生态沟渠对农田径流污染物的去除效果*

王华栋 唐 浩 张 卫

(1.华东理工大学资源与环境工程学院，上海 200237；2.上海市环境科学研究院，上海 200233)

降雨会导致大量农田径流污染物随地表径流汇入河流，使得河流中悬浮物(SS)、氮、磷和有机物等污染物负荷急剧增加，进而造成水体富营养化等环境问题[1]。沟渠是农业非点源污染物的首要汇合点，是河流、湖泊等收纳水体的输入源[2]。与传统沟渠相比，生态沟渠除满足农田排涝防滞要求外，还可通过截留泥沙、植物吸收、填料吸附、微生物降解等作用对径流污染物进行拦截去除[3-5]。而且，由于生态沟渠占地面积小、运行费用低[6]，有学者认为这是一种新的拦截农田径流污染物的最佳管理实践[7-9]。目前，国内外学者多以直线型生态沟渠为研究对象，主要研究沟渠内不同植物配置或填料组合对农田径流污染物的拦截净化能力[10]，而因地制宜构建弯曲型生态沟渠的研究以及应用较少。此外，前人的研究多只考虑了单次降雨的效果[11]，而事实上生态沟渠作为一个复杂的系统在每一场降雨后的拦截净化能力都会受到此前降雨的影响[12]。

上海是平原地区，河网密布，田间缺乏有效的生态拦截设施。因此，本研究在上海青浦区设计了“一”字型和“弓”字型生态沟渠，探索两次模拟降雨径流过程中对农田径流污染物的去除效果。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验生态沟渠位于上海青浦区华新镇东风港试验基地。该基地建成于2005年，占地约8 000 m2，南北长约100 m，东西宽约80 m，2012年建成了“一”字型和“弓”字型两种生态沟渠各一条，沿程总长均为100 m，两种生态沟渠的平面布置图见图1，断面示意图见图2。为了种植植物及边坡稳定，生态沟渠边坡采用“8”字形带孔砖铺设，沟渠底部铺设防滑砖，渠底种植菖蒲(AcoruscalamusL.)，边坡种植麦冬(Ophiopogonjaponicus)和黑麦草(LoliumperenneL.)。

注：图中尺寸单位为mm，图2同；Y1～Y8和G1～G8分别为“一”字型和“弓”字型生态沟渠的取样点。图1 两种生态沟渠平面布置图Fig.1 Two ecological ditches layout plans

图2 生态沟渠断面示意图Fig.2 Schematic diagram of ecological ditch section

1.2 试验设计

在试验生态沟渠进水端附近构建的10 m3蓄水池中通过河水添加碳酸氢铵、过磷酸钙和泥土颗粒等配制农田径流水，然后将农田径流水用抽水机抽入生态沟渠进水端。本研究模拟了两次间隔30 min的降雨径流过程，单次降雨历时为90 min，排水产流过程约45 min，以90 min内30 mm的降雨量控制径流量。根据对上海青浦区农田沟渠水质的调研，主要是氮、磷受到此前降雨的影响比较明显，因此设定如表1所示的两次农田径流水污染物质量浓度，并在每次模拟前对各项分析指标进行实测。

表1 农田径流水污染物质量浓度

1.3 样品采集与分析

当生态沟渠稳定排水产流后，同时在各取样点采集500 mL水样，运回实验室，分析前在4 ℃条件下保存。

分析指标包括SS、TN、氨氮、TP、COD和高锰酸盐指数。SS用重量法测定，TN用过硫酸钾消解/紫外分光光度法测定，氨氮用纳氏试剂分光光度法测定，TP用过硫酸钾消解/钼锑抗分光光度法测定，COD用重铬酸钾法测定，高锰酸盐指数用酸性高锰酸钾法测定[13]。

2 结果与分析

2.1 “一”字型生态沟渠沿程污染物去除效果

“一”字型生态沟渠沿程的污染物去除效果见图3。两次降雨径流过程中SS总体变化不大，沿程呈小幅波动下降趋势。TN和氨氮的变化趋势非常一致，第1次降雨径流过程中，TN和氨氮总去除率分别为13.0%、13.6%，第2次降雨径流过程中，TN和氨氮总去除率分别为17.2%、18.4%，两次降雨径流过程中由于农田径流水中TN浓度的差异，第1次降雨径流过程中TN和氨氮始终保持相对高于第2次的规律，TN和氨氮在Y7出现明显升高的原因是该段植物存活量较少且存在腐烂植物。第1次降雨径流过程中，TP总去除率为33.1%，主要在前半段Y1～Y3去除，第2次降雨径流过程中，TP去除效果总体不如第1次，总去除率仅为1.0%。两次降雨径流过程中，COD和高锰酸盐指数的去除效果都不是很理想，总去除率均低于6%。

图3 “一”字型生态沟渠中污染物沿程变化Fig.3 Dynamic changes of pollutants along the straight ecological ditch

2.2 “弓”字型生态沟渠沿程污染物去除效果

“弓”字型生态沟渠沿程的污染物去除效果见图4。第1次降雨径流过程中，SS具有明显的下降趋势，去除效果较好，总去除率达到35.3%，但第2次降雨径流过程中，SS去除效果明显变差，总去除率仅为4.0%。与“一”字型生态沟渠相似，TN和氨氮的变化趋势也基本一致，且第1次降雨径流过程中TN和氨氮始终高于第2次，第1次降雨径流过程中，TN和氨氮总去除率分别为35.2%、19.8%，第2次降雨径流过程中，TN和氨氮总去除率分别为33.8%、16.0%，主要在后半段G5～G8去除。TP主要在前半段G1～G4去除，两次降雨径流过程的总去除率依次为20.2%、31.5%，第2次还高于第1次。COD、高锰酸盐指数的去除效果较好，第1次降雨径流过程中总去除率分别为27.3%、31.7%，第2次分别为19.4%、31.6%，但是COD和高锰酸盐指数的沿程变化呈现出不稳定性。

图4 “弓”字型生态沟渠中污染物沿程变化Fig.4 Dynamic changes of pollutants along the bent ecological ditch

2.3 两种生态沟渠对农田径流污染物的去除效果比较

生态沟渠兼具溪流和湿地的特征[14]，可以作为农田径流污染物的汇、源调节器[15-16]。在本研究中，渠底种植菖蒲，边坡种植麦冬和黑麦草，与沟渠底部的底泥共同形成了底泥、水生植物、微生物系统。在沟渠中，密集生长的植物对径流产生摩擦，会减慢水流速度，起到过滤的作用，从而使SS沉降[17]。生态沟渠对氮的去除是植物吸收和微生物降解的结果[18]。磷通常会以颗粒态的形式存在于农田降雨径流中，特别是在以黏土或淤泥为主的农田区域[19]，其去除过程除溶解态磷的吸附或吸收[20]外，颗粒态磷的沉积和植物吸收[21]至关重要。另有研究表明，植物根系共生的微藻和附生藻类也被证明可以协同去除营养盐[22]。有机物主要通过水中微生物的降解作用去除[23]，水生植物光合作用产生的氧气可以促进好氧微生物活动，从而分解有机物。

从图5可以看出，两次降雨径流过程中，“弓”字型生态沟渠对SS、TN、氨氮、TP、COD、高锰酸盐指数的平均去除率分别为19.6%、34.5%、17.9%、25.8%、23.4%、31.6%，“一”字型生态沟渠的平均去除率分别为9.6%、15.1%、16.0%、17.0%、5.6%、3.8%。可见，“弓”字型生态沟渠对各农田径流污染物的去除效果均优于“一”字型生态沟渠，这是因为“弓”字型生态沟渠存在转折，能减慢沟渠中的水流速度，延长径流在沟渠中的停留时间，有利于污染物的去除，从而提高了对农田径流污染物的截留能力。两种生态沟渠对氨氮的去除率(13.6%～19.8%)总体不高，这可能是因为氨氮的去除需由硝化作用主导[24]，而本研究中的氧含量不足以供给硝化细菌对氨氮的氧化。总体上，生态沟渠对TP的去除效果尚可，最高去除率可达33.1%，这是因为本研究配置的农田径流水中以溶解态磷为主，比较容易去除。

图5 两种生态沟渠对农田径流污染物的平均去除率Fig.5 The average removal rates of farmland runoff pollutants in two types of ecological ditches

2.4 降雨径流事件对生态沟渠处理效果的影响探讨

降雨径流是农业非点源污染物负荷产生的动力，是污染物运输的载体[25]。若施肥初期发生降雨径流事件，农田土壤和作物表面的大部分氮、磷营养盐就会随径流进入生态沟渠，沟渠内的农田径流污染物浓度就会迅速升高，之后发生降雨径流事件农田径流污染物会逐渐降低。本研究采用两种浓度的氮、磷模拟两次降雨径流过程就是模拟了降雨事件与施肥时间的关系。有研究表明，生态沟渠对水中TN、TP的去除率都高达60%[26-27]，而本研究模拟的降雨径流过程中生态沟渠对TN、TP的去除率均不到36%，这可能与沟渠长度、降雨强度等有关。本研究的生态沟渠处于运行初期，植物种植时间较短，各渠段植物生长情况还不稳定，进而影响各渠段对农田径流污染物的植物吸收、底泥吸附和微生物降解等作用。在保证生态沟渠能正常运行的情况下，应选择性地增加水生、陆生植物的种类，以期提高生态沟渠对污染物的截留能力，而且生态沟渠运行期间应定期对植物进行养护和清理，以免影响去除效果。此外，模拟降雨径流过程不同于自然降雨径流过程，人工配制的农田径流水污染物成分、浓度、形态等也与实际的农田径流水存在一定的差别，都可能会对实验结果产生一定的影响。因此，后续应进一步研究生态沟渠在自然降雨过程中对农田径流污染物的沿程去除效果，不过本研究对于“一”字型和“弓”字型生态沟渠的比较是有效的。

3 结 论

两次降雨径流过程中，第1次降雨径流过程的氮、磷始终高于第2次。“弓”字型生态沟渠对SS、TN、氨氮、TP、COD、高锰酸盐指数的平均去除率分别为19.6%、34.5%、17.9%、25.8%、23.4%、31.6%，而“一”字型生态沟渠的平均去除率分别为9.6%、15.1%、16.0%、17.0%、5.6%、3.8%。显然，“弓”字型生态沟渠对农田径流污染物的去除效果优于“一”字型生态沟渠。