主要集中在6—8月(占全年降水量的70%)。試驗區土壤為潮土，基本理化性狀為pH 8.38、有機質9.70 g/kg、總氮0.49 g/kg、總磷0.64 g/kg、陽離子交換量(CEC)16.30 cmol/L。

1.2 試驗材料

試驗選擇生長良好、對氮磷等污染物去除能力強的水生植物。溝底植物采用水芹(Oenanthejavanica)、空心菜(Ipomoeaaquatica)、茭白(ZizanialatifoliaTurcz)3種水生蔬菜，溝壁植物采用水蔥(Scirpusvalidus)、油莎草(CyperusesculentusL.)、梭魚草(Pontederiacordata)3種護坡植物。所用植物購買于當地市場，植物種植密度均為30株/m2。溝渠用水來源為附近的小河溝，該河與潮白河水體相連，各溝渠進水采用的是模擬農田排水方式。試驗期間溝渠進水氮磷質量濃度如表1所示。

1.3 試驗設計

試驗1：對比不同水生蔬菜(溝底)+護坡植物(溝壁)植物配置模式溝渠氮磷凈化效果。試驗共設置4條溝渠，以自然溝渠(雜草(溝底)+雜草(溝壁))作為空白對照，其他生態溝渠溝底分別種植水芹、空心菜、茭白，溝壁均種植水蔥。

試驗2：對比水生蔬菜(溝底)+不同護坡植物(溝壁)植物配置模式溝渠氮磷凈化效果。試驗共設置4條溝渠，以自然溝渠作為空白對照，其他生態溝渠溝底均種植茭白，溝壁分別種植水蔥、油莎草、梭魚草。

試驗溝渠長40 m，橫斷面形狀為倒梯形(見圖1)，口、底寬分別為1.5、1.0 m，溝深0.5 m，水深25.0 cm。溝渠從2016年7月26日開始運行，到10月21日停止，試驗期共88 d，其中最后一天為溝渠晾干。各溝渠均采用間歇運行方式，溝渠浸水時間∶晾干時間為10∶1，每個運行周期共11 d。在溝渠進水與出水當天采集水樣，采樣斷面分別設定在每條溝渠的前、中、后3處。水樣采集后加酸固定，編號標記，帶回實驗室，4.0 ℃下保存，在24 h內測定其中氮磷含量。

圖1 溝渠橫斷面Fig.1 Cross section view of the ditch

1.4 樣品測定與數據處理

總氮采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法；硝態氮采用紫外分光光度法；氨氮采用納氏試劑分光光度法；總磷采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法[12]。試驗數據采用Excel和SigmaPlot處理，利用SPSS進行顯著性檢驗。

2 結果與討論

2.1 溝底種植不同水生蔬菜對氮磷的凈化效果

2.1.1 溝底種植不同水生蔬菜出水氮磷濃度

由表2可看出，4條溝渠出水總氮總體均表現為先升后降的趨勢，主要是受進水水質的影響。各處理總氮平均值表現為自然溝渠>水芹>茭白>空心菜。其中，在溝底種植空心菜、茭白的生態溝渠總氮平均值顯著低于自然溝渠，而溝底種植水芹的生態溝渠總氮平均值較自然溝渠降低了5.08%，兩者之間差異不顯著。其原因是，水芹性喜涼、忌炎熱，而試驗初期(1～54 d)氣溫最高可達35.0 ℃，水芹生長較慢，導致生態溝渠出水總氮均高于《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)Ⅲ類標準限值(1.0 mg/L)。樊均德等[13]研究低溫條件下水芹對生活污水的凈化效果，結果表明，在9.0～12.0 ℃的低溫下，水芹對生活污水中氨氮具有較好的去除效果，去除率為47.86%。

水體無機氮主要以硝態氮和氨氮的形式存在，是水生植物的有效氮源。4條溝渠出水硝態氮總體均表現為先升后降的趨勢。各處理硝態氮平均值表現為自然溝渠>茭白>水芹>空心菜。4條溝渠出水氨氮在試驗1～32 d波動較大。溝底種植3種水生蔬菜的生態溝渠氨氮平均值均顯著低于自然溝渠，但3者之間氨氮平均值差異不顯著。

生態溝渠對磷的去除主要通過底泥的吸附沉降、植物攔截吸收和微生物降解等。4條溝渠出水總磷在試驗21～65 d總體均呈現下降趨勢，在試驗65～87 d逐漸上升。溝底種植空心菜的生態溝渠總磷平均值顯著低于水芹和茭白。其原因可能是，空心菜莖蔓生，發達的根系形成較大的接觸面積，促進水體中的磷沉降到沉積物中，并減少底泥中磷向上覆水的釋放，導致水體中總磷較低。

2.1.2 溝底種植不同水生蔬菜對氮磷的去除率

由圖2可看出，在溝底種植水芹、空心菜、茭白對氮磷的去除率均顯著好于自然溝渠。空心菜對總氮、總磷的平均去除率分別為49.00%、56.05%，顯著高于水芹和茭白。水生植物的凈增生物量是決定水生植物水質凈化能力的一個重要因素[14]。空心菜的生長能力最強，長勢最好，其莖葉是其主要生物產出量，通過多次收獲莖葉而源源不斷地將氮磷等養分移出水體，因此對總氮、總磷的去除率較顯著。楊紹聰等[15]研究也表明，空心菜通過莖葉大量吸收水中的氮磷等養分，從而獲得了較高的莖葉生物產出量，對水體氮磷去除率在50%左右。

植物對氮的吸收利用主要為無機氮，3種水生蔬菜對硝態氮、氨氮的去除效果均表現為空心菜>水芹>茭白，其中水芹、空心菜對硝態氮的平均去除率顯著高于茭白，分別是茭白的1.12、1.16倍。其原因可能是，水芹、空心菜對硝態氮的親和力較強，具有較大的吸收效率[16]，適宜用來修復污染水體，這與謝靜等[17]研究結果相似。

表2 溝底種植不同水生蔬菜的溝渠出水氮磷質量濃度1)

注：1)不同字母表示不同處理之間差異性顯著(P<0.05)。圖2、表3和圖3同。

圖2 溝底種植不同水生蔬菜的氮磷平均去除率Fig.2 Removal rate of nitrogen and phosphorus in different aquatic vegetables at the bottom of the ditch

表3 溝壁種植不同護坡植物的溝渠出水氮磷質量濃度1)

注：1)根據實際數據進行顯著性分析。

2.2 溝壁種植不同護坡植物對氮磷的攔截效果

2.2.1 溝壁種植不同護坡植物出水氮磷濃度

由表3可見，4條溝渠出水總氮為0.38～2.73 mg/L，總體均呈現先升后降的趨勢。各處理總氮平均值表現為油莎草>自然溝渠>梭魚草>水蔥。其中，溝壁種植水蔥的生態溝渠出水總氮平均值顯著低于其他處理，其原因可能是，水蔥移栽后適應環境能力較強，根莖對泥沙攔截效果好于油莎草和梭魚草[18]。4條溝渠出水硝態氮為0.17～1.86 mg/L，總體呈現先升后降的趨勢；出水氨氮為0.04～0.20 mg/L，試驗1～32 d波動較大，43～87 d溝壁種植水蔥、油莎草的出水氨氮較穩定。此外，各處理硝態氮和氨氮平均值均以溝壁種植水蔥最低，分別為0.55、0.09 mg/L。試驗期間，溝壁種植不同護坡植物出水總磷濃度變化一致，總體呈現先降后升的趨勢，其中溝壁種植水蔥、油莎草的總磷平均值顯著小于梭魚草、自然溝渠。

圖3 溝壁種植不同護坡植物的氮磷平均去除率Fig.3 Removal rate of nitrogen and phosphorus in different slope protection plants in the ditch wall

2.2.2 溝壁種植不同護坡植物對氮磷的去除率

由圖3可看出，在溝底種植水蔥、油莎草和梭魚草對氮磷的平均去除率均高于自然溝渠。水蔥對總氮、硝態氮、氨氮的去除率分別為41.31%、50.81%、40.74%，顯著高于油莎草。其原因可能是，水蔥可通過根系向水體中釋放化感物質以抑制浮游藻類的生長，達到凈化水質的目的[19]。李鋒民等[20]研究也表明，在受試濃度范圍內，水蔥對藻類的最大抑制率能達到70%以上。

溝渠植物對磷的攔截作用主要表現為沉降，其中植物生長和環境條件是影響其對磷素去除效果的主要因素。溝壁種植不同護坡植物對總磷的攔截效果表現為水蔥(45.24%)>油莎草(40.04%)>梭魚草(33.60%)，這與左小鳳[21]的研究相似。其原因是，本試驗中，水蔥的生長情況最好，梭魚草、油莎草在試驗后期先后出現葉片枯萎現象，進入衰敗期，其體內的營養物質發生轉移，對氮磷的吸收攔截能力大大降低。其次，植物的某些部分不斷退化凋落并被微生物分解，分解作用會將水生植物吸收的養分以有機態的形式再次釋放到水體中[22]，導致去除效率較低。

2.3 2組植物配置模式溝渠氮磷去除效果比較

綜合比較兩組植物配置模式溝渠對氮磷的去除效果，人工配置的生態溝渠對水中總氮、總磷的去除率分別為33.43%～49.00%、33.60%～56.05%，均高于自然溝渠。其原因有，生態溝渠溝底水生蔬菜與溝壁護坡植物均有較發達根系，可為微生物提供更多的附著點和營養物質，而微生物降解作用是水體凈化的關鍵；其次，植物光合作用產生的氧經過通氣組織傳送到根部，擴散到周圍缺氧的底質中，促進根際微生物活動，有利于氮磷的吸收轉化[23-24]，因此對水體的凈化作用較好。此外，在人工配置的生態溝渠中，以空心菜(溝底)+水蔥(溝壁)植物配置的生態溝渠對總氮、硝態氮、氨氮和總磷的平均去除率最高，分別可高達49.00%、59.04%、43.91%、56.05%。

3 結 語

(1) 溝渠作為河流入水與農田排水的“源與庫”對水體有一定的凈化作用，其中人工配置的生態溝渠對水中總氮、總磷的去除率分別為33.43%～49.00%、33.60%～56.05%，均高于自然溝渠。

(2) 在溝底種植不同水生蔬菜中，以空心菜對氮磷的凈化作用較好，對總氮、總磷的去除率分別為49.00%、56.05%；在溝壁種植不同護坡植物中，水蔥對氨氮和總磷的攔截去除率分別為40.74%、45.24%，顯著高于油莎草和梭魚草。

(3) 綜合比較2組植物配置模式的溝渠，以空心菜(溝底)+水蔥(溝壁)植物配置的生態溝渠氮磷去除效果最佳，總氮、硝態氮、氨氮和總磷的去除率分別為49.00%、59.04%、43.91%、56.05%。該植物搭配生態溝渠是適宜天津地區治理氮磷污染的一種可行模式，研究成果將為治理天津地區面源污染提供技術指導。