方榮杰，鄒傳林，徐保利，代俊峰，張帥普，白凱華

（1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室，廣西桂林 541004；3.桂林理工大學(xué)巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西桂林 541004）

農(nóng)業(yè)面源污染（包括農(nóng)田徑流、畜禽養(yǎng)殖排水、未經(jīng)處理的農(nóng)村生活污水等）將大量氮、磷帶入受納水體，污染河流、湖泊和水庫［1-3］。面源污染已成為全球飲用水安全的一個明顯威脅，控制農(nóng)村地區(qū)的面源污染至關(guān)重要。

在大多數(shù)農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)，集中式污水處理設(shè)施建設(shè)困難、花費大、負(fù)荷率不高，往往難以取得理想的效果。南方地區(qū)常見排水溝，可改造為生態(tài)溝，因其低成本和節(jié)省土地的特點被廣泛使用［4-6］。農(nóng)田生態(tài)溝具有線性濕地特性，不僅能調(diào)節(jié)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分和改變區(qū)域水文情勢，在底泥/土壤吸附、植物攔截與吸收、微生物降解等作用下，還能截留凈化農(nóng)田排水污染物。鑒于生態(tài)溝在污水處理中的作用，人們對農(nóng)田生態(tài)溝氮磷去除效應(yīng)進行了大量研究。許高鵬、王志超等分別在平原區(qū)和寒旱區(qū)運用生態(tài)溝處理農(nóng)田生態(tài)尾水，發(fā)現(xiàn)水力停留時間越長，水體污染物與排水系統(tǒng)接觸越充分，對氮磷污染去除效果越好［7，8］。張燕等［9］在三江平原水田集中區(qū)生態(tài)溝研究中發(fā)現(xiàn)，植物生長期末莖葉營養(yǎng)物質(zhì)向根部轉(zhuǎn)移，通過適時收割生態(tài)溝植物可以將水中營養(yǎng)物質(zhì)去除。當(dāng)前研究多著眼于生態(tài)溝對農(nóng)田排水中氮磷的削減效果，農(nóng)村生態(tài)溝分布在村莊和農(nóng)田周邊，一般同時承泄著農(nóng)村生活污水和農(nóng)田排水。已有研究表明生態(tài)溝在處理農(nóng)村生活污水也能取得一定成效［10］，但在氣象和農(nóng)事管理措施的影響下，不同時期生態(tài)溝排水來源差別較大，生態(tài)溝對摻混生活污水的排水氮磷削減效果及關(guān)鍵時期仍需進一步探究。

以廣西興安縣興安鎮(zhèn)東村面源污染削減示范區(qū)為研究對象，定期觀測示范區(qū)生態(tài)溝水質(zhì)變化情況，分析不同觀測期下各監(jiān)測點氮磷濃度及其成分變化規(guī)律，分析不同觀測期下生態(tài)溝各點位氮磷削減效果，探究生態(tài)溝對摻混生活污水的排水氮磷削減關(guān)鍵時期，以期為廣西面源污染治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于桂林市興安縣興安鎮(zhèn)東村面源污染削減示范區(qū)（N25°36′35″，E110°37′42″），包括村莊、景觀水道、生態(tài)溝、柑橘田、稻田等功能區(qū)。生態(tài)溝由南至北貫穿示范區(qū)上下游。生態(tài)溝進水口上接?xùn)|村，村中生活污水進入生態(tài)溝，沿程收集農(nóng)田排水，最終出水排至北面靈渠［圖1（a）］，村中溝道收集的降雨徑流進入景觀水道，溢流進入生態(tài)溝。觀測區(qū)以柑橘、水稻（中稻）為主，分布少量蔬菜田和苗木。生態(tài)溝全長約150 m，由中段矩形堰分為上下兩段，上半段生態(tài)溝淺而窄，為U 型斷面且邊坡變化不大，溝底坡降較小，水流較緩，夏秋季溝邊坡草本植物生長茂盛，溝底長有苦草；下半段生態(tài)溝與上半段相比變寬變深，斷面為梯形但尺寸、邊坡變化大，坡降增大，溝底和邊坡植物較少，水流速度快，邊坡時有坍塌，水力條件較差（圖1中矩形堰、出水口）。

1.2 實驗監(jiān)測與取樣

于2019年5月-2021年4月，在東村開展監(jiān)測試驗。根據(jù)當(dāng)?shù)販系浪B接關(guān)系和生態(tài)溝情況，在生態(tài)溝上游到下游分別布設(shè)進水口、草叢上段、草叢中段、草叢下段、矩形堰、出水口（以下分別簡稱為進水口、草上、草中、草下、矩形堰、出水口）6個監(jiān)測點［圖1（a）］，監(jiān)測點尺寸如圖1（b）所示。草上、草中、草下、矩形堰、出水口距離進水口的距離依次約為16、24、36、125、150 m，雨季進水口旁有稻田水流入溝中，矩形堰旁有柑橘田水流入溝中。在生態(tài)溝各監(jiān)測點，研究區(qū)各功能區(qū)域（含景觀水道、景觀水道出水口、稻田和柑橘田）中采集水樣。平均每月取樣一次，用500 mL聚乙烯瓶取水樣，24 h內(nèi)在實驗室完成測樣，分別采用納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009）、紫外分光光度法（HJ/T 346-2007）、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636-2012）、鉬酸銨分光光度法（GB 11893-1989），獲取水樣氨氮、硝態(tài)氮、總氮和總磷濃度。

圖1 研究區(qū)監(jiān)測點分布及監(jiān)測點尺寸示意圖Fig.1 Distribution and size of monitoring points in the study area

2019年8月24日，生態(tài)溝旁水稻處于抽穗開花期，田中水層較薄或無水；柑橘田灌水，撒施花生肥料，柑橘田有灌溉水流進生態(tài)溝，排水口水樣呈淺棕黃色（圖2），其余采樣時間均無其他排水流入生態(tài)溝。

圖2 雨季夏天采樣實景Fig.2 Real scene of sampling in rainy season and summer

1.3 不同觀測期劃分及數(shù)據(jù)分析

為反映不同時期氮磷濃度及削減效率的差異性，將監(jiān)測期劃分為全監(jiān)測期、雨季（5-10月）和干季（11月-次年4月）、季節(jié)（春、夏、秋、冬）3 個觀測期。數(shù)據(jù)采用Excel 2010 和SPSS22.0統(tǒng)計和分析，不同時期氮磷濃度、占比、去除率均采用均值代替，氮素比例差異性采用單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同功能區(qū)氮磷濃度變化

研究區(qū)各功能區(qū)（景觀水道、景觀水道出水口、橘田水、稻田）氮磷平均濃度季節(jié)性變化強烈（圖3）。各功能區(qū)全監(jiān)測期氨氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷平均濃度分別為2.941、2.642、8.597、0.390 mg/L，高于冬季和干季，但略低于夏季。景觀水道氨氮濃度在秋季、冬季和干季均較高，且高于同時期各功能區(qū)濃度，景觀水道出水口硝態(tài)氮在雨季和夏季高于其余時期。橘田水的氨氮、總氮濃度分別在全監(jiān)測期、雨季、夏季顯著高于其他功能區(qū)對應(yīng)指標(biāo)，而且春季硝態(tài)氮、總氮濃度在同時期中最高；全監(jiān)測期稻田總磷濃度顯著高于其他功能區(qū)，而且在春季和秋季濃度遠(yuǎn)高于其余時期。

圖3 研究區(qū)各功能區(qū)不同時期氮磷濃度Fig.3 Nitrogen and phosphorus concentrations in different periods in each functional area of the study area

在整個監(jiān)測期，景觀水道、景觀水道出水口、橘田水、稻田氨氮濃度占總氮濃度平均比例分別為0.622、0.208、0.315、0.253，硝氮濃度占總氮濃度平均比例分別為0.390、0.662、0.181、0.339。景觀水道春季、秋季、冬季、干季氨氮為總氮主要的氮素形式；景觀水道出水口監(jiān)測點在春季、冬季節(jié)氨氮占總氮主要比重，而在夏季、秋季、雨季硝態(tài)氮占主要比重。橘田水在夏季、秋季、雨季總氮以氨氮為主，而在春、冬、干季以硝態(tài)氮為主；在春冬季節(jié)，橘田、稻田氨氮和硝態(tài)氮的比例之和占總氮不超過0.5。

2.2 不同觀測期生態(tài)溝氮磷濃度變化

生態(tài)溝各監(jiān)測點不同觀測期氮磷濃度變化如圖4 所示，全監(jiān)測期內(nèi)各點氨氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷平均濃度分別為14.369、3.458、21.586、0.918 mg/L，高于雨季的5.367、4.389、13.285、0.580 mg/L，但略低于干季的26.712、2.259、33.005、1.366 mg/L。干季氨氮、總氮、總磷平均濃度均顯著高于雨季，而硝態(tài)氮平均濃度則顯著低于雨季。季節(jié)觀測期上，秋季、冬季氨氮和總氮平均濃度分別為19.657、26.072 mg/L 和34.019、39.033 mg/L，顯著高于春季和夏季；硝態(tài)氮平均濃度在夏季和秋季顯著高于冬春季，且夏季氨氮和冬季硝態(tài)氮平均濃度均為對應(yīng)指標(biāo)各季節(jié)最低值，分別為2.801、1.059 mg/L?？偭诐舛燃竟?jié)性變化與氮素不同，春季、夏季總磷平均濃度分別為0.559、0.253 mg/L，顯著低于秋季和冬季。生態(tài)溝氮磷平均濃度顯示出強烈的季節(jié)性變化。

如圖4可知，生態(tài)溝上半段（進水口、草上、草中、草下）氮磷平均濃度在不同觀測期上變化趨勢一致，秋冬季和干季氨氮、總氮和總磷平均濃度均顯著高于其余時期，其中矩形堰春季和雨季氨氮、總氮平均濃度明顯低于其余時期，但冬季總磷平均濃度顯著高于其余時期，春季次之。出水口春季氨氮平均濃度顯著低于其余時期，總氮平均濃度各時期差別不大，硝態(tài)氮和總磷平均濃度各時期變化規(guī)律一致，春季顯著高于其余時期，而且秋冬季和干季總氮平均濃度顯著偏低。

圖4 生態(tài)溝各監(jiān)測點不同時間觀測期氮磷濃度變化Fig.4 Variations of nitrogen and phosphorus concentrations in different periods at monitoring sites of ecological ditch

2.3 不同觀測期生態(tài)溝氮素組分變化

生態(tài)溝各監(jiān)測點不同觀測期氨氮和硝態(tài)氮濃度占比如圖5所示。由圖5 可知，整個監(jiān)測期生態(tài)溝沿程各點濃度NH4+-N/TN 平均在0.19～0.74 之間，上半段NH4+-N/TN 均超過0.70，明顯高于下半段；監(jiān)測點濃度NO3--N/TN 在0.11～0.31 之間，顯著低于氨氮，而且上下游各點NO3--N/TN 差別不大，說明全監(jiān)測期內(nèi)生態(tài)溝出水口氨氮濃度比例低于進水口，而硝態(tài)氮濃度占比則上升明顯。各監(jiān)測點干季NH4+-N/TN多大于0.8，其中草下最高（0.88），出水口最?。?.41）；雨季NH4+-N/TN 在0.22～0.47 之間，顯著小于干季；各點NO3--N/TN 變化與NH4+-N/TN 相反，除出水口外，各點干季NO3--N/TN 顯著小于雨季，說明干季進水污染物氮素類型以氨氮為主，雨季硝態(tài)氮比例上升，但仍略低于氨氮比例，進水污染物氮素在生態(tài)溝中遷移轉(zhuǎn)化，出水口氨氮濃度比例下降顯著，而硝態(tài)氮濃度比例有所上升。

圖5 生態(tài)溝各監(jiān)測點不同時間觀測期氨氮和硝態(tài)氮濃度占比Fig.5 The average ratios of NH4+-N and NO3--N concentration to TN concentration in different periods at monitoring sites of ecological ditch

季節(jié)觀測期上，各監(jiān)測點秋季、冬季NH4+-N/TN 分別在0.50～0.90 和0.60～0.90 之間，顯著高于春季和夏季的0.04～0.50、0.22～0.37；NO3--N/TN在夏季最高（0.23～0.66），明顯高于其他季節(jié)（圖5），說明秋冬季進水污染物氮素以氨氮為主，而夏季以硝態(tài)氮為主，其余時期硝態(tài)氮比例雖然有所上升，但仍顯著低于氨氮。由圖5 可知，各監(jiān)測點春季（NH4+-N+NO3--N）/TN 在0.36～0.85之間，顯著小于其余三季，而且其他觀測期差別不大，說明除春季外，生態(tài)溝各點氮素以氨氮和硝態(tài)氮為主；不同觀測期（NH4+-N+NO3--N）/TN 基本沿生態(tài)溝由上游到下游逐漸降低，其中夏季、雨季和全監(jiān)測期降幅較大，分別下降29.92%、31.45%、28.76%，說明這兩種氮素在生態(tài)溝的輸移中發(fā)生轉(zhuǎn)化，而且這一轉(zhuǎn)化過程在夏季和雨季更為強烈。

2.4 不同時間觀測期生態(tài)溝氮磷削減效率變化

為反映生態(tài)溝的削減效果，計算生態(tài)溝不同監(jiān)測期各監(jiān)測點的平均單位去除率（每米的削減效率值），結(jié)果如表1 所示。整個監(jiān)測期生態(tài)溝對進水污水中氨氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷的平均單位去除率分別在0.31%～1.10%、0.07%～1.69%、0.31%～1.07%、0.30%～0.91%之間。全監(jiān)測期內(nèi)生態(tài)溝對氨氮沿程去除率最高，總氮、總磷次之，硝態(tài)氮最低。氨氮、總氮在生態(tài)溝草上處削減效果最好，平均單位去除率分別為1.10%、1.07%，草中去除率次之；硝態(tài)氮、總磷在草中處削減效果最好，平均單位去除率分別為1.69%、0.91%，草上處削減效率次之。

表1 不同時期生態(tài)溝沿程各點相對于進水的氮磷單位去除率 %Tab.1 Nitrogen and phosphorus unit removal rate relative to the influent of each point along ecological ditch in different periods

生態(tài)溝在干季和雨季對氨氮、總氮均削減效果較好，且在雨季對氨氮削減效率高于總氮。對于硝態(tài)氮，干季去除率沿程降低，下半段降為負(fù)值；雨季沿程去除率均為正值，且在草中達到最好的削減效果，平均單位去除率為1.67%。以上結(jié)果表明，生態(tài)溝沿程均對氨氮和總氮具有明顯削減效果，且上半段削減效果更好，上半段的平均單位去除率遠(yuǎn)大于下半段。生態(tài)溝干季總磷削減效率沿程降低，雨季在草中處削減效果最好，但草上和出水口去除率為負(fù)值，說明生態(tài)溝上半段對總磷具有削減效果，下半段沿程沒有起到削減效果，反而成為總磷的污染源。

季節(jié)觀測期上，秋季、冬季沿程各點氨氮去除率均先降低后升高；夏季生態(tài)溝上半段去除率為正值，下半段降為負(fù)值。各季節(jié)總氮去除率在生態(tài)溝上半段均為正值，說明各季節(jié)生態(tài)溝上半段削減效果較好，而且秋季生態(tài)溝出水口去除率遠(yuǎn)高于矩形堰（負(fù)值），說明秋季生態(tài)溝下半段對總氮削減效果好。硝態(tài)氮在草上、草中兩處的四季平均去除率均為正值，春冬季節(jié)草下處以下去除率為負(fù)值，但出水口去除率相對矩形堰有所升高，說明春冬兩季草下至矩形堰段向水中釋放硝態(tài)氮，但矩形堰以下溝段對硝態(tài)氮仍有一定的削減效果；夏秋季硝態(tài)氮去除率多為正值，但出水口削減效率低于矩形堰，說明夏秋季下游溝段向水中釋放硝態(tài)氮?？偭自诖呵飪杉救コ示爻探档?，但秋季總磷在出水口的單位去除率達到了0.56%，冬季總磷單位去除率均為正值，說明秋冬季排水對總磷削減效果最好；春季生態(tài)溝上半段總磷單位去除率均為正值，但下半段去除率降低且均為負(fù)值，說明春季對總磷的削減由生態(tài)溝上半段完成，而下半段則向排水中釋放磷素；夏季總磷去除率均為負(fù)值且沿程降低，說明夏季生態(tài)溝未能發(fā)揮削減作用，而且向排水中釋放磷素，加重了總磷流失。

3 討 論

為滿足水功能區(qū)要求，研究區(qū)地表水水質(zhì)需不低于中國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（2002）III類水標(biāo)準(zhǔn)［11］，即氨氮、總氮、總磷濃度分別需控制在1.0、1.0、0.2 mg/L 以下。監(jiān)測期間生態(tài)溝出水口相對進水氮磷濃度顯著下降，但氨氮平均濃度為5.62 mg/L，超標(biāo)率達到62.3%；總氮平均濃度為15.26 mg/L，超標(biāo)率達到100%；總磷平均濃度為0.67 mg/L，超標(biāo)率為38.5%。監(jiān)測期間硝態(tài)氮平均濃度為3.57 mg/L，低于世界衛(wèi)生組織規(guī)定的飲用水標(biāo)準(zhǔn)［12］（10 mg/L），但有2 次取樣超過該限值且最大濃度達到15.94 mg/L。研究區(qū)排水氮磷多超過地表水III 類水標(biāo)準(zhǔn)值，會對下游靈渠水環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。

不同時期和氣象條件下，農(nóng)田管理措施差別較大，導(dǎo)致監(jiān)測點氮磷濃度及氮素組成變化較大。干季和秋冬季降雨較少，降雨徑流和農(nóng)田排水均較少，進水口氮含量較高的生活污水以及田間側(cè)滲成為這一時期主要污染源，導(dǎo)致氨氮、總氮濃度顯著高于其他時期（圖4）。雨季和夏季降雨多、強度大，而且農(nóng)田排水較多，但農(nóng)田水氨氮和總氮濃度顯著低于生態(tài)溝（圖3），起到稀釋作用，氨氮和總氮濃度顯著降低。生態(tài)溝上半段監(jiān)測點總磷濃度在秋季最大，下半段在春季最大，這可能與其來源有關(guān)：秋季，橘田因施用磷肥促進果實成熟，橘田水排入生態(tài)溝導(dǎo)致溝中總磷濃度升高；春季，生態(tài)溝中水主要來源是生活污水，生活污水排入溝中，溝中植被尚未長出，對總磷基本無削減效果，因此使下半段總磷濃度升高。

氮是溝渠生態(tài)系統(tǒng)最活躍的元素之一，在不同環(huán)境條件下氮的形態(tài)會發(fā)生轉(zhuǎn)變。生態(tài)溝沿程各點氮素主要由氨氮和硝態(tài)氮組成，而且大部分時期以氨態(tài)氮為主，但其濃度及比例均沿程降低，硝態(tài)氮濃度沿程緩慢增加（圖5）。氨氮輸移過程中經(jīng)氨化揮發(fā)、帶負(fù)電土壤顆粒吸附以及硝化作用，水中氨氮含量及其比例降低。夏季NO3--N/TN 偏高，這可能是因為在夏季高溫天氣情況下，生態(tài)溝中硝化細(xì)菌在有氧條件下將氨態(tài)氮大量轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，這一結(jié)論與已有研究結(jié)果一致［13，14］。

在干季和秋冬季，生態(tài)溝對高濃度氮磷攔截效果較好，干季和秋冬季溝內(nèi)流量較低，延長了水力停留時間，基質(zhì)吸附、植物吸收和微生物降解作用相對增加，從而提高氮磷去除效果。另外，高濃度氮磷使水體由上而下形成濃度梯度，有利于上覆水中氮磷向底泥擴散，供底泥微生物吸收和利用［7］，同時促進植物對氮磷吸收。雨季和夏季生態(tài)溝排水流量較大，高流量排水生態(tài)溝使水力停留時間變短，甚至?xí)⑾趸?xì)菌等微生物隨水流帶出生態(tài)溝系統(tǒng)，從而降低氮磷削減效率。不僅如此，大流量排水還會沖刷邊坡，攪動底泥釋放污染物，增加排水中顆粒性污染物，使生態(tài)溝成為污染排放源，導(dǎo)致夏季總磷、總氮和氨氮在下半段單位去除率為負(fù)（表1）。

4 結(jié) 論

（1）生態(tài)溝氮磷濃度顯示出強烈的季節(jié)性變化，各監(jiān)測點干季和秋冬季的氨氮、總氮、總磷濃度顯著高于其他時期，而硝態(tài)氮則相反；監(jiān)測期進水氨氮和硝態(tài)氮濃度占總氮濃度的比例顯著高于出水口，而且各觀測期氨氮濃度比例均顯著高于硝態(tài)氮。

（2）監(jiān)測期內(nèi)生態(tài)溝沿程削減效果明顯，平均單位去除率均為正值，氨氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷的單位去除率分別在0.31%～1.10%、0.07%～1.69%、0.31%～1.07%、0.30%～0.91% 之間。干季生態(tài)溝下半段氨氮、總氮和總磷削減效果更好，而雨季成為氨氮和總氮的污染源；干季生態(tài)溝對硝態(tài)氮削減效率沿程降低，雨季在草中的削減效果遠(yuǎn)大于其他監(jiān)測點，平均單位去除率為1.67%；生態(tài)溝干季總磷削減效率沿程降低，雨季在草中處削減效果最好，但草上和出水口去除率為負(fù)值。

（3）秋冬季沿程各監(jiān)測點氮去除率均先降低后升高，削減效率在生態(tài)溝下半段有上升趨勢；夏季生態(tài)溝上半段去除率為正值，下半段降為負(fù)值。各季節(jié)總氮去除率在生態(tài)溝上半段均為正值，出水口秋季去除率遠(yuǎn)高于矩形堰。硝態(tài)氮夏秋季節(jié)平均去除率均為正值，春冬季節(jié)草下處以下各點單位去除率為負(fù)值，但出水口去除率相對矩形堰有所升高?？偭自诖呵飪杉救コ示爻探档停谇锛镜目偭自诔鏊诘膯挝蝗コ蔬_到了0.56%，冬季單位去除率均為正值。