不同排水模式下農田污染物消納規律研究

房 凱，李 磊，周國勝，王彥東，武 鵬，王中文，劉亮軍，丁繼輝

（1.江蘇省宿遷市節約用水管理服務中心，江蘇宿遷 223800；2.江蘇省宿遷市水利局，江蘇宿遷 223800；3.河海大學農業科學與工程學院，江蘇南京 210098；4.江蘇省宿豫區水利局，江蘇宿遷 223801）

0 引言

灌區是我國糧食安全的基礎保障、現代農業發展的主要基地、區域經濟發展的重要支撐、生態環境保護的基本依托［1］。在以往的生產經實踐中，由于客觀條件有限，灌區本身的建設與經濟效果得到了有效保證，但灌區的環境質量在某種程度上得不到足夠的重視，這是當下我國部分灌區面源污染嚴重的重要原因。目前，全國用水總量約有60%用于農田灌溉。《第一次全國污染源普查公報》數據顯示，農業生產造成的化學需氧量、總磷、總氮排放分別約占全國總排放的44%，38%和59%［2］。因此，灌區排水已成為了江、河、湖、庫水體污染的主要污染源，不僅影響灌區生產的農產品的質量，危害居民健康，而且威脅區域水環境質量［3］。

作為農田排水的通道，灌區排水溝、塘、濕地在控制農業非點源污染等方面意義重大。目前，大量的活化氮主要是通過徑流進入溝道系統［4］。以美國東北部為例，有高達65%的農業非點源氮通過徑流進入溝道系統［5］。近年來生態溝道在農田排水中應用廣泛，主要通過溝塘及其配套建筑物攔截徑流和泥沙，并利用植物系統滯留和吸收氮磷，實現生態攔截氮磷的功能［6-9］。顧斌杰等［10］人研究表明，彎曲的溝渠可為溝渠內的物種提供適宜的生長環境，與直線河流相比，彎曲溝渠擁有更復雜而完備的動植物生態系統，溝渠通道的斷面形式多樣化，利于形成灘地生境。孫寧寧等［11］通過“稻田節水灌概-田間排水草溝-坑塘濕地-生態骨干排水溝”系統處理污染，形成在源頭上控制、在輸移過程中消減的綜合田間灌排模式來處理農業面源污染。李林娜等［12］人于2010年在淳東灌區通過對“濕地一水塘一地下灌排綜合水管理系統”（Wetland Reservoir Sub-Irriga‐tion System，WRSIS）改進濕地子系統實際運行過程的分析，對WRSIS 改進濕地子系統在水旱輪作條件下對農田排出水的凈化效果進行試驗，驗證了該系統濕地在淳東灌區對農田排水凈化、農業面源污染減少上是成功的。目前，有關農田溝道系統去除面源污染研究，主要針對大尺度溝道的作用，對農溝、相關節制閘、坑塘等小尺度田間設施作用的相關研究不多，并且鮮有研究探討不同排水模式下農田污染物的消納規律。本研究以宿遷市宿城區運南生態灌區為研究對象，結合實地取樣實驗分析灌區不同排水模式下農田污染物的消納規律。研究成果可為該區域農業面源污染防控、地表水市控以上斷面優于Ⅲ類水質目標的實現及建設規劃提供技術支撐。

1 研究區概況

本項研究以運南灌區為研究對象。運南灌區主要位于宿遷市宿城區，北至大運河，南部與洪澤湖相連，向北到中運河東與淮陰區相接，向西與泗洪縣、宿豫區相連（見圖1），原設計灌溉面積51.75 萬畝。研究區氣候屬于暖溫帶季風性氣候，光熱資源比較優越，四季分明，氣候溫和，具有明顯的季風區氣候特點。年均降水量892.3 mm，年平均氣溫14.1 ℃，一年之中1月份為全年最冷，月平均氣溫為0 ℃，極端最低溫度為-23.4 ℃；7 月份最熱，月平均氣溫為26.8 ℃，極端最高溫度為40 ℃。年均日照2 315 h，無霜期較長，平均為211 d，該區地形總體上屬黃淮平原，土質條件是深厚的黃潮土，農耕文化悠久，全年作物生長期為310.5 d，水田、旱地作業并存。年際降水變化較大，且年內分布不均，易形成春旱、夏澇、秋冬干的天氣，加之長期以來一家一戶的耕作模式，水稻灌區大灌大排，容易造成水資源浪費。

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

（1）代表性排水系統的選擇：由于面源污染物的產生在空間上具有差異性，為確保氣候、施肥、灌溉、播種水稻品種等客觀條件基本相同，以運南灌區的古山河一側為研究區域。根據閘口布置、末級溝道規格以及不同級別溝道之間搭配布置的不同，從上游到下游依次選擇了三種排水系統，分別為溝閘調蓄系統（系統一），即農溝、斗溝、支溝均有控制閘，支溝尺度為三條支溝內最大、水量最多；田溝直排系統（系統二），即農溝、斗溝、支溝出口均未配置閘門，自由排水；有閘無農溝系統（系統三），即田間毛溝直排斗溝，其支溝在灌溉季節溝內水流較少、未能完全流滿溝底。此外，依次在農溝、斗溝、支溝及干溝沿程布設若干個水質監測點，共布設了43個監測點在三個排水系統內（圖2右圖）。

圖2 古山河取樣點示意圖及分布圖Fig.2 Schematic diagram and distribution of sampling points of Gushan River

（2）樣品采集：于2019 年5-11 月對研究區各代表性系統各監測點位的水質進行了連續監測，為消除降雨條件的影響，選擇了不同級別的降雨條件，且在每次降雨后的第一天進行水樣的采集（表1）。當溝中沒有明顯徑流時，至溝道中的積水洼地用50 mL 醫用注射器多次抽取水樣，但吸管頭部不觸及底泥部分，吸水盡量選取相對穩定的區域；溝中有徑流、但水不深，或溝上部不好直接扔取水器時，下到溝邊用手將空瓶水平放入水中取樣。取水前先用溝中水潤洗空瓶2～3 次，防止瓶子中有干擾物質；溝中水深足夠、且水面較寬時，將取水器拋入水中，分岸邊、河中部表層、河中部中層三處取樣。在農溝的上、中、下游各取1 瓶，在斗溝、支溝的上、中、下游各取3 瓶，并在古山河干溝與3 個系統支溝交會處各取3 瓶水樣。在理想情況下，灌溉季節有穩定排水時各溝道內形成徑流，每次總共需要采集樣品63瓶。為防止水樣在運輸途中因溫度過高而出現變質情況，水樣瓶放置在有冰袋的保溫箱中。全部取樣工作在一個白天內完成，晚上回到實驗室立即將水樣放進冰箱進行保存待測。

表1 取樣日期及前一天天氣情況Tab.1 Sampling date and weather conditions of the previous day

經實地調研得知當地水稻種植為單季稻，施肥情況為每年每畝水稻田基肥施25 斤尿素（CH4N2O），25 斤碳銨（NH4HCO3），10斤鉀肥，返青分蘗肥25斤尿素，二次分蘗肥25斤尿素。由此可知，該灌區的面源污染輸入以氮元素為主。結合面源污染的相關研究，本實驗選取了氨態氮、硝態氮、總氮、總磷、化學需氧量等五個指標進行測試研究。氨態氮測定采用納氏試劑分光光度計法；硝態氮測定采用氨基磺酸紫外分光光度法；總氮測定采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度計法；總磷測定采用過硫酸鉀消解法、鉬銻抗分光光度計法；化學需氧量（COD）測定采用高錳酸鉀滴定法。

3 結果與分析

3.1 不同排水模式下農田污染物時空變化規律

3.1.1 不同排水模式下農田污染物的變化規律

根據對3 個排水系統的水質取樣測試，計算并分析了排水系統污染物濃度的變化規律（見圖3～5）。比較3 種排水系統發現，各級溝道污染物隨時間持續表現出減小—增長—減小—增大的趨勢。5-6 月各級渠溝COD、TN、NH4+-N、TP 濃度均有所減少，這是由于進入灌溉季節，灌溉水體和降雨對污染物濃度進行稀釋導致的［13］；同時植物開始生長，對污染物具有一定的吸收消解作用［14，15］，使污染物數量減少。6-8 月各類污染物濃度均呈現上升趨勢，可能主要原因是該地區6-8 月間會重施拔節孕穗肥［16］，而往往施肥不當便會導致農田及溝道污染物含量增加［17］；9 月灌區停止灌溉，排水量大幅減少，農田流失的各類污染物減少，使得溝渠水體中各類污染物濃度也相應地有所減少；10-11月由于取樣前試驗區持續性降雨，造成氮磷等污染物隨徑流流失，以及水生植物部分開始枯萎，植物體內氮磷等污染物釋放進入水體和溝道底泥中，致使各級溝道中部分污染物濃度有一定程度增加。

由各類污染物濃度變化特征可知，COD、TN、NH4+-N、NO3--N、TP 在各級溝道中濃度整體呈自上到下逐級減少趨勢（圖3～5）。這說明排水溝道系統具有一定的抗沖擊負荷能力，可以高效消納和去除污然物［14］，阻止化肥和農藥中的過多污染物直接從田間排向河流。此外，通過對比3 個排水系統內的不同污染物發現，溝道中氨氮濃度普遍要高于硝態氮濃度。這可能與農田施用尿素（CH4N2O）和碳銨（NH4HCO3）有一定的關系。大量氮肥的施用造成氨氮未被轉化為硝氮就隨水體流失，導致溝道中氨氮濃度含量高，硝氮濃度含量較低。出現這一現象的原因還與溝中水生植物吸收作用、反硝化作用以及閘門緊閉使水體在溝道中停留時間較長有關。然而，施肥和灌溉季節氨氮濃度的峰值均出現在干溝之前并沒有向干溝遷移，這說明溝道對氨氮具有較強的截留消納作用。此外，硝氮濃度較氨氮濃度起伏變化幅度較大，因為土壤膠體帶負電而不容易吸附NO3-，對NH4+有較強的吸附作用，進而NH4+容易吸附到土壤或者匯入地下水中。

3.1.2 不同排水模式下農田污染物的差異

通過分析不同排水系統對農田污染物的截留凈化效果發現，系統一截留凈化污染物的效果最好，其次是系統二，最后是系統三（圖3～5）。相比于系統一，系統二中污染物濃度變化幅度更低。主要原因可能是田溝直排系統各級溝道排水沒有閘門控制，水體流速更快，農田排水在溝道中停留的時間更短，污染物截除程度更低。而系統三相較于系統一，各級溝道中污染物濃度均更高。主要原因是系統三缺少一級溝道對農田排水的截留凈化作用，以及系統三支溝附近存在養雞場導致點源污染的發生；并且系統三支溝較短，對污染消納吸收效果不佳，致使污染物濃度較大。此外，系統三干溝取樣點位于系統一和系統二干溝取樣點下游，水體受到上游較低污染物濃度排水的稀釋作用導致系統三干溝取點污染物濃度下降。同時系統三溝道受到養雞場點源污染的影響，出現了部分下級溝道污染物濃度高于上級溝道污染物濃度現象，即“未去除”的現象。圖5中，COD 濃度在5月和11月濃度較大，主要是因為系統三中斗溝內水生植物較多，植株枯萎殘骸再次釋放出氮磷等污染物導致濃度急劇上升［18，19］。

圖3 系統一COD、TN、NH4+-N、NO3--N以及TP濃度時空變化規律Fig.3 Spatio-temporal variation of COD，TN，NH4+-N，NO3--N and TP concentrations in system I

圖4 系統二COD、TN、NH4+-N、NO3--N以及TP濃度時空變化規律Fig.4 Spatio-temporal variation of COD，TN，NH4+-N，NO3--N and TP concentrations in system II

圖5 系統三COD、TN、NH4+-N、NO3--N以及TP濃度時空變化規律Fig.5 Spatio-temporal variation of COD，TN，NH4+-N，NO3--N and TP concentrations in system III

3.2 不同排水系統消納污染物的效果對比

3.2.1 不同排水系統污染物濃度差異分析

根據水質測樣數據，分析對比不同排水系統的各級排水溝污染物濃度變化情況，將各系統初級溝道水質作為溝道系統的入口污染物濃度，將干溝水質作為出口污染物濃度。各排水系統不同污染物入口和出口濃度見圖6。

由圖6 可知，5 月份系統三COD 濃度顯著高于其他兩個系統，高于其他時間排水溝內COD 濃度。主要因為系統三溝道內存在大量豐富的水生植物殘骸未被清理，而5月份降水少，攔水閘長期關閉，溝內水體流動性差，植株殘骸原地腐爛釋放出污染物，引發了二次污染。王曉棟［19］表明水生植物腐爛易造成水體二次污染，且腐爛過程及水質效應因植物種類和殘體分解量而不同。此外，水生植物在腐敗、被分解的過程中，同時要消耗大量的溶解氧，從而導致該進口COD濃度明顯較高。

對比分析不同系統排水溝入口和出口污染物濃度（見圖6），在7-8月施肥季節，系統一入口各污染物濃度顯著高于另外兩系統入口污染物濃度。這是因為系統一農溝末尾設置了節制閘，施肥產生的剩余污染物隨灌溉水和降雨徑流共同排入，水體流速緩慢，農田排水在溝道中停留的時間更長，導致系統一入口污染物濃度顯著高于其他系統入口污染物濃度。系統一出口污染物濃度顯著低于另外兩系統出口污染物濃度，由于污染物在溝道中停留時間長而產生物理沉降，有利于水生植物對污染物充分吸收利用，因此系統對污染物消解能力更強。劉福興［14］等就不同構造生態溝渠的農田面源污染物處理能力進行分析發現，溝底植草+沸石填料的生態溝渠對污染物的去除效率最高，這是因為填料不僅能吸附氮，還能減緩流速，便于溝底植被的充分吸收。同理，10月發生持續性降雨后系統一出口污染物濃度顯著低于其他兩個系統出口污染物濃度，說明施肥后受到雨水沖刷時，沒有控制排水的溝道系統內污染物濃度更高。

圖6 不同排水系統COD、TN、NH4+-N、NO3--N以及TP濃度差異Fig.6 Concentration difference of COD，TN，NH4+-N，NO3--N and TP in different drainage systems

3.2.2 不同排水系統對污染物去除效應分析

由圖7 分析可知，6-8 月份系統一對污染物的去除率基本高于系統二和系統三。這是因為系統一為溝閘調蓄排水系統，溝道中配有節制閘門，相比系統二，農田排水被攔蓄在溝道中的時間更長，降低了流速。這有利于污染物物理性的沉降和過濾，有利于水生植物和微生物充分吸收利用，截留凈化效果更好。相比系統三，系統一比系統三多了農溝系統，有更長的溝道系統，利于植物和微生物充分發揮截留消解污染物的功能，對水體的凈化效果更好。Wang［20］等研究結果也表明，懸浮物的沉降以及基質和底泥的吸附是溝道除磷的主要途徑。目前，大量研究結果表明［21-25］，水生植物逐漸成為凈化水體水質的熱點，主要通過直接吸收、根莖葉釋氧及微生物降解等方式來實現。

圖7 6-8月各系統對污染物去除率Fig.7 Pollutant removal rate of each system from June to August

通過對6-8月各系統對污染物去除率計算可知，6月3個系統對COD 去除率分別為20.3%、15.1%、10.3%，7 月分別為41.5%、31.3%、12.9%，而8 月分別為39.1%、22.1%、20.5%。6 月份3 個系統對COD 的去除率均不高，這是由于剛進入灌溉季節，植物大部分處于幼苗生長階段，其根系不夠發達，不足以充分發揮吸收污染物的能力。

3 個排水系統6-8 月對TN 去除率在27.3%～61.0%之間，對NO3--N 去除率在12.9%～59.9% 之間，對NH4+-N 去除率在29.2%～65.9%之間。氨氮是各種形態氮中去除率最高的，TP 去除率在17.3%～54.8%之間。整體上各溝道系統對氮磷有較好的截留凈化作用，系統一的凈化能力高于系統二和系統三。

4 結論

（1）各級溝道污染物隨時間持續表現出減小—增長—減小—增大的趨勢。各類污染物濃度在各級溝道中濃度整體呈自上到下逐級遞減趨勢。

（2）系統一的凈化能力要高于系統二和系統三；系統三5月份COD 濃度顯著高于其他兩個系統，高于其他時間排水溝內COD濃度。

（3）整體上各溝道系統對氮磷有較好的截留凈化作用，氨氮是各種形態氮中去除率最高的。在灌溉季節，7、8 月份農田排水溝道系統消納污染物的效果最好。