生态沟渠对农田排水中氮磷的去除机理初探__

生态与农村环境学报　2010,26(6):586-590J o u r n a l o f E c o l o g y a n dR u r a l E n v i r o n m e n t生态沟渠对农田排水中氮磷的去除机理初探王　岩1,2,王建国1①,李　伟1,薄录吉1,杨林章1　(1.中国科学院南京土壤研究所,江苏南京　210008;2.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,江苏南京　210014)摘要:在野外分别构建生态沟渠(采用分布有10c m×10c m 长方形孔的混凝土板材,沟底、沟壁种植植物)、对照沟渠1(采用硬质化混凝土板材,未人为布设植物)和对照沟渠2(土质沟渠,未人为布设植物),研究了3种沟渠对颗粒物的拦截效果及其机理。

结果表明,生态沟渠对农田排水中氮磷的高效去除机理主要表现在沟渠植物的吸收、过滤箱中的基质吸附和植物吸收、沟渠拦截坝所产生的减缓流速和沉降泥沙等方面。

其中,沟渠植物吸收氮磷分别占夏季试验进水氮磷总量的68.30%和78.45%,泥沙沉降占1.05%和5.05%;生态沟渠放置过滤箱后的氮磷去除效果显著好于未放置时,过滤箱中的植物吸收氮磷占放置过滤箱试验进水氮磷量的0.37%和1.55%,过滤箱中的基质吸附占10.82%和37.94%;生态沟渠设置拦截坝时的水力停留时间较未设拦截坝时延长2.0倍。

关键词:农田排水;生态沟渠;氮;磷;植物;流速;过滤箱;拦截坝中图分类号:X 17 文献标识码:A 文章编号:1673-4831(2010)06-0586-05I n i t i a l E x p l o r a t i o no f Me c h a n i s m o f E c o l o g i c a l D i t c hI n t e r c e p t i n gN i t r o g e na n dP h o s p h o r u s i nD r a i n a g eF r o mF a r ml a n d .W A N GY a n 1,2,W A N GJ i a n -g u o 1,L I W e i 1,B O L u -j i 1,Y A N GL i n -z h a n g 1(1.I n s t i t u t e o f S o i l S c i e n c e ,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,N a n j i n g 210008,C h i n a ;2.I n s t i t u t e o f A g r i c u l t u r a l R e s o u r c e s a n dE n v i r o n m e n t ,J i a n g s u A c a d e m y o f A g r i c u l t u r a l S c i e n c e s ,N a n j i n g 210014,C h i n a )A b s t r a c t :T h r e e d i f f e r e n t t y p e s o f d r a i n a g e d i t c h e s ,e c o l o g i c a l d i t c h ,c o n t r o l d i t c h#1a n d c o n t r o l d i t c h #2w e r e b u i l t u p i n t h e f i e l df o r s t u d y o f t h e i r r e s p e c t i v e e f f e c t i v e n e s s i n i n t e r c e p t i n g p a r t i c u l a t e s i nd r a i n a g e a n d t h e i r m e c h a n i s m s .I t w a s f o u n dt h a t t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e e c o l o g i c a l d i t c h r e m o v i n g Na n dPf r o m d r a i n a g e w a s m a n i f e s t e di nNa n dPu p t a k e b y d i t c hp l a n t s ,a d s o r p t i o nb y s u b s t r a t e s a n du p t a k e b y p l a n t s i nt h ef i l t e r b o x ,r e d u c e df l o wr a t e a n d s i l t s e t t l e m e n t c a u s e d b y i n t e r c e p t i n g d a m s i nd i t c h ,e t c .O f t h e t o t a l Na n d Pi n t h e d r a i n a g e o f t h e s u m m e r e x p e r i m e n t ,68.30%a n d 78.45%w e r e r e m o v e db y d i t c h p l a n t s ,1.05%a n d 5.05%b y s e d i m e n t .O f t h e t o t a l Na n d Pi n t h e d r a i n a g e o f t h e w i n t e r e x p e r i -m e n t ,0.37%a n d 1.55%w e r e r e m o v e db y f i l t e r -b o x p l a n t s ,10.82%a n d 37.94%b y f i l t e r -b o x s u b s t r a t e .M o r e o v e r ,t h e e c o l o g i c a l d i t c h w i t h i n t e r c e p t i o n d a m s w a s t w i c e a s m u c he f f e c t i v e a s t h e c o n t r o l s i ne x t e n d i n g t h e h y d r a u l i c r e t e n t i o n t i m e (H R T ).K e yw o r d s :f i e l d d r a i n a g e ;e c o l o g i c a l d i t c h ;N ;P ;p l a n t ;f l o wr a t e ;f i l t e r b o x ;i n t e r c e p t i o nd a m基金项目:国家科技支撑计划(2006B A D 17B 03);国家自然科学基金(40771119);中国科学院知识创新工程领域前沿项目(20752010033)收稿日期:2010-05-05①通讯联系人E -m a i l :j g w a n g @i s s a s .a c .c n 农业非点源污染已成为太湖流域重要的污染来源,其对太湖的氮磷贡献率分别达83%和84%,其中农田的污染贡献不容忽视[1-2]。

在众多针对太湖地区农业非点源污染的治理方法中,生态沟渠法具有较高的氮磷去除率和较好的景观效应,其动态氮磷去除率达35.7%和41.0%,静态氮磷去除率达58.2%和84.8%[3-4],但到目前为止,关于生态沟渠的氮磷拦截机理的研究报道较少。

鉴于此,笔者就生态沟渠对农田排水中氮磷的拦截机理进行了系统研究,以期指导生态沟渠的构建,进而为农业非点源污染防治探寻一条适合中国国情和地域特色的技术途径。

1　材料与方法1.1　试验设计试验地点设在江苏省宜兴市丁蜀镇渭渎村农田(31°17.295′N ,119°53.898′E ),生态沟渠按照当地普通农田排水沟渠的尺寸设计,即沟渠横截面为梯形,上口宽1.00m ,底宽0.50m ,深0.94m ,两壁和　第6期　王　岩等:生态沟渠对农田排水中氮磷的去除机理初探底部采用分布有10c m×10c m长方形孔的混凝土板材。

对照沟渠的尺寸与生态沟渠相同,其中混凝土沟渠(以下称对照沟渠1)的两壁和底部均采用硬质化混凝土板材,土质沟渠(以下称对照沟渠2)的两壁和底部均为土质。

所有沟渠的长度均为30m,配有公共的进水池和单独的进、出水控制系统。

夏季试验生态沟渠的沟底分别种植长度为10m 的空心菜、水稻和水芹,沟壁分别种植长度为10和20m的狗牙根和豇豆;冬季试验沟底种植水芹,沟壁种植黑麦草。

对照沟渠的沟壁和沟底均未人为布设植物。

在生态沟渠中设置2个拦截坝,将沟渠平均分为3段。

拦截坝高30c m,其上有一出水口,位置紧靠沟底,以保证排水时能排空。

需要时可在沟渠中放置过滤箱。

过滤箱由圆形带孔箱体、炉渣(基质)和植物组成,其横截面为梯形,上口宽40c m,底宽30c m,深20c m。

夏季试验于2008年7～9月进行,分静态试验和动态试验2种,试验时间共56d,其中静态试验时间为45d,动态试验时间为11d。

静态试验:依据宜兴地区稻田排水中氮磷浓度范围配置不同浓度进水,ρ(T N)为6.02～38.18m g·L-1,ρ(T P)为0.13～1.18m g·L-1。

统一进水后,以拦截坝为界分成3段取样,设4d为1个周期,分别于停留时间(H R T)0、6、24、48、72h时采集水样,对比3种沟渠的净化差异。

动态试验分为2种:(1)选择不同的流速,研究流动状态下生态沟渠和对照沟渠中水流减缓程度的差异和底部增加拦截坝前后生态沟渠水体流速的变化情况,每种流速重复3次;(2)模拟暴雨,在相同流速和不同泥沙含量进水条件下,研究生态沟渠和对照沟渠对进水中泥沙拦截的差异。

试验结束后采集沟渠植物和底泥样品。

冬季试验于2008年11月28日至12月10日进行。

将生态沟渠以拦截坝为界分为3段,堵住出水口,以保证各段沟渠中的水体互不流通。

于第3段沟渠中每隔3m放置1个过滤箱,进行3个周期的试验,对比生态沟渠前后段的净化差异,取出过滤箱并采集过滤箱中的植物和基质样品。

1.2　样品采集与测定动态试验计时和采样:在进水池中调好进水氮磷浓度或泥沙含量,排空沟渠,打开进水阀门,开始计时,当出水口出现稳定的水流时停止计时,并同时在进水口和出水口采集水样。