塘堰湿地对农田氮磷的去除效应

塘堰湿地对农田氮磷的去除效应

0农田面源污染农田的地表污染主要指耕地的土壤、氮、磷、农药和其他有机或有机污染。在降水和灌溉过程中，大量污染物质通过耕地、农业排水和地下流失，导致水环境破坏。在面源污染已成为全球水环境的一大主要污染源,其中农田面源污染又占据主导地位的情况下,如何处理农田面源污染就成为迫切的问题[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22]。针对这种情况,茆智院士提出“四道防线”降解农田面源污染,第1道防线:田间节水减排,结合水肥高效利用,系减少面源污染排放的源头控制;第2道防线:田间排水草沟,主要承接稻田地表排水、地下渗漏水而将其引入塘堰湿地,对田间排水进行净化;第3道防线:塘堰湿地,通过植物吸收、底泥吸附、微生物降解等综合作用,对排水进行净化;第4道防线:生态骨干排水沟(带状湿地),将塘堰湿地排水带入各类容泄区系,对湿地排出的水再次净化。本文研究第3道防线,塘堰湿地对农田排水中氮磷的削减效果。以期为正确评价水稻灌区塘堰湿地对农田面源污染的降解效果,为评估农业面源对环境的污染和影响、合理制定农业面源污染防控措施提供依据。1材料和方法1.1区域立地条件试验在湖北省漳河灌区进行。根据典型性和代表性原则选取了1个封闭区域。该试验区位于湖北省灌溉试验中心站以南2km,地理坐标为:东经112º10.6´~112º10.8´,北纬30º51.4´~30º51.7´,总面积11.8万m2,如图1所示。区域内地势北高南低,东西高中间低,平均海拔高程为96m。经统计,区域内共有132块农田,绝大部分田块种植水稻,种植制度为水稻—油菜/小麦一年两熟,2009年灌区水稻施肥水平为:氮肥(N)为180kg/hm2,基肥用碳酸氢铵,追肥(分蘖肥)用尿素;磷肥(P2O5)为40kg/hm2;钾肥(K2O)为70kg/hm2。区域内在田块管理上采取分户管理的模式,灌溉水水源主要来自位于区域西侧的三干渠一分干。1.2采用单元差异的方法对于选定的试验区,最南端在整个区域中地势最低,该处有1座堰塘,可以收集全区域农田排水,因此,选取该堰塘改造为观测试验的塘堰湿地。该堰塘表面积2300m2,主要水生植物有菖蒲、芦苇、水花生等。从湿地实际情况出发,按照单一差异的原则将堰塘湿地划分为3个处理单元,各个单元之间用墙体隔开,每个单元均有各自独立的进水口和出水口,相互之间不联通(见图2)。3个单元的处理为:单元Ⅰ为不做任何处理的纯天然状态,起对照作用;单元Ⅱ对湿地植物密度进行了优化,观测植物调整后的湿地处理效果;单元Ⅲ对湿地底泥进行了疏浚,回填新的底泥,然后重新调整植物种植密度。具体参数见表1。由于菖蒲在漳河灌区堰塘湿地当中属于优势物种,而且其吸收氮、磷元素效果很好,因此在湿地改造过程中将3个单元的湿地植物全部改种为菖蒲。1.3纳氏试剂法n-l-n,n-采集水样分析指标和方法为:总氮、硝态氮用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894-89)测定,铵态氮用纳氏试剂比色法测定,总磷用钼酸氨分光光度法(GB11893-89)测定。水样采集后2h内在实验室分析,遇连续取样,样多时4℃低温保存,24h内处理完毕。2结果与分析2.1湿地水质分析2.1.1总氮去除效果漳河灌区水稻生长期从每年的5月下旬开始到9月上旬结束,生长期约为105d,水稻生长期可分为:返青期、分蘖拔节期、孕穗抽穗期、乳熟期和黄熟期。表2所示为2009年堰塘湿地进出口在水稻生育期的各个阶段水质总氮试验数据。从表2可知,塘堰湿地在水稻生长前期和中期的去除氮素效果较好,总氮去除率最大达到81.6%,但是到乳熟期以后湿地的总氮去除效率明显下降,到了水稻生育期后期的黄熟期湿地的总氮去除率为负值,达到了-12.5%,也就是说此最后阶段内湿地不仅不能发挥去除农田排水中氮素的作用反而会污染农田排水使得从湿地排水的水质进一步恶化。其原因是:1)植物的吸收作用,在水稻生育前中期,湿地植物正处于生长旺盛期,大量吸收氮,而到了水稻生育后期,湿地植物生长减缓,氮的吸收能力减弱,从而去除能力大大减弱。2)底泥的吸附作用,在水稻生育前中期,底泥的氮含量低,吸附能力强,而到了后期,流入湿地的水中的氮浓度小于湿地底泥中的氮浓度,湿地底泥中的氮会随水流走,从而导致出口浓度增大。2.1.2总磷及总磷的去除效果表3所示为堰塘湿地进出口在水稻生育期的各个阶段水质总磷试验数据。从表3可知,湿地在水稻生长前期和中期总磷的去除效果较好,磷元素最高去除率达到80.0%。同样,在水稻的黄熟期湿地的去磷效率为负值,说明在该阶段湿地仍然对农田排水有二次污染。其原因可能与氮相同。不过,水稻黄熟期稻田基本落干,田间排水量不大,即使湿地发挥不了净化功能,但是排出的磷元素的总量也不会太大。2.1.3湿地植被选择年度试验结束后,如果不对湿地植被进行处理,腐烂在湿地的植物会将N、P还原给湿地,从而影响湿地的处理效率。所以一般采用2种方法处理湿地植被:1)除去植株;2)疏浚底泥,将肥沃湿地部分底泥进行疏浚(一般为0.5m)。除去的植株和底泥含有丰富的氮、磷,可以还田。2.2堰塘湿地去除污水中的氮、磷元素表4为2009年封闭试验区水稻各生育阶段在湿地进出水口处水量的观测记录数据。根据表2和表3中各生育阶段氮、磷浓度乘以表4中相应生育阶段进、出湿地的水量,即算出2009年各生育阶段进入和流出湿地的氮、磷元素总量。精确地来讲,湿地内部水量存在深层渗漏损失,但是由于湿地面积较小,经过多年运行已经趋于稳定,渗漏总量不会太大,为了简化计算而忽略了湿地内部的渗漏水量带走的氮、磷损失,同时也忽略掉湿地内部氮素挥发作用。表5为2009年水稻生育期堰塘湿地进出氮、磷总量计算结果。计算可知,湿地削减的氮素占进水中氮素的45.88%,削减的磷素占进水中磷素的44.20%。由此可见,除水稻黄熟期外,在水稻整个生育期,堰塘湿地去除排水中氮、磷元素的效果较好。从水稻生长的各个阶段来看,每个阶段湿地都能较好地发挥净化作用,只是在黄熟期田间基本落干的情况下湿地净化能力不太理想。2.3对总氮的去除效率计算c根据湿地设计的“K-C(9)”模型和湿地去除率计算式式中,C0为进水质量浓度,mg/L;C1为出水质量浓度,mg/L;C*为背景值,mg/L;K为一级反应速率常数,m/a;A为湿地面积,m2;Q为流量,m3/d;R为去除率,%。将(2)式代入(1)式,可得对总氮,C0=1.015mg/L;C*=2mg/L;K=22m/a;Q=541m3/d。代入式(3)可得化简,得由于式(4)在取值范围内是增函数,所以,湿地面积增大,亦即单位面积过水量减小,湿地的总氮去除效率也会相应提高。如果将流量Q设成变量,而湿地面积A设成常量,式(3)可变为化简,得由式(5)可知,流量增大,即单位面积过水量增大,湿地对总氮的去除率会减小。同理,对总磷,C0=0.305mg/L;C*=0.02mg/L;K=12m/a;Q=541m3/d。代入式(3)化简可得由于式(6)在取值范围内是增函数,所以,当湿地面积增大,即单位面积过水量减小,湿地的总磷去除效率也会相应提高。如果将流量Q设成变量,而湿地面积A设成常量,式(3)可变为由式(7)可知,当流量增大,即单位面积过水量增大,湿地对总磷的去除率会减小。综上所述,湿地对农田排水中氮磷的处理效率是随着湿地面积的增加而增加的,随着流量增加而减小,亦随着单位面积过水量的加大而减小,反之亦然。2.4农田排水特征分析堰塘湿地按照设计分成了3个处理,图3为湿地的3个处理单元水样取样点示意图。以单元Ⅰ为例,单元内共布置6个取样点,按顺时针方向排列,取样点(1)是单元的进水口,取样点(4)是单元的出水口。其他2个处理单元取样点布置情况和单元Ⅰ相同。湿地3个处理单元的内部的地势都是北高南低,进水从北边入口分别进入3个单元,缓慢向南推移,最后从位于各处理单元最南端的出水口流出,流出的水经过位于整个湿地南侧的排水涵管流出整个试验区域。2009年水稻生育期,总共对湿地3个处理单元的水质进行了13次的跟踪化验分析。化验指标包括:硝态氮、铵态氮、总磷。根据化验分析数据绘得图4a、b和c,分别反映湿地3个处理对不同指标的去除能力。图4可以简明地反映2009年湿地3个单元去除农田排水氮、磷污染物质的能力。总体来讲,作为对照试验的单元Ⅰ的去除能力最差,无论是对于铵态氮、硝态氮还是总磷指标,单元Ⅰ的去除率在水稻生长期的大部分时间都是负值,去除效果很不理想。单元Ⅱ对铵态氮和硝态氮的去除效果较好,在图4a、b中,除了铵态氮在返青期、硝态氮在水稻生育期中期去除效果不太好以外,水稻其他生育期期间,湿地单元Ⅱ能较好地发挥去除排水铵态氮和硝态氮的作用,对铵态氮去除率最大达到了11.1%,对硝态氮去除率最大达到了96.0%。单元Ⅲ对去除排水中磷元素有明显的作用,从图4c可以看出,在水稻生育初期(返青期),单元Ⅲ对排水总磷的去除率高达39.5%,以后依次递减,到了水稻乳熟黄熟期,单元Ⅲ对总磷的去除率为负值,这种现象是因为疏浚底泥回填新的填料后,最初湿地对磷元素有很强的吸附能力,随着吸附量的增加,以后吸收的能力会逐渐降低,到了水稻生育后期,由于底泥吸收饱和,加之湿地植物腐烂等,会污染湿地内部的水,导致出口水质变差,去除率成为负值。3对氮、磷元素的去除效率本文根据2009年湿地在水稻整个生育期水质的观测数据,评价了湿地的运行效果,同时,通过对比处理实验,得出湿地的不同处理措施对湿地的氮、磷去除效率的影响。湿地对氮磷元素的去除途径主要是植物的吸收、微生物的摄取以及基质的吸附作用。湿地对农田排水的氮、磷去除效率随着水稻生育阶段的不同而异,总的来讲,湿地在水稻生长初期和中期(分蘖拔节期、孕穗抽穗期)对氮、磷元素的去除效率比较好,总氮去除率最大达到了81.6%,总磷去除率最大达到了80.0%,但是到了水稻生长期后期,湿地无论是对氮元素还是磷元素的去除效率显著下降,不仅不能发挥去除农田排水中氮、磷元素的作用,反而对农田排水产生二次污染,使湿地出口的水质劣于湿地进口的水质。从整个水稻生育期来看,湿地氮素去除率为45.88%,湿地磷素去除率为44.20%,达到了预期目标。3个处理单元中,单元Ⅰ为不做任何处理的纯天然状态