李海波+呂學東+王洪+等

摘要：在闡述稻田退水氮磷面源污染嚴重性及溝渠結構與功能的基礎上，分析了溝渠底泥吸附、植物吸收、微生物分解和協(xié)同作用等主要凈化機理，探討了溝渠植物種類選取、溝渠基質類型篩選、溝渠結構的合理設計以及充分利用毗鄰生態(tài)單元構建生態(tài)處理系統(tǒng)4種溝渠改造措施，指出在溝渠工程化建設的同時宜采用人工強化技術，可有效增強溝渠生態(tài)與服務功能；從生態(tài)學及景觀生態(tài)學角度，提出生態(tài)攔截型溝渠、溪流式接觸氧化溝渠、多級消減溝渠等3種新型生態(tài)型溝渠的應用。建議在溝渠的改造、利用、管理上要實施合理的監(jiān)管制度，對新型溝渠的建設相關部門要出臺相關法律法規(guī)及設計規(guī)范；同時，在理論研究的基礎上進行實驗室模擬分析，為實踐工程提供數據支撐及科學指導。

關鍵詞：稻田退水；溝渠系統(tǒng)；農業(yè)面源污染；生態(tài)溝渠

中圖分類號：X703；X71；S511 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）20-4985-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.016

Strengthening Measures and Applications of Paddy Fields Drainage Ditch for Nitrogen and Phosphorus Removal： A Review

LI Hai-bo1，LV Xue-dong2a，2b，WANG Hong2b，WANG Xin2b，LI Ying-hua1，JI Xian-chao2b

（1.College of Resources and Civil Engineering， Northeast University， Shenyang 110004， China；2.Shenyang University， a. Institute of Architectural Engineering， b.School of environment/Key Laboratory of Regional Environment and Eco-Remediation， Ministry of Education， Shenyang 110044， China）

Abstract： To improve the removal rate of pollutant and enhance the ecological function effectively， four strengthening measures were discussed， including species selection of ditch plant， filter type of ditch matrix， reasonable design of ditch structure and constructing ecological treatment system with adjacent wetlands or ponds unit. Furthermore， from the perspective of ecology and landscape ecology， the ecological ditch system with interception function， stream type contact oxidation ditch and multistage reduction ecological ditch were introduced. Finally， it was advised that reasonable regulatory systems on the transformation， utilization and management of the ditch should be carried out， and relevant laws and regulations and design specifications on the construction of new ditches should be established； Meanwhile， theoretical research works should be carried out to conduct laboratory simulation and provide data support and scientific guidance for practical engineering.

Key words： paddy field drainage； ditch system； agricultural non-point source pollution； ecological ditch

進入21世紀以來，面源污染已取代點源污染，成為威脅地表水環(huán)境最嚴重的問題，其中農業(yè)面源污染又是水體污染的最大“貢獻者”，負荷率最高[1]。稻田生產具有典型的水文過程，稻田退水是一類重要的面源污染形式。據統(tǒng)計，稻田退水對河流、湖泊富營養(yǎng)化的貢獻率高達27%，大量未經充分利用的氮、磷隨退水流失到周邊水體環(huán)境中，造成河流、湖泊甚至海洋的富營養(yǎng)化[2，3]。稻田退水溝渠作為稻田的重要水利設施不僅具有匯水、持水、水流通道的作用，而且還擔負著一定程度的水質凈化及維持生物多樣性的功能[4]。對溝渠的定義有許多種，Needelman等[5]認為，溝渠是具有河流和濕地特征的獨特工程化生態(tài)系統(tǒng)。Strock等[6]認為，溝渠在較長的水力停留時間下，其生態(tài)學和物理學的功能與線性濕地相似。周俊等[7]認為，溝渠是人類為滿足生產、生活安全保障等需求而人工挖掘的過水通道，但由于其長時間的積水或季節(jié)性過水，溝渠內部分布多種適宜生長的沉水、浮水、挺水植物及高低等生物，使溝渠本身具有一定濕地生態(tài)功能的性質，對氮、磷等污染物具有明顯的去除效力，可以說它是一種在不同因素活動影響下而形成的半自然化的濕地生態(tài)系統(tǒng)。稻田退水攜帶大量未經充分利用的氮、磷營養(yǎng)元素匯入溝渠，溝渠可通過底泥吸附、植物吸收、微生物分解和協(xié)同等一系列作用，降低退水進入下一受納水體的氮、磷含量[8-10]。目前，稻田溝渠系統(tǒng)的污染物截留與凈化功能在面源污染與小流域污染治理中愈加受到重視，成為減輕氮、磷和農藥等農田非點源污染的有效途徑之一[11-13]。

本研究結合溝渠系統(tǒng)對氮磷凈化的研究，分析氮磷凈化機理，提出氮磷去除強化措施，探討生態(tài)型溝渠的應用，以期為稻田退水溝渠的合理構建、利用、管理提供參考。

1 稻田退水溝渠脫氮除磷機理

1.1 底泥吸附

在溝渠中，土壤一般被稱作底泥或溝渠的沉積物，為微生物和水生植物提供了生長的載體和所需的營養(yǎng)物質，并且其本身也對氮、磷等污染物具有吸附凈化的功能，特別是對磷污染物的吸附和去除有著重要的作用[14]。一方面，由于底泥中富含有機質，團粒結構好，吸附能力強，且在底泥中生長的微生物種類和數量多，有助于其吸附、降解含磷的污染物[15，16]。同時，溝渠土壤底泥對氨氮也具有很強的吸附和硝化能力，且吸附作用在溝渠沉積物截留效應中占主導作用。徐紅燈等[17]就采用溝渠沉積物的吸附效應和硝化效應試驗來研究溝渠沉積物對氨氮的吸附和硝化能力，結果表明，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為1.30和0.15 mg/g。雖然底泥對氮、磷具有很好的吸附能力，但由于底泥對磷的吸附可能出現飽和狀態(tài)，因此，會使一部分磷由底泥重新釋放到水中造成磷二次污染。可以說，溝渠底泥被作為一種“磷緩沖器”來調節(jié)排入溝渠磷的濃度[18]。

1.2 植物吸收

水生植物是溝渠系統(tǒng)中水相、沉積物相和生物相的重要組分，其對污染物的凈化主要靠植物的吸收、降解、吸附與過濾及化感作用之間的相互影響。水生植物可以直接吸收水體和沉積物中的氮磷營養(yǎng)元素并轉化為自身生長所需的物質，最后通過人工收割將固定的氮磷帶出水體。植物不同部位對氮、磷吸收也存在差異，植物各個部分對磷的吸收量從大到小分別為葉、根、莖、胚軸[19]。不同生長期植物對氮磷的吸收量也存在著變化，大多數溝渠植物在8～9月份對氮磷吸收量最大，10月份到植被成熟吸收達到飽和是最佳收割期，進入冬季植物吸收量下降不宜收割，可作為溝渠保溫材料[20]。植物還可利用其發(fā)達的根系，形成密集的攔截網，降低水的流速，增加水體顆粒物沉降，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、磷界面的交換和傳遞，增加對流經水體中養(yǎng)分的攔截效應[21]。同時，植物在生長過程中根系部位形成微氧化環(huán)境，網絡狀根系可直接吸收稻田退水中的NH4+、NO3-和PO43-，并且它在植物生命活動的作用下能改變周圍的微環(huán)境，從而影響污染物的轉化過程和去除速率，維持著一定的水體生態(tài)平衡[22]。水生植物還會與藻類競爭營養(yǎng)、光照，同時水生植物根系還能分泌出化學物質抑制藻類生長，改善水體溶解氧含量。有報道顯示，有植物生長的溝渠系統(tǒng)能夠有效地控制磷素流失，截留顆粒態(tài)磷量達到70%[23]。由此可見，對溝渠進行適當的植物種植并遵循植物生長習性，能更好地發(fā)揮溝渠對氮、磷的凈化功能。

1.3 微生物分解

微生物的分解和協(xié)同作用對氮磷營養(yǎng)元素的去除發(fā)揮著重要作用。溝渠底泥中土壤微生物種類繁多，主要包括細菌、放線菌、真菌和藻類[24]。一些學者在對微生物影響濕地效率試驗中發(fā)現氨氮的去除率與根際硝化細菌和反硝化細菌數量有著極其顯著的相關性[25]，表明硝化細菌和反硝化細菌是氨氮的主要轉化者。除此之外，氨化細菌、亞硝化細菌對氮的去除也起到重要作用。過磷細菌和聚磷菌則被認為是除磷的最有效細菌。

在脫氮過程中，退水中的有機氮先在氨化細菌作用下轉化為氨氮，氨氮又在好氧和低氧的條件下被硝化細菌和亞硝化細菌通過硝化作用轉化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，產物又被反硝化細菌在厭氧條件下還原成N2O或N2，從而完成氮的去除[26]。溝渠濕地中磷主要具有固體形態(tài)和溶解形態(tài)，過磷細菌可將不溶性磷通過代謝活動轉化為可溶性磷化物，從而可被植物及部分微生物吸收利用，過量的磷還可被聚磷菌吸附攝取實現磷的去除[27]。但生物吸收只是一個短暫的貯存磷的過程，當排水溝渠受污染物入流濃度、降水量、干濕交替等不確定因素的影響乃至藻類死亡以后，35%～75%的磷將最終釋放出來，導致二次污染的發(fā)生。

2 溝渠去除氮磷的強化措施

根據溝渠對污染物的凈化機理可以看出，溝渠凈化功能的發(fā)揮受諸多因素的影響。針對主要因素對溝渠進行適當的人工改造，可以明顯提高溝渠生態(tài)功能和污染物的凈化能力。大量研究表明，正確選取溝渠植物種類、基質類型，合理設計溝渠結構以及充分利用毗鄰生態(tài)單元構建生態(tài)處理單元等措施可明顯提升溝渠脫氮除磷效率。

2.1 選取植物種類

水生植物的品種和組配可有效提升溝渠的污染攔截與吸收作用。徐德福等[28]就通過營養(yǎng)液培養(yǎng)方法分別研究了11種濕地植物對氮、磷營養(yǎng)元素的吸收與利用，根據植株生物量及其對氮、磷含量的變化，表明美人蕉、菩提子、鳳眼蓮和蘆葦這4種植物對氮、磷的吸收能力較強。韓例娜等[29]在研究農業(yè)面源污染的生態(tài)阻控技術措施及其效果時，以亞熱帶紅壤小流域為研究區(qū)域，選取小型農田排水溝渠分別種植美人蕉、狐尾藻、黑三棱、燈心草、銅錢草、水芹菜等6種多年生水生植物進行試驗，結果表明6種水生植物對農業(yè)面源污染的生態(tài)阻控效果具有明顯差異，其中美人蕉和黑三棱對N、P生態(tài)攔截優(yōu)勢最為突出。田如男等[30]為研究不同水生植物組合對富營養(yǎng)化水體的凈化效果，選取了水罌粟、黃菖蒲、三白草和黑藻4種水生植物構建9種組合進行試驗，結果表明，對氮磷的去除率，復合植物較單一植物高，復合植物中結構復雜的組合較結構簡單的組合高。因此，對溝渠植物的選取要重點考慮區(qū)域性的差異，正確選取植物種類的同時還應注意植物種植密度及搭配因素，這樣才能充分發(fā)揮植物的凈化作用[31]。

2.2 篩選基質類型

目前排水溝渠大致可分成混凝土溝渠和直接機械開挖的土質溝渠兩大類型。其基質類型對溝渠底泥、微生物等均會產生影響。王巖等[32]在野外分別對混凝土溝渠、土質溝渠及種有植物的土質溝渠進行一系列研究發(fā)現，土質溝渠及長有植物的土質溝渠對氮磷的去除效率明顯優(yōu)于混凝土溝渠，建議溝渠建設過程中適當保留底泥，避免純粹人工化。Ray等[33]在農田排水溝渠中裝設FGD石膏板進行對溝渠的改造試驗，發(fā)現徑流中可溶性磷的去除率達35%～90%。吳攀等[34]選取土壤、爐渣、秸稈、鋸末4種基質對典型排水支溝進行人工布設，研究分析基質對農田排水溝水質的影響，研究表明，農田排水溝能有效地截留農田退水污染物，不同的基質對不同的污染物截留能力有所不同。陳潤等[35]在對不同基質和不同植物對濕地凈化效果影響的試驗中發(fā)現，同種植物不同基質的濕地系統(tǒng)對污染物去除效果有所不同，高爐渣、瓜子片、碎石三種基質中對NH3-N（氨氮）和TN（總氮）的凈化效果從高到低順序為碎石、高爐渣、瓜子片，對TP（總磷）的去除效果從高到低順序為高爐渣、碎石、瓜子片。根據主導污染物選擇適合的基質對溝渠進行改造實際可行，有助于發(fā)揮農田排水溝的生態(tài)功能。

2.3 構建溝渠結構

溝渠河道的結構特性影響著生物的多樣性及氮、磷的轉化和去除。在溝渠建設過程中保證疏通退水的前提下適當增加溝渠蜿蜒性，可為更復雜的動植物群落生存提供條件[36]。沿溝渠縱向通過挖掘和墊高的方式或采用置石（也可稱為埋石）和浮石帶來形成淺灘和深潭，可增加河床的比表面積，形成水體中不同流速和生境，豐富溝渠生物多樣性，有利于水體自凈能力的增強[37]。對于河床比降較大的溝渠可人工設置多級落差，一方面通過跌水增強水體復氧能力，另一方面也利于水流的多樣化，保持生物多樣性。但在設置落差時必須考慮魚類的遷徙，最大設計落差不得超過1.5 m。溝渠深淺、寬窄、大小等結構同樣對其生態(tài)性功能有著不同程度的影響。王沛芳等[38]通過比較寬淺型河道與深窄型河道發(fā)現，寬淺型河道水生生物量要高于深窄型河道，河道水體與水生植物接觸的程度高，有利于氮及其化合物被河道中的挺水植物、沉水植物、浮水植物吸收，提高了氮的去除率；同時，水生植物莖稈和葉片作為水體微生物的附著載體，有利于生物膜的形成，進一步提高對氮的去除能力。Peterson等[39]發(fā)現小溝渠河道縱坡比較大，水體流速較大，氮、磷在溝渠中的持留時間較短，不利于污染物的去除；對于大河道，縱坡比較小，水體流速較小，氮、磷在河道中持留時間較長，有利于氮、磷的去除。建議在溝渠設計過程中滿足疏通退水的同時，對其形態(tài)、尺寸等做到恰當考慮，有利于溝渠生態(tài)功能的發(fā)揮。

2.4 聯合生態(tài)處理單元

稻田周圍多毗鄰濕地與塘系統(tǒng)等，與溝渠聯合作用對氮磷去除效果明顯經濟可行。因此許多研究人員致力于將溝渠與塘、濕地系統(tǒng)聯合構建，形成面源污染的多級阻控模式。1989年尹澄清就提出構建一類特殊的人工水塘濕地生態(tài)系統(tǒng)即多路串聯水塘系統(tǒng)，是以水塘為點，溝渠為線的流域系統(tǒng)，經多年的研究表明，多水塘系統(tǒng)能截留來自農業(yè)的磷污染負荷94%以上[40]。吳軍等[41]在江西省灌溉試驗中心站開展對排水溝與塘堰濕地結合的系統(tǒng)凈化農田排水，試驗研究表明，該系統(tǒng)具有良好的凈污效果。稻田種植區(qū)往往伴有塘、濕地系統(tǒng)的存在，稻田、溝渠、塘、濕地在空間位置上相互毗鄰，溝渠、塘、濕地互相連接貫通且都起到對氮磷的阻控。又由于退水水量、水質的時時變化使得溝渠、塘、濕地不能有效發(fā)揮各自最大凈化效力，所以有必要將溝渠與塘、濕地系統(tǒng)聯合構建，形成面源污染的多級阻控模式，更好地實現溝渠功能的發(fā)揮。

3 生態(tài)型溝渠的應用

基于稻田生產區(qū)溝渠網絡特征，越來越多的排水溝渠被加以利用形成生態(tài)溝渠。生態(tài)型溝渠兼具濕地的功能，主要由工程部分、植物生態(tài)系統(tǒng)和底泥及水體中微生物等組成。該方法能減緩排水速度，攔截污染物，構建的立體多物種植物—微生物系統(tǒng)可對溝渠及稻田退水中的氮、磷污染進行有效吸收與降解。同時，隨著各學科之間的交叉融合，以生態(tài)溝渠為基礎，構建生態(tài)攔截型溝渠、溪流式接觸氧化溝渠、多級消減溝渠等生態(tài)型溝渠也得到了廣泛的應用。

3.1 生態(tài)攔截型溝渠

生態(tài)攔截型溝渠（圖1）是楊林章等[42]在太湖流域受農田面源嚴重污染的背景下，結合當地實際情況提出的一種生態(tài)工程學解決方法。該系統(tǒng)是通過對溝渠進行清理后，在溝渠塘岸邊種植垂柳、草被植物，側面和底部搭配種植各類氮磷吸附能力強的半旱生植物和水生植物而構成。這些工程建設可通過溝渠攔截徑流和泥沙減緩水速，促進流水攜帶顆粒物質的沉淀，有利于植物對溝壁水體和溝底中逸出養(yǎng)分的立體式吸收和攔截，從而實現對農田排出養(yǎng)分的控制[43，44]。目前在環(huán)太湖、滆湖周邊地區(qū)已經建立面源氮磷流失生態(tài)攔截溝渠塘農業(yè)濕地系統(tǒng)達8.95萬m2，該系統(tǒng)對農田徑流中總氮、總磷的去除效果分別達到48.36%和40.53%。

3.2 溪流式接觸氧化溝渠

溪流式接觸氧化溝渠（圖2）是根據生態(tài)溝渠修復原理，結合礫間接觸氧化、薄層流凈化、仿真植物填料等技術，在溝渠順流方向分段設置固定微生物載體形成間斷式生物接觸氧化池的一種新型水處理模式。該系統(tǒng)可以在不影響溝渠正常功能的前提下，利用天然材料（如卵石、礫石及天然河床等）或人工合成接觸材料（如塑料、纖維等）比表面積大的特點為生物膜提供生長基質來強化水體自凈功能。北京南海子公園景觀水處理示范工程正是利用微生物與人工填料—碳纖維“生態(tài)草”組合技術實現水質生態(tài)修復。周婷等[45]在溝渠式生物接觸氧化法處理農村面源污水的試驗研究中發(fā)現溝渠式生物接觸氧化法工藝污水處理組合系統(tǒng)是一個比較穩(wěn)定的工藝系統(tǒng)，值得推廣。

3.3 多級消減溝渠

依據稻田退水線的溝渠水網形態(tài)與結構特征及水文環(huán)境條件，利用稻田產區(qū)分布的退水毛細渠、支渠、干渠及自然坑塘、濕地等生態(tài)單元，通過人工誘導、自然強化等方法，結合水岸帶復合植物體系構建、生態(tài)溝渠設計、生態(tài)單元聯結等技術措施，對退水中的氮磷進行溝渠在線削減及自然塘離線削減。建立用于稻田退水氮磷污染阻控的“溝渠—塘—濕地”生態(tài)系統(tǒng)空間配置模式，實現稻田退水的多級削減。南京淳東灌區(qū)內也已建成由稻田溝渠—濕地—池塘組成的水循環(huán)系統(tǒng)，阻控稻田退水帶來的面源污染，運行效果良好。

4 結語

國內外學者對溝渠濕地單體理論研究已較成熟，但在溝渠的改造、利用、管理上仍存在很多問題。從對溝渠凈化的機理中可以看出，各種影響因素的改變及不合理的利用都有可能造成溝渠凈化效率降低甚至帶來“二次污染”的嚴重性。所以，建議政府出臺相關的法律法規(guī)及具體管理條例：在溝渠的建設、改造、利用上要因地制宜；運行期間實施長期監(jiān)控，并開展深入的機理及模擬研究，積累基礎數據，實現定量、定性的人工調控管理；停滯期做好植物的后續(xù)處理及適當的清淤工作，這樣才能保證溝渠濕地良性的運行。

溝渠與其他單元聯合模式雖已有部分研究，但對于組合單元之間污染負荷和水力負荷等因素的分配上少有報道，所以今后仍需在理論研究基礎上量化退水在組合之間的分配，尋找最優(yōu)組合系統(tǒng)。開展實驗室模擬“溝渠-塘-濕地”組合系統(tǒng)，研究濃度負荷和水力負荷在組合單元間的分配比例，揭示進水濃度變化及水力負荷變化對氮磷削減效果的影響；在實驗室模擬基礎上利用數學模型分析系統(tǒng)優(yōu)化組合，并在理論與數據的支撐下進一步實現工程化建設，充分發(fā)揮溝渠濕地的水文與生態(tài)環(huán)境效益。

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