干湿循环下4种护坡基质对氮素吸附试验研究

周 波，王红雨，纪敬辉

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.银川能源学院，银川 750105；3.宁夏大学宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021)

农业排水是控制土壤盐分、保证灌溉农业可持续发展的前提。排水良好的土壤有利于提高整个季节的农田耕作效率，但是排水过程中从土壤中淋洗出的各种盐分以及化肥和农药等，会成为周边河道或湖泊等地表水体的污染源[1-3]。宁夏地处黄河中上游，土地面积的3/4属于干旱地带，区内自产水资源量少质差，是典型的资源型缺水地区。大量的生产实践表明，控制排水与实施沟水净化回用是灌溉农业开源节流的一条有效途径[4,5]。通过合理控制排水，以排水沟道排出的多余水量并能有效净化，补充灌溉水源，形成一个可重复利用的农业灌排水循环系统非常必要。因此，农田水质净化问题成为首要解决的问题。

大量关于农田水质净化的研究表明[6-13]，多数研究都针对于湿地，或者沟渠内的水生植物的净化效果，并且取得了一定成果。

而在基质吸附方面，刘娇[14]等研究表明，与直接施加玉米秸秆相比，施加黑炭显著降低了土壤氮化物排放量。张燕[15]等研究了排水沟渠炉渣与底泥对水中氮、磷截留效应，并选择炉渣作为沟渠基质坝的填充物。任玉锐[16]等研究植物作为反硝化碳源试验，表明橘树叶或者玉米芯作为反硝化固相碳源，适合作为生物膜载体。刘玮晶[17]等研究表明，生物质炭能够提高土壤对按态氮素的吸附能力，显著降低土壤铵态氮素养分的淋失。魏星[18]等表明，补充植物桔秆能将人工湿地系统的总氮去除。王改玲[19]等研究表明，秸秆还田可降低反硝化反应速率及反硝化过程中N2O的排放。吴攀[20]等试验说明，农田排水沟能有效地截留农田排水污染物，选择适合的基质进行人工布设实际可行，有助于发挥农田排水沟的生态功能。邵留[21]等以甘蔗渣、玉米芯、稻草、稻壳、花生壳、木屑6种农业废物作为反硝化碳源和生物膜载体的备选材料，初步优选出了玉米芯、稻草、稻壳可用做替代传统液体碳源的固体碳源。基质对氮的去除主要依赖于生化反应的硝化/反硝化作用，且相关研究表明有机填料更加能促进脱氮反应因而好于矿物填料[22]。

而从农田排水沟护坡基质方面研究净化农业排水水质效果的相关研究很少。本研究秉着“以废治废”的原则，以玉米芯、干树叶和锯木渣与土混合作为排水沟护坡基质，并和全原土基质作为对比，在4次干湿循环条件下，进行不同浓度人工配水过滤吸附试验，考察所选基质对氮素的吸附能力，以期为可重复利用的农业灌排水循环系统中的水质净化环节提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验中需要的玉米芯和干树叶为农村废弃物，锯木渣取自银川汇特家具厂，上述基质均经去离子水浸泡后烘干粉碎备用。试验土壤取自宁夏青铜峡市叶盛镇胜利沟边坡，物理性质见表1。试验配水为蒸馏水，所需的氮源采用分析纯NH4NO3，磷源采用分析纯NaH2PO4。

1.2 试验方法与仪器

试验所需基质分别为玉米芯、干树叶和锯木渣与土的混合物，考虑到护坡基质质量不能过轻，其含量为设计试验土壤总质量的3.1%，并以全原土作为对比，共4种。

人工配水以氮磷浓度不同分别设计为N高P高、N高P低、N低P高和N低P低4种，见表2。

表2 试验配水浓度Tab.2 Concentration of test water

试验仪器为自制梯度比试验仪，示意图见图1(仪器截面为100 mm×100 mm正方形)，材质为8 mm厚钢化玻璃，开始试验时将图1中1～6管口关闭。每次将总质量1 599 g混合均匀的基质倒入仪器内，分4层，按干密度为1. 551 g/cm3的标准，每层用木锤轻击至25 mm厚度，基质总高为100 mm，将2 L表2中4种浓度配水分别从注水口缓缓注入，为使每种基质吸附氮素效果具有可比性， 均在室温下使基质和配水在容器上部先浸泡12 h，保证相同的HRT，再将配水匀速流入仪器下部，从出水口将流出的配水全部收集，澄清后将漏土加入原基质中，并把澄清的配水混匀在1周内作水质检测，每次16组试验。将仪器内基质取出晾干，重复上述水质吸附试验，循环4次，每次循环间隔1周。水质监测方法及仪器见表3。

图1 试验所用梯度比装置Fig.1 Apparatus and Schematic of apparatus for gradient ratio tests

本实验数据处理用Origin 8.6和Excel进行图片制作和分析。

2 实验结果与讨论

2.1 TN浓度变化

图2为不同浓度进水条件下TN浓度随干湿循环次数的变化。从图2中可以看出，各种基质都表现为第2次循环后TN净化效果最好，随着循环次数的增加TN含量逐渐升高，净化率降低。第1次循环水中TN减少，主要是因为原水中NH+4-N进入水中后一部分被未饱和的混合土体吸附，另一部分经微生物的硝化和反硝化作用转化为N2O和N2等气体，脱离水中，从而使氮素从水中永久去除；但硝化细菌只能将NH+4-N转化为NO-2-N和NO-3-N，并不能使含氮化合物从水中去除，只是改变氮的存在形式[23]。图2(a)表明N高P高时，第1次循环后4种基质的净化能力均较高，玉米芯混合基质对TN的净化率最高，为78.25%，后3次循环后树叶均表现为最高的净化能力，净化率分别为88.83%、25.63%和27.18%。图2(b)表明N高P低时第1次、第2次循环后树叶基质净化率最高分别为91.13%、90.57%，第3次、第4次循环后，锯木渣基质均表现最高净化率分别为39.49%和 45.38%。图2(c)表明N低P高时，第1次循环后净化率最高为原土基质，为81.43%，第2次、第3次和第4次循环后树叶基质净化率均最高，分别为95.08%、71.81%和35.12%，净化效果呈递减趋势。图2(d)表明N低P低时，第1次、第2次循环后净化能力最高的基质分别为锯木渣、原土，净化率分别为63.08%、94.73%，第3次、第4次净化率最高的均为玉米芯，分别为50.89%和35.38%。

表3 水质检测方法Tab.3 Water quality detection

图2 不同进水条件下TN浓度随循环次数的变化Fig 2 Under different inflow TN concentration varies over cycle times

综上所述，4种基质经过不同浓度进水，4次循环后的水质净化试验表明干树叶基质对TN总体表现为较高的净化能力。

2.2 NH+4-N浓度变化

图3为不同浓度进水条件下NH+4-N浓度随干湿循环次数的变化。图3(a)中N高P高时，第1次、第2次和第3次循环后，玉米芯净化率均最高分别为29.03%、16.31%和29.12%，第4次循环后，锯木渣净化率最高为22.58%。图3(b)中N高P低时，4次循环净化率最高的基质分别为树叶、原土、树叶和玉米芯，净化率分别为75.07%、21.80%、21.71%和23.21%。图3(c)中N低P高时，第1次、第2次循环后净化率最高基质分别为玉米芯、锯木渣，净化率分别为45.39%、20.27%，第3次、第4次循环后均是树叶表现为较高的净化率，分别为30.18%、80.87%。图3(d)中N低P低时，4次循环净化率最高的基质分别为原土、锯木渣、树叶和树叶，净化率分别为29.65%、45.67%、35.76%和39.26%。氮浓度高的沟渠中NH+4-N浓度下降较快，这主要是由于水体中高浓度NH+4-N与孔隙水形成浓度梯度，促进水中NH+4-N向基质孔隙水扩散，加速了NH+4-N向基质扩散。

图3 不同进水条件下NH+4-N浓度随循环次数的变化Fig 3 Under different inflow NH+4-N concentration varies over cycle times

2.3 NO-3-N浓度变化

图4为不同浓度进水条件下NO-3-N浓度随干湿循环次数的变化。图4(a)中N高P高时，第1次、第2次循环后树叶基质表现为较高的净化率，分别为49.52%、36.15%，第3次、第4次循环后，锯木渣表现为较高的净化率，分别为9.31%、5.97%。图4(b)中N高P低时，第1次、第2次和第4次循环树叶净化率均最高，分别为24.12%、17.17%和14.76%，第3次循环后玉米芯净化率最高，为8.88%。图4(c)为N低P高时，前3次循环后，树叶净化率最高，分别为76.3%、76.5%和26.2%，第4次循环后玉米芯净化率最高，为42.77%。图4(d)中N低P低时，前2次循环锯木渣净化率最高，为55.47%和46.6%，后2次循环后树叶的净化率最高，分别为65.66%和35.47%。试验初期第1次循环硝化细菌的硝化作用占优势，水体中NO-3-N相对积累，随停留时间延长，水环境由好氧状态逐渐向缺氧、厌氧状态转化，厌氧细菌得以快速生长并充分利用水中丰富NO-3-N，将其转化为N2O和N2等气体，致使水体NO-3-N浓度降低。4次干湿循环试验中，表明干树叶对NO-3-N总体有较好的净化能力。

图4 不同进水条件下NO-3-N浓度随循环次数的变化Fig 4 Under different inflow NO-3-N concentration varies over cycle times

3 结 语

排水沟护坡作为沟渠湿地的重要组成部分，除了固坡防塌外，在很大程度上影响着排水沟对污染物拦截作用的发挥，并且可在一定程度上提高沟渠对污染物的去除效率。通过在排水沟护坡基质中进行的物理、化学和生物反应，包括过滤、沉淀、絮凝和微生物降解等作用，可使农田退水得到净化。

通过玉米芯、树叶、锯木渣和土的混合物与全原土4种基质在4种不同浓度人工配水条件下，4次干湿循环后的氮素吸附试验研究，得出结论如下。

(1)TN浓度变化。当氮浓度较高和较低时，树叶的净化能力均最好，净化率达到95.08%，其次为玉木芯和原土，净化率分别为78.25%、94.73%。

(2)NH+4-N浓度变化。当氮浓度高时，树叶具有较高的净化能力，净化率为75.07%；当氮浓度低时，树叶净化能力强，净化率为80.87%。

(3)NO-3-N浓度变化。当氮浓度高时，树叶具有较高的净化能力，净化率为49.52%；当氮浓度低时，树叶净化能力强，为76.5%，其次为锯末渣，净化率为55.47%。

(4)干树叶对3种氮素均有较好的净化效果。在不同进水浓度情况下，4种基质均表现为随着循环次数的增加，TN和NO-3-N净化率逐渐减小，NH+4-N有增加趋势。

□

[1] Guitjens J C, Ayars J E, Grismer M E, et al. Drainage design for water quality management: overview[J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering,1997,123(3):148-153.

[2] Ayars J E, Christen E W, Hornbuckle J W. Controlled drainage for improved water management in arid regions irrigated agriculture[J]. Agricultural Water Management,2006,86:128-139.

[3] 王少丽.基于水环境保护的农田排水研究新进展[J].水利学报,2010,41(6):697-702.

[4] 雍富强,刘学军.宁夏引黄灌区沟水利用研究[J].水资源保护,2004,(3):17-19.

[5] 张爱平,杨世琦,张庆忠.宁夏灌区农田退水污染形成原因及防治对策[J].中国生态农业学报,2008,16(4):1 037-1 042.

[6] 吕金虎,钟艳霞,高 鹏. 银川平原人工湿地水生植物去污能力研究[J].水土保持通报,2013,33(1):192-195.

[7] 尹黎明,张树楠,李宝珍,等.沟渠湿地技术对农业径流中氮去除机理及应用研究进展[J].农业现代化研究，2014,35(5):583-587.

[8] 何 聪,刘璐嘉,王苏胜,等. 不同宽度草皮缓冲带对农田径流氮磷去除效果研究[J]. 水土保持研究,2014,21(1):55-58.

[9] 何 聪,刘璐嘉,王苏胜,等. 不同结构草皮缓冲带对农田径流氮磷去除效果研究[J]. 江西农业学报,2014,26(8):92-95.

[10] 罗良国,赵天成,刘汝亮,等. 宁夏引黄灌区农田排水沟渠水生植物物种多样性[J]. 农业环境科学学报, 2013,32(12):2 436-2 442.

[11] 姜翠玲,范晓秋,章亦兵.非点源污染物在沟渠湿地中的累积和植物吸收净化[J].应用生态学报,2005,16(7):1 351-1 354.

[12] 金树权,周金波,朱晓丽,等. 10种水生植物的氮磷吸收和水质净化能力比较研究[J]. 农业环境科学学报,2010,(8):1 571-1 575.

[13] 徐红灯,席北斗,王京刚,等. 水生植物对农田排水沟渠中氮、磷的截留效应[J]. 环境科学研究,2007,20(2):84-88.

[14] 刘 娇,高 健,赵 英. 玉米秸秆及其黑炭添加对黄绵土氮素转化的影响[J]. 土壤学报,2014,51(6):1 361-1 368.

[15] 张 燕,祝 惠,阎百兴,等. 排水沟渠炉渣与底泥对水中氮、磷截留效应[J]. 中国环境科学, 2013,33(6):1 005-1 010.

[16] 任玉锐,郭照冰. 植物作为反硝化碳源[J]. 环境工程学报,2015,(5):2 247-2 252.

[17] 刘玮晶,刘 烨,高晓荔,等. 外源生物质炭对土壤中铵态氮素滞留效应的影响[J]. 农业环境科学学报，2012,31(5):962-968.

[18] 魏 星,朱 伟,赵联芳,等. 植物秸秆作补充碳源对人工湿地脱氮效果的影响[J]. 湖泊科学,2010,22(6):916-922.

[19] 王改玲,郝明德,陈德立. 秸秆还田对灌溉玉米田土壤反硝化及N2O排放的影响 [J]. 植物营养与肥料学报,2006,12(6):840-844.

[20] 吴 攀,张志山,黄 磊,等. 人工布设基质对农田排水沟水质的影响[J]. 中国生态农业学报,2012,20(5):578-584.

[21] 邵 留,徐祖信,金 伟,等. 农业废物反硝化固体碳源的优选[J]. 中国环境科学，2011,31(5):748-754.

[22] Blankenberg A G B, Haarstad K, Sovik A K. Nitrogenretention in constructed wetland filters treating diffuse agriculture pollution[J]. Desalination, 2008,226(1/3):114-120.

[23] 张 燕，阎百兴，祝 惠.三江平原农田源头排水沟渠截留排水中氮素动态[J].生态与农村环境学报,2012,28(2):176-180.