魏保興，李桂新，甘 幸，崔遠(yuǎn)來，萬玉文,

(1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023；2.廣西壯族自治區(qū)水利廳，南寧 530023；3.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072)

0 引 言

近年來，隨著農(nóng)業(yè)集約化程度不斷提高，農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國水環(huán)境污染的主要來源。我國《2010年第一次全國污染源普查公報》顯示，2007年由農(nóng)業(yè)形成的總氮、總磷排放量占污染物排放總量的57.2%、67.4%。農(nóng)業(yè)面源污染中，種植業(yè)總氮和總磷的流失量占流失總量的33.8%和25.7%，分別達(dá)到159.78和10.87萬t，而稻田面源污染在農(nóng)田面源污染中占有重要比例[1]，農(nóng)業(yè)面源污染逐漸成為制約我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重大障礙。因此，開展農(nóng)業(yè)面源污染物削減研究，對于降低農(nóng)業(yè)面源污染、保障水環(huán)境安全具有重要的戰(zhàn)略意義。

國內(nèi)外大量的學(xué)者針對農(nóng)業(yè)面源污染治理進(jìn)行了研究，茆智等在水稻節(jié)水減污研究中提出了在薄淺濕曬和間歇淹水模式下，銨態(tài)氮流失量分別減少27.7%和21.4%重要結(jié)論[2]，Borin等在人工濕地處理農(nóng)田排水的問題中指出濕地對氮的去除率達(dá)到了90%[3]，姜翠玲研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)溝對總氮的去除率為21%[4]，Kr?ger等的研究結(jié)果表明排水溝最大能夠截留農(nóng)田排水中磷元素的47%[5]。但上述研究均為單一從稻田、人工濕地或生態(tài)溝角度來研究處理農(nóng)業(yè)面源污染，缺乏有機的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，為此，茆智院士又提出“四道防線”農(nóng)田水利系統(tǒng)以降解農(nóng)業(yè)面源污染[6]。為進(jìn)一步分析和驗證“四道防線”節(jié)水防污型農(nóng)田水利系統(tǒng)的構(gòu)建模式(如圖1所示)及其作用效果，本文以稻田的面源污染為研究主要對象，在廣西桂林市青獅潭灌區(qū)和桂林灌溉試驗中心站開展了為期兩年的對比研究。通過“四道防線”協(xié)同運行對面源污染進(jìn)行綜合處理，以期系統(tǒng)上解決稻田面源污染難題。

圖1 “四道防線”節(jié)水防污型農(nóng)田水利系統(tǒng)

1 “四道防線”節(jié)水防污型農(nóng)田水利系統(tǒng)理論

(1)田間水肥綜合調(diào)控(第一道防線)。我國稻田化肥與農(nóng)藥使用量大且利用率比例低，氮肥的利用率只有30%～35%，農(nóng)藥的利用率不超過5%[7]。作為從源頭上減少面源污染物排放的重要管理措施，田間水肥綜合調(diào)控通過“淺、濕、曬”三結(jié)合灌溉、間歇灌溉、中后期無水層灌溉[2]等方式，減少了排入自然水體的農(nóng)業(yè)用水量，與傳統(tǒng)的長期淹灌技術(shù)相比，淺濕灌、間歇灌與中后期無水層灌溉的灌溉用水量可分別降低8%～19%、13%～25%與30%～50%，多數(shù)情況下最大節(jié)水在20%～30%范圍內(nèi)[2]。同時，稻田節(jié)水灌溉減少了氮、磷流失，據(jù)統(tǒng)計流失的氮、磷負(fù)荷的削減幅度達(dá)20%～40%[8]，減輕了因化肥隨水流入自然水體而導(dǎo)致的自然水體富營養(yǎng)化問題，也實現(xiàn)了從源頭上減少面源污染物排放的目的。

(2)田間草溝(第二道防線)。田間草溝是指種有適宜野生植被的地表排水溝渠。由稻田排出的氮、磷等面源污染首先進(jìn)入田間草溝，經(jīng)田間草溝滯留、植物過濾和滲透的作用，氮、磷等面源污染得以有效去除，實現(xiàn)養(yǎng)分再利用，減少水體污染物質(zhì)。田間草溝對總氮、總磷、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮均具有不同程度的凈化效果，其中總磷和總氮的去除率分別達(dá)到了51.6%和37.8%，對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的去除率也分別達(dá)到了49.9%和35.5%[9]。

(3)濕地(第三道防線)。濕地技術(shù)是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來的一種水生態(tài)處理新技術(shù)。具有良好的污染物去除和生態(tài)修復(fù)功能，由于其建設(shè)和運行費用低、處理效果好，而得到廣泛應(yīng)用。濕地主要是通過濕地基質(zhì)、水生植物和微生物之間物理的、化學(xué)的和生物的一系列相互作用去除總氮、總磷等面源污染物。水生植物是濕地的核心之一，李林峰[10]等對人工濕地中植物對氮、磷吸收能力的研究表明，有水生植物的濕地對總氮、總磷的去除率分別高達(dá)59.1%和62.8%。李躍勛[11]等對滇池流域農(nóng)業(yè)面源污染研究中發(fā)現(xiàn)，濕地對總氮、銨態(tài)氮、總磷的去除率分別達(dá)到40.37%、56.76%、35.34%。武漢大學(xué)水利系農(nóng)業(yè)水管理研究組于2006、2007年在廣西桂林、湖北荊門共4個小型濕地進(jìn)行總氮、總磷等去除情況進(jìn)行研究，結(jié)果表明田間排水經(jīng)過濕地總氮下降35%～52%，總磷下降27%～35%[8]。因此，含氮、磷等面源污染物的排水經(jīng)濕地凈化后，總氮、總磷得以進(jìn)一步去除。

(4)骨干生態(tài)溝(第四道防線)。骨干生態(tài)溝通過對現(xiàn)有溝渠的生態(tài)改造和功能強化，利用物理、化學(xué)和生物的多重作用對農(nóng)業(yè)面源主要污染物氮、磷進(jìn)行凈化和處理，實現(xiàn)污染物中氮、磷等的減量化排放或最大化去除[12]。在溝渠中的植物帶可以減緩水流的速度、增加滯留時間，提高植物對養(yǎng)分的利用時間，增強水體的自凈能力。骨干生態(tài)溝對排水中總氮、銨態(tài)氮的去除效果較好，取樣時段平均去除率分別達(dá)到54.5%、43.7%[9]。徐紅燈等[13]選取長350 m的農(nóng)田排水溝渠，研究了自然次暴雨條件下溝渠對農(nóng)田排水總氮、總磷的去除效果，總氮的去除率為40%～70%，對總磷的去除率為20%～80%。骨干生態(tài)溝進(jìn)一步實現(xiàn)了總氮、總磷的去除。

2 節(jié)水防污型農(nóng)田水利系統(tǒng)應(yīng)用研究

基于“四道防線”理論，并根據(jù)我國南方水稻灌區(qū)氣象、地形、灌排系統(tǒng)以及水稻種植方式等的不同，2013-2014年選取廣西桂林市青獅潭灌區(qū)將田間水肥綜合調(diào)控、田間草溝、濕地、骨干生態(tài)溝串聯(lián)起來，實地建立了一套完整的節(jié)水防污型農(nóng)田水利系統(tǒng)(見圖2)，開展應(yīng)用研究。

圖2 節(jié)水防污型農(nóng)田水利系統(tǒng)試驗區(qū)示意圖

青獅潭灌區(qū)位于廣西北部桂林市境內(nèi)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫18.8 ℃，全年降雨豐沛，多年平均降雨量為1 897 mm，屬水稻和蔬菜的高產(chǎn)區(qū)，每年種植早、晚兩季水稻，早稻(4-7月)和晚稻(7-10月)。灌區(qū)地勢較為平坦，試驗區(qū)選在桂林灌溉試驗中心站外稻田，面積約為4.667 hm2，灌溉水源取自桂林市清獅潭水庫西干渠。

2.1 第一道防線布置

試驗區(qū)選擇面積為883和609 m2兩畦稻田作為2個樣板田，分別代表兩個不同的水肥綜合調(diào)控模式。樣板田1采用W1N1F1處理，樣板田2采用W2N1F2處理，示范第一道防線的凈化效果。為充分驗證第一道防線的凈化效果，在桂林灌溉試驗中心站內(nèi)同步開展水肥綜合調(diào)控對比試驗，共設(shè)置18個試驗小區(qū)，開展6個處理，3次重復(fù)，試驗分為常規(guī)灌溉W1和間歇灌溉W2，每個小區(qū)的尺寸為5 m×15 m，每個小區(qū)面積為75 m2，如圖3所示。試驗設(shè)計處理表，如表1所示，其中W1N1F1為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)的水肥管理方式。

表1 站內(nèi)試驗小區(qū)處理設(shè)計

注：W1為傳統(tǒng)淹灌模式；W2為間歇灌溉；N0為不施氮肥；N1為氮肥180 kg/hm2；F1為氮肥分2次施肥，即基肥50%，移栽后10 d 50%的分蘗肥，匯同除草劑一起施用，即氮肥施肥比基肥∶蘗肥=5∶5，該模式與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的模式相同；F2為氮肥分4次施肥，即基肥30%，移栽后10～12 d 30%的分蘗肥，移栽后35～40 d 30%的拔節(jié)肥，移栽后60～65 d 10%的穗肥，即氮肥施肥比基肥∶蘗肥∶拔節(jié)肥∶穗肥=3∶3∶3∶1。

圖3 桂林灌溉試驗中心站內(nèi)試驗小區(qū)

2.2 第二道防線布置

試驗區(qū)稻田排出的水量直接流入田間草溝，溝內(nèi)主要為當(dāng)?shù)匾吧囊翱嗦?、水花生、辣草、水草等植物。田間草溝長96.5 m，試驗初期采用寬0.2 m，深0.25 m矩形斷面，縱坡1/2 000，但由于溝壁直立，不適宜植物生長，同時渠道縱坡太緩，導(dǎo)致流速過小，影響試驗效果。為此，試驗中后期，將田間草溝修改為上寬0.3 m，底寬0.2 m，深0.25 m梯形斷面，縱坡1/1 000，如圖4所示。進(jìn)入和排出田間草溝的水量由設(shè)在進(jìn)、出口三角堰量測，試驗期間每日觀測進(jìn)、出口過堰水深，并計算進(jìn)、出水量(Q2進(jìn)、Q2出)。水稻各生育期的氮、磷濃度由進(jìn)、出口水樣實際采樣測定，灌溉、降雨及排水前后增加采樣量測次數(shù)。

圖4 田間草溝橫斷面圖(單位：cm)

2.3 第三道防線布置

濕地由面積分別為225和193 m2相互連通的兩塊塘堰組成，平均水深0.45 m。濕地與承接排水的稻田面積比為1∶14，主要種植美人蕉、茭白、蓮藕、睡蓮等水生植物，種植密度為7～8株/m2，并定期檢查。為保證污染物在濕地中沉降和吸附吸收，提高凈化效果，濕地縱斷面結(jié)構(gòu)按照前部淺、中部深、后部淺布置。進(jìn)入和排出濕地的水量，由設(shè)置在濕地進(jìn)出口的三角堰量測，試驗期間每日觀測進(jìn)、出口過堰水深，并計算進(jìn)、出水量(Q3進(jìn)、Q3出)。降雨或集中灌溉后2 h內(nèi)須加測1次。水稻各生育期的氮磷濃度由進(jìn)、出口水樣實際采樣測定且不少于1次，灌溉、降雨及排水前后增加采樣量測次數(shù)。

2.4 第四道防線布置

濕地后串聯(lián)骨干生態(tài)溝，對濕地的排水再次凈化。試驗中采用天然排水斗溝，全長102 m，基本橫斷面為梯形，上寬2 m，底寬1.2 m，深1.2 m，平均水深1 m，縱坡1/2 000，如圖5所示。溝中生長的植物主要為水花生、辣草、水葫蘆。在骨干生態(tài)溝進(jìn)、出口處設(shè)矩形量水堰，試驗期間每日觀測進(jìn)、出口過堰水深，并計算進(jìn)、出水量(Q4進(jìn)、Q4出)。水稻各生育期的氮、磷濃度由進(jìn)、出口水樣實際采樣測定，灌溉、降雨及排水前后增加采樣量測次數(shù)。

圖5 骨干生態(tài)溝橫斷面圖(單位：cm)

3 “四道防線”主要觀測內(nèi)容和應(yīng)用效果

桂林灌溉試驗中心站內(nèi)試驗小區(qū)在2013年早稻期間開始建設(shè)，于2013年晚稻期間投入試運行，因此在站內(nèi)試驗區(qū)，2013和2014年共開展了三期水稻的水肥管理試驗。外部的青獅潭灌區(qū)示范區(qū)于2013年晚稻期間開始建設(shè)，在2014年早稻期間投入運行，共開展了2014年早稻和晚稻兩期試驗。本文以2014年早稻為對象進(jìn)行典型研究。

3.1 主要觀測內(nèi)容

觀測分析和檢測指標(biāo)包括水量平衡要素和營養(yǎng)物指標(biāo)。水量平衡要素：降雨量、灌溉量、排水量、蒸發(fā)蒸騰量、滲漏量、土壤儲水變化量；營養(yǎng)物指標(biāo)：排水以及滲漏水中氮磷濃度，保證水稻各生育期進(jìn)行采集化驗，視具體情況(如遇降雨)進(jìn)行加測，降雨若有排水則雨后0.5 h立即取樣，取徑流峰值。

結(jié)合水稻生育期在各小區(qū)采集排水及田面水進(jìn)行氮磷濃度化驗，各試驗小區(qū)用采取水樣1個，測氮、磷濃度，包括：總氮、銨態(tài)氮、總磷。遇降雨或灌溉后1 d進(jìn)行加測。保證每水稻生育期進(jìn)行測取化驗，視具體情況(如遇降雨、灌溉)進(jìn)行加測。采集水樣分析指標(biāo)和方法為：總氮用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89)測定，銨態(tài)氮用納氏試劑比色法(GB7479-87)測定，總磷用鉬酸氨分光光度法(GB11893-89)測定。

3.2 應(yīng)用效果

3.2.1第一道防線——田間水肥綜合調(diào)控

2013-2014年在桂林灌溉試驗中心站內(nèi)對18個試驗小區(qū)開展水肥綜合調(diào)控對比試驗。氮肥底肥為碳酸氫銨，追肥為尿素。磷肥和鉀肥施用水平參考當(dāng)?shù)剞r(nóng)民經(jīng)驗：磷肥總施肥量為40 kg/hm2(以P2O5計)，鉀肥總施肥量為70 kg/hm2(以K2O計)。磷肥、鉀肥作為底肥一次性施入。不同灌溉模式處理的灌溉標(biāo)準(zhǔn)見表2。

2014年早稻生育期試驗典型處理W1N1F1 、W2N1F2排水量分別為1 574和1 020 m3/hm2。在N1施肥模式下，間歇 灌溉W2比常規(guī)灌溉W1減少排水35.2%，間歇灌溉W2的稻田排水量明顯減少。典型處理W1N1F1 、W2N1F2對各類污染物的削減率見表3。

表2 不同灌溉模式處理的灌溉標(biāo)準(zhǔn) mm

注：10～40 mm表示田間水層的下限和上限，下同，80%表示土壤含水率占田間持水率的比例。

表3 2014年早稻生育期典型灌溉處理對各類污染物的削減率

由表3可知，除銨態(tài)氮外，間歇灌溉W2比常規(guī)灌溉W1各類污染物均有所削減，但削減并不明顯，其主要原因是，由于滲漏和地表排水的引入，導(dǎo)致W2N1F2試驗小區(qū)的水質(zhì)發(fā)生了一定變化，致使各類污染物濃度的沒有明顯降低，甚至出現(xiàn)增加。但是在間歇灌溉W2模式下，節(jié)水效果良好，且總負(fù)荷均有削減，其中總氮削減達(dá)1 468.51 g/hm2。然而，為進(jìn)一步提高試驗精度，觀測過程中還須嚴(yán)格控制滲漏以及降雨等因素對污染物濃度的影響，并加強試驗管理。

3.2.2第二道防線——田間草溝

含有氮、磷等污染物的稻田排水由試驗區(qū)直接流入田間草溝，根據(jù)2014年4-6月期間早稻不同生育期間進(jìn)出田間草溝的水質(zhì)分析結(jié)果，計算得到總氮、銨態(tài)氮、總磷等污染物的削減率，見表4。

表4 2014年早稻生育期田間草溝對各類污染物的削減率

由表4可知，田間草溝出口處總氮、銨態(tài)氮、總磷等符合均較進(jìn)口處均有一定幅度的降低，其中銨態(tài)氮最大削減率達(dá)17.5%、總氮削減率達(dá)15.2%，即田間草溝對稻田排水進(jìn)行了第一次凈化，污染物得到了一定的去除。但是由于田間草溝的尺寸較小，長度只有96.5 m，導(dǎo)致稻田排水在田間草溝滯留時間較短，凈化效果受到影響。同時，由于當(dāng)?shù)剞r(nóng)民使用除草劑，導(dǎo)致草溝內(nèi)部分水生植物死亡，也影響了污染物的去除效果。

3.2.3第三道防線——濕地

為保證田間草溝的排水更好的得到凈化，利用當(dāng)?shù)氐默F(xiàn)有的塘堰進(jìn)一步消納各類污染物。根據(jù)2014年4-6月期間早稻不同生育期間進(jìn)出濕地的水質(zhì)分析結(jié)果，計算得到總氮、銨態(tài)氮、總磷等污染物的削減率，見表5。

由表5可知，濕地出口處總氮、銨態(tài)氮、總磷等負(fù)荷均較進(jìn)口處均有大幅度降低，其中銨態(tài)氮最大削減率達(dá)57.3%、總氮 削減率達(dá)42.8%，即濕地對稻田排水污染物具有較好的祛除效果。分析其削減率不是很高的主要原因：①濕地面積較小，濕地稻田面積比為1∶14，屬于濕地稻田面積比1∶10～1∶50的下限值，對于各類污染物的消納和去除有影響；②濕地平均水深0.45 m，加之總體面積較小，導(dǎo)致水流流速較快，導(dǎo)致水力停留時間較短，使水生植物的吸附和過濾作用未能充分發(fā)揮。

表5 2014年早稻生育期濕地對各類污染物的削減率

3.2.4第四道防線——骨干生態(tài)溝

結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H降雨量、蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)，根據(jù)2014年4-6月期間早稻不同生育期間進(jìn)出骨干生態(tài)溝的水質(zhì)分析結(jié)果，計算得到總氮、銨態(tài)氮、總磷等污染物的削減率，見表6。

表6 2014年早稻生育期骨干生態(tài)溝對各類污染物的削減率

由表6可知，骨干生態(tài)溝出口處總氮、銨態(tài)氮、總磷等符合均較進(jìn)口處有一定程度降低，削減率達(dá)30%～55%，即骨干生態(tài)溝對稻田排水污染物具有較好的祛除效果。分析其主要原因是：骨干生態(tài)溝斷面較大，平均水深達(dá)1 m，水流流速較小，為各類污染物的削減提供了良好的條件，同時整個骨干生態(tài)溝密閉性和完整性都比較好，減少了外來污染物的干擾，提高了數(shù)據(jù)的精確性。

3.3 “四道防線”綜合削減效果

“四道防線”中每道防線對總氮、銨態(tài)氮、總磷等負(fù)荷的削減均有一定效果，各防線協(xié)同運行綜合治理效果更為明顯，通過bj=bi+aj(1-bi)(其中：bi、bj分別為上道防線綜合削減率、本道防線綜合削減率，aj為本道防線削減率)計算綜合削減率，見表7。由表7可以看出，銨態(tài)氮、總氮削減效果最明顯，分別達(dá)到83.5%、70.4%?！八牡婪谰€”中，第三道防線的削減率最高，充分說明濕地的沉降和吸附吸收對各類污染物的削減起著積極作用，是“四道防線”凈化效果中最為有效的環(huán)節(jié)。

表7 “四道防線”綜合削減率 %

4 結(jié) 語

農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國廣大農(nóng)村的主要污染源，其治理是一個復(fù)合性系統(tǒng)工程，也是改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的重要支撐。本文在突破過去單項技術(shù)的基礎(chǔ)上，對稻田面源污染實行系統(tǒng)控制，優(yōu)化田間水肥管理，構(gòu)建面源污染的“田間水肥綜合調(diào)控-田間草溝-濕地-骨干生態(tài)溝”的“四道防線”技術(shù)體系，并在廣西桂林市青獅潭灌區(qū)和桂林灌溉試驗中心站進(jìn)行該系統(tǒng)的凈化效果對比試驗?！八牡婪谰€”技術(shù)體系對水稻灌區(qū)水環(huán)境的改善顯著，總氮、銨態(tài)氮、總磷的削減率分別為 70.4%、83.5%、61.0%。

稻田面源污染“四道防線”系統(tǒng)生態(tài)治理模式，不僅豐富了對面源污染處理理論的研究內(nèi)容，而且對水稻節(jié)水灌溉理論體系的發(fā)展也有促進(jìn)作用。為廣西稻田面源污染的削減和其他經(jīng)濟作物節(jié)水灌溉及水肥高效利用提供理論和實踐依據(jù)，為建設(shè)廣西、美麗漓江，保護(hù)漓江流域水生態(tài)提供理論依據(jù)和技術(shù)性對策和建議，具有較高理論和實際應(yīng)用價值，研究成果不僅適用于廣西地區(qū)，在我國南方水稻灌區(qū)面源污染治理也具有現(xiàn)實意義。

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