農業面源污染溝渠控制分析

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1面源污染治理措施可分為源頭污染控制和遷移

源頭污染控制指減少潛在運移的污染物數量；遷移途徑控制指在污染物的運移途徑中通過滯留徑流、增加流動時間減少進入水體的污染物量。源頭污染控制主要通過減少施肥量、改善肥料品質和改變施肥方式來實施，徑流污染控制采用多種處理措施來實現。生態技術因其費用較低，可以多方受益，適合多種條件等優點，是目前實用有效的面源污染控制方法J。溝渠是農田排水匯人河流和湖泊的通道，是占地面積最大的農田排水設施。溝渠系統一般起始于田間毛溝或農溝，經腰溝、淋溝、支溝、干溝及總干溝排人外界大面積水體。毛溝或農溝密度大，斷面較小，灌溉(降雨)期間直接承接田間地表和地下滲漏排水，并逐級匯入支溝、干溝，在非灌溉(降雨)期則基本呈干涸狀態L6J，因此溝渠是一種非常獨特的生態系統，具有河流和濕地雙重特征川。溝渠中生長著適應于此環境的水生植物，并在年內周期性地生長變化；渠底沉積物隨水位升降周期性地暴露、淹沒，干濕變化有利于溝渠沉積物對氮的去除_8；沉積物中豐富的營養源保證了水生植物的生長需求和其中微生物的持續生存】。溝渠作為排水通道，攜走大量農業生態系統中的污染物到下游的貯水池中，影響地表的水循環、化學性、生物性¨。根據生態系統基本分類法，農田溝渠的基本功能有：促進農田的水和可溶性營養物質的流動；延長水流的停留時間和營養物質的循環；促進溝渠內植物對N、P的吸收與釋放；降解農田中除草劑；減輕水土流失和與渠底的營養物質的交流；為植物授粉提供方便，并控制害蟲；溝渠和農田邊緣的植物是飼料和生物質的來源；也起到農田的景觀、科研和娛樂功能“-13]。近年來，由于N、P等營養物質過多輸入水體導致富營養化的問題越來越突出，國內外學者開始注意到排水溝渠在農業面源污染物運移過程中發揮的作用。溝渠既是農業非點源污染物的最初匯聚地，又是河道和湖泊營養鹽的輸出源。將干濕交替的斷面小，渠深淺的毛溝或農溝建成生態溝渠，能對農業面源污染起到控制作用。其中，生態溝渠是由農田排水溝渠及其內部種植的植物組成，通過溝渠攔截徑流和泥沙，植物滯留和吸收NP，實現生態攔截N、P的功能l。Kroger等人對自然長有植物的兩條溝渠(溝渠長為400m和•360m，寬深比例為7．15和6．63)對N、I’的削減作用進行了長達2a的觀察，發現溝渠對N、P有一定的削減作用"-16)。王巖對生態溝渠、混凝土溝渠和土質溝渠三種溝渠(溝渠橫截面為梯形，上寬lm，下寬0．5m，深0．94m)對N、P攔截效果做了對比，研究了不同進水氮磷濃度、不同水力停留時間和不同進水流速條件下，3種類型溝渠的氮磷攔截效果，生態溝渠的效果明顯優于其他溝渠m!。陳海生分析設置盤培多花黑麥草的生態溝渠和自然溝渠對水稻田出水中的N、P的削減作用，生態溝渠對N、P的削減作用比自然溝渠高36．19％和37．i0％。Moore等人研究有植草和無植草的農田溝渠(兩條溝渠均長320m，上寬6m，底寬3m)對N、P的削減作用，兩種溝渠對營養物質都有削減作用，其中植草溝渠對無機磷的削減作用比無植草溝高35％19]。

2N、P的遷移規律

農田N、P流失的最主要途徑通過徑流進入地表水，地表徑流主要來自于降水尤其是降雨，降雨沖擊地表引起：t壤擾動，產生懸浮土壤顆粒并隨徑流流失，同時徑流又沖刷地表土壤產生水土流失。N、P流失量主要決定于降雨情況、土壤侵蝕量以及土地種植情況¨等因素。黃宗楚等研究了上海旱地農田施肥與N、P流失污染之間的關系，隨徑流排出農田的N中有37．7％是當季施用的N肥，P中有26．9％是當季施用的P肥[。于會彬等人在單晚稻生長期間對農田排水溝渠徑流量與N、P含量隨降水變化過程進行監測，在降水初期，污染物含量隨徑流量的增大而升高；隨著流量的增大，稀釋開始占據主導作用，污染物含量表現出隨流量增大而遞減的趨勢。徑流中N、P的流失形態各有不同。地表徑流中TN濃度隨徑流量而變化，濃度峰值出現時間滯后于徑流量峰值；對于TN和NO；一N而言，溶解態含量高于懸浮態，而溶解態和懸浮態NH／一N的濃度相當。溶解態中的NH一N和N0—N濃度水平因時因地各占的比例各有高低凸-26]。I''''P和顆粒態磷(PP)濃度的變化趨勢表現出隨流量變化的特征，_TP和PP濃度隨降雨徑流上升趨勢極為顯著，隨后趨于穩定，P輸出峰值均發生在徑流峰值之前，顆粒態磷素流失量顯著高于溶解態磷素工-28]

3溝渠控制面源污染的機理

溝渠作為面源污染源與水體之間的緩沖過渡區，降雨徑流污染物輸出量的有效減少，是整個溝渠各種機理的綜合作用結果。

3．1截留沉淀

污染物在從農田向水體轉移的途中，以地表徑流、潛層滲流的方式通過溝渠進入水體，溝渠中的水生植物形成密集的過濾帶。溝渠中的植物過濾帶能增加地表水流的水力粗糙度，降低水流速度以及水流作用于土壤的剪切力，進而降低污染物的輸移能力，促進其在溝渠中沉淀。溝渠中植物的地下莖和根形成縱橫交錯的地下莖網，水流緩慢時重金屬和懸浮顆粒被其阻隔而沉降，防止其隨水流失，同時又在其表面進行離子交換、整合、吸附、沉淀等，不溶性膠體為根系吸附，凝集的菌膠團把懸浮性的有機物和新陳代謝產物沉降下來引。泥沙截控圍持能有效降低徑流中顆粒物濃度，攔截泥沙是控制降雨徑流N、P污染的關鍵。羅專溪等人在研究自然溝渠控制村鎮降雨徑流中N、P的沉降段和沉沙凼可較好地去除村鎮降雨徑流顆粒態污染物，去除N、P平均分別為144．51、65．20g／m(平均雨量37．85mm)⋯。

3．2水生植物吸收

N、P是生物體必需的營養元素，植物會吸收生物體周圍的水和土壤中的N、P用于自身的同化作用，N、P最終隨著植物的組織合成、收獲而移出水體，從而得到去除。同時水生植物的存在可以加速N、P界面交換和傳遞，從而使上覆水中N、P含量快速減少，在根區創造好氧一缺氧環境，有利于硝化和反硝化作用。姜翠玲等人在農田溝渠濕地中種植蘆葦和茭草，蘆葦莖葉每年吸收818kg／hm的N和103．6kg／hm的P，茭革每年吸收131kg／hm的和28．9kg／hm~的P|32j。羅專溪等人發現自然溝渠中的水花生和水蓼在雨季共吸收N、P分別可達82．69、l2。52g／m。

3．3沉積物吸附

溝渠底部沉積物中有植被生長，因而溝渠底部土壤中存在很豐富的有機物。同時溝渠底部由土壤和植物死亡后的腐殖質組成的沉積物，這些沉積物較大的表面積，將吸附的N、P，進行沉積、轉化引。同時，隨著沉積物問隙水的遷移，將沉積物表面的N、P轉移到沉積物內部，從而將部分N、P通過礦化以及植物吸收等方式去除引。翟麗華等人對杭嘉湖流域某溝渠系統中沉積物的吸附特征進行研究，結果表明，沉積物對氨氮和磷酸鹽的吸附是一個復合動力學過程，包括快速吸附和慢速吸附?？焖傥街饕l生在0—5h內。溝渠沉積物對氨氮和磷酸鹽的吸附等溫線均呈良好線性變化。研究范圍內，溝渠沉積物中固定態氨氮含量為9．8lmg／kg，沉積物對磷的吸附一解吸平衡質量濃度為0．046mg／L。徐紅燈等人曾研究溝渠沉積物對氨氮的吸附和硝化能力，并對比了兩者的截留效應，結果表明，溝渠沉積物對氨氮最大飽和吸附量和硝化量分別約為1．3和0．15mg／g，對比溝渠沉積物吸附量和硝化量，溝渠沉積物吸附作用在溝渠沉積物截留效應中占主導作用。姜翠玲等人發現溝渠濕地底泥對非點源污染物的持留量和積累量遠較農田的有機質和總氮高。

3．4微生物降解

溝渠中種有各種水生植物，由于水生植物具有表面積很大的根(莖)網絡，為微生物的附著、棲生、繁殖提供了場所和條件，同時溝渠沉積物表面也附著大量微生物，這些微生物可對N進行硝化、反硝化等作用。植物的根將生成的氧傳輸到水中，擴散到周圍缺氧的底泥中，在植物根區同時有好氧、厭氧及兼性微生物，形成好氧，厭氧和兼性的不同環境，從而構成了一個起著多種生化作用的微生物生態系統。微生物的自身生長會吸收一部份的N、P。有機物在微生物作用下會被降解，好氧和厭氧的環境與根基分泌物(微生物c源)一起促進硝化和反硝化細菌生長，促進了水體中氮的吸收和轉化，最終使一部分氮以氮氣的形式得以去除”。

4實際應用

4．1簡單溝渠系統

溝渠在農田中縱橫交錯，因此可單獨將溝渠作為農業面源污染的控制系統。溝渠形式可分為有水草和無水草的溝渠，或分為自然的溝渠和根據自然溝渠改建的生態溝渠。胡宏祥等人在巢湖北岸農田間選擇了一條無側面外來水的100m長的溝渠，在上段40m中種植水草，下段60m中不種水草，形成無草河段。經實驗表明水草攔截凈化效果要好于無水草攔截的自然凈化效果。水草攔截凈化河道段，幾種形態養分含量的降低幅度為5．7％一32．9％；在無水草攔截的自然河道凈化段，氮磷含量有一定降低，但降低幅度很小，為0．3％6．6％[。陳慶鋒等人將原有的廢棄暖氣溝改造而成溝渠，依次分為沉淀區、過濾區和存儲區。在沉淀區，降雨污染徑流經過沉淀后大顆粒污染物被攔截；在過濾區(濾渠中分段依次填充碎石、白礬石、粗沙、鵝卵石、陶粒、細沙、鵝卵石、泥炭、鋼渣和蛭石)，降雨徑流再經過各種基質材料的逐級吸附過濾和生物膜的凈化作用，徑流中的顆粒物被進一步攔截、吸附和凈化；在存儲區，凈化后的降雨徑流經過再沉淀后溢流到生態塘中進行深度凈化。鋼渣和蛭石對可溶態氮去除率約為60％，其次是碎石和鵝卵石，去除率約為50％；對于可溶解態磷，自礬石和沙子具有較好的去除效果，其次是陶粒和蛭石；對于濁度，陶粒、泥炭和蛭石均具有良好的效果，去除率均為80％，其次是白礬石和沙子引。楊林章等針對太湖流域農田面源污染嚴重的現狀，結合當地實際情況提出了一種新的生態工程學解決方法一生態攔截型溝渠系統(公開號：CNI699697A)，主要由工程和植物兩部分組成，能減緩水速，促進流水攜帶顆粒物質的沉淀，有利于構建植物對溝壁、水體和溝底中逸出養分的立體式吸收和攔截，從而實現對農田排出養分的控制。試驗區溝渠植物具有一定的經濟價值，且景觀效果良好c39]。

4．2復合溝渠系統

溝渠一水塘系統：多路串聯水塘系統(即多水塘系統)的概念首先由尹澄清(1989年)提出，主要包括滯留池和水塘。多水塘系統是一類特殊的人工水塘濕地生態系統，是以水塘為點、溝渠為線的流域系統。研究表明，多水塘系統能截留來自農業的P污染負荷94％以上。

5問題及展望

溝渠單獨作用或與其它處理設施聯用能有效地控制面源污染，但目前仍存在不少待研究的問題：對其作用機理的認識仍不夠，如何定量地確定溝渠中各種機理的作用；當溝渠中種有植物時，因植物的死亡可能會造成二次污染，如何對植物進行后續處理；因為溝渠的截留作用，溝渠可能會發生堵塞，如何對溝渠進行適當的管理使其正常運作等。在溝渠系統中有各種級別的溝渠，不同級別溝渠的大小、深度各不相同，如何綜合利用各級溝渠，建造一個生態溝渠系統，并作為農業面源污染控制中的一種生態工程技術，保持自然資源和生態系統自身的平衡，從而最大程度地利用生態系統功能實現非點源污染的控制。