不同构造生态沟渠的农田面源污染物处理能力及实际应用效果

生态与农村环境学报2019，35（6）：787-794JournalofEcologyandRuralEnvironment不同构造生态沟渠的农田面源污染物处理能力及实际应用效果刘福兴1，陈桂发1，付子轼1，杨林章2，王俊力1①（1.上海市农业科学院/上海低碳农业工程技术研究中心，上海201403；2.江苏省农业科学院，江苏南京210014）摘要：比较研究同一规格（深1.30m）、不同构造〔植被（E草）、沸石填料（E填）和沟底植被+沸石填料（E草+填）〕的3种生态沟渠在模拟动态进水条件下对农田面源铵态氮（NH4+⁃N）、总氮（TN）、总磷（TP）和悬浮物（SS）等主要污染物的去除效率，并分析采用沟底植被与沸石填料的生态沟渠对模拟降雨径流的实际拦截净化效果。结果表明，在进水污染物ρ（NH4+⁃N）为0.17~1.23mg·L-1，ρ（TN）为0.86~6.13mg·L-1，ρ（TP）为0.11~0.24mg·L-1，ρ（SS）为24.0~70.0mg·L-1条件下，3种构造生态沟渠对NH4+⁃N、TN、TP和SS的去除效率均达到50%以上，其中生态沟渠E草+填对污染物的去除效率最高，NH4+⁃N、TN、TP和SS的总平均去除效率均超过70%，稳定性也相对较强。沟渠中ρ（TN）和ρ（TP）随迁移距离呈指数递减趋势。模拟生态沟渠对降雨径流氮磷去除效率研究结果表明，110m长的沟底植被与沸石填料生态沟渠在进水污染物低浓度条件下对TN的最终处理效果较好，而在进水污染物高浓度条件下对TP的处理效果较好。在实际应用时，建议因地制宜地选择不同构造的生态沟渠，可进一步提高生态沟渠的拦截净化能力。关键词：生态沟渠；农田排水；总氮；总磷；去除效率中图分类号：X524；S19文献标志码：A文章编号：1673-4831（2019）06-0787-08ComparisononEffectsofPracticalApplicationofEcologicalDitchesWithDifferentConstructioninTreatingAgriculturalNon‑PointPollutants.LIUFu‑xing1，CHENGui‑fa1，FUZi‑shi1，YANGLin‑zhang2，WANGJun‑li1①（1.ShanghaiAcademyofAgriculturalScience/ShanghaiEngineeringResearchCenterofLow⁃CarbonAgriculture，Shanghai201403，China；2.JiangsuAcademyofAgriculturalScience，Nanjing210014，China）Abstract：Inordertounderstandhowecologicalditches，sameindepth（1.30m）anddifferentinconstructions（grass，fillers，grassandfillers），canreducemainagriculturalnon⁃pointsource（NPS）pollutantsunderthesamecondition，pol⁃lutantsremovalefficiencywereevaluatedunderdynamicinflowconcentration［ρ（NH4+⁃N）=0.17-1.23mg·L-1，ρ（TN）=0.86-6.13mg·L-1，ρ（TP）=0.11-0.24mg·L-1andρ（SS）=24.0-70.0mg·L-1］.Andtheeffectsofpracticalapplicationofecologicalditchwerealsoanalyzed.Resultsshowthat，allthethreekindofecologicalditcheswerequitehighinNPSpollutantsremovalefficiency（50%），regardlessofthedifferenceinconstruction.Ditchwithgrassandfillershadthehighestpollutantremovalefficiency.Themeanammonianitrogen（NH4+⁃N），totalnitrogen（TN），totalphosphorus（TP）andsuspendedsubstance（SS）removalratesoftheditchwereallhigherthan70%，andwithrelativelyhighstability.TheconcentrationsofTNandTPintheditchweredecreasedexponentiallyalongwithdistance.Insimulatedrainfallrunoffex⁃periment，thefinalTNremovaleffectoftheactual110mecologicalditchwashigherunderthelowinflowTNconcentra⁃tion，whileTPremovaleffectwashigherunderthehighinflowTPconcentration.ThisresearchisexpectedtobeofgreatpracticalguidingsignificancetothecontrolofagriculturalNPSpollution.Keywords：ecologicalditch；farmlanddrainage；totalnitrogen；totalphosphorus；removalefficiencyDOI：10.19741/j.issn.1673-4831.2018.0818刘福兴，陈桂发，付子轼，等.不同构造生态沟渠的农田面源污染物处理能力及实际应用效果［J］.生态与农村环境学报，2019，35（6）：787-794.LIUFu⁃xing，CHENGui⁃fa，FUZi⁃shi，etal.ComparisononEffectsofPracticalApplicationofEcologicalDitchesWithDifferentConstructioninTreat⁃ingAgriculturalNon⁃PointPollutants［J］.JournalofEcologyandRuralEnvironment，2019，35（6）：787-794.收稿日期：2018-12-10基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07101-004）；上海市农业科学院学科领域建设专项①通信作者E⁃mail：[e-mail]生态与农村环境学报第35卷··农田排水沟渠是农田灌排单元的重要组成部分［1］，是农田面源污染物的最初汇集地和向下游水体迁移的重要通道，对下游水体环境有着重要影响［2］。与传统水泥排水沟渠相比，生态沟渠由带栽植孔的水泥渠体以及基质和植物组成，能够减缓流速，促进颗粒物沉淀，有利于污染物的吸收拦截，实现污染物的生态拦截［3］。生态沟渠为农业面源污染防控4R〔源头减量（reduce）-过程阻断（retain）-养分再利用（reuse）-水体修复（restore）〕技术体系中“过程阻断”环节的重要技术［4］，在全国范围内被广泛应用。生态沟渠作为一种特殊的湿地生态系统，其内部环境条件能够使植物维持较好生物稳定性［5］。生态沟渠对农田径流氮磷也有较好拦截效果，研究表明，动态进水条件下生态沟渠氮和磷去除率分别为35.7%和41.0%［6］，甚至可达74.1%和68.6%［7］；静态进水条件下则分别为58.2%和84.8%［6］，不同构造生态沟渠对氮磷的去除率均能分别超过40%和50%［5，8-9］。但是生态沟渠构造类型会影响其对污染物的拦截效率，加之农田面源污染物浓度具有较大变异性，因此亟需系统研究生态沟渠构造组成对污染物削减效果及其稳定性的影响，寻求生态沟渠最优配置。刘福兴等［10］对太湖流域平原河网区常用的0.80、1.05和1.30m3种深度的生态沟渠对农业面源污染物的去除效率进行研究，发现1.30m深的生态沟渠去除效率较高，耐冲击负荷能力也较强。沸石是一种架状构造的含水硅酸盐矿物，其内部存在大量有序排列、大小均匀、彼此贯通并与外界相连的空穴和孔道，具有良好的吸附性能［11］。结合已有工作基础［10］，采用1.30m深生态沟渠，通过模拟农田面源尾水，比较植被（E草）、沸石填料（E填）以及采用沟底植被与沸石填料（E草+填）3种构造生态沟渠在动态连续进水条件下对铵态氮（NH4+⁃N）、总氮（TN）、总磷（TP）和悬浮物（SS）的去除效率，并分析采用沟底植被与沸石填料的生态沟渠对农田降雨径流中氮磷的处理效果，以期为生态拦截技术应用提供设计参考，提高生态沟渠对农业面源（尤其是种植业面源）污染物拦截净化效果。1材料与方法1.1研究区概况试验地点为上海市农业科学院庄行综合试验基地（30°53'N，121°23'E）生态沟渠实验区。研究区属亚热带季风气候区，多年平均降水量为1192mm，蒸发量为1237mm，年均温为16.1°C。全年日照时数为1900h，无霜期为224d。1.2试验设计1.2.1不同构造生态沟渠处理效果试验生态沟渠采用同一规格，渠深为1.30m，长度为90m，沟壁为带孔预制板，孔内种植狗牙根（Cyn‑odondactylon）。通过改变沟底填料和植被，设计3种不同构造的生态沟渠：（1）植被生态沟渠，在沟底种植密度为45株·m-2的常绿苦草（Vallisneriana‑tans），常绿苦草购自上海海洋大学，该品种生物量小，无需收割；（2）填料生态沟渠，填料为粒径为4~6cm的沸石，采用网带装填后置于沟底，装填厚度为0.4m，以便于回收清洗；（3）植被与填料生态沟渠，综合上述2种沟渠配置，在沟底同时种植常绿苦草，铺设沸石填料。试验开始前，生态沟渠稳定一段时间并对水量进行调试（图1）。于2013年7月23日开始进行动态进水试验，持续时间为20d，试验期气温和降雨情况见图2。考虑到进水水质分布特征、处理效果、经济性以及表流湿地水力负荷［12］，确定沟渠表面水力负荷（N）为0.60m3·m-2·d-1，则水深为0.9m，进水流量（Q）为1.91m3·h-1，水力停留时间（HRT）为26.5h。试验进水根据研究区农田尾水氮磷浓度［13］，采用附近河道水加尿素和KH2PO4配置，进水ρ（TN）为0.86~6.13mg·L-1，ρ（TP）为0.11~0.24mg·L-1。采样点分别设置在进水（1#）、22.5m（2#）、45.0m（3#）、67.5m（4#）和出水（5#）处（图1）。试验最初2d和最后4d每天采集1次水样，其他时间间隔1d采样1次。1.2.2生态沟渠实际处理效果试验为研究生态沟渠的实际处理效果，于2013年8月5日开展采用沟底植被与沸石填料的生态沟渠处理农田降雨径流的模拟试验。该试验所用生态沟渠断面结构与不同构造生态沟渠处理效果试验相同，总长为110m，其他规格见图3。采样点分别设置在进水（1*）、填料1后（2*）、填料2后（3*）、填料3后（4*）和出水（5*）处（图3）。模拟的1次降雨过程进水采用附近河道水加尿素和KH2PO4配置，水深维持在0.9m，Q为1.95m3·h-1，HRT为28.8h，该流量相当于30mm的日降雨量，属于大雨级别。试验持续时间为09：30—14：00，为使模拟降雨径流氮磷浓度符合实际，设置3个进水时段：（1）09：30—10：10为高浓度进水时段，进水ρ（TN）为6.73~7.38mg·L-1，ρ（TP）为0.54~0.67mg·L-1，采样间隔10min；（2）10：10—11：40为中浓度进水时段，进水ρ（TN）为3.82~4.97mg·L-1，ρ（TP）为0.40~0.49mg·