（湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410007）

引言

新中國(guó)成立以來(lái)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各行各業(yè)飛速進(jìn)步，人民生活水平不斷提高，社會(huì)安定人民幸福。生態(tài)環(huán)境的改善卻悄然落后，生態(tài)問(wèn)題不斷顯現(xiàn)，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題帶來(lái)的影響被人們低估。俗話說(shuō)“民以食為天”，農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展是人民幸福安康社會(huì)和諧穩(wěn)定發(fā)展的基石。農(nóng)業(yè)用水方式粗放，化肥大量使用以及生產(chǎn)生活污水的不規(guī)范排放導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境開(kāi)始惡化且逐漸加重。

十九大以來(lái)，對(duì)于環(huán)境保護(hù)、環(huán)境治理方面逐漸重視起來(lái)。習(xí)近平主席指出：讓良好生態(tài)環(huán)境成為人民生活的增長(zhǎng)點(diǎn)、成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)健康發(fā)展的支撐點(diǎn)、成為展現(xiàn)我國(guó)良好形象的發(fā)力點(diǎn)，讓中華大地天更藍(lán)、山更綠、水更清、環(huán)境更優(yōu)美。水污染問(wèn)題普遍存在且不易治理，建設(shè)生態(tài)溝渠，實(shí)現(xiàn)自然凈化，避免二次污染，可以有效地改善水生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)“水更清”的目標(biāo)?！扒嗌骄G水就是金山銀山”，生態(tài)環(huán)境的健康與和諧是人們的期盼。

國(guó)家逐漸重視農(nóng)村問(wèn)題，為貫徹落實(shí)習(xí)總書(shū)記的指示，國(guó)家18 個(gè)部門(mén)聯(lián)合行動(dòng)，依照《農(nóng)村人居環(huán)境整治三年行動(dòng)方案》進(jìn)行部署，關(guān)注農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生問(wèn)題，全國(guó)范圍內(nèi)集中進(jìn)行農(nóng)村居民環(huán)境治理工作，改善農(nóng)村環(huán)境，提升農(nóng)村村容村貌，并起草制定了《農(nóng)村人居環(huán)境整治村莊清潔行動(dòng)方案》，把“三清一改”作為工作的重心，其中就包括溝渠治理方面的內(nèi)容。

生態(tài)溝渠的建設(shè)有利于加快振興農(nóng)村生態(tài)建設(shè)，同時(shí)也是解決農(nóng)村面源污染嚴(yán)重問(wèn)題及打造農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要途徑。生態(tài)溝渠是指由水生環(huán)境和土壤環(huán)境組成，具有一定規(guī)模的獨(dú)特結(jié)構(gòu)并能有效發(fā)揮生態(tài)功能的農(nóng)田溝渠生態(tài)系統(tǒng)，也被稱為農(nóng)田溝渠濕地生態(tài)系統(tǒng)。本文通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)，從生態(tài)溝渠污染物去除機(jī)理、治理研究現(xiàn)狀及生態(tài)溝渠管護(hù)三方面對(duì)生態(tài)溝渠綜合治理研究進(jìn)行綜述。

1 生態(tài)溝渠作用機(jī)理及研究現(xiàn)狀

1.1 生態(tài)溝渠去除機(jī)理研究

氮磷的去除一般來(lái)講主要通過(guò)植物吸收、截留沉降、生態(tài)吸附以及微生物作用四個(gè)方面。氮素主要以氨氮、硝酸鹽氮及有機(jī)氮的形式存在。磷素主要以溶解態(tài)和吸附態(tài)的形式存在[1]。

1）植物吸收

生態(tài)溝渠中的植物通過(guò)物理、生物及化學(xué)作用結(jié)合可吸收水體中8%～16%的氮[2]。無(wú)機(jī)氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育必不可少的物質(zhì)，可被植物直接吸收利用，參與植物生長(zhǎng)發(fā)育，植物吸收利用后將植物進(jìn)行收割可有效去除[3]；有機(jī)氮在堿性的水體條件下，可以吸附在土壤表層，同時(shí)在微生物的胺化作用及礦化作用下轉(zhuǎn)化為氨氮。植物同樣可去除水體中的磷，植物通過(guò)根部吸收溶解態(tài)的無(wú)機(jī)磷，此時(shí)根部底泥與水體之間產(chǎn)生磷濃度梯度差，促進(jìn)磷從水體向底泥遷移，達(dá)到降低水體磷濃度的效果。有機(jī)磷則需要在微生物作用下轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷后被植物吸收利用。

2）截留沉降

自身的特殊結(jié)構(gòu)及溝渠中的植物系統(tǒng)組成生態(tài)攔截型溝渠，能使水流速度降低，增加水力滯留時(shí)間，促進(jìn)流動(dòng)中的懸浮物質(zhì)及顆粒物沉積，同時(shí)水生植物及溝渠土壤對(duì)水體中污染物質(zhì)進(jìn)行吸附、交換等作用，有效攔截污染物質(zhì)的擴(kuò)散及遷移。

3）生態(tài)吸附

生態(tài)吸附主要通過(guò)溝渠基質(zhì)底泥及溝渠中沉淀物質(zhì)等吸附溝渠中還原態(tài)氨氮。吸附過(guò)程前期作用效果明顯，伴隨水體中氨氮濃度的降低，吸附作用逐漸減弱，達(dá)到吸附平衡。水體中氨氮濃度發(fā)生變化，平衡被打破，逐漸形成新的平衡。通過(guò)生態(tài)吸附方式可有效去除氨氮，但吸附平衡存在，除氮效果有限。吸附作用是溝渠去除磷的重要方式，在非堿性條件下，溶解態(tài)的無(wú)機(jī)磷可與一些高價(jià)陽(yáng)離子如三價(jià)鐵、三價(jià)鋁等互相吸附并形成磷酸鐵和磷酸鋁沉淀[4]；而在堿性條件下，磷可與鈣離子發(fā)生吸附作用形成磷酸鈣并產(chǎn)生沉淀。然而這種沉淀并不穩(wěn)定，隨著水體中磷濃度降低，小部分磷會(huì)重新回到水體之中，即當(dāng)吸附達(dá)到飽和時(shí)，可能會(huì)因釋放出去的磷形成二次污染，但總體來(lái)講，仍可有效降低水體中磷含量[5]。

4）微生物作用

溝渠中存在大量水生植物，植物根系發(fā)育，根莖網(wǎng)絡(luò)大面積分布。植物的呼吸作用及光合作用可使植物根莖周?chē)a(chǎn)生有氧環(huán)境和厭氧環(huán)境。有氧環(huán)境條件下可使微生物進(jìn)行硝化作用，厭氧環(huán)境下進(jìn)行反硝化作用，兩種作用的存在促進(jìn)微生物吸收轉(zhuǎn)化氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，大大降低環(huán)境中氮磷污染水平。微生物作用有效去除的氮素與總氮的比值可達(dá)到80%以上。微生物同樣對(duì)磷產(chǎn)生作用，有氧條件下，好氧微生物將有機(jī)磷和難溶的無(wú)機(jī)磷吸附轉(zhuǎn)化為可溶的無(wú)機(jī)磷，進(jìn)而通過(guò)植物吸收、吸附沉降等作用降低水體中磷濃度[6]；厭氧微生物可將過(guò)量累積的結(jié)合態(tài)磷轉(zhuǎn)化為可吸收利用的溶解態(tài)磷。

1.2 生態(tài)溝渠污染物治理研究

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生態(tài)溝渠進(jìn)行了廣泛的研究，研究?jī)?nèi)容大多主要集中在溝渠去除氮磷效果方面。西方國(guó)家研究起步早，并取得諸多成果，我國(guó)起步較晚于國(guó)外，但同樣取得了許多十分有意義的成果。Jan H.Janse 等對(duì)溝渠富營(yíng)養(yǎng)化程度展開(kāi)了研究，結(jié)果表明超過(guò)一定的營(yíng)養(yǎng)閾值會(huì)導(dǎo)致缺氧條件，生物多樣性和溝渠的農(nóng)業(yè)功能受到阻礙[7]。David V.Calvert 等研究了蔬菜農(nóng)場(chǎng)和柑橘林排水渠水質(zhì)的時(shí)空變化并得出重要結(jié)論，土壤中養(yǎng)分和重金屬的積累以及施肥方式對(duì)相鄰排水溝水質(zhì)有顯著影響，排水溝的水質(zhì)會(huì)隨季節(jié)而變化[8]。

后來(lái)姜翠玲等學(xué)者從水體和底泥中有機(jī)質(zhì)時(shí)空分布規(guī)律、溝渠濕地對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物的凈化能力及溝渠中凈水植物對(duì)氮磷的吸收及二次污染防治等方面做了系統(tǒng)的研究，為溝渠清淤及溝渠生態(tài)環(huán)境治理領(lǐng)域提供了理論依據(jù)[9～11]。有學(xué)者選用生態(tài)溝渠、混凝土溝渠和土質(zhì)溝渠三種溝渠比較其氮磷等污染物的攔截效果，研究結(jié)果顯示，污染物去除率生態(tài)溝渠明顯高于其他溝渠[12]。王巖等人認(rèn)為生態(tài)溝渠去除氮磷物質(zhì)的機(jī)理主要體現(xiàn)在水生植物的吸收利用、溝渠基質(zhì)的吸附和溝渠攔截壩導(dǎo)致的水流速度降低和泥沙沉積等方面[13]。生態(tài)溝渠的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，人們對(duì)于其重視程度提高。浙江杭嘉湖區(qū)域養(yǎng)豬場(chǎng)結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r試驗(yàn)生態(tài)溝渠中盤(pán)培牧草去除養(yǎng)豬場(chǎng)廢水中重金屬的效果，選出多種牧草中盤(pán)培高羊茅對(duì)廢水中重金屬污染物去除效果最好[14]。至2011 年，蘇州、常州等太湖流域城市廣泛推廣應(yīng)用生態(tài)攔截工程，主要攔截農(nóng)田系統(tǒng)流失的氮磷等物質(zhì)[15]。同年陶玲等人借助固著藻類(lèi)反應(yīng)器原理設(shè)計(jì)構(gòu)建了生態(tài)溝渠，研究了生態(tài)溝渠恢復(fù)水溶氧的能力及深度凈化水體的效果，結(jié)果表明基于固著藻類(lèi)反應(yīng)器的生態(tài)溝渠對(duì)改善人工濕地出水溶氧率低的情況有積極改善作用[16]。徐秀玲等人通過(guò)室內(nèi)水培試驗(yàn)和室外池體小區(qū)試驗(yàn)研究了上海市集中常見(jiàn)的水生植物吸收氮磷的特征，并通過(guò)合理搭配混合種植水生植物，構(gòu)建生態(tài)溝渠，監(jiān)測(cè)降雨前后水體中氮磷的變化，按去除率由低到高排序總磷、總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的去除率分別為30.2%、45.1%、44.7%和50.8%，表明水生植物可有效降低水體中氮磷含量，凈化水體[17]。何元慶等學(xué)者以珠海市上洲村稻田系統(tǒng)為例，結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r提出來(lái)一種生態(tài)溝渠人工濕地構(gòu)建技術(shù)，并完成了示范工程建設(shè)和防治效果評(píng)價(jià)[18]。張樹(shù)楠等人對(duì)不同水生植物狀態(tài)下溝渠的底泥屬性及吸附特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)銅線草底泥對(duì)磷的吸附能力最強(qiáng)，分析得出底泥屬性對(duì)磷吸收性能具有顯著關(guān)系。由此可見(jiàn)，水生植物及底泥對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素吸附能力均有影響，在溝渠建設(shè)中選取適合的水生植物對(duì)降低磷流失風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義[19]。王鶴立等人發(fā)現(xiàn)獨(dú)立的生態(tài)處理技術(shù)對(duì)處理氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沒(méi)有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因此研究建立多級(jí)溝渠塘堰濕地組合的可行性，并將研究成果投入使用，該生態(tài)處理系統(tǒng)下次降雨量157 mm 的坡地凈流處理中，氮磷等指標(biāo)均能滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)踐證明，組合建設(shè)工程能有效強(qiáng)化系統(tǒng)的復(fù)氧，提高氮磷去除率[20]。郭志偉等人將生態(tài)溝渠與穩(wěn)定塘結(jié)合處理山區(qū)農(nóng)村生活污水，系統(tǒng)出水水質(zhì)可達(dá)城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)建造靈活、無(wú)需動(dòng)力條件、運(yùn)行成本低廉，在山區(qū)農(nóng)村具有一定的推廣和使用價(jià)值[21]。為進(jìn)一步完善生態(tài)溝渠理論體系，王令等人從不同的水生植物搭配方式、水力停留時(shí)間以及微生物三個(gè)方面探究了生態(tài)溝渠對(duì)鄉(xiāng)村日常污水的凈化效果，結(jié)果表明水力停留時(shí)間存在區(qū)間差異，在其優(yōu)化區(qū)間內(nèi)，總氮總磷的凈化率隨停留時(shí)間延長(zhǎng)而增大，最優(yōu)水力停留時(shí)間為5 天，出水可滿足地表水Ⅳ、Ⅴ類(lèi)功能水域及一般流域的水污染控制要求。生物量的影響對(duì)氮磷凈化效果不同，除氮效果受生物量影響更為明顯。不同水生植物在生物量差異不明顯的狀況下，挺水植物與沉水植物共同栽種模式凈化氮磷效率高于單一植物種植[22]。

孫璇等人將海綿城市理念與生態(tài)溝渠模式相結(jié)合，從不同水力負(fù)荷、生態(tài)溝渠基質(zhì)、溝渠覆蓋植被類(lèi)型和污染物含量等方面對(duì)營(yíng)養(yǎng)污染物質(zhì)去除效果進(jìn)行研究，結(jié)果顯示生態(tài)溝渠對(duì)污水中磷的去除效率極高，去除率達(dá)95.4%，對(duì)其中氮的去除率為48.4%。這一研究成果為我國(guó)海綿城市及生態(tài)溝渠建設(shè)提供了參考及借鑒意義[23]。甘曼琴等對(duì)稻田氮磷流失的途徑，以及降雨、秸稈還田、施肥等影響因素進(jìn)行分析，綜述了養(yǎng)分管理、水分管理、生態(tài)攔截、農(nóng)田尾水回用等稻田氮磷流失控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，提出應(yīng)探索稻田氮磷流失源頭控制和末端管控機(jī)制，加強(qiáng)生態(tài)攔截技術(shù)優(yōu)化配置與性能研究[24]。

1.3 生態(tài)溝渠管護(hù)研究

早先人們對(duì)溝渠的管理注重于溝渠對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益的影響。20 世紀(jì)末生態(tài)保護(hù)概念興起，人們意識(shí)到溝渠在生態(tài)環(huán)境中能夠起到的重要作用。隨之誕生諸多溝渠管理方法，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，現(xiàn)如今最有效且使用最廣泛的是以控制面源污染負(fù)荷，保護(hù)農(nóng)田生態(tài)、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力及改善水質(zhì)為重心的美國(guó)的“最佳管理措施”。南卡羅來(lái)納州特意提出要減少溝渠清淤疏浚的次數(shù)，因?yàn)樵跍锨茏o(hù)之后會(huì)導(dǎo)致溝渠內(nèi)可溶性磷釋放量增加，造成嚴(yán)重污染。

目前，西方發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究發(fā)展已具有較為完備的溝渠管護(hù)方案，研究成果豐富。而我國(guó)在此領(lǐng)域研究涉及較少，適應(yīng)我國(guó)實(shí)際情況的生態(tài)溝渠管護(hù)方案仍待開(kāi)展更多相關(guān)研究。

2 結(jié)語(yǔ)

生態(tài)溝渠可以有效控制農(nóng)業(yè)面源污染的擴(kuò)散，維持農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和諧穩(wěn)定，保障食品質(zhì)量安全。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展大量研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)溝渠去除氮磷污染物有以下四種主要途徑：植物吸收、截留沉降、生態(tài)吸附以及微生物作用，四種方法均可有效去除水體中氮磷污染物。并通過(guò)理論與實(shí)際相結(jié)合成功建立了生態(tài)溝渠濕地模型，為完善生態(tài)溝渠建設(shè)技術(shù)及理論體系作出諸多貢獻(xiàn)。

生態(tài)溝渠建設(shè)及治理研究成果逐漸豐滿，但生態(tài)溝渠體系復(fù)雜，仍有值得改進(jìn)完善的地方。水生植物及溝渠基質(zhì)吸收轉(zhuǎn)化污染物質(zhì)，植物收割和溝渠清淤疏?？捎行мD(zhuǎn)移污染物質(zhì)，收割的植物及清淤的底泥是極好的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，但直接利用將造成二次污染，如何將其進(jìn)行合理的處理及回收利用值得研究。溝渠管理養(yǎng)護(hù)方面，國(guó)外一些國(guó)家已具有較為完善的溝渠管理方案，而我國(guó)生態(tài)溝渠研究開(kāi)展較晚，在此方面略有不足，需加強(qiáng)生態(tài)溝渠管理養(yǎng)護(hù)方向的研究，提出適應(yīng)我國(guó)農(nóng)業(yè)情況的溝渠管理方案。