科研成果在环境学教学中的应用与实践

熊慧欣 徐轶群

(扬州大学环境科学与工程学院 江苏扬州 225129)

高等学校是我国人才培养和科技创新的主要力量[1-3]。随着我国经济的快速发展，中央和各级地方政府持续加大了对高校的财政投入，高校在政府的大力支持下科研水平得到了很大的提升，科研成果不断涌现，极大地推动了我国的经济发展和社会进步。如何将科研成果在服务于经济和社会发展的同时融入本科教学，传授学科前沿知识，提高学生综合素质，实现教学效果的最优化，是目前值得探讨的问题。

环境学是环境科学与工程类专业的一门重要专业基础课，是环境类专业学生最早接触的一门专业课程。该课程以人类面临的主要环境问题为主要研究对象，探讨人类活动导致的环境污染的成因、特征及规律，目的是使学生掌握一定的环境科学知识，了解当前全球和我国环境问题的严重性、危害及产生的原因。由于环境科学是一门综合学科，涉及内容多，范围广，对于低年级的学生来说，很多内容不能充分理解，加之专业老师为了完成教学内容，更多时候是填鸭式教学，导致教师在讲授环境学有关内容时学生不能深入理解，只会机械记忆，且遇到实际问题不能很好应对。因此需在环境学课程讲授过程中引入一些科研成果，使学生能理论与实践相结合，培养学生解决问题的能力[4]。该文结合多年来在科研方面的研究成果，并把这些科研成果应用于环境学课程教学中，以期提高本科教学效果，落实该校研究型教学改革的需要，达到“授人以鱼不如授人以渔”的教学目的[5]。

1 河流一维水质模型的应用与实践

在环境学课程的讲授过程中，一维水质模型在污染物的迁移转化过程中具有重要的意义及地位，它主要用来评价和预测中小型河流中污染物在下游某处污染物的浓度c，从而为排污口的合理设置及污染物的削减提供依据。

上述一维水质模型中，c0为排污口断面污染物的初始浓度（mg/L），包括排污口上游河流中污染物的浓度和废水中污染物的浓度；ux为河流平均流速（m/d 或m/s）；Dx为废水与河水的纵向混合系数（m2/d或m2/s）；K为污染物的衰减系数（1/d 或1/s）；x为河水从排放口向下游流经的距离（m）。应用该水质模型时，常假设该河段无其他支流或河水流量是稳定的，因为c和c0是浓度单位，跟水的体积或水量相关，运算时必须河流稳定。但在实际存在的河流中，河流由于可能存在多个排污口及支流，河水流量持续稳定几乎不可能出现，这样就给模型的实际使用带来困难。由于课本上只对理想状态下的模型进行了阐述，一旦出现上述复杂情况，学生将非常迷茫，特别是工作过程中遇到类似问题将无从下手。笔者在苏州有关河流的污染物削减科研工作中也遇到类似问题，通过认真研究，较好地解决了类似问题。

苏州某水功能区（A）水质目标为Ⅲ类水，目前水质不达标，需提出污染物削减方案。上游水功能区水质目标为Ⅲ类水。所在河流上游来水流量为24 m3/s，流速为1 m/s，河流宽度为12 m，平均水深2 m。A水功能区长为7 km，所在乡镇有污水处理厂一座，设计规模为4 000 m3/d，执行一级B标准，排入该水功能区。A水功能区有一支流，流量为4 m3/s，实测支流COD浓度分别为40 mg/L。水功能区沿岸有2 家纺织企业，污水直排入河，排放量分别为500 m3/d 和1 000 m3/d。水功能区调查信息如表1所示。

表1 排污口信息

从相关数据可以看出，要使水功能区水质达标，需保证在水功能区水质监测断面的COD 达到Ⅲ类水的要求。为了解决污染物削减的问题，首先应核算各个排污口流经水功能区后的污染物浓度，以此作为污染物削减的依据。从上述信息可以看出，该水功能区不同的排污口离监测（考核）断面距离不一致，且排污量不同，加之从排污口至断面由于支流等的原因水的流量一直变化，理想化的一维水质模型核算某一排污口流经某一距离的过程中要求河水流量持续稳定，所以利用一维水质模型核算各个排污口流经监测断面的COD浓度存在困难。

研究发现，河流水质模型的实质是微生物等对好氧有机污染物的降解（衰减），污染物的衰减系数跟河水体积或流量并没有多少关系，如果把c和c0换成污染物的量，不考虑河水体积，只考虑污染物的实际含量，无论流经河段有多少支流，均可以利用改进后的一维水质模型解决实际困难问题。当需要核算排污口下游某处的污染物浓度时，只要把该处污染物的量除于该河段河水的流量，而河水在该处的流量是比较容易计算出来的。在实际运用过程中，如果遇到多个排污口，依然可以按照以上思路分别计算不同的排污口，最后得出排污口下游某处污染物的浓度。该案例中，首先把各排污口（或支流）的COD换算成mg/s，也就是不考虑体积单位，然后根据一维水质模型计算各排污口（或支流）COD 流经水功能区后在监测断面的实际含量，这样就不必受制于水的流量变化带来的运算困难，而且很好地理清了各排污口（或支流）对监测断面COD含量的贡献，据此可以制订一个科学的污染物削减方案。

通过该科研成果的引入，能让学生领悟到科研的魅力，把复杂的问题简单化，从而增强学生探索困难、解决问题的信心与决心。

2 土壤污染防治措施的应用与实践

在环境学的教学过程中，土壤环境污染防治有多种方法，对于土壤重金属污染，提出了施用化学改良剂，采用生物措施及控制氧化还原条件等措施，以控制氧化还原条件为例，教材中只有归纳式的寥寥几句，没有对其机理进行阐述，故不能加深学生对知识的理解及应用。为了让学生进一步理解土壤污染的防治措施，笔者以最受关注的土壤重金属镉污染防治为例，结合近期取得的耕地土壤污染防治科研成果，以提高学生综合知识的运用能力。

在土壤污染防治的研究中，耕地重金属镉（Cd）污染防治问题是国内外研究的热点。我国主要的粮食作物为水稻，而水稻容易吸收积累镉进而威胁人类的身体健康[6-7]。因此，如何降低污染土壤中水稻镉的积累具有重要的意义。传统的土壤污染以降低土壤中重金属的含量为目的，这样耗资巨大且周期长，并不符合我国的国情，而通过调控措施改变土壤重金属镉的存在形态进而降低水稻对镉的积累具有更现实的意义。土壤中可溶和有效态的Cd 主要受Eh 和pH 值控制[8]，水稻能吸收的Cd形态主要为Cd2+，在还原的条件下Cd的吸收被抑制[9]。Ito 等把植物吸收积累有效态Cd 的减少归因于Cd 硫化物的形成[8]，在淹水的情况下，Eh 降低，Cd主要以CdS的形态存在，排干使稻田产生好氧环境，Eh 升高，CdS 被氧化为Cd2+和SO42-，CdSO4具有很高的水溶性，Cd的生物有效性得到了提高。笔者通过多年的研究发现，通过施用有机物料，结合调控稻田水分，可以改变土壤中镉的存在状态，有效降低污染土壤中水稻籽粒对镉的积累，从而达到污染土壤安全利用的目的。具体为：水稻移栽前，土壤表层（0～15 cm）添加适量有机物料，翻耕，有机物料的添加量根据表层土壤实际有机质含量来定。水稻移栽后，稻田保持持续淹水状态，水深5～7 cm 左右，目的是使土壤环境呈还原状态，镉的形态发生改变从而不利于水稻根系的吸收。在水稻特定生长阶段，如灌浆期，水稻推迟1～2周排水。分蘖末期保持淹水状态，通过提高稻田水深的方式控制水稻无效分蘖。水稻收割前，稻田自然落干或在收获前1～2 周内适时排水晒田，以保证水稻收获正常进行。

3 农村面源污染控制技术的应用与实践

由于过量施加化肥和农药，加之农村生活污水、农业养殖废水等没有经过处理而随意排放，使农田地表径流中含有大量的氮磷营养物质和有毒的农药。农村面源污染具有污染面广、来源分散、难于收集、难于治理的特点。过量的氮、磷等营养物质进入水体，容易引起藻类及其他浮游生物大量繁殖，导致水体缺氧、水质恶化、鱼类等生物大量死亡。另外，富含氮、磷营养物质的农业退水进入河流，将严重影响饮用水水源地水质安全，需严格控制排污口污染物浓度及排放量。目前，由于农村面源污染固有的特点，涉及污染种类多，更多的是借鉴点源污染控制技术进行污染防治。在环境学的教学内容中，没有对农村面源污染控制技术进行详细阐述，学生对这部分内容比较陌生，笔者结合农村面源污染控制技术方面的有关科研成果的讲解，可以加强学生对知识的理解，培养学生的科研素养。

扬州某农业区毗邻京杭大运河，存在农业面源污染，产生的农业退水对附近河流带来污染，需采取适当措施，提升入河流农业排水水质，达到环保管理目标要求。根据调查发现，产生污染的原因主要是化肥及有机肥施用、少量畜禽养殖导致的污染，污染物主要为N、P 营养物质。区域灌排水系发达，根据农业灌溉排水中主要污染物的类型和迁移转化的规律及面源污染的特点，综合考虑投资、管理及长期有效运行等诸多因素，可优选人工湿地的构建达到面源污染治理的目的。具体为：采用生态沟渠与人工湿地串联，利用植物吸收、微生物处理以及土地吸附等途径将污染物削减至达标排放。即根据现有地势，排水以自流为主，水泵动力提升为辅。依托原有排灌沟渠，建设生态沟渠，含污染物的排水经生态沟渠停留、初步处理后，进入表面流人工湿地进一步强化处理，最后达标排放至河流。

在农田系统中构建一定的沟渠，在沟渠中配置多种植物，并在沟渠中设置透水坝、拦截坝等辅助性工程设施，对沟渠水体中氮、磷等物质进行拦截、吸附，从而净化水质。生态沟渠建设密度应能满足农田排水要求和生态拦截需要，一般为每公顷农田100 m生态沟渠，分布在农田四周与农田区外的河道之间。生态拦截型沟渠系统主要由工程部分和生物部分组成，工程部分主要包括渠体及节制闸坝等，生物部分主要包括渠底、渠两侧的植物。在有效处理污染的同时，植物的选择兼顾景观效果，水生植物选择具有相应净化能力优势物种，尽可能选用土著物种，物种的选用应考虑污染处理效果和花期，同时高低搭配，注意植物层次性。

表面流湿地也称水面湿地系统。在表面流人工湿地系统中，灌溉排水在湿地表面流动，水位较浅，流速较慢。这种系统与自然湿地最为接近，污水中的大部分有机污染物的去除依靠生长在植物水下部分的茎、竿上的生物膜来完成。湿地中种植茭草、香蒲、美人蕉、鸢尾、再力花等生物量大、根系发达的挺水植物，利用植物的根区效应和吸收能力净化污染物。

4 结果和结论

苏州某水功能区污染物削减相关科研项目成果的引入，加深了学生对一维水质模型的理解并能灵活应用。以土壤重金属镉为例的污染防治的科研成果案例讲授，培养了学生运用专业知识解决生产实际问题的能力。扬州某农业区生态沟渠与人工湿地的构建是解决农村面源污染的一次有益尝试，让学生对农业面源污染这个陌生的环境污染问题有了一个全新的理解，为后续有关专业课的学习打下了良好的基础。

环境学教学过程中对科研成果的引入，大大激发了学生学习环境学及后续专业课程的兴趣与热情，学生愿意提出问题、讨论问题，更加坚定了学好环境专业知识解决我国环境污染问题的信心与决心。

5 结语

针对教学过程中出现的重要知识点或难于理解的内容，可以选择性地引入一些易理解、较前沿的相关科研成果，通过类似案例教学的方式融入教学环节中去。

专业基础课程教学的目的是使学生掌握基本理论知识并能运用专业知识解决实际问题，同时为后续专业课打下扎实的基础。专业基础课由于内容繁杂，如果采取传统的教学方法，学生将感到枯燥乏味，教学效果大打折扣，研究成果的引入，不仅使教学内容更为丰富、课堂更为活跃，还培养了学生独立思考问题、解决问题的能力，从而为将来走向工作岗位、继续深造打下坚实的基础。