盛婧，王子臣，朱普平，陳留根，鄭建初

江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇 南京 210014

農(nóng)田養(yǎng)分流失及水生植物吸收再利用研究進展

盛婧，王子臣，朱普平，陳留根，鄭建初

江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇 南京 210014

農(nóng)田養(yǎng)分排放是造成水體富營養(yǎng)化的重要原因之一，農(nóng)業(yè)面源污染受到廣泛關(guān)注。針對農(nóng)業(yè)面源污染治理，從源頭上減少化肥投入被認為是控制農(nóng)業(yè)面源污染最為根本的方法。然而由于農(nóng)民對環(huán)境不夠重視，目前源頭化肥減量的方法實現(xiàn)難度較大，仍然有大量的養(yǎng)分流失到農(nóng)田之外，因此如何減少農(nóng)田流失養(yǎng)分進入河流、湖泊等水體也是當(dāng)前亟需解決的問題。事實證明，農(nóng)田流失養(yǎng)分通過水生植物富集后進行資源化再利用是一項較為有效、可行的養(yǎng)分減排措施。筆者對近年來國內(nèi)外在農(nóng)田養(yǎng)分流失及水生植物吸收再利用方面的研究進行了梳理與總結(jié)，首先介紹了農(nóng)田養(yǎng)分流失特征及其影響因素，接著闡述了水生植物富集農(nóng)田流失養(yǎng)分以及水生植物對養(yǎng)分的資源化利用兩個方面的研究進展，并針對流失養(yǎng)分再利用過程中出現(xiàn)的問題進行了深入地探討，同時展望了今后的研究方向，以期為長江三角洲地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染末端治理研究與工程實踐提供參考。

農(nóng)田；養(yǎng)分流失；水生植物；資源化利用；面源污染

隨著我國農(nóng)田化肥投入量的連年增加，農(nóng)業(yè)導(dǎo)致的面源污染日趨嚴(yán)重。尤其在長江三角洲地區(qū)，農(nóng)田管理傳統(tǒng)習(xí)慣是降雨前施肥，這使得大量的氮磷鉀等養(yǎng)分隨雨水流失，農(nóng)田養(yǎng)分資源變成水體污染源。有研究表明，農(nóng)業(yè)面源污染對太湖氮、磷的貢獻率高達64%和57%（程波等，2005）；太湖地區(qū)每年稻田地表徑流造成的氮素損失約為29 kg?hm-2，占氮肥施用量的8.4%，以目前江蘇太湖地區(qū)稻田面積2.45×106hm2估算，地表徑流造成的氮肥損失達7×104t以上，養(yǎng)分資源浪費極其嚴(yán)重（朱成立等，2003）。然而，另一方面，我國養(yǎng)分資源卻面臨著存量不足的現(xiàn)狀。鉀肥資源短缺，2012年鉀肥自給率只有47.6%；磷肥資源也豐而不富。協(xié)調(diào)這兩者矛盾的最佳途徑是將農(nóng)田水體流失養(yǎng)分提取，進行再次利用。

當(dāng)前水體養(yǎng)分再利用主要有3種方法。第一種方法是化學(xué)固定再利用，最著名的是鳥糞石法，該方法的優(yōu)點是快速富集氮磷，但缺點是固定效果受水體氨、磷濃度的影響。第二種方法是直接灌溉再利用，其優(yōu)點是操作簡單，缺點是養(yǎng)分濃度低，排水與灌溉同地不同時。第三種方法是植物富集再利用，如水生植物吸收水體養(yǎng)分后有機堆肥還田和藻類、浮萍Lemnaceae原位富集水體養(yǎng)分后直接還田，該方法成本低、效率高、可行性強，是較為理想的水體養(yǎng)分再利用方法（方云英等，2008）。

在農(nóng)業(yè)面源污染治理中，采用植物富集流失養(yǎng)分進行再利用的治理方法（圖1）正受到越來越多的關(guān)注。本文就近年來國內(nèi)外在農(nóng)田流失養(yǎng)分生物富集及再利用方面開展的工作進行梳理與總結(jié)，并針對流失養(yǎng)分再利用過程中出現(xiàn)的問題進行深入探討，以期為長江三角洲地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染治理研究與工程實踐提供參考。

1 農(nóng)田養(yǎng)分流失

農(nóng)田養(yǎng)分流失是農(nóng)田養(yǎng)分再利用的前提，了解農(nóng)田養(yǎng)分流失形態(tài)、數(shù)量以及時間對于提高農(nóng)田流失養(yǎng)分再利用效率至關(guān)重要。當(dāng)降雨或排水時，農(nóng)田土壤表層的部分養(yǎng)分會隨著水體流失。流失的氮素形態(tài)，主要是可溶態(tài)部分，約占總氮流失量的75%～90%，流失的可溶態(tài)氮又以硝態(tài)氮為主，占可溶態(tài)氮的45.0%～70.8%（章明奎等，2011；Shan et al.，2015）；流失的磷素形態(tài)則主要是顆粒態(tài)部分，其占總流失磷的比例為70%～80%，而可溶性磷流失僅占20%～30%（Braskerud，2002；曹志洪等，2005）。作物種植初期是養(yǎng)分流失的關(guān)鍵時期，養(yǎng)分流失高風(fēng)險期通常發(fā)生在施肥后一周內(nèi)（晏維金等，1999；Shan et al.，2015）。因此，周年農(nóng)田流失養(yǎng)分再利用關(guān)注的重點，是作物種植初期及施肥后一周內(nèi)隨徑流水流出的硝態(tài)氮和顆粒態(tài)磷的利用。

國內(nèi)外研究表明，農(nóng)田養(yǎng)分流失量和流失時間受到降雨、施肥、種植模式、土壤狀況等多個因素共同影響。

圖1 植物富集流失養(yǎng)分及再利用方法示意圖Fig.1 The diagram of runoff nutrient enrichment and its reuse by aquatic plants

1.1 降雨

降雨是徑流產(chǎn)生的先決條件，降雨強度和時長對徑流產(chǎn)生的時間以及徑流量有著直接影響。Liu et al.（2014）研究發(fā)現(xiàn)，徑流發(fā)生的最低條件是降雨深度5.1 mm、降雨強度50 mm?h-1、土壤水分29.6%。一般情況下，雨強越大，降雨時間越長，則氮、磷流失負荷越大（Zhang et al.，2016；Liu et al.，2014）。降雨徑流產(chǎn)生過程中總氮、硝態(tài)氮與銨態(tài)氮流失質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先增大后逐步降低的趨勢。徑流氮濃度出現(xiàn)峰值的時間與雨強大小有關(guān)，當(dāng)雨強增大時，氮濃度出現(xiàn)峰值的時間提前（向速林，2013；傅濤等，2003）。梁新強等（2006）對不同降雨強度條件下油菜地養(yǎng)分流失進行研究發(fā)現(xiàn)，在降雨量為120 mm?h-1的條件下農(nóng)田總氮表觀流失系數(shù)高達24.3%，而80、40 mm?h-1條件下農(nóng)田總氮表觀流失系數(shù)僅為8.6%、2.2%；在雨強為120 mm?h-1條件下，徑流總氮濃度在32 min時達到峰值，48 min到達平衡，平衡時平均總氮質(zhì)量濃度為10 mg?L-1，而在雨強為40 mm?h-1條件下，徑流總氮濃度在36 min時達到峰值，56 min達到平衡，平衡時平均總氮質(zhì)量濃度為5 mg?L-1。徑流中磷濃度變化動態(tài)的表現(xiàn)則顯著不同（Kalkhoff et al.，2016）。在徑流流速從低速上升至平均流速這一階段，徑流磷濃度基本保持不變；只有當(dāng)徑流流速超過平均流速數(shù)倍時，磷濃度才開始增加。降雨強度大小還決定著養(yǎng)分的流失形態(tài)（馬琨等，2002）。當(dāng)雨強較小時，氮流失以可溶性硝態(tài)氮為主；隨著雨強的增加，顆粒態(tài)氮流失比例顯著增加；當(dāng)雨強較大時，氮流失以顆粒態(tài)氮為主（井光花等，2012）。

降雨時間延長，會使侵蝕泥沙的團聚體組成發(fā)生變化，＜0.25 mm的團聚體含量呈現(xiàn)增加的趨勢。黃滿湘等（2003）研究發(fā)現(xiàn)，徑流中78%的顆粒態(tài)氮是由粒徑0.25 mm以下的團聚體所貢獻。過短的施肥-降雨時間間隔會造成嚴(yán)重的氮磷損失，特別是1～3 d。梁新強等（2006）研究表明，施肥-降雨時間間隔為1 d、3 d的處理，油菜地的總氮表觀流失系數(shù)分別達到24.3%、19.5%，而5 d后總氮表觀流失系數(shù)均小于9.3%。

1.2 施肥

徑流氮、磷的流失量與施肥量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。晏維金等（1999）研究表明，在正常施肥情況下，水稻田氮、磷流失量分別高達11.2和0.69 kg?hm-2，是不施肥情況下的10～30倍。當(dāng)土壤氮、磷含量超過環(huán)境警戒值時，徑流中氮、磷流失顯著增加。Klimer et al.（1974）連續(xù)4年研究了兩種坡度耕地上施氮肥對徑流中硝態(tài)氮含量的影響，當(dāng)?shù)誓晔┯昧窟_到112 kg?hm-2時，徑流中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度超過10 mg?L-1。曹志洪等（2005）研究認為，太湖流域水稻土速效磷環(huán)境警戒值為25～30 mg?kg-1。施肥量減少，農(nóng)田養(yǎng)分流失量也隨之減少。俞映倞等（2011）研究表明，當(dāng)麥季施氮量由240 kg?hm-2降低到180 kg?hm-2時，氮環(huán)境排放量可減少7.7～12.0 kg?hm-2。

施用不同類型肥料，由于進入土壤中養(yǎng)分的形態(tài)有所差異，地表徑流中養(yǎng)分的流失形態(tài)和流失量也有所不同（段亮等，2007）。酰胺態(tài)氮不易被土壤吸附，更易于吸附在土壤顆粒表面，而主要存在于土壤溶液中。段永惠等（2005）對施用不同氮肥種類農(nóng)田養(yǎng)分徑流流失的研究表明，土壤徑流中TN含量大小為尿素＜硫酸銨＜氯化銨＜碳酸銨＜硝酸銨。朱利群等（2009）對施用不同種類肥料后田面水體總氮濃度的監(jiān)測表明，全部施用復(fù)合肥處理總氮濃度最大，施用復(fù)合肥+碳銨處理濃度最?。慌c施用尿素處理相比，施用有機肥可以減少氮素揮發(fā)損失和降低徑流損失，可較大程度地減少田面水體總氮含量。黃東風(fēng)等（2009）研究表明，化肥和有機肥各半、化肥和雙氰胺基施2種施肥模式能顯著減少蔬菜種植期間菜地土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮隨地表徑流的流失量，從而減少菜地土壤氮素對水體造成的農(nóng)業(yè)面源污染。

過量、不當(dāng)?shù)姆柿鲜┯檬寝r(nóng)田氮磷污染之源。眾多研究表明，減少化肥投入量、采取有機-無機肥配施或無機肥添加硝化抑制劑的方法，能夠有效地降低農(nóng)田氮磷流失量。因此，合理地控制作物各生育階段的施肥量，同時選擇適宜的農(nóng)田肥料種類，對減輕水體污染至關(guān)重要。

1.3 種植類型

農(nóng)田養(yǎng)分流失量與種植的作物類型有著密不可分的關(guān)系。不同種植類型農(nóng)田徑流總氮、水溶態(tài)總氮、水溶態(tài)有機氮和硝態(tài)氮的流失量由低至高依次為休閑地＜苗木地＜雙季稻農(nóng)田＜油菜(或小麥)-單季水稻農(nóng)田＜蔬菜地；徑流總磷和顆粒態(tài)磷的流失量也表現(xiàn)為休閑地＜苗木地＜雙季稻農(nóng)田＜油菜（或小麥）-單季水稻農(nóng)田＜蔬菜地。章明奎等（2011）研究結(jié)果表明，蔬菜地總氮、顆粒態(tài)磷流失量高達37.09、6.71 kg?hm-2，而苗木地總氮、顆粒態(tài)磷流失量僅為10.71、1.87 kg?hm-2。TN和TP的流失比例隨作物復(fù)種指數(shù)的提高而降低。湛方棟等（2012）對自然降雨條件下農(nóng)田地表徑流污染研究表明，蔬菜單作種植模式下地表徑流中TN、TP、COD和SS流失量分別為1.74～2.39?0.18～0.26?7.71～10.59和10.4～21.7 kg?hm-2；玉米與蔬菜套作種植模式顯著減少蔬菜農(nóng)田地表徑流量和徑流污染流失，其地表徑流中TN、TP、COD和SS流失量分別為0.82～1.22?0.10～0.16?4.17～6.03和8.71～12.6 kg?hm-2。

1.4 土壤狀況

農(nóng)田的土壤類型影響著肥料養(yǎng)分利用效率。砂土由于粒間孔隙大，毛管作用弱，通氣透水性強，其保水保肥能力差，施肥后氮和磷不易被砂土顆粒吸附，在砂土間運移快，容易流失；而粘壤土由于粒間孔隙相對較小，又具有一定的毛管孔隙，故通氣透水性良好，保水保肥能力強，施肥后氮和磷易被土壤顆粒吸附，其在土壤間運移慢，不易流失（段亮等，2007；朱利群等，2009）。

農(nóng)田徑流中氮、磷污染負荷還取決于土地利用方式。焦荔（1991）對西湖流域面源污染的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，氮、磷的單位面積負荷以水田最高，盡管水田面積只占整個流域面積的3.9%，但產(chǎn)生的氮負荷量為5.94 t?hm-2?a-1，占流域總負荷的16%；磷負荷量為0.45 t?hm-2?a-1，占17.5%。在不同灌溉模式下，農(nóng)田的滯蓄能力不同，土壤優(yōu)先水流和徑流量差別明顯（朱成立等，2003）。馬立珊（1992）研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水田灌溉用水量減少31%～36%時，地表排水量減少78%～90%，氮素負荷量減少76%～80%。

耕作方式會通過改變徑流產(chǎn)生時間與強度，對氮、磷流失產(chǎn)生影響。免耕覆蓋的耕作方式下，徑流開始產(chǎn)生的時間最晚，徑流強度最小，徑流量最少，保水保土效果最好；而傳統(tǒng)耕作方式下，徑流總磷和氨氮流失量比免耕處理高出3倍以上（王曉燕等，2000；Delaune et al.，2012；王輝等，2008）。

由此可見，關(guān)于農(nóng)田養(yǎng)分流失的影響因素，前人已開展了許多系統(tǒng)地、深入的研究，這些研究從控源和節(jié)流兩個方面為農(nóng)田養(yǎng)分流失控制提出了措施，并奠定了豐厚的基礎(chǔ)。然而相關(guān)研究多集中在一些單因素個案的研究上，對多因素互作效應(yīng)的研究較為不足，難以根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤?、作物栽培和土壤等綜合條件精確地估測某一區(qū)域的養(yǎng)分流失狀況，今后有必要加強基于農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)模型的多因素互作效應(yīng)研究，使植物高效富集流失養(yǎng)分更具有針對性。

2 養(yǎng)分在溝渠運移過程中變化

掌握氮、磷在農(nóng)田地表徑流中的沿程遷移特征，對于農(nóng)田流失養(yǎng)分高效捕獲與富集具有十分重要的意義。農(nóng)田、水塘及連接農(nóng)田和水塘的水溝是農(nóng)業(yè)灌溉網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分。溝渠對降雨徑流水體養(yǎng)分具有截留效應(yīng)，沿溝渠水流方向水體養(yǎng)分含量總體上沿程下降（王曉玲等，2014）。羅專溪等（2009）研究降雨徑流過程中氮磷在自然溝渠內(nèi)的空間變化特征表明，TN、、TP、PP和等氮磷污染物均呈沿程遞減趨勢。晏維金等（1999）研究表明，初始TN質(zhì)量濃度為7.56 mg?L-1、TP質(zhì)量濃度6.22 mg?L-1的水體，以0.005 m3?s-1流速通過長250 m、深0.7 m的水渠后，TN、TP截留率分別達57.3%、94.8%；初始TN質(zhì)量濃度為12.26 mg?L-1、TP質(zhì)量濃度為8.65 mg?L-1的水體，通過面積1550 m2、深1.5 m的水塘后，TN、TP截留率分別達73.4%、95.0%。向速林（2013）研究表明，農(nóng)田溝渠系統(tǒng)對徑流中總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的截留率分別為50.0%、47.5%、51.5%，而對總磷與磷酸鹽的截留率分別約為53.0%與36.6%。

溝渠類型、大小、水力滯留時間以及水體N素存在形態(tài)等因素都會影響溝渠去除N、P的速率。不同溝渠類型以生態(tài)溝渠對水體N、P 去除率最高，土質(zhì)溝渠次之，混凝土溝渠對水體N、P去除率最低（王巖等，2009；Fu et al.，2014）。小型溝渠中N的吸收和轉(zhuǎn)化速率快于大型溝渠（Peterson et al.，2001）。水力滯留時間較長時，溝渠對N的去除以溝渠中的植物對N的吸收為主；而當(dāng)水力滯留時間較短時，則是溝渠壁對N的吸附在N去除上占主導(dǎo)地位；當(dāng)水力滯留時間短于50 min時，溝渠對N的去除不存在明顯的凈化作用（王巖等，2009）。溝渠沉積物對氨氮具有很強的吸附和硝化能力，最大飽和吸附量和硝化量分別約為1.3、0.15 mg?g-1（徐紅燈等，2007）。水體被去除所需距離為去除所需平均距離的5～10倍（Peterson et al.，2001）。

顆粒沉降作用是溝渠能夠截留P的主要原因（Braskerud，2002）。當(dāng)徑流進入溝渠中，大多數(shù)顆粒物主要沉降在溝渠的前端部分。Braskerud et al.（2000）研究表明，當(dāng)溝渠長寬比為9～16時，前端顆粒物沉降區(qū)長度約占溝渠總長度的30%～67%。然而在不同時間段，溝渠對水體P變化的貢獻不一致。Kr?ger et al.（2008）發(fā)現(xiàn)，處于作物生長期時溝渠為無機磷和粒子磷的匯，而在休眠期時溝渠則為其源。沉積物對磷的吸附-解吸平衡質(zhì)量濃度為0.046 mg?kg-1（翟麗華等，2008）。

綜上所述，當(dāng)農(nóng)田排水進入溝渠以后，溝渠對水體養(yǎng)分具有一定的截留作用，使得最終進入水塘的氮磷負荷減少。溝渠對水體養(yǎng)分截留的效果受到溝渠本身、水體流速、養(yǎng)分形態(tài)、季節(jié)等多個因素影響。通過縮短水體在溝渠中的運移路徑、加大溝渠寬度、選擇硬質(zhì)化溝渠等途徑，可以降低水體養(yǎng)分在運輸過程的損失，從而使更多的養(yǎng)分進入水塘被富集利用。

3 水生植物富集流失養(yǎng)分

在長江三角洲地區(qū)，水網(wǎng)發(fā)達，農(nóng)田周邊存在水塘的現(xiàn)象極為普遍。流失的養(yǎng)分隨著農(nóng)田徑流通過溝渠，最終進入水塘。在塘中種植水生植物緩沖帶，能夠有效地固持、滯留徑流養(yǎng)分和沉淀（Syversen，2005）。緩沖區(qū)的存在降低了徑流流速，從而增加徑流中顆粒物沉積。由于水生植物在生長發(fā)育過程中會從水體和底泥中吸收大量的氮、磷等營養(yǎng)鹽，流失養(yǎng)分因此被富集到水生植物體中（吳旭娟，2015）。而水生植物的養(yǎng)分累積主要集中在植物地上部，及時收割其地上部分可以將氮、磷帶離水體（蔣躍平等，2004；胡秋香等，2010；張樹楠等，2012）。有研究表明，地上部分的氮、磷累積量對水體氮、磷去除的貢獻率分別可達38.5%、40.5%以上（蔣躍平等，2004；Zheng et al.，2015）。

3.1 養(yǎng)分高效富集的水生植物選擇

水生植物體中的氮、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13.67～26.38 mg?g-1和1.16～3.50 mg?g-1（金樹權(quán)等，2010）。植物對養(yǎng)分的吸收能力取決于植物類型。從生活型來說，挺水植物的氮、磷含量較低，碳、木質(zhì)纖維素含量較高，浮葉植物的氮含量較高，沉水植物的磷含量較高（曹培培等，2014）。已報道的夏季具有較強養(yǎng)分富集能力的水生植物有鳳眼蓮Eichhornia crassipes、大薸Pistia stratiotes、菱Trapa bispinosa、浮萍、蘆葦Phragmites communis、再力花Thalia dealbata、睡蓮Nymphaeaceae、菖蒲Acorus calamus、茭白Zizania latifolia、狐尾藻Myriophyllum aquaticum、菹草Potamogeton crispus等。冬季高效富集養(yǎng)分的水生植物選擇是近年來水體養(yǎng)分富集工程的難點，主要是由于大多數(shù)水生植物在冬季無法進行正常生長。近期，在冬季水生植物篩選方面的研究已取得了突破。周金波等（2011）研究發(fā)現(xiàn)，大聚藻Myriophyllum aquaticum、香菇草Hydrocotyle vulgaris能在冬季正常生長且生物量有所增長，其TN凈化增效作用分別為45.7%、39.6%，TP凈化增效作用分別為31.1%、30.1%。汪秀芳等（2013）發(fā)現(xiàn)，常綠水生鳶尾Iris hexagonus、羊蹄Rumex japonicus、金葉金錢蒲Acorus gramineus Soland、反曲燈心草Juncus inflexus 4種植物，也均能在低溫條件下茂盛生長。這些研究的發(fā)現(xiàn)為實現(xiàn)農(nóng)田流失養(yǎng)分周年循環(huán)利用提供了可能。有研究表明，植物組合可提高植物對水體氮磷的整體改善效率，如香蒲Typha orientalis-睡蓮、蘆葦-荇菜Nymphoides peltatum等對氮磷的去除率相對較高（丁玲，2006；楊涓等（2012）。

水生植物生長成熟之后收割，養(yǎng)分被攜出。袁從祎等（1983）研究表明，每年鳳眼蓮收獲可從水中帶走氮738.7 kg?hm-2和磷127.5 kg?hm-2，大薸可帶走氮630.7 kg?hm-2和磷122.2 kg?hm-2，空心蓮子草Alternanthera philoxeroides可帶走氮441 kg?hm-2和磷40.5 kg?hm-2。姜翠玲等（2005）研究表明每年秋季蘆葦?shù)厣喜糠质崭钜院?，可帶走?18 kg?hm-2和磷103.6 kg?hm-2，茭草通過收割可帶走氮131 kg?hm-2和磷28.9 kg?hm-2。據(jù)報道，1 hm2的天然濕地植物每年可攔截2.3～3.2 hm2農(nóng)田流失的氮肥、1.3～3.0 hm2農(nóng)田流失的磷肥（姜翠玲等，2004）。

3.2 水生植物養(yǎng)分富集特征

植物在不同生長季節(jié)和發(fā)育階段具有不同的養(yǎng)分吸收特性（Liu et al.，2012；Wang et al.，2015）。不同發(fā)育階段植物養(yǎng)分吸收量高低與生物量增幅大小呈正相關(guān)關(guān)系，處于快速生長期的植物養(yǎng)分吸收量高于枯萎期（Syversen，2005）。尹煒等（2006）研究蘆葦?shù)厣喜康?、磷含量在不同生長期的變化，結(jié)果表明，蘆葦?shù)孜樟吭?—8月逐漸升高，8月吸收量達到最高值，然后隨著植物的衰老呈下降趨勢，11月蘆葦枯萎期植物體內(nèi)的氮磷達到低值。吳建強等（2011）研究表明，水生植物的生長速率隨時間變化呈現(xiàn)出低→高→低的變化趨勢，美人蕉Canna indica、黃菖蒲Iris pseudacorus和再力花在10月出現(xiàn)生長速率的峰值，而千屈菜 Lythrum salicaria的生長速率峰值出現(xiàn)在8月；其中美人蕉和再力花8—10月整株生物量（鮮重）日均增長量均超過300 g。余紅兵等（2013a）表明，狐尾藻和燈心草氮?磷吸收量峰值出現(xiàn)在4月，銅錢草Hydrocotyle chinensis和黑三棱Sparganiaceae氮?磷吸收量峰值出現(xiàn)在5月，而水生美人蕉氮?磷吸收量峰值則在6月。

不同生長階段水生植物對養(yǎng)分的富集能力不同，因此其對養(yǎng)分的富集量與收獲時間也密切相關(guān)。Hosoi et al.（1998）認為當(dāng)蘆葦收割方式為一年兩次時，可以有效地富集營養(yǎng)物。盛婧等（2011）研究表明，當(dāng)鳳眼蓮生長密度達20～25 kg?m-2時進行收獲，每次收獲比例為2/3，可獲得較高的周年生物量以及水體養(yǎng)分富集量。余紅兵等（2013a）研究表明，多次收割收獲的地上部生物量?植物氮?磷吸收量遠高于單次收割?5種水生植物單次收割可帶走7.40～28.23g?m-2的氮，1.13～4.49 g?m-2的磷，其中水生美人蕉帶走的氮最多（28.23 g?m-2），狐尾藻帶走的磷最多（4.49 g?m-2）；而全年多次收割可帶走氮20.34～109.12 g?m-2和磷3.4～17.95 g?m-2，分別是一次收割帶走總氮?總磷的3.78倍和6.72倍，其中狐尾藻多次收割帶走的氮磷最多，可帶走氮109.12 g?m-2和磷17.95 g?m-2。

3.3 影響水生植物對水體養(yǎng)分富集的因素

不同水生植物對水體氮、磷的存在形態(tài)具有不同的偏好。金送笛等（1994）研究表明，當(dāng)水中氨氮質(zhì)量濃度低于0.35 mg?L-1左右時，菹草莖、葉優(yōu)先吸收硝態(tài)氮；而當(dāng)水中氨氮質(zhì)量濃度高于0.35 mg?L-1時，則優(yōu)先吸收氨氮。胡綿好（2011）研究表明，當(dāng)水體氮濃度較低時，水芹Oenanthe javanica有優(yōu)先吸收硝態(tài)氮的趨勢，豆瓣菜Nasturtium officinale和再力花有優(yōu)先吸收銨態(tài)氮的趨勢，空心蓮子草對磷具有較強的親和力；而當(dāng)?shù)獱I養(yǎng)供給充分（30～40 mg?L-1）時，水生植物氮含量基本穩(wěn)定，受水體氮濃度影響較小。水生植物氮磷富集能力還受到水體氮/磷比例的影響。一般來說，水生植物氮磷富集能力強弱與生物量大小呈正比例關(guān)系（余紅兵等，2013a）。向律成（2009）研究表明，穗狀狐尾藻Myriophyllum spicatum在低氮磷比（2∶1）時生物量最大；黃花水龍Ludwigia stipulacea subsp在中等氮磷比（10∶1～20∶1）時生物量最大；喜旱蓮子草Alternanthera philoxeroides在較高氮磷比（20∶1～40∶1）時生物量最大。因此，在充分了解各種水生植物特性的基礎(chǔ)上，可針對不同類型水體將水生植物種類進行有效地搭配與組合。

水力滯留時間決定著水生植物對養(yǎng)分的富集程度以及富營養(yǎng)化水體中氮磷的去除效果。楊小紅等（2015）采用人工植物塘凈化水體，當(dāng)塘中植物處于旺盛生長期時，水力滯留時間為1 d，起始總氮質(zhì)量濃度為6 mg?L-1的水體氮去除率為35.84%；水體滯留時間為3 d，氮去除率達到80%以上。孫映波等（2011）選擇了香根草Vetiveria zizanioides、風(fēng)車草Cyperus alternifolius、美人蕉等10種凈化能力較強的植物品種，組成6種不同配置，進行靜態(tài)培養(yǎng)試驗，結(jié)果表明在停留時間為5 d時，6種不同配置的水生植物組合對NH4+-N、TN、TP、CODCr、BOD的去除率均較高。

目前，水生植物在水體處理工程應(yīng)用中已有一定的成效，已經(jīng)篩選出一些在秋冬季節(jié)能高效吸收氮磷的水生植物，明確了不同水生植物對水中氮、磷等營養(yǎng)元素的吸收規(guī)律，并利用不同植物養(yǎng)分需求特點進行植物組合，時期發(fā)揮各自優(yōu)勢，顯著提高了水體養(yǎng)分富集效率。然而前人關(guān)于水生植物應(yīng)用的研究大多集中于城市廢水和養(yǎng)殖污水處理。與城市廢水和養(yǎng)殖污水不同的是，農(nóng)田排水具有低有機碳、低銨氮、高硝氮的特點，針對農(nóng)田排水處理的水生植物應(yīng)用研究亟待加強。

4 水塘配置及植物緩沖區(qū)設(shè)計

前人在水生植物應(yīng)用方面已開展了較為廣泛的研究，但是研究多限于小型室內(nèi)試驗，而關(guān)于野外大型植物緩沖區(qū)的最佳設(shè)計研究較少。有研究表明，水生植物緩沖區(qū)寬度以及植物群體大?。芏取⒂捕?、高度）都會影響徑流養(yǎng)分的捕獲效率。緩沖區(qū)寬度5～10 m能夠有效地捕獲顆粒物和顆粒態(tài)養(yǎng)分，特別是在暴雨期。Syversen（2005）研究表明，在徑流N 8 mg?L-1、P 2 mg?L-1、顆粒物2000 mg SS（具有代表性的徑流狀況）條件下，徑流以0.4 L?s-1流速通過緩沖區(qū)，總磷、總氮、顆粒物平均捕獲效率分別為60%～89%、37%～81%、81%～91%。寬度為10 m的緩沖區(qū)比5 m緩沖區(qū)去除效率更高。然而實際生產(chǎn)中，植物緩沖區(qū)寬度的選擇往往要在農(nóng)田面積需求和臨近河流水質(zhì)量保護兩者之間尋求一個平衡點。

盡管水塘濕地養(yǎng)分滯留效率還取決于氣候、土壤類型、地形地貌、水流及污染物特性等多個因素，過程相當(dāng)復(fù)雜，學(xué)者們?nèi)匀粚λ翝竦嘏c農(nóng)田配置進行了艱難的探索。Tournebize et al.（2016）研究表明，若要實現(xiàn)徑流中硝態(tài)氮降低50%的目標(biāo)，每公頃農(nóng)田建議配置76 m3水塘濕地，水塘最大水深不超過0.8 m，即水塘面積相當(dāng)于農(nóng)田面積的1%。Karpuzcu et al.（2012）研究表明，若要將農(nóng)田排水中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度降至0.5 mg?L-1，濕地所需面積應(yīng)不少于農(nóng)田面積的3%。水塘濕地與農(nóng)田配置標(biāo)準(zhǔn)是流失養(yǎng)分減排成功的關(guān)鍵，研究適合我國國情的農(nóng)區(qū)濕地設(shè)計具有重要的意義。

5 水生植物肥料化利用

水生植物的處置利用是濕地應(yīng)用中不可忽視的問題，然而目前有關(guān)水生植物的資源化利用方面的研究報道甚少。水生植物體內(nèi)含豐富的氮、磷、鉀等礦物質(zhì)元素（高于常見作物秸稈），有機質(zhì)、水分含量高，將其處置后施用到農(nóng)田可以為農(nóng)作物的生產(chǎn)提供優(yōu)良的有機肥料，從而使農(nóng)田流失養(yǎng)分再次得以利用。對于農(nóng)村地區(qū)來說，簡易的堆肥和綠肥還田是最為合適的水生植物處置方式（徐祖信等，2008）。水生植物堆肥能夠保證大部分的氮、磷和鉀都保留在肥料中，是一個切實可行的利用水生植物的方法，并且水生植物的分解使得營養(yǎng)元素礦化從而利于植物吸收。在3種生活型水生植物中，浮葉植物的分解速率最快，沉水植物其次，挺水植物最慢；且水生植物分解具有明顯的階段性，前期分解速率較快，后期緩慢下降（曹培培等，2014）。不同植物分解過程中殘余物成分變化總體趨勢一致。植物殘余物中磷、纖維素、木質(zhì)素含量的變化趨勢種間差異較小，總體上磷含量先迅速下降后緩慢上升，纖維素含量先下降后趨于穩(wěn)定，木質(zhì)素含量先上升后趨于穩(wěn)定；碳、氮、半纖維素含量在分解初期種間的變化趨勢有所不同，而分解后期則均為碳含量上升，氮、半纖維素含量趨于穩(wěn)定。

為了促進水生植物分解，通常將水生植物切成小段以增加微生物與水生植物的接觸面積，由此取得較好的堆肥效果。水生植物堆肥所需時間較短，通常只需30 d左右（Gunnarsson et al.，2007）。黃東風(fēng)等（2007）采用“微生物好氧發(fā)酵堆肥化技術(shù)”工藝生產(chǎn)出來的鳳眼蓮肥料產(chǎn)品，其有機質(zhì)含量高達49.9%，氮磷鉀總養(yǎng)分含量為11.4%，屬優(yōu)質(zhì)的作物有機肥料。有些水生植物木質(zhì)素和纖維素含量較高、不易降解，可在發(fā)酵系統(tǒng)中添加真菌、放線菌和細菌從而提高木質(zhì)素和纖維素的降解率（Adhikary et al.，1992）。目前有關(guān)水生植物有機肥農(nóng)田應(yīng)用的研究已經(jīng)開展了很多。水生植物堆肥與普通肥料比較，對作物有明顯的增產(chǎn)作用。在酸性土上施用5%和10%的水生植物堆肥，能促進玉米和芝麻籽粒對微量元素養(yǎng)分的吸收和增加產(chǎn)量（黃和等，1999；Abdel-Sabour et al.，2001）。采用水生植物有機肥進行草莓栽培，在化學(xué)施氮量減少14%的條件下，其產(chǎn)量與常規(guī)施肥處理相同，而且水生植物有機肥施用還可促進草莓可溶性固形物含量、還原糖含量及糖酸比等品質(zhì)指標(biāo)的提高，同時明顯增加土壤有機質(zhì)、速效鉀、全氮等養(yǎng)分含量（周新偉等，2013；余紅兵等，2013b）。

水生植物具有較高的營養(yǎng)物質(zhì)含量，因此可以考慮用作綠肥。水生植物用作綠肥，可將新鮮植株直接切碎拋灑，也可將水生植物曬干后再施于田中。選擇何種施用方式可視當(dāng)?shù)鼐唧w情況而定，但兩種施用方式均需翻耕入土，以減少因氮揮發(fā)而造成的營養(yǎng)損失。盧隆杰等（2003）研究表明，鳳眼蓮在晾曬的干物質(zhì)量達87%時可以施用，此時植株內(nèi)部微生物已停止活動。

總之，水生植物作為肥源是技術(shù)上可行且生產(chǎn)上易操作的一種利用方法，其對于作物生長發(fā)育和品質(zhì)以及土壤肥力改善均表現(xiàn)出顯著的促進效應(yīng)。

6 問題與展望

當(dāng)前，農(nóng)田養(yǎng)分大量流失已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展不容忽視的問題，正受到越來越多的重視。利用區(qū)域地理優(yōu)勢，將農(nóng)田流失養(yǎng)分富集并再利用，對于減輕水體污染、節(jié)約資源具有重要意義。迄今為止，農(nóng)田流失養(yǎng)分再利用三大環(huán)節(jié)已取得一系列成果。在農(nóng)田養(yǎng)分流失環(huán)節(jié)，深入地研究了污染物的流失形態(tài)、降雨過程中污染物流失的變化規(guī)律，以及施肥、作物種植模式、土地類型等因素對農(nóng)田養(yǎng)分流失的影響，為農(nóng)田流失養(yǎng)分再利用工程中養(yǎng)分?jǐn)r截與暴雨旁路系統(tǒng)設(shè)置提供了參數(shù)。在水塘中水生植物富集環(huán)節(jié)，篩選出一批能在夏、冬季高效吸收水體氮磷的水生植物，尤其是冬季水生植物，對于實現(xiàn)周年水體流失養(yǎng)分富集利用具有重要意義，并明確了水體營養(yǎng)狀態(tài)、水力滯留時間、打撈時間等因素對水生植物養(yǎng)分富集的影響。在水生植物資源化利用環(huán)節(jié)，明確了水生植物處置利用方式及其農(nóng)田施用效果。但是從農(nóng)田流失養(yǎng)分再利用實際運行目標(biāo)來看，還存在一定的差距，主要體現(xiàn)在：

第一，農(nóng)田溝渠、水塘等濕地規(guī)模與布局。溝渠與水塘是農(nóng)田流失養(yǎng)分再利用系統(tǒng)的重要組成部分。關(guān)于溝渠長度、水塘大小及其布局對徑流氮磷鉀遷移變化的影響尚缺乏深入的研究。為使農(nóng)田流失養(yǎng)分被高效利用，應(yīng)盡可能地降低流失養(yǎng)分在輸移過程中損失，因此基于流失養(yǎng)分損失減控的濕地規(guī)模與布局應(yīng)是農(nóng)田流失養(yǎng)分再利用重點研究的內(nèi)容。

第二，水生植物富集效率偏低。首先，眾所周知，農(nóng)田流失養(yǎng)分呈現(xiàn)季節(jié)性動態(tài)變化，每種植物在不同時期的生長速率和代謝功能也不同，而已有的水生植物研究均為靜態(tài)試驗研究結(jié)果，忽略了水生植物生長規(guī)律與養(yǎng)分流失動態(tài)變化的耦合，尚未沒有形成周年高效的水生植物富集吸收水體養(yǎng)分的調(diào)控技術(shù)體系。其次，大部分針對水生植物的研究均是以水體凈化修復(fù)為目標(biāo)，而針對具有不同養(yǎng)分富集優(yōu)勢（富氮或富磷）的水生植物研究較少。由于種植作物種類和施肥習(xí)慣不同，不同區(qū)域徑流養(yǎng)分狀況不同。針對不同營養(yǎng)程度水體，難以具體地提出養(yǎng)分高效富集的水生植物配置。最后，匯集養(yǎng)分的水體狀況也存在差異。雖然水生植物在流失養(yǎng)分富集工程應(yīng)用中已有一定的成效，但其吸附效果仍然受水體深度、沉積物、溫度等因素的影響，目前有關(guān)此方面的研究尚缺乏系統(tǒng)的報道。針對農(nóng)田流失養(yǎng)分周年高效富集的水生植物配置仍有待更深入的研究。

第三，除草劑問題。工程實踐中發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田除草劑使用對水體中水生植物生長影響巨大，主要表現(xiàn)在水稻生長初期，除草劑進入水體造成水生植物生長受抑制或死亡。周俊等（2008）報道，部分水生植物對農(nóng)藥具有一定的去除效果。如何控制水體中除草劑濃度或篩選水生植物不敏感的除草劑將是實現(xiàn)農(nóng)田流失養(yǎng)分再利用迫切需要解決的問題。

第四，水生植物打撈成本高，養(yǎng)分再利用效率低。水生植物人工收獲用工量大、效率低，是其充分利用的瓶頸，迫切需要研發(fā)小型打撈及粉碎一體化設(shè)備。另外，由于水生植物含水量極高，達90%以上，而水生植物吸收的氮絕大部分分布在可溶性組分（細胞質(zhì)液和液泡溶液）中，占總吸收量的96%以上，主要以可溶性蛋白質(zhì)（包括酶）、多肽和游離氨基酸等形態(tài)存在，因此易于流失（沈根祥等，2005，杜靜等，2010）。如何減少水生植物在利用過程中的養(yǎng)分損失也是需要重點研究的內(nèi)容。

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Research Progress on Field Nutrient Loss and Its Uptake and Reuse by Aquatic Plants

SHENG Jing, WANG Zichen, ZHU Puping, CHEN Liugen, ZHENG Jianchu
Institute of Agricultural Resource and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Science, Nanjing 210014, China

Nutrient discharge from field is one of the important reasons for water eutrophication.The agricultural non-point source pollution is becoming more and more widespread concern.In view of the agricultural non-point source pollution control, reducing the fertilizer input from the source is considered as the most fundamental measure to control the agricultural non-point source pollution.However, because the farmers do not pay enough attention to the environment, at present it is difficult to achieve chemical fertilizer reduction.There are still a lot of nutrients discharged into farmland, hence how to reduce the loss of farmland nutrients into the rivers and lakes is a serious problem needed to be solved urgently.It has been proved that the utilization of aquatic plants which enrich nutrients lost from field is an effective and feasible measure for reducing nutrients into water body.The research of field nutrient loss and its uptake and reuse by aquatic plants in recent years was summarized in this review.It first introduced the characteristics and influencing factors of farmland nutrient loss; then described two aspects of research progress, including aquatic plants enriching nutrients lost from field and the utilization of aquatic plants as organic fertilizers; and discussed the problems probably rising during the utilization of nutrients from agricultural runoff.Also, it prospected the future research directions.The aim of the review would be to provide the reference for the research and engineering practice of agricultural non-point source pollution terminal control in the Yangtze river delta area.

field; runoff nutrients; aquatic plants; resource utilization; non-point pollution

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.10.020

S181; X171.1

A

1674-5906（2016）10-1733-08

盛婧, 王子臣, 朱普平, 陳留根, 鄭建初.2016.農(nóng)田養(yǎng)分流失及水生植物吸收再利用研究進展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 25(10): 1733-1740.

SHENG Jing, WANG Zichen, ZHU Puping, CHEN Liugen, ZHENG Jianchu.2016.Research progress on field nutrient loss and its uptake and reuse by aquatic plants [J].Ecology and Environmental Sciences, 25(10): 1733-1740.

國家支撐計劃項目（2012BAD14B12）

盛婧（1978年生），女，研究員，博士，主要從事生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)方面的研究。E-mail: nkysj@hotmail.com

2016-07-28