王振旗 顾海蓉 朱元宏

(1.上海市环境科学研究院，上海 200233；2.上海青浦现代农业园区发展有限公司，上海 201717)

近年来，随着我国农业集约化程度的不断提高，肥料的高消耗、高投入成为农业面源污染的主要原因之一。有研究表明，引起太湖、滇池等水体富营养化的氮素有70%以上来自农业输入[1-2]。在经济发达的南方平原河网地区，地表径流是农田氮、磷流失的主要形式[3-4]，由于露天旱作农田(以下简称旱田)年复种指数高、肥料施用量大、田间排涝要求严格等，污染物流失负荷远大于水田，太湖流域不同类型的旱田总氮流失负荷约16.8～21.6 kg/hm2[5]，约为水田流失负荷的3倍[6-7]。特别在夏秋季节(7—10月)，降雨造成的径流排水中总氮(TN)流失高达18.5 mg/L以上，占全年TN流失总量的80%左右[8]。

在旱田面源污染防控方面，田间覆盖、肥料深施、有机肥替代等源头控制技术虽得到了一定的推广应用[9-10]，但植被缓冲带、人工湿地等末端控制技术的应用具有局限性，导致径流排水存在一定的污染风险。在过程控制方面，欧美等发达国家在20世纪80年代已开展生态沟渠的研究与示范，并出台了相关法令强制执行[11]；生态沟渠技术在我国起步于21世纪初，在多年探索与实践的基础上，集成了一批适于水田的生态沟渠构建技术，并在江苏、上海等地推广应用[12-13]，但针对旱田径流排水特征的生态沟渠应用案例鲜有报道。

因此，本研究在长江三角洲南缘的淀山湖区域选择典型果林，基于当地土壤水文和旱田耕作特点，按照首先满足旱田排涝要求、其次发挥生态拦截作用的原则，构建了一种符合旱田径流排水特征的生态沟渠，并通过大田径流试验，对悬浮物(SS)、TN、硝态氮、总磷(TP)和可溶性磷(DP)的拦截效果进行监测评估，以期为南方平原河网地区旱田面源污染控制提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于上海黄浦江上游的青浦现代农业园区，地理坐标为北纬30°57′～30°59′，东经120°59′～121°06′，属亚热带季风气候，温和湿润、日照充足、雨水充沛，年均气温为(17.0±1.0) ℃，全年降水天数为120～140 d，年均降水量为1 250 mm左右。研究区内河网密布，已基本形成灌溉排涝体系，地面高程2.8～3.5 m，是太湖流域典型的平原河网区。

研究区内的农田土壤类型属湖沼相母质形成的青紫土，土质结实、易于成型。旱田作物以果林、蔬菜为主，种植面积占旱田总面积的38%。耕作过程中，旱田由于排涝要求高，田内多设置垄沟，致使径流排水量大、污染负荷高，但配套排水渠主要以混凝土板式沟渠或简易土沟为主，基本无生态拦截作用。

1.2 生态沟渠构建

1.2.1 功能结构设计

旱田生态沟渠由简易土沟改造而成，底宽500 mm、沟深1 200 mm，考虑到水生植物占用一部分体积，沟壁边坡系数放大至0.5，上宽为1 700 mm，有效过水断面为0.8 m2，较传统水旱通用混凝土排水渠(上宽1 100 mm、底宽450 mm、沟深850 mm)扩大54%。根据径流流量校核断面设计，每公顷配置80 m以上生态沟渠，可达到《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288—99)对旱田的排涝要求，即1～3 d降雨从作物受淹起1～3 d排至田面无积水。基于水生植物种植需求，沟底、沟壁设为混凝土多孔板结构，沟壁板为600 mm×1 450 mm，沟壁板上端平均布12个孔洞，开孔率为13.1%，沟壁板下端500 mm上表面拉毛；沟底板为500 mm×1 200 mm，采用S型交错方式开设2个孔洞，以强化排水的折流作用。该生态沟渠的横断面见图1。

1.2.2 稳定性设计

考虑到土壤固定与养护的需求，沟壁种植孔设计为四角梅花型棱台体，内外口直径分别为130、100 mm；根据常规水生植物生长最小根际面积，沟底种植孔设置为直径80 mm的圆形孔。针对生态沟渠在应用后期易出现沟体损毁、植物死亡、拦截效果逐年降低等问题，在沟壁板与沟壁土体之间加铺1层三维植被网。利用沟壁植物根系与三维植被网之间的锚固作用达到沟渠结构稳定，增强对纵向和横向水流的抗冲蚀能力。该生态沟渠的抗坡面侵蚀强度相比裸露土质沟渠可提高2倍以上[14]。

注：图中单位为mm。图1 旱田生态沟渠横断面示意图Fig.1 Cross section of the dry farming field ecological ditch

1.2.3 水生植物配置

水生植物主要起到减缓流速、拦截吸收等作用，并可为根系微生物活动提供必要的泌氧环境。按照植物量大、净化效果好、易于回收利用的筛选原则，借鉴前人对水生植物湿地净化效果的研究成果[15]，本研究采用幼苗移栽方式在生态沟渠的沟底交错种植梭鱼草(Pontederiacordata)；采用草皮移植方式在沟壁种植狗牙根草(Cynodondactylon)。实践表明：梭鱼草在花期的生物量约为0.36 kg/m；狗牙根草长势良好，基本可以全部覆盖两侧沟壁，在稳定期的生物量约为0.54 kg/m。

1.3 大田径流试验

1.3.1 试验设计

为评估旱田生态沟渠对面源污染的控制效果，采用大田径流试验，将2011年构建的110 m的生态沟渠作为研究对象，配套蓝莓田1.3 hm2，并将同区域等比例配置的传统水旱通用混凝土排水渠(未清理底泥)作为对照沟渠。试验期间，设置生态沟渠和对照沟渠均为单端进水、单端出水，排水量采用DN250就地显示型涡街流量计测量，排水端设置排水闸门，径流通过溢流方式排放。同时，增高试验田田埂至0.40 m以容纳大雨级降雨量，并确保产生的全部径流进入生态沟渠，雨量由雨量筒收集并测量。监测时间选在2012年的蓝莓追肥期(6—10月)内进行，在沟渠进水端、中端和出水端共设置3个监测断面，分别在径流排水进入沟渠后1、12、24、36、48、60、72 h取样。

表1 试验期间降雨及排水情况

1.3.2 数据分析

水质监测指标为SS、TN、硝态氮、TP和DP。SS采用重量法测定，TN采用碱性过硫酸钾消解/紫外分光光度法测定，硝态氮采用酚二磺酸分光光度法测定，TP和DP均采用碱性过硫酸钾消解/钼锑抗分光光度法测定，其中DP经过滤后再进行测定。生态沟渠和对照沟渠均进行3次水质监测。

2 结果与分析

2.1 降雨及排水情况

在发生暴雨(12 h降雨量超过30 mm)以上级别的降雨时，对照沟渠易造成排水不畅，导致农田内涝。因此，选择2012年8月下旬至10月底之间的3次中大降雨时段开展对比试验。径流排水在生态沟渠和对照沟渠中的水力停留时间(HRT)均在60 h以上(见表1)。

2.2 对SS的拦截效果

3次降雨时段的径流排水中SS浓度随HRT的变化见图2。由图2可知，径流排水中初始SS为37.4～47.7 mg/L。HRT<24 h时，生态沟渠和对照沟渠径流排水中SS浓度下降较快；但HRT≥24 h时，受水生植物和沉积物的吸附拦截作用的影响，生态沟渠对SS的拦截率明显优于对照沟渠。在HRT达48 h基本趋于稳定，生态沟渠对SS的平均拦截率达50.5%，为对照沟渠的1.6倍以上。

注：生态沟渠-8月、生态沟渠-9月和生态沟渠-10月分别表示降雨时段为8月26—27日、9月7日、10月30日，生态沟渠径流排水中的SS质量浓度；对照沟渠-8月、对照沟渠-9月和对照沟渠-10月分别表示降雨时段为8月26—27日、9月7日、10月30日，对照沟渠径流排水中的SS质量浓度。

图2径流排水中SS质量浓度随HRT的变化
Fig.2 SS mass concentrations in the runoff varied with HRT

2.3 对氮素的拦截效果

分别将生态沟渠和对照沟渠3次降雨时段的径流排水中氮素浓度进行平均，分析径流排水中TN和硝态氮浓度随HRT的变化，结果见图3。由图3可知，径流排水中初始TN为17.21～18.40 mg/L。HRT达48 h时，生态沟渠径流排水中TN降至7.98 mg/L，TN拦截率约53.6%；而对照沟渠径流排水中TN浓度虽总体随HRT延长呈下降趋势，但受水量负荷冲击影响波动较大，拦截率仅31.8%左右，主要是由于部分吸附态氮被拦截沉淀。由于旱田的氮素流失形式以硝态氮为主，生态沟渠径流排水中硝态氮的浓度变化与TN总体一致，且生态沟渠对TN和硝态氮的拦截效果优于对照沟渠。生态沟渠拦截的氮素可通过根系、沟板附着微生物硝化/反硝化和植物吸收等作用得以逐步拦截。

图3 径流排水中氮素质量浓度随HRT的变化Fig.3 Nitrogen mass concentrations in the runoff varied with HRT

2.4 对磷素的拦截效果

分别将生态沟渠和对照沟渠3次降雨时段的径流排水中磷素浓度进行平均，分析径流排水中TP和DP浓度随HRT的变化，结果见图4。由图4可知，径流排水中初始TP为0.89～0.98 mg/L。由于TP主要以颗粒吸附态存在，其随HRT的变化与SS一致，均在HRT达48 h时基本达到稳定，此时生态沟渠的TP拦截率约56.1%，为对照沟渠的1.6倍。而生态沟渠对DP的拦截效果与对照沟渠差别不大。HRT达48 h时，生态沟渠和对照沟渠对DP的拦截率分别为23.8%、12.1%，说明生态沟渠对TP的拦截主要表现在对颗粒吸附态磷的拦截。

图4 径流排水中磷素质量浓度随HRT的变化Fig.4 Phosphorus mass concentrations in runoff varied with HRT

3 结 论

(1) 构建了一种混凝土多孔板结构的生态沟渠，有效过水断面0.8 m2。通过引入三维植被网，提高了沟渠抗坡面侵蚀强度。稳定期沟壁和沟底水生植物生物量分别约0.54、0.36 kg/m，通过水生植物拦截吸收等作用，达到对旱田面源污染的控制效果。

(2) 径流排水HRT为48 h，生态沟渠对SS、TN和TP的拦截率分别约50.5%、53.6%、56.1%。生态沟渠对硝态氮的拦截规律与TN一致，而对DP的拦截效果与对照沟渠差别不大，因而生态沟渠对TP的拦截主要体现在对颗粒吸附态磷的拦截。

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