黑麦草草帘浮床对农田排水中氮的去除效果

舒 同，周佳林，段婧婧①，薛利祥，冯彦房，薛利红，杨林章

(1.江苏大学环境与安全工程学院，江苏 镇江 212013；2.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/ 江苏省食品质量安全重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，江苏 南京 210014)

农业面源污染具有复杂性、随机性、隐蔽性等特点，控制难度较大[1]。2017年，我国农业源引起水污染的总氮(TN)和总磷(TP)排放量分别为141.49万和21.20万 t，分别达到TN、TP排放总量的46.5%和67.2%[2]。农田排水沟渠有调节农田多余水分和物质循环等功能，兼具溪流和湿地的特征[3]，是面源污染物治理技术的关键环节。沟渠中的水生植物在拦截净化过程中起着重要的作用，其不仅可以直接吸收水体中的氮、磷等营养物质，植物的存在也为微生物提供了良好的生长环境[4-5]。多数沟渠植物在4—10月均可生长，具有较好的水质净化效果。张震等[6]在巢湖流域的沟渠中种植水芹、石菖蒲、刺苦草，沟渠植物对总氮的去除率为56.2%～74.6%，总磷去除率为44.4%～76.4%。邵凯迪等[7]研究表明，黄花水龙和狐尾藻具有较好的硝态氮耐受力，在低和高NO3--N浓度下对硝态氮的去除率分别约为90%和40%，显著高于无植物对照。然而，在寒冷的冬季，绝大多数水生植物凋亡或停止生长，难以拦截净化水体中氮、磷等污染物。

黑麦草作为一种冷季型牧草类经济作物，能适应我国南方地区冬季不太寒冷的环境，常用于土壤及污水治理修复[8]。生态浮床是基于无土栽培技术而构建的装置，它能综合利用水生植物、微生物来降解水体污染物[9]。利用稻秸草帘来培育黑麦草，并固定以隔栅、浮球等材料，使其结构稳定且能够漂浮于水面，制成的黑麦草草帘浮床可通过根系交织成网，增加供微生物附着的介质，并通过植物吸收作用增强对农田排水中氮、磷的去除。前期研究表明，在低温季节静态条件下，黑麦草草帘浮床能够展现出良好的氮去除能力，对TN、NH4+-N的去除率分别高达86.8%～96.1%和91.1%～99.1%[10]。然而，在流水条件下，黑麦草草帘浮床对农田排水污染物去除效果尚不清楚。因此，笔者优化了黑麦草草帘的培养技术，并探究了不同污染负荷及水力负荷条件下黑麦草草帘去除氮的效果，以期为生态沟渠的工程化应用提供科学依据及参考。

1 材料与方法

1.1 草帘的育苗培养

选取疏密程度不同的2种稻秸草帘：稀疏型A和致密型B(0.5 m×0.5 m)，在其表面分别均匀铺撒过2 mm孔径筛细土，以填充草帘缝隙并为幼苗提供养分。供试土壤取自江苏省农业科学院试验基地，土壤基本理化性质为：pH=5.70，w(有机质)为26.3 g·kg-1，w(全氮)为1.60 g·kg-1，w(总磷)为0.68 g·kg-1，砂粒、粉粒及黏粒的质量分数分别为26.4%、50.0%和23.6%。在草帘上均匀铺撒黑麦草种子，每组种子用量均为16 g·m-2。设置6个处理组，分别为A-3、A-4、A-5(稀疏型草帘外加3、4、5 kg·m-2过筛细土)，B-3、B-4、B-5(致密型草帘外加3、4、5 kg·m-2过筛细土)，每组设4个平行。准备好的草帘每日浇水2～4次，保持其始终处于湿润状态。出苗后计数，得到出苗率。苗后30 d，按照标准方法测定黑麦草株高、根长、植株生物量、叶绿素含量和根系活力。采用乙醇提取法测定黑麦草叶绿素含量，用氯化三苯四氮唑(TTC)还原法测定黑麦草根系活力[11]。

1.2 流水试验

1.2.1试验设计

试验在江苏省农业科学院试验基地的水泥沟渠中进行，3条沟渠尺寸均为21.0 m×1.0 m×1.2 m(长×宽×高)。试验开始前，先在贮水池(有效容积34.3 m3)中用磷酸二氢钾、氯化铵人工配置模拟农田排水，使其在低氮和高氮条件下TN质量浓度分别为5和15 mg·L-1左右，然后通过计量泵(MSAF070R31，大连立创机电设备有限公司)将模拟农田排水抽到进水装置中，分上、中、下3层从进水装置上的进水孔均匀流到沟渠中(图1)。取样器竖直放入沟渠中，通过取样硅胶管分别连接至水下25、50、75 cm处，可实现上、中、下层水样的采集。实际模拟水质情况见表1。在沟渠出水口处设置自吸泵(1WZB-55，上海凌晨)将沟渠中水抽出，使沟渠中水体缓慢流动。自吸泵的开关由设置在沟渠中部的水位控制器控制，设计水位为(0.8±0.05)m。根据前期的试验方法[10]，将育苗培养后长势相近的草帘制成黑麦草草帘浮床(每片1.0 m×2.0 m)，等距离铺放在D1、D2沟渠中，每条沟渠放置5个。D1进水流量设计为2.5 L·min-1(水力停留时间为4.7 d)，D2进水流量设计为1.5 L·min-1(水力停留时间为7.8 d)。无草帘对照组进水流量设置为1.5 L·min-1。试验于2016年春季开展：3月16日—4月17日为预培养阶段，4月18日—4月25日为低氮浓度进水阶段(阶段 1)，5月12日—5月20日为高氮浓度进水阶段(阶段2)。2个阶段试验开始前，先将沟渠中的水体排出(剩余水深约为5 cm)，然后抽入低/高氮浓度模拟农田排水再正式开始试验。

1—UPVC管，2—堵头，3—进水孔，4—PVC管，5—取上层水样硅胶管，6—取中层水样硅胶管，7—取下层水样硅胶管，8—微孔过滤器，9—黑麦草，10—黑麦草根部，11—浮球，12—隔栅，13—草帘。

表1 贮水池中模拟污水水质

1.2.2水样采集与监测

试验开始后，每日09：00对沟渠前、中、后段分别进行上、中、下层的水样采集，同时采用多参数水质测定仪(HI 9829，HANNA)在现场监测取样点水温、pH值、溶解氧(DO)浓度和电导率(EC)等水质指标，采集的水样带回实验室过滤后用Skalar San++ 流动分析仪测定TN、NH4+-N、NO3--N质量浓度。

1.2.3植物各指标的测定

每个周期结束时，对各草帘的植物地上部分进行收集、称重。试验结束收获植物并分离根部样本，清洗后用数字扫描仪(V700 photo，EPSON，Japan)保存完整的根系图像，再利用根系分析软件WinRHIZO-Pro对根长、根表面积、根体积和根平均直径进行分析。

1.3 数据处理

水质各参数用Excel 2021进行分析处理后用Origin 8.0进行作图。采用独立样本t检验(SPSS 13.0)在0.05水平下比较D1沟和D2沟的植物生物量、组织养分含量和根系形态。

2 结果与分析

2.1 黑麦草草帘的前期培养

由表2可以看出，在同样的外加土质量下，与草帘A相比，草帘B黑麦草的出苗率、株高、生物量及叶绿素含量分别增加了5.7%～32.4%、42.6%～59.8%、20.9%～66.6%和38.9%～57.0%。

表2 不同处理组黑麦草生长状态及生理指标差异

Table 2 Growth status and physiological indexes of ryegrass in different treatment groups

处理组出苗率/%株高/cm生物量/g叶绿素含量/(mg·g-1)根系活力/(mg·g-1·h-1)A-327.7±5.3c12.9±2.9d6.47±1.88c1.00±0.15bc0.43±0.01aA-443.3±14.4bc14.2±3.8d8.58±3.09bc0.93±0.14c0.22±0.01bcA-539.8±5.0bc14.4±2.9cd11.33±0.40abc0.98±0.21c0.18±0.01cB-336.7±3.6c18.4±3.8bc7.82±1.68bc1.38±0.09ab0.24±0.01bB-445.8±19.2ab21.6±3.8ab14.29±3.89ab1.46±0.17a0.11±0.01dB-544.1±6.3a23.0±4.1a17.29±5.56a1.42±0.10a0.12±0.04d

同一列数据后英文小写字母不同表示不同处理间某指标差异显著(P<0.05)。

B-5处理的株高、生物量最高，分别为23.0 cm和12.29 g，B-4处理的出苗率与叶绿素含量较高，分别为45.8%与1.46 mg·g-1。流水试验优选B-5型黑麦草草帘重新培养后投入使用。

2.2 流水试验

2.2.1水体氮的去除效果

由图2可以看出，在低氮浓度进水阶段，3个处理组对NH4+-N的去除率为24.1%～65.3%，拦截净化效果优于TN(11.7%～25.2%)。对照组对TN的平均去除率为22.3%，略高于D1(19.7%)与D2(15.0%)，但各组间及各水层间无显著差异。草帘浮床处理对NH4+-N的去除率较高，最大值出现在D1的上层水，显著高于无植物的对照组。D1、D2和对照组对NH4+-N的上、中、下水层平均去除率分别为56.8%、40.5%和25.6%。对照组对NO3--N的去除率可达16.7%～25.3%，显著高于D2。

D1—进水流量为2.5 L·min-1，D2—进水流量为5.0 L·min-1。

高氮浓度进水阶段各处理组的氮去除率如图3所示。

D1—进水流量为2.5 L·min-1，D2—进水流量为5.0 L·min-1。

3条沟渠对TN与NH4+-N的去除率分别达8.7%～20.2%与29.4～48.3%，较阶段1均有所下降。对照组对TN的平均去除率为17.6%，略高于D1的13.2%与D2的13.1%，但未达显著差异。D1、D2和对照组NH4+-N的上、中、下水层平均去除率分别为44.6%、32.5%、33.7%。D1、D2组对NH4+-N的平均去除率分别较低氮浓度阶段降低了21.5%和20.8%，而对照组则增加了28.7%。高浓度阶段D1、D2中NO3--N有上升趋势，对照组去除率可达18.7%～27.1%，各处理组间差异不显著。

2.2.2沟渠水质参数的变化及与氮去除的关系

相关性分析显示，在沟渠各项水质参数与氮去除的关系中(表3～4)，阶段2时TN去除率与水质参数之间相关性最好。由表3可知，高氮浓度时水温、DO浓度与TN去除率均呈显著正相关(P<0.05)，R2值分别达0.998与1.000；TN去除率与pH值呈极显著正相关(R2=0.995，P=0.009)，与EC呈显著负相关(R2=-0.997，P=0.036)，与COD呈负相关(P=0.052)。

表3 水质参数与TN去除率的相关性分析

2.2.3植物生物量及根系形态

在每个试验阶段开始及结束时对黑麦草植株地上部分进行采集刈割，测量其地上部生物量及氮、磷含量，并在实验结束后对黑麦草进行收获。由表5可以看出，阶段1时，黑麦草有较好的长势，D1与D2的地上部生物量较第1次刈割分别上升47.2%与27.9%，在最后收获时又有所下降。在整个试验期间，植物地上部的氮、磷含量均有不同程度下降。植物根系扫描结果显示：(1)试验期间D1的根系体积和直径变化不大，根系长度和表面积分别下降了21.8%与14.9%。(2)D2组根系长度、表面积和体积分别增加36.9%、42.4%与48.5%。试验中期D2组黑麦草根系活力较低，在初始和收获阶段D1和D2黑麦草根系活力差异不大(表6)。

表4 水质参数与NH4+-N去除率的相关性分析

表5 植物生物量变化

表6 黑麦草根系形态与根系活力变化

3 讨论

3.1 黑麦草草帘浮床对不同负荷污水的净化效果

沟渠受污水体中氮的输出方式十分多元：硝态氮和铵态氮是植物生长发育过程中需要的主要无机氮源[12]，植物吸收后通过刈割离开水体；通过微生物主导的硝化与反硝化作用，NO3--N以N2或N2O 的方式排出；此外，还存在厌氧氨氧化过程，以氨为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，最终产生N2，离开水体等。水生植物对不同的营养盐环境会有不同的生理响应。常宝亮等[13]研究发现，一定程度的N、P浓度对植物的生长具有促进作用，而在高浓度下植物生长受到一定程度的抑制，不过黑藻、苦草仍对水体TN有较好的净化功能，具有较好的适应性。黑麦草草帘在TN浓度较低时对水体中氮的去除效果优于高氮浓度，可能黑麦草草帘在高氮浓度时生长受到了一定的胁迫。

温度是影响植物生长的重要因素，作为一种冷季型草本植物，黑麦草在寒冷的冬季也可正常生长，水体TN去除效率与水温存在正相关关系(表3)，说明在一定范围内温度升高有利于植物和微生物的生长代谢，故氮的去除得以增强。研究表明，DO是反硝化脱氮的重要限制因子，在缺氧状态时NO3-和TN浓度处于下降趋势，DO较高时NO3--N和TN降解趋于停滞[14]。草帘浮床沟渠ρ(DO)为3.43～7.22 mg·L-1，始终低于对照(8.21～13.44 mg·L-1)，在一定程度上制约了处理组沟渠反硝化作用，更多的NH4+-N得到转化造成了NO3--N累积，使得TN去除率较低(表3)。黑麦草在预培养初期较快达到株高50 cm的刈割阈值，在阶段1结束时就具有较高的生物量。流速较高的D1沟渠中黑麦草接纳了更多的氮、磷养分，因此其生物量增长较快(表5)。试验中黑麦草地上部氮、磷含量呈现稳定下降的趋势，这一现象与金树权等[15]对香菇草、水芹等水生植物净化富营养化水体时体内氮、磷含量变化相一致，可能与初期黑麦草生长状态较佳有关。

有研究表明，水力学性能对氮的传输和转化有较大影响。在层流状态下(流速<0.93 m·min-1)，随着流速的增加，明渠中氨氮的去除速率缓慢增加，硝态氮的产生速率增加，有机氮和总氮浓度下降；在较低的流速下，更多的总氮被去除[16]。D1和D2处理氨氮和硝氮的变化规律与之一致，黑麦草对NH4+-N的亲和力较高，具有优先吸收NH4+-N的趋势，可能与植物对2种离子的运输反馈机制差异及硝化细菌等微生物活性有关[17]。不同流速的2条沟渠各水层TN、NH4+-N浓度均未达到显著差异，可能因为试验沟渠中水体流速较慢，流动状态较为稳定所致(流速分别为0.003 1和0.001 9 m·min-1)。

水生态系统中，氮可通过微生物硝化反硝化，植物和微生物吸收等作用得以去除，而底部缺氧和厌氧的环境更有利于这一过程的发生[18]。研究表明，种植芦苇的沟渠系统在接纳模拟农田排水时底层水体对NH4+-N的去除率高于上层水体，氮的去除表现出一定的分层效应[19]。沟渠对氮的去除效果与之有所不同，低氮浓度进水阶段D1处理上层水体对TN和NH4+的去除率较高，但没有达到显著性差异。这可能是因为黑麦草草帘浮床位于沟渠水面上，优先吸收利用沟渠上层水体中的氮、磷等营养盐，而田间沟渠或人工湿地中的植物可吸收沉积物中的营养物质。

3.2 植物根系对氮去除的影响

大量研究表明，水生植物在面源污染控制中发挥重要作用，而不同植物因其生长特点不同，对水体中氮、磷等营养物质的去除能力也不同[20-22]。湿地植物的根系在氮、磷等污染物的去除中发挥着重要作用。一方面可以吸收吸附污水中的营养物质，其吸附能力与植物的根系发达程度有关[23-24]；另一方面，植物根系的生长能够穿透介质形成网络，增强介质的水分运输与对污染物拦截去除能力[25]。此外，水生植物通过根系泌氧，会在根表面形成好氧、缺氧和厌氧区，有利于好氧、异氧微生物的生长代谢[26]，促进硝化、反硝化的进行。

植物在生长过程中会向介质释放低相对分子量的有机物质、根细胞脱落物及高相对分子量的黏胶物质等[27]，这些根系分泌物能够改变根际周围的微生物数量及群落结构，进而促进对污染物的分解转化。同时，植物根系也可以通过直接吸收营养物质以及根系分泌物的絮凝吸附作用达到对污染物的去除。李永进等[28]研究发现，常见的湿地植物具有发达的根系、生长量大且根系氧化能力强的特点，艾蒿、苔草、水芹对水体中氮、磷的去除率大于芦苇和菖蒲。徐德福等[29]研究也表明，生物量高的植物对氮的吸收和去除能力也较强。该研究中低氮浓度进水阶段黑麦草地上部生物量增长较快，高氮浓度进水阶段有所下降，这与对氮去除率的变化是一致的。与此同时，黑麦草根系长度、表面积和体积没有显著性变化，这说明试验中氮去除与黑麦草生物量变化关系较大，而黑麦草更适应低氮浓度的生长环境。与此同时，作为基质的细土及草帘能够为黑麦草的生长提供一定的碳源，这有助于黑麦草在低碳氮比农田排水中生物量的累积。

3.3 应用潜力

秸秆草帘常作为护坡材料覆盖于土壤表面，以减少土壤流失的发生[30]。在草帘的培养阶段可适当添加椰丝、竹丝材料或加密草帘平面结构，减少细土的添加以防止其流失。同时需要注意的是，秸秆在水中浸泡后会分解释放出一定的有机物质，有可能引起水体COD的上升。前期研究表明，将草帘浮床用于低浓度污染水体净化时COD会升高，但不超过30 mg·L-1，这主要是由于黑麦草的吸附和吸收作用[9]。D1和D2处理中COD均值分别为27.8和20.0 mg·L-1，略高于对照，满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》规定的Ⅳ类水要求。秸秆草帘作为一种固体纤维素碳源，适当补充可缓解水体由于有机碳源不足产生的硝氮、亚硝氮积累，有助于反硝化脱氮的进行[31]。

研究表明，物种较多的区域更能利用环境中的生态位机会，因而能吸收、捕获更多的氮磷等资源[32]。目前，该研究中黑麦草草帘的物种还比较单一，未来可补充其他草种类型，如冬季可生长的苔草、紫花苜蓿等，混合撒播培育生态草帘，以增强其环境适应性；亦可将冷、暖季节草种搭配种植，以延长草帘浮床的服务时期。现阶段流水条件下，黑麦草草帘对农田排水NH4+-N去除率可达到56.8%，对NO3--N几乎无去除作用甚至有部分累积，对TN的去除效果较差。针对这一问题，今后可在沟渠末端安装强化除氮反应器，对NO3--N进一步拦截净化，提高出水水质。

4 结论

研究优化了黑麦草草帘的培养技术，并探讨了不同水力停留时间与氮负荷下黑麦草草帘浮床系统对氮素的拦截效果，结果发现：

(1)培养试验中，B-5草帘培育出的黑麦草长势最好，与A-5草帘相比，其出苗率、株高、生物量及叶绿素含量分别增加10.8%、59.7%、52.6%、44.9%。

(2)流水试验中，黑麦草草帘浮床的水面覆盖率约为47.6%。黑麦草草帘在水力停留时间较短、氮负荷较低的水体中具有更好的表现，对NH4+-N的去除效果明显，而对NO3--N和TN的去除效果有限。

(3)试验表明，温度高更有利于氮的去除，而较高的DO浓度则会促进NO3--N的形成从而导致累积。草帘浮床中黑麦草生物量较大时对低氮浓度污染水体氮去除效果最佳。今后可考虑进一步优化草帘育苗技术或将草帘浮床与其他强化除氮技术联用来净化冬季农田排水，以提升氮的去除。