（水文学及水资源专业论文）沟渠湿地对农业非点源污染物的截留和去除效应.pdf

摘要 农业非点源污染物是引起地表水富营养化的主要因素，湿地能通过吸附、沉 积、植物吸收、微生物转化等作用有效截留和去除非点源污染物。长江下游水稻 一小麦轮种区沟渠湿地呈网络状密集分布，是降雨径流和农田排水的首要汇聚地， 我们对污染物在沟渠湿地中迁移转化的机理还知之甚少，本文分析了： 1 有机质、n 、p 在沟渠湿地底泥中的累积效应 芦苇( p h r a g m i t e sc o m r b u l , l 神和茭革( z i z a n i at a t i f o t i a ) 湿地底泥对有机质、t n 、 t p 有持留和累积作用。4 0 c m 以下深度的底泥中沉积了远较农田高的有机质和 t n ，t p 在芦苇和茭草湿地底泥中的含量均高于处于相同层次的土壤中的含量。 2 降雨径流和农田排水中非点源污染物进入沟渠湿地后的变化特征 降雨径流和农田排水中的c o d 、t n 、n 地+ - n 进入湿地后，浓度均显著降 低，证明湿地对非点源污染物有很好的截留和净化效果。湿地水中的n 0 3 - - n 浓 度从没有超过1 5 m g l ，不存在污染的潜在危害性。6 - 9 月频繁的降雨和水稻田 排水，造成湿地水中t p 浓度上升。由于水生植物死亡分解，c o d 在冬季和初春 浓度高，有很大的污染性。 3 污染物在沟渠湿地底泥中的转化率 湿地有机质的主要来源是芦苇和茭草残株的分解。从2 0 0 2 年1 2 月- 2 0 0 3 年 3 月，芦苇和茭草残体分解期间湿地底泥有机质的矿化率分别为5 1 3g m 3 d 和 1 4 2 0 9 m 3 d 。芦苇未收割区和收割区的反硝化率分别为2 3 5 m g r n 3 d 和 2 2 7 m g m 3 d ，茭草底泥的反硝化速率为2 1 4 r a g 一d 。 4 有机质与t n 、t n 与p h 值的相关关系 芦苇和茭草湿地底泥中的有机质和全氮之间的相关性非常显著，相关系数分 别为0 9 6 5 3 ( n - 2 7 ) 和o 9 1 0 2 ( 1 1 = 1 9 ) 。证明全氮的主要成分是有机氮。有机氮在氨 化、硝化过程中，会释放出 f + ，引起环境p h 值下降，两者有明显的负相关关系， 在芦苇和茭草湿地的相关系数分别为一0 8 1 8 1 ( n - - 2 7 ) 和0 6 9 3 2 ( 1 1 = 1 9 ) 。 5 芦苇收割和未收割区底泥及水体中污染物的变化规律 芦苇收割2 0 天以后，水中的有机质和t n 浓度分别为2 1 3 3 m g l 和1 0 4 m g l ， 均低于未收割区水体中的浓度。2 个月以后，收割区底泥0 - 2 0 c m 深度范围内有 i i 机质、t n 、t p 含量明显下降，收割改善了湿地的通风、透气条件，促进了氨化 和硝化作用的发生，使底泥中n h 4 + - n 和n o , 。n 含量上升。 6 水生植物对n 、p 的吸收能力及二次污染的防治措旄 每年秋季芦苇收割以后，可带走8 1 8 k g h m 2 的n 和1 0 3 6k g h m 2 的p ，茭草 可带走1 3 1k g h m 2 的n 和2 8 9k g h m 2 的磷，茭自带走2 0 0 k g h m 2 的n ，2 1 i k g h m 2 的p 。虽然野生芦苇和茭草对n 、p 有很好的吸收能力，但它们的利用价值低。 茭白是一种蔬菜，在沟渠湿地中人为种植，可取得很好的净化效果，农民会主动 回收，解决植物的二次污染问题。 科学合理地利用沟渠湿地的截留、转化、吸收等能力，可有效降解非点源污 染物，并取得很好的经济效益。 关键词：沟渠，湿地，非点源污染物，有机质，氮，磷，挺水植物，截留和去除 效应 i l l a b s t r a c t n o n p o i n tp o l l u t a n t s f r o ma g r i c u l t u r a ls o u r c e sa r em a j o rc a u s eo fs u r f a c e w a t e r e u t r o p h i c a t i o n ，w h i c h c a l lb e t r a p e d a n dr e m o v e db ya d s o r p t i o n ，s e d i m e n t a t i o n ， a s s i m i l a t i o n ，a n dm i c r o b ed e c o m p o s i t i o no f w e t l a n d s t h e d i t c h e sa r et h ef i r s tp o o lo f d i f f u s en u t r i e n t s 丘d mr a i nr u n o f f a n df i e l dd r a i n a g e ，a n da r cs h a p e d t oan e tw o r ki n t h ea r e ao f t h el o w e rr e a c h e so f t h ec h a n g j i a n gr i v e rw h e r et h ec u l t i v a t i o nm a n n e r o f f i e l d sa r er o t a t i o no fr i c ea n dw h e a t n o ww eh a v el e a m tl i t t l ea b o u tt h em e c h a n i s m s o fp o l l u t a n t st r a s p o r ta n dt r a n s f o r m a t i o ni nd i t c hw e t l a n d s t h ef o l l o w i t t gq u e s t i o n s h a v e b e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r 1 t h er e t e n t i o na n da c c u m u l a t i o no fo r g a n i cm a t t e r s ，na n dpi ns e d i m e n to f w e t l a n d s t h ec o n t e n t so fo r g a n i cm a t t e r sa n dt n ( t o t a ln i t r o g e n ) a r eh i 曲e ri nt h el a y e r s b e l o w4 0 e mi nr e e d ( p h r a g m i t e sc o m m u n i s ) a n dw i l dr i c e ( z i z a n i al a t i f o l i a ) w e t l a n d s e d i m e n t s c o m p a r e d w i t l lt h a ti nt h es a n l el a y e r so ff i e l ds o i l t p ( t o t a lp h o s p h o r u s ) h a sa c c u m u l a t e di nt h ew h o l e l a y e r so f s e d i m e n t s f r o ms u r f a c et o1 0 0 c m 2 t h ev a r i a t i o no f n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t a n t sa f t e ri n p u tt ow e t a l n d s 、珩t l lr a i n n m o f f a n df i e l d sd r a i n a g e t h ec o n c e n t r a t i o n so fc o d t na n dn h 4 + - na r ed e c r e a s e da f t e ri n p u tt ow e t a l n d s w i mr a i nr u n o f fa n df i e l d s d r a i n a g e i tm e a q s t h a tw e t l a n d sh a v et h e a b i l i t yo f r e n t e n t i o na n dp u r i f i c a t i o no fn o n - p o i n ts o u r c e p o l l u t a n t s t h e c o n c e n t r a t i o no f n 0 3 。- ni sn e v e re x c e e d e d1 5m e l , t h e r ei sn op o l l u t i o np o t e n t i a lo f i ti nr e e da n d w i l dr i c ew e t l a n d s t pi sr i s ew i t hh i 。曲f r e q u e n c yo fr a i n f a l la n df i e l dd r a i n a g ef r o m j u n et o s e p t e m b e r t h ed e c o m p o s i t i o n o f h y d r o p h y t e r e s i d u al e dt o h i g h c o n c e n t r a t i o no f c o di nw i n t e ra n dt h es t a r to f s p r i n g 3 t h et r a n s f o r m a t i o nr a t eo f p o l l u t a n t si ns e d i m e n t t h em a i ns o u c co f o r g a n i cm a t t e r so f w e t l a n d si st h er e s i d u ao f r e e da n dw i l dr i c e f r o md e c e m b e ro f2 0 0 2t om a r c ho f 2 0 0 3o u s tt h ed e c o m p o s i t i np e r i o do fw a t e r p l a n t s ) ，t h em i n e r a l i z a t i o nr a t e so fo r g a n i cm a t t e r sa r e51 3 9 m 5 di nr e e ds e d i m e n t s a n d1 4 2 0 9 m j di nw i l dr i c es e d i m e n t t h ed e n i t r i f i c a t i o nr a t e si nr e e ds e d i m e n t so f t h en o n h a r v e s t e da n dh a r v e s t e d p l o t sa r e2 3 5 m g m 3 da n d2 2 7 m g m 3 dr e s p e c t i v e l y , a n di nw i l dr i c es e d i m e n ti s2 1 4 m g m 3 d 4 t h ec o r r e l a t i o n o f o r g a n i cm a t t e r s ，t na n dp h v a l u e i v t h ec o r r e l a t i o no f o r g a n i cm a t t e r sa n dt n i ns e d i m e n t si sh j 曲s i g n i f i c a n t ，w i t h o 9 6 5 3 ( n = 2 7 ) c o e f f i c i e n ti n r e e dw e t l a n da n do 9 1 0 2 ( n = 1 9 ) i nw i l dr i c e t h i s t e s t i f i e dt h a tt h em a i n c o m p o s i t i o n o ft ni s o r g a n i c n i nt h e p r o c e s s o f a m m o n i f i c a t i o n ，n i t r i f i c a t i o no fo r g a n i cn ，矿w i l lb er e l e a s e d ，w h i c hc a u s e st h ed r o p o f p h v a l u e t h e r ei ss i g n i f i c a n tn e g a t i v e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t na n d p h v a l u e t h e c o e f f i c i e n t so ft na n dp hi nr e e da n d 耐l dr i c es e d i m e n t sa r e 一0 8 1 8 1 ( n = 2 7 ) a n d o 6 9 3 2 ( n = 1 9 ) r e s p e c t i v e l y 5 t h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fp o l l u t a n t si nh a r v e s t e da n dn o n h a r v e a t e d s e d i m e n t so f r e e dw e t l a n d s t w e n t yd a y sa f t e rt h eh a r v e s to fr e e d ，t h ec o n c e n 仃a t i o no fo r g a n i cm a t t e r s ( 2 1 3 3 m g 几) a n dt n ( 1 0 4m l ) i sl o w e rt h a nt h a ti nn o n h a r v e s t e dp l o t t h ec o n t e n t so f o r g a n i cm a t t e r s ，t na n dt pi ns e d i m e n tl a y e rf r o m0 - 2 0 e r aa l s od e c r e a s e da f t e r2 m o n t h so fh a r v e s t e d ，b u tn h 4 + - na n dn 0 3 ni n c r e a s e dd u et ot h ea m e l i o r a t i o no f t r a n s p e r a n c y a n d a e r a t i o n ，w h i c ha c c e l e r a t e da n l r f l o n i f i c a t i o na n dn i t r i t i c a t i o n 6 t h ea s s i m i l a t i o n a b i l i t yo fna n dpb yh y d r o p h y t ea n dp r e v e n t i o no ft h e s e c o n d & r yp o l l u t i o n t h er e e 乱w i l d r i c e a n d z i z a n i ac a d u c i f i o l at u r e zh a n d - m a z tc a n r e n l o v e8 1 8 k g h r n 2 ，1 3 1k g r n m 2a n d2 0 0 k g h m 2 o fna n d1 0 3 6 k g h m 2 2 8 9k g h m 2a n d 2 1 1 k g h m 2o fpr e s p e c t i v e l yf r o mw e t l a n da f t e rh a r v e s t e de a c hy e a r e v e nt h o u g h r e e da n dw i l dr i c eh a v eg o o d a s s i m i l a t i n ga b i l i t yo f na n d p t h e y h a v el o wv a l u ei n u s e h o w e v e r , zc a d u c i f o r ai sak i n do f v e g e t a b l e ，t h ep l a n t i n go f i tt or e p l a c er e e d a n dw i l dr i c ei nd i t c h e sc a l ln o to n l ya b s o r bna n d p ，b u ta l s ob r i n ge e o m o m i cb e n e f i t f o rf a r m e r sa n d p r o m o t e t h ea c t i v er e a po f t h e m t h er e a s o n a b l eu t i l i z a t i o no fd i t c hw e t l a n d s f o rt h e i r c a p a c i t y o fr e t e n t i o n ， t r a n s f o r m a t i o na n da b s o r b t i o no fn u t r i e n t sc a nb ea ne f f e c t i v et o o l i n r e d u c i n g a g r i c u l t u r a lp o l l u t a n t sl o a d i n g t os u r f a c ew a t e ra n df o r a t t a i n i n ge c o n o m i c b e n e f i t k e yw o r d s ：d i t c h ；w e t l a n d ；n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t a n t ；o r g a n i cm a t t e r s ，n i t r o g e n ， p h o s p h o r u s ，h y d r o p h y t e ；r e t e n t i o n a n dr e m o v a le f f e c t v 摘要 刖吾 非点源污染已成为世界各国水环境的一大主要污染源。在我国，随着对点源 污染控制及治理能力的提高，非点源污染已成为影响水体环境质量的一个重要因 素，过量使用化肥是产生非点源污染的主要原因。非点源污染来源于非特定的地 点，与土壤的侵蚀程度、化肥、农药的使用量、农业耕作方式、地质地貌、区域 降水过程等密切相关，因此，和点源污染相比，非点源污染危害规模大，且难以 监测和控制。湿地作为农田与水体之间的一个过渡带，能够通过土壤吸附、植物 吸收、生物降解等一系列作用，降低进入地表水中的氮、磷化合物的含量。长江 下游是水稻种植区，为满足灌溉和排水的需求，这一地区农田分布着纵横交错的 沟渠湿地。沟渠即是农业非点源污染物的最初汇聚地，又是河道和湖泊营养盐的 输入源。目前，对氮和磷在沟渠湿地中转化和去除的机理研究几乎还是空白，也 没有防治湿地植物产生二次污染问题的有效方法。本文的目的是研究沟渠湿地对 农业非点源污染物的截留和去除能力，分析影响沟渠湿地氮磷转化的相关因子， 探讨合理利用和有效去除湿地植物的方法。 本文研究的创新点为：( 1 ) 监测分析了非点源污染物( 有机质、t n 、t p 、 n i 五+ - n 、n 0 3 。一n ) 在自然沟渠湿地底泥中的累积和净化效应。( 2 ) 确定在冬季 和初春低温条件下，沟渠湿地0 - 1 0 0 c m 深度底泥中有机质的矿化率，硝态氮在底 泥和水体中的反硝化速率及截留和去除磷的反应常数。( 3 ) 研究了沟渠湿地芦苇 收割和未收割区底泥和水体中有机质、t n 、t p 、n 磁+ - n 、n 0 3 - n 分解转化的差 异。( 4 ) 通过实验发现湿地底泥中有机质与t n 、t n 与p h 值之间的相关性。( 5 ) 提出以经济植物替代野生植物净化非点源污染物，消除水生植物二次污染的有效 方法。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：盖矍丝呼年，月p 日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：羔望丝3 。一产年占月髟日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 农业非点源污染是指人们在从事农业耕作活动时，由于使用化肥、农药，以 及农田水土流失而引起受纳水体( 如河流、湖泊、水库、海湾等) 的污染 1 】。非 点源污染已成为世界各国水环境的一大主要污染源1 2 】，非点源污染中的主要污染 物质是氮、磷营养元素，在美国6 0 的水环境污染是由非点源污染造成的；丹麦 2 7 0 条河流中9 4 的氮负荷、5 2 的磷负荷来自于非点源污染；荷兰来自于农业 非点源的总氮、总磷分别占水环境污染总量的6 0 和4 0 - 5 0 3 1 。因此，在北 美和西欧，非常重视非点源污染的研究和防治。在我国，随着对点源污染控制及 治理能力的提高，非点源污染已成为影响水体环境质量的一个重要因素。我国农 田的氮肥使用量居世界首位，过量使用化肥是产生非点源污染的主要原因。太湖 流域的化肥使用量己从8 0 年代中期的4 0 0k g h m 2 增加到9 0 年代末的8 0 0k g h m 2 “1 ，几乎翻了一番，而氮肥的利用率只有2 5 - 3 5 “，当季使用的氮肥有2 0 - 2 5 将随降雨径流和渗漏排入地表水“”。旋入农田中的磷肥，作物利用率仅为 1 0 - 2 0 【8 1 】，5 0 - 6 0 被土壤颗粒所固定，其余的随降雨径流排入沟渠。长期大 量施用磷肥，导致耕层土壤处于富磷状态，在降雨冲刷和农田排水的情况下就会 加速磷向水体的迁移。据联合国粮农组织1 9 9 3 年统计，我国农田磷素进入水体 的通量为1 9 5k h m 2 ，比美国高8 倍【1 0 】。 我国地表水污染物中，非点源污染占很大比重，湖泊5 0 以上的氮及3 0 以上的磷来自于农业非点源污染，如太湖，农业非点源氮量占入湖总氮量的7 7 ， 磷占3 3 4 【1 1 。氮、磷污染引起的湖泊富营养化现象十分严重，据对我国2 5 个 湖泊的调查，水体全氮无一例外超过了富营养化指标，9 2 的湖泊超过全磷富营 养化的临界值( 0 0 2 m g l ) f 1 2 】。江苏境内的大一中型湖泊基本上都处于中一富营 养化水平。由化肥、水土流失等引起的水库的富营养化程度也正在加快。 非点源污染来源于非特定的、分散的地区，与土壤的侵蚀程度、化肥、农药 的使用量、农业耕作方式、地质地貌、区域降水过程等密切相关，因此，和点源 污染相比，非点源污染危害规模大，且难以监测和控制。 第一章绪论 湿地作为农田与水体之间的一个过渡带，能够通过土壤吸附、植物吸收、生 物降解等一系列作用，降低进入地表水中的氮、磷化合物的含量【l 卜”】。根据 p e t e r j o h n 和c o r r e l l ( 1 9 8 4 ) 【”1 的研究结果，农田与水体问5 0 米宽的沿岸植被缓 冲带能减少进入地表水8 9 的氮和8 0 的磷。巴西的皮拉西卡巴的e n g e n h o 湿 地对磷、硝酸盐和氨的去除率分别达到9 3 、7 8 和5 0 t 1 8 。c h e s c h e i r 掣1 9 1 通 过模型研究表明湿地可以净化7 9 的总氮、8 2 的硝酸盐氮、8 1 的总磷。所以， 湿地在去除农业非点源污染方面是一个简单而有效的工具【1 ”，而且费用低廉，例 如，在瑞典计划把进入波罗地海的氮量负荷减少5 0 ，r o s e n b e r g 等【2 0 】估计，每 减少l k g 进入波罗地海的氮，利用沿海的湿地需要0 6 美元，用补救的农业措施 需1 9 - 5 3 4 美元，而通过污水处理厂减少城市废水中7 5 的氮需要1 5 乱3 1 2 美 元。另外，从生态学观点来看，输入到湿地中的氮、磷营养物可被植物吸收，促 进如芦苇、蒲草、灯心草等水生维管束植物的生长和发育，为保护生物多样性， 改善流域生态景观起到积极的作用。因此，从经济学和生态学的角度，湿地生态 系统已是世界上很多国家认可的控制水环境污染的有效工具。 我国的湿地总面积为6 5 9 4 x 1 0 5 k m 2 ，居世界第四位，占国土面积的6 5 【2 1 ， 因此，在我国有充分利用湿地资源去除农业非点源污染的巨大潜力。研究湿地生 态系统对氮、磷化合物的去除能力，可以分析在不改变现有的农药、化肥使用量 和农田管理水平的条件下，湿地在减轻地表水富营养化方面所发挥的作用。 长江下游地区农业的主要栽培措施是小麦( 或油菜) 水稻轮作，为满足灌 溉和排水的需求，这一地区农田分布着纵横交错的沟渠湿地。沟渠即是农业非点 源污染物的最初汇聚地，又是河道和湖泊营养盐的输入源。由于有充沛的降雨和 适宜的气候条件，长江下游地区的沟渠湿生植物生长茂盛，自然生长的大型挺水 植物主要是芦苇( p h r a g m i t e sc o m m u n i s ) 和茭草( z i z a n i al a t i f o l i a ) ，两者对氮 磷化合物有很强的吸收能力【”】。但由于芦苇和茭草的利用价值低，农民很少会主 动回收利用，在第二年春季和初夏腐烂分解，植物体中的氮磷释放出来，严重影 响河道和湖泊的水质。目前，对氮和磷在沟渠湿地中转化和去除的机理研究还几 乎处于空白状态，也没有防治湿地植物产生二次污染问题的有效方法。本文的目 的是研究沟渠湿地对农业非点源污染物的截留和去除能力，分析影响沟渠湿地氮 磷转化的相关因子，探讨合理利用和去除湿地植物的方法。 2 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 利用湿地处理废污水的研究是2 0 世纪7 0 年代以来世界上的一个热门研究领 域，其原理主要是利用湿地生态系统中物理的、化学的和生物的作用机制，降低 废污水中营养物质的浓度。在国外，特别是西欧、北美等国家利用自然湿地生态 系统的原理，发展了大量的人工湿地系统处理废、污水。1 9 7 4 年在西德首次建 造人工湿地，后来这一工艺在欧洲和北美得以迅速发展。人工湿地是由人工基质 ( 碎石、砂砾等) 、土壤和生长在其上的水生植物组成，污水在湿地土壤的表层 或表面下流动，靠砂石、土壤的吸附、植物吸收、微生物转化等一系列过程降解 水中的营养物质，是一种有别于自然湿地的独特的土壤一植物一微生物系统。这 种处理系统适应面广，既可以处理来自农田排水中的营养物质，也可以用于城镇 生活污水、工业废水、矿山排水的处理，又可以用于水体的生态修复。美国在 1 9 8 8 年至1 9 9 3 年间就建起了几百个人工湿地，到目前为止欧洲也有数以百计的 人工湿地投入废水处理运行。亚洲国家如日本的立根川、渡良濑人工湿地、韩国 的良柴川人工湿地都连续运行了几年，对b o d 、s s 及n t h + - n 的去除效果好，出水 水质稳定。人工湿地的大小规模差别很大，小到仅处理几百人的生活污水，大的 可以处理上千甚至上万人的生活污水。国外自上世纪7 0 年代以来，已做了大量 有关自然湿地和人工湿地对氮、磷营养物质去除能力的研究，分析了吸附、下渗、 植物吸收、生物转化( 矿化、硝化、反硝化) 等多种因素对氮、磷在湿地生态系 统中迁移的影响。通过实验研究了各种类型的湿地对生活污水、工业废水、农业 排水、矿山排水的处理机制和处理潜力，确定了湿地在河流、湖泊水质的恢复与 管理中所发挥的作用。”“。 我国在2 0 世纪5 0 - 7 0 年代曾大规模垦殖湿地，变荒泽为良田，造成生态环 境的严重破坏。2 0 世纪8 0 年代以后，我国开始重视农业非点源污染，进入9 0 年代，由化肥、农药、水土流失引起的污染研究更加活跃。在这一时期，有关自 然湿地和人工湿地处理点源和非点源污染的能力引起了人们的兴趣。先后在深 圳、北京、天津等地建立了人工湿地处理系统，并开始了对湿地生态系统中营养 物质转化机制的研究汹1 。由于人工湿地面积比较小，处理能力有一定的局限性， 因此在我国应充分利用沼泽、滩地、沟渠等自然湿地系统，结合人工湿地控制水 体污染。 第一章绪论 1 3 农业非点源污染物的控制措施 施肥和农田排水是引起地表水富营养化的主要因素之一。控制农业非点源污 染可以通过三条途径，一是降低农田的化肥施用量；二是在污染物向地表水迁移 的过程中加以截留和净化；三是在污染物汇入河流、湖泊后进行治理。最有效最 经济的控制非点源污染物的措施是控源，农田大量旌用化肥是产生农业非点源污 染的原因。9 0 年代以来，我国氮肥施用量急剧增加，9 0 年代中期跃居世界首位， 2 0 0 0 年氮肥施用量超过2 4 1 0 7t 纯氮，占全世界总用量的3 0 左右【2 6 1 。经济越 发达地区，农田化肥的施用量越高，1 9 9 9 年福建、湖北、广东、上海、江苏、 山东、安徽7 省市平均每公顷化肥用量超过6 0 0k g ( 其中6 0 以上是氮b e ) 2 7 1 ， 最高的达1 0 5 9k g 。农e l 氮的损失量与施氮量密切相关，据司友斌【1 2 】的实验结果， 农田每增施l k g h m 2 的氮素，通过径流损失的氮即增加0 5 6 0 7 2 1 k g h m 2 。土壤 氮淋溶量与施肥量呈近似直线的正相关。因此，控制农田化肥施用量是预防和治 理非点源污染的主要措施。农田化肥的旌用应根据作物的栽培措施、土壤物理化 学性质，确定“适宜施肥量”。根据朱兆良等对中国大量施肥农田所作的田间统 计，在目前的生产水平下，施氮量为1 5 0 - 1 8 0k g h m 2 时，大田作物已经可以达 到较高的产量。因此，将该施氮量定为控制大面积氮肥用量的“平均适宜旋氮量” 田】。在该施氮量范围内，小麦、玉米、水稻等主要作物既能获得高产，又不会造 成大量的残留氮累积。由于我国农业种植结构的特殊性，农田管理还很落后，农 民片面追求高产量，合理施肥的意识还很薄弱。另一项防治水体富营养化的措施 是直接净化河流和湖泊的n 、p 污染物。近几年我国正在开展河道、湖泊的综合 治理，采用一系列物理、化学和生物学手段降低营养物质含量，改善水质。但如 果不消除污染源，在污染的终端进行治理代价既高而又很难达到预期的效果。另 一项有效措施是在污染物向河道迁移的途径中，进行截留和去除，这也是控制地 表水富营养化的一种经济可行的手段。国外普遍利用河湖与陆地交错带的自然湿 地、恢复湿地及人工湿地净化非点源污染物，已经对湿地去除氮、磷营养物的机 理及去除效率作了大量的研究工作，充分证明了湿地在减轻地表水富营养化方面 所发挥的巨大作用，但与流域面积相比，通常河湖与农田交错带之间的湿地面积 并不大，水在湿地停留的时间受季节和排水强度的影响大，如果停留时间短，净 化效果就很差。长期以来，人们忽视了另一种湿地生态系统一即沟渠塘系统对污 4 染物的截留和净化能力。沟渠是农业非点源污染物的最初汇集地，据w o l t e m a d e 【2 3 报道，美国和加拿大有6 5 的农业用地通过地表排水，即利用沟渠网排水，其余 的3 5 是经地下暗管排入沟渠或直接排入河流。在长江下游水稻种植区，为满足 灌溉和排水的需要，农业区沟渠纵横交错，形成网状结构，污染物在其中停留的 时间长，能有效滞留和净化非点源污染物，减轻地表水体的富营养化。 1 4 湿地去除农业非点源污染物的机理 用人工湿地净化工、农业和生活废污水、去除营养物质的机理已得到广泛的 研究，然而，为废污水处理建造的人工湿地通常接受可测定或可控制的入流，处 理后水的输出量和输出的污染物浓度也是可监测的，以便确定湿地的运行效果。 在美国和欧洲，已有不同类型和不同处理能力的人工湿地的设计标准和规范。但 对接受不定流的自然湿地和恢复湿地中营养物质的去除能力了解地还很少。 不定入流即包括降雨径流发生的时间、入流水量的不确定性，也包括输入的 主要污染物及浓度的不确定性。因此，不规则入流可能导致湿地对污染物去除能 力的变化。例如，d a v i d 等( 2 0 0 0 ) 1 3 j 研究了湿地对农田瓦管排水中n 、p 的去 除能力，n 0 3 。是农田排水中的主要污染物，而悬浮物和p 的输入浓度低，在这种 情况下，湿地能通过反硝化作用有效地去除n 0 3 。离子，但对有机氮和磷的去除 效率低。b r a s k e r u d ( 2 0 0 2 ) 2 9 1 研究了湿地对另一种来水一溪水的净化功能，溪 流接受的农田排水携带大量颗粒物，这种湿地对有机氮、颗粒物和磷的去除很有 效，但对n 0 3 。的净化能力低。因此，湿地对非点源污染物去除能力的可变性与 入流水中主要污染物的可变性是有联系的1 3 0 l 。m i t s e h ( 2 0 0 0 ) 3 q 在总结非稳定入 流湿地的净化功能研究时提出n 的去除率在1 0 0 - - 4 0 0 k g h m 2 y r 范围( 在温暖气 候条件下，可达到1 0 0 0 2 0 0 0 k g h m 2 y r ) ，p 的去除率为5 - 5 0 k e r n r n 2 y r 。 湿地是一独特的土壤一植物微生物系统，当农田排水流经湿地时，水中的 有机质、氮、磷等营养成分将发生复杂的物理、化学和生物的转化作用。自然和 人工湿地对非点源污染物的净化主要通过三条途径：土壤的吸附和截留；植物吸 收及根区反应；微生物降解，图l _ l 和图1 2 分别表示了氮和磷在湿地中的迁移 和转化机理。 骐捌睾季毒冥搀捌g哥舞鼎博螺_【匦 露田 轱躲褂| 抵 芒车毒罢稔蚶g导捌赠柑搭n_团 鳃世 母长 刁 姆褂 辑 第一章绪论 非点源污染物随地表径流和下渗进入湿地后，首先通过土壤及砂石的吸附、 过滤、离子交换、络合反应等物理化学作用截留、转化一部分污染物质。 水生植物在湿地去除农业非点源污染过程中起着十分重要的作用，植物不仅 可以通过其呈网络状的根系直接吸收农田排水中的n 也+ 、n 0 3 - 、和p o 。”离子，更 重要的是，水生植物可通过其生命活动改变根系周围的微环境，从而影响污染物 的转化过程和去除的速度。 g e r s b e r y ( 1 9 8 6 年) 。4 在美国加利福尼亚州建立了四块人工湿地，在其中 三块上分别种植大型的水生植物灯心草、芦苇和香蒲，另外一块上不种任何植物， 用以比较有无大型水生植物以及大型水生植物的种类对净化废水效率的影响。实 验结果表明，种有大型水生植物的人工湿地净化废水的效率高于没有种植大型水 生植物的人工湿地，而种有灯心草和芦苇的人工湿地净化废水的效果高于种有香 蒲的人工湿地。对三种植物进行比较，发现香蒲的根区范围小，仅3 0 c m 左右， 而灯心草和芦苇的根区范围可达到的深度分别超过6 0 c m 和7 6 c m 。废水进入种有 香蒲的人工湿地2 - 3 个月后，香蒲植株呈现黄色，6 个月后出现死亡现象。”。 芦苇和灯心草具有发达的根系，其光合作用产生的氧一部分经过茎和叶的传 送到达根部，扩散到周围缺氧的底质中，形成了氧化的微环境，刺激了好氧微生 物对有机物质的分解作用，有助于硝化细菌的生长，从而降低了水中有机质含量， 并将n h t 。n 转化为n o ，。_ n ，n 0 3 - - n 经过扩散和渗滤作用进入根区以外的缺氧环境， 受到反硝化细菌的转化后，形成n 2 和n 2 0 ，从系统中逸失。而没有种植大型水生 植物的人工湿地底质中，缺少根区的氧化环境，其去除有机质和n 的能力势必低 于种有大型水生植物的人工湿地。根系越发达、根区范围越大的植物，其净化污 染物的能力越高。 微生物对营养物质的分解和转化是湿地降解污染物的主要机制。湿地土壤中 发育着大量的好氧、厌氧及兼性的微生物，由于水生植物的生长，其根系的分泌 物及好氧环境为好氧细菌的生长创造了条件，将排水带来的有机物分解为n 0 3 一、 p 0 4 3 、s o t 等离子，被植物吸收。根区以外的还原状态区域，发育着大量的厌氧 微生物，如硝酸盐还原细菌和发酵细菌，将有机物分解为c o 。、n h 3 、h 。s 、h 3 p 、 c h 等气体，挥发进入大气。 1 4 1 对总氮的去除 天然及人工湿地对氮的截留率有的可达到7 9 ，相当于4 4 k g h m 2 d 。据w a s t o n 第一章绪论 等人报道在湿地内硝态氮的转化率高于9 5 ；k a d l e c 研究确定湿地对硝态氮的吸 收率为9 6 ，对铵态氮的吸收率为1 4 9 8 。3 。3 4 o 排水中的有机氮首先被土壤吸 附，而后靠湿地系统中微生物的矿化作用转化为n h + ，n 也+ 离子易转化为气态的 n h 3 ，挥发进入大气，但此过程主要发生在湿地土壤的表层。n h 。+ 能通过硝化作用 形成n o 。，这一转化需要有氧的环境。在湿地生态系统中，水生植物可通过通气 组织将氧气从上部输送至根系，经释放和扩散，使根系周围呈现好氧环境，为硝 化细菌的生存、繁殖提供了条件，因此，n 地+ 在根系区域可发生硝化反应转变为 n o 。根系区以外的环境，由于处于淹水条件下，土壤水中氧气的含量很低。当 水流流经根系以外的其它区域时，厌氧环境促使硝化产物n o 。一发生反硝化作用， 转化成气态的n ：和n ：o 。”。通过湿地生态系统这种好氧和厌氧交替的环境条件， 使硝化和反硝化作用可交替进行，为有机氮化合物转化成气态的氮脱离系统创造 了条件。 1 4 2 对n h 4 + 离子的去除 作为阳离子，n h t + 易被带负电荷的土壤颗粒所吸附，另外，n h 。准碱性的土壤 中将转化为气态的n h 。而挥发。n h 。孙是植物吸收的一种主要的氮形式，在夏、秋 季节，成为植物组织的一部分，最后通过植物的收割而去除。曹向东等脚1 在实验 中发现，湿地内密集的芦苇对氨氮的摄取量十分巨大，其吸收作用是系统净化氮 元素的主要过程。芦苇根系统的内部发育着大量的硝化细菌，n i t , + 可在硝化细菌 的作用下发生氧化，形成n o ；。当农田排水流经湿地生态系统时，由于上述过程 的协同作用，使n h + 易在系统中被截留、吸收和降解，因此，n h + 的迁移能力比 较弱。 1 4 3 对n o 。离子的去除 各种氮肥施入土壤中以后，在微生物作用下，通过硝化作用形成n 0 3 n ，带 负电荷的土壤胶体对n 0 3 。离子的吸附能力弱，易遭降雨冲刷或灌溉淋洗而将n 如一 离子排入地表水。n 0 3 一n 是农田排水中的主要污染物，在皖南丘陵地区排水中占 氮素总量的5 7 。”。湿地对n 0 3 离子有很高的净化效果，这种净化主要发生在湿 地边缘l o 一2 0 m 的范围内，靠反硝化作用、植物吸收和下渗作用去除。靠植 物去除氮必须及时收获快速生长的水生植物，才能阻止氮在系统中的循环。而 反硝化作用是湿地生态系统永久性地消除氮的唯一自然过程，也是去除n 0 3 - 离 子的一条主要途径，湿地中的最高反硝化率可达到0 2 8g m 2 d 。靠下渗可以 9 篓二童缝堡 去除1 5 的n o 。一离子，下渗在冬季比在其它的季节更强烈，因为冬季不适宜湿地 植物的生长，降雨过程更容易引起n o 。离子的淋溶。 1 4 4 对磷的去除 磷是生物的必需元素，也是地表水富营养化的限制因子。农田排水中的磷可 分为溶解态磷和颗粒状磷两部分，两者都可进一步划分成无机磷和有机磷。可溶 的无机磷是植物可以利用的，而有机磷和颗粒状磷必须经微生物转化成无机形式 后才能被植物吸收。农田输出的磷中8 0 以上是颗粒态形式的磷，而颗粒态磷中 6 0 9 0 以上的磷随0 i m m 以下的颗粒物流失。湿地对磷有很好的去除效果， 在d e sp l a i n e s 湿地，h e y “”等人发现可溶性磷的去除率可达5 2 9 9 。磷在湿 地中的去除可分为生物和非生物两种过程，生物过程包括植物吸收、微生物转化 等，非生物过程包括底泥的吸附和沉降。自然条件下，植物和微生物吸收p 被看 作是短期的过程，因为植物死亡后，残体分解将p 再次释放出来。而吸附沉降被 认为是湿地长期去除磷的过程。 在缺氧条件下，磷酸盐经还原作用产生p h 3 释放到大气中，但通过这一途径 去除的磷的量极少【“l 。磷以p h 3 的气态形式逸失曾经在高负荷塘、湿地污水处 理系统m 仉4 5 1 及含高浓度有机质