生態(tài)溝渠對農(nóng)田排水中N、P等污染物的攔截凈化效果,農(nóng)田水利論文

生態(tài)溝渠對農(nóng)田排水中N、P等污染物的攔截凈化效果,農(nóng)田水利論文近年來，長三角地區(qū)化肥和農(nóng)藥的施用量越來越大，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染日趨嚴(yán)重，據(jù)報道，上海、浙江、江蘇、安徽等地的化肥施用量已超出300kg/hm2，高于國家為防止化肥污染而制定的225kg/hm2標(biāo)準(zhǔn)。由于長江流域分布著廣闊的水田，其農(nóng)業(yè)氮、磷的流失直接加速了湖泊、河流等封閉性水體和半封閉性水體富營養(yǎng)化水平，如江蘇太湖農(nóng)業(yè)面源污染的氮量占入湖總氮量的73%，安徽巢湖約有52%的總磷和70%的總氮來自農(nóng)業(yè)。溝渠濕地作為農(nóng)田徑流污染物的最初會聚地和河道營養(yǎng)性污染物的主要輸入源，對農(nóng)田徑流污染物的凈化效果將直接影響到周圍受納水體。傳統(tǒng)的農(nóng)田排水溝渠指天然構(gòu)成的裸露在地表或者以排水為目的而人工挖掘的水道，本文所述的生態(tài)溝渠可定義為一種經(jīng)人工干涉的，生長有水生或濕生植物，以排水和灌溉為主要目的，兼具農(nóng)田徑流污染物截留和生物棲息、生態(tài)廊道等生態(tài)效益的溝渠濕地系統(tǒng)。生態(tài)排水溝渠不僅能作為降雨徑流的排水通道，還能夠通過沉淀、吸附、降解等作用減少進(jìn)入環(huán)境的污染負(fù)荷。生態(tài)溝渠截留農(nóng)田徑流營養(yǎng)性污染物的研究已遭到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，上海地區(qū)對利用溝渠濕地控制農(nóng)田徑流污染也進(jìn)行了一定的研究，但仍需要繼續(xù)開展適宜性植物挑選和現(xiàn)場驗證，以累積經(jīng)歷體驗參數(shù)。本文通過現(xiàn)場試驗和工程尺度的現(xiàn)場示范，討論生態(tài)溝渠對農(nóng)田排水中N、P等營養(yǎng)性污染物的攔截凈化效果，以期初步把握生態(tài)溝渠的設(shè)計、建設(shè)方式方法，為適宜、有效地防治農(nóng)田徑流污染提供定量化根據(jù)。1材料與方式方法1．1試驗點大概情況1．1．1基地試驗區(qū)試驗地位于上海市青浦區(qū)華新鎮(zhèn)東風(fēng)港濱岸緩沖帶試驗基地，屬于蘇州河上游區(qū)域，建成于2005年，是上海市環(huán)境科學(xué)研究院開展濱岸緩沖帶農(nóng)業(yè)面源污染生態(tài)工程控制及生態(tài)恢復(fù)研究工作的示范基地。該區(qū)域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，四季分明，日照充分，暖和濕潤，雨量充沛。年平均氣溫約為18．1℃，日照1930．9h左右，平均年降雨量1042mm，年均降雨天數(shù)141d，全年50%左右的降雨量集中在5～9月的汛期。當(dāng)?shù)赝寥滥纲|(zhì)類型有湖泊沉積、江海沉積、交互沉積和回流沉積等多種，又經(jīng)歷了鹽漬化、沼澤潛育化、草甸化等自然成土經(jīng)過及長期的耕種熟化，構(gòu)成其現(xiàn)有土質(zhì)狀況，主要類型為青紫泥、溝干泥，質(zhì)地略顯粘重，主要基本特性見表1?！颈?】試驗基地的生態(tài)溝渠采用橫向布置，溝渠總長105m，溝渠剖面采用梯形復(fù)式構(gòu)造，溝渠上外表寬1．2m，底部寬0．4m，渠深0．8m，溝埂寬0．25m，溝壁斜面長1m。為保證溝渠整體構(gòu)造的穩(wěn)定性，溝渠邊坡采用8字形帶孔磚來鋪設(shè)，溝渠底部統(tǒng)一進(jìn)行平整，保存原有土壤構(gòu)造，知足農(nóng)用灌溉的前提下，在溝渠底部、邊坡種植水生植物，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)，凈化水質(zhì)、改善溝渠景觀環(huán)境。1．1．2現(xiàn)場示范區(qū)現(xiàn)場示范試驗選在上海市崇明區(qū)東風(fēng)西沙島生態(tài)排水溝渠及濱岸緩沖帶生態(tài)攔截技術(shù)示范工程基地進(jìn)行。該基地位于東風(fēng)西沙島上場部南面約150m處，于2020年5月建成。生態(tài)排水溝渠及濱岸緩沖帶示范長度各100m，溝渠上外表寬1．2m，底部寬0．4m，渠深0．8m，溝埂寬0．25m，溝壁斜面長1m，溝渠邊坡、底泥均為原有土壤構(gòu)造。當(dāng)?shù)赝寥腊l(fā)育于河湖江海沉積物，經(jīng)歷了鹽漬化、草甸化、沼澤潛育經(jīng)過。新近沖積而成的土壤鹽度遠(yuǎn)高于耕作土壤，肥力較低，主要土壤類型是草甸起源的砂夾黃土以及鹽土、鹽化土、河口沙島的灰潮土等，均屬有機質(zhì)含量偏低的土壤類型。示范區(qū)土壤主要理化性質(zhì)見表2?！颈?】1．2試驗設(shè)計1．2．1試驗方案本研究包括基地試驗和現(xiàn)場工程尺度驗證試驗，基地試驗區(qū)主要研究生態(tài)溝渠對模擬徑流污染物的凈化效果，現(xiàn)場示范區(qū)主要對基地試驗結(jié)果進(jìn)行驗證。基地試驗根據(jù)上海地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)、匯流特征，人工模擬配置農(nóng)田徑流水樣。試驗流程為先配置含氮、磷農(nóng)田徑流水，再將其排入生態(tài)溝渠中，當(dāng)生態(tài)溝渠末端水流穩(wěn)定后，在生態(tài)溝渠各段分別采集產(chǎn)流(產(chǎn)流為試驗時產(chǎn)生流動的水流)水樣，一周后對溝渠存水(試驗結(jié)束后溝渠內(nèi)存留的水)進(jìn)行取樣，水樣水質(zhì)分析均在實驗室進(jìn)行。配置含氮、磷農(nóng)田徑流水需要的試劑為碳酸氫銨和過磷酸鈣，池子容積約10m3，配置試驗進(jìn)水TN濃度約60mg/L、TP濃度0．8mg/L，配置所需用水來自于附近的蘇州河水。除此之外，2020年9月課題組對上海崇明示范工程區(qū)的生態(tài)溝渠及周邊普通農(nóng)田排水溝渠中的存水進(jìn)行分區(qū)采樣監(jiān)測，以驗證基地試驗結(jié)果的可靠性，為其提供數(shù)據(jù)支撐。1．2．2植物配置試驗基地生態(tài)溝渠主要選用了3種植物，溝壁兩側(cè)邊坡孔磚內(nèi)間隔種植麥冬(Ophitopoginjaponicum)和黑麥草(Loliumperenne)，溝渠底部橫向種植黃菖蒲(Irispseudacorus)。根據(jù)示范現(xiàn)場實際情況，示范區(qū)構(gòu)建了2條一樣植物配置的生態(tài)溝渠，生態(tài)排水溝渠邊坡整理后種植百慕大(Cynodondactylon)+黑麥草(Loliumpe-renne)，溝底及溝邊種植黃菖蒲(Irispseudacorus)、再力花(Thaliadealbata)等，濱岸緩沖帶示范區(qū)采取草皮緩沖帶的方式，主要種植百慕大+黑麥草，輔以部分喬木及灌木，岸邊種植美人蕉(Cannalily)、再力花等。1．3采樣與監(jiān)測在基地試驗中，當(dāng)生態(tài)溝渠末端出水穩(wěn)定以后，從生態(tài)溝渠中等距離選取8個點取產(chǎn)流水樣，取樣點位置分別為0(即進(jìn)水處)，15，30，45，60，75，90，105m(即出水處)。滯水期間，在產(chǎn)流原采樣點對生態(tài)溝渠的存水進(jìn)行取樣。2020年9月，對示范區(qū)和周邊普通溝渠中的存水進(jìn)行采樣監(jiān)測，分別在示范溝渠內(nèi)部的生態(tài)溝渠和示范區(qū)外部普通的農(nóng)田排水溝渠設(shè)置4個采樣點。測定項目包括懸浮固體(SS)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH+4－N)。檢測結(jié)果取平均值，詳細(xì)分析方式方法和檢測限見表3?！颈?】2結(jié)果與分析2．1現(xiàn)場模擬試驗效果2．1．1農(nóng)田徑流SS凈化效果試驗基地生態(tài)溝渠產(chǎn)流、存水SS濃度沿程變化如此圖1所示。【圖1】徑流水產(chǎn)流試驗中，進(jìn)水SS平均濃度為30mg/L，隨水流流程增加，SS濃度有所降低，末端出水的SS濃度最低，平均濃度為21mg/L，產(chǎn)流情況下生態(tài)溝渠末端截留率為30%。存水取樣顯示，進(jìn)水口SS平均濃度為18mg/L，末端出水口存水SS平均濃度為11mg/L，較進(jìn)水處降低約38．9%。由圖1可見，產(chǎn)流情況下，生態(tài)溝渠SS濃度沿程呈下降趨勢，沿程平均去除率在4%～6%之間。在這里經(jīng)過中，由于水流直接沖刷土壤，可能導(dǎo)致徑流SS濃度小幅升高，但起伏不大，對試驗結(jié)果沒有太大影響。存水狀態(tài)下，SS沿程濃度也是逐步降低的，沉降對SS的去除作用較為明顯。SS主要通過基質(zhì)的吸附、本身的沉降和水生植物的攔截作用等得以去除。但試驗中假如水流流速較快，水力停留時間短，水流攜帶能力強，會使部分被截留下的SS又重新隨水流一起帶出溝渠系統(tǒng)，這可能是影響SS截留效果的主要原因。2．1．2農(nóng)田徑流TN、NH+4－N凈化效果試驗基地生態(tài)溝渠產(chǎn)流、存水TN、NH+4－N濃度沿程變化如此圖2所示。徑流水產(chǎn)流試驗進(jìn)水處TN濃度約為63．6mg/L，NH+4－N濃度約為22．9mg/L，溝渠中不同點位水樣的TN、NH+4－N濃度逐步降低，直至末端出水處達(dá)最低點，其平均濃度分別為45．9，18．9mg/L。存水取樣分析顯示，進(jìn)水口TN、NH+4－N平均濃度分別為6．53，2．13mg/L，末端出水口存水TN、NH+4－N均值濃度為3．8，1．35mg/L。【圖2】由圖2可見，生態(tài)溝渠對農(nóng)田徑流TN、NH+4－N都具有一定的去除效果，產(chǎn)流情況下生態(tài)溝渠TN、NH+4－N濃度沿程呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，沿程氮素削減效果比擬穩(wěn)定，生態(tài)溝渠末端對TN、NH+4－N截留率分別為27．83%，17．46%，TN的沿程平均去除率相對NH+4－N較高。在存水狀態(tài)下，TN、NH+4－N濃度變化均表現(xiàn)出類似的變化規(guī)律，即沿水流方向逐步降低，且降低趨勢較為平緩，末端TN、NH+4－N較進(jìn)水處分別降低約41．81%，36．62%。產(chǎn)流情況下TN、NH+4－N去除率較好，原因可能除了物理截留沉積之外，相當(dāng)一部分的氮素?fù)]發(fā)釋放到大氣中，另一方面，溝渠中黃菖蒲、黑麥草等植物通過其網(wǎng)絡(luò)狀的根系會吸收農(nóng)田排水中NH+4、NO－3、SO2－4等離子，轉(zhuǎn)化并固定一部分無機氮。固然植物根系和周圍沉積物中存在大量的微生物，但是實際上徑流流經(jīng)生態(tài)溝渠的時間較短，大部分微生物對污染物質(zhì)的降解轉(zhuǎn)化作用主要發(fā)生在滯水期，期間厭氧或好氧微生物在適宜的環(huán)境下可通過硝化和反硝化作用去除水體和土壤中的有機氮。2．1．3農(nóng)田徑流TP凈化效果試驗基地生態(tài)溝渠產(chǎn)流、存水TP濃度沿程變化如此圖3所示。徑流水產(chǎn)流試驗進(jìn)水處TP濃度均為0．91mg/L，末端出水水樣TP濃度有所降低，為0．61mg/L，截留率為32．97%。存水取樣顯示進(jìn)水口TP平均濃度為0．21mg/L，末端出水口水樣TP平均濃度為0．13mg/L，較進(jìn)水處降低約38．1%。由圖3可見，生態(tài)溝渠中產(chǎn)流、存水TP濃度沿程總體呈現(xiàn)降低趨勢。產(chǎn)流期間，TP的截留削減主要發(fā)生在前半程，降幅為26．48%;后半程濃度降低趨緩并且逐步穩(wěn)定至最低點，降幅為6．48%。試驗結(jié)果與陳海生等人在杭嘉湖區(qū)域利用黑麥草截留農(nóng)業(yè)面源污染物的研究結(jié)果表現(xiàn)出類似的變化規(guī)律，即在生態(tài)溝渠前半程，TP降解幅度較大，而在遠(yuǎn)離生態(tài)溝渠排水口的后半程TP沿程降解變化相對較平緩。存水情況下，TP濃度變化趨勢出現(xiàn)了小幅的波動，但整體表現(xiàn)為降低趨勢，TP濃度出現(xiàn)小幅升高的現(xiàn)象可能由于此渠段底泥沉積物P的再釋放，增加了水體中TP的濃度。在地表徑流中，磷主要以吸附態(tài)和溶解態(tài)存在，農(nóng)田流失的磷主要是顆粒態(tài)，本次試驗所選用的黃菖蒲、黑麥草等植物根系發(fā)達(dá)，其根區(qū)系統(tǒng)能有效吸附截留水中的懸浮物和顆粒狀的磷，促使磷沉淀?！緢D3】總的來講，生態(tài)溝渠TN、NH+4－N的濃度變化和TP的濃度動態(tài)呈現(xiàn)出很好的正相關(guān)性，并且生態(tài)溝渠對農(nóng)田徑流SS與營養(yǎng)性污染物的截留凈化作用較好，這與何元慶等人在廣東珠海市斗門區(qū)上洲村的研究結(jié)果相類似。2．2示范區(qū)凈化效果驗證示范區(qū)內(nèi)部生態(tài)溝渠與示范區(qū)外部普通農(nóng)田排水溝渠各點位污染濃度比照見表4?！颈?】由表4能夠看出，示范區(qū)內(nèi)生態(tài)溝渠SS濃度范圍在16～21mg/L之間，示范區(qū)外農(nóng)田排水溝渠SS濃度范圍在18～24mg/L之間，總體上，示范區(qū)內(nèi)溝渠SS平均濃度水平較示范區(qū)外低約13．1%，講明生態(tài)溝渠截留效果好于普通農(nóng)田排水溝渠，但與現(xiàn)場模擬試驗結(jié)果相比，示范區(qū)生態(tài)溝渠對SS的截留效率相對較低，其原因可能是示范區(qū)內(nèi)的土壤類型是砂夾黃土以及河口沙島的灰潮土等，有機質(zhì)含量偏低，沒有較好的團(tuán)粒構(gòu)造，對顆粒型污染物的吸附能力較低，影響了土壤對SS的截留吸附。示范區(qū)內(nèi)生態(tài)溝渠TN濃度范圍為0．61～0．81mg/L，NH+4－N濃度范圍為0．15～0．20mg/L;示范區(qū)外農(nóng)田排水溝渠TN濃度范圍為0．59～1．21mg/L，NH+4－N濃度范圍為0．19～0．32mg/L。示范區(qū)外溝渠各采樣點TN、NH+4－N濃度波動較大，而示范區(qū)內(nèi)生態(tài)溝渠各采樣點NH+4－N濃度波動較為平緩。示范區(qū)內(nèi)生態(tài)溝渠各點位TN、NH+4－N平均濃度分別比示范區(qū)外部普通農(nóng)田排水溝渠低15．79%和33．33%，比照講明總體上生態(tài)溝渠對TN、NH+4－N具有一定的凈化能力，且攔截效果較為穩(wěn)定。示范工程區(qū)內(nèi)生態(tài)溝渠水樣TP濃度在0．43～0．52mg/L之間，示范區(qū)外普通溝渠水樣TP濃度在0．54～0．73mg/L之間，各指標(biāo)普遍高于示范區(qū)內(nèi)生態(tài)溝渠水樣TP濃度，總體上示范區(qū)內(nèi)生態(tài)溝渠TP平均濃度較示范區(qū)外部溝渠低約27．69%。由于示范區(qū)外部溝渠底部土壤沒有植被覆蓋，遭到降雨徑流的直接沖刷后將導(dǎo)致沉積物中的磷又重新釋放到水體中，使示范區(qū)外部普通農(nóng)田排水溝渠的TP濃度普遍升高。有研究發(fā)現(xiàn)水生植物在不同的生長階段對污染物的吸收能力不同。本次試驗正處于夏秋季節(jié)交替時段，崇明東風(fēng)西沙島很多水生、陸生植物正處于生長旺盛期，有助于生態(tài)溝渠中植物的生長并提高其對氮、磷營養(yǎng)物的去除效率。3結(jié)論與建議(1)根據(jù)基地試驗結(jié)果，生態(tài)溝渠對SS、TN、NH+4－N、TP均表現(xiàn)出良好的截留凈化作用，對農(nóng)田徑流SS、TN、NH+4－N、TP的截留分別在30%～39%，27%～42%，17%～37%，32%～39%之間，華而不實生態(tài)溝渠對SS、TN、TP的凈化作用相對較好。(2)示范工程區(qū)內(nèi)生態(tài)溝渠對SS、TP、TN、NH+4－N具有一定的截留凈化作用且攔截效果較為穩(wěn)定，各點位SS、TP、TN、NH+4－N平均濃度分別比示范區(qū)外普通農(nóng)田排水溝渠低13．10%，15．79%，33．33%，27．69%，其水質(zhì)明顯優(yōu)于示范區(qū)外普通農(nóng)田排水溝渠。