摘 要：本文以長沙縣北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的典型農(nóng)區(qū)為研究對象，通過監(jiān)測農(nóng)業(yè)徑流污染的生態(tài)示范溝渠水質(zhì)，分析了生態(tài)溝對農(nóng)業(yè)徑流氮污染遷移攔截作用及其季節(jié)性變化特征。研究結(jié)果顯示，生態(tài)溝對農(nóng)業(yè)污水中的氮素具有較好的攔截效果，全年對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮的總攔截量分別為3 8070.8、35095.5和110341.1g，其中對銨態(tài)氮的攔截效果最好，最高攔截率可達99%，平均攔截率為86%?？梢?，生態(tài)溝渠對農(nóng)區(qū)地表徑流中氮素遷移有較好的攔截作用，可作為一項重要的農(nóng)業(yè)面源氮污染防控技術。

關鍵詞：農(nóng)業(yè)污水 分散式養(yǎng)殖 生態(tài)溝渠 氮素攔截

中圖分類號：S274 TV93 X522 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082 （2017） 04-0212-02

生態(tài)溝是指具有一定寬度和深度，主要由水、土壤和水生植物組成，具有自身獨特結(jié)構(gòu)并發(fā)揮相應生態(tài)功能的農(nóng)田溝渠生態(tài)系統(tǒng)，也稱之為農(nóng)田溝渠濕地生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)溝作為人工濕地的一種類型，對農(nóng)業(yè)面源污染中氮磷遷移具有較好的效果，其去除氮、磷的機理是通過底泥吸附和沉降、植物吸收、微生物硝化-反硝化作用等協(xié)同作用達到去除污染物的目的[1]，生態(tài)溝系統(tǒng)中物理、化學及生物的協(xié)同作用以及水生植物輸氧系統(tǒng)形成的根區(qū)效應是提高農(nóng)業(yè)污染物處理效果的重要保證[2]。

目前研究生態(tài)溝對農(nóng)業(yè)面源污染物遷移攔截效率成為我國的研究領域關注的熱點之一，生態(tài)溝種植水生植物對污染物的去除有較好的效果[3-5]。生態(tài)溝系統(tǒng)中的水生植物不僅能有效吸收污水中營養(yǎng)物質(zhì)，同時有的植物種類對污水中的重金屬等有害物質(zhì)具有吸附、吸收和富集作用[6]。另外，水生植物還可降低水流速度，增加水體顆粒物沉降速度，改變沉積物的分布與理化特性，進而減緩養(yǎng)分在溝渠中運輸，加速氮、磷界面交換和傳遞，增加對流經(jīng)水體中養(yǎng)分的攔截效應[7]，此外，選擇水生植物種類時考慮種類間合理搭配，形成優(yōu)勢互補，可以有效提高對污染物的攔截效率。

本文通過溝渠水體中氮含量的時間變化特征，分析了生態(tài)溝對氮污染物的攔截效應，以期為生態(tài)溝渠技術在面源污染的地區(qū)推廣應用提供理論依據(jù)和合理建議。

一、材料與方法

1.研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于金井河流域（113°18'～113°26'E，28°30'～28°39' N），該流域面積為144 km2，主要分布在湖南省長沙縣金井鎮(zhèn)。當?shù)貙儆趤啛釒Ъ撅L氣候，為典型的江南丘陵地貌，成土母質(zhì)主要是花崗巖。年平均氣溫在16.5～20.5℃之間，極端最低氣溫為-5.2℃，極端最高氣溫為39.1℃，≥10℃的有效積溫6539 ℃；年平均降雨量1389 mm，降雨多集中在4～6月，占全年降雨的76%。

試驗于金井鎮(zhèn)脫甲村的一條生態(tài)溝渠進行，該溝于2009年初建成，2011年重新改建，至今已運行了4年，該溝渠為城郊農(nóng)業(yè)區(qū)環(huán)境質(zhì)量修復與功能提升技術研究示范項目基地，是四周農(nóng)田徑流、農(nóng)戶養(yǎng)殖廢水和日常生活用水的匯水之地，溝渠上口寬4米，下口寬2米，長200米，溝壁由混泥土材料建成，溝渠從上到下分別分為15個植物區(qū)，每個植物區(qū)長約13.3 m×寬2 m，植物區(qū)之間有梯度差并用水泥墩和波浪形擋板隔開，由上到下分別種有水生美人蕉、狐尾藻、梭魚草、銅錢草和黑三棱。該試驗區(qū)有農(nóng)戶20戶，生豬出欄量為200頭/年，主要以種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)為主，無水環(huán)保設施。非降雨期生態(tài)溝渠中的水主要來源于農(nóng)業(yè)污水和農(nóng)民生活用水。

2.樣品采集與分析方法

從2013年1月到12月，每個月分別在該生態(tài)溝的進水口和出水口取水樣，水樣運回實驗室后，盡快分析，來不及分析的樣品迅速放入-20℃冰箱中冷凍起來。分析指標包括銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮、磷酸鹽和總磷。水樣過0.45 μm濾膜后，直接用流動分析儀測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮；總氮用堿性過硫酸鉀消解，流動分析儀測定；磷酸鹽用鉬銻抗分光光度法測定；總磷用過硫酸鉀消解，鉬銻抗分光光度法測定。

3.數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)用2003版Excel和SPSS 17.0 進行計算和統(tǒng)計分析。

二、結(jié)果與分析

1.生態(tài)溝進、出水中不同形態(tài)氮濃度變化特征分析

生態(tài)溝進水銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮濃度受降雨、農(nóng)田灌溉、氣溫等外界因素影響較大。從表1中可以看出，5-8月份生態(tài)溝基流流量比其他時間大，為當?shù)氐呢S水季節(jié)，而基流流量12月份最小，為枯水季節(jié)。

如圖1所示，一年中進水銨態(tài)氮濃度變化范圍為0.18～1.36 mg/L，9月份最高達1.36 mg/L；出水的銨態(tài)氮濃度變化范圍為0.02～0.14 mg/L，顯著低于進水濃度（p<0.05），達Ⅰ類水質(zhì)標準，且無明顯的季節(jié)變化特征。

硝態(tài)氮進水濃度范圍為0.15～1.85 mg/L，有較明顯的季節(jié)變化特征，最低峰值在4月份，為0.15 mg/L，最高峰值出現(xiàn)在9月份，達1.85 mg/L，5～8月份之間變化幅度較小；出水濃度變化與進水濃度變化有相似規(guī)律，4月份濃度最低，最高峰值出現(xiàn)在2月份，且出水硝態(tài)氮濃度均小于進水濃度。

進水總氮濃度范圍為2.31～4.38 mg/L，均超過V類水質(zhì)標準（2 mg/L），具有較明顯的季節(jié)性變化特征，峰值出現(xiàn)在2月份和9月份，分別為4.32和4.38 mg/L，在5～8月份總體污染濃度較低，且變化幅度較小，可能該時間段內(nèi)當?shù)剡B續(xù)降雨使得污染物受到稀釋有關；出水濃度在1.03～2.37 mg/L之間，均低于進水濃度。

總的來看，研究區(qū)的生態(tài)溝對氮有明顯的攔截效應，出水的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮的濃度均低于進水的濃度。進水銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮濃度都在9月份達到最高值，主要原因可能與9月份正值水稻生長季節(jié)，稻田施加追肥使生態(tài)溝氮含量增加有關。

2.生態(tài)溝對氮的攔截特征分析

結(jié)合生態(tài)溝進出水濃度和當月的基流流量估算研究農(nóng)區(qū)隨徑流遷移進入生態(tài)溝的氮、磷量及其在生態(tài)溝中攔截量等數(shù)據(jù)見表2。

由表2可知，生態(tài)溝中銨態(tài)氮的月平均輸入量為3720.9 g，月平均攔截量為3712.6 g，攔截率在67～99%之間；硝態(tài)氮的月平均輸入量為6707.2 g，月平均攔截量為2924.6 g，平均攔截率為44%；總氮月平均輸入量為23756.2 g，月平均攔截量為9195.1 g，平均攔截率為42%。全年對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮的總攔截量分別為38070.8、35095.5和110341.1g。從無機氮的輸入量來看，硝態(tài)氮的輸入量大于銨態(tài)氮的，但是生態(tài)溝對銨態(tài)氮的攔截效果較明顯，全年的攔截率均在67%以上，最高去除率可達99%，平均去除率為86%，而對硝態(tài)氮的平均去除率僅為44%。從全年的基流流量情況可以看出，2013年5～8月份降雨較多，其中6、7月份生態(tài)溝對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮的攔截率都處于全年中的最低。全年12個月生態(tài)溝對氮素的攔截效果進行對比，在9月份總體上對氮的攔截率最好，可能原因與9月份溫度適宜、基流流量不大，水力停留時間長和在此期間對水生植物進行刈割帶走一部分氮有關，因為以上這些因素都會對生態(tài)溝中氮的去除率有較大影響[8-9]，而在豐水季節(jié)，由于基流流量大，水流速度大，停留時間短，生態(tài)溝對污染物的去除效果就會明顯變差（如6、7月份）。

本研究中生態(tài)溝對銨態(tài)氮的平均攔截率（86%）明顯高于硝態(tài)氮的（44%），與徐紅燈研究結(jié)果相似[10]。出現(xiàn)這種情況的的可能原因是：銨態(tài)氮去除路徑包括泥沙沉降、底泥吸附、植物吸收同化、微生物硝化作用和氨揮發(fā)，而硝態(tài)氮的去除以反硝化作用為主。硝化作用屬于耗氧反應，反硝化作用需要在厭氧環(huán)境下進行。在植物生長的季節(jié)，由于根際效應，植物輸送的氧氣根區(qū)周圍形成有氧環(huán)境，在促進硝化細菌進行硝化作用的同時抑制了反硝化作用的進行，硝化細菌把銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，使水體中的硝態(tài)氮含量不斷得到補充；在植物吸收方面，由于銨態(tài)氮帶正電荷，植物細胞膜外側(cè)帶負電荷，所以對銨態(tài)氮有更大的親和性，此外銨態(tài)氮可以作為植物合成氨基酸的最初原料，可以被直接吸收利用，而吸收硝態(tài)氮需要更多的能量和相關的酶參與才能轉(zhuǎn)化成銨態(tài)氮被植物利用[1]。因此就會出現(xiàn)生態(tài)溝對銨態(tài)氮的攔截效果比硝態(tài)氮好的結(jié)果。

三、結(jié)論

通過對研究結(jié)果進行分析，得出以下結(jié)論：2013年生態(tài)溝中出水氮濃度普遍低于進水濃度，生態(tài)溝對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮均有一定的攔截效應，全年對銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮的總攔截量分別為38070.8、35095.5和110341.1g；生態(tài)溝對銨態(tài)氮的攔截效率明顯大于硝態(tài)氮的，對銨態(tài)氮平均攔截率為86%。因此，生態(tài)溝渠可作為一項農(nóng)業(yè)面源污染的防控技術進行推廣。

參考文獻

[1]盧少勇，金相燦，余剛.人工濕地的氮去除機理[J].生態(tài)學報，2006，26（8）：2670-2677.

[2]吳曉磊.人工濕地廢水處理機理[J].環(huán)境科學，1995，16（3）：83-86.

[3]張樹楠，肖潤林，劉鋒，等.生態(tài)溝渠對氮、磷污染物的攔截效應[J].環(huán)境科學，2015，36（12）：4516-4522.

[4]孫映波，梅瑜，曹君喜，等.不同水生植物配置對河涌污水的凈化效果[J].生態(tài)環(huán)境學報，2011，20（6-7）：1123-1126.

[5]張來甲，葉春，李春華，等.沉水植物腐解對水體水質(zhì)的影響[J].環(huán)境科學研究，2013，26（2）：145-151.

[6]EllisJB，RevittDM，ShutesRBE，etal.Theperformanceofvegetatedbiofiltersforhighwayrunoffcontrol[J].Scienceofthe TotalEnvironment，1994，146-147：543-550.

[7]徐紅燈，席北斗，王京剛，等.水生植物對農(nóng)田排水溝渠中氮、磷的截留效應[J].環(huán)境科學研究，2007，20（2）：84-88.

[8]張婷婷，張建，楊芳，等.溫度對污水脫氮系統(tǒng)污染物去除效果及氧化亞氮釋放的影響[J].環(huán)境科學，2012，33（4）：1283-1287.

[9]張樹楠，肖潤林，余紅兵，等.水生植物刈割對生態(tài)溝渠中氮、磷攔截的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2012，20（8）：1066-1071.

[10]徐紅燈.農(nóng)田排水溝渠對流失氮、磷的截留和去除效應[D].北京：北京化工大學碩士學位論文，2007.

作者簡介：楊鳳飛（1987-），碩士，助教，研究方向：農(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)境修復。