不同排水模式下农田污染物消纳规律研究

房 凯，李 磊，周国胜，王彦东，武 鹏，王中文，刘亮军，丁继辉

（1.江苏省宿迁市节约用水管理服务中心，江苏宿迁 223800；2.江苏省宿迁市水利局，江苏宿迁 223800；3.河海大学农业科学与工程学院，江苏南京 210098；4.江苏省宿豫区水利局，江苏宿迁 223801）

0 引言

灌区是我国粮食安全的基础保障、现代农业发展的主要基地、区域经济发展的重要支撑、生态环境保护的基本依托［1］。在以往的生产经实践中，由于客观条件有限，灌区本身的建设与经济效果得到了有效保证，但灌区的环境质量在某种程度上得不到足够的重视，这是当下我国部分灌区面源污染严重的重要原因。目前，全国用水总量约有60%用于农田灌溉。《第一次全国污染源普查公报》数据显示，农业生产造成的化学需氧量、总磷、总氮排放分别约占全国总排放的44%，38%和59%［2］。因此，灌区排水已成为了江、河、湖、库水体污染的主要污染源，不仅影响灌区生产的农产品的质量，危害居民健康，而且威胁区域水环境质量［3］。

作为农田排水的通道，灌区排水沟、塘、湿地在控制农业非点源污染等方面意义重大。目前，大量的活化氮主要是通过径流进入沟道系统［4］。以美国东北部为例，有高达65%的农业非点源氮通过径流进入沟道系统［5］。近年来生态沟道在农田排水中应用广泛，主要通过沟塘及其配套建筑物拦截径流和泥沙，并利用植物系统滞留和吸收氮磷，实现生态拦截氮磷的功能［6-9］。顾斌杰等［10］人研究表明，弯曲的沟渠可为沟渠内的物种提供适宜的生长环境，与直线河流相比，弯曲沟渠拥有更复杂而完备的动植物生态系统，沟渠通道的断面形式多样化，利于形成滩地生境。孙宁宁等［11］通过“稻田节水灌概-田间排水草沟-坑塘湿地-生态骨干排水沟”系统处理污染，形成在源头上控制、在输移过程中消减的综合田间灌排模式来处理农业面源污染。李林娜等［12］人于2010年在淳东灌区通过对“湿地一水塘一地下灌排综合水管理系统”（Wetland Reservoir Sub-Irriga‐tion System，WRSIS）改进湿地子系统实际运行过程的分析，对WRSIS 改进湿地子系统在水旱轮作条件下对农田排出水的净化效果进行试验，验证了该系统湿地在淳东灌区对农田排水净化、农业面源污染减少上是成功的。目前，有关农田沟道系统去除面源污染研究，主要针对大尺度沟道的作用，对农沟、相关节制闸、坑塘等小尺度田间设施作用的相关研究不多，并且鲜有研究探讨不同排水模式下农田污染物的消纳规律。本研究以宿迁市宿城区运南生态灌区为研究对象，结合实地取样实验分析灌区不同排水模式下农田污染物的消纳规律。研究成果可为该区域农业面源污染防控、地表水市控以上断面优于Ⅲ类水质目标的实现及建设规划提供技术支撑。

1 研究区概况

本项研究以运南灌区为研究对象。运南灌区主要位于宿迁市宿城区，北至大运河，南部与洪泽湖相连，向北到中运河东与淮阴区相接，向西与泗洪县、宿豫区相连（见图1），原设计灌溉面积51.75 万亩。研究区气候属于暖温带季风性气候，光热资源比较优越，四季分明，气候温和，具有明显的季风区气候特点。年均降水量892.3 mm，年平均气温14.1 ℃，一年之中1月份为全年最冷，月平均气温为0 ℃，极端最低温度为-23.4 ℃；7 月份最热，月平均气温为26.8 ℃，极端最高温度为40 ℃。年均日照2 315 h，无霜期较长，平均为211 d，该区地形总体上属黄淮平原，土质条件是深厚的黄潮土，农耕文化悠久，全年作物生长期为310.5 d，水田、旱地作业并存。年际降水变化较大，且年内分布不均，易形成春旱、夏涝、秋冬干的天气，加之长期以来一家一户的耕作模式，水稻灌区大灌大排，容易造成水资源浪费。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

（1）代表性排水系统的选择：由于面源污染物的产生在空间上具有差异性，为确保气候、施肥、灌溉、播种水稻品种等客观条件基本相同，以运南灌区的古山河一侧为研究区域。根据闸口布置、末级沟道规格以及不同级别沟道之间搭配布置的不同，从上游到下游依次选择了三种排水系统，分别为沟闸调蓄系统（系统一），即农沟、斗沟、支沟均有控制闸，支沟尺度为三条支沟内最大、水量最多；田沟直排系统（系统二），即农沟、斗沟、支沟出口均未配置闸门，自由排水；有闸无农沟系统（系统三），即田间毛沟直排斗沟，其支沟在灌溉季节沟内水流较少、未能完全流满沟底。此外，依次在农沟、斗沟、支沟及干沟沿程布设若干个水质监测点，共布设了43个监测点在三个排水系统内（图2右图）。

图2 古山河取样点示意图及分布图Fig.2 Schematic diagram and distribution of sampling points of Gushan River

（2）样品采集：于2019 年5-11 月对研究区各代表性系统各监测点位的水质进行了连续监测，为消除降雨条件的影响，选择了不同级别的降雨条件，且在每次降雨后的第一天进行水样的采集（表1）。当沟中没有明显径流时，至沟道中的积水洼地用50 mL 医用注射器多次抽取水样，但吸管头部不触及底泥部分，吸水尽量选取相对稳定的区域；沟中有径流、但水不深，或沟上部不好直接扔取水器时，下到沟边用手将空瓶水平放入水中取样。取水前先用沟中水润洗空瓶2～3 次，防止瓶子中有干扰物质；沟中水深足够、且水面较宽时，将取水器抛入水中，分岸边、河中部表层、河中部中层三处取样。在农沟的上、中、下游各取1 瓶，在斗沟、支沟的上、中、下游各取3 瓶，并在古山河干沟与3 个系统支沟交会处各取3 瓶水样。在理想情况下，灌溉季节有稳定排水时各沟道内形成径流，每次总共需要采集样品63瓶。为防止水样在运输途中因温度过高而出现变质情况，水样瓶放置在有冰袋的保温箱中。全部取样工作在一个白天内完成，晚上回到实验室立即将水样放进冰箱进行保存待测。

表1 取样日期及前一天天气情况Tab.1 Sampling date and weather conditions of the previous day

经实地调研得知当地水稻种植为单季稻，施肥情况为每年每亩水稻田基肥施25 斤尿素（CH4N2O），25 斤碳铵（NH4HCO3），10斤钾肥，返青分蘖肥25斤尿素，二次分蘖肥25斤尿素。由此可知，该灌区的面源污染输入以氮元素为主。结合面源污染的相关研究，本实验选取了氨态氮、硝态氮、总氮、总磷、化学需氧量等五个指标进行测试研究。氨态氮测定采用纳氏试剂分光光度计法；硝态氮测定采用氨基磺酸紫外分光光度法；总氮测定采用碱性过硫酸钾紫外分光光度计法；总磷测定采用过硫酸钾消解法、钼锑抗分光光度计法；化学需氧量（COD）测定采用高锰酸钾滴定法。

3 结果与分析

3.1 不同排水模式下农田污染物时空变化规律

3.1.1 不同排水模式下农田污染物的变化规律

根据对3 个排水系统的水质取样测试，计算并分析了排水系统污染物浓度的变化规律（见图3～5）。比较3 种排水系统发现，各级沟道污染物随时间持续表现出减小—增长—减小—增大的趋势。5-6 月各级渠沟COD、TN、NH4+-N、TP 浓度均有所减少，这是由于进入灌溉季节，灌溉水体和降雨对污染物浓度进行稀释导致的［13］；同时植物开始生长，对污染物具有一定的吸收消解作用［14，15］，使污染物数量减少。6-8 月各类污染物浓度均呈现上升趋势，可能主要原因是该地区6-8 月间会重施拔节孕穗肥［16］，而往往施肥不当便会导致农田及沟道污染物含量增加［17］；9 月灌区停止灌溉，排水量大幅减少，农田流失的各类污染物减少，使得沟渠水体中各类污染物浓度也相应地有所减少；10-11月由于取样前试验区持续性降雨，造成氮磷等污染物随径流流失，以及水生植物部分开始枯萎，植物体内氮磷等污染物释放进入水体和沟道底泥中，致使各级沟道中部分污染物浓度有一定程度增加。

由各类污染物浓度变化特征可知，COD、TN、NH4+-N、NO3--N、TP 在各级沟道中浓度整体呈自上到下逐级减少趋势（图3～5）。这说明排水沟道系统具有一定的抗冲击负荷能力，可以高效消纳和去除污然物［14］，阻止化肥和农药中的过多污染物直接从田间排向河流。此外，通过对比3 个排水系统内的不同污染物发现，沟道中氨氮浓度普遍要高于硝态氮浓度。这可能与农田施用尿素（CH4N2O）和碳铵（NH4HCO3）有一定的关系。大量氮肥的施用造成氨氮未被转化为硝氮就随水体流失，导致沟道中氨氮浓度含量高，硝氮浓度含量较低。出现这一现象的原因还与沟中水生植物吸收作用、反硝化作用以及闸门紧闭使水体在沟道中停留时间较长有关。然而，施肥和灌溉季节氨氮浓度的峰值均出现在干沟之前并没有向干沟迁移，这说明沟道对氨氮具有较强的截留消纳作用。此外，硝氮浓度较氨氮浓度起伏变化幅度较大，因为土壤胶体带负电而不容易吸附NO3-，对NH4+有较强的吸附作用，进而NH4+容易吸附到土壤或者汇入地下水中。

3.1.2 不同排水模式下农田污染物的差异

通过分析不同排水系统对农田污染物的截留净化效果发现，系统一截留净化污染物的效果最好，其次是系统二，最后是系统三（图3～5）。相比于系统一，系统二中污染物浓度变化幅度更低。主要原因可能是田沟直排系统各级沟道排水没有闸门控制，水体流速更快，农田排水在沟道中停留的时间更短，污染物截除程度更低。而系统三相较于系统一，各级沟道中污染物浓度均更高。主要原因是系统三缺少一级沟道对农田排水的截留净化作用，以及系统三支沟附近存在养鸡场导致点源污染的发生；并且系统三支沟较短，对污染消纳吸收效果不佳，致使污染物浓度较大。此外，系统三干沟取样点位于系统一和系统二干沟取样点下游，水体受到上游较低污染物浓度排水的稀释作用导致系统三干沟取点污染物浓度下降。同时系统三沟道受到养鸡场点源污染的影响，出现了部分下级沟道污染物浓度高于上级沟道污染物浓度现象，即“未去除”的现象。图5中，COD 浓度在5月和11月浓度较大，主要是因为系统三中斗沟内水生植物较多，植株枯萎残骸再次释放出氮磷等污染物导致浓度急剧上升［18，19］。

图3 系统一COD、TN、NH4+-N、NO3--N以及TP浓度时空变化规律Fig.3 Spatio-temporal variation of COD，TN，NH4+-N，NO3--N and TP concentrations in system I

图4 系统二COD、TN、NH4+-N、NO3--N以及TP浓度时空变化规律Fig.4 Spatio-temporal variation of COD，TN，NH4+-N，NO3--N and TP concentrations in system II

图5 系统三COD、TN、NH4+-N、NO3--N以及TP浓度时空变化规律Fig.5 Spatio-temporal variation of COD，TN，NH4+-N，NO3--N and TP concentrations in system III

3.2 不同排水系统消纳污染物的效果对比

3.2.1 不同排水系统污染物浓度差异分析

根据水质测样数据，分析对比不同排水系统的各级排水沟污染物浓度变化情况，将各系统初级沟道水质作为沟道系统的入口污染物浓度，将干沟水质作为出口污染物浓度。各排水系统不同污染物入口和出口浓度见图6。

由图6 可知，5 月份系统三COD 浓度显著高于其他两个系统，高于其他时间排水沟内COD 浓度。主要因为系统三沟道内存在大量丰富的水生植物残骸未被清理，而5月份降水少，拦水闸长期关闭，沟内水体流动性差，植株残骸原地腐烂释放出污染物，引发了二次污染。王晓栋［19］表明水生植物腐烂易造成水体二次污染，且腐烂过程及水质效应因植物种类和残体分解量而不同。此外，水生植物在腐败、被分解的过程中，同时要消耗大量的溶解氧，从而导致该进口COD浓度明显较高。

对比分析不同系统排水沟入口和出口污染物浓度（见图6），在7-8月施肥季节，系统一入口各污染物浓度显著高于另外两系统入口污染物浓度。这是因为系统一农沟末尾设置了节制闸，施肥产生的剩余污染物随灌溉水和降雨径流共同排入，水体流速缓慢，农田排水在沟道中停留的时间更长，导致系统一入口污染物浓度显著高于其他系统入口污染物浓度。系统一出口污染物浓度显著低于另外两系统出口污染物浓度，由于污染物在沟道中停留时间长而产生物理沉降，有利于水生植物对污染物充分吸收利用，因此系统对污染物消解能力更强。刘福兴［14］等就不同构造生态沟渠的农田面源污染物处理能力进行分析发现，沟底植草+沸石填料的生态沟渠对污染物的去除效率最高，这是因为填料不仅能吸附氮，还能减缓流速，便于沟底植被的充分吸收。同理，10月发生持续性降雨后系统一出口污染物浓度显著低于其他两个系统出口污染物浓度，说明施肥后受到雨水冲刷时，没有控制排水的沟道系统内污染物浓度更高。

图6 不同排水系统COD、TN、NH4+-N、NO3--N以及TP浓度差异Fig.6 Concentration difference of COD，TN，NH4+-N，NO3--N and TP in different drainage systems

3.2.2 不同排水系统对污染物去除效应分析

由图7 分析可知，6-8 月份系统一对污染物的去除率基本高于系统二和系统三。这是因为系统一为沟闸调蓄排水系统，沟道中配有节制闸门，相比系统二，农田排水被拦蓄在沟道中的时间更长，降低了流速。这有利于污染物物理性的沉降和过滤，有利于水生植物和微生物充分吸收利用，截留净化效果更好。相比系统三，系统一比系统三多了农沟系统，有更长的沟道系统，利于植物和微生物充分发挥截留消解污染物的功能，对水体的净化效果更好。Wang［20］等研究结果也表明，悬浮物的沉降以及基质和底泥的吸附是沟道除磷的主要途径。目前，大量研究结果表明［21-25］，水生植物逐渐成为净化水体水质的热点，主要通过直接吸收、根茎叶释氧及微生物降解等方式来实现。

图7 6-8月各系统对污染物去除率Fig.7 Pollutant removal rate of each system from June to August

通过对6-8月各系统对污染物去除率计算可知，6月3个系统对COD 去除率分别为20.3%、15.1%、10.3%，7 月分别为41.5%、31.3%、12.9%，而8 月分别为39.1%、22.1%、20.5%。6 月份3 个系统对COD 的去除率均不高，这是由于刚进入灌溉季节，植物大部分处于幼苗生长阶段，其根系不够发达，不足以充分发挥吸收污染物的能力。

3 个排水系统6-8 月对TN 去除率在27.3%～61.0%之间，对NO3--N 去除率在12.9%～59.9% 之间，对NH4+-N 去除率在29.2%～65.9%之间。氨氮是各种形态氮中去除率最高的，TP 去除率在17.3%～54.8%之间。整体上各沟道系统对氮磷有较好的截留净化作用，系统一的净化能力高于系统二和系统三。

4 结论

（1）各级沟道污染物随时间持续表现出减小—增长—减小—增大的趋势。各类污染物浓度在各级沟道中浓度整体呈自上到下逐级递减趋势。

（2）系统一的净化能力要高于系统二和系统三；系统三5月份COD 浓度显著高于其他两个系统，高于其他时间排水沟内COD浓度。

（3）整体上各沟道系统对氮磷有较好的截留净化作用，氨氮是各种形态氮中去除率最高的。在灌溉季节，7、8 月份农田排水沟道系统消纳污染物的效果最好。