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摘 要：通过室内模拟试验，研究了3种生态化改造模拟沟渠系统对农田退水的净化效果。结果表明，整个试验周期内，A型（苦草+贝壳粉）、B型（苦草+火山石）和C型（金鱼藻+火山石）沟渠系统的TP表面去除负荷分别为25.85、23.49和23.83mg·d-1·m-2，NH3-N去除负荷分别达到114.47、117.63和116.96mg·d-1·m-2，COD去除负荷分别为1.782、1.783和1.785g·d-1·m-2;说明生态沟渠污染净化效率受沟渠植物种类和基质类型的影响较大。
关键词：硬质化沟渠;生态化改造;农田退水;污染去除效率
中图分类号 S641.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）04-0065-04
Abstract： Concrete ditch was eco-constructed to study its process performances for purifying farmland drainage. For this purpose， a pilot-scale simulation study on three eco-constructed ditch systems differing in vegetation and substrate， noted as AD（Vallisneria natans+shell powder）， BD （Vallisneria natans+volcanic rock） and CD（Ceratophyllum demersum L. +volcanic rock）， was conducted to look at their pollutant removal performance. The AD， BD and CD were found to have a removal efficience of 25.85， 23.49 and 23.83 mg·d-1·m-2 for TP purification， and 114.47， 117.63 and 116.96 mg·d-1·m-2 for removal of ammonium nitrogen， respectively. The results indicated that the purifying capacities of eco-constructed ditch systems are affected by vegetation and the substrate as well.
Key words： Concrete ditch; Eco-construction; Farmland drainage; Pollutant removal efficency
1 引言
生態沟渠技术被公认为是农业面源污染过程阻断技术中的重要代表，但现有技术主要是建立在对自然土质沟渠改造基础上（通常采用空心砌块或带孔预制板砌筑沟体，并在孔内定植植物）[1-3]，难以推广应用到我国广大农村地区普遍存在的硬质化沟渠。作为生态沟渠的重要组成部分，沟渠植物是其生态系统的调控者和初级生产者，对沟渠生态系统的结构和环境功能具有重要影响[4，5]。沉水植物广泛分布于淡水湖泊、池塘、河流等水域中，在生境良好的农田沟渠中也经常出现。与挺水植物相比，沉水植物生长于水下，对沟渠输水能力的影响较小，其根茎叶均能够为微生物的生长提供附着场所，往往具有更好的水质净化效果，因而在生态沟渠建设工程中具有更大的应用潜力。
沟渠底泥具有人工湿地基质相类似的功能，在沟渠系统中的物质交换及其迁移转化过程中具有不可忽视的作用。研究发现，沟渠系统可通过底泥的吸附和沉淀作用消纳水中溶解态和颗粒态磷，降低水体中的磷负菏[6];最新研究发现，在沟渠中人为设置基质层，可明显提高污染物的去除效率和抗负荷冲击能力[1，7]。综合已有研究结果可推测，沟渠底泥或基质与沟渠植物之间可能存在一定程度的交互效应，不同基质与植物的组配极有可能导致不同的污染去除效率。
本研究以硬质化沟渠生态化改造及其强化净化农田退水为目标，以2种乡土沉水植物和2种基质为供试材料，采用室内动态模拟试验，研究3种生态化改造方式下生态沟渠系统对农田退水的净化效果，以期为硬质化沟渠生态化改造及其设计应用参考。
2 材料与方法
2.1 供试材料
2.1.1 供试植物 选取苦草（Vallisneria natans）和金鱼藻（Ceratophyllum demersum L.）为供试植物。2种植物均为长江中下游流域常见的优势沉水植物，分别属于不同的科、属，其生长习性不尽相同。
2.1.2 供试基质 试验选取贝壳粉和火山石为供试基质，其中贝壳原料购自浙江舟山定海区某养殖场，火山石购于灵寿县华硕矿产品加工厂。2种材料用去离子水洗净后充分干燥，破碎后过10目筛后作为供试基质。
2.1.3 试验用水 本试验人工配置出氮磷浓度处于较高水平的农田退水，同时加入一定量的易降解有机化合物，以创造出有利于自适应微生物快速增殖生长的营养条件。试验原水取自浙江农林大学平山实验农场内的池塘，原水中TP含量0.17mg·L-1，NH3-N含量为0.39mg·L-1，COD含量为8.56mg·L-1。在原水中加入硫酸铵、硝酸钠、磷酸二氢钾和可溶性淀粉，配置后的试验用水TP、NH3-N和COD浓度分别为4.17mg·L-1、20.39mg·L-1和272.27mg·L-1。
2.2 试验方案 试验采用白色聚乙烯矩形塑料箱（0.6m×0.8m×0.6m）模拟硬质化矩形断面沟渠。塑料箱底部铺设厚度为10cm的供试基质，基质层上铺设1层用于定植植物和防止基质流失的渗排水网垫（厚度为5mm，铺设面积为0.48m2），渗排水网垫上定植植株生长状态良好且株高相近的供试植物300g（鲜重），塑料箱内注入试验用水160L。试验共设置3组，每组为3个重复，并设置无植物和基质的空白对照组。 为模拟农田退水流态水动力环境，试验配套安装一套同一规格的微型循环水泵（流量为240L/h）。为对比分析沉水植物和基质的组配对农田退水的净化效果，试验设计以下3种硬质化沟渠生态化改造方式：方式1：选用贝壳粉为基质，定植植物为苦草（简称A型沟渠）;方式2：选用火山石为基质，定植植物为苦草（简称B型沟渠）;方式3：选用火山石为基质，定植植物为金鱼藻（简称C型沟渠）。
试验于浙江农林大学平山实验农场温室大棚内进行，试验周期共计49d（2018年7月—2018年8月）。试验期间每隔7d采样1次，测定水样TP、NH3-N和COD浓度。
2.3 水样分析 TP测定采用过硫酸钾氧化-钼锑抗分光光度法，NH3-N测定采用纳氏试剂分光光度法，COD测定采用重铬酸钾消解法测定。各指标具体分析方法详见《水和废水监测分析方法》（第四版）。
2.4 数据处理 数据基础处理采用Excel 2007软件，数据统计分析采用SPSS20.0软件，图表制作采用Origin 9.0软件。各污染物指去除率及其表面去除负荷按下列公式计算：
3 结果与分析
3.1 TP去除效果 作为一种特殊的人工湿地，生态沟渠系统中磷的去除机理主要为植物吸收、基质/底泥吸附、结晶沉淀、微生物的同化和聚磷菌的过量摄磷等共同作用，因此其除磷能力不仅受到水质本身、水文条件、季节变化等外部因素的影响，也受到沟渠植物种类及基质类型的影响。
由图1可知，3种构造沟渠系统中TP浓度及去除率的变化趋势基本一致，均表现为：随着净化时间的延长，TP浓度逐渐降低，TP去除率逐渐增加。但各周TP去除量波动较大，其中第21天的TP去除量最高，7天累计去除量分别达到178.48（A型沟渠）、157.70（B型沟渠）和94.56mg（C型沟渠），分别为第7天的2.07、3.41和1.14倍。至试验结束时（第49天），A型沟渠（苦草+贝壳粉）、B型沟渠（苦草+火山石）和C型沟渠（金鱼藻+火山石）TP去除率分别达到91.13%、82.82%和83.99%。多重比較分析发现（图2），B型沟渠和C型沟渠在整个试验期间的TP表面去除负荷无显著差异，分别为23.49和23.83mg·d-1·m-2，但均明显低于A型沟渠25.85mg·d-1·m-2。
3.2 NH3-N去除效果 在生态沟渠系统中，NH3-N的去除途径主要包括微生物的降解转化、植物吸收、基质/底泥吸附以及物理挥发等，其中植物吸收、基质吸附其及所产生的间接增效作用对除氮效果产生重要影响。试验发现（图3），3种构型沟渠系统中NH3-N浓度均随着净化时间的延长而呈现逐渐降低的趋势，其去除率表现出逐渐增加的趋势。至试验结束时（第49d），3种沟渠系统NH3-N去除率分别达到82.55%（A型沟渠）、84.89%（B型沟渠）和84.34%（C型沟渠）。
此外，尽管3种沟渠系统在较长时间尺度上NH3-N的去除效果差别不大，但期间NH3-N的去除量变化较大，如试验第14天，3种沟渠系统NH3-N去除量均出现峰值，7d累计去除量分别达到588.24（A型沟渠）、760.08（B型沟渠）和855.84mg（C型沟渠），分别为第7天的2.44、6.86和5.59倍。就整个试验期间而言（49天），B型和C型沟渠NH3-N表面去除负荷无显著差异（图4），分别达到117.63和116.96mg·d-1·m-2，但均显著高于A型沟渠114.47mg·d-1·m-2。
3.3 COD去除效果 整个试验期间3种构造沟渠系统COD浓度及其去除率的变化如图5所示。3种沟渠系统在试验初期表现出较好的COD去除效果，但在试验中后期COD去除效率明显下降。试验第14天，A、B和C 3种沟渠的COD去除效率最高，7d累计去除量达到了15.07（A型沟渠）、16.85（B型沟渠）和17.60g（C型沟渠），分别为试验7天的4.21、2.83和3.94倍。至试验结束时，3种沟渠系统COD去除率分别达到96.21%（A型沟渠）、96.27%（B型沟渠）和96.37%（C型沟渠），表面去除负荷分别达到1.782（A型沟渠）、（B型沟渠）和1.785g·d-1·m-2（C型沟渠）。
4 小结
（1）随着净化时间的延长，A型（苦草+贝壳粉）、B型（苦草+火山石）和C型（金鱼藻+火山石）沟渠TP、NH3-N和COD的去除率均呈现出逐渐增加的趋势。至试验结束时（第49天），A型、B型和C型沟渠TP去除率分别为91.13%、82.82%和83.99%，NH3-N去除率分别为82.55%、84.89%和84.34%，COD去除率分别为96.21%、96.27%和96.37%。
（2）3种沟渠系统各周之间污染物去除量存在较大波动，其中TP去除量在第21天出现峰值，7d累计去除量分别达到178.48（A型沟渠）、157.70（B型沟渠）和94.56mg（C型沟渠）;而NH3-N和COD在第14天去除效率最高，NH3-N去除量达到588.5（A型沟渠）、759.9（B型沟渠）和855.5mg（C型沟渠），COD去除量为16.8～18.6g。就整个试验周期而言，B型和C型沟渠TP、NH3-N和COD的去除效率无显著差异;但A型沟渠TP去除效率明显好于B型和C型沟渠，而其NH3-N去除效率又显著低于B型和C型沟渠。
（3）至试验结束时（第49天），A型、B型和C型沟渠的TP表面去除负荷分别为25.85、23.49和23.83mg·d-1·m-2，NH3-N表面去除负荷分别达到114.47、117.63和116.96mg·d-1·m-2，COD表面去除负荷分别为1.782、1.783和1.785g·d-1·m-2。
参考文献
[1]刘福兴，陈桂发，付子轼，等.不同构造生态沟渠的农田面源污染物处理能力及实际应用效果[J].生态与农村环境学报，2019，35（06）：787-794.
[2]张树楠，肖润林，刘锋，等.生态沟渠对氮、磷污染物的拦截效应[J].环境科学，2015，36（12）：4516-4522.
[3]王晓玲，乔斌，李松敏，等.生态沟渠对水稻不同生长期降雨径流氮磷的拦截效应研究[J].水利学报，2015，46（12）：1406-1413.
[4]李红芳，刘锋，肖润林，等.水生植物对生态沟渠底泥磷吸附特性的影响[J].农业环境科学学报，2016，35（01）：157-163.
[5]张震，刘伸伸，胡宏祥，等.3种湿地植物对农田沟渠水体氮、磷的消减作用[J].浙江农林大学学报，2019，36（01）：88-95.
[6]张树楠，贾兆月，肖润林，等.生态沟渠底泥属性与磷吸附特性研究[J].环境科学，2013，34（03）：1101-1106.
[7]赵新宇，商卫纯，陈昌仁，等.应用缓释氧基质强化生态沟渠对农田排水中氮磷的净化能力[J].净水技术，2018，37（09）：126-131.
（责编：张 丽）
关键词：硬质化沟渠;生态化改造;农田退水;污染去除效率
中图分类号 S641.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）04-0065-04
Abstract： Concrete ditch was eco-constructed to study its process performances for purifying farmland drainage. For this purpose， a pilot-scale simulation study on three eco-constructed ditch systems differing in vegetation and substrate， noted as AD（Vallisneria natans+shell powder）， BD （Vallisneria natans+volcanic rock） and CD（Ceratophyllum demersum L. +volcanic rock）， was conducted to look at their pollutant removal performance. The AD， BD and CD were found to have a removal efficience of 25.85， 23.49 and 23.83 mg·d-1·m-2 for TP purification， and 114.47， 117.63 and 116.96 mg·d-1·m-2 for removal of ammonium nitrogen， respectively. The results indicated that the purifying capacities of eco-constructed ditch systems are affected by vegetation and the substrate as well.
Key words： Concrete ditch; Eco-construction; Farmland drainage; Pollutant removal efficency
1 引言
生態沟渠技术被公认为是农业面源污染过程阻断技术中的重要代表，但现有技术主要是建立在对自然土质沟渠改造基础上（通常采用空心砌块或带孔预制板砌筑沟体，并在孔内定植植物）[1-3]，难以推广应用到我国广大农村地区普遍存在的硬质化沟渠。作为生态沟渠的重要组成部分，沟渠植物是其生态系统的调控者和初级生产者，对沟渠生态系统的结构和环境功能具有重要影响[4，5]。沉水植物广泛分布于淡水湖泊、池塘、河流等水域中，在生境良好的农田沟渠中也经常出现。与挺水植物相比，沉水植物生长于水下，对沟渠输水能力的影响较小，其根茎叶均能够为微生物的生长提供附着场所，往往具有更好的水质净化效果，因而在生态沟渠建设工程中具有更大的应用潜力。
沟渠底泥具有人工湿地基质相类似的功能，在沟渠系统中的物质交换及其迁移转化过程中具有不可忽视的作用。研究发现，沟渠系统可通过底泥的吸附和沉淀作用消纳水中溶解态和颗粒态磷，降低水体中的磷负菏[6];最新研究发现，在沟渠中人为设置基质层，可明显提高污染物的去除效率和抗负荷冲击能力[1，7]。综合已有研究结果可推测，沟渠底泥或基质与沟渠植物之间可能存在一定程度的交互效应，不同基质与植物的组配极有可能导致不同的污染去除效率。
本研究以硬质化沟渠生态化改造及其强化净化农田退水为目标，以2种乡土沉水植物和2种基质为供试材料，采用室内动态模拟试验，研究3种生态化改造方式下生态沟渠系统对农田退水的净化效果，以期为硬质化沟渠生态化改造及其设计应用参考。
2 材料与方法
2.1 供试材料
2.1.1 供试植物 选取苦草（Vallisneria natans）和金鱼藻（Ceratophyllum demersum L.）为供试植物。2种植物均为长江中下游流域常见的优势沉水植物，分别属于不同的科、属，其生长习性不尽相同。
2.1.2 供试基质 试验选取贝壳粉和火山石为供试基质，其中贝壳原料购自浙江舟山定海区某养殖场，火山石购于灵寿县华硕矿产品加工厂。2种材料用去离子水洗净后充分干燥，破碎后过10目筛后作为供试基质。
2.1.3 试验用水 本试验人工配置出氮磷浓度处于较高水平的农田退水，同时加入一定量的易降解有机化合物，以创造出有利于自适应微生物快速增殖生长的营养条件。试验原水取自浙江农林大学平山实验农场内的池塘，原水中TP含量0.17mg·L-1，NH3-N含量为0.39mg·L-1，COD含量为8.56mg·L-1。在原水中加入硫酸铵、硝酸钠、磷酸二氢钾和可溶性淀粉，配置后的试验用水TP、NH3-N和COD浓度分别为4.17mg·L-1、20.39mg·L-1和272.27mg·L-1。
2.2 试验方案 试验采用白色聚乙烯矩形塑料箱（0.6m×0.8m×0.6m）模拟硬质化矩形断面沟渠。塑料箱底部铺设厚度为10cm的供试基质，基质层上铺设1层用于定植植物和防止基质流失的渗排水网垫（厚度为5mm，铺设面积为0.48m2），渗排水网垫上定植植株生长状态良好且株高相近的供试植物300g（鲜重），塑料箱内注入试验用水160L。试验共设置3组，每组为3个重复，并设置无植物和基质的空白对照组。 为模拟农田退水流态水动力环境，试验配套安装一套同一规格的微型循环水泵（流量为240L/h）。为对比分析沉水植物和基质的组配对农田退水的净化效果，试验设计以下3种硬质化沟渠生态化改造方式：方式1：选用贝壳粉为基质，定植植物为苦草（简称A型沟渠）;方式2：选用火山石为基质，定植植物为苦草（简称B型沟渠）;方式3：选用火山石为基质，定植植物为金鱼藻（简称C型沟渠）。
试验于浙江农林大学平山实验农场温室大棚内进行，试验周期共计49d（2018年7月—2018年8月）。试验期间每隔7d采样1次，测定水样TP、NH3-N和COD浓度。
2.3 水样分析 TP测定采用过硫酸钾氧化-钼锑抗分光光度法，NH3-N测定采用纳氏试剂分光光度法，COD测定采用重铬酸钾消解法测定。各指标具体分析方法详见《水和废水监测分析方法》（第四版）。
2.4 数据处理 数据基础处理采用Excel 2007软件，数据统计分析采用SPSS20.0软件，图表制作采用Origin 9.0软件。各污染物指去除率及其表面去除负荷按下列公式计算：
3 结果与分析
3.1 TP去除效果 作为一种特殊的人工湿地，生态沟渠系统中磷的去除机理主要为植物吸收、基质/底泥吸附、结晶沉淀、微生物的同化和聚磷菌的过量摄磷等共同作用，因此其除磷能力不仅受到水质本身、水文条件、季节变化等外部因素的影响，也受到沟渠植物种类及基质类型的影响。
由图1可知，3种构造沟渠系统中TP浓度及去除率的变化趋势基本一致，均表现为：随着净化时间的延长，TP浓度逐渐降低，TP去除率逐渐增加。但各周TP去除量波动较大，其中第21天的TP去除量最高，7天累计去除量分别达到178.48（A型沟渠）、157.70（B型沟渠）和94.56mg（C型沟渠），分别为第7天的2.07、3.41和1.14倍。至试验结束时（第49天），A型沟渠（苦草+贝壳粉）、B型沟渠（苦草+火山石）和C型沟渠（金鱼藻+火山石）TP去除率分别达到91.13%、82.82%和83.99%。多重比較分析发现（图2），B型沟渠和C型沟渠在整个试验期间的TP表面去除负荷无显著差异，分别为23.49和23.83mg·d-1·m-2，但均明显低于A型沟渠25.85mg·d-1·m-2。
3.2 NH3-N去除效果 在生态沟渠系统中，NH3-N的去除途径主要包括微生物的降解转化、植物吸收、基质/底泥吸附以及物理挥发等，其中植物吸收、基质吸附其及所产生的间接增效作用对除氮效果产生重要影响。试验发现（图3），3种构型沟渠系统中NH3-N浓度均随着净化时间的延长而呈现逐渐降低的趋势，其去除率表现出逐渐增加的趋势。至试验结束时（第49d），3种沟渠系统NH3-N去除率分别达到82.55%（A型沟渠）、84.89%（B型沟渠）和84.34%（C型沟渠）。
此外，尽管3种沟渠系统在较长时间尺度上NH3-N的去除效果差别不大，但期间NH3-N的去除量变化较大，如试验第14天，3种沟渠系统NH3-N去除量均出现峰值，7d累计去除量分别达到588.24（A型沟渠）、760.08（B型沟渠）和855.84mg（C型沟渠），分别为第7天的2.44、6.86和5.59倍。就整个试验期间而言（49天），B型和C型沟渠NH3-N表面去除负荷无显著差异（图4），分别达到117.63和116.96mg·d-1·m-2，但均显著高于A型沟渠114.47mg·d-1·m-2。
3.3 COD去除效果 整个试验期间3种构造沟渠系统COD浓度及其去除率的变化如图5所示。3种沟渠系统在试验初期表现出较好的COD去除效果，但在试验中后期COD去除效率明显下降。试验第14天，A、B和C 3种沟渠的COD去除效率最高，7d累计去除量达到了15.07（A型沟渠）、16.85（B型沟渠）和17.60g（C型沟渠），分别为试验7天的4.21、2.83和3.94倍。至试验结束时，3种沟渠系统COD去除率分别达到96.21%（A型沟渠）、96.27%（B型沟渠）和96.37%（C型沟渠），表面去除负荷分别达到1.782（A型沟渠）、（B型沟渠）和1.785g·d-1·m-2（C型沟渠）。
4 小结
（1）随着净化时间的延长，A型（苦草+贝壳粉）、B型（苦草+火山石）和C型（金鱼藻+火山石）沟渠TP、NH3-N和COD的去除率均呈现出逐渐增加的趋势。至试验结束时（第49天），A型、B型和C型沟渠TP去除率分别为91.13%、82.82%和83.99%，NH3-N去除率分别为82.55%、84.89%和84.34%，COD去除率分别为96.21%、96.27%和96.37%。
（2）3种沟渠系统各周之间污染物去除量存在较大波动，其中TP去除量在第21天出现峰值，7d累计去除量分别达到178.48（A型沟渠）、157.70（B型沟渠）和94.56mg（C型沟渠）;而NH3-N和COD在第14天去除效率最高，NH3-N去除量达到588.5（A型沟渠）、759.9（B型沟渠）和855.5mg（C型沟渠），COD去除量为16.8～18.6g。就整个试验周期而言，B型和C型沟渠TP、NH3-N和COD的去除效率无显著差异;但A型沟渠TP去除效率明显好于B型和C型沟渠，而其NH3-N去除效率又显著低于B型和C型沟渠。
（3）至试验结束时（第49天），A型、B型和C型沟渠的TP表面去除负荷分别为25.85、23.49和23.83mg·d-1·m-2，NH3-N表面去除负荷分别达到114.47、117.63和116.96mg·d-1·m-2，COD表面去除负荷分别为1.782、1.783和1.785g·d-1·m-2。
参考文献
[1]刘福兴，陈桂发，付子轼，等.不同构造生态沟渠的农田面源污染物处理能力及实际应用效果[J].生态与农村环境学报，2019，35（06）：787-794.
[2]张树楠，肖润林，刘锋，等.生态沟渠对氮、磷污染物的拦截效应[J].环境科学，2015，36（12）：4516-4522.
[3]王晓玲，乔斌，李松敏，等.生态沟渠对水稻不同生长期降雨径流氮磷的拦截效应研究[J].水利学报，2015，46（12）：1406-1413.
[4]李红芳，刘锋，肖润林，等.水生植物对生态沟渠底泥磷吸附特性的影响[J].农业环境科学学报，2016，35（01）：157-163.
[5]张震，刘伸伸，胡宏祥，等.3种湿地植物对农田沟渠水体氮、磷的消减作用[J].浙江农林大学学报，2019，36（01）：88-95.
[6]张树楠，贾兆月，肖润林，等.生态沟渠底泥属性与磷吸附特性研究[J].环境科学，2013，34（03）：1101-1106.
[7]赵新宇，商卫纯，陈昌仁，等.应用缓释氧基质强化生态沟渠对农田排水中氮磷的净化能力[J].净水技术，2018，37（09）：126-131.
（责编：张 丽）