生态沟渠综合治理研究综述

（湖南省水利水电科学研究院，湖南长沙 410007）

引言

新中国成立以来，社会经济快速发展，各行各业飞速进步，人民生活水平不断提高，社会安定人民幸福。生态环境的改善却悄然落后，生态问题不断显现，生态环境问题带来的影响被人们低估。俗话说“民以食为天”，农业的健康发展是人民幸福安康社会和谐稳定发展的基石。农业用水方式粗放，化肥大量使用以及生产生活污水的不规范排放导致农业生态环境开始恶化且逐渐加重。

十九大以来，对于环境保护、环境治理方面逐渐重视起来。习近平主席指出：让良好生态环境成为人民生活的增长点、成为经济社会持续健康发展的支撑点、成为展现我国良好形象的发力点，让中华大地天更蓝、山更绿、水更清、环境更优美。水污染问题普遍存在且不易治理，建设生态沟渠，实现自然净化，避免二次污染，可以有效地改善水生态环境，实现“水更清”的目标。“青山绿水就是金山银山”，生态环境的健康与和谐是人们的期盼。

国家逐渐重视农村问题，为贯彻落实习总书记的指示，国家18 个部门联合行动，依照《农村人居环境整治三年行动方案》进行部署，关注农村环境卫生问题，全国范围内集中进行农村居民环境治理工作，改善农村环境，提升农村村容村貌，并起草制定了《农村人居环境整治村庄清洁行动方案》，把“三清一改”作为工作的重心，其中就包括沟渠治理方面的内容。

生态沟渠的建设有利于加快振兴农村生态建设，同时也是解决农村面源污染严重问题及打造农田生态系统的重要途径。生态沟渠是指由水生环境和土壤环境组成，具有一定规模的独特结构并能有效发挥生态功能的农田沟渠生态系统，也被称为农田沟渠湿地生态系统。本文通过查阅大量文献，从生态沟渠污染物去除机理、治理研究现状及生态沟渠管护三方面对生态沟渠综合治理研究进行综述。

1 生态沟渠作用机理及研究现状

1.1 生态沟渠去除机理研究

氮磷的去除一般来讲主要通过植物吸收、截留沉降、生态吸附以及微生物作用四个方面。氮素主要以氨氮、硝酸盐氮及有机氮的形式存在。磷素主要以溶解态和吸附态的形式存在[1]。

1）植物吸收

生态沟渠中的植物通过物理、生物及化学作用结合可吸收水体中8%～16%的氮[2]。无机氮是植物生长发育必不可少的物质，可被植物直接吸收利用，参与植物生长发育，植物吸收利用后将植物进行收割可有效去除[3]；有机氮在碱性的水体条件下，可以吸附在土壤表层，同时在微生物的胺化作用及矿化作用下转化为氨氮。植物同样可去除水体中的磷，植物通过根部吸收溶解态的无机磷，此时根部底泥与水体之间产生磷浓度梯度差，促进磷从水体向底泥迁移，达到降低水体磷浓度的效果。有机磷则需要在微生物作用下转化为无机磷后被植物吸收利用。

2）截留沉降

自身的特殊结构及沟渠中的植物系统组成生态拦截型沟渠，能使水流速度降低，增加水力滞留时间，促进流动中的悬浮物质及颗粒物沉积，同时水生植物及沟渠土壤对水体中污染物质进行吸附、交换等作用，有效拦截污染物质的扩散及迁移。

3）生态吸附

生态吸附主要通过沟渠基质底泥及沟渠中沉淀物质等吸附沟渠中还原态氨氮。吸附过程前期作用效果明显，伴随水体中氨氮浓度的降低，吸附作用逐渐减弱，达到吸附平衡。水体中氨氮浓度发生变化，平衡被打破，逐渐形成新的平衡。通过生态吸附方式可有效去除氨氮，但吸附平衡存在，除氮效果有限。吸附作用是沟渠去除磷的重要方式，在非碱性条件下，溶解态的无机磷可与一些高价阳离子如三价铁、三价铝等互相吸附并形成磷酸铁和磷酸铝沉淀[4]；而在碱性条件下，磷可与钙离子发生吸附作用形成磷酸钙并产生沉淀。然而这种沉淀并不稳定，随着水体中磷浓度降低，小部分磷会重新回到水体之中，即当吸附达到饱和时，可能会因释放出去的磷形成二次污染，但总体来讲，仍可有效降低水体中磷含量[5]。

4）微生物作用

沟渠中存在大量水生植物，植物根系发育，根茎网络大面积分布。植物的呼吸作用及光合作用可使植物根茎周围产生有氧环境和厌氧环境。有氧环境条件下可使微生物进行硝化作用，厌氧环境下进行反硝化作用，两种作用的存在促进微生物吸收转化氮磷等营养物质，大大降低环境中氮磷污染水平。微生物作用有效去除的氮素与总氮的比值可达到80%以上。微生物同样对磷产生作用，有氧条件下，好氧微生物将有机磷和难溶的无机磷吸附转化为可溶的无机磷，进而通过植物吸收、吸附沉降等作用降低水体中磷浓度[6]；厌氧微生物可将过量累积的结合态磷转化为可吸收利用的溶解态磷。

1.2 生态沟渠污染物治理研究

国内外学者对生态沟渠进行了广泛的研究，研究内容大多主要集中在沟渠去除氮磷效果方面。西方国家研究起步早，并取得诸多成果，我国起步较晚于国外，但同样取得了许多十分有意义的成果。Jan H.Janse 等对沟渠富营养化程度展开了研究，结果表明超过一定的营养阈值会导致缺氧条件，生物多样性和沟渠的农业功能受到阻碍[7]。David V.Calvert 等研究了蔬菜农场和柑橘林排水渠水质的时空变化并得出重要结论，土壤中养分和重金属的积累以及施肥方式对相邻排水沟水质有显著影响，排水沟的水质会随季节而变化[8]。

后来姜翠玲等学者从水体和底泥中有机质时空分布规律、沟渠湿地对农业非点源污染物的净化能力及沟渠中净水植物对氮磷的吸收及二次污染防治等方面做了系统的研究，为沟渠清淤及沟渠生态环境治理领域提供了理论依据[9～11]。有学者选用生态沟渠、混凝土沟渠和土质沟渠三种沟渠比较其氮磷等污染物的拦截效果，研究结果显示，污染物去除率生态沟渠明显高于其他沟渠[12]。王岩等人认为生态沟渠去除氮磷物质的机理主要体现在水生植物的吸收利用、沟渠基质的吸附和沟渠拦截坝导致的水流速度降低和泥沙沉积等方面[13]。生态沟渠的优势逐渐显现，人们对于其重视程度提高。浙江杭嘉湖区域养猪场结合当地情况试验生态沟渠中盘培牧草去除养猪场废水中重金属的效果，选出多种牧草中盘培高羊茅对废水中重金属污染物去除效果最好[14]。至2011 年，苏州、常州等太湖流域城市广泛推广应用生态拦截工程，主要拦截农田系统流失的氮磷等物质[15]。同年陶玲等人借助固着藻类反应器原理设计构建了生态沟渠，研究了生态沟渠恢复水溶氧的能力及深度净化水体的效果，结果表明基于固着藻类反应器的生态沟渠对改善人工湿地出水溶氧率低的情况有积极改善作用[16]。徐秀玲等人通过室内水培试验和室外池体小区试验研究了上海市集中常见的水生植物吸收氮磷的特征，并通过合理搭配混合种植水生植物，构建生态沟渠，监测降雨前后水体中氮磷的变化，按去除率由低到高排序总磷、总氮、硝态氮和铵态氮的去除率分别为30.2%、45.1%、44.7%和50.8%，表明水生植物可有效降低水体中氮磷含量，净化水体[17]。何元庆等学者以珠海市上洲村稻田系统为例，结合当地情况提出来一种生态沟渠人工湿地构建技术，并完成了示范工程建设和防治效果评价[18]。张树楠等人对不同水生植物状态下沟渠的底泥属性及吸附特性进行研究，发现铜线草底泥对磷的吸附能力最强，分析得出底泥属性对磷吸收性能具有显著关系。由此可见，水生植物及底泥对营养元素吸附能力均有影响，在沟渠建设中选取适合的水生植物对降低磷流失风险具有重要意义[19]。王鹤立等人发现独立的生态处理技术对处理氮磷等营养物质没有绝对优势，因此研究建立多级沟渠塘堰湿地组合的可行性，并将研究成果投入使用，该生态处理系统下次降雨量157 mm 的坡地净流处理中，氮磷等指标均能满足水质标准，实践证明，组合建设工程能有效强化系统的复氧，提高氮磷去除率[20]。郭志伟等人将生态沟渠与稳定塘结合处理山区农村生活污水，系统出水水质可达城镇污水处理厂污染物排放二级标准。该系统建造灵活、无需动力条件、运行成本低廉，在山区农村具有一定的推广和使用价值[21]。为进一步完善生态沟渠理论体系，王令等人从不同的水生植物搭配方式、水力停留时间以及微生物三个方面探究了生态沟渠对乡村日常污水的净化效果，结果表明水力停留时间存在区间差异，在其优化区间内，总氮总磷的净化率随停留时间延长而增大，最优水力停留时间为5 天，出水可满足地表水Ⅳ、Ⅴ类功能水域及一般流域的水污染控制要求。生物量的影响对氮磷净化效果不同，除氮效果受生物量影响更为明显。不同水生植物在生物量差异不明显的状况下，挺水植物与沉水植物共同栽种模式净化氮磷效率高于单一植物种植[22]。

孙璇等人将海绵城市理念与生态沟渠模式相结合，从不同水力负荷、生态沟渠基质、沟渠覆盖植被类型和污染物含量等方面对营养污染物质去除效果进行研究，结果显示生态沟渠对污水中磷的去除效率极高，去除率达95.4%，对其中氮的去除率为48.4%。这一研究成果为我国海绵城市及生态沟渠建设提供了参考及借鉴意义[23]。甘曼琴等对稻田氮磷流失的途径，以及降雨、秸秆还田、施肥等影响因素进行分析，综述了养分管理、水分管理、生态拦截、农田尾水回用等稻田氮磷流失控制技术的研究现状，提出应探索稻田氮磷流失源头控制和末端管控机制，加强生态拦截技术优化配置与性能研究[24]。

1.3 生态沟渠管护研究

早先人们对沟渠的管理注重于沟渠对农业生产效益的影响。20 世纪末生态保护概念兴起，人们意识到沟渠在生态环境中能够起到的重要作用。随之诞生诸多沟渠管理方法，经实践检验，现如今最有效且使用最广泛的是以控制面源污染负荷，保护农田生态、提高农业生产力及改善水质为重心的美国的“最佳管理措施”。南卡罗来纳州特意提出要减少沟渠清淤疏浚的次数，因为在沟渠管护之后会导致沟渠内可溶性磷释放量增加，造成严重污染。

目前，西方发达国家经过长期研究发展已具有较为完备的沟渠管护方案，研究成果丰富。而我国在此领域研究涉及较少，适应我国实际情况的生态沟渠管护方案仍待开展更多相关研究。

2 结语

生态沟渠可以有效控制农业面源污染的扩散，维持农田生态环境和谐稳定，保障食品质量安全。国内外学者开展大量研究发现，生态沟渠去除氮磷污染物有以下四种主要途径：植物吸收、截留沉降、生态吸附以及微生物作用，四种方法均可有效去除水体中氮磷污染物。并通过理论与实际相结合成功建立了生态沟渠湿地模型，为完善生态沟渠建设技术及理论体系作出诸多贡献。

生态沟渠建设及治理研究成果逐渐丰满，但生态沟渠体系复杂，仍有值得改进完善的地方。水生植物及沟渠基质吸收转化污染物质，植物收割和沟渠清淤疏浚可有效转移污染物质，收割的植物及清淤的底泥是极好的营养物质，但直接利用将造成二次污染，如何将其进行合理的处理及回收利用值得研究。沟渠管理养护方面，国外一些国家已具有较为完善的沟渠管理方案，而我国生态沟渠研究开展较晚，在此方面略有不足，需加强生态沟渠管理养护方向的研究，提出适应我国农业情况的沟渠管理方案。