舒同　周貝貝　段婧婧　馬如龍　薛利祥　何世穎　薛利紅　楊林章

摘要： 為探究夏季添加纖維素類固體有機碳源（秸稈）對溝渠水體中氮素去除效果及溫室氣體排放的影響，在試驗期內(nèi)設(shè)定密集采樣法代替常規(guī)采樣法探究水體中氮質(zhì)量濃度的變化，并通過靜態(tài)箱-氣相色譜法測定溫室氣體排放通量。結(jié)果表明，試驗期間總氮（TN）質(zhì)量濃度下降了35.9%，硝態(tài)氮（NO^-₃-N）去除率高達97.6%；溫室氣體排放較為穩(wěn)定，氧化亞氮（N₂O）排放通量呈現(xiàn)晝高夜低的趨勢，甲烷（CH₄）排放通量出現(xiàn)多個峰值。整體來看，添加秸稈增強了水體中氮素的去除效果，同時矯正系數(shù)分析結(jié)果表明，試驗初期溫室氣體排放通量變化較大，而在后期較穩(wěn)定。因此，建議試驗前期密集采樣，后期可常規(guī)采樣，后期最佳采樣時間為9：00-11：00。

關(guān)鍵詞： 秸稈；碳源；農(nóng)業(yè)面源污染；氮素；溫室氣體

中圖分類號： X522 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-4440（2023）01-0081-07

Changes of nitrogen removal and greenhouse gas emission in ditch water with straw carbon source

SHU Tong^1，2， ZHOU Bei-bei³， DUAN Jing-jing^1，2， MA Ru-long1， XUE Li-xiang¹， HE Shi-ying^1，2， XUE Li-hong^1，2， YANG Lin-zhang¹

（1.Institute of Agricultural Resources and Environment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing 210014， China；2.School of Environmental and Safety Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China；3.College of Environment and Ecology， Jiangsu Open University， Nanjing 210017， China）

Abstract： In order to explore the nitrogen removal effect and greenhouse gas emission law in ditch water under the addition of cellulose solid organic carbon source （straw） in summer， dense sampling was set to replace the conventional sampling method to explore the change of nitrogen mass concentration in water during the experimental period， and the greenhouse gas emission flux was measured by static box gas chromatography. The results showed that the mass concentration of total nitrogen （TN） decreased by 35.9%， and the removal rate of nitrate nitrogen （NO^-₃- N） was as high as 97.6%. Greenhouse gas emissions were relatively stable， nitrous oxide （N₂O） emission flux showed a trend of high in the day and low at night， and methane （CH₄） emission flux showed multiple peaks. In conclusion， the addition of straw enhanced the removal efficiency of nitrogen in water. At the same time， the results of correction coefficient analysis indicated that the greenhouse gas emission flux changed greatly in the early stage of the experiment and was relatively stable in the later stage. Therefore， it is suggested that intensive sampling should be carried out in the early stage， conventional sampling can be carried out in the later stage， and the best sampling time in the later stage is 9：00-11：00.

Key words： straw;carbon source;agricultural non-point source pollution;nitrogen;greenhouse gas

目前，隨著工業(yè)廢水和城市生活污水等點源污染得到有效控制，農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)取代點源污染成為水環(huán)境污染最重要的來源^[1]。太湖流域稻-麥輪作產(chǎn)生的氮徑流損失是造成水體富營養(yǎng)化的重要氮素來源。范宏翔等^[2]研究發(fā)現(xiàn)，由于小麥苗期葉面積指數(shù)小、根系不發(fā)達，加上土壤裸露較多，導(dǎo)致約44%～57%的降水會通過徑流遷移出農(nóng)田；麥季徑流中硝態(tài)氮的平均質(zhì)量濃度可達30 mg/L，遠高于銨態(tài)氮（NH⁺₄-N）的平均質(zhì)量濃度，而稻季農(nóng)田滲漏液中的氮素形態(tài)雖主要為銨態(tài)氮（>70%），但NH⁺₄-N隨徑流進入溝渠后經(jīng)微生物作用會很快轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮。同樣的，對于設(shè)施菜地而言，普遍存在氮肥過量施用的現(xiàn)象，土壤淋洗液中通常攜帶大量硝態(tài)氮。陸扣萍等^[3]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)民習(xí)慣施肥的條件下，番茄生長季移栽后2個月內(nèi)土壤淋洗液中的硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為31.6～54.4 mg/L，而番茄收獲后揭棚期的淋洗液中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度可高達95.5 mg/L。然而，由于農(nóng)田排水中的有機碳含量較低，使得硝態(tài)氮的生物反硝化過程受到抑制，大量硝態(tài)氮隨農(nóng)田排水匯入農(nóng)田周圍的水體中，使得水質(zhì)安全受到威脅。

為了促進以高硝態(tài)氮為主的低污染的反硝化脫氮，污水處理廠等通常選用價格較高的乙酸、乙醇、葡萄糖等可溶性碳來提高異養(yǎng)反硝化菌的活性，但是存在碳源投加量不足或容易過量的風(fēng)險，造成出水水質(zhì)惡化。因此在治理面源污染的過程中，研究者嘗試用天然纖維素類碳源作為替代物用于促進氮素的去除，特別是鋸末、秸稈、稻殼等理論上具有長期釋碳特點，不僅能夠發(fā)揮此類碳源的優(yōu)點，同時也能夠在一定程度上促進農(nóng)業(yè)固體廢棄物的資源化利用^[4-6]。Warneke等^[7]對比了5種碳源材料對硝態(tài)氮的去除效果，發(fā)現(xiàn)玉米芯的去除效率最高，但其同時存在總有機碳（TOC）大量釋放造成水體二次污染等不良影響，因此建議將玉米芯換為穩(wěn)定的木屑組合以降低環(huán)境風(fēng)險。孫鳳海等^[8]探究了添加活性污泥條件下3種固體碳源（玉米芯、大豆殼、稻桿）的沉降性和可生化性，發(fā)現(xiàn)有皮玉米芯、稻稈的釋碳品質(zhì)優(yōu)于大豆殼。然而，添加纖維素類碳源在促進去除低污染水體中氮素的同時是否會增加溫室氣體如甲烷（CH₄）、氧化亞氮（N₂O）等的排放還需進一步研究。

農(nóng)田排水溝渠作為一種特殊的線性淺水濕地，在調(diào)節(jié)農(nóng)田多余水分排放和物質(zhì)循環(huán)方面發(fā)揮了重要作用^[9]，其主要通過土壤吸附、植物吸收、生物降解等一系列過程降低農(nóng)田排水中氮、磷等養(yǎng)分的含量，從而減少最終進入受納水體的營養(yǎng)物質(zhì)總量，減輕水體富營養(yǎng)化問題。但是目前人們對于農(nóng)田排水溝渠的綜合利用水平仍然較低^[10-11]，可否將植物碳源材料應(yīng)用于溝渠，從而促進農(nóng)田排水反硝化脫氮仍然值得探討。因此，研究如何更高效地發(fā)揮農(nóng)田溝渠截留和凈化低污染水體中氮、磷污染物的功能十分必要。本研究通過靜態(tài)水箱試驗?zāi)M農(nóng)田排水溝渠中以小麥秸稈作為外加碳源材料促進水體反硝化脫氮的過程，并測定溫室氣體日排放規(guī)律，從而確定污染水體溫室氣體觀測的最佳時間，為探究外加碳源下水體氮素的去除能力及溫室氣體采集時間提供科學(xué)依據(jù)，并為后續(xù)試驗提供參考和理論支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗處理

碳源材料選擇江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地的小麥秸稈，將其自然風(fēng)干后剪至2～3 cm長度備用。試驗于2020年7月30日-8月5日在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地進行。用硝酸鉀（分析純）人工配制模擬的低污染水，調(diào)節(jié)總氮（TN）質(zhì)量濃度為15 mg/L，進水量約為40 L。每個水箱（內(nèi)徑355 mm，高500 mm）底部用網(wǎng)袋裝取等質(zhì)量（230 g）的麥秸，上層用托盤裝2 kg石英砂以保證碳源材料沉底。設(shè)置3個重復(fù)，將每天07：00-19：00的時間段劃分為白天，19：00至次日07：00的時間段劃分為夜晚。將試驗裝置靜置12 h后，同步采集溫室氣體和水樣進行分析。

1.2 樣品采集

1.2.1 氣體樣品采集與測定 采用靜態(tài)箱法采集溫室氣體。試驗前3 d進行連續(xù)72 h的觀測，每2 h取樣1次；試驗后4 d只在白天（07：00-19：00）進行取樣。靜態(tài)箱由有機玻璃制成，箱體設(shè)有溫度計及采樣口。水箱上部四周設(shè)置寬為5 cm的水槽，采樣時將靜態(tài)箱置于水箱上部的水槽內(nèi)并水封，同時在采樣口安裝雙頭閥門以保證箱內(nèi)氣體與外部大氣獨立。分別在關(guān)箱起始階段與關(guān)箱后10 min、20 min、30 min用20 ml注射器來回抽動3～4次后在箱內(nèi)抽取氣體并保存于真空玻璃瓶中，帶回實驗室進行分析，同時讀取并記錄箱內(nèi)溫度。

溫室氣體濃度用Agilent 7890A氣相色譜儀測定，CH₄濃度用火焰離子化檢測器（FID）測定，N₂O濃度用電子俘獲檢測器（ECD）測定，設(shè)2個檢測器的操作溫度均為300 ℃，柱箱溫度均為60 ℃。氣體排放通量的計算公式如下：

F=ρ·h·dc/dt·273/（273+T）^[12]（1）

式中，F(xiàn)為溫室氣體排放通量或吸收通量，mg/（m²·h）；ρ為氣體的標準密度，kg/m³；h為靜態(tài)箱有效高度，m；dc/dt為箱內(nèi)溫室氣體濃度隨時間變化的速率；T為箱內(nèi)的平均溫度，℃；273為理想氣體常數(shù)。

1.2.2 溫室氣體日排放通量最佳采集時間的矯正系數(shù) 以各時刻采集的溫室氣體的測定值與當日平均排放通量的計算值之比作為矯正系數(shù)，可以估算最佳采集時間，計算公式如下^[13]：

C_i=F_avg/F_i（2）

式中，C_i為矯正系數(shù); F_avg為溫室氣體日平均排放通量; F_i為第i次觀測的溫室氣體排放通量。

1.3 水樣的采集

水樣的采集與溫室氣體的采集同步。在水箱中部200 mm處設(shè)置1個取樣口并連接硅膠管（長約50 cm，內(nèi)徑4 mm，外徑6 mm），取樣時打開硅膠管上的止水夾，使約100 ml的水樣緩慢流入取樣瓶內(nèi)，過濾后保存于4 ℃冰箱中。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel進行數(shù)據(jù)處理，本試驗中的誤差用標準差表示。用SPSS中的單因素方差分析法進行各處理間的差異顯著性檢驗，用Origin 2019b進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 對水體氮素的去除效果

添加小麥秸稈后的前3 d，模擬污水中的TN、NH⁺₄-N（銨態(tài)氮）、NO^-₃-N（硝態(tài)氮）和NO^-₂-N（亞硝態(tài)氮）質(zhì)量濃度的動態(tài)變化見圖1a?？梢钥闯?，水體中不同形態(tài)氮的質(zhì)量濃度在添加小麥秸稈后前2 d變化較為劇烈。在添加小麥秸稈后前24 h，水體TN質(zhì)量濃度維持在較高水平（17.16～19.74 mg/L），NO^-₃-N質(zhì)量濃度呈現(xiàn)逐步下降的趨勢，而NO^-₂-N質(zhì)量濃度則從0 mg/L上升至2.45 mg/L。在試驗第2 d，TN質(zhì)量濃度出現(xiàn)明顯下降，最低值僅為9.97 mg/L，較初始質(zhì)量濃度下降了47.4%；NO^-₃-N質(zhì)量濃度在第36 h幾乎降為0；NO^-₂-N質(zhì)量濃度在試驗第1 d累積后開始下降，在試驗第40 h幾乎降為0。NH⁺₄-N的質(zhì)量濃度始終較低，在試驗第3 d，不同形態(tài)氮的質(zhì)量濃度趨于穩(wěn)定，TN質(zhì)量濃度維持在12 mg/L左右，無明顯波動，較初始質(zhì)量濃度下降了34.1%，NH⁺₄-N、NO^-₃-N和NO^-₂-N的質(zhì)量濃度維持在較低水平。

由圖1b可以看出，從試驗第4 d開始，由于水體氮素質(zhì)量濃度變化平穩(wěn)且數(shù)值較低，故只在白天進行采樣。TN質(zhì)量濃度整體呈下降趨勢，最終穩(wěn)定在13.0 mg/L以下。同時觀察到，TN質(zhì)量濃度呈波動變化，在試驗第4～7 d的7：00-11：00時間段，TN質(zhì)量濃度分別上升了12.79%、15.77%、5.78%與1.71%，在15：00-19：00時間段則，TN質(zhì)量濃度則下降。NH⁺₄-N質(zhì)量濃度在試驗的第96～108 h略有上升，之后降至較低水平。NO^-₃-N、NO^-₂-N質(zhì)量濃度無明顯波動，始終處于較低水平。

2.2 溫室氣體（N₂O、CH₄）排放通量的變化

如圖2所示，在添加小麥秸稈后前3 d，N₂O排放通量的變化范圍為-0.099 1～0.334 4 mg/（m²·h），在試驗后第4 d至第7 d N₂O排放通量的變化范圍為-0.072 7～0.086 0 mg/（m²·h）；在添加小麥秸稈后前3 d CH₄排放通量的變化范圍為-0.081 0～0.260 8 mg/（m²·h），在試驗第4 d至第7 d CH₄排放通量的變化范圍為-0.240 4～0.355 1 mg/（m²·h）。在試驗第1 d，N₂O排放通量整體呈上升趨勢，至次日03：00時達到1個峰值。在試驗第2 d的19：00和第3 d的15：00，N₂O的排放通量達到當日峰值，而后下降，大致呈現(xiàn)晝高夜低的現(xiàn)象。CH₄排放通量在試驗第1 d表現(xiàn)為波動上升趨勢，白天在07：00、15：00時出現(xiàn)明顯的排放峰，分別達0.260 8 mg/（m²·h）、0.241 5 mg/（m²·h），夜間的CH₄排放通量變化相對平穩(wěn)但始終維持在較高值；而在試驗第2 d、3 d的表現(xiàn)則與N₂O相反，排放峰分別出現(xiàn)在23：00、01：00，同時觀察到試驗第3 d的CH₄整體排放強度弱于試驗第1 d、2 d。在試驗第4 d至第7 d，N₂O排放通量的變化趨勢較為穩(wěn)定且未出現(xiàn)排放峰值；CH₄排放通量在試驗第7 d出現(xiàn)峰值，07：00-15：00間的排放通量為0.179 2～0.355 1 mg/（m²·h），而當日平均排放通量為0.166 8 mg/（m²·h），明顯高于試驗第4 d、5 d、6 d。

由圖3可以看出，N₂O集中在試驗第1 d的夜間、第2 d的白天排放，分別達到當日總排放量的72.3%、76.2%，而在試驗第3 d起日累積排放量就有明顯下降，而后始終保持在較低水平。其中，試驗第2 d白天的N₂O累積排放量顯著高于其他6 d。CH₄的日累積排放量在前2 d均呈晝低夜高的趨勢，夜間的CH₄累積排放量分別達到當日總排放量的95.4%、62.9%，而在試驗第3 d夜間累積CH₄排放量下降至負值；在試驗第7 d，CH₄的日累積排放量高達4.48 mg/m²，高于試驗第4 d、5 d、6 d這3 d的總和，占7 d白天CH₄總排放量的56.2%。

2.3 溫室氣體（N₂O、CH₄）排放的最佳觀測時間

在本研究中，N₂O、CH₄排放通量的矯正系數(shù)隨采樣次數(shù)的變化見圖4，N₂O、CH₄排放通量的矯正系數(shù)越接近1，則說明該時間段內(nèi)的氣體排放通量越接近其日平均排放通量。在試驗0～3 d（試驗初期），N₂O日累積排放通量的最佳觀測時間為15：00-19：00、01：00-03：00；CH₄日累積排放通量的最佳觀測時間為21：00-23：00。在試驗4～7 d，N₂O日累積排放通量的最佳觀測時間為09：00-11：00，CH₄日累積排放通量的最佳觀測時間為07：00-11：00。

3 討論

3.1 添加植物碳源材料對水體反硝化脫氮的影響

異養(yǎng)反硝化是去除水體硝態(tài)氮的重要生物化學(xué)過程，異養(yǎng)反硝化菌利用碳源作為電子供體將硝態(tài)氮還原成N₂O和N₂，最終實現(xiàn)水體氮的脫除^[14]。許多農(nóng)業(yè)廢棄物如小麥、水稻秸稈、木屑以及許多濕地植物如香蒲、水蔥等本身含有豐富的纖維素、半纖維素等，在纖維素分解菌的作用下可釋放出單糖和其他營養(yǎng)元素，亦可作為反硝化碳源^[15-17]。相較于簡單有機碳源，復(fù)雜有機碳化合物既能作為反硝化細菌生長代謝的物質(zhì)和能量來源，又可以作為生物的附著載體，為反硝化細菌提供穩(wěn)定的環(huán)境，從而提高反硝化細菌的數(shù)量和活性^[18]。Fu等^[19]將蘆竹和魚腥草混合作為外源碳添加到室內(nèi)模擬人工濕地裝置中，發(fā)現(xiàn)TN去除效率由33.78%提高到92.80%，并且顯著增加了亞硝酸鹽還原酶編碼基因nirS的數(shù)量，表明植物生物質(zhì)外源碳有利于促進反硝化細菌的生長繁殖，從而促進反硝化脫氮。本研究將小麥秸稈作為碳源用于增強水體中NO^-₃-N的去除，效果良好。模擬污水中的硝態(tài)氮含量在添加小麥秸稈后2 d即可降至0.02 mg/L。但是，雖然小麥秸稈可以有效減少硝態(tài)氮含量，但是小麥秸稈在添加初期分解過程中可能會釋放大量有機氮，導(dǎo)致模擬污水中的總氮含量升高，使得總氮去除效果變差，因此利用植物生物質(zhì)促進污水中硝態(tài)氮反硝化時要同時考慮植物碳源材料的特性并選擇合適添加量。

3.2 添加植物碳源材料對水體N₂O排放的影響

在低氧或厭氧條件下，反硝化細菌將硝酸鹽最終還原成氮氣需要經(jīng)過一系列還原反應(yīng)（NO^-₃→NO^-₂→NO→N₂O→N₂），其中N₂O作為重要的中間產(chǎn)物伴隨反硝化過程而生成^[20]。將植物碳源材料添加到污水中，其氧化腐解過程會消耗水體中的氧氣，有利于加速厭氧還原條件的形成，從而為微生物反硝化作用提供有利的環(huán)境條件。王正等^[21]的研究結(jié)果證實了這一點，他們發(fā)現(xiàn)植物殘體淹水后上覆水的溶解氧濃度在試驗前期比較低，第7 d開始出現(xiàn)緩慢上升。有研究發(fā)現(xiàn)，影響水體反硝化過程中N₂O釋放的主要因素有碳氮比、硝酸鹽濃度、溶解氧濃度、溫度以及碳源類型等^[22-23]。本試驗在模擬污水中添加小麥秸稈后，初期NO^-₃質(zhì)量濃度較高，N₂O排放主要集中在前2 d并在0～12 h逐漸增加達到峰值；此時NO^-₃-N不斷消耗，但是水中可溶性碳消耗得較慢，導(dǎo)致NO^-₂-N積累，該結(jié)果與翟曉峰等^[24]的結(jié)果一致。NO^-₃-N質(zhì)量濃度在第2 d降到較低水平，而后N₂O排放通量也維持在較低水平。N₂O排放通量存在晝夜差異，白天排放通量高而晚上排放通量低。不同地區(qū)、不同水文等條件下，溫室氣體的排放具有較大差異，董宏偉^[25]指出，中國綿陽地區(qū)丘陵農(nóng)田部分溝渠無外加碳源條件下的N₂O排放通量為0.001 2～0.441 5 mg/（m²·h），而Hasegawa等^[26]測定日本一處農(nóng)業(yè)區(qū)河流的N₂O排放通量最高值達到了56.5 mg/（m²·h）。因此綜合來看，本試驗添加秸稈后水體中N₂O排放通量略高于湖泊自然水體^[20]，但并未發(fā)現(xiàn)溫室氣體有明顯增加的風(fēng)險。

3.3 添加植物碳源材料對水體CH₄排放的影響

CH₄是在極端厭氧條件下由產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生的，植物碳源材料添加到污染水體中后其分解過程必然消耗大量氧氣，促進水體厭氧環(huán)境的形成，從而有利于水體中CH₄的產(chǎn)生和排放，同時植物生物質(zhì)分解產(chǎn)生的可溶性有機碳也可作為產(chǎn)甲烷前體促進水體中CH₄排放。本試驗對添加小麥秸稈后模擬污水的甲烷排放情況進行測定并揭示了其晝夜排放規(guī)律。王正等^[21]通過室內(nèi)模擬淹水試驗發(fā)現(xiàn)，蒼耳和鬼針草等植物殘體淹水后CH₄排放速率不斷增加并在第7～10 d達到峰值，第20～30 d時CH₄排放速率降至較低水平。陳敏等^[27]對湖北宜昌官莊水庫的CH₄排放情況進行了連續(xù)7 d的監(jiān)測，其CH₄排放通量為0.007～0.077 mg/（m²·h），6 d監(jiān)測期內(nèi)CH₄排放通量均未呈現(xiàn)一致的晝夜變化特征。本試驗中CH₄排放通量在前2 d呈現(xiàn)較為明顯的晝低夜高現(xiàn)象，第3～6 d排放通量為-0.287 6～0.534 2 mg/（m²·h），第7 d時有較高排放通量但仍低于董宏偉^[25]在溝渠中得到的排放通量[-0.04～44.8 mg/（m²·h）]的高值。

溫室氣體排放具有很大的時空差異性^[28-35]，因此在不同季節(jié)、不同地點等前提下，為最大程度保證觀測結(jié)果的準確性，應(yīng)選擇1 d中最具有代表性的時刻進行觀測。本試驗中，初期最佳觀測時間主要集中在夜晚，因此，考慮到整個試驗期內(nèi)矯正系數(shù)分布及實際采樣的難易程度，建議前3 d應(yīng)密集采樣，分別于9：00-11：00、17：00-19：00 2個時間段采集樣品并取均值，而中后期的采樣時間以9：00-11：00為最佳。

4 結(jié)論

本試驗探討了外加碳源對低污染水體在夏季高溫天氣下氮素的去除效果以及溫室氣體排放特征，結(jié)果表明：（1）外加小麥秸稈固體碳源對低污染水體中NO^-₃-N的去除率高達97.6%，對TN的去除率可達35.9%，具有良好的效果。（2）溫室氣體排放整體較為穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)大幅增排的風(fēng)險。N₂O排放通量具有明顯的晝高夜低趨勢；CH₄排放通量在試驗期內(nèi)出現(xiàn)多個峰值且以第7 d白天最高，試驗第1 d、第2 d夜晚的累積排放量高于白天。（3）矯正系數(shù)與采樣時間分布結(jié)果表明，在夏季高溫情況下，添加秸稈碳源水體后期（3 d后）的最優(yōu)觀測時間為9∶00-11∶00。

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（責(zé)任編輯：徐 艷）