人工生态池对稻田排水的减污效应分析

许 怡，曾艳丽，刘敏芝，刘 天，张 轩，吴 巍，周星池

（1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029； 2.上海市青浦区水文勘测队，上海 201700；3.宁波市鄞州区农村水利管理中心，浙江 宁波 3151003； 4.宁波市水务设施运行管理中心，浙江 宁波 315043）

0 引 言

水稻是太湖流域种植面积最广的粮食作物，由于稻田排水含有大量的氮、磷等营养物质，如果直接排入河湖会对水体造成污染，稻田排水面源污染已经成为农业面源污染的主要来源［1］。通过生态沟渠、人工湿地以及人工生态池等方法将稻田排水进行拦截和过滤，再排入河湖中，可以有效地减少污染物进入河道，减少农业面源污染［2-4］。潘乐等［5］在湖北漳河灌区采用塘堰湿地对稻田的氮磷污染去除效应进行了研究，结果表明，塘堰湿地对于TN、TP的整体去除率分别为45.88%和44.20%；刘馨井雨等［6］通过试验得出生态沟、现有湿地及人工湿地对水质净化的贡献率分别为2.9%、30.3%和66.8%；孙宁宁等［7］运用了稻田节水灌溉-田间排水草沟-塘堰湿地-生态骨干排水沟“四道防线”系统对稻田排水中的氮、磷等元素进行净化作用，结果表明灌区水环境改善效果明显。除了沟渠、塘堰、湿地等自然净化系统，人工生态池也具有良好的水质净化作用，它是人为建造并加入原生态系统中的小型人工湿地，可以选取指定位置，通常以水泥砂浆砖砌与四周土壤隔绝开来，但是由于造价较高，在稻田排水的净化中的研究和应用较少。由于生态池的形状较为规则，进水排水易于控制，因此非常适合按预期的排水效果进行设计，但不同水生植物对于稻田排污的净化效果尚缺乏定量研究。目前，对于不同水生植物的净化能力有许多研究［8-10］，不同水生植物对于不同污染物的净化效果也有所区别［11，12］。为了探明不同水生植物及人工生态池对于稻田排水的净化作用，选取了浮水植物（菱角）、挺水植物（荷藕、菖蒲）、沉水植物（黑藻）进行了试验，以期为太湖流域稻田排水的污染物净化处理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在上海市青浦区水利技术推广站内开展，试验站地理坐标为121°7'N，31°12'E，海拔2.6 m。试验区属亚热带季风气候，年平均气温16.1 ℃，最热月均气温27.8 ℃。多年平均降雨量1 104 mm。年均日照1 929 h，年均无霜期234 d，年均降雨日为134 d，汛期主要集中在6-9月。土壤质地为重壤土。试验站配有小型气象站，可以记录每天的降雨、风速、相对湿度、气温、日照时数、水面蒸发等数据。

试验站内人工生态池建于2009年，经过十多年的运行及自适应，生态池已经和周边的生态环境很好地融合。生态池占地总平面尺寸：25.0 m（长）×6.0 m（宽）×0.85 m（高），包括1个集水池、1个排水池以及4块可独立串联的人工生态池。每块区域长5 m，宽6 m，深0.85 m。生态池底部由防渗材料构成不透水层，不透水层上方为砂砾层（基质2），厚度20 cm，粒径5～8 mm；砂砾层上方为土壤层（基质1），厚度20 cm，粒径2～6 mm。各进水口和出水口均可独立控制。人工生态池的平面布置与剖面如图1所示。

图1 人工生态池平面布置与剖面图（单位：m）Fig.1 Layout plan and cutaway view of the artificial ecological pool

1.2 试验设计

本次试验选取不同的水生植物测定人工生态池的减污效果，每个生态池之间相互独立。由于生态池的规模有限，因此选取4种当地常见的且净污效果较好的水生植物进行对比。池1～池4依次种植菖蒲、菱角、荷藕和黑藻。人工生态池附近含有农业化学物质的稻田排水首先进入集水池，稍沉淀后进入进水渠，通过进水口独立进入每一个生态池中。场地内设有透明挡雨棚，可避免降雨干扰。

本次试验主要模拟水稻追肥后排水进入生态池的净化效果，肥料为尿素，排水时间为施肥后24 h。在接收稻田排水之前，生态池内水层候度控制在15 cm（水面距池底55 cm），水层高度达到25 cm（水面距池底65 cm）时停止排水。在生态池出水口处取水样测定排水前生态池内的污染物浓度，排水后每天下午16∶00取一次水样，观察污染物浓度的变化情况，连续取10 d。水样主要检测TN、NH4+-N两个指标。TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法进行测定，NH4+-N采用纳氏试剂分光比色法测定。

1.3 数据计算

各生态池气象条件相同，试验期间无降雨，日均气温24.6～28.5 ℃之间，日平均蒸发量约2.0 mm/d。TN、NH4+-N的去除率计算公式如下［13-15］：

式中：R为污染物的去除率；IC为进水时的污染物浓度，mg/L；OCi为第i天净化后生态池出水的污染物浓度，mg/L；Q为稻田排水进入各生态池中的水量，L。

2 结果与分析

2.1 TN净化过程分析

稻田污水排放后，不同水生植物所在生态池的TN浓度变化过程如图2所示，对于TN的去除率随净化天数的变化情况如表1所示。

表1 不同水生植物生态池TN的去除效果Tab.1 Removal effect of TN in different aquatic plant ecological pools

图2 不同水生植物生态池TN浓度变化Fig.2 Changes of TN concentration in different aquatic plant ecological pools

可以看出，所有生态池的TN浓度均在排水后第1 d达到了峰值，随后TN浓度呈逐渐下降趋势，最终逐渐接近排水前的浓度水平。但是不同水生植物的TN去除效率存在一定的差异，黑藻池和菱角池在净化第2 d TN浓度就有非常明显的下降，TN去除率约80%，随后黑藻池TN浓度呈逐渐缓慢下降趋势，到第10 d的TN去除率可以达到95.1%；菱角的TN浓度在第5～7 d有一些反复，随后逐渐降低，最终第10 d去除率达到90.3%。菖蒲池和荷藕池的TN浓度下降速度较为均匀，呈现逐渐下降趋势，菖蒲池的下降幅度略大一些，第10 d的去除效果也可以达到87.7%；荷藕池的净化效果略差，第10 d的去除效果为76.7%。

总体来说，不同水生植物对于TN的去除效果都较好，除了荷藕池外，其余生态池均能在净化后6 d左右达到85%以上的TN去除率，其中黑藻池的去除效果最快最好，净化4 d后即可达到90%以上的去除率。

2.2 NH4+-N净化过程分析

稻田污水排放后，不同水生植物所在生态池的NH4+-N浓度变化过程如图3所示，对于NH4+-N的去除率随净化天数的变化情况如表2所示。

表2 NH4+-N的去除效果Tab.2 Removal effect of TN in different aquatic plant ecological pools

图3 不同水生植物生态池排NH4+-N浓度变化Fig.2 Changes of TN concentration in different aquatic plant ecological pools

可以看出，和TN类似，所有生态池的NH4+-N浓度均在排水后第1天达到了峰值，随后NH4+-N浓度呈逐渐下降趋势，最终逐渐接近排水前的浓度水平。不同水生植物的NH4+-N去除效率存在一定的差异，菱角池在净化第2 d NH4+-N浓度就有非常明显的下降，去除率达到81.8%，在净化第4天达到90%以上的去除率，但是菱角池在净化后期出现了反复，最终第10 d去除率为88.4%。黑藻池的NH4+-N浓度下降也较快，同样在第4 d达到90%以上的去除率，随后呈缓慢下降趋势，最终第10 d去除率达到95.6%。菖蒲池的NH4+-N去除效果与黑藻类似，但在第7 d也出现了反复，最终第10 d的去除率达到92.7%。荷藕NH4+-N的去除效果与TN类似，呈匀速下降，但最终的第10 d的去除效果要好于TN，去除率达到93.3%。

总体来说，不同水生植物对于NH4+-N的去除效果都较好，除了菱角池外，其余生态池的第10 d NH4+-N去除率均优于TN。其中黑藻池的去除效果最好，净化4 d后即可达到90%以上的去除率，净化10 d达到95.6%的去除率。

3 结 论

通过人工生态池减污试验，选取不同的水生植物对稻田排水的净化作用进行研究。结果表明，人工生态池对于稻田排水有较好的净化效果。菖蒲、菱角、荷藕、黑藻对于污染物的去除效果都比较好，河藕、菖蒲等挺水植物对于TN和NH4+-N的净化速度稳定，但是短期（4 d内）净化效果不如黑藻和菱角。由于河藕生长旺盛，基本可以遮盖生态池，使得河藕池的温度一直处于较为稳定的状态，要略低于气温，因此净化的速率较慢，但较为稳定，由于生物量大，最终的吸收量也较大，如果净化时间允许，也是很好的生态池备选植物，这与吴军等［11］的研究结果相似。黑藻、菱角等对于TN和NH4+-N的净化速度比较快，去除率高，是较好的净化植物，但由于植物本身的生物体量较小，因此当灌区较大，排水量较多时的吸收净化能力还需要进一步的验证。

综上所述，对于短期的低浓度稻田排水，采用黑藻、菱角等沉水或浮水植物的净化效果最好，推荐在人工生态池中种植；但如果是能够保证较长的净化时间，河藕、菖蒲等生长茂盛的挺水植物的净化速度较为稳定，净化效果也能够满足要求。