稻秸秆添加强化沉水植物湿地对农田径流中不同形态氮的去除效果

蔡敏，崔娜欣*，张旭，陈桂发，周丽，邹国燕

1.上海市农业科学院生态环境保护研究所

2.上海低碳农业工程技术研究中心

在农业快速发展过程中，为提高作物产量多依赖于化肥的大量使用，然而由于肥料氮磷利用率低等原因，导致过量氮磷随降雨径流等方式进入周边水体，加剧水体富营养化。农业非点源污染（agricultural non-point source pollution，ANSP）产生的过量氮磷排放加剧水污染和有害藻华发生，成为影响水生态系统和饮用水安全的全球性问题[1-2]。目前，ANSP 已成为我国水体富营养化的主要驱动力之一[3-4]。《第二次全国污染源普查公报》（2020 年）数据显示，农业源排放的总氮（TN）和总磷（TP）分别占水污染物排放总量的46.6%和67.2%；其中种植业排放的氨氮（N-N）、TN 和TP 分别为8.30×107、71.95×107和7.62×107kg，占农业源排放量的38.4%、50.9%和35.9%。在农田周边主要汇水区利用低洼地或坑塘等构建生态湿地，对农田径流进行蓄滞净化，可以有效拦截农田面源污染[5-6]。然而由于农业面源污染具有随机性、不确定性等特征[7]，尤其是其多变的氮形态、低碳氮比等对湿地脱氮效率构成挑战[8-9]。

湿地主要通过植物吸收、微生物降解和基质吸附等协同过程去除农业面源污染中氮磷等污染物。苦草〔Vallisneria natans(Lour.) Hara〕等沉水植物由于具有良好的净化效果被广泛应用于湿地废水处理中。湿地中种植苦草除可以通过直接吸收同化去除水体氮磷外，植物光合作用产氧可以强化硝化作用去除水体N-N，另外沉水植物叶片表面为微生物挂膜生长提供微生境，进而可促进微生物降解脱氮[10]。然而，有学者报道仅种植沉水植物的湿地在处理低碳氮比废水时，出水N-N 的积累降低导致TN 去除效率下降[10-11]；同理，其在处理以N-N 为主要氮组分的农田径流时净化效率亦受限制。湿地中外加有机碳源是提升硝化反硝化脱氮的有效措施[12-15]。稻秸秆类农业废物除具有易获取、易分解等优点外，在持续稳定提供碳源的同时，其较大表面积也有利于反硝化细菌等微生物的附着生长，其作为外加有机碳源已被广泛应用于人工湿地、生态沟渠等提升脱氮效果[16-17]。但是，目前关于稻秸秆与沉水植物组合对不同形态氮的去除效果研究较少。针对农田径流中氮形态多变、低碳氮比等特征，笔者采用沉水植物苦草与稻秸秆组合构建强化湿地，研究其对不同形态氮的净化效果，以期为利用生态湿地系统拦截净化农业面源污染提供理论依据与技术参考。

1 材料与方法

1.1 湿地系统构建

试验在上海市农业科学院庄行试验站(121°23′15″E，30°53′24″N)塑料大棚中进行，大棚四周敞开，避免降水影响试验的同时保持棚内温度与环境气温一致。当地气候为亚热带海洋性季风气候，近10 年平均气温为16.1 ℃，年降水量为1 191.5 mm。

采用12 个容积为50 L 的蓝色塑料桶（底部直径33 cm，顶部直径41 cm，高度57 cm）构建小型湿地系统，每个桶内添加湿质量为20 kg、深度为12 cm 的底泥，共设置不种植苦草不添加稻秸秆（NS）、只种植苦草（VN）、只添加稻秸秆（SS）、种植苦草并添加稻秸秆（VS）4 个处理，每个处理设有3 个重复（图1）。底泥取自试验站附近的杨家沟河，与黄沙按湿质量比为2∶1 充分混合，底泥中TN、TP 和有机质浓度分别为1.76、0.68 和22.5 g/kg。根据前期已开展的稻秸秆碳源释放规律试验，发现稻秸秆浸泡后第1 天和第2 天为碳源快速释放期，而后释放速率逐渐变慢，第6 天进入稳定释放期，COD 稳定释放速率为1.33 mg/(g·d)[18]。研究表明，以有机物为碳源时，碳氮比控制在7.0～11.6 可以达到更好的反硝化效果[19]。据此，在每个湿地系统内添加稻秸秆200 g，稻秸秆（总碳432.12 mg/g，TN 8.25 mg/g，TP 2.16 mg/g）取自庄行试验站，将干稻秸秆切成0.5～0.8 cm 长的小段，混匀后装入尼龙网袋，预浸泡3 d 备用。

图1 4 种小型湿地系统示意Fig.1 Diagram of 4 small wetland systems

2021 年4 月中旬，采集试验站池塘内的苦草，先统一驯化1 周，然后选择长势一致、高（13±2）cm、湿重（38.6±0.6 ）g 的幼苗，每桶种植14 株。采用池塘水对湿地进行预培养60 d，试验正式启动前1 周将预浸泡3 d 的稻秸秆悬挂于湿地内壁，保持稻秸秆在水位以下。预培养期间每2～3 d 换水1 次。

根据前期对试验站内农田径流水质监测结果[9,20]，在配水池采用池塘水中加入硝酸钾（KNO3）、氯化铵（NH4Cl）、磷酸二氢钾（KH2PO4）和葡萄糖（C6H12O6）分别配置以N-N 和N-N 为主要氮形态的农田径流模拟废水，2 种模拟废水水质见表1。

表1 湿地2 种模拟废水进水水质特征Table 1 Water quality characteristics of two simulated wastewater influent in wetland

1.2 湿地运行、样品采样及分析

1.3 数据统计分析

所有试验数据均采用SPSS 19.0 软件进行统计分析。采用单因素方差分析和Tukey 检验比较结果的显著性，P<0.05 代表统计学显著性差异。

2 结果与分析

2.1 不同湿地对N-N 废水净化效果

图2 处理N-N 废水时各湿地水体理化指标变化（n=9）Fig.2 Variation of physicochemical indexes of water in each wetland during treating ammonia-nitrogen wastewater (n=9)

图3 处理N-N 废水时各湿地水体氮磷浓度和COD 变化（n=9）Fig.3 Variation of nitrogen,phosphorus concentrations and COD of water in each wetland during treating ammonia-nitrogen wastewater (n=9)

各湿地中TP 浓度变化趋势与TN 基本一致，总体表现为SS>NS>VS>VN，即种植苦草湿地对磷去除效果明显优于未种植苦草湿地。进水中COD 平均值为（42±4）mg/L，总体呈现随时间逐渐降低的趋势，第7 天时为27～34 mg/L，表明种植苦草或添加稻秸秆均能有效去除水体COD，但由于稻秸秆碳源释放，添加稻秸秆的SS 和VS 中COD 略高于未加稻秸秆的NS 和VN。

图4 处理N-N 废水时各湿地对氮磷的净化效果(n=9)Fig.4 Nitrogen and phosphorus purification efficiency in each wetland during treating ammonia-nitrogen wastewater (n=9)

2.2 不同湿地对N-N 废水净化效果

图5 处理N-N 废水时各湿地水体理化指标变化（n=9）Fig.5 Variation of physicochemical indexes of water in each wetland during treating nitrate-nitrogen wastewater (n=9)

图6 处理N-N 废水时各湿地氮磷浓度和COD 变化（n=9）Fig.6 Variation of nitrogen,phosphorus and COD concentrations of water in each wetland during treating nitrate-nitrogen wastewater (n=9)

图7 处理N-N 废水时各湿地对氮磷的净化效果Fig.7 Nitrogen and phosphorus purification efficiency in each wetland during treating nitrate-nitrogen wastewater

3 讨论

3.1 沉水植物调控湿地脱氮效果的机制

湿地中的水生植物主要通过植物本身或附着在植物表面的微生物进行降解、吸收、代谢作用来去除污染物[11,22]。如沉水植物茎叶表面是微生物栖息的良好生境，可形成富集有大量硝化和反硝化菌的生物膜，从而促进硝化和反硝化过程，提升脱氮效果[23-24]。但沉水植物的光合作用产氧使得水体DO 浓度相对较高，往往导致硝化速率高于反硝化速率，从而更有利于硝化过程而不利于反硝化过程[25-26]。另外，由于N-N 在被同化时不需要还原，而N-N 需要先被还原才能利用[27]，因此沉水植物对N-N 的吸收和转化需要消耗更多能量，导致沉水植物通常优先吸收环境中的N-N[28]。故此，相对较高的硝化速率以及沉水植物对N-N 的优先吸收利用是VN 和VS 对N-N 废水净化效果显著高于SS 和NS 的主要原因，即湿地中种植沉水植物苦草显著提升了N-N 的去除率进而提升脱氮效果。

3.2 稻秸秆添加对湿地脱氮效果的影响机理

4 结论

（3）VN 和VS 中TP 的去除率显著高于SS 和NS（P>0.05），VN 对TP 的去除效果虽略高于VS，但二者无显著差异，种植沉水植物苦草可以显著提升除磷效果，而稻秸秆添加对除磷效果影响较小。