塘堰濕地對農(nóng)田氮磷的去除效應(yīng)

塘堰濕地對農(nóng)田氮磷的去除效應(yīng)

0農(nóng)田面源污染農(nóng)田的地表污染主要指耕地的土壤、氮、磷、農(nóng)藥和其他有機或有機污染。在降水和灌溉過程中，大量污染物質(zhì)通過耕地、農(nóng)業(yè)排水和地下流失，導(dǎo)致水環(huán)境破壞。在面源污染已成為全球水環(huán)境的一大主要污染源,其中農(nóng)田面源污染又占據(jù)主導(dǎo)地位的情況下,如何處理農(nóng)田面源污染就成為迫切的問題[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22]。針對這種情況,茆智院士提出“四道防線”降解農(nóng)田面源污染,第1道防線:田間節(jié)水減排,結(jié)合水肥高效利用,系減少面源污染排放的源頭控制;第2道防線:田間排水草溝,主要承接稻田地表排水、地下滲漏水而將其引入塘堰濕地,對田間排水進行凈化;第3道防線:塘堰濕地,通過植物吸收、底泥吸附、微生物降解等綜合作用,對排水進行凈化;第4道防線:生態(tài)骨干排水溝(帶狀濕地),將塘堰濕地排水帶入各類容泄區(qū)系,對濕地排出的水再次凈化。本文研究第3道防線,塘堰濕地對農(nóng)田排水中氮磷的削減效果。以期為正確評價水稻灌區(qū)塘堰濕地對農(nóng)田面源污染的降解效果,為評估農(nóng)業(yè)面源對環(huán)境的污染和影響、合理制定農(nóng)業(yè)面源污染防控措施提供依據(jù)。1材料和方法1.1區(qū)域立地條件試驗在湖北省漳河灌區(qū)進行。根據(jù)典型性和代表性原則選取了1個封閉區(qū)域。該試驗區(qū)位于湖北省灌溉試驗中心站以南2km,地理坐標(biāo)為:東經(jīng)112o10.6′~112o10.8′,北緯30o51.4′~30o51.7′,總面積11.8萬m2,如圖1所示。區(qū)域內(nèi)地勢北高南低,東西高中間低,平均海拔高程為96m。經(jīng)統(tǒng)計,區(qū)域內(nèi)共有132塊農(nóng)田,絕大部分田塊種植水稻,種植制度為水稻—油菜/小麥一年兩熟,2009年灌區(qū)水稻施肥水平為:氮肥(N)為180kg/hm2,基肥用碳酸氫銨,追肥(分蘗肥)用尿素;磷肥(P2O5)為40kg/hm2;鉀肥(K2O)為70kg/hm2。區(qū)域內(nèi)在田塊管理上采取分戶管理的模式,灌溉水水源主要來自位于區(qū)域西側(cè)的三干渠一分干。1.2采用單元差異的方法對于選定的試驗區(qū),最南端在整個區(qū)域中地勢最低,該處有1座堰塘,可以收集全區(qū)域農(nóng)田排水,因此,選取該堰塘改造為觀測試驗的塘堰濕地。該堰塘表面積2300m2,主要水生植物有菖蒲、蘆葦、水花生等。從濕地實際情況出發(fā),按照單一差異的原則將堰塘濕地劃分為3個處理單元,各個單元之間用墻體隔開,每個單元均有各自獨立的進水口和出水口,相互之間不聯(lián)通(見圖2)。3個單元的處理為:單元Ⅰ為不做任何處理的純天然狀態(tài),起對照作用;單元Ⅱ?qū)竦刂参锩芏冗M行了優(yōu)化,觀測植物調(diào)整后的濕地處理效果;單元Ⅲ對濕地底泥進行了疏浚,回填新的底泥,然后重新調(diào)整植物種植密度。具體參數(shù)見表1。由于菖蒲在漳河灌區(qū)堰塘濕地當(dāng)中屬于優(yōu)勢物種,而且其吸收氮、磷元素效果很好,因此在濕地改造過程中將3個單元的濕地植物全部改種為菖蒲。1.3納氏試劑法n-l-n,n-采集水樣分析指標(biāo)和方法為:總氮、硝態(tài)氮用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89)測定,銨態(tài)氮用納氏試劑比色法測定,總磷用鉬酸氨分光光度法(GB11893-89)測定。水樣采集后2h內(nèi)在實驗室分析,遇連續(xù)取樣,樣多時4℃低溫保存,24h內(nèi)處理完畢。2結(jié)果與分析2.1濕地水質(zhì)分析2.1.1總氮去除效果漳河灌區(qū)水稻生長期從每年的5月下旬開始到9月上旬結(jié)束,生長期約為105d,水稻生長期可分為:返青期、分蘗拔節(jié)期、孕穗抽穗期、乳熟期和黃熟期。表2所示為2009年堰塘濕地進出口在水稻生育期的各個階段水質(zhì)總氮試驗數(shù)據(jù)。從表2可知,塘堰濕地在水稻生長前期和中期的去除氮素效果較好,總氮去除率最大達到81.6%,但是到乳熟期以后濕地的總氮去除效率明顯下降,到了水稻生育期后期的黃熟期濕地的總氮去除率為負(fù)值,達到了-12.5%,也就是說此最后階段內(nèi)濕地不僅不能發(fā)揮去除農(nóng)田排水中氮素的作用反而會污染農(nóng)田排水使得從濕地排水的水質(zhì)進一步惡化。其原因是:1)植物的吸收作用,在水稻生育前中期,濕地植物正處于生長旺盛期,大量吸收氮,而到了水稻生育后期,濕地植物生長減緩,氮的吸收能力減弱,從而去除能力大大減弱。2)底泥的吸附作用,在水稻生育前中期,底泥的氮含量低,吸附能力強,而到了后期,流入濕地的水中的氮濃度小于濕地底泥中的氮濃度,濕地底泥中的氮會隨水流走,從而導(dǎo)致出口濃度增大。2.1.2總磷及總磷的去除效果表3所示為堰塘濕地進出口在水稻生育期的各個階段水質(zhì)總磷試驗數(shù)據(jù)。從表3可知,濕地在水稻生長前期和中期總磷的去除效果較好,磷元素最高去除率達到80.0%。同樣,在水稻的黃熟期濕地的去磷效率為負(fù)值,說明在該階段濕地仍然對農(nóng)田排水有二次污染。其原因可能與氮相同。不過,水稻黃熟期稻田基本落干,田間排水量不大,即使?jié)竦匕l(fā)揮不了凈化功能,但是排出的磷元素的總量也不會太大。2.1.3濕地植被選擇年度試驗結(jié)束后,如果不對濕地植被進行處理,腐爛在濕地的植物會將N、P還原給濕地,從而影響濕地的處理效率。所以一般采用2種方法處理濕地植被:1)除去植株;2)疏浚底泥,將肥沃濕地部分底泥進行疏浚(一般為0.5m)。除去的植株和底泥含有豐富的氮、磷,可以還田。2.2堰塘濕地去除污水中的氮、磷元素表4為2009年封閉試驗區(qū)水稻各生育階段在濕地進出水口處水量的觀測記錄數(shù)據(jù)。根據(jù)表2和表3中各生育階段氮、磷濃度乘以表4中相應(yīng)生育階段進、出濕地的水量,即算出2009年各生育階段進入和流出濕地的氮、磷元素總量。精確地來講,濕地內(nèi)部水量存在深層滲漏損失,但是由于濕地面積較小,經(jīng)過多年運行已經(jīng)趨于穩(wěn)定,滲漏總量不會太大,為了簡化計算而忽略了濕地內(nèi)部的滲漏水量帶走的氮、磷損失,同時也忽略掉濕地內(nèi)部氮素?fù)]發(fā)作用。表5為2009年水稻生育期堰塘濕地進出氮、磷總量計算結(jié)果。計算可知,濕地削減的氮素占進水中氮素的45.88%,削減的磷素占進水中磷素的44.20%。由此可見,除水稻黃熟期外,在水稻整個生育期,堰塘濕地去除排水中氮、磷元素的效果較好。從水稻生長的各個階段來看,每個階段濕地都能較好地發(fā)揮凈化作用,只是在黃熟期田間基本落干的情況下濕地凈化能力不太理想。2.3對總氮的去除效率計算c根據(jù)濕地設(shè)計的“K-C(9)”模型和濕地去除率計算式式中,C0為進水質(zhì)量濃度,mg/L;C1為出水質(zhì)量濃度,mg/L;C*為背景值,mg/L;K為一級反應(yīng)速率常數(shù),m/a;A為濕地面積,m2;Q為流量,m3/d;R為去除率,%。將(2)式代入(1)式,可得對總氮,C0=1.015mg/L;C*=2mg/L;K=22m/a;Q=541m3/d。代入式(3)可得化簡,得由于式(4)在取值范圍內(nèi)是增函數(shù),所以,濕地面積增大,亦即單位面積過水量減小,濕地的總氮去除效率也會相應(yīng)提高。如果將流量Q設(shè)成變量,而濕地面積A設(shè)成常量,式(3)可變?yōu)榛?得由式(5)可知,流量增大,即單位面積過水量增大,濕地對總氮的去除率會減小。同理,對總磷,C0=0.305mg/L;C*=0.02mg/L;K=12m/a;Q=541m3/d。代入式(3)化簡可得由于式(6)在取值范圍內(nèi)是增函數(shù),所以,當(dāng)濕地面積增大,即單位面積過水量減小,濕地的總磷去除效率也會相應(yīng)提高。如果將流量Q設(shè)成變量,而濕地面積A設(shè)成常量,式(3)可變?yōu)橛墒?7)可知,當(dāng)流量增大,即單位面積過水量增大,濕地對總磷的去除率會減小。綜上所述,濕地對農(nóng)田排水中氮磷的處理效率是隨著濕地面積的增加而增加的,隨著流量增加而減小,亦隨著單位面積過水量的加大而減小,反之亦然。2.4農(nóng)田排水特征分析堰塘濕地按照設(shè)計分成了3個處理,圖3為濕地的3個處理單元水樣取樣點示意圖。以單元Ⅰ為例,單元內(nèi)共布置6個取樣點,按順時針方向排列,取樣點(1)是單元的進水口,取樣點(4)是單元的出水口。其他2個處理單元取樣點布置情況和單元Ⅰ相同。濕地3個處理單元的內(nèi)部的地勢都是北高南低,進水從北邊入口分別進入3個單元,緩慢向南推移,最后從位于各處理單元最南端的出水口流出,流出的水經(jīng)過位于整個濕地南側(cè)的排水涵管流出整個試驗區(qū)域。2009年水稻生育期,總共對濕地3個處理單元的水質(zhì)進行了13次的跟蹤化驗分析?；炛笜?biāo)包括:硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、總磷。根據(jù)化驗分析數(shù)據(jù)繪得圖4a、b和c,分別反映濕地3個處理對不同指標(biāo)的去除能力。圖4可以簡明地反映2009年濕地3個單元去除農(nóng)田排水氮、磷污染物質(zhì)的能力。總體來講,作為對照試驗的單元Ⅰ的去除能力最差,無論是對于銨態(tài)氮、硝態(tài)氮還是總磷指標(biāo),單元Ⅰ的去除率在水稻生長期的大部分時間都是負(fù)值,去除效果很不理想。單元Ⅱ?qū)︿@態(tài)氮和硝態(tài)氮的去除效果較好,在圖4a、b中,除了銨態(tài)氮在返青期、硝態(tài)氮在水稻生育期中期去除效果不太好以外,水稻其他生育期期間,濕地單元Ⅱ能較好地發(fā)揮去除排水銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的作用,對銨態(tài)氮去除率最大達到了11.1%,對硝態(tài)氮去除率最大達到了96.0%。單元Ⅲ對去除排水中磷元素有明顯的作用,從圖4c可以看出,在水稻生育初期(返青期),單元Ⅲ對排水總磷的去除率高達39.5%,以后依次遞減,到了水稻乳熟黃熟期,單元Ⅲ對總磷的去除率為負(fù)值,這種現(xiàn)象是因為疏浚底泥回填新的填料后,最初濕地對磷元素有很強的吸附能力,隨著吸附量的增加,以后吸收的能力會逐漸降低,到了水稻生育后期,由于底泥吸收飽和,加之濕地植物腐爛等,會污染濕地內(nèi)部的水,導(dǎo)致出口水質(zhì)變差,去除率成為負(fù)值。3對氮、磷元素的去除效率本文根據(jù)2009年濕地在水稻整個生育期水質(zhì)的觀測數(shù)據(jù),評價了濕地的運行效果,同時,通過對比處理實驗,得出濕地的不同處理措施對濕地的氮、磷去除效率的影響。濕地對氮磷元素的去除途徑主要是植物的吸收、微生物的攝取以及基質(zhì)的吸附作用。濕地對農(nóng)田排水的氮、磷去除效率隨著水稻生育階段的不同而異,總的來講,濕地在水稻生長初期和中期(分蘗拔節(jié)期、孕穗抽穗期)對氮、磷元素的去除效率比較好,總氮去除率最大達到了81.6%,總磷去除率最大達到了80.0%,但是到了水稻生長期后期,濕地?zé)o論是對氮元素還是磷元素的去除效率顯著下降,不僅不能發(fā)揮去除農(nóng)田排水中氮、磷元素的作用,反而對農(nóng)田排水產(chǎn)生二次污染,使?jié)竦爻隹诘乃|(zhì)劣于濕地進口的水質(zhì)。從整個水稻生育期來看,濕地氮素去除率為45.88%,濕地磷素去除率為44.20%,達到了預(yù)期目標(biāo)。3個處理單元中,單元Ⅰ為不做任何處理的純天然狀態(tài)