生態(tài)溝渠綜合治理研究綜述

（湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南長沙 410007）

引言

新中國成立以來，社會經(jīng)濟快速發(fā)展，各行各業(yè)飛速進步，人民生活水平不斷提高，社會安定人民幸福。生態(tài)環(huán)境的改善卻悄然落后，生態(tài)問題不斷顯現(xiàn)，生態(tài)環(huán)境問題帶來的影響被人們低估。俗話說“民以食為天”，農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展是人民幸福安康社會和諧穩(wěn)定發(fā)展的基石。農(nóng)業(yè)用水方式粗放，化肥大量使用以及生產(chǎn)生活污水的不規(guī)范排放導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境開始惡化且逐漸加重。

十九大以來，對于環(huán)境保護、環(huán)境治理方面逐漸重視起來。習(xí)近平主席指出：讓良好生態(tài)環(huán)境成為人民生活的增長點、成為經(jīng)濟社會持續(xù)健康發(fā)展的支撐點、成為展現(xiàn)我國良好形象的發(fā)力點，讓中華大地天更藍(lán)、山更綠、水更清、環(huán)境更優(yōu)美。水污染問題普遍存在且不易治理，建設(shè)生態(tài)溝渠，實現(xiàn)自然凈化，避免二次污染，可以有效地改善水生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)“水更清”的目標(biāo)?！扒嗌骄G水就是金山銀山”，生態(tài)環(huán)境的健康與和諧是人們的期盼。

國家逐漸重視農(nóng)村問題，為貫徹落實習(xí)總書記的指示，國家18 個部門聯(lián)合行動，依照《農(nóng)村人居環(huán)境整治三年行動方案》進行部署，關(guān)注農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生問題，全國范圍內(nèi)集中進行農(nóng)村居民環(huán)境治理工作，改善農(nóng)村環(huán)境，提升農(nóng)村村容村貌，并起草制定了《農(nóng)村人居環(huán)境整治村莊清潔行動方案》，把“三清一改”作為工作的重心，其中就包括溝渠治理方面的內(nèi)容。

生態(tài)溝渠的建設(shè)有利于加快振興農(nóng)村生態(tài)建設(shè)，同時也是解決農(nóng)村面源污染嚴(yán)重問題及打造農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要途徑。生態(tài)溝渠是指由水生環(huán)境和土壤環(huán)境組成，具有一定規(guī)模的獨特結(jié)構(gòu)并能有效發(fā)揮生態(tài)功能的農(nóng)田溝渠生態(tài)系統(tǒng)，也被稱為農(nóng)田溝渠濕地生態(tài)系統(tǒng)。本文通過查閱大量文獻(xiàn)，從生態(tài)溝渠污染物去除機理、治理研究現(xiàn)狀及生態(tài)溝渠管護三方面對生態(tài)溝渠綜合治理研究進行綜述。

1 生態(tài)溝渠作用機理及研究現(xiàn)狀

1.1 生態(tài)溝渠去除機理研究

氮磷的去除一般來講主要通過植物吸收、截留沉降、生態(tài)吸附以及微生物作用四個方面。氮素主要以氨氮、硝酸鹽氮及有機氮的形式存在。磷素主要以溶解態(tài)和吸附態(tài)的形式存在[1]。

1）植物吸收

生態(tài)溝渠中的植物通過物理、生物及化學(xué)作用結(jié)合可吸收水體中8%～16%的氮[2]。無機氮是植物生長發(fā)育必不可少的物質(zhì)，可被植物直接吸收利用，參與植物生長發(fā)育，植物吸收利用后將植物進行收割可有效去除[3]；有機氮在堿性的水體條件下，可以吸附在土壤表層，同時在微生物的胺化作用及礦化作用下轉(zhuǎn)化為氨氮。植物同樣可去除水體中的磷，植物通過根部吸收溶解態(tài)的無機磷，此時根部底泥與水體之間產(chǎn)生磷濃度梯度差，促進磷從水體向底泥遷移，達(dá)到降低水體磷濃度的效果。有機磷則需要在微生物作用下轉(zhuǎn)化為無機磷后被植物吸收利用。

2）截留沉降

自身的特殊結(jié)構(gòu)及溝渠中的植物系統(tǒng)組成生態(tài)攔截型溝渠，能使水流速度降低，增加水力滯留時間，促進流動中的懸浮物質(zhì)及顆粒物沉積，同時水生植物及溝渠土壤對水體中污染物質(zhì)進行吸附、交換等作用，有效攔截污染物質(zhì)的擴散及遷移。

3）生態(tài)吸附

生態(tài)吸附主要通過溝渠基質(zhì)底泥及溝渠中沉淀物質(zhì)等吸附溝渠中還原態(tài)氨氮。吸附過程前期作用效果明顯，伴隨水體中氨氮濃度的降低，吸附作用逐漸減弱，達(dá)到吸附平衡。水體中氨氮濃度發(fā)生變化，平衡被打破，逐漸形成新的平衡。通過生態(tài)吸附方式可有效去除氨氮，但吸附平衡存在，除氮效果有限。吸附作用是溝渠去除磷的重要方式，在非堿性條件下，溶解態(tài)的無機磷可與一些高價陽離子如三價鐵、三價鋁等互相吸附并形成磷酸鐵和磷酸鋁沉淀[4]；而在堿性條件下，磷可與鈣離子發(fā)生吸附作用形成磷酸鈣并產(chǎn)生沉淀。然而這種沉淀并不穩(wěn)定，隨著水體中磷濃度降低，小部分磷會重新回到水體之中，即當(dāng)吸附達(dá)到飽和時，可能會因釋放出去的磷形成二次污染，但總體來講，仍可有效降低水體中磷含量[5]。

4）微生物作用

溝渠中存在大量水生植物，植物根系發(fā)育，根莖網(wǎng)絡(luò)大面積分布。植物的呼吸作用及光合作用可使植物根莖周圍產(chǎn)生有氧環(huán)境和厭氧環(huán)境。有氧環(huán)境條件下可使微生物進行硝化作用，厭氧環(huán)境下進行反硝化作用，兩種作用的存在促進微生物吸收轉(zhuǎn)化氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，大大降低環(huán)境中氮磷污染水平。微生物作用有效去除的氮素與總氮的比值可達(dá)到80%以上。微生物同樣對磷產(chǎn)生作用，有氧條件下，好氧微生物將有機磷和難溶的無機磷吸附轉(zhuǎn)化為可溶的無機磷，進而通過植物吸收、吸附沉降等作用降低水體中磷濃度[6]；厭氧微生物可將過量累積的結(jié)合態(tài)磷轉(zhuǎn)化為可吸收利用的溶解態(tài)磷。

1.2 生態(tài)溝渠污染物治理研究

國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)溝渠進行了廣泛的研究，研究內(nèi)容大多主要集中在溝渠去除氮磷效果方面。西方國家研究起步早，并取得諸多成果，我國起步較晚于國外，但同樣取得了許多十分有意義的成果。Jan H.Janse 等對溝渠富營養(yǎng)化程度展開了研究，結(jié)果表明超過一定的營養(yǎng)閾值會導(dǎo)致缺氧條件，生物多樣性和溝渠的農(nóng)業(yè)功能受到阻礙[7]。David V.Calvert 等研究了蔬菜農(nóng)場和柑橘林排水渠水質(zhì)的時空變化并得出重要結(jié)論，土壤中養(yǎng)分和重金屬的積累以及施肥方式對相鄰排水溝水質(zhì)有顯著影響，排水溝的水質(zhì)會隨季節(jié)而變化[8]。

后來姜翠玲等學(xué)者從水體和底泥中有機質(zhì)時空分布規(guī)律、溝渠濕地對農(nóng)業(yè)非點源污染物的凈化能力及溝渠中凈水植物對氮磷的吸收及二次污染防治等方面做了系統(tǒng)的研究，為溝渠清淤及溝渠生態(tài)環(huán)境治理領(lǐng)域提供了理論依據(jù)[9～11]。有學(xué)者選用生態(tài)溝渠、混凝土溝渠和土質(zhì)溝渠三種溝渠比較其氮磷等污染物的攔截效果，研究結(jié)果顯示，污染物去除率生態(tài)溝渠明顯高于其他溝渠[12]。王巖等人認(rèn)為生態(tài)溝渠去除氮磷物質(zhì)的機理主要體現(xiàn)在水生植物的吸收利用、溝渠基質(zhì)的吸附和溝渠攔截壩導(dǎo)致的水流速度降低和泥沙沉積等方面[13]。生態(tài)溝渠的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，人們對于其重視程度提高。浙江杭嘉湖區(qū)域養(yǎng)豬場結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r試驗生態(tài)溝渠中盤培牧草去除養(yǎng)豬場廢水中重金屬的效果，選出多種牧草中盤培高羊茅對廢水中重金屬污染物去除效果最好[14]。至2011 年，蘇州、常州等太湖流域城市廣泛推廣應(yīng)用生態(tài)攔截工程，主要攔截農(nóng)田系統(tǒng)流失的氮磷等物質(zhì)[15]。同年陶玲等人借助固著藻類反應(yīng)器原理設(shè)計構(gòu)建了生態(tài)溝渠，研究了生態(tài)溝渠恢復(fù)水溶氧的能力及深度凈化水體的效果，結(jié)果表明基于固著藻類反應(yīng)器的生態(tài)溝渠對改善人工濕地出水溶氧率低的情況有積極改善作用[16]。徐秀玲等人通過室內(nèi)水培試驗和室外池體小區(qū)試驗研究了上海市集中常見的水生植物吸收氮磷的特征，并通過合理搭配混合種植水生植物，構(gòu)建生態(tài)溝渠，監(jiān)測降雨前后水體中氮磷的變化，按去除率由低到高排序總磷、總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的去除率分別為30.2%、45.1%、44.7%和50.8%，表明水生植物可有效降低水體中氮磷含量，凈化水體[17]。何元慶等學(xué)者以珠海市上洲村稻田系統(tǒng)為例，結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r提出來一種生態(tài)溝渠人工濕地構(gòu)建技術(shù)，并完成了示范工程建設(shè)和防治效果評價[18]。張樹楠等人對不同水生植物狀態(tài)下溝渠的底泥屬性及吸附特性進行研究，發(fā)現(xiàn)銅線草底泥對磷的吸附能力最強，分析得出底泥屬性對磷吸收性能具有顯著關(guān)系。由此可見，水生植物及底泥對營養(yǎng)元素吸附能力均有影響，在溝渠建設(shè)中選取適合的水生植物對降低磷流失風(fēng)險具有重要意義[19]。王鶴立等人發(fā)現(xiàn)獨立的生態(tài)處理技術(shù)對處理氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)沒有絕對優(yōu)勢，因此研究建立多級溝渠塘堰濕地組合的可行性，并將研究成果投入使用，該生態(tài)處理系統(tǒng)下次降雨量157 mm 的坡地凈流處理中，氮磷等指標(biāo)均能滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，實踐證明，組合建設(shè)工程能有效強化系統(tǒng)的復(fù)氧，提高氮磷去除率[20]。郭志偉等人將生態(tài)溝渠與穩(wěn)定塘結(jié)合處理山區(qū)農(nóng)村生活污水，系統(tǒng)出水水質(zhì)可達(dá)城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放二級標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)建造靈活、無需動力條件、運行成本低廉，在山區(qū)農(nóng)村具有一定的推廣和使用價值[21]。為進一步完善生態(tài)溝渠理論體系，王令等人從不同的水生植物搭配方式、水力停留時間以及微生物三個方面探究了生態(tài)溝渠對鄉(xiāng)村日常污水的凈化效果，結(jié)果表明水力停留時間存在區(qū)間差異，在其優(yōu)化區(qū)間內(nèi)，總氮總磷的凈化率隨停留時間延長而增大，最優(yōu)水力停留時間為5 天，出水可滿足地表水Ⅳ、Ⅴ類功能水域及一般流域的水污染控制要求。生物量的影響對氮磷凈化效果不同，除氮效果受生物量影響更為明顯。不同水生植物在生物量差異不明顯的狀況下，挺水植物與沉水植物共同栽種模式凈化氮磷效率高于單一植物種植[22]。

孫璇等人將海綿城市理念與生態(tài)溝渠模式相結(jié)合，從不同水力負(fù)荷、生態(tài)溝渠基質(zhì)、溝渠覆蓋植被類型和污染物含量等方面對營養(yǎng)污染物質(zhì)去除效果進行研究，結(jié)果顯示生態(tài)溝渠對污水中磷的去除效率極高，去除率達(dá)95.4%，對其中氮的去除率為48.4%。這一研究成果為我國海綿城市及生態(tài)溝渠建設(shè)提供了參考及借鑒意義[23]。甘曼琴等對稻田氮磷流失的途徑，以及降雨、秸稈還田、施肥等影響因素進行分析，綜述了養(yǎng)分管理、水分管理、生態(tài)攔截、農(nóng)田尾水回用等稻田氮磷流失控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，提出應(yīng)探索稻田氮磷流失源頭控制和末端管控機制，加強生態(tài)攔截技術(shù)優(yōu)化配置與性能研究[24]。

1.3 生態(tài)溝渠管護研究

早先人們對溝渠的管理注重于溝渠對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益的影響。20 世紀(jì)末生態(tài)保護概念興起，人們意識到溝渠在生態(tài)環(huán)境中能夠起到的重要作用。隨之誕生諸多溝渠管理方法，經(jīng)實踐檢驗，現(xiàn)如今最有效且使用最廣泛的是以控制面源污染負(fù)荷，保護農(nóng)田生態(tài)、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力及改善水質(zhì)為重心的美國的“最佳管理措施”。南卡羅來納州特意提出要減少溝渠清淤疏浚的次數(shù)，因為在溝渠管護之后會導(dǎo)致溝渠內(nèi)可溶性磷釋放量增加，造成嚴(yán)重污染。

目前，西方發(fā)達(dá)國家經(jīng)過長期研究發(fā)展已具有較為完備的溝渠管護方案，研究成果豐富。而我國在此領(lǐng)域研究涉及較少，適應(yīng)我國實際情況的生態(tài)溝渠管護方案仍待開展更多相關(guān)研究。

2 結(jié)語

生態(tài)溝渠可以有效控制農(nóng)業(yè)面源污染的擴散，維持農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和諧穩(wěn)定，保障食品質(zhì)量安全。國內(nèi)外學(xué)者開展大量研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)溝渠去除氮磷污染物有以下四種主要途徑：植物吸收、截留沉降、生態(tài)吸附以及微生物作用，四種方法均可有效去除水體中氮磷污染物。并通過理論與實際相結(jié)合成功建立了生態(tài)溝渠濕地模型，為完善生態(tài)溝渠建設(shè)技術(shù)及理論體系作出諸多貢獻(xiàn)。

生態(tài)溝渠建設(shè)及治理研究成果逐漸豐滿，但生態(tài)溝渠體系復(fù)雜，仍有值得改進完善的地方。水生植物及溝渠基質(zhì)吸收轉(zhuǎn)化污染物質(zhì)，植物收割和溝渠清淤疏?？捎行мD(zhuǎn)移污染物質(zhì)，收割的植物及清淤的底泥是極好的營養(yǎng)物質(zhì)，但直接利用將造成二次污染，如何將其進行合理的處理及回收利用值得研究。溝渠管理養(yǎng)護方面，國外一些國家已具有較為完善的溝渠管理方案，而我國生態(tài)溝渠研究開展較晚，在此方面略有不足，需加強生態(tài)溝渠管理養(yǎng)護方向的研究，提出適應(yīng)我國農(nóng)業(yè)情況的溝渠管理方案。