不同时期生态沟对农业污水中氮磷沿程削减效应研究

方荣杰，邹传林，徐保利，代俊峰，张帅普，白凯华

（1.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林 541004；2.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西桂林 541004；3.桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西桂林 541004）

农业面源污染（包括农田径流、畜禽养殖排水、未经处理的农村生活污水等）将大量氮、磷带入受纳水体，污染河流、湖泊和水库［1-3］。面源污染已成为全球饮用水安全的一个明显威胁，控制农村地区的面源污染至关重要。

在大多数农村和偏远地区，集中式污水处理设施建设困难、花费大、负荷率不高，往往难以取得理想的效果。南方地区常见排水沟，可改造为生态沟，因其低成本和节省土地的特点被广泛使用［4-6］。农田生态沟具有线性湿地特性，不仅能调节农田生态系统水分和改变区域水文情势，在底泥/土壤吸附、植物拦截与吸收、微生物降解等作用下，还能截留净化农田排水污染物。鉴于生态沟在污水处理中的作用，人们对农田生态沟氮磷去除效应进行了大量研究。许高鹏、王志超等分别在平原区和寒旱区运用生态沟处理农田生态尾水，发现水力停留时间越长，水体污染物与排水系统接触越充分，对氮磷污染去除效果越好［7，8］。张燕等［9］在三江平原水田集中区生态沟研究中发现，植物生长期末茎叶营养物质向根部转移，通过适时收割生态沟植物可以将水中营养物质去除。当前研究多着眼于生态沟对农田排水中氮磷的削减效果，农村生态沟分布在村庄和农田周边，一般同时承泄着农村生活污水和农田排水。已有研究表明生态沟在处理农村生活污水也能取得一定成效［10］，但在气象和农事管理措施的影响下，不同时期生态沟排水来源差别较大，生态沟对掺混生活污水的排水氮磷削减效果及关键时期仍需进一步探究。

以广西兴安县兴安镇东村面源污染削减示范区为研究对象，定期观测示范区生态沟水质变化情况，分析不同观测期下各监测点氮磷浓度及其成分变化规律，分析不同观测期下生态沟各点位氮磷削减效果，探究生态沟对掺混生活污水的排水氮磷削减关键时期，以期为广西面源污染治理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于桂林市兴安县兴安镇东村面源污染削减示范区（N25°36′35″，E110°37′42″），包括村庄、景观水道、生态沟、柑橘田、稻田等功能区。生态沟由南至北贯穿示范区上下游。生态沟进水口上接东村，村中生活污水进入生态沟，沿程收集农田排水，最终出水排至北面灵渠［图1（a）］，村中沟道收集的降雨径流进入景观水道，溢流进入生态沟。观测区以柑橘、水稻（中稻）为主，分布少量蔬菜田和苗木。生态沟全长约150 m，由中段矩形堰分为上下两段，上半段生态沟浅而窄，为U 型断面且边坡变化不大，沟底坡降较小，水流较缓，夏秋季沟边坡草本植物生长茂盛，沟底长有苦草；下半段生态沟与上半段相比变宽变深，断面为梯形但尺寸、边坡变化大，坡降增大，沟底和边坡植物较少，水流速度快，边坡时有坍塌，水力条件较差（图1中矩形堰、出水口）。

1.2 实验监测与取样

于2019年5月-2021年4月，在东村开展监测试验。根据当地沟道水利连接关系和生态沟情况，在生态沟上游到下游分别布设进水口、草丛上段、草丛中段、草丛下段、矩形堰、出水口（以下分别简称为进水口、草上、草中、草下、矩形堰、出水口）6个监测点［图1（a）］，监测点尺寸如图1（b）所示。草上、草中、草下、矩形堰、出水口距离进水口的距离依次约为16、24、36、125、150 m，雨季进水口旁有稻田水流入沟中，矩形堰旁有柑橘田水流入沟中。在生态沟各监测点，研究区各功能区域（含景观水道、景观水道出水口、稻田和柑橘田）中采集水样。平均每月取样一次，用500 mL聚乙烯瓶取水样，24 h内在实验室完成测样，分别采用纳氏试剂分光光度法（HJ 535-2009）、紫外分光光度法（HJ/T 346-2007）、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636-2012）、钼酸铵分光光度法（GB 11893-1989），获取水样氨氮、硝态氮、总氮和总磷浓度。

图1 研究区监测点分布及监测点尺寸示意图Fig.1 Distribution and size of monitoring points in the study area

2019年8月24日，生态沟旁水稻处于抽穗开花期，田中水层较薄或无水；柑橘田灌水，撒施花生肥料，柑橘田有灌溉水流进生态沟，排水口水样呈浅棕黄色（图2），其余采样时间均无其他排水流入生态沟。

图2 雨季夏天采样实景Fig.2 Real scene of sampling in rainy season and summer

1.3 不同观测期划分及数据分析

为反映不同时期氮磷浓度及削减效率的差异性，将监测期划分为全监测期、雨季（5-10月）和干季（11月-次年4月）、季节（春、夏、秋、冬）3 个观测期。数据采用Excel 2010 和SPSS22.0统计和分析，不同时期氮磷浓度、占比、去除率均采用均值代替，氮素比例差异性采用单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同功能区氮磷浓度变化

研究区各功能区（景观水道、景观水道出水口、橘田水、稻田）氮磷平均浓度季节性变化强烈（图3）。各功能区全监测期氨氮、硝态氮、总氮、总磷平均浓度分别为2.941、2.642、8.597、0.390 mg/L，高于冬季和干季，但略低于夏季。景观水道氨氮浓度在秋季、冬季和干季均较高，且高于同时期各功能区浓度，景观水道出水口硝态氮在雨季和夏季高于其余时期。橘田水的氨氮、总氮浓度分别在全监测期、雨季、夏季显著高于其他功能区对应指标，而且春季硝态氮、总氮浓度在同时期中最高；全监测期稻田总磷浓度显著高于其他功能区，而且在春季和秋季浓度远高于其余时期。

图3 研究区各功能区不同时期氮磷浓度Fig.3 Nitrogen and phosphorus concentrations in different periods in each functional area of the study area

在整个监测期，景观水道、景观水道出水口、橘田水、稻田氨氮浓度占总氮浓度平均比例分别为0.622、0.208、0.315、0.253，硝氮浓度占总氮浓度平均比例分别为0.390、0.662、0.181、0.339。景观水道春季、秋季、冬季、干季氨氮为总氮主要的氮素形式；景观水道出水口监测点在春季、冬季节氨氮占总氮主要比重，而在夏季、秋季、雨季硝态氮占主要比重。橘田水在夏季、秋季、雨季总氮以氨氮为主，而在春、冬、干季以硝态氮为主；在春冬季节，橘田、稻田氨氮和硝态氮的比例之和占总氮不超过0.5。

2.2 不同观测期生态沟氮磷浓度变化

生态沟各监测点不同观测期氮磷浓度变化如图4 所示，全监测期内各点氨氮、硝态氮、总氮、总磷平均浓度分别为14.369、3.458、21.586、0.918 mg/L，高于雨季的5.367、4.389、13.285、0.580 mg/L，但略低于干季的26.712、2.259、33.005、1.366 mg/L。干季氨氮、总氮、总磷平均浓度均显著高于雨季，而硝态氮平均浓度则显著低于雨季。季节观测期上，秋季、冬季氨氮和总氮平均浓度分别为19.657、26.072 mg/L 和34.019、39.033 mg/L，显著高于春季和夏季；硝态氮平均浓度在夏季和秋季显著高于冬春季，且夏季氨氮和冬季硝态氮平均浓度均为对应指标各季节最低值，分别为2.801、1.059 mg/L。总磷浓度季节性变化与氮素不同，春季、夏季总磷平均浓度分别为0.559、0.253 mg/L，显著低于秋季和冬季。生态沟氮磷平均浓度显示出强烈的季节性变化。

如图4可知，生态沟上半段（进水口、草上、草中、草下）氮磷平均浓度在不同观测期上变化趋势一致，秋冬季和干季氨氮、总氮和总磷平均浓度均显著高于其余时期，其中矩形堰春季和雨季氨氮、总氮平均浓度明显低于其余时期，但冬季总磷平均浓度显著高于其余时期，春季次之。出水口春季氨氮平均浓度显著低于其余时期，总氮平均浓度各时期差别不大，硝态氮和总磷平均浓度各时期变化规律一致，春季显著高于其余时期，而且秋冬季和干季总氮平均浓度显著偏低。

图4 生态沟各监测点不同时间观测期氮磷浓度变化Fig.4 Variations of nitrogen and phosphorus concentrations in different periods at monitoring sites of ecological ditch

2.3 不同观测期生态沟氮素组分变化

生态沟各监测点不同观测期氨氮和硝态氮浓度占比如图5所示。由图5 可知，整个监测期生态沟沿程各点浓度NH4+-N/TN 平均在0.19～0.74 之间，上半段NH4+-N/TN 均超过0.70，明显高于下半段；监测点浓度NO3--N/TN 在0.11～0.31 之间，显著低于氨氮，而且上下游各点NO3--N/TN 差别不大，说明全监测期内生态沟出水口氨氮浓度比例低于进水口，而硝态氮浓度占比则上升明显。各监测点干季NH4+-N/TN多大于0.8，其中草下最高（0.88），出水口最小（0.41）；雨季NH4+-N/TN 在0.22～0.47 之间，显著小于干季；各点NO3--N/TN 变化与NH4+-N/TN 相反，除出水口外，各点干季NO3--N/TN 显著小于雨季，说明干季进水污染物氮素类型以氨氮为主，雨季硝态氮比例上升，但仍略低于氨氮比例，进水污染物氮素在生态沟中迁移转化，出水口氨氮浓度比例下降显著，而硝态氮浓度比例有所上升。

图5 生态沟各监测点不同时间观测期氨氮和硝态氮浓度占比Fig.5 The average ratios of NH4+-N and NO3--N concentration to TN concentration in different periods at monitoring sites of ecological ditch

季节观测期上，各监测点秋季、冬季NH4+-N/TN 分别在0.50～0.90 和0.60～0.90 之间，显著高于春季和夏季的0.04～0.50、0.22～0.37；NO3--N/TN在夏季最高（0.23～0.66），明显高于其他季节（图5），说明秋冬季进水污染物氮素以氨氮为主，而夏季以硝态氮为主，其余时期硝态氮比例虽然有所上升，但仍显著低于氨氮。由图5 可知，各监测点春季（NH4+-N+NO3--N）/TN 在0.36～0.85之间，显著小于其余三季，而且其他观测期差别不大，说明除春季外，生态沟各点氮素以氨氮和硝态氮为主；不同观测期（NH4+-N+NO3--N）/TN 基本沿生态沟由上游到下游逐渐降低，其中夏季、雨季和全监测期降幅较大，分别下降29.92%、31.45%、28.76%，说明这两种氮素在生态沟的输移中发生转化，而且这一转化过程在夏季和雨季更为强烈。

2.4 不同时间观测期生态沟氮磷削减效率变化

为反映生态沟的削减效果，计算生态沟不同监测期各监测点的平均单位去除率（每米的削减效率值），结果如表1 所示。整个监测期生态沟对进水污水中氨氮、硝态氮、总氮、总磷的平均单位去除率分别在0.31%～1.10%、0.07%～1.69%、0.31%～1.07%、0.30%～0.91%之间。全监测期内生态沟对氨氮沿程去除率最高，总氮、总磷次之，硝态氮最低。氨氮、总氮在生态沟草上处削减效果最好，平均单位去除率分别为1.10%、1.07%，草中去除率次之；硝态氮、总磷在草中处削减效果最好，平均单位去除率分别为1.69%、0.91%，草上处削减效率次之。

表1 不同时期生态沟沿程各点相对于进水的氮磷单位去除率 %Tab.1 Nitrogen and phosphorus unit removal rate relative to the influent of each point along ecological ditch in different periods

生态沟在干季和雨季对氨氮、总氮均削减效果较好，且在雨季对氨氮削减效率高于总氮。对于硝态氮，干季去除率沿程降低，下半段降为负值；雨季沿程去除率均为正值，且在草中达到最好的削减效果，平均单位去除率为1.67%。以上结果表明，生态沟沿程均对氨氮和总氮具有明显削减效果，且上半段削减效果更好，上半段的平均单位去除率远大于下半段。生态沟干季总磷削减效率沿程降低，雨季在草中处削减效果最好，但草上和出水口去除率为负值，说明生态沟上半段对总磷具有削减效果，下半段沿程没有起到削减效果，反而成为总磷的污染源。

季节观测期上，秋季、冬季沿程各点氨氮去除率均先降低后升高；夏季生态沟上半段去除率为正值，下半段降为负值。各季节总氮去除率在生态沟上半段均为正值，说明各季节生态沟上半段削减效果较好，而且秋季生态沟出水口去除率远高于矩形堰（负值），说明秋季生态沟下半段对总氮削减效果好。硝态氮在草上、草中两处的四季平均去除率均为正值，春冬季节草下处以下去除率为负值，但出水口去除率相对矩形堰有所升高，说明春冬两季草下至矩形堰段向水中释放硝态氮，但矩形堰以下沟段对硝态氮仍有一定的削减效果；夏秋季硝态氮去除率多为正值，但出水口削减效率低于矩形堰，说明夏秋季下游沟段向水中释放硝态氮。总磷在春秋两季去除率均沿程降低，但秋季总磷在出水口的单位去除率达到了0.56%，冬季总磷单位去除率均为正值，说明秋冬季排水对总磷削减效果最好；春季生态沟上半段总磷单位去除率均为正值，但下半段去除率降低且均为负值，说明春季对总磷的削减由生态沟上半段完成，而下半段则向排水中释放磷素；夏季总磷去除率均为负值且沿程降低，说明夏季生态沟未能发挥削减作用，而且向排水中释放磷素，加重了总磷流失。

3 讨 论

为满足水功能区要求，研究区地表水水质需不低于中国地表水环境质量标准（2002）III类水标准［11］，即氨氮、总氮、总磷浓度分别需控制在1.0、1.0、0.2 mg/L 以下。监测期间生态沟出水口相对进水氮磷浓度显著下降，但氨氮平均浓度为5.62 mg/L，超标率达到62.3%；总氮平均浓度为15.26 mg/L，超标率达到100%；总磷平均浓度为0.67 mg/L，超标率为38.5%。监测期间硝态氮平均浓度为3.57 mg/L，低于世界卫生组织规定的饮用水标准［12］（10 mg/L），但有2 次取样超过该限值且最大浓度达到15.94 mg/L。研究区排水氮磷多超过地表水III 类水标准值，会对下游灵渠水环境产生严重威胁。

不同时期和气象条件下，农田管理措施差别较大，导致监测点氮磷浓度及氮素组成变化较大。干季和秋冬季降雨较少，降雨径流和农田排水均较少，进水口氮含量较高的生活污水以及田间侧渗成为这一时期主要污染源，导致氨氮、总氮浓度显著高于其他时期（图4）。雨季和夏季降雨多、强度大，而且农田排水较多，但农田水氨氮和总氮浓度显著低于生态沟（图3），起到稀释作用，氨氮和总氮浓度显著降低。生态沟上半段监测点总磷浓度在秋季最大，下半段在春季最大，这可能与其来源有关：秋季，橘田因施用磷肥促进果实成熟，橘田水排入生态沟导致沟中总磷浓度升高；春季，生态沟中水主要来源是生活污水，生活污水排入沟中，沟中植被尚未长出，对总磷基本无削减效果，因此使下半段总磷浓度升高。

氮是沟渠生态系统最活跃的元素之一，在不同环境条件下氮的形态会发生转变。生态沟沿程各点氮素主要由氨氮和硝态氮组成，而且大部分时期以氨态氮为主，但其浓度及比例均沿程降低，硝态氮浓度沿程缓慢增加（图5）。氨氮输移过程中经氨化挥发、带负电土壤颗粒吸附以及硝化作用，水中氨氮含量及其比例降低。夏季NO3--N/TN 偏高，这可能是因为在夏季高温天气情况下，生态沟中硝化细菌在有氧条件下将氨态氮大量转化为硝态氮，这一结论与已有研究结果一致［13，14］。

在干季和秋冬季，生态沟对高浓度氮磷拦截效果较好，干季和秋冬季沟内流量较低，延长了水力停留时间，基质吸附、植物吸收和微生物降解作用相对增加，从而提高氮磷去除效果。另外，高浓度氮磷使水体由上而下形成浓度梯度，有利于上覆水中氮磷向底泥扩散，供底泥微生物吸收和利用［7］，同时促进植物对氮磷吸收。雨季和夏季生态沟排水流量较大，高流量排水生态沟使水力停留时间变短，甚至会将硝化细菌等微生物随水流带出生态沟系统，从而降低氮磷削减效率。不仅如此，大流量排水还会冲刷边坡，搅动底泥释放污染物，增加排水中颗粒性污染物，使生态沟成为污染排放源，导致夏季总磷、总氮和氨氮在下半段单位去除率为负（表1）。

4 结 论

（1）生态沟氮磷浓度显示出强烈的季节性变化，各监测点干季和秋冬季的氨氮、总氮、总磷浓度显著高于其他时期，而硝态氮则相反；监测期进水氨氮和硝态氮浓度占总氮浓度的比例显著高于出水口，而且各观测期氨氮浓度比例均显著高于硝态氮。

（2）监测期内生态沟沿程削减效果明显，平均单位去除率均为正值，氨氮、硝态氮、总氮、总磷的单位去除率分别在0.31%～1.10%、0.07%～1.69%、0.31%～1.07%、0.30%～0.91% 之间。干季生态沟下半段氨氮、总氮和总磷削减效果更好，而雨季成为氨氮和总氮的污染源；干季生态沟对硝态氮削减效率沿程降低，雨季在草中的削减效果远大于其他监测点，平均单位去除率为1.67%；生态沟干季总磷削减效率沿程降低，雨季在草中处削减效果最好，但草上和出水口去除率为负值。

（3）秋冬季沿程各监测点氮去除率均先降低后升高，削减效率在生态沟下半段有上升趋势；夏季生态沟上半段去除率为正值，下半段降为负值。各季节总氮去除率在生态沟上半段均为正值，出水口秋季去除率远高于矩形堰。硝态氮夏秋季节平均去除率均为正值，春冬季节草下处以下各点单位去除率为负值，但出水口去除率相对矩形堰有所升高。总磷在春秋两季去除率均沿程降低，但在秋季的总磷在出水口的单位去除率达到了0.56%，冬季单位去除率均为正值。