付子軾，孫會峰，周勝*，張繼寧，張鮮鮮，王從

（1.上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護研究所，上海 201403；2.上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海 201415）

0 引言

【研究意義】在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，長期大量的不合理使用化肥，極易導(dǎo)致農(nóng)田污染物（固體懸浮物、氮和磷等養(yǎng)分）通過地表徑流排水進入周邊水體，從而產(chǎn)生面源污染問題[1-2]，而農(nóng)田徑流排水中的氮、磷等營養(yǎng)元素是自然水體中水生植物和藻類的直接營養(yǎng)源[3-4]。太湖流域以稻麥輪作復(fù)種為主要的作物種植模式，擁有耕地面積143 萬hm2，其中水田面積約占85%，是我國重要的水稻生產(chǎn)區(qū)之一。在該種植模式下，氮肥的年均施用量（以純氮計）為600～675 kg/hm2，但當(dāng)季利用率僅為20%～25%[5]；磷肥的年均施用量（以P2O5計）也達到120 kg/hm2[6]，而當(dāng)季利用率一般也僅為10%～25%[7]。同時，由于生產(chǎn)技術(shù)落后，水稻生產(chǎn)過程中不僅耗肥多、肥料利用率低，而且不合理的灌溉導(dǎo)致耗水量巨大[8-9]，水分生產(chǎn)率低，氮、磷等污染物的排水負荷量相對較高[10]。另外，太湖地區(qū)降雨量豐富，且季節(jié)分布不均，全年降雨量大多集中在稻季，并多發(fā)強降雨天氣[11]，極易導(dǎo)致土壤黏粒等固體懸浮物、氮和磷等養(yǎng)分經(jīng)農(nóng)田徑流排水進入水體，進而加大水體的污染風(fēng)險。因此，有效削減農(nóng)田面源污染成為當(dāng)今水體污染治理與生態(tài)修復(fù)中的主要任務(wù)之一。

【研究進展】源頭減量通常被認為是減少農(nóng)田徑流排水中面源污染負荷、降低水體污染風(fēng)險最有效的方法之一，常用的技術(shù)有肥料運籌優(yōu)化技術(shù)[12-13]、作物輪作制度優(yōu)化技術(shù)、緩控釋肥等新型肥料[14]和生物質(zhì)炭等土壤改良劑[15]的運用等。除了運用以上技術(shù)方法外，采取農(nóng)業(yè)工程措施也可實現(xiàn)對農(nóng)田面源污染物的控制減排。農(nóng)田面源污染物大部分隨降雨徑流或人工排水進入水體，在其進入水體前，通過建立生態(tài)攔截系統(tǒng)，可有效阻斷徑流排水中污染物進入水體，即“污染物質(zhì)的生態(tài)攔截技術(shù)”，也成為控制面源污染物的重要技術(shù)手段[16]。楊林章等[17]運用污染物質(zhì)的生態(tài)攔截技術(shù)，對農(nóng)田徑流排水中總氮、總磷的去除效果分別達到48%和41%。朱金格等[18]在太湖流域建立的生態(tài)溝-濕地復(fù)合系統(tǒng)能有效減少農(nóng)田徑流排水的總氮、總磷質(zhì)量濃度分別達60%和61%。【切入點】目前的生態(tài)溝渠攔截技術(shù)是通過對現(xiàn)有農(nóng)田溝渠進行生態(tài)化改造，使其在污染發(fā)生區(qū)域進行直接攔截和凈化，但此技術(shù)可能無法滿足瞬時大流量、污染物質(zhì)量濃度高時的處理要求，且占地面積較大，建設(shè)維護成本較高?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究構(gòu)建以多面空心球和沸石為填充材料的稻田徑流排水懸浮物促沉裝置，對因灌溉、降雨等因素產(chǎn)生的稻田徑流排水進行凈化，并評價該裝置對面源污染物（固體懸浮物、總氮和總磷）的去除效果。因此本研究選取農(nóng)戶實際種植的田塊進行試驗，使試驗更接近于實際應(yīng)用情況，以期為長三角地區(qū)或類似平原河網(wǎng)區(qū)的推廣應(yīng)用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地點位于上海市奉賢區(qū)青村鎮(zhèn)錢忠村的青村種源研發(fā)基地（30 村種源研發(fā)，121 種源研發(fā)基），隸屬于奉賢區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心。該地點土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，耕作層（0～15cm）的土壤有機質(zhì)量12.8g/kg，全氮量0.84g/kg，全磷量0.8g/kg，全鉀22.9g/kg，pH值（土水比1∶2.5）7.9。該區(qū)域?qū)儆诒眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均氣溫16℃左右，年均降水量在1200mm左右，其中約60%的降水量集中在5—9月的汛期。試驗時間為2015年，年均氣溫16.6℃，年降水量1551mm，稻季降水量為867 mm。

1.2 試驗設(shè)計

在研發(fā)基地內(nèi)，選取5 塊平整田地作為試驗用地，每塊約0.313 hm2。因試驗在大田中進行，故每塊地的水稻品種、插秧收獲日期及施肥情況等都略有差異，具體情況見表1。所有地塊均采用機插秧，行株距為30 cm×14 cm，有機肥（N、P、K 質(zhì)量比1.5∶0.6∶1.9）全部做底肥（4月22日）施用，其中4 號和5號地塊在5月26日增施375 kg/hm2BB 肥（N、P、K質(zhì)量比24∶8∶10）做底肥，尿素（含N46%）和緩釋肥（N、P、K 質(zhì)量比24∶8∶12）在6月9日、11日、19日、29日、7月16日、8月8日和8月15日做追肥施用。

表1 各試驗地塊的水稻品種、插秧收獲日期和施肥量Table 1 Rice varieties, transplanting date, harvest date and fertilizers application ratesin each experimental plot

在每塊試驗地的排水口處修建一套促沉凈化裝置，共計5 套。圖1 顯示的是該裝置的俯視圖和縱剖面圖。本裝置為半徑為1m 的半圓柱體結(jié)構(gòu)，總高度為1.2m，其中埋入地下1m，地面以上高0.2m，總?cè)莘e約為1.9m3。直徑邊與田埂平齊，圓弧邊朝向稻田。主體框架為鋼筋混凝土板型構(gòu)造，圓弧邊部分是由6塊長1.2m，寬0.5m，厚4cm 的混凝土板合圍而成，且每塊板上部留有2 個直徑5 cm 的進水孔（各孔距離長邊12.5cm，寬邊32.5cm）；直徑邊部分則是由3塊長1.2m，寬0.65m，厚4 cm 的混凝土板直接拼接而成，且在中間混凝土板上部留有一個直徑16cm 的孔（距離長邊32.5cm，寬邊32.5cm）用于安置排水管道。在這個半圓柱體中間位置豎向放置1 根長1.5m，外徑21cm、內(nèi)徑20cm 的PPR 排水管（上端用適合的蓋子蓋?。?，排水管的管壁打孔若干個以有利于水快速進入管內(nèi)。在距豎直排水管頂部82.5 cm 的位置開直徑16 cm 的孔，并水平插入1 根長1.2m，外徑16cm、內(nèi)徑15cm 的橫向PPR 排水管，穿過中間混凝土板的孔洞延伸到排水渠中。在橫向PPR 排水管的末端通過1個PVC彎頭連接1根長0.7m，外徑16cm、內(nèi)徑15cm 的豎向PPR 排水管進行排水，不需要排水時，排水管保持豎向；需要排水時，則轉(zhuǎn)動該排水管進行排水。主體框架搭建完成后，在外圍挖一條深20cm，寬30cm 的溝，在溝的外側(cè)用已打孔的擋泥板（即控根板）進行固定。擋泥板的總高度為40cm，其中埋入土面以下20cm。

在裝置內(nèi)部空間用多面空心球和沸石2 種材料，按照1∶2 的體積比進行填充；在外圍（混凝土板與擋泥板之間）用沸石填充。其中多面空心球直徑為2.5 cm，比表面積≥118 m2/m3，孔隙率≥0.47 m3/m3；沸石粒徑為3～5 cm，堆積密度≥0.7 g/cm3，動態(tài)水吸附≥20%～22%，改性后對磷的吸附容量可達10～22 mg/g。

圖1 促沉凈化裝置示意Fig.1 Theaerial view (a) and longitudinal diagram (b) of sedimentation-promoting and purification device

1.3 樣品采集與測定

田間需要排水時，轉(zhuǎn)動豎向排水口，待排水10～20min、水流穩(wěn)定后，在擋泥板外圍0.5m 范圍內(nèi)采集稻田水樣作為凈化前的水樣，而在排水管出口采集的水樣作為凈化后的水樣。本稻季共取樣7 次，均為雨后被動排水，日期分別為6月23日、29日、7月1日、6日、12日、8月25日和9月30日。在7次采樣過程中，除第1 次（6月23日）距最近一次施肥（6月19日）僅有4d 和第2 次（6月29日）采樣后施肥外，其余各次取樣日期距最近施肥日期均大于7d。

水樣中固體懸浮物、總氮和總磷的質(zhì)量濃度分別采用重量法、過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、鉬藍比色法進行分析測定。

1.4 統(tǒng)計分析

采用SPSS26.0 軟件，對水樣中的固體懸浮物、總氮和總磷的質(zhì)量濃度分別進行配對樣本T檢驗分析，置信區(qū)間百分比為95%。采用Microsoft Excel 2019 軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 固體懸浮物、總氮和總磷的去除效果

促沉凈化裝置的使用對稻田徑流排水的固體懸浮物有良好的去除效果（圖2，圖中ns 表示處理間在P=0.05 水平上沒有顯著差異；*和**分別表示處理間在P=0.05 和P=0.01 水平上差異顯著。），平均去除率達61%，最高可到92%。由此推斷，應(yīng)用促沉凈化裝置可有效減小徑流排水的渾濁程度（固體懸浮物是引起水體渾濁的主要物質(zhì)），降低對周邊水體的污染風(fēng)險。在整個稻季，徑流排水（凈化前）中固體懸浮物的質(zhì)量濃度大體呈前低后高的趨勢（圖2）。與稻季前期相比，中后期徑流排水中較高的固體懸浮物質(zhì)量濃度可能與較多的藻類等物質(zhì)有關(guān)。促沉凈化裝置對固體懸浮物的去除率有較大起伏，變化幅度從32%到92%；雖然只有2 次樣品（7月1日和8月25日）的去除率差異性統(tǒng)計達到顯著水平，但7 次經(jīng)裝置凈化后的固體懸浮物質(zhì)量濃度均低于凈化前質(zhì)量濃度，且有4 次樣品去除率（46%、69%、65%和92%）明顯高于7月1日的去除率（35%），可能是由于試驗地塊為生產(chǎn)大田，試驗裝置所選工況復(fù)雜，不同裝置間去除率的變異系數(shù)較大導(dǎo)致。

圖2 固體懸浮物的去除效果Fig.2 Removal efficiency of suspended solids

與固體懸浮物質(zhì)量濃度相反，稻田徑流排水中總氮和總磷的質(zhì)量濃度在整個稻季呈前高后低的趨勢（圖3）。在稻季前期氮磷肥的施用直接引起徑流排水中較高的總氮和總磷的質(zhì)量濃度；但隨著水稻生長進程的推進，氮磷等養(yǎng)分被轉(zhuǎn)化、吸收、利用及其他形式的損失，導(dǎo)致稻季中后期徑流排水中的總氮和總磷的質(zhì)量濃度較低。

促沉凈化裝置對稻田徑流排水中總氮和總磷的去除率分別為16%～56%（平均33%）和10%～48%（平均34%）。經(jīng)統(tǒng)計分析得出，在6月29日、7月6日、12日和9月30日經(jīng)促沉凈化裝置凈化前和凈化后的總氮質(zhì)量濃度間差異顯著。促沉凈化裝置對徑流排水中總磷的去除效果較為穩(wěn)定，盡管只有3 次（6月29日、7月1日和7月6日）的去除率差異性分析達到顯著水平，但有6 次的去除率達到30%以上。

圖3 總氮和總磷的去除效果Fig.3 Removal efficiencies of total nitrogen and phosphorus

將整個稻季所有采樣日期內(nèi)，經(jīng)促沉凈化裝置凈化前和凈化后的固體懸浮物、總氮或總磷質(zhì)量濃度進行統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示凈化前和凈化后的固體懸浮物、總氮或總磷質(zhì)量濃度間均有顯著差異（圖4，圖中**和***分別表示經(jīng)裝置凈化前、后的固體懸浮物、總氮或總磷質(zhì)量濃度在P=0.01 和P=0.001 水平上差異顯著），這表明促沉凈化裝置對稻田徑流排水中的固體懸浮物、總氮和總磷均有良好的去除效果。

圖4 整個稻季固體懸浮物、總氮和總磷的去除效果Fig.4 Removalefficiencies of suspended solids,total nitrogen and phosphorus in whole season

2.2 固體懸浮物、總氮和總磷的去除率與質(zhì)量濃度的關(guān)系

促沉凈化裝置對固體懸浮物的去除率與凈化前固體懸浮物質(zhì)量濃度之間存在顯著的對數(shù)正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05，圖5），即在一定的固體懸浮物質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，該裝置的去除率隨著質(zhì)量濃度的增加而逐步提高。在稻季前期，填充材料的整體孔隙率在短時間內(nèi)相對固定且較高，因此，當(dāng)含有較低質(zhì)量濃度的固體懸浮物的徑流排水通過促沉凈化裝置時，該裝置對固體懸浮物的去除率并不高；隨著時間的延長，到稻季中后期，填充材料的表面由于藻類及微生物等附著而形成生物膜[19]，加上土壤黏粒等物質(zhì)在縫隙中的累積，其孔隙率會相對有所減小，可能會提高裝置對固體懸浮物的去除率。

圖5 固體懸浮物的去除率與質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.5 The correlation between the removal efficiencies and the concentrations of suspended solids

促沉凈化裝置對徑流排水中總氮的去除率與總氮質(zhì)量濃度呈線性負相關(guān)關(guān)系（P＞0.05，圖6（a））。在本試驗中，稻田徑流排水中可溶性銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在整個稻季的平均質(zhì)量濃度分別占總氮質(zhì)量濃度的53%和17%?？扇苄凿@態(tài)氮是稻田徑流排水中無機氮素的主要形態(tài)，其質(zhì)量濃度在整個稻季呈前高后低的趨勢，尤其在稻季初期，徑流排水中可溶性銨態(tài)氮的質(zhì)量濃度占總氮的70%以上。因此，稻季初期促沉凈化裝置去除的總氮主要以可溶性銨態(tài)氮為主。然而，在稻季中后期，隨著銨態(tài)氮質(zhì)量濃度的迅速降低，其平均質(zhì)量濃度僅占總氮質(zhì)量濃度的30%左右。因此，稻季中后期促沉凈化裝置去除的總氮則可能以固體懸浮物形式存在的氮素為主，這個階段固體懸浮物的質(zhì)量濃度較高且該裝置對固體懸浮物的去除率也較高（圖2）。

促沉凈化裝置對徑流排水中總磷的去除率與總磷質(zhì)量濃度呈顯著的對數(shù)正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05，圖6（b）），這與固體懸浮物的規(guī)律一致（圖5）。一般認為顆粒態(tài)磷是稻田磷素徑流排水損失的主要形式[20]，而顆粒態(tài)物質(zhì)又是固體懸浮物的重要組成部分。因此控制好稻田徑流排水中固體懸浮物的質(zhì)量濃度即可實現(xiàn)對總磷質(zhì)量濃度的有效把控。

圖6 總氮和總磷的去除率與質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.6 The correlations between the removal efficienciesand the concentrations of TN or TP

3 討論

促沉凈化裝置對農(nóng)田徑流排水中固體懸浮物、氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的去除是裝置構(gòu)造與內(nèi)部填料共同作用的結(jié)果。通過空間結(jié)構(gòu)設(shè)計改變農(nóng)田徑流排水路徑，和直接排水相比，增加徑流排水在遷移路徑上的滯留時間，促進顆粒態(tài)污染物的沉降。同時，通過在裝置內(nèi)部的填料布設(shè)，進一步實現(xiàn)對污染物的攔截、過濾和沉淀。本裝置中選用的填料主要有2 種：沸石和多面空心球。其中沸石表面粗糙，比表面積大，吸附能力強，屬于輕質(zhì)濾料[21]，利用沸石能有效去除徑流水中的泥沙、藻類等固體懸浮物。多面空心球是由內(nèi)含半扇形葉片的2 個半球合成的球形結(jié)構(gòu)，2 個半球的扇形葉片相互錯開，徑流水在流經(jīng)多面空心球時由于2 個半球不同葉片彼此間的遮蔽效應(yīng)而產(chǎn)生較大的阻力，流速進一步減緩，有利于顆粒態(tài)污染物的沉降。即使是強降雨條件下的瞬間大流量排水進入裝置，填充材料同樣能發(fā)揮促沉降和吸附功能。

促沉凈化裝置對總氮和總磷的去除效果與填充材料對固體懸浮物的攔截作用、沸石對養(yǎng)分的吸附屬性及表面形成生物膜對養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化利用有關(guān)。該裝置對稻田徑流排水中總氮和總磷的去除率（分別為33%和34%）明顯低于生態(tài)溝渠的去除效率（分別為48%～64%和41%～70%）[18]，但要優(yōu)于僅經(jīng)過輕度改造的排水溝渠[22]。這可能是因為稻田徑流排水在流經(jīng)不同處理系統(tǒng)時的滯留時間長短有關(guān)。徑流排水通過促沉凈化裝置時，由于滯留時間相對較短，填充材料及其表面形成的生物膜并不能更多地吸附、轉(zhuǎn)化利用氮、磷等養(yǎng)分；相反，這些養(yǎng)分在生態(tài)溝渠內(nèi)的滯留時間相對較長，加上水生植物對氮、磷等養(yǎng)分的吸收利用，最終導(dǎo)致促沉凈化裝置對稻田徑流排水中總氮和總磷的去除率低于生態(tài)溝渠。然而，相對于生態(tài)溝渠，促沉凈化裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對稻田徑流排水中污染物的原位處理，且設(shè)計施工簡單，占用空間小，建造和運行維護成本低廉?？膳c生態(tài)溝渠配合使用，更高效地減少稻田徑流排水中面源污染物的質(zhì)量濃度，降低周邊水體污染風(fēng)險。

在稻季初期，徑流排水中總氮質(zhì)量濃度較高，一方面，促沉凈化裝置內(nèi)填充材料的孔隙率相對較高，且由于養(yǎng)分在裝置內(nèi)的滯留時間短，填充材料不能高效地發(fā)揮作用；另一方面，總氮主要以銨態(tài)氮等水溶態(tài)氮為主，較易流失，致使該裝置對總氮的去除率相對偏低；在稻季中后期，徑流排水中總氮質(zhì)量濃度較低，隨著促沉凈化裝置內(nèi)填充材料的孔隙率相對有所減小，對固體懸浮物的攔截效果較好，加上生物膜的形成可實現(xiàn)對養(yǎng)分的吸附、轉(zhuǎn)化或利用，造成該裝置對總氮有較好的去除效果。

4 結(jié)論

在水稻生產(chǎn)過程中，使用促沉凈化裝置對徑流排水中固體懸浮物、總氮和總磷的平均去除率分別為61%、33%和34%。在一定的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，稻田徑流排水中固體懸浮物和總磷的質(zhì)量濃度越高，促沉凈化裝置對其去除率越高。相反，促沉凈化裝置對徑流排水中較低質(zhì)量濃度的總氮具有較好的去除效果，但對較高質(zhì)量濃度的總氮的去除效果不理想。

在實際運用中，該裝置可與生態(tài)溝渠搭配使用，更高效地降低稻田徑流排水中面源污染物的質(zhì)量濃度，改善水體環(huán)境。