不同植物配置的生态沟渠对农田排水中氮磷的去除效果

摘要 针对农业面源污染的现状，通过设计5种植物配置试验，研究不同植物配置的生态沟渠对农田排水中氮磷的去除效果，筛选出最佳的植物配置组合。结果表明，5种植物配置均对农田排水中的氮磷具有拦截净化效果。对TN（总氮）的去除效果表现为苦草+金鱼藻+伊乐藻（35.60%～38.73%）>苦草+伊乐藻（34.67%～36.27%）>苦草+金鱼藻（33.20%～35.53%）>苦草（33.73%～34.73%）>土壤空白（29.87%～31.20%）。对TP（总磷）的去除效果表现为苦草+金鱼藻（64.00%～65.00%）>苦草+伊乐藻（59.33%～60.67%）>苦草+金鱼藻+伊乐藻（49.33%～53.67%）>苦草（48.33%～52.00%）>土壤空白（42.00%～42.67%）。多种植物组合种植的生态沟渠对农田排水中氮磷具有较好的去除效果。

关键词 农田排水；生态沟渠；植物配置；总氮；总磷

中图分类号 X71  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2023）10-0043-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.10.010

Abstract Aiming at the urgent situation of agricultural nonpoint source pollution， five plant configurations were designed to study the effect of ecological ditches with different plant configurations on nitrogen and phosphorus removal in farmland drainage， and the optimal plant configurations were selected.The results showed that all the five plant configurations could intercept and purify nitrogen and phosphorus in farmland drainage.The removal efficiency of total nitrogen was Vallisneria natans + Ceratophyllum demersum + Elodea nuttallii （35.60%-38.73%） >Vallisneria natans + Elodea nuttallii （34.67%-36.27%） >Vallisneria natans + Ceratophyllum demersum（33.20%-35.53%） >Vallisneria natans（33.73%-34.73%）>Soil blank （29.87%-31.20%）.The removal efficiency of total phosphorus was Vallisneria natans + Ceratophyllum demersum （64.00%-65.00%）>Vallisneria natans + Elodea nuttallii （59.33%-60.67%） > Vallisneria natans + Ceratophyllum demersum + Elodea nuttallii （49.33%-53.67%）>Vallisneria natans （48.33%-52.00%） > soil blank （42.00%-42.67%）.The ecological ditch planted with multiple plants has a better removal effect on nitrogen and phosphorus in farmland drainage.

Key words Farmland drainage;Ecological ditch;Plant configuration;Total nitrogen;Total phosphorus

随着我国农业的快速发展，农业面源污染由于污染量大、范围广、治理难度大，一直以来未受到重视，也尚未采取有效的治理措施，导致其所占比重越来越大，已成为水环境污染的主要问题之一［1］。农业面源污染主要来源于农村生活污染源、种植业污染源、养殖业污染源等，其中种植业面源污染难以控制［2］。在我国传统种植业中，为保证农作物产量相对稳定，单位面积施肥量大，但普遍利用率偏低，因此造成大量未被吸收的氮磷组分在农田灌溉排水或降雨时被冲刷出来，并随着农田径流经沟渠进入河流或湖泊，导致水体富营养化。自然排水沟渠由于其土质常年裸露，拦截去除降雨径流中氮磷的能力有限，而生态沟渠由自然排水沟渠及其内部种植的植物组成，通过沟渠拦截径流和泥沙，氮、磷污染物可被植物滞留和吸收，从而实现生态拦截净化氮磷的目的［3-5］。目前，在防控农业面源污染方面，将自然排水沟渠改造为生态沟渠已得到广泛应用［6］。

沉水植物种类繁多，是生态沟渠的重要组成部分，选择合适的沉水植物对提高生态沟渠的拦截净化能力具有重要意义。而单一植物的吸收净化能力有限，不同植物对不同污染物的去除效果也不相同，因此发挥多种植物的协调作用至关重要。考虑到生态沟渠内实际的水流情况，笔者拟选择生态沟渠内种植多种沉水植物，通过不同植物配置组合，考察蓄水静态条件下生态沟渠对模拟农田排水中总氮（TN）和总磷（TP）的去除效果，筛选出最佳植物配置方案，分析其去除机理，旨在为生态沟渠的植物种植和处理农田排水提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验进水采用纯水、尿素和磷酸二氢钾配制的模拟农田排水，水质指标：TN（总氮） 15.00 mg/L、TP（总磷） 3.00 mg/L。植物种植选用梯形PVC长方体种植箱，对箱体侧壁不进行相关处理，箱底部铺20 cm厚度的种植土壤。为去除土壤中残留的氮磷，在试验前15 d向每个种植箱中加入自来水，并保持在土壤上方2～3 cm深度，试验期间换水3次［7］。经5、10、15、20和25 cm多次水位试验，综合考虑光照、能见度、水下底泥扰动等因素，选择水深5 cm作为试验水位。试验过程中需不断补水，以保持水位不变。

1.2 试验植物配置方案

苦草、金鱼藻和伊乐藻具有较好的耐氨氮性能，同时有研究表明其去除氮磷的效果也较好，故选择这3种沉水植物作为试验植物［8-10］。该试验所选用的苦草、金鱼藻和伊乐藻均为生长状态良好、植株大小基本相同的植株材料，将植株种苗清洗干净、称重后，种植于各种植箱内［11］。栽种密度为25株/m2，植物覆盖率为20%～30%。待植物生长稳定后，适应箱内环境后，将配制好的模拟农田排水注入种植箱中。植物生长期间，需及时除去杂草幼苗和水草带入的浮萍。对3种试验植物进行不同配置设计，并设置土壤空白对照组。配置①：苦草；配置②：苦草+金鱼藻；配置③：苦草+伊乐藻；配置④：苦草+金鱼藻+伊乐藻；配置⑤：土壤空白。

1.3 水样采集 试验共30 d，分别在植物种植后的第1、3、6、10、13、15、20、25、30天采集水样。采样后，对水样进行过滤，测定水样中的TN、TP，计算不同植物配置处理后的污染物去除率。

1.4 水样测定方法

水样中的TN含量采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636—2012）测定；TP含量采用碱性过硫酸法消解，钼酸铵分光光度法（GB/T 11893—89）测定。

2 结果与分析

2.1 不同植物配置的生态沟渠对农田排水中TN的去除效果

由图1可知，随着天数的增加，5个处理模拟农田排水中的TN均不断降低，在降至最低后基本上保持稳定。在进水第1天时，模拟农田排水中TN含量与初始配水浓度相比保持不变。此时沉水植物处于生长初期，生长量较小，去除TN能力较弱。进水第3天TN含量开始降低，在第3～6天及第10～13天去除TN的速率相对较快。在这段时间，水生植物进入生长旺盛期，生物量增大，去除农田排水中TN的能力要显著高于生长初期。在进水13～15天，模拟农田排水中TN含量缓慢降低，但变化趋势不明显，趋于稳定状态；在进水第15～30天，TN含量偶有波动，但变化幅度较小。这段时间内，几种植物均已进入生长稳定期，去除TN的效果基本上保持稳定。存在小幅度波动可能是由于土壤中吸附的氮释放出来，对模拟农田排水的TN去除效果造成影响。分析结果显示，沉水植物对TN的去除效率与植物的生长周期有关，处于生长旺盛期的沉水植物具有较好的TN去除效果，而处于生长初期、稳定期和衰亡阶段的沉水植物，其去除污染物的效率降低。因此，在生态沟渠内种植沉水植物时应考虑到植物的生长周期规律，使其可以充分发挥生长旺盛期去除污染物的能力，从而更高效地去除农田排水中的TN，减少面源污染。

在进水第15天后，5种植物配置TN含量的变化范围分别为苦草9.27～9.94 mg/L、苦草+金鱼藻9.67～10.02 mg/L、苦草+伊乐藻9.56～9.80 mg/L、苦草+金鱼藻+伊乐藻9.19～9.66 mg/L、土壤空白10.32～10.52 mg/L，TN去除率的变化范围分别为33.73%～34.73%、33.20%～35.53%、34.67%～36.27%、35.60%～38.73%和29.87%～31.20%。比较5种植物配置处理下模拟农田排水TN的去除能力，表现为苦草+金鱼藻+伊乐藻>苦草+伊乐藻>苦草+金鱼藻>苦草>土壤空白。分析可知，不同植物配置下的生态沟渠对农田排水的TN去除率平均在30%～40%，其中试验植物苦草+金鱼藻+伊乐藻效果较好。

从图1可以看出，单一种植苦草的TN去除效果低于种植多种植物，但TN去除效果也不差。苦草是长势较为高大、根系发达的沉水植物，处理农田排水时对TN有较好的去除效果，有利于拦截净化污染物。与单一种植苦草相比，种植苦草+金鱼藻+伊乐藻的TN去除效果更好。三者组合种植能进一步增加生态沟渠的生物量，提高去除农田排水中TN的能力，去除污染物的效果显著。混合种植方式既能增加生物量，又可提高生物多样性，能增强生态系统的稳定性，提高生态沟渠的观赏价值，是较合适的生态沟渠拦截污染物的种植方式。此外，部分沉水植物会受到温度和季节的影响，去除污染物的效果会降低。因此，可以通过种植不同的植物配置，来增强生态沟渠的拦截污染物效果，降低农田排水中的污染物。

与土壤空白对照组相比，沉水植物可增强生态沟渠中土壤内部的微生物活性，提高农田排水的TN去除效果。水中的氮元素可被沉水植物吸收合成植物蛋白质和有机氮，是植物生长过程中必不可少的物质［12］。在生态沟渠系统内，沉水植物去除农田排水中TN的主要途径为植物组织及根际微生物吸收、根系滞留及根际周围硝化反硝化等作用。生态沟渠中植物的网状根系不仅可促进植物直接吸收农田排水中的可溶性氮，还可通过其生命活动改变根系周围的微环境，影响TN的去除效果。由于沉水植物根系对生态沟渠中的底泥具有穿透作用，还可以在底泥和土壤中形成许多微小的空隙或气室，降低了底泥和土壤的封闭性，增强了底泥和土壤的疏松度，可以加速氮元素进入土壤的速度，减少TN含量［13-14］。

2.2 不同植物配置的生态沟渠对农田排水中TP的去除效果

由图2可知，不同植物配置处理下农田排水中TP含量均随着天数的增加而不断降低，在第15天后基本上趋于稳定状态。第1天进水时，农田排水中的TP含量基本无变化。进水第1～3天时，苦草、金鱼藻和伊乐藻进入生长旺盛期，去除TP的能力大大提高，TP含量大幅降低，其中土壤空白处理的TP含量降低17.97%，苦草+伊乐藻处理的TP含量降低43.07%。在第3～15天，不同植物配置下模拟农田排水中TP含量降低的速率相对较快，其中苦草+金鱼藻处理降低速率最快。进水时间为第15～30天几种沉水植物均进入生长稳定期，模拟农田排水中的TP含量基本上保持平稳，存在小幅波动，但变化幅度较小。存在波动可能是由于植物的某些部分衰败凋落后被微生物分解，会将植物吸收的营养物质以有机态的形式再次释放到水体中，引起TP含量的变化［15］。