不同湿地-稻田面积比下茭白-茨菇湿地系统对稻田排水中氮素去除效果的研究

李笑天，刘锦涛，王乙江，丰林花，卫 琦，徐俊增，杨士红(.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 南京 0098;.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 00048; .昆山市水利工程质量安全监督和水利技术推广站，江苏 昆山 500)

0 引 言

农业排水是面源污染主要原因，也是水体富营养化的主要成因[1,2]。湿地生态系统作为农田面源污染物净化的重要场所，已经在世界各地广泛用于包括农田排水在内的废污水的处理。Meuleman等[3]研究结果表明，植草湿地能吸收水中氮磷，截留降雨径流和稻田排水，利用湿地系统相关的物理、化学和生物作用，降低水体氮磷负荷和流出浓度。Sheryl等人[4]研究认为，天然的植草排水沟对农药毒死蜱的消解率可以达到38%。种植作物的湿地方面，尹澄清等人[5,6]通过研究发现，4 m交错带芦苇群落根区土壤总磷截留率可达到90 %，而总氮的截留率可达64 %；多水塘系统能氮磷污染负荷94%以上。Borin等人[7]通过在蒸渗仪的试验研究表明，植草人工湿地可以吸收面积为其十倍的稻田产生的排水中的NO-3-N。彭世彰等[8]通过对南方稻麦耕种特点，提出农田，生态沟和湿地协同系统，并证明系统中农业排水中氮浓度降低显著。董斌[9]等人通过引进及改造灌溉排水湿地综合系统，提升湿地对灌溉排水的净化速率。采用以土著的天然水生植物群落为试验材料，如南方水网地区的多种具有经济价值的水生植物莲藕、荸荠、茨菰、茭白、水芹等，将这些具有经济价值的水生植物种植于湿地之中，进行农田排水的净化处理，兼具净化功能和经济价值，更具推广价值，但相关研究还很少。且在土地资源紧张且水环境污染严重的今天，在保证作物产量的前提下，用更小面积的湿地对更大面积的稻田产生的排水进行净化具有现实研究意义。因此本文针对苏南高氮肥投入的稻田排水，以茭白和茨菰为湿地植物材料，开展不同湿地-稻田面积比下茭白-茨菰湿地去除稻田排水中氮素效果的研究，对于拓展湿地农田排水净化模式的植物选型以及模式的进一步的应用推广具有重要的实际意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验所在地位于河海大学水文水资源与水利工程国家重点实验室的昆山排灌试验基地(31°15′15″N, 120°57′43″E)。试验区属于亚热带南部季风气候，年平均气温为15.5 ℃年降雨量为1 097 mm，年蒸发量为1 366 mm。当地种植习惯为稻麦轮作，土壤类型为潴育型水稻土，质地为重壤土。0～20 cm土层土壤有机质30.3 g/kg，全氮1.79 g/kg，全磷1.4 g/kg，pH值7.4，0～30 cm土壤密度为1.30 g/cm3。

试验基地内建有的稻田、排水沟和湿地系统，采用固定面积的湿地(长×宽=5 m×4 m)接收不同面积稻田排水。稻田采用控制灌溉模式，具体调控指标见文献[10]。水稻于6月29日插秧，10月25日收割。6月28日施复合肥(含氮16%)60 kg/hm2和碳酸氢氨(含氮17.1%)60 kg/hm2， 7月10日、8月20日分别施用尿素(含氮46.2%)104.40和103.95 kg/hm2作为蘖肥和穗肥。根据控灌稻田在典型降雨下可能的排水量和湿地能够容蓄水深选取上游排水的稻田面积，将湿地面积和排水稻田面积设置为1∶10、1∶7和1∶4三种比例关系，每种面积比设3个重复。其中稻田和湿地面积的3种比例关系，应该理解为单位面积的湿地接收面积大小分别为其10倍、7倍和4倍的稻田产生的排水。每块湿地面积为20 m2，则对应三块稻田面积分别为200，140，80 m2。结合当地降雨与稻田容蓄降雨的控制标准，按照稻田降雨后产生3 cm水深的排水进行排水调度。湿地内土壤表面与周围稻田最低田面基本持平，湿地的堤顶高于土壤表面35 cm。湿地四周用PVC板整体焊接，并埋入地下1 m深，以防止漏水，在出口侧与内部土壤表面齐平的位置预留排水口，并用橡胶塞封堵。湿地内交叉栽种“茭白+茨菰”组合的经济作物[11]，两种经济作物间距为50 cm。每块湿地中，分别栽种3行茭白和4行茨菰，分别共计18和40株。

1.2 采样与分析

从稻田排水进入湿地后第1天开始每天定时采集湿地水样，持续8～10 d；水样采集时在湿地入口、中部和出口3个固定地点进行取样，每份200 mL，并将取好的3份水样混合摇匀。样品采集过滤后立即采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、纳氏试剂比色法、紫外分光光度法对样品中的总氮(TN)、氨态氮(NO+4-N)和硝态氮(NO-3-N)含量进行分析。

2 结果与分析

2.1 茭白-茨菰湿地系统NO+4-N浓度变化规律

不同面积比下的“茭白+茨菰”湿地系统NO+4-N浓度的变化显示(图1)，进入湿地水体NO+4-N浓度在8～10 d内呈指数下降趋势。其中7月14日和8月22日开始的处理周期内，1∶10、1∶7和1∶4比例处理湿地水体的NO+4-N浓度分别由6.120和10.907 mg/L下降到0.686和1.792 mg/L，由5.595和10.375 mg/L下降到0.677和1.237 mg/L，由6.188和10.548 mg/L下降到1.015和1.193 mg/L，对应的下降幅度分别为88.7%和83.6%、87.8%和88.1%、83.6%和88.7%。在NO+4-N浓度指数下降过程中，处理开始的前4～6 d浓度下降最快，3个湿地内两个处理周期的前6 d或4 d内的下降幅度分别为分别达到67.3%和71.8%，70.1%和75.6%，71.2%和74.1%。而对应的后4 d NO+4-N下降幅度仅为4.4%和18.5%，20.1%和21.2%，10.5%和3.2%。第三次处理周期内湿地于9月9日施肥，自施肥后最大浓度开始 浓度同样呈现指数下降趋势。自施肥后最大浓度算起，1∶10、1∶7和1∶4比例处理湿地水体的NO+4-N浓度分别由6.489、6.399和7. 449mg/L下降到1.033、0.946和1.013mg/L，下降幅度分别为84.1%、85.2%和86.4%。其中前4 d的下降幅度均达到74.1%以上，而后3 d的下降幅度主要维持在11.3%～20.0%。

图1 不同面积比的"茭白+茨菰"湿地系统NO+4-N浓度变化Fig.1 The concentration changes of NO+4-N of different area ratios of “water bamboo and arrowhead” wetland system

通过稻田三次排水进入不同面积比下“茭白+茨菰”湿地后NO+4-N浓度的变化规律可以看出，当湿地入水浓度维持在6～11mg/L时，经过湿地系统7～13 d的净化，其NO+4-N浓度都能达到0.6～1mg/L，其NO+4-N去除率均达到83.6%以上。湿地系统中NO+4-N浓度的降低幅度在前4～6 d表现最为明显，其降低幅度均到达67.3%以上，而后4 d的去除率则主要维持在25%以内。不同面积比之间的对比显示，1∶7湿地的NO+4-N去除效果较好，但3个面积比之间的差异并不显著。

2.2 茭白-茨菰湿地系统NO-3-N浓度变化规律

稻田排水进入“茭白+茨菰”湿地后NO-3-N浓度随时间的变化与浓度变化呈现相似的指数下降规律(图2)，但其去除效果却有所差异。其中7月14日和8月22日开始的处理周期内，1∶10、1∶7和1∶4比例处理湿地水体的NO-3-N浓度分别由5.987和5.981 mg/L下降到0.451和0.612 mg/L，由5.944和6.013 mg/L下降到0.532和0.557 mg/L，由5.472和6.196 mg/L下降到0.312和0.479 mg/L，对应下降幅度分别为92.5%和89.8%、91.1%和90.7%，94.3 %和92.3%。在指数下降过程中，同样是处理开始的前4～6 d浓度下降最快，其中7月14日和8月22日开始的处理后，前6 d和4 d内的下降幅度分别为分别达到74.4%和61.4%，82.8%和71.0，62.8%和70.9%。而对应的后4 d下降幅度仅为34.1%和9.1%，21.1%和22.7%，38.1%和30.4%。第三次处理周期内自施肥后最大浓度开始NO-3-N浓度同样呈现指数下降趋势。自施肥后最大浓度算起，1∶10、1∶7和1∶4比例处理湿地水体的NO-3-N浓度分别由最大值5.981、2.034和1.329 mg/L分别下降到0.359、0.397和0.537 mg/L，下降幅度分别为81.3%、71.5%和59.6 %。其中前4 d的下降最为明显其下降幅度分别达到67.7%、76.0%和48.7%；而后2 d下降较为平缓，其下降幅度仅为31.1%、18.8%和21.3%。

图2 不同面积比的“茭白+茨菰”湿地系统NO-3-N浓度变化Fig.2 The concentration changes of NO-3-N of different area ratios of “water bamboo and arrowhead” wetland system

总体上，当入水NO-3-N浓度维持在5.5～6 mg/L时，经过茭白+茨菰湿地系统8～10 d的净化，其下降幅度都能达到90%以上[12]。与湿地中NO+4-N浓度变化相比，在稻田前两次排水过程中NO-3-N的下降幅度均高于NO+4-N，而第三次排水后其去除效果则正好相反。从“茭白+茨菰”湿地系统中NO-3-N浓度下降过程来看，同样是在处理的前3～6 d下降最为明显，降低幅度均到达60%以上，这一幅度略小于NO+4-N在同阶段的下降幅度，而后2～4 d的去除效果维持30%以内。不同面积比之间的下降幅度差异并不大，总体上1∶4湿地的下降幅度更明显，但处理之间差异不显著。

2.3 茭白-茨菰湿地系统TN浓度变化规律

稻田排水进入 “茭白+茨菰”湿地后TN浓度随时间的变化与TN浓度变化呈现相似的指数下降规律(图3)，但其去除效果却有所差异。其中7月14日和8月22日开始的处理周期内，1∶10、1∶7和1∶4比例处理湿地水体的TN浓度分别由13.519和21.704 mg/L下降到1.847和5.698 mg/L，由15.022和20.461 mg/L下降到2.331和5.197 mg/L，由14.632和19.489 mg/L下降到3.108和5.335 mg/L。对应下降幅度都78%左右。在指数下降过程中，处理开始的前4～6 d浓度下降最快，其中7月14日和8月22日开始的处理后，前6 d和4 d内的TN下降幅度分别为分别达到73.7%和56.0%，76.1和62.2%，78.1%和63.4%。而观测期后4 d的下降幅度仅为6.8%和7.1%，10.4和4.0%，17.4%和8.6%。第三次处理周期内自施肥后最大浓度开始以TN浓度同样呈现指数下降趋势，1∶10、1∶7和1∶4比例处理湿地水体的TN浓度分别由最大值10.377、11.465和14.279 mg/L分别下降到2.814、1.899和1.571 mg/L，下降幅度分别为72.9%、83.4%和88.9 %。此外，可以看出，稻田第三次排水进入湿地后不同面积比的湿地系统中TN浓度在由峰值减小的过程中其变化趋势基本一致，这一点与NO-3-N有所不同，且TN浓度在由峰值逐渐降低的过程中其前5 d表现最为明显，其下降幅度均达到57.0%以上；而后3 d降低幅度仅为1.2%、14.4%和10.7%。

图3 不同面积比的“茭白+茨菰”湿地系统TN浓度变化Fig.3 The concentration changes of TN of different area ratios of “water bamboo and arrowhead” wetland system

总体上，当入水TN浓度维持在10～15 mg/L时，经过茭白+茨菰湿地系统8～10 d的净化，其浓度都能降低为2～3 mg/L。稻田三次排水进入湿地过程中TN浓度的变化规律与NO+4-N和NO-3-N较为相似。不同面积比下“茭白+茨菰”湿地系统中TN浓度的降低幅度在前4～6 d均到达56%以上，而后3～4 d的效果则主要维持18%以内[13]。对比3个不同面积比之间的TN去除效果，可以发现，总体上1∶4湿地的TN去除效果最好，但不同面积比之间的去除率差异并不大，其平均值主要维持在78%～81%之间，这一去除效果略低于NO+4-N和NO-3-N的去除率。

2.4 不同湿地-稻田面积比的氮负荷与截留效果

根据每次稻田排水进入湿地过程中水量以及氮素浓度的变化情况，可得出湿地截留的稻田排水的平均氮素负荷。将截留的氮素负荷换算为每公顷湿地上截留的氮素负荷，即为湿地系统对氮素负荷的截留效果，具体如表1所示。对截留量统计分析发现，不同面积比的湿地之间对氮素的截留量存在显著差异，原因在于本试验中湿地面积是固定的，湿地承纳的上游排水稻田面积越大，来水量和进入的负荷也越大。为进一步消除来水面积差异的影响，计算去除率和单位稻田排水在湿地内的截留量(单位截留量)，发现不同面积配比的湿地对氮素负荷的去除率和单位截留量差异不显著。

表1 “茭白+茨菰”湿地氮负荷与截留量Tab.1 The nitrogen load and intercept of the “Water bamboo and Arrowhead” wetland system

注：不同字母表明对应处理之间存在显著性差异; 进入负荷、排出负荷、截留量均对应单位湿地，单位截留量对应单位稻田。

3 结 语

本文研究了不同湿地-稻田面积比下茭白-茨菇湿地系统对稻田排水中氮素的去除效果。结果表明：茭白-茨菇湿地系统对稻田排水中氮素的去除效果明显，不同湿地-稻田面积比对系统的氮素去除率有所差异，但差异并不显著。整体上，湿地系统其对NO+4-N，NO-3-N以及TN的浓度下降分别维持在83.6%～88.7%、59.6%～94.3%和72.6%～88.9%范围内。且氮素浓度在排水进入湿地后的前3～6 d内均呈指数下降趋势，而后2～4 d则趋于平稳降低。因此，水体中氮素浓度在达到峰值之后，要尽可能在湿地中停留6 d以上，同时应尽量避免将降雨后、接收稻田排水后以及施肥后的湿地水体立即排出湿地。总体上来看， 1∶10湿地对氮素负荷截留量最大，1∶4湿地最小，差异显著。但1∶10湿地对氮素负荷去除率最小，1∶4湿地最大，且各湿地的去除率和单位截留量均差异不显著。表明在3 cm的稻田排水水深和5～11 mg/L范围的总氮浓度条件下，对应单位湿地处理负荷量在20.6～52.5 kg/hm2范围内时，在本文所采用的面积配比范围内，茭白-茨菇湿地处理稻田排水，进入湿地内水体氮素浓度和单位稻田排水负荷的截留率均比较接近，均能取得较高的氮素去除率及氮负荷截留效果。

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