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流域沟渠植草拦截农田氮磷入河污染的有效性研究

黄俣晴 陈婷婷 李勇 黄智刚 黎静宜 戴谅 王旭 郭豪 刘小梅 康振威

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流域沟渠植草拦截农田氮磷入河污染的有效性研究

    作者简介: 黄俣晴 E-mail: 624992443@qq.com;
    通讯作者: 李勇, E-mail:liyong@caas.cn ; 黄智刚, E-mail:hzg@gxu.edu.cn
  • 基金项目: 广西科技重大专项项目(桂科AA17204078);广西科技基地和人才专项(桂科AD17195098)。

Effectiveness of grass planting in drainage ditches to intercept nitrogen and phosphorus pollution from farmland into rivers

    Corresponding author: LI Yong, E-mail:liyong@caas.cn ;HUANG Zhi-gang, E-mail:hzg@gxu.edu.cn ;
  • 摘要:   【目的】  过度施肥与降雨径流的耦合作用引起大量氮磷从农田流失进入河道,导致河湖水体污染。在水土流失严重区,尤其是热带-亚热带集约化农业坡地,土层浅薄、蓄水性差,在降雨条件下所施肥料极易发生径流侵蚀流失,通过沟渠进入下游河湖水体,导致水体污染。如何控制这种水蚀型面源污染物从农田向河湖水体的输送愈来愈受到人们的关注,为此在流域下游沟渠构建植物拦截系统,评价其减少坡面氮磷入河污染的有效性,为水蚀型农田面源污染物的流域防控提供理论依据。  【方法】  本研究在广西客兰水库水源区那辣小流域,选择下游500米长的沟渠,该沟渠接收流域上游来水并直接输入水库,隔段种植当地优势植物狗牙根[Cynodon dactylon (L.) Pers]和象草(Pennisetum purpureum),以及引种植物香根草[Vetiveria zizanioides (L.) Nash] (南宁花鸟市场购买香根草子育苗移栽)。在13次降雨事件下分别采集沟渠入口和出口处的水样进行检测,用以研究面源污染防治效益。  【结果】  观测发现,与流域上游入口比较,下游植草沟渠输出水体中溶解态总氮(TDN)浓度由17.55 mg/L降至12.43 mg/L,NH4+-N由1.06 mg/L降至0.73mg/L−1,NO3-N浓度由15.10 mg/L降至10.92 mg/L,溶解态总磷(TDP)浓度由0.03 mg/L降至0.02 mg/L;植物对降雨事件下流域输入沟渠中的TDN、NH4+-N、NO3-N、TDP平均去除率分别为31.90%、27.92%、29.80%、31.02%。  【结论】  在热带和亚热带集约化径流农业流域,选择连接上游坡地与下游河湖水库的沟渠植草,可以对流域流失氮磷实施有效地拦截和去除,是一个简单、可行、有效的农业面源污染流域防控措施,值得推广应用。
  • 图 1  试验区布设示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of test area layout

    图 2  沟渠上游入口、下游出口处总溶解态氮(TDN)浓度的动态变化和去除率

    Figure 2.  Dynamic change and removal rate of total dissolved nitrogen(TDN)concentration in upstream and downstream water of the ditch

    图 3  沟渠上游入口、下游出口NH4+-N浓度的动态变化和去除率

    Figure 3.  Dynamic change and removal rate of NH4+-N concentration in upstream and downstream water of the ditch

    图 4  沟渠上游入口、下游出口中NO3-N浓度的动态变化和去除率

    Figure 4.  Dynamic change and removal rate of NO3-N concentration in upstream and downstream water of the ditch

    图 5  沟渠上游入口、下游出口中总溶解态磷(TDP)浓度的动态变化和去除率

    Figure 5.  Dynamic change and removal rate of total dissolved phosphorus(TDP) concentration in upstream and downstream water of the ditch

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-15

流域沟渠植草拦截农田氮磷入河污染的有效性研究

    作者简介:黄俣晴 E-mail: 624992443@qq.com
    通讯作者: 李勇, liyong@caas.cn
    通讯作者: 黄智刚, hzg@gxu.edu.cn
  • 广西大学农学院, 广西农业环境与农产品安全重点实验室, 广西南宁 530004
  • 基金项目: 广西科技重大专项项目(桂科AA17204078);广西科技基地和人才专项(桂科AD17195098)。
  • 摘要:   【目的】  过度施肥与降雨径流的耦合作用引起大量氮磷从农田流失进入河道,导致河湖水体污染。在水土流失严重区,尤其是热带-亚热带集约化农业坡地,土层浅薄、蓄水性差,在降雨条件下所施肥料极易发生径流侵蚀流失,通过沟渠进入下游河湖水体,导致水体污染。如何控制这种水蚀型面源污染物从农田向河湖水体的输送愈来愈受到人们的关注,为此在流域下游沟渠构建植物拦截系统,评价其减少坡面氮磷入河污染的有效性,为水蚀型农田面源污染物的流域防控提供理论依据。  【方法】  本研究在广西客兰水库水源区那辣小流域,选择下游500米长的沟渠,该沟渠接收流域上游来水并直接输入水库,隔段种植当地优势植物狗牙根[Cynodon dactylon (L.) Pers]和象草(Pennisetum purpureum),以及引种植物香根草[Vetiveria zizanioides (L.) Nash] (南宁花鸟市场购买香根草子育苗移栽)。在13次降雨事件下分别采集沟渠入口和出口处的水样进行检测,用以研究面源污染防治效益。  【结果】  观测发现,与流域上游入口比较,下游植草沟渠输出水体中溶解态总氮(TDN)浓度由17.55 mg/L降至12.43 mg/L,NH4+-N由1.06 mg/L降至0.73mg/L−1,NO3-N浓度由15.10 mg/L降至10.92 mg/L,溶解态总磷(TDP)浓度由0.03 mg/L降至0.02 mg/L;植物对降雨事件下流域输入沟渠中的TDN、NH4+-N、NO3-N、TDP平均去除率分别为31.90%、27.92%、29.80%、31.02%。  【结论】  在热带和亚热带集约化径流农业流域,选择连接上游坡地与下游河湖水库的沟渠植草,可以对流域流失氮磷实施有效地拦截和去除,是一个简单、可行、有效的农业面源污染流域防控措施,值得推广应用。

    English Abstract

    • 农业非点源污染是分布最广且最重要的污染来源之一,农业种植过程中的氮、磷通过农田渗透、地表径流、扩散等使得区域水体富营养化,对水体质量和生态系统造成了严重的威胁[1-2]。研究表明,我国的肥料利用率非常低,氮肥约为30%~35%、钾肥利用率为35%~50%,磷肥的利用率更低,仅为10%~20%,且我国农业面源污染氮、磷约占30%~60%[3-4]。大量污染物在降雨时通过地表径流进入沟渠,继而进入毗邻受纳河湖水库,污染水体。为此,研究农业面源污染防控措施具有非常重要的意义。

      农田排水沟渠系统为农田与水体过渡带,具有排水和生态湿地双重功效,是农田氮、磷等面源污染物的汇聚地[5],也是富营养化水体的营养物质输入源,且南方丘陵农作区主要的排灌设施为农田排水沟渠,约占总土地面积的3%[6]。传统的沟渠虽然能吸附氮、磷,但其蓄水性差,易发生水土流失[7-8]。目前,诸多学者致力于生态沟渠的研究,生态沟渠是一种可以从源头对农业流失养分实施高效处理的措施,由农田排水沟渠和其渠内所种植的植物组成。生态沟渠可通过沟渠拦截径流、过滤泥沙、阻碍污染物,植物滞留和吸纳氮磷,起到生态拦截氮、磷且净化农田水质的作用[9-12]。但其改造过程复杂、费时费力、成本高、运行难度大,难以大范围的推广应用。为此,针对南方热带-亚热带丘陵径流易发农业区,构建适宜的沟渠植草拦截系统,进行简单、可行、有效的农业面源污染流域防控显得尤为重要。

      甘蔗是全球重要的糖料作物,中国的甘蔗种植居世界甘蔗国家前三位。广西作为中国最大的甘蔗生产基地,产糖量占全国的70%左右[13]。与东南亚国家相同,甘蔗在广西主要种植在坡地上。随着糖料需求的日益增长,广西的规模化种植程度和施肥量迅速增加。通过近年对广西集约化蔗区小流域观测发现,由于规模化种植,包括小块地变大块地、道路扩增、排水沟渠建设及机械耕翻等人为活动,坡面侵蚀增加了2~3倍,道路侵蚀和沟渠侵蚀分别增加了88%和301%,流域溶解态和颗粒态入河氮磷均显著增加[14-18]。因此本研究以广西集约化蔗区为对象,选择客兰水库那辣小流域下游沟渠,构建坡地流失氮磷输入河湖水体的植物拦截系统,隔段种植多年生草本植物狗牙根、香根草、象草。狗牙根匍匐生长,耐水淹,繁殖力强;香根草根系发达且不易蔓延;象草产量高、分蘖强、适应性好,此三种草类植物能去除污水中氮、磷,且经济价值好,产量高、分蘖强、植株生长快,刈割可作为家畜的青贮饲料[19-22]。本研究在自然降雨形成径流的条件下对径流易发区的沟渠水体氮、磷污染物进行监测,分析沟渠水体中氮、磷污染物通过植草沟渠的拦截、吸收情况,旨在为减少这种水蚀型面源污染物从农田向河湖水体的输送,改善水质提供理论依据。

      • 本研究在广西壮族自治区崇左市扶绥县东罗镇的那辣小流域进行(107°39′29″~107°40′17″E,22°20′50″~22°20′36″N),试验地点位于客兰水库的上游。流域土壤类型为赤红壤,土质耕层薄,蓄水性差,土壤pH在4.7~5.2之间。土壤有机质含量普遍低于1%,总氮、总磷含量范围分别为0.09%~0.15%和0.03%~0.11%。该流域属于亚热带季风气候,年均降水量1146 mm,降水主要发生在3月至9月之间。2020年总降雨量为627 mm。污染物主要由田间径流产生。

      • 2020年初降雨量少的季节在那辣小流域选择连接流域上游与水库之间的沟渠,种植当地常见的植物狗牙根和象草及引进植物香根草。依据狗牙根植株低矮、匍匐蔓延的特性,种植采用分株移栽法,在流域内挖取狗牙根草皮,分株并移入沟穴中,用土压实;象草采用茎秆扦插的方法进行种植;香根草采用分株移栽法,分株后剪掉多余茎叶,移入沟穴并压实土块。根据赤红壤蔗区土层薄、蓄水性差的特点,为保证沟渠正常排水、防止涝害发生,本试验种植时三种草隔段搭配种植,依次为香根草、狗牙根、狗牙根、象草、象草、狗牙根、象草、香根草,共间隔种植8段,且间隔段为裸露地带(图1),沟渠总长度500 m。在上游上游支流入口处、下游出口处各设立了一个监测站,安装了自动取水和泥沙采样器(ISCO 6712,美国),以测量从上游到下游进入河流的径流量。2020年在每次降雨期间采集沟渠上游入口与下游出口处水样并测定其中的N、P浓度。

        图  1  试验区布设示意图

        Figure 1.  Schematic diagram of test area layout

      • 在降雨季,对试验区沟渠上游入口处和下游出口处水样进行监测。每月按降雨次数采集水样,断流时不采。塑料瓶用5%硫酸和去离子水预冲洗过后,每次降雨后在上游入口点和下游出口点各采集3瓶500 mL水样带回实验室,过0.45 μm滤膜后进行分析。水样测定指标主要包括可溶性总氮(TDN)、NH4+-N、NO3-N和可溶性总磷(TDP)。TDN采用碱性过硫酸钾氧化一紫外分光光度法测定;TDP、NH4+-N、NO3-N浓度采用iFLA7全自动多参数流动注射分析仪测定。

      • 使用Microsoft Excel 2010软件对数据处理后,用SPSS 21软件进行差异性分析。

        利用公式计算各养分浓度去除效率E(%)。

        $ E = \frac{{{C_{in}} - {C_{out}}}}{{{C_{in}}}} \times 100{\text{%}} $

        式中,$ {C_{in}} $$ {C_{out}} $分别为试验区沟渠上游入口养分浓度(mg/L)和下游出口养分浓度(mg/L)[23]

      • 图2可知,沟渠水体中的TDN浓度变化与降雨量大致呈反比关系。每次降雨事件,均是上游入口浓度高于下游出口处浓度。沟渠上游入口处水体中的TDN浓度为8.46~32.34 mg/L,平均浓度达到17.55 mg/L,最大值出现在4月6日,最小值出现在10月15日。沟渠下游出口TDN浓度介于5.78~24.40 mg/L,平均浓度为12.43 mg/L,最大值和最小值分别出现在4月6日和10月15日。以降雨次数作为重复,建立一般模型对沟渠入口与出口的TDN浓度进行多因素方差分析,发现沟渠上游入口TDN浓度显著大于下游出口处浓度(F=508.361,P < 0.01)。测量期间沟渠内植物对沟渠水体中TDN的去除率介于14.09%~46.20%,平均每次降雨的去除率为31.90%。水体从上游沟渠入口经过草类植物到达下游沟渠出口时,TDN浓度显著降低,说明植草沟渠对污染物有较好的去除效果,可以起到拦截作用。

        图  2  沟渠上游入口、下游出口处总溶解态氮(TDN)浓度的动态变化和去除率

        Figure 2.  Dynamic change and removal rate of total dissolved nitrogen(TDN)concentration in upstream and downstream water of the ditch

      • 图3可知,沟渠水体中的NH4+-N浓度变化与降雨量大致呈反比关系。每次降雨事件,均是上游入口浓度高于下游出口处浓度。沟渠水体中NH4+-N浓度从沟渠上游入口到下游出口明显降低,整体拦截效果较好。沟渠上游入口处NH4+-N浓度范围是0.23~3.16 mg/L,平均浓度为1.06 mg/L,最大值出现在5月17日,最小值出现在6月16日。沟渠下游出口处水体中NH4+-N浓度范围是0.15~2.39 mg/L,平均浓度为0.73 mg/L,最大值出现在5月12日,最小值出现在6月16日。对沟渠上游入口与下游出口处的NH4+-N浓度进行方差分析,发现上游入口NH4+-N浓度显著大于下游出口处浓度(F=37.677,P < 0.01)。降雨期间植物对沟渠水体中NH4+-N的去除率范围是17.65%~38.44%,平均去除率为27.92%。说明植草沟渠对沟渠水体中NH4+-N有一定的去除效果。

        图  3  沟渠上游入口、下游出口NH4+-N浓度的动态变化和去除率

        Figure 3.  Dynamic change and removal rate of NH4+-N concentration in upstream and downstream water of the ditch

      • 图4可知,沟渠水体中的NO3-N浓度变化与降雨量大致呈反比关系。每次降雨事件,均是上游入口浓度高于下游出口处浓度。沟渠上游入口中NO3-N浓度为7.25~30.53 mg/L,平均浓度为15.10 mg/L,最小峰值出现在10月15日,最大峰值出现在4月6日。沟渠下游出口处水体中NO3-N浓度为5.34~25.89 mg/L,平均浓度为10.92 mg/L,最小峰值出现在10月15日,最大峰值出现在4月6日。对沟渠上游入口与下游出口的NO3-N浓度进行方差分析,发现上游入口NO3-N浓度显著大于下游出口(F=253.331,P < 0.01)。降雨期间植物对沟渠中NO3-N的去除率范围为15.19%~39.26%,平均去除率为29.80%。沟渠水体从上游入口经过草类植物到达下游出口时NO3-N浓度明显降低,表明植草沟渠能够达到一定的拦截效果。

        图  4  沟渠上游入口、下游出口中NO3-N浓度的动态变化和去除率

        Figure 4.  Dynamic change and removal rate of NO3-N concentration in upstream and downstream water of the ditch

      • 图5可知,沟渠水体中的TDP浓度变化与降雨量有一定关系。每次降雨事件,沟渠下游出口TDP浓度相对于上游入口处浓度均降低。沟渠上游入口TDP浓度范围在0.02~0.05 mg/L,平均浓度为0.03 mg/L。沟渠下游出口TDP浓度范围介于0.02~0.03 mg/L之间,平均浓度为0.02 mg/L。对沟渠上游入口与下游出口的TDP浓度进行方差分析,发现上游入口TDP浓度显著大于下游出口(F=95.541,P < 0.01)。降雨期间植物对沟渠水体中TDP的去除率范围是21.14%~36.36%,平均去除率为22.94%。说明植草沟渠对沟渠水体中的TDP同样有较好的去除效果,可以达到拦截污染物的效果。

        图  5  沟渠上游入口、下游出口中总溶解态磷(TDP)浓度的动态变化和去除率

        Figure 5.  Dynamic change and removal rate of total dissolved phosphorus(TDP) concentration in upstream and downstream water of the ditch

      • 沟渠植物主要以其拦截、吸收功能将沟渠水体中的泥沙和氮、磷污染物截留在沟渠内,抑制污染物随水体沿沟渠向下游的河湖水库输入,从而达到净化水质、保护水环境的效果[24, 25]。沟渠中隔段种植草本植物,在保持雨季正常排水、防止涝害发生的同时,能够减缓沟渠水体的流动速度,在此过程中经过颗粒物的沉淀、沟渠底泥的吸附等作用均可以有效的拦截和减少水体中的污染物[7,26]。此外,植物通过增加泥沙、氮、磷的滞留时间,加速水体中的氮、磷交换和传递、根系吸收水体及沟渠中的养分,供自身生长的同时把养分固定在植物中等机理减少了水体中的氮、磷浓度[27-28]

        氮、磷是植物生长所需的大量营养物质,植物在生长过程中对氮、磷的吸收、固定能力强。本研究观测发现,相比于流域上游沟渠入口,沟渠水体中每次降雨的TDN浓度平均从17.55 mg/L降至12.43 mg/L,去除率达到31.90%;TDP浓度由0.03 mg/L降至0.02 mg/L,去除率为31.02%。水从沟渠上游入口经过植草沟渠到达下游出口时,污染物的浓度明显降低,这与前学者[29-31]提出的水层和底泥中的氮、磷可以通过植物根系吸收并输送到茎、叶等组织,最终转化成自身的结构和组成物质相关。此外,茂密的植株和发达的根系同样可以增加与水体的接触面积,形成一道密集的过滤层对悬浮颗粒及氮、磷污染物产生吸附、阻留和加速沉降的作用,防止其随水流进入毗邻受纳水体[32-33]。且适时的将沟渠中的植物刈割,降低水体中氮、磷浓度,净化水质的同时可用作家畜的饲料,增加了农民的收益,本研究沟渠所植狗牙根、香根草、象草所产生的效果与前学者的研究结果相一致[5,34-35]

        本研究结果中NH4+-N由1.06 mg/L降至0.73 mg/L,去除率为27.92%;NO3-N浓度由15.10 mg/L降至10.92 mg/L,去除率为29.80%。因植物促进了有机氮转化为NH4+-N的矿化作用,再通过硝化细菌将NH4+-N转化为NO3-N,而厌氧状态下反硝化细菌将NO3-N可反硝化为氮气,最终达到除氮的效果[36-37]。研究发现有植物的湿地系统细菌高于无植物的系统,且根系分泌物可促进一些嗜氮、磷菌的生长,加速水体中氮磷的转化[38-40],提高净化速率,与本研究中植草沟渠使得NH4+-N、NO3-N浓度降低的拦截机理相一致。

        在监测期间,本研究所述植草沟渠对沟渠水体中TDN的去除率先升高,5月份达到最大值以后趋于稳定值;对沟渠水体中的TDP的去除规律不明显,但大部分降雨事件中去除率平稳在30%左右。植草沟渠的去除效果低于前人所设置的生态沟渠的去除效果,可能原因是上、下游沟渠之间或有坡面径流汇入沟渠,导致所检测到的氮、磷污染物的去除率低于沟渠的实际去除率,也可能与沟渠所种植物有一定的关系,具体原因还需进一步探究。

      • 沟渠植草对控制水蚀型面源污染物从农田向河湖水体输送有着较好的效果,各污染物浓度从沟渠上游入口至下游出口均显著降低,在水土流失严重区,尤其是热带-亚热带集约化农业区连接上游坡地与下游河湖水库的沟渠内植草,在确保防洪排涝的同时,可以对流域流失氮磷实施有效的拦截和去除,达到净化水质的作用,是一个简单、可行、有效的农业面源污染流域防控措施,值得推广应用。

    参考文献 (40)
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