不同类型沟渠对农田氮磷流失的拦截效果

2016-06-14 17:14田上+沙之敏+岳玉波+袁婧+卢琳芳+赵峥
江苏农业科学 2016年4期
关键词:沟渠

田上+沙之敏+岳玉波+袁婧+卢琳芳+赵峥+曹林奎

摘要:为探究不同类型沟渠对农田径流水中氮磷的拦截效果及其机理,分别针对3种类型的农田排水沟渠(生态拦截沟渠、简易土质排水沟渠、混凝土板型沟渠)进行试验。结果表明,生态拦截沟渠对农田径流水中的氮磷元素可以起到明显的拦截作用,几种养分(总氮、硝态氮、铵态氮、总磷、可溶性磷)的降低幅度在31.81%~58.21%之间,净化效果明显高于简易土质排水沟渠和混凝土板型沟渠。总体来看,生态拦截沟渠对氮磷元素等污染物有较好的净化作用,可以减轻周围环境受到的水体污染。

关键词:沟渠;农田径流;生态拦截;氮磷流失

中图分类号: X712

文献标志码: A

文章编号:1002-1302(2016)04-0361-05

近年来,随着对点源污染控制能力的不断增强,农业面源污染对水体质量和生态系统影响的比例和危害越来越突出,特别是长三角地区。研究表明,该区域的化肥平均施氮量已超过300 kg/hm2,远高于国家为防止化肥污染而制定的225 kg/hm2 的标准[1]。长三角地区化肥和农药的施用量越来越大,导致该区域农业面源污染问题也日趋严重[2]。农田排水渠作为农田径流污染物的主要排放点和湖泊、河流营养性污染物的主要输入源,对农田径流污染物的净化效果将直接影响该地区农业面源污染的危害程度[3]。生态化的排水沟渠既可以作为农田降雨径流的排水通道,还可以通过其内部种植的植物拦截、滞留、吸收随农田排水流失的氮磷元素,实现生态拦截氮磷元素的目的[4-7]。但到目前为止,关于生态沟渠的构建以及生态沟渠与其他不同类型的农田排水渠拦截效率横向对比的研究报道比较少。因此,本研究以生态沟渠为主要对象,对比上海郊区常见的其他2种不同类型的农田排水渠,系统探究不同生态阻断系统对于农田排水渠氮磷随水流失拦截效率的影响[8],为生态沟渠更有效地净化氮磷等面源污染物提供量化数据,进而为上海地区农业面源污染的优化控制提供重要的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于上海市青浦区练塘镇青浦现代农业园区内(31°1′N,121°1′E),地处黄浦江上游水源保护区,总面积 17.07 km2。该地区属于北亚热带季风气候,温和湿润,四季分明,日照充足,雨水充沛,无霜期长。2012—2014年平均气温17.6 ℃,极端最高气温38.4 ℃,极端最低气温-7.8 ℃;全年降水日数135 d,降水量1 269.3 mm;全年日照时数 1 622.8 h,无霜期226 d。

该试验区内土壤主要土种为胶黏土和青紫泥,其母质类型为湖相沉积物,质地较为黏重[9-10],主要基本特性见表1。

试验区内现有水稻面积105.4 hm2,果园面积 139.2 hm2,水产面积40 hm2,露地菜田49.34 hm2,设施农业111.27 hm2。试验区内各类排灌沟渠131.84 km,沟渠类型为:(1)原有农村简易土质排水沟渠;(2)混凝土板型排水沟渠;(3)生态拦截沟渠。

1.2 试验设计

1.2.1 试验方案 在园区各类排灌沟渠内,将简易土质排水沟渠、混凝土板型排水沟渠和生态拦截沟渠各选出1条。所选的3条沟渠长度均为270 m左右,水稻季期间全部作为稻田径流水的排水渠,且3条沟渠均无侧面外来水。在夏季水稻种植期间,稻田产生的径流水先排放到这3条不同类型的沟渠内,经沟渠净化作用后,再流入外河。本试验针对3种不同类型沟渠进行水质取样监测,分析数据横向对比不同类型沟渠对于稻田径流水中氮磷元素的拦截效率。

1.2.2 工程方案 (1)生态拦截沟渠:沟渠断面为倒等腰梯形,上部宽度为1 500 mm,底部宽度为500 mm,深度为 1 200 mm。沟壁为混凝土多孔板结构,沟壁下增设3维植物网[11],沟底仍为土质。横断面见图1,图1中标高以“m”计,宽度以“mm”计。(2)简易土质排水沟渠:沟渠上部宽度为 1 000~1 200 mm,底部宽度为500~800 mm,深度为 1 000 mm 左右。沟壁和沟底全为土质。(3)混凝土板型排水沟渠:沟渠断面为倒等腰梯形,上部宽度为1 300 mm,底部宽度为450 mm,深度为1 000 mm。沟壁和沟底全部由混凝土板覆盖。横断面见图2,图2中标高以“m”计,宽度以“mm”计。

1.3 植物配置

1.3.1 生态拦截沟渠 沟渠内部主要种植黄菖蒲(Iris pseudacorus L.)、梭鱼草(Pontederia cordata L.)和再力花(Thalia dealbata)3种水生植物,呈密集带状种植,在沟渠内形成水生植物对氮磷元素的拦截带[12]。沟壁植物种植狗牙根(Cynodon dactylon L.)。

1.3.2 简易土质排水沟渠 沟渠内水生植物为上海农村地区常见浮萍。沟壁植物为野生杂草。

1.3.3 混凝土板型排水沟渠 沟渠底部及沟壁均被混凝土覆盖,沟渠内无植物生长。

1.4 样品采集

1.4.1 取样点设置 在3条沟渠内沿水流方向各自设置5个监测断面,每个断面之间相隔50 m左右,断面1均设置在稻田径流水入水口处。取样点设置在每个监测断面的沟渠中心,每次取样500 mL。

1.4.2 取样时间设置 取样时间为2014年7—10月水稻生长期间,自水稻第一次施基肥后每隔15 d固定取样1次;另外在暴雨产生径流和稻田定期排水后密集取样,连续取样 3 d,每天取样1次。

1.5 样品测定及数据分析

水样测定指标为总氮(TN)、铵态氮(NH+4-N)、硝态氮(NO-3-N)、总磷(TP)及溶解性磷(DP)。其中总氮采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法[13]测定;硝态氮不需经过消解处理,直接用紫外分光光度计测定;铵态氮采用水杨酸分光光度法测定;总磷和可溶性磷采用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法[14]测定,其中可溶性磷需先经过0.45 μm滤膜滤过之后测定。

2 结果与分析

2.1 生态拦截沟渠对氮磷随水流失拦截效果

2.1.1 生态拦截沟渠不同断面氮磷含量变化分析 由图3、图4可以看出,不同断面水中氮磷含量差异极大,总体明显呈现出从上游至下游、沿水流方向逐渐降低,直至第5个断面时降到最低点。其中,总氮浓度由5.74 mg/L减少为2.63 mg/L,铵态氮浓度由1.89 mg/L减少为1.17 mg/L,硝态氮浓度由1.32 mg/L减少为0.90 mg/L,总磷浓度由0.67 mg/L减少为0.28 mg/L,可溶性磷浓度由0.29 mg/L减少为0.15 mg/L。说明生态拦截沟渠对农田径流水中的氮磷元素具有明显的拦截和净化作用,这是由于生态拦截沟渠内大量的水生植物在生长过程中,进行的根部吸收作用以及根区反应消耗了大量水中的氮磷元素[15],此外,沟渠内微生物的降解作用[16]及沟渠底泥的吸附和拦截[17]也对水中氮磷元素含量降低起到了一定的影响。

2.1.2 生态拦截沟渠对氮磷拦截净化程度分析 由表2中可以看出,生态拦截沟渠对水中氮磷元素具有明显的拦截净化作用。从断面1至断面5,水中几种养分形态浓度都有明显降低,其中对总氮和总磷的净化效果尤为明显,浓度总降低幅度分别达到54.18%和58.21%,而对于硝态氮、铵态氮和可溶性磷的净化效果相对稍弱,但也分别达到38.09%、3181%和43.27%。据7—10月份数据统计,每50 m生态拦截沟渠对于总氮和总磷的平均拦截率分别达到13.54%和14.55%,对于铵态氮、硝态氮和可溶性磷的降低幅度略小,在7.95%~10.82%之间。这是由于生态沟渠中的水生植物对沟渠内氮磷元素的拦截和净化起到了巨大作用:一方面,大量的水生植物在生长过程中,通过自身茎叶呼吸作用向水中的根部输送氧气,在根系附近形成富氧区,促进有机质、氮、磷等的转化[18];另一方面,植物水下的根系部分会附着大量微生物,根际部分各种微生物生长的微环境有助于加快水中氮、磷自然降解的速度;此外,本次试验处于夏秋季节交替阶段,雨水丰富,沟渠内植物处于生长旺盛期,有助于水生植物生长并提高其对氮、磷营养物质的吸收效率。

2.2 简易土质排水沟渠沟渠对氮磷随水流失拦截效果

2.2.1 简易土质排水沟渠不同断面氮磷含量变化分析 从图5、图6可以看出,简易土质排水沟渠水中氮磷含量总体依然呈现出自上游至下游不断降低的趋势,但降低幅度明显低于生态拦截沟渠。其中,总氮浓度由6.11 mg/L减少为 4.16 mg/L,铵态氮浓度由1.82 mg/L减少为1.44 mg/L,硝态氮浓度由1.28 mg/L减少为1.01 mg/L,总磷浓度由 0.52 mg/L 减少为0.32 mg/L,可溶性磷浓度由0.25 mg/L减少为0.19 mg/L。说明简易土质排水沟渠也可以通过自身拦截净化氮磷元素,其中氮元素浓度的降低主要是由于沟渠内好氧和厌氧交替的环境条件使硝化和反硝化作用交替进行[19],再结合底泥吸附和植物吸收的作用;而磷元素的迁移转化主要是受沟渠底泥的吸附沉积和少量水生植物吸收的影响。

2.2.2 简易土质排水沟渠对氮磷拦截净化程度分析 由表3可以看出,整个试验期间,简易土质排水沟渠对于总氮和总磷的净化拦截率达到31.91%和38.46%,对于铵态氮、硝态氮和可溶性磷的净化拦截率也分别达到20.87%、21.09%和28.19%。这说明无论是生态沟渠的水生植物拦截段,还是简易土质沟渠的沟渠自然净化段,都会对水中的氮磷起到一定的阻滞和净化作用,但简易土质沟渠对氮磷的拦截率要明显低于生态拦截沟渠。由表2中数据可以得出,每50 m简易土质排水沟渠对总氮和总磷的平均拦截率为7.97%和9.61%,明显低于同期生态拦截沟渠对总氮和总磷13.54%和1455%的平均拦截率。另外,每50 m土质沟渠对于铵态氮、硝态氮和可溶性磷的平均拦截率分别为5.21%、5.27%和704%,也比同期生态沟渠的拦截率要降低2.74%~3.78%。

2.3 混凝土板型沟渠对氮磷随水流失拦截效果

2.3.1 混凝土板型沟渠不同断面氮磷含量变化分析 由图7、图8可以看出,相较于生态拦截沟渠和简易土质排水沟渠,混凝土板型沟渠中氮磷浓度的降幅极小,总氮浓度由 5.89 mg/L 减少为5.24 mg/L,铵态氮浓度由1.79 mg/L减少为1.65 mg/L,硝态氮浓度由1.21 mg/L减少为1.09 mg/L,总磷浓度由0.52 mg/L减少为0.44 mg/L,可溶性磷浓度由0.26 mg/L减少为0.22 mg/L,几种氮磷养分形态浓度的降低都远低于生态沟渠和土质沟渠。这是由于3面被混凝土板所覆盖的混凝土板型沟渠内缺乏进行吸附沉积作用的底泥,无法有效吸附水中的氮磷元素并对其进行物理截留沉积;并且,混凝土沟渠内水生植物缺乏,无法通过植物网络状的根系和根系周围存在的大量微生物对水中的氮磷进行吸收转化;再者,混凝土板型沟渠外部和沟壁均没有植物覆盖[20],受到降雨径流的直接冲刷后将导致外部土壤沉积物中的氮磷又重新释放到水体中,使沟渠内部的氮磷浓度升高[21-22]。

2.3.2 混凝土板型沟渠对氮磷拦截净化程度分析 由表4可以看出,整个试验期间内混凝土板型沟渠水体内氮磷元素浓度的降幅是最低的。其中对于总氮的净化拦截率为1103%,远低于生态拦截沟渠54.18%和简易土质沟渠3191%的总氮净化拦截率;混凝土板型沟渠对于总磷的净化拦截率为15.38%,也同样远低于生态拦截沟渠58.21%和简易土质沟渠38.46%的总磷净化拦截率。铵态氮、硝态氮和可溶性磷的净化拦截率也仅为7.82%、9.91%和15.23%,均低于生态拦截沟渠和土质排水沟渠。经计算,每50 m混凝土板型对总氮、铵态氮和硝态氮的平均拦截率为1.95%~275%;对总磷、可溶性磷的平均拦截率为3.45%~3.84%。由此数据可以看出,混凝土板型沟渠对于沟渠内水质的改善效果是3种沟渠中最差的,沟渠内氮磷元素的净化效果都相对较弱,无法对农田径流水中的非点源污染物进行有效的净化拦截作用。

2.4 不同沟渠系统对水中氮磷元素去除率与截流负荷对比分析

由表5中数据可以看出,每270 m生态拦截沟渠对总氮的平均去除率达到54.18%,对总磷的平均去除率达到了5821%;同一时期相同长度的简易土质排水沟渠对总氮和总磷的平均去除率分别为31.91%和38.46%,而混凝土板型沟渠对总氮和总磷的平均去除率仅有11.03%和15.38%。经过统计试验期间沟渠内排出水的总量,通过计算得出:7—10月水稻生长期间,稻田排出的径流水,在经过270 m生态拦截沟渠后,总氮的截留量为9.51 kg,总磷的截留量为1.22 kg;同时期相同长度的土质排水沟渠,对排出径流水中的总氮截留量为5.84 kg,总磷截留量为0.78 kg;同时期相同长度的混凝土板型沟渠,对排出径流水中的氮磷元素截留效果最差,总氮的截留量为1.21 kg,总磷的截留量为0.15 kg。这说明,使用混凝土板型沟渠作为主要排水渠的农田,将会导致农田径流水中大量的氮磷元素流入外河,进入周边河网水系,造成地表水体污染;而生态拦截沟渠对沟渠排出水中的氮磷元素具有很强的净化作用,且拦截效果较为稳定;简易土质排水沟渠也对水中氮磷元素有一定的净化作用,拦截效果居于二者之间。

3 总结与讨论

根据试验结果,生态沟渠对农田排水中氮磷的拦截效果要明显好于简易土质排水沟渠和混凝土板型沟渠。生态沟渠内大量的水生植物既可以通过本身吸收大量的氮磷元素,也可以通过根部促进水中的氮发生硝化与反硝化作用,进而使水中的氮转为氮气体逸出或被底泥吸附沉积,并且其密集的网络状根部也会使沟渠本身对颗粒状的磷吸附量明显增加。

上海地区现有农田排水沟渠以简易土质排水沟渠和混凝土板型沟渠为主,并且近几年随着农村经济的发展,沟渠类型有向混凝土板型沟渠发展的趋势。其中简易土质排水沟渠保土能力差,容易产生水土流失和沟壁坍塌等问题,并且沟渠规格无统一规范,排水速率较弱,但是对沟渠内部氮磷的净化拦截作用却明显优于混凝土板型沟渠。现代型的混凝土板型沟渠,虽然解决了水土流失和沟壁坍塌等一系列问题,但它作用单一,仅仅提供了农田快速有效排水的作用,但却对排出水中的非点源污染物如氮磷元素等营养物质无法去除,同样会带来严重的环境污染问题。而生态拦截沟渠不仅起到了沟渠的排灌功能,还可以大幅度净化拦截水中的氮磷元素,减少农田养分的流失,且具有一定的景观效应,因此具有较大的推广潜力。

此次试验中,生态拦截沟渠系统整体仍处于运行初期,而生态拦截沟渠对于农田径流水中各种污染物质的去除受到诸多因素影响。不同的植物在不同的生长阶段,植物的吸收和微生物降解等作用的程度是不同的,今后还需要对不同的植物以及不同的植物生长阶段对径流水中污染物的净化拦截机制进行进一步的研究。此外,可以对生态拦截沟渠沟渠进行选择性种植,在保证生态拦截沟渠正常运行的情况下,适当增加水生、陆生植物的数量和种类,以提高生态拦截沟渠对农田径流污染物的净化拦截作用。

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