人工湿地在农业面源污染治理中的应用研究进展

窦文婧

摘要 在湖泊水源地中，农业面源污染属于主要的污染源。近年来，我国农业在实践过程中，大量使用化肥，同时土地耕种强度相对较大，导致土壤内部营养物质流失严重。而各类污染物汇集，通过面源的方式进一步排入湖泊，使得湖泊污染极为严重，加上湖泊湿地自身生态环境相对脆弱，因此农业面源污染治理难度较大。为了使农业面源污染得到有效的治理，需要进一步应用人工湿地模式。此模式在面源污染治理中具有更好的效果。基于此，对当前人工湿地在农业面源污染治理中的实际应用进行了综合性探究，对其进展进行了详细分析。

关键词 人工湿地；面源污染；农业面源；污染治理

中图分类号：X52 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）07–0239-03

农业面源污染是当今农业发展面临的重要环境挑战之一。随着农业生产规模的不断扩大和农业活动的增加，农业面源污染对水体、土壤和生态系统产生了严重的影响。在这种情况下，人工湿地作为一种生态工程手段被广泛应用于农业面源污染治理，且取得了一定的成果。面源污染主要是污染物在不固定排放点进一步的以净流向水体内汇集，由此导致水体水质恶化。在实际中，农业面源污染源主要为农村的生活污水、农田用水以及禽畜的废弃物。这些污染物重金属含量较多，同时会存在农药残留和各种类型的磷氮物质。有关研究人员在研究中指出，在农业面源污染进一步恶化的情况下，此类污染成为当前地表水污染中极为重要的原因之一。对农业面源污染开展深入性的研究，并且对其进行合理的治理，同时要提高对水处理的关注。人工湿地能够有效模拟天然湿地生态系统，通过应用化学、物理以及生物等诸多方法，对于污染物进行降解，在实际应用过程中，主要会使用沉淀、过滤、吸附以及微生物分解等诸多方式[1]。就当前而言，人工湿地依照整体水流的实际方向，可进一步细化为潜流湿地、地表流湿地以及垂直流湿地等诸多内容，在各类湿地之中潜流湿地及地表流湿地的应用较为广泛。在20世纪人们便开始应用人工湿地，因为人工湿地在农业面源污染治理中的效果较好，且投资相对较少，管理更为便捷。为了对农业面源污染治理工作进行分析，此次研究进一步探讨人工湿地在农业面源污染处理中的实际应用情况，对其研究进展进行详细的分析。

1 农业面源污染的迁移转化与实际的降解

1.1 含氮物质的降解及氮循环

水体内部的氮污染主要来源于农业回流、地表水径流与生物固定。同时，会来源于大气干湿沉降等诸多方式。在当前下游水体污染中，农业径流是导致其水体出现严重污染的主要模式，水体内部的大类污染物主要为相应的氨态氮和硝态氮。实际的含量与土壤性质、矿化速率等具有密切的关系。依照实际的调查结果可以发现，面源污染水体的氮含量主要为硝酸盐，而实际的氨氮与有机氨含量相对较低。人工湿地内实际的硝酸盐降解效率与有机氮及氨氮的降解效率相比较高。由此，构建人工湿地能够对农业面源污染中的硝酸盐予以有效的控制。氮类物质能够在人工濕地内进行有效的循环，能够通过人工湿地发挥微生物的作用。由此，以微生物进行硝酸盐反硝化作用。在无氧条件下，微生物会继续进行反应，由此进行转化，整体反应会在氧化还原电位较低的液氧土层内予以开展。另外，人工湿地以沉积颗粒物吸附及矿化的方式，能够有效去除氮类物质，通过植物及微生物同化，也能够有效去除氮类物质。此外，向地下水内予以渗出也是硝酸盐去向之一。但此过程可能导致地下水内部的硝酸盐含量进一步增加，存在超标风险。由此，在人工湿地构建时，对于地下水防渗工作进行优化具有极为重要的意义。人工湿地内反硝化整体过程是对硝酸盐进行有效去除的主要过程，会受到硝酸盐浓度、溶解氧浓度的实际影响。对于表面流湿地，反硝化速率同样与整体水体及缺氧土壤层的综合混合程度具有密切关联。在人工湿地反硝化相关研究报道中，多数报道对上述影响予以证实，整体反硝化速率会受诸多因素影响。由于人工湿地内存在各类差异性因素，因此需要依照内部水质的综合情况及当前的综合条件，调整反硝化速率。

1.2 含磷物质的降解及磷循环

水体富营养化的主要原因在于氮污染及磷污染，而农业面源污染是整体流域水体富营养化的重要原因。人工湿地可在一定程度上强化净化系统，进一步种植水生植物，去除含磷物质。在整体农业流域内，湿地水体内的含硫物质实际的存在形式主要为微粒无机磷及溶解无机磷等诸多物质。而相关磷物质会在人工湿地内进行实际的循环，主要通过化学沉淀和物理沉积等方式去除，同时也可通过生物体内富集而去除[2]。

在不具备防渗条件的人工湿地之内，周围水体及磷的交换在一定程度上也会影响磷的去除程度。颗粒磷会随着悬浮颗粒进行沉淀。而此过程在磷去除中属于传统的模式。湿地土壤是磷后续极为重要的去向。磷在人工湿地之内，其实际沉积与整体土壤的酸碱值及其氧化还原电位具有着密切的关联。土壤若呈现中性或者酸性，抑或其内部拥有大量的铁氧化物或者可能存在着碱性钙氧化物，此时湿地土壤整体修复能力相对较强，产生的氧化还原电位可能会在一定程度上对土壤实际固定能力产生影响。另外，湿地土壤及水交界面的天然金属氧化层，在一定程度上会对土壤向水体释放磷的综合过程产生影响。其中，铁的实际溶解及还原与该氧化层重结晶在一定程度上对于水中的磷具有相对较强的吸附作用。在近些年的发展过程中，含金属机制应用在人工湿地之内，能够使得湿地的去除磷效果得到一定程度的增强。机制之内金属离子能够对可溶性磷酸盐进行吸附，并且进行沉淀。

在农业面源污染控制中，以化学热处理为基础的各种类型农业生物质能够为人工湿地后续设计提供一定思路，通过生物作用，能够在人工湿地系统内有效地清除磷，以微生物对其进行吸收，同时进行同化作用，在生物体内富集，而后基于生物植物的收割，由此将其从湿地系统中去除。在农业污染中，相应的磷会通过颗粒磷进一步向湿地输送，而后其沉积物及实际的有机颗粒物质会在系统内留存。颗粒形式磷在实际转化后，会进一步地对其进行生物应用，而人工湿地实际的悬浮沉积物及相应的厌氧土层能够进一步使其获得重要的转化条件。在沉积时，可以基于动力学过程，使得颗粒磷能够进行溶解性的转变，实际内部磷循环具有高度的复杂性。有关研究者需要对无机磷去除的机理进行详细研究，形成更加高效的去除模式，才能够合理应用人工湿地，尽可能降低农业面源污染的影响。

1.3 重金属铅及其沉淀

农业生产及各种类型的矿业活动等诸多人为因素会在一定程度上致使农田出现严重的重金属污染。其中，长期施肥不当，以及有机肥污泥在一定程度上会使得农田内部重金属浓度大幅度提高。农田土壤内的重金属会以农业灌溉或者相应的降雨流入水体，由此使得流域的水生态健康受到一定程度的威胁。有关研究发现人工湿地能够在一定程度上有效清除水体重金属。相应的土壤及湿地植物与实际水中污染所具有的相互作用，能够在重金属清除中有较为突出的作用。在湿地的构建过程中，其内部所具有的土壤介质与各类种植植物在一定程度上会改变水利条件，并且通过深化及物化过程，对重金属去除产生一定程度的影响。

人工湿地所具有的重金属去除功能，主要通过化学沉淀、物理过滤以及微生物交互等诸多方式予以实现。具体去除模式与水体重金属的实际形态及相应的生态环境具有高度的关联性。人工湿地土壤与季节水淹条件具有关联，同时在缺氧及好氧之间发生一定的变化。在好氧条件下，土壤层表层的磷酸原有机物及锰、铝等诸多化合物能够进一步做到络合沉淀，并且吸附水中存在的各类微量金属，使其能够向土壤表层进行有效的沉淀[3]。酸碱度、金属溶解度以及相应的离子强度等诸多因素，会对此吸附及相应的沉淀过程产生一定的影响。基于还原条件，诸多重金属能够与硫化物矿物进行有效的结合，由此使得湿地土壤之内重金属沉积量大幅度增加。

另外，沸石、石灰石等诸多机制，能够在一定程度上强化人工湿地对湿地重金属的吸附效果。人工湿地土壤及相应的机制存在着吸附饱和情况。由此，很难在湿地系统内完全清除水体内的重金属。若想彻底清除重金属，则需要依托湿地生物过程，主要包含植物系统对于重金属的运输吸收及相应的积累。根据相应的研究可发现，莎草、泽泻等诸多植物能够吸附重金属。另外，在湿地生物膜内，相应的微生物能够基于对重金属价态进行有效的转化，并且通过包外生物积累吸附等相关过程与植物进行协同，完成生态修复。在人工湿地构建中，对于汞矿区的农业面源污染而言，其治理工作需要注重含汞进水，不可对其进行长期厌氧处理。厌氧微生物在一定程度上可能会使无机汞向甲基汞进行转化，甲基汞具备相对较强的神经毒素，因此需要更加合理地创设湿地的环境，以降低内部甲基汞含量[4]。

1.4 农药的降解及迁移转化

化学农药能够确保农作物增产，在农业生产中有着极为重要的作用。但滥用农药存在各类风险问题，会使现代人的健康受到严重威胁。农药会通过农田排水及降雨等诸多途径，进入水体。目前，诸多河流都能够检测出农药残余物。当前主要的农药主类为除虫剂、杀线虫剂以及杀真菌剂。人工湿地能够基于化学、物理以及生物的综合降解方式，对于水体内的农药进行有效的降解。其中，物理模式以沉淀及吸附为主，主要为光解及水解模式。生物过程则需要基于生物吸收以相应的代谢，同时使用微生物降解法。

农药自身的实际性质、微生物降解的实际情况及其他因素，都会对农药去除的最终效果产生一定程度的影响。农药在水环境具體迁移及转化时，存在水解及吸附等诸多类型。各种差异化类型农药在一定程度上，由于其自身结构特点存在的差异，可能会出现相对较大的迁移情况，同时会出现不同的转化特征，致使在实际应用过程中其污染物去除效果会存在一定的差异[5]。有研究人员基于32种较为常见的农药，对相关农药在对人工湿地之内的去除效率进行研究，依照农药的化学结构将其分类可发现，由高至低对效果排列为有机磷类、三唑类、三嗪类、脲类。对于部分低去除率的农药而言，相关研究并未发现较为显著的特点。农药能够被湿地机制进行转移，并且对其进行吸附。对于部分有机颗粒物相对较多的农药而言，可以通过颗粒物吸附将其去除，水体之内的农药会进一步向实际机制内转移。另外，试剂能够直接吸附相应的农药，机制能够成为农药化学及物理反应的重要反应界面。

2 人工生态湿地系统构建的原则、程序及方法

2.1 设计原则

其一，多样性与稳定性原则。人工湿地系统应设计为多样化的生态单元，包括湿地植被、水生生物和微生物等组成部分，以增强湿地系统的生态稳定性和抵御能力。其二，水动力与水循环原则。合理进行湿地水力设计，包括水流速度、水位变化和水体循环，促进水体中有害物质的降解和去除。其三，适宜植被选择原则。根据不同的水质和污染物特点，选择适应性强、具有良好吸附和降解能力的植物，如芦苇、蒲公英和菖蒲等，在湿地系统中修复植被和种植水生植物。其四，水质控制与调节原则。通过湿地系统的水质控制和调节，去除污染物，改善水质；采取适当的水质监测和调节措施，如人工增氧、悬浮填料和微生物群落的调控等。其五，水土保持与生态恢复原则。通过合理的湿地设计和管理，保护土壤资源，防止土壤侵蚀和水土流失，提升湿地生态系统的自我修复和恢复能力。其六，长效运营与管理原则。人工湿地系统需要长期的运营和管理，包括适时的植被修剪、水质监测和调节、沉积物清理和维护等，以确保系统的稳定性和高效性。在实际应用中，人工湿地系统的构建应以当地的水质状况、污染物特征和生态环境需求为依据，结合适宜的技术手段和管理措施，以提升农业面源污染的治理效果。

2.2 程序及方法

人工湿地系统的构建设计，需要运用为科学的方式选择生物种类，同时需要设置规范的程序。具体而言，其程序及方法如下。其一，需要对于沿岸水生群落的综合结构进行分析，并且对其进行合理调查，获取更为详细的资料，作为人工湿地系统在构建过程中的参考[6]。其二，详细调查水生物对氮、磷等各种营养性污染物的处理能力，同时，详细分析有关地区水生物开发的实际利用情况。其三，详细比对各种类型水生物，探究其优势及不足之处，在对比的基础上，确定人工系统建设中需要应用的种类。其四，湿地系统设施建设。根据设计方案进行湿地系统设施建设，包括挖掘湿地基底、种植植物、建设水体流动通道和控制结构等。其五，运营和管理。制定湿地系统的运营和管理计划，包括水质监测、植被管理、污泥清理和维护等；定期进行水质监测和评估，根据监测结果调整和优化湿地系统运营计划。其六，监测和评估。监测和评估湿地系统的效果，包括水质改善效果、植被生长状况和生态功能等；根据监测结果评估湿地系统的治理效果，并进行必要的调整和改进。在构建人工生态湿地系统的过程中，应综合考虑当地的水质特征、生态环境需求和技术可行性，结合合适的工程方法和管理手段，以实现农业面源污染的有效治理和生态恢复。

3 結束语

在面源污染控制过程中，人工湿地属于极为重要的技术之一。在建设中其成本相对较低，应用管理更为便捷。据研究，人工湿地能够有效去除农药及水体中的重金属、氮、磷。在农业面源污染控制中，人工湿地的潜力相对较大。但人工湿地在去除重金属及农药时，会偏向单一污染的降解。在具体使用过程中，对于氮、磷去除的实际效率，需要进行多案例的验证及分析，在湿地机制材料进一步发展，以及污染物种类不断丰富的情况下，人工湿地在具体设计过程中需要进一步与不同工程措施进行有效的联合，并且制定相应的植物修复方案。以此，对差异化的负载特征进行分析，对水污染处理工作进行研究。另外，由于人工湿地能够使动物获得更高质量的栖息地，部分经济植物在应用过程中能够具备较高的经济效益，可以将实际的生态学及景观设计进行有效的结合。这能够有效改善农村风貌，进一步优化区域生态功能。

参考文献

[1] 王一格，王海燕，郑永林，等.农业面源污染研究方法与控制技术研究进展[J].中国农业资源与区划.2021，42（1）：25-33.

[2] 杨华，马继侠.人工湿地在农业面源污染治理中的应用[J].工程建设与设计， 2009（10）：66-70.

[3] 许春华，周琪，宋乐平.人工湿地在农业面源污染控制方面的应用[J].重庆环境科学，2001，23（3）：70-72.

[4] 王兴福.人工湿地在农业面源污染控制方面的应用探析[J].农家科技（上旬刊），2021（8）：268.

[5] 张金营.人工湿地在我国农业面源水体污染方面的应用研究[J].建筑工程技术与设计，2015（20）：2079.

[6] 高巍，胡浩云，朱磊，等.邯郸地区沟渠人工湿地治理农业面源污染可行性研究[J].水利科技与经济，2009，15（12）：1066-1068.

Advance in Application of Artificial Wetland in Agricultural Non-point Source Pollution Control

Dou Wen-jing （Jiaohe Ecological Forest Farm of Gaomi City， Gaomi， Shandong 261500）

Abstract Agricultural non point sources are the main pollution sources in lake water sources. In recent years， in the process of agricultural practice in China， a large amount of chemical fertilizers have been used， while the intensity of land cultivation was relatively high， leading to serious loss of nutrients in the soil. However， various pollutants were concentrated and further discharged into the lake through non-point sources， resulting in extremely serious pollution in the lake. Due to the relatively fragile ecological environment of the lake wetland itself， it was difficult to control agricultural non-point source pollution. In order to make the water source of various lakes develop and effectively control agricultural non-point source pollution， it was necessary to further apply the artificial wetland model. This model has a more excellent effect in the treatment of non-point source pollution. Based on the above perspective， this article comprehensively explores the practical application of artificial wetlands in agricultural non-point source pollution control， and analyzes its progress in detail.

Key words Artificial wetland; Non-point source pollution; Agricultural non-point source; Pollution control