近年來，長三角地區化肥和農藥的施用量越來越大，導致農業面源污染日趨嚴重，據報道，上海、浙江、江蘇、安徽等地的化肥施用量已超出300 kg/hm2，高于國家為防止化肥污染而制定的 225 kg/hm2標準。
由于長江流域分布著廣闊的水田，其農業氮、磷的流失直接加速了湖泊、河流等封閉性水體和半封閉性水體富營養化水平，如江蘇太湖農業面源污染的氮量占入湖總氮量的 73%，安徽巢湖約有 52% 的總磷和 70%的總氮來自農業。
溝渠濕地作為農田徑流污染物的最初匯聚地和河道營養性污染物的主要輸入源，對農田徑流污染物的凈化效果將直接影響到周圍受納水體。傳統的農田排水溝渠指天然形成的裸露在地表或者以排水為目的而人工挖掘的水道，本文所述的生態溝渠可定義為一種經人工干預的，生長有水生或濕生植物，以排水和灌溉為主要目的，兼具農田徑流污染物截留和生物棲息、生態廊道等生態效益的溝渠濕地系統。
生態排水溝渠不僅能作為降雨徑流的排水通道，還可以通過沉淀、吸附、降解等作用減少進入環境的污染負荷。生態溝渠截留農田徑流營養性污染物的研究已受到國內外學者廣泛關注，上海地區對利用溝渠濕地控制農田徑流污染也進行了一定的研究，但仍需要繼續開展適宜性植物篩選和現場驗證，以累積經驗參數。本文通過現場試驗和工程尺度的現場示范，探討生態溝渠對農田排水中 N、P 等營養性污染物的攔截凈化效果，以期初步掌握生態溝渠的設計、建設方法，為合適、有效地防治農田徑流污染提供定量化依據。
1 材料與方法
1． 1 試驗點概況
1． 1． 1 基地試驗區試驗地位于上海市青浦區華新鎮東風港濱岸緩沖帶試驗基地，屬于蘇州河上游區域，建成于 2005 年，是上海市環境科學研究院開展濱岸緩沖帶農業面源污染生態工程控制及生態恢復研究工作的示范基地。該區域屬北亞熱帶季風性氣候，四季分明，日照充分，溫暖濕潤，雨量充沛。年平均氣溫約為 18． 1℃，日照1 930． 9 h 左右，平均年降雨量 1 042 mm，年均降雨天數 141 d，全年 50%左右的降雨量集中在 5 ～9 月的汛期。
當地土壤母質類型有湖泊沉積、江海沉積、交互沉積和回流沉積等多種，又經歷了鹽漬化、沼澤潛育化、草甸化等自然成土過程及長期的耕種熟化，形成其現有土質狀況，主要類型為青紫泥、溝干泥，質地略顯粘重，主要基本特性見表 1?！颈?】
試驗基地的生態溝渠采用橫向布置，溝渠總長105 m，溝渠剖面采用梯形復式結構，溝渠上表面寬1． 2 m，底部寬 0． 4 m，渠深 0． 8 m，溝埂寬 0． 25 m，溝壁斜面長 1 m。為保證溝渠整體結構的穩定性，溝渠邊坡采用“8”字形帶孔磚來鋪設，溝渠底部統一進行平整，保留原有土壤結構，滿足農用灌溉的前提下，在溝渠底部、邊坡種植水生植物，構建生態系統，凈化水質、改善溝渠景觀環境。
1． 1． 2 現場示范區現場示范試驗選在上海市崇明區東風西沙島生態排水溝渠及濱岸緩沖帶生態攔截技術示范工程基地進行。該基地位于東風西沙島上場部南面約 150 m 處，于 2013 年 5 月建成。生態排水溝渠及濱岸緩沖帶示范長度各 100 m，溝渠上表面寬 1． 2 m，底部寬 0． 4 m，渠深 0． 8 m，溝埂寬 0． 25 m，溝壁斜面長 1 m，溝渠邊坡、底泥均為原有土壤結構。
當地土壤發育于河湖江海沉積物，經歷了鹽漬化、草甸化、沼澤潛育過程。新近沖積而成的土壤鹽度遠高于耕作土壤，肥力較低，主要土壤類型是草甸起源的砂夾黃土以及鹽土、鹽化土、河口沙島的灰潮土等，均屬有機質含量偏低的土壤類型。示范區土壤主要理化性質見表 2?！颈?】
1． 2 試驗設計
1． 2． 1 試驗方案本研究包括基地試驗和現場工程尺度驗證試驗，基地試驗區主要研究生態溝渠對模擬徑流污染物的凈化效果，現場示范區主要對基地試驗結果進行驗證。
基地試驗根據上海地區農業面源污染產、匯流特征，人工模擬配置農田徑流水樣。試驗流程為先配置含氮、磷農田徑流水，再將其排入生態溝渠中，當生態溝渠末端水流穩定后，在生態溝渠各段分別采集產流\\( 產流為試驗時產生流動的水流\\) 水樣，一周后對溝渠存水\\( 試驗結束后溝渠內存留的水\\) 進行取樣，水樣水質分析均在實驗室進行。配置含氮、磷農田徑流水需要的試劑為碳酸氫銨和過磷酸鈣，池子容積約 10 m3，配置試驗進水 TN 濃度約60 mg/L、TP 濃度0． 8 mg/L，配置所需用水來自于附近的蘇州河水。
此外，2013 年9 月課題組對上海崇明示范工程區的生態溝渠及周邊普通農田排水溝渠中的存水進行分區采樣監測，以驗證基地試驗結果的可靠性，為其提供數據支撐。
1． 2． 2 植物配置試驗基地生態溝渠主要選用了 3 種植物，溝壁兩側邊坡孔磚內間隔種植麥冬\\( Ophitopogin japonicum\\)和黑麥草\\( Lolium perenne\\) ，溝渠底部橫向種植黃菖蒲\\( Iris pseudacorus\\) 。
根據示范現場實際情況，示范區構建了 2 條相同植物配置的生態溝渠，生態排水溝渠邊坡整理后種植“百慕大 \\( Cynodon dactylon\\) + 黑麥草 \\( Lolium pe-renne\\) ”，溝底及溝邊種植黃菖蒲\\( Iris pseudacorus\\) 、再力花\\( Thalia dealbata\\) 等，濱岸緩沖帶示范區采取草皮緩沖帶的方式，主要種植“百慕大 + 黑麥草”，輔以部分喬木及灌木，岸邊種植美人蕉\\( Canna lily\\) 、再力花等。
1． 3 采樣與監測
在基地試驗中，當生態溝渠末端出水穩定以后，從生態溝渠中等距離選取 8 個點取產流水樣，取樣點位置分別為 0\\( 即進水處\\) ，15，30，45，60，75，90，105 m\\( 即出水處\\) 。滯水期間，在產流原采樣點對生態溝渠的存水進行取樣。
2013 年 9 月，對示范區和周邊普通溝渠中的存水進行采樣監測，分別在示范溝渠內部的生態溝渠和示范區外部普通的農田排水溝渠設置 4 個采樣點。
測定項目包括懸浮固體\\( SS\\) 、總磷\\( TP\\) 、總氮\\( TN\\) 、氨氮\\( NH+4－ N\\) 。檢測結果取平均值，具體分析方法和檢測限見表 3?！颈?】
2 結果與分析
2． 1 現場模擬試驗效果
2． 1． 1 農田徑流 SS 凈化效果試驗基地生態溝渠產流、存水 SS 濃度沿程變化如圖 1 所示?！緢D1】
徑流水產流試驗中，進水 SS 平均濃度為 30mg / L，隨水流流程增加，SS 濃度有所降低，末端出水的SS 濃度最低，平均濃度為 21 mg / L，產流情況下生態溝渠末端截留率為 30%。存水取樣顯示，進水口 SS 平均濃度為 18 mg/L，末端出水口存水 SS 平均濃度為 11mg / L，較進水處降低約 38． 9% 。
由圖 1 可見，產流情況下，生態溝渠 SS 濃度沿程呈下降趨勢，沿程平均去除率在 4% ～6% 之間。在此過程中，由于水流直接沖刷土壤，可能導致徑流 SS 濃度小幅升高，但起伏不大，對試驗結果沒有太大影響。
存水狀態下，SS 沿程濃度也是逐漸降低的，沉降對 SS的去除作用較為明顯。SS 主要通過基質的吸附、自身的沉降和水生植物的攔截作用等得以去除。但試驗中如果水流流速較快，水力停留時間短，水流攜帶能力強，會使部分被截留下的 SS 又重新隨水流一起帶出溝渠系統，這可能是影響 SS 截留效果的主要原因。
2． 1． 2 農田徑流 TN、NH+4－ N 凈化效果試驗基地生態溝渠產流、存水 TN、NH+4－ N 濃度沿程變化如圖 2 所示。
徑流水產流試驗進水處 TN 濃度約為 63． 6 mg/L，NH+4－ N 濃度約為 22． 9 mg / L，溝渠中不同點位水樣的 TN、NH+4－ N 濃度逐漸降低，直至末端出水處達最低點，其平均濃度分別為 45． 9，18． 9 mg/L。存水取樣分析顯示，進水口 TN、NH+4－ N 平均濃度分別為6． 53，2． 13 mg / L，末端出水口存水 TN、NH+4－ N 均值濃度為3． 8，1． 35 mg / L?！緢D2】
由圖 2 可見，生態溝渠對農田徑流 TN、NH+4－ N都具有一定的去除效果，產流情況下生態溝渠 TN、NH+4－ N 濃度沿程呈現逐漸降低的趨勢，沿程氮素削減效果比較穩定，生態溝渠末端對 TN、NH+4－ N 截留率分別為 27． 83%，17． 46%，TN 的沿程平均去除率相對 NH+4－ N 較高。在存水狀態下，TN、NH+4－ N 濃度變化均表現出相似的變化規律，即沿水流方向逐漸降低，且降低趨勢較為平緩，末端 TN、NH+4－ N 較進水處分別降低約 41． 81%，36． 62%。產流情況下 TN、NH+4－ N去除率較好，原因可能除了物理截留沉積之外，相當一部分的氮素揮發釋放到大氣中，另一方面，溝渠中黃菖蒲、黑麥草等植物通過其網絡狀的根系會吸收農田排水中 NH+4、NO－3、SO2 －4等離子，轉化并固定一部分無機氮。雖然植物根系和周圍沉積物中存在大量的微生物，但是實際上徑流流經生態溝渠的時間較短，大部分微生物對污染物質的降解轉化作用主要發生在滯水期，期間厭氧或好氧微生物在適宜的環境下可通過硝化和反硝化作用去除水體和土壤中的有機氮。
2． 1． 3 農田徑流 TP 凈化效果試驗基地生態溝渠產流、存水 TP 濃度沿程變化如圖 3 所示。
徑流水產流試驗進水處 TP 濃度均為 0． 91 mg/L，末端出水水樣 TP 濃度有所降低，為 0． 61 mg/L，截留率為 32． 97%。存水取樣顯示進水口 TP 平均濃度為0． 21 mg / L，末端出水口水樣 TP 平均濃度為 0． 13mg / L，較進水處降低約 38． 1% 。
由圖 3 可見，生態溝渠中產流、存水 TP 濃度沿程總體呈現降低趨勢。產流期間，TP 的截留削減主要發生在前半程，降幅為 26． 48%; 后半程濃度降低趨緩并且逐漸穩定至最低點，降幅為 6． 48%。試驗結果與陳海生等人在杭嘉湖區域利用黑麥草截留農業面源污染物的研究結果表現出相似的變化規律，即在生態溝渠前半程，TP 降解幅度較大，而在遠離生態溝渠排水口的后半程 TP 沿程降解變化相對較平緩。存水情況下，TP 濃度變化趨勢出現了小幅的波動，但整體表現為降低趨勢，TP 濃度出現小幅升高的現象可能由于此渠段底泥沉積物 P 的再釋放，增加了水體中 TP 的濃度。在地表徑流中，磷主要以吸附態和溶解態存在，農田流失的磷主要是顆粒態，本次試驗所選用的黃菖蒲、黑麥草等植物根系發達，其根區系統能有效吸附截留水中的懸浮物和顆粒狀的磷，促使磷沉淀?！緢D3】
總的來說，生態溝渠 TN、NH+4－ N 的濃度變化和TP 的濃度動態呈現出很好的正相關性，并且生態溝渠對農田徑流 SS 與營養性污染物的截留凈化作用較好，這與何元慶等人在廣東珠海市斗門區上洲村的研究結果相類似。
2． 2 示范區凈化效果驗證
示范區內部生態溝渠與示范區外部普通農田排水溝渠各點位污染濃度對比見表 4?！颈?】
由表 4 可以看出，示范區內生態溝渠 SS 濃度范圍在 16 ～21 mg/L 之間，示范區外農田排水溝渠 SS 濃度范圍在 18 ～ 24 mg/L 之間，總體上，示范區內溝渠 SS平均濃度水平較示范區外低約 13． 1%，說明生態溝渠截留效果好于普通農田排水溝渠，但與現場模擬試驗結果相比，示范區生態溝渠對 SS 的截留效率相對較低，其原因可能是示范區內的土壤類型是砂夾黃土以及河口沙島的灰潮土等，有機質含量偏低，沒有較好的團粒結構，對顆粒型污染物的吸附能力較低，影響了土壤對 SS 的截留吸附。示范區內生態溝渠 TN 濃度范圍為 0． 61 ～ 0． 81 mg/L，NH+4－ N 濃 度范圍為0． 15 ～ 0． 20 mg / L; 示范區外農田排水溝渠 TN 濃度范圍為 0． 59 ～1． 21 mg/L，NH+4－ N 濃度范圍為 0． 19 ～0． 32 mg / L。示范區外溝渠各采樣點 TN、NH+4－ N 濃度波動較大，而示范區內生態溝渠各采樣點 NH+4－ N濃度波動較為平緩。示范區內生態溝渠各點位 TN、NH+4－ N 平均濃度分別比示范區外部普通農田排水溝渠低 15． 79%和 33． 33%，對比說明總體上生態溝渠對TN、NH+4－ N 具有一定的凈化能力，且攔截效果較為穩定。示范工程區內生態溝渠水樣 TP 濃度在 0． 43 ～0． 52 mg / L 之間，示范區外普通溝渠水樣 TP 濃度在0． 54 ～ 0． 73 mg / L 之間，各指標普遍高于示范區內生態溝渠水樣 TP 濃度，總體上示范區內生態溝渠 TP 平均濃度較示范區外部溝渠低約 27． 69%。由于示范區外部溝渠底部土壤沒有植被覆蓋，受到降雨徑流的直接沖刷后將導致沉積物中的磷又重新釋放到水體中，使示范區外部普通農田排水溝渠的 TP 濃度普遍升高。有研究發現水生植物在不同的生長階段對污染物的吸收能力不同。本次試驗正處于夏秋季節交替時段，崇明東風西沙島許多水生、陸生植物正處于生長旺盛期，有助于生態溝渠中植物的生長并提高其對氮、磷營養物的去除效率。
3 結論與建議
\\( 1\\) 根據基地試驗結果，生態溝渠對 SS、TN、NH+4－ N、TP 均表現出良好的截留凈化作用，對農田徑流 SS、TN、NH+4－ N、TP 的截留分別在 30% ～ 39% ，27% ～ 42% ，17% ～ 37% ，32% ～ 39% 之間，其中生態溝渠對 SS、TN、TP 的凈化作用相對較好。
\\( 2\\) 示 范 工 程 區 內 生 態 溝 渠 對 SS、TP、TN、NH+4－ N具有一定的截留凈化作用且攔截效果較為穩定，各點位 SS、TP、TN、NH+4－ N 平均濃度分別比示范區外 普 通 農 田 排 水 溝 渠 低 13． 10%，15． 79%，33． 33% ，27． 69% ，其水質明顯優于示范區外普通農田排水溝渠。
\\( 3\\) 生態排水溝渠不僅能起到排灌傳輸作用，而且對農田排水徑流中的污染物也有較好的截留作用，在一定程度上減輕了農田徑流排水對周圍環境受納水體的污染負荷。
需要指出的是，由于現場植物種植時間較短，溝渠系統整體處于運行初期，而生態溝渠對農田徑流水中各種污染物質的去除受到諸多因素的影響，在不同植物生長階段，污染物質的物理沉降和基質交換、植物吸收以及微生物降解等作用的程度是不同的，今后還需要針對植物的生長階段以及生態溝渠本身對徑流污染物負荷動態變化的特定響應機制開展進一步研究。水生植物在生態溝渠濕地系統污水處理和其他生態效益方面都發揮著獨特的作用，可以綜合考慮生態排水溝渠的主要用途進行選擇性種植。此外，在保證生態溝渠正常運行的情況下，可在區域生態環境容量、生態安全承載范圍內適當地增加水生、陸生植物的種類，以期提高生態溝渠對農田徑流污染物的凈化能力。
參考文獻:
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