农业面源污染沟渠控制分析

1面源污染治理措施可分为源头污染控制和迁移

源头污染控制指减少潜在运移的污染物数量；迁移途径控制指在污染物的运移途径中通过滞留径流、增加流动时间减少进入水体的污染物量。源头污染控制主要通过减少施肥量、改善肥料品质和改变施肥方式来实施，径流污染控制采用多种处理措施来实现。生态技术因其费用较低，可以多方受益，适合多种条件等优点，是目前实用有效的面源污染控制方法J。沟渠是农田排水汇人河流和湖泊的通道，是占地面积最大的农田排水设施。沟渠系统一般起始于田间毛沟或农沟，经腰沟、淋沟、支沟、干沟及总干沟排人外界大面积水体。毛沟或农沟密度大，断面较小，灌溉(降雨)期间直接承接田间地表和地下渗漏排水，并逐级汇入支沟、干沟，在非灌溉(降雨)期则基本呈干涸状态L6J，因此沟渠是一种非常独特的生态系统，具有河流和湿地双重特征川。沟渠中生长着适应于此环境的水生植物，并在年内周期性地生长变化；渠底沉积物随水位升降周期性地暴露、淹没，干湿变化有利于沟渠沉积物对氮的去除_8；沉积物中丰富的营养源保证了水生植物的生长需求和其中微生物的持续生存】。沟渠作为排水通道，携走大量农业生态系统中的污染物到下游的贮水池中，影响地表的水循环、化学性、生物性¨。根据生态系统基本分类法，农田沟渠的基本功能有：促进农田的水和可溶性营养物质的流动；延长水流的停留时间和营养物质的循环；促进沟渠内植物对N、P的吸收与释放；降解农田中除草剂；减轻水土流失和与渠底的营养物质的交流；为植物授粉提供方便，并控制害虫；沟渠和农田边缘的植物是饲料和生物质的来源；也起到农田的景观、科研和娱乐功能“-13]。近年来，由于N、P等营养物质过多输入水体导致富营养化的问题越来越突出，国内外学者开始注意到排水沟渠在农业面源污染物运移过程中发挥的作用。沟渠既是农业非点源污染物的最初汇聚地，又是河道和湖泊营养盐的输出源。将干湿交替的断面小，渠深浅的毛沟或农沟建成生态沟渠，能对农业面源污染起到控制作用。其中，生态沟渠是由农田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，植物滞留和吸收NP，实现生态拦截N、P的功能l。Kroger等人对自然长有植物的两条沟渠(沟渠长为400m和•360m，宽深比例为7．15和6．63)对N、I’的削减作用进行了长达2a的观察，发现沟渠对N、P有一定的削减作用"-16)。王岩对生态沟渠、混凝土沟渠和土质沟渠三种沟渠(沟渠横截面为梯形，上宽lm，下宽0．5m，深0．94m)对N、P拦截效果做了对比，研究了不同进水氮磷浓度、不同水力停留时间和不同进水流速条件下，3种类型沟渠的氮磷拦截效果，生态沟渠的效果明显优于其他沟渠m!。陈海生分析设置盘培多花黑麦草的生态沟渠和自然沟渠对水稻田出水中的N、P的削减作用，生态沟渠对N、P的削减作用比自然沟渠高36．19％和37．i0％。Moore等人研究有植草和无植草的农田沟渠(两条沟渠均长320m，上宽6m，底宽3m)对N、P的削减作用，两种沟渠对营养物质都有削减作用，其中植草沟渠对无机磷的削减作用比无植草沟高35％19]。

2N、P的迁移规律

农田N、P流失的最主要途径通过径流进入地表水，地表径流主要来自于降水尤其是降雨，降雨冲击地表引起：t壤扰动，产生悬浮土壤颗粒并随径流流失，同时径流又冲刷地表土壤产生水土流失。N、P流失量主要决定于降雨情况、土壤侵蚀量以及土地种植情况¨等因素。黄宗楚等研究了上海旱地农田施肥与N、P流失污染之间的关系，随径流排出农田的N中有37．7％是当季施用的N肥，P中有26．9％是当季施用的P肥[。于会彬等人在单晚稻生长期间对农田排水沟渠径流量与N、P含量随降水变化过程进行监测，在降水初期，污染物含量随径流量的增大而升高；随着流量的增大，稀释开始占据主导作用，污染物含量表现出随流量增大而递减的趋势。径流中N、P的流失形态各有不同。地表径流中TN浓度随径流量而变化，浓度峰值出现时间滞后于径流量峰值；对于TN和NO；一N而言，溶解态含量高于悬浮态，而溶解态和悬浮态NH／一N的浓度相当。溶解态中的NH一N和N0—N浓度水平因时因地各占的比例各有高低凸-26]。I''''P和颗粒态磷(PP)浓度的变化趋势表现出随流量变化的特征，_TP和PP浓度随降雨径流上升趋势极为显著，随后趋于稳定，P输出峰值均发生在径流峰值之前，颗粒态磷素流失量显著高于溶解态磷素工-28]

3沟渠控制面源污染的机理

沟渠作为面源污染源与水体之间的缓冲过渡区，降雨径流污染物输出量的有效减少，是整个沟渠各种机理的综合作用结果。

3．1截留沉淀

污染物在从农田向水体转移的途中，以地表径流、潜层渗流的方式通过沟渠进入水体，沟渠中的水生植物形成密集的过滤带。沟渠中的植物过滤带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，进而降低污染物的输移能力，促进其在沟渠中沉淀。沟渠中植物的地下茎和根形成纵横交错的地下茎网，水流缓慢时重金属和悬浮颗粒被其阻隔而沉降，防止其随水流失，同时又在其表面进行离子交换、整合、吸附、沉淀等，不溶性胶体为根系吸附，凝集的菌胶团把悬浮性的有机物和新陈代谢产物沉降下来引。泥沙截控围持能有效降低径流中颗粒物浓度，拦截泥沙是控制降雨径流N、P污染的关键。罗专溪等人在研究自然沟渠控制村镇降雨径流中N、P的沉降段和沉沙凼可较好地去除村镇降雨径流颗粒态污染物，去除N、P平均分别为144．51、65．20g／m(平均雨量37．85mm)⋯。

3．2水生植物吸收

N、P是生物体必需的营养元素，植物会吸收生物体周围的水和土壤中的N、P用于自身的同化作用，N、P最终随着植物的组织合成、收获而移出水体，从而得到去除。同时水生植物的存在可以加速N、P界面交换和传递，从而使上覆水中N、P含量快速减少，在根区创造好氧一缺氧环境，有利于硝化和反硝化作用。姜翠玲等人在农田沟渠湿地中种植芦苇和茭草，芦苇茎叶每年吸收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。罗专溪等人发现自然沟渠中的水花生和水蓼在雨季共吸收N、P分别可达82．69、l2。52g／m。

3．3沉积物吸附

沟渠底部沉积物中有植被生长，因而沟渠底部土壤中存在很丰富的有机物。同时沟渠底部由土壤和植物死亡后的腐殖质组成的沉积物，这些沉积物较大的表面积，将吸附的N、P，进行沉积、转化引。同时，随着沉积物问隙水的迁移，将沉积物表面的N、P转移到沉积物内部，从而将部分N、P通过矿化以及植物吸收等方式去除引。翟丽华等人对杭嘉湖流域某沟渠系统中沉积物的吸附特征进行研究，结果表明，沉积物对氨氮和磷酸盐的吸附是一个复合动力学过程，包括快速吸附和慢速吸附。快速吸附主要发生在0—5h内。沟渠沉积物对氨氮和磷酸盐的吸附等温线均呈良好线性变化。研究范围内，沟渠沉积物中固定态氨氮含量为9．8lmg／kg，沉积物对磷的吸附一解吸平衡质量浓度为0．046mg／L。徐红灯等人曾研究沟渠沉积物对氨氮的吸附和硝化能力，并对比了两者的截留效应，结果表明，沟渠沉积物对氨氮最大饱和吸附量和硝化量分别约为1．3和0．15mg／g，对比沟渠沉积物吸附量和硝化量，沟渠沉积物吸附作用在沟渠沉积物截留效应中占主导作用。姜翠玲等人发现沟渠湿地底泥对非点源污染物的持留量和积累量远较农田的有机质和总氮高。

3．4微生物降解

沟渠中种有各种水生植物，由于水生植物具有表面积很大的根(茎)网络，为微生物的附着、栖生、繁殖提供了场所和条件，同时沟渠沉积物表面也附着大量微生物，这些微生物可对N进行硝化、反硝化等作用。植物的根将生成的氧传输到水中，扩散到周围缺氧的底泥中，在植物根区同时有好氧、厌氧及兼性微生物，形成好氧，厌氧和兼性的不同环境，从而构成了一个起着多种生化作用的微生物生态系统。微生物的自身生长会吸收一部份的N、P。有机物在微生物作用下会被降解，好氧和厌氧的环境与根基分泌物(微生物c源)一起促进硝化和反硝化细菌生长，促进了水体中氮的吸收和转化，最终使一部分氮以氮气的形式得以去除”。

4实际应用

4．1简单沟渠系统

沟渠在农田中纵横交错，因此可单独将沟渠作为农业面源污染的控制系统。沟渠形式可分为有水草和无水草的沟渠，或分为自然的沟渠和根据自然沟渠改建的生态沟渠。胡宏祥等人在巢湖北岸农田间选择了一条无侧面外来水的100m长的沟渠，在上段40m中种植水草，下段60m中不种水草，形成无草河段。经实验表明水草拦截净化效果要好于无水草拦截的自然净化效果。水草拦截净化河道段，几种形态养分含量的降低幅度为5．7％一32．9％；在无水草拦截的自然河道净化段，氮磷含量有一定降低，但降低幅度很小，为0．3％6．6％[。陈庆锋等人将原有的废弃暖气沟改造而成沟渠，依次分为沉淀区、过滤区和存储区。在沉淀区，降雨污染径流经过沉淀后大颗粒污染物被拦截；在过滤区(滤渠中分段依次填充碎石、白矾石、粗沙、鹅卵石、陶粒、细沙、鹅卵石、泥炭、钢渣和蛭石)，降雨径流再经过各种基质材料的逐级吸附过滤和生物膜的净化作用，径流中的颗粒物被进一步拦截、吸附和净化；在存储区，净化后的降雨径流经过再沉淀后溢流到生态塘中进行深度净化。钢渣和蛭石对可溶态氮去除率约为60％，其次是碎石和鹅卵石，去除率约为50％；对于可溶解态磷，自矾石和沙子具有较好的去除效果，其次是陶粒和蛭石；对于浊度，陶粒、泥炭和蛭石均具有良好的效果，去除率均为80％，其次是白矾石和沙子引。杨林章等针对太湖流域农田面源污染严重的现状，结合当地实际情况提出了一种新的生态工程学解决方法一生态拦截型沟渠系统(公开号：CNI699697A)，主要由工程和植物两部分组成，能减缓水速，促进流水携带颗粒物质的沉淀，有利于构建植物对沟壁、水体和沟底中逸出养分的立体式吸收和拦截，从而实现对农田排出养分的控制。试验区沟渠植物具有一定的经济价值，且景观效果良好c39]。

4．2复合沟渠系统

沟渠一水塘系统：多路串联水塘系统(即多水塘系统)的概念首先由尹澄清(1989年)提出，主要包括滞留池和水塘。多水塘系统是一类特殊的人工水塘湿地生态系统，是以水塘为点、沟渠为线的流域系统。研究表明，多水塘系统能截留来自农业的P污染负荷94％以上。

5问题及展望

沟渠单独作用或与其它处理设施联用能有效地控制面源污染，但目前仍存在不少待研究的问题：对其作用机理的认识仍不够，如何定量地确定沟渠中各种机理的作用；当沟渠中种有植物时，因植物的死亡可能会造成二次污染，如何对植物进行后续处理；因为沟渠的截留作用，沟渠可能会发生堵塞，如何对沟渠进行适当的管理使其正常运作等。在沟渠系统中有各种级别的沟渠，不同级别沟渠的大小、深度各不相同，如何综合利用各级沟渠，建造一个生态沟渠系统，并作为农业面源污染控制中的一种生态工程技术，保持自然资源和生态系统自身的平衡，从而最大程度地利用生态系统功能实现非点源污染的控制。