灌区沟塘湿地对稻田排水中氮磷的原位削减效果及机理研究

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1、水利学报2010年4月SHUILIXUEBAO第41卷第4期文章编号:0559-9350(2010)04-0406-06灌区沟塘湿地对稻田排水中氮磷的原位削减效果及机理研究彭世彰，高焕芝，张正良(河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098)摘要:沟塘系统是控制农田面源污染的有效措施，本文通过修整灌区内承泄沟塘、重建其水生植物系统，研究了沟塘湿地对稻田排水的原位削减能力及机理。试验结果表明，通过沟塘底泥、水生植物等的综合净化作用，沟塘出流水中总氮TN和总磷TP平均质量浓度分别较入口减小22.01%和9.59%，实现了对稻田排水中氮磷的原位削减，

2、其中氮磷单峰浓度消减均近似服从指数规律。较小的沟塘入流浓度和较长的沟塘净化时间利于获得更大的消减率，因此，建议利用排水沟系对稻田排水进行先期调蓄，初步净化后再排入沟塘，以提高沟塘净化效果。沟塘拦水坝的修建使得底泥吸附在水体净化过程中作用更加明显，0～40cm深底泥在稻麦轮作年TN截留量达1.559kg·－2－2m、TP累积量达0.394kg·m，吸附量可观;水生植物氮磷吸收是沟塘水质净化的重要途径，收割是实现其净化有－2－2效性的关键环节，仅移除芦苇和茭草茎叶，可除去氮193.69kg·hm和磷33.49kg·hm。芦苇和茭草综合对比表明，茭草更适于当地排水沟塘选用。

3、关键词:沟塘湿地;稻田;排水;氮磷;原位削减中图分类号:X592;S276文献标识码:A1研究背景农田流失的氮、磷是导致环境水体富营养化的主要原因之一，如何有效防治农田面源污染、修复水环境是目前亟待解决的问题。农田面源污染物向下游排放的源头是田间排水沟塘。作为天然湿地，沟塘内部进行着复杂的物理、化学和生化反应，本身具有水质净化的能力。Meuleman等研究结果表明，植草沟渠能够吸收水中氮磷污染物，对磷素的去除率高达90%～95%，可以利用植草的天然沟渠改善受［1］污染河水的水质。Sheryl等的研究表明，天然的植草排水沟对农药毒死蜱(chlorpyrifos)的消解率

4、达［2］38%。Krgera等在密西西比河三角洲的研究发现，农田排水沟(长约400m，宽约7m)能够沿程降低2－1硝氮和氨氮的浓度，对可溶性无机氮的截留率达57%(约13.8kg或2.07kg(hm)或1.03kg2－1－1［3］2－1－1［4］(hm)a)，对磷素的截留率为43.92±3.12%(约1.86±0.1kg(hm)a)。Moore等的［5］研究表明，天然植草排水沟和不植草排水沟均能吸收氮磷，从而减少排入下游的污染物。而Borin等［6］的蒸渗仪试验表明，植草的人工湿地能够吸收十倍面积的稻田排水中的硝氮。姜翠玲等在我国江苏南京地区、翟丽华等在浙江嘉兴的研

5、究也表明，天然的沟渠湿地对氮磷非点源污染物有持留和累积作［7－8］用，而天然沟渠相互连通形成的多水塘系统，也能够有效截留降雨径流，减少流域非点源污染物的［9］输出，其中水生植被通过直接吸收和根区效应，对氮磷面源污染负荷的截留率可分别达12.0%和［10］6.7%，因此，天然沟渠能够截留氮磷污染物，利用天然沟渠、水塘控制农田面源污染是一种有效的生［7－11］态化途径。但目前的研究多集中在沟塘的原始流态下，缺少对沟塘进行人为干预后净化能力的研究。本项目对沟塘进行了生态改造并建造了溢流坝，改造后的沟塘类似半人工湿地，研究改造后的排水收稿日期:2009-07-28基金项目:国

6、家自然科学重点基金项目(50839002);“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAD11B09－3);全国优秀博士学位论文作者专项基金(200546);河海大学院士学科建设基金项目(208414021E7)作者简介:彭世彰(1959－)，男，上海人，教授，从事节水灌溉理论与农田生态效应研究。E-mail:szpeng@hhu.edu.cn—406—沟塘系统对稻田排水中氮磷的原位削减能力及其机理。研究成果对充分挖掘沟塘系统的净化潜力、合理利用现有沟塘资源控制稻田面源污染输出具有重要意义。2材料与方法2.1试验区概况试验区位于江苏省高邮灌区周庄示范区内，属北亚热带季

7、风气候区，最高气温38.5℃，最低气温－18.5℃，年平均气温14.6℃，常年降雨量1037mm，多年平均蒸发量1060mm。0～－1－1－340cm土层土壤全氮0.73g·kg，全磷0.88g·kg，土壤容重1.17g·cm。试验区为稻麦轮作，试验田块均为标准的30m×90m条田，田块间有排水斗农沟，区域稻田有集水沟塘，稻田排水经排水斗农沟汇入沟塘，再排入下游水体。本试验选取的集水沟塘长约300m，宽10m(如图1所示)，稻季水深一般在21.8～2m，总面积3000m，占所控制稻田面积的1.62%。共对沟塘进行3次建设:(1)2007年试验开始前对