生态沟渠对氮、磷污染物的拦截效应研究

摘要：随着人口增长和工业化进程加快，城市和农村地区的水体污染问题显著加剧，其中氮、磷等营养盐的过度排放成为主要问题之一，传统的污水处理设施难以完全消除氮、磷污染物，因此寻找更为有效的生态治理手段成为当务之急。生态沟渠作为一种新型的生态修复技术，以其具有的生物吸附、沉降、植物吸收等机制，在水体污染治理中展现出巨大的潜力，dan1生态沟渠对氮、磷污染物的拦截效应及其具体作用机制仍需进一步研究和实践。为了确定生态沟渠对内源和外源氮磷转移的拦截作用，本文建立了一个植物与基质坝相结合的生态沟渠，以此探讨氮磷在生态沟渠底部和土壤沟底部间歇水和上覆水中的传输分布特征，并对生态沟渠和土壤沟渠沿线微生物群落的组成特征进行了比较分析，以此判断生态沟渠对氮、磷污染物的拦截效应。

关键词：生态沟渠；氮、磷污染物；拦截效应

随着点源污染管理水平的提高，以氮、磷为特征的农业非点源污染已成为水环境污染的首要来源，氮（N）和磷（P）管理是指减少其外部输入以及沉积物中的氮和磷。相关研究表明，河湖湿地间隙水中的氮、磷与上覆水之间的养分交换非常强烈。即使外部氮和磷含量可能得到控制，农田排水沟中的富营养化仍在继续发生，这主要是由沉积物中N和P的持续释放引起的，这被称为内生释放。因此，抑制内生N和P向农田沟渠底部的释放对于减少农业非点源污染至关重要。

1 生态沟渠对氮、磷污染物的拦截效应原理

生态沟渠作为一种典型的线性湿地，提供了沉积物间隙水和上覆水中N和P之间的交换功能，沉积物中丰富的N和P向上覆水体迁移，这是造成沟渠内N和P污染的主要原因。我国学者基于大时间跨度的静态试验或单样本监测结果，对生态沟渠沉积物、间隙水和上覆水中的N和P污染物浓度进行了相关研究[1]。生态沟渠的生态改造可以创建生态沟渠，有效去除农业非点源氮磷污染。此外，生态沟渠和基质坝中的微生物在氮和磷的截留和净化中发挥着重要作用，对生态沟渠渠中微生物和基质坝的微观形态以及沟渠间隙水和上覆沉积物中氮磷污染的微观传输特征进行了合作研究。本研究的总体目标是了解生态沟渠对内外氮磷污染物迁移的拦截作用，试验的具体目的是：（1）研究在连续均匀入流的动态条件下，沉积物间隙水与土壤和生态沟渠渠中上覆水之间不同形态氮、磷污染物的迁移和分布特征；（2） 通过考察生态沟渠中基质坝吸附基质的微观形态以及生态沟渠和土壤沟中沉积物的微生物群落结构，进一步揭示内外氮磷污染迁移在生态沟渠中的动态拦截效应。

2 生态沟渠对氮、磷污染物的拦截效应试验

2.1沟渠模型施工

由于N和P的拦截受不同因素的影响，天然排水沟在拦截N和P方面存在相对巨大的差异，为了提高传统沟渠对氮、磷的截留和净化效果，有必要进行生态改造，建立包括相应植物、微生物、土壤、基质等在内的生态沟渠系统。笔者设计了一个典型的植物-基质坝相结合的生态沟渠的试验模型，并研究了氮和磷的拦截和去除效果，选取福建省平和县津南区黄金村清淤+生态沟渠为模型原型。由于水流主要受重力影响，笔者应用弗劳德定律确定了沟渠的大小，并选择了吸收污染物能力较好的水生植物炉甘石、石竹、蒲草和芦苇，并选择了一种天然沸石基质来建立生态沟渠的植物－基质联合试验模型，详见图1、图2[2]。沟底泥沙取自晋南区小站的稻田排水沟，生态沟渠中不同植物的交界处有三个矩阵坝，在此期间，为其提供充足的通风和光线，以确保植物正常存活。

2.2实验设计

沟渠模型采用两个供水罐和水泵交替稳定运行，实现连续供水，进水流量由玻璃转子流量计控制，出口设置三角堰，以控制试验期间沟渠中的水位，排水口与下水道的排水管相连。由于稻田现场沟渠为一级排水沟，农田排水主要通过溢流方式进入排水沟，因此该生态沟渠模型采用了沿途均布的进水方式。沿途以相等的间隔设置了四个采样点，分别位于不同的厂区，详见图3。

2.2.1盲沟试验设计

空白沟渠是指没有植物和基质坝的沟渠模型，只填充现场土壤（以下简称土沟渠）。根据稻田的实际监测结果，试验水中NO3−-N、NH4+-N和P的平均浓度分别为1 mg/L、5 mg/L和0.5 mg/L，水流量控制在300 L/h。配置氮和磷污染物的试剂是硝酸钾、磷酸二氢钾和氯化铵。为了恢复生态沟渠的实际状态，在测试前将农田水浸泡了大约20天。试验期为六天；考虑到植物和一些微生物在白天和晚上的不同生长条件，在上午9点和晚上9点从沟渠沿线的四个采样点采集了覆盖水、间隙水和沉积物的样本，以监测不同形式的N和p污染物的浓度，每次取三组平行样本；笔者对实验第六天采集的沉积物样品中的微生物进行了测序。

2.2.2生态沟渠试验设计

构建植物与基质坝相结合的生态沟渠试验模型，生态沟渠试验的水质、流量和取样时间与空白试验相同。同时，对实验第六天采集的沉积物样品中的微生物进行测序，并取沸石坝基质进行微观形态观察。

2.3.样品采集与分析

2.3.1.水和沉积物中氮和磷监测样品的收集和分析

个采样点，同时采集250 mL上覆水和1000 g沉积物，并测量溶解氧含量和pH值。笔者从水面以下5cm的未扰动沟渠中抽取250 mL的上层水，将其转移到预先清洁的250 mL聚乙烯瓶中，然后将已经收集的沟渠底部泥浆放入聚乙烯袋中。笔者使用Oxi3310（Xylem，Rye Brook，NY，USA）手持式溶解氧计测量溶解氧含量，同时使用BPH-610CK便携式pH计测量pH。在实验室中立即测量所获得的上覆水和沉积物中各种类型的N和P污染物的含量。沉积物样品经过自然干燥和研磨；TN用凯氏定氮法测定，TP用酸溶液法测定。将部分沉积物样品加入聚乙烯离心管中，以3000 r/min离心20分钟。上清液通过0.45μm滤膜过滤，获得间隙水样，水样检测指标为DTN、DTP、NH4+-N和NO3--N。分析方法采用第四版《水和废水监测与分析方法》标准方法。对于DTN，笔者使用碱性过硫酸钾消化紫外分光光度法。对于NH4+-N，笔者采用奈斯勒试剂分光光度法测定含量。采用紫外分光光度法测定NO3−-N。采用钼蓝比色法测定DTP。

2.3.2.沸石基质样品的收集和分析

在测试期的第六天，笔者取200g沸石坝基质，并使用Nanosem430扫描电子显微镜（FEI公司，Hillsboro，OR，USA）在不同放大倍数下观察干燥的沸石坝样品的微观形态[3]。

2.3.3微生物样品的收集和分析

在试验期间的第六天，笔者从土壤沟和生态沟渠的每个采样点采集沉积物中的微生物样本，并使用消毒的竹勺将样本放入无菌的拉链储物袋中。利用Illumina平台的高通量测序技术，分析了土壤沟底和生态沟渠底的微生物群落结构特征。生态沟渠微生物监测采样点1（黄炉甘草种植区）、2（香蒲种植区），3（芦苇种植区）和4（钩藤种植区）分别指定为黄炉甘草根际、香蒲根际、芦苇根际和钩藤根际底泥；土壤沟相应的4个土壤微生物监测采样点分别命名为黄菖蒲非根际、蒲草非根际，芦苇非根际和蜀葵非根际底泥。由此可知，生态沟渠对农业排水进行异位处理，有效减少氮、磷等物质的排放，农田排水化学需氧量、总氮、总磷分别可减少20%以上，对进一步提升水环境和实现农业健康可持续发展有积极作用。

结语

综上，在确保排水沟渠排涝、排渍或防治土壤盐碱化等功能基础上，采用节制闸坝、拦水坎等辅助性工程和水生植物、生物浮床等生物措施，对氮磷等物质进行有效拦截、吸附、沉积、转化、降解以及吸收利用，实现化学需氧量、总氮、总磷分别减少20%、30%和30%以上的目标，从而达到控制养分流失、实现养分再利用、减少水体污染等目的。

参考文献

[1]徐义军，陈志，孟岑.生态沟渠植物群落特征及氮磷污染物拦截效果研究[J].陕西水利，2021，（02）：110-111+115..

[2]游海林，吴永明，刘丽贞，等.生态沟渠对农村小流域面源污染物的拦截效应研究[J].环境科学与技术，2020，43（04）：130-138.

[3]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.

项目基金：福建省河湖截污沟设计规范及河湖缓冲带、人工湿地水质净化工程建设要求；福建省环保科技计划项目（2022R019）

作者简介：陈宸（1990年10月-），男，汉族，福建三明，硕士研究生，工程师，研究方向：饮用水源保护、水环境污染防治

陈臻烨（1992年3月-），女，汉，福建福州，硕士研究生，工程师，研究方向：饮用水源保护、水环境污染防治

夏海芳（1979年6月-），女，汉，福建寿宁，本科，高级工程师，研究方向：饮用水源保护、水环境污染防治。