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农业面源污染是非点源污染的主要形式之一,常指在农业生产活动中产生的氮、磷等营养物质、农药以及其他有机物和污染物质通过地表径流和农田渗漏而形成的水环境污染[1-3]。中国农业面源污染的迅速扩展主要与农业生产过程中化肥和农药等的过量使用、施肥方式的落后等有关[4-5]。据统计,中国化肥年使用量达4.12 × 107 t,施肥量高达400 kg·hm-2以上;但农作物对氮肥利用率仅为30%~35%,磷肥为10%~25%,钾肥为35%~50%[6]。而欧美国家为防止过量施肥对环境产生的污染,设置平均化肥使用量限值为225 kg·hm-2。农业面源污染不仅污染农田土壤,改变原有土壤的结构和特性,造成土壤板结、土壤质量下降;还通过农田径流引发对水体的有机污染,富营养化污染,甚至污染地下水和空气,直接损害人体健康[7-8]。巢湖作为中国五大淡水湖之一,面临着较为严峻的面源污染问题[9]。据统计,每年因水土流失而输入巢湖的总氮达945 t,总磷达567 t,有机质达1.4 × 104 t;每年总计约有4 200 t农业化肥、100 t农药流入巢湖[10]。巢湖流域作为安徽省重要的农业区,耕地面积约5.02 × 105 hm2[9],由于复种指数高,作物种植面积大,对化肥的需求量较大,造成施肥结构极不合理,施用氮肥过量明显,而有机肥严重不足,造成大量的氮、磷源源不断流入巢湖,导致巢湖水体富营养化程度过高。目前,关于农业面源污染控制的技术有人工湿地技术、前置库技术、缓冲带和水陆交错带技术、水土保持技术、农业生态工程技术等[11]。其中,人工湿地技术具有投资成本低、操作简单、处理效果好等特点,已较多地运用于生活污水和某些工农业废水、垃圾渗滤液等的净化[12]。生态沟渠即采用人工湿地技术在农田沟渠内种植不同的植物,使沟渠内氮、磷等进入受纳水体前通过沟渠拦截、植物滞留而吸收,最终减少水体的污染负荷,实现生态拦截功能[13]。钱银飞等[14]研究了沟渠内水生植物香根草Vetiveria zizanioides,茭白Zizania latifolia和白莲Nelumbo nucifera对双季稻田施肥期间氮磷污染物的净化效果,发现处于生长旺盛期的水生植物对沟渠水体中氮、磷污染物的去除率最高。张树楠等[15]通过将原农业排水沟渠改建成生态沟,以美人蕉Canna indica,黑三棱Sparganium stoloniferum,灯心草Juncus effusus,铜钱草Hyrocotyle vulgaris和绿狐尾藻Myriophyllum elatinoides等为试验植物,探讨了生态沟渠对农业面源污染的阻控效应,发现生态沟渠对氮、磷污染物有较好的拦截效应。本研究以石菖蒲Acorus tatarinowii,水芹Oenanthe javanica和刺苦草Vallisneria spinulosa等3种湿地植物作为沟渠拦截植物,分析沟渠内氮、磷质量浓度的拦截效果,以期为巢湖流域及其周边等污染水体的生态修复治理提供参考。
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研究地点位于巢湖市下朱新村水稻田(31.63°N,117.87°E),距巢湖入湖河流鸡裕河不足2 km。该区属北亚热带季风气候,雨量适中,光照充分,热量条件较好,无霜期长,常年平均气温为16.0 ℃。1月平均气温普遍在0 ℃以上,7月平均气温为25.0 ℃左右,冬夏风向有明显变化。年降水量一般在1 000 mm以上,主要集中在夏季5-8月,约占全年降水量的55%[16]。
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所选用的石菖蒲、水芹和刺苦草等3种植物,可以药用或食用,具有较高经济价值,且为巢湖流域常见且易于获得的植物。其中石菖蒲,属天南星科Araceae菖蒲属Acorus禾草状多年生常绿草本植物,对湿润环境具有较强的适应性,根茎常作药用;水芹,属伞形科Umbelliferae水芹属Oenanthe多年水生宿根草本植物,耐低温,生活在河沟、水田旁,富含营养物质,药用价值较高;刺苦草,水鳖科Hydrocharitaceae苦草属Vallisneria沉水草本植物,通常生长于2 m以内的水域,以根状茎越冬。实验所用苗株采购于安徽农业大学高新技术农业园区。
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本研究中沟渠总长300 m,形状为上宽下窄的倒梯形,上部宽度为1.2 m,底部宽度为0.6 m,沟渠一侧为水稻田,另一侧为道路(图 1)。选取长势良好、株高相当的幼苗在沟渠中栽种(2015年3月20日),隔10 m依次栽植石菖蒲、水芹和刺苦草。3种植物的种植密度为36株·m-2,株间距为20 cm。同时,在生态沟两侧沟壁上栽植络石Trachelospermum jasminoides,黑麦草Lolium perenne和常春藤Hedera nepalensis,以防止稻田水土流失。沟渠水流为循环式水体,从水泵站流出后经排灌沟回到泵站。由于实验区位于村落附近,水稻生长需定期进行灌溉,因而有部分农村生活用水经稻田流入沟渠。研究区于2015年5月6日播种水稻,6月15日移栽,2015年9月28日收获。水稻的生育过程分为前、中、后3个时期,在水稻生长过程中共施肥4次,基肥、分蘖肥、穗肥和粒肥。研究区于5月30日在稻田施加基肥,6月15日移栽,7月15日追施分蘖肥,8月10日、9月5日分别施加穗肥和粒肥。
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选取巢湖市下朱新村的基本水稻田作为研究区,选择1条长为300 m的水田沟渠,沿着沟渠水流方向设立5个采样点,分别记为P1~P5(图 2),P5位于泵站附近,各样点分别间隔55 m。2015年6月20日在沟渠中定期采集5个样点的径流水样,同一取样点同一时间取样3次,以后隔10 d取样1次。获取的水样经0.45 μm尼龙膜过滤后装入聚乙烯塑料瓶,放入4 ℃低温冰箱中保存,用于测定径流水样中不同形态氮、磷质量浓度,探讨生态拦截沟对农田径流中氮磷的去除效果。
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主要监测指标有总氮、铵态氮、硝态氮、总磷。总氮用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法,铵态氮采用纳氏试剂比色法,硝态氮采用酚二磺酸比色法;总磷采用过硫酸钾氧化-钼锑抗比色法[17]。水质情况判定依据表 1进行[18]。
表 1 水质分类等级
Table 1. Water quality evaluation
分类 ρ铵态氮/(mg·L-1) ρ总磷/(mg·L-1) ρ总氮/(mg·L-1) Ⅰ ≤0.15 ≤0.02 ≤0.2 Ⅱ ≤0.50 ≤0.10 ≤0.5 Ⅲ ≤1.00 ≤0.20 ≤1.0 Ⅳ ≤1.50 ≤0.30 ≤1.5 Ⅴ ≤2.00 ≤0.40 ≤2.0 去除率计算公式:R=[(C0-C1)/C0]×100%[19]。其中:R为对应指标的去除率;C0为进水端污染物质量浓度;C1为出水端污染物质量浓度。
采用Origin 7.5及SPSS 13.0进行数据处理及统计分析。
Removal of nitrogen and phosphorus in farmland ditches using three aquatic plants
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摘要: 由于农业生产过程中过量施放化肥,农田氮、磷流失从而对周边水体产生一定的面源污染。为探讨水生植物种植对农田排水沟渠中流失氮、磷的吸附拦截效果,在农田沟渠内种植水芹Oenanthe javanica,石菖蒲Acorus tatarinowii和刺苦草Vallisneria spinulosa,测定植物对农田沟渠内氮、磷营养物质的消减作用。结果表明:通过种植植物,沟渠内总氮去除率为56.18%~74.58%,铵态氮去除率为36.23%~59.33%,硝态氮去除率为34.35%~66.88%,总磷去除率为44.38%~76.35%;随水流路径的延长沟渠中氮、磷的质量浓度均呈递减趋势;随时间增加,沟渠内各采样点氮、磷质量浓度呈明显下降趋势。表明水芹、石菖蒲和刺苦草对农田沟渠中氮、磷具有较好的去除效果,可应用于湖泊及其周边等污染水体的生态修复治理。Abstract: Due to heavy fertilizer application and improper management in the process of agricultural production, large amounts of nitrogen (N) and phosphorus (P) in farmlands have been lost and have affected surrounding water bodies. To study the effect of aquatic plants on the absorption of N and P in farmland drainage ditches, Oenanthe javanica, Acorus tatarinowii, and Vallisneria spinulosa were planted in ecological ditches. In June 2015, the change of N and P content with the water flow in the ditch were estimated through field investigation and laboratory bioassay. Results showed that plants in ditches had a total nitrogen (TN) removal rate of 56.18% -74.58%, an ammonium (NH4+) nitrogen removal rate of 36.23% -59.33%, a nitrate (NO3-) nitrogen removal rate of 34.35% -66.88%, and a total phosphorus (TP) removal rate of 44.38% -76.35%. From the point of view of the monitoring sites, the concentration of N and P in ditches decreased overall with a prolonged water flow path. Also, with an increase in time, the concentration of N and P in different sampling sites showed a strong downward movement. Thus, this study could be a guide for ecological restoration projects in lakes or other water bodies with aquatic plants.
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Key words:
- plant ecology /
- aquatic plant /
- ecological interception /
- farmland ditch /
- nitrogen /
- phosphorus /
- removal rate
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表 1 水质分类等级
Table 1. Water quality evaluation
分类 ρ铵态氮/(mg·L-1) ρ总磷/(mg·L-1) ρ总氮/(mg·L-1) Ⅰ ≤0.15 ≤0.02 ≤0.2 Ⅱ ≤0.50 ≤0.10 ≤0.5 Ⅲ ≤1.00 ≤0.20 ≤1.0 Ⅳ ≤1.50 ≤0.30 ≤1.5 Ⅴ ≤2.00 ≤0.40 ≤2.0 -
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链接本文:
https://zlxb.zafu.edu.cn/article/doi/10.11833/j.issn.2095-0756.2019.01.012