生態(tài)溝渠對(duì)珠三角稻田徑流污染的削減功能研究

郝貝貝 ，王楠 ，吳昊平，周智鑫，張思毅 ，賀斌 *

1.廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所/廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650；2.華南土壤污染控制與修復(fù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，廣東 廣州 510650；3.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境園藝研究所/廣東省園林花卉種質(zhì)創(chuàng)新綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；4.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510225

近年來(lái)，隨著點(diǎn)源污染控制的加強(qiáng)，農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題日益引起人們的關(guān)注和重視（王曉玲等，2015）。據(jù)2020年《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》，2017年廣東省農(nóng)業(yè)源化學(xué)需氧量、總氮和總磷排放量分別占全省水污染物排放量總量的40.4%、38.6%和63.0%。農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理成為新時(shí)期廣東省水環(huán)境治理的重點(diǎn)。

作為農(nóng)田灌排單元的重要組成部分，農(nóng)田溝渠系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)面源污染物的初始匯聚地，同時(shí)也承擔(dān)著農(nóng)業(yè)小流域面源污染物向地表水體運(yùn)移的重要作用（張樹(shù)楠等，2015；王迪等，2016）。據(jù) Woltemade（2004）報(bào)道，流域60%—90%的養(yǎng)分通過(guò)溝渠系統(tǒng)遷移和輸出。對(duì)于農(nóng)業(yè)小流域而言，農(nóng)田排水溝渠系統(tǒng)組成的運(yùn)輸通道對(duì)污染物截留作用不可忽視（王曉玲等，2015；劉泉等，2016）。因此，農(nóng)田排水溝渠已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)面源污染防治的研究熱點(diǎn)（Levavasseur et al.，2014；王曉玲等，2014）。傳統(tǒng)土質(zhì)或水泥排水溝渠因生境條件差，對(duì)降雨徑流中氮磷的攔截效果有限（Fu et al.，2014；田上等，2016）。生態(tài)溝渠是將自然排水溝渠進(jìn)行改造，使其在滿足農(nóng)田排澇防滯的前提下，增加溝渠植被覆蓋量（王曉玲等，2015）。與傳統(tǒng)排水溝渠相比，生態(tài)溝渠能夠減緩水流速度，促進(jìn)水體顆粒物的沉淀和污染物的吸收，最終實(shí)現(xiàn)污染物的生態(tài)攔截（劉福興等，2019；董曉亮等，2021）。

生態(tài)溝渠作為一種特殊的濕地生態(tài)系統(tǒng)，與人工濕地、緩沖帶、生態(tài)交錯(cuò)帶等氮磷攔截工程相比，具有占地面積小，運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)，有良好的推廣應(yīng)用前景（陳海生等，2010；劉福興等，2019）。研究表明，生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)田徑流氮磷有較好的攔截去除效果。如劉泉等（2016）在漢江水源區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)溝渠能夠有效去除農(nóng)田徑流中的氮素，同時(shí)適當(dāng)布局?jǐn)r沙工程可以削減磷素流失。何元慶等（2012）對(duì)珠三角地區(qū)稻田系統(tǒng)的排水溝渠進(jìn)行改造，發(fā)現(xiàn)改造后的生態(tài)溝渠對(duì)稻田排水徑流中固體懸浮物（SS）和總磷（TP）的去除效率分別達(dá)到71.7%和63.4%。王曉玲等（2015）通過(guò)對(duì)太湖流域典型農(nóng)田排水溝渠進(jìn)行生態(tài)化改造，發(fā)現(xiàn)降雨過(guò)程中生態(tài)溝渠對(duì)TN和TP的平均去除率分別為31.4%和40.8%。以上研究都是基于某種特定生態(tài)溝渠，監(jiān)測(cè)并評(píng)價(jià)其對(duì)農(nóng)田徑流的截留凈化效果，劉福興等（2019）通過(guò)開(kāi)展研究，對(duì)比分析了不同構(gòu)造生態(tài)溝渠的農(nóng)田面源污染物處理能力。研究人員選用同一規(guī)格、不同構(gòu)造（植被、沸石填料和溝底植被+沸石填料）的 3種生態(tài)溝渠，在模擬動(dòng)態(tài)進(jìn)水條件下開(kāi)展試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溝底植被與沸石填料型生態(tài)溝渠在進(jìn)水污染物低濃度條件下對(duì)TN的處理效果最好，而在進(jìn)水污染物高濃度條件下對(duì)TP的處理效果最好，平均去除率均超過(guò)70%。結(jié)果表明，生態(tài)溝渠構(gòu)造類型會(huì)影響其對(duì)水體污染物的攔截效率（劉福興等，2019）。自然條件下，農(nóng)業(yè)面源污染物濃度具有較大變異性，因此在進(jìn)行農(nóng)田溝渠生態(tài)化改造或新建時(shí)，因地制宜地選擇合適的生態(tài)溝渠構(gòu)造，可有效提高其對(duì)面源徑流攔截凈化能力（楊繼偉等，2022）。然而，在進(jìn)行農(nóng)田溝渠生態(tài)化改造的實(shí)際過(guò)程中，往往選用單一構(gòu)造類型，鮮有構(gòu)建不同類型生態(tài)溝渠，并對(duì)比其在實(shí)際應(yīng)用中的農(nóng)田面源徑流削減效果的研究。

綜上，以廣州市增城區(qū)龍崗村生態(tài)農(nóng)業(yè)示范基地內(nèi)的生態(tài)溝渠為研究對(duì)象。水稻是該地區(qū)的主要糧食作物，稻田是該地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的主要來(lái)源。2021年1—7月，針對(duì)該地區(qū)的污染負(fù)荷和土地利用特征，對(duì)示范基地內(nèi)的稻田溝渠進(jìn)行生態(tài)化改造。選取構(gòu)造類型和植物配置方式不同的 4條生態(tài)溝渠作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)溝渠不同斷面進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水樣測(cè)定，對(duì)比分析不同生態(tài)溝渠對(duì)稻田徑流中氮磷等污染物的削減效果，以期為當(dāng)?shù)鼗蝾愃频貐^(qū)農(nóng)田面源污染的防治提供理論和方法借鑒。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于廣東省廣州市增城區(qū)龍崗村的生態(tài)農(nóng)業(yè)示范建設(shè)基地內(nèi)（113°41′50″—113°42′10″E，23°17′50″—23°18′25″N）。該地區(qū)屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，常年高溫多雨，日照較多，適合農(nóng)作物種植。年平均氣溫為21.6 ℃，年平均降雨量約為1819 mm，降水主要集中在4—9月，占年總量的82.9%。該地區(qū)東江西福河流域，主要灌溉水源來(lái)自于吊鐘水庫(kù)，排水流向朱村運(yùn)河最終排入西福河。耕地地形為堆積平原，以水田為主。土壤類型主要為黃赤紅壤土和水稻土兩大類，以種植水稻、香蕉、荔枝和蔬菜為主。

1.2 試驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)

研究區(qū)為增城絲苗米的生產(chǎn)地，溝渠兩側(cè)稻田排布整齊。然而，絕大部分溝渠系統(tǒng)為原生土溝渠，兩側(cè)坡面坍塌、破爛不堪，渠底淤泥堵塞，水體流動(dòng)性差（圖1）。本研究在不影響稻田溝渠正常的灌、排水功能前提下，對(duì)研究區(qū)域原有的稻田土溝渠進(jìn)行提升改造，建成具有污染物攔截功能的生態(tài)溝渠。生態(tài)溝渠內(nèi)植物為本土長(zhǎng)勢(shì)好且氮、磷去除能力強(qiáng)的水生植物，如美人蕉（Canna indica）、再力花（Thalia dealbata），紫芋（Colocasia tonoimo）、苦草（Vallisneria natans）、荷花（Nelumbo nucifera）和黃花水龍（Jussiaea stipulacea）等。

改造前原有稻田土溝渠的現(xiàn)狀、生態(tài)溝渠施工設(shè)計(jì)圖和改造后的效果如圖1所示。2021年7月中旬，溝渠生態(tài)化改造完成后，定期（每2天）監(jiān)測(cè)不同生態(tài)溝渠入口和出口水質(zhì)狀況。2021年 9月底，持續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明溝渠各項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)趨于穩(wěn)定。

圖1 研究區(qū)域內(nèi)稻田溝渠改造前和改造后的對(duì)比圖Figure 1 Comparison of paddy ditch before and after ecological reconstruction

為了分析對(duì)比不同生態(tài)溝渠對(duì)稻田徑流污染物的凈化效果，選擇坡度、斷面尺寸一致，但構(gòu)造類型和植物配置方式不同的4條生態(tài)溝渠作為研究對(duì)象，進(jìn)一步進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)和采樣分析。本研究中，4條生態(tài)溝渠（ED1、ED2、ED3、ED4）的構(gòu)造類型、斷面尺寸、溝渠長(zhǎng)度和植物配置方式詳見(jiàn)表1。

表1 本研究中4條生態(tài)溝渠的工程措施和植物配置方式Table1 Engineering measures and plant configuration of four ecological ditches in this study

1.3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)與樣品采集

于2021年10月3日—11月28日對(duì)4條生態(tài)溝渠進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)與樣品采集，試驗(yàn)期間溫度和日降雨量變化如圖2所示。監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置在每條生態(tài)溝渠的入口、中點(diǎn)和出口，4條生態(tài)溝渠共12個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。水質(zhì)監(jiān)測(cè)與樣品采集期間，生態(tài)溝渠內(nèi)沒(méi)有灌溉供水。10月9—12日，研究區(qū)域所在地發(fā)生降雨事件（圖2），累計(jì)降雨量為92 mm。其中，10月10日12小時(shí)降雨量為40 mm。降雨期間，水質(zhì)監(jiān)測(cè)與樣品采集頻率為每天1次；10月18日—11月21日，天氣以晴或多云為主，偶有小雨發(fā)生（降雨量≤3 mm），在此期間，生態(tài)溝渠內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)與樣品采集頻率為每周1次。

圖2 試驗(yàn)期間溫度（最高溫度、最低溫度）和日降雨量變化Figure 2 Change of temperature (maximum temperature,minimum temperature) and daily precipitation during the experiment period

2021年10月3—31日，采用便攜式水質(zhì)多參數(shù)分析儀（YSI Professional Plus，美國(guó)），選用固定時(shí)段（09:00—10:00）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水體的溶解氧（DO）、pH、銨態(tài)氮（NH4+）、硝態(tài)氮（NO3-）和電導(dǎo)率（EC）。依據(jù)前期水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，選擇溝渠斷面尺寸、植物配置方式一致，溝渠長(zhǎng)度相近，但構(gòu)造類型不同的素土生態(tài)溝渠ED1和多孔磚生態(tài)溝渠ED3，繼續(xù)進(jìn)行水樣采集與測(cè)定分析。水樣采集時(shí)間為2021年11月2日—21日，采樣點(diǎn)設(shè)置在兩條生態(tài)溝渠的入口、中點(diǎn)和出口。樣品采集完成后，帶回實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定，測(cè)試指標(biāo)為氨氮（NH4+）、硝氮（NO3-）、總氮（TN）、總磷（TP）和化學(xué)需氧量（COD），水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)采用每次3個(gè)樣品分析結(jié)果的平均值。水質(zhì)分析方法參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，2002）。

不同生態(tài)溝渠對(duì)水體各指標(biāo)的削減率計(jì)算式：

式中：

ρ1——生態(tài)溝渠入口處污染物（如 NH4+、NO3-、TN、TP和 COD）的質(zhì)量濃度（mg·L-1）；

ρ2——生態(tài)溝渠出口處污染物的質(zhì)量濃度（mg·L-1）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用單因素方差分析和事后多重比較，分析不同生態(tài)溝渠對(duì)水體DO、NH4+、NO3-、pH和EC的削減率是否存在顯著差異，單因素方差分析在IBM SPSS Statistics 20軟件中完成。應(yīng)用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，OriginPro 8.0軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生態(tài)溝渠水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.1.1 素土生態(tài)溝渠ED1和ED2水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖 3所示為水質(zhì)監(jiān)測(cè)期間兩條素土生態(tài)溝渠ED1和ED2不同監(jiān)測(cè)斷面（入口、中點(diǎn)和出口）水體DO、pH、NH4+、NO3-和EC的變化情況。由圖3可知，不同斷面水體中的DO、pH、NH4+、NO3-和EC隨時(shí)間推移呈波動(dòng)變化。例如，受10月9—12日研究區(qū)降雨事件影響，ED1和ED2不同監(jiān)測(cè)斷面DO和pH呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，而NH4+、NO3-和EC呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。

圖3 兩條素土生態(tài)溝渠（ED1和ED2）入口、中點(diǎn)、出口的水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況Figure 3 Water quality monitoring at entrance, midpoint and outlet of the two plain soil ecological ditches (ED1 and ED2)

此外，兩條素土生態(tài)溝渠的水質(zhì)指標(biāo)在不同斷面間存在差異。如圖顯示：降雨期間，ED1不同監(jiān)測(cè)斷面NH4+和NO3-質(zhì)量濃度沿水流方向呈增加趨勢(shì)（入口＜中點(diǎn)＜出口）；而降雨后3天（10月15日）起，ED1不同監(jiān)測(cè)斷面 NH4+和 NO3-質(zhì)量濃度表現(xiàn)為入口＞出口，這表明素土生態(tài)溝渠 ED1的水體凈化效果主要體現(xiàn)在降雨發(fā)生后。

2.1.2 多孔磚生態(tài)溝渠ED3和ED4水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4所示為監(jiān)測(cè)期間兩條多孔磚生態(tài)溝渠ED3和ED4不同監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)情況。隨著時(shí)間推移，不同斷面水體的DO、pH、NH4+、NO3-和EC呈現(xiàn)波動(dòng)變化。降雨事件發(fā)生期間，ED3和ED4不同斷面DO和pH呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，而NH4+、NO3-和EC呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，這與素土生態(tài)溝渠ED1和ED2的監(jiān)測(cè)結(jié)果大體一致。

此外，如圖4所示，多孔磚生態(tài)溝渠沿水流方向，ED3不同監(jiān)測(cè)斷面水體指標(biāo)在降雨發(fā)生期間和降雨發(fā)生后的變化趨勢(shì)不同。如降雨發(fā)生期間，ED3不同斷面NH4+和NO3-質(zhì)量濃度表現(xiàn)為入口＜中點(diǎn)＜出口；而在降雨發(fā)生后則呈相反趨勢(shì)，NH4+和NO3-質(zhì)量濃度沿水流方向逐漸降低（入口＞中點(diǎn)＞出口），表現(xiàn)出一定的水體凈化功能。

圖4 兩條多孔磚生態(tài)溝渠（ED3和ED4）入口、中點(diǎn)、出口的水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況Figure 4 Water quality monitoring at entrance, midpoint and outlet of the two ecological ditches with perforated bricks(ED3 and ED4)

2.1.3 不同生態(tài)溝渠的水質(zhì)凈化效果

為了檢驗(yàn)降雨發(fā)生后（10月15—31日），不同生態(tài)溝渠對(duì)水體的凈化效果是否存在差異，分別計(jì)算了4條生態(tài)溝渠由入口到出口斷面水體DO、pH、NH4+、NO3-和 EC 的削減率r(Do)、r(NH4+)、r(NO3-)、r(pH)和r(EC)。單因素方差分析結(jié)果顯示（表2），由入口到出口斷面，不同生態(tài)溝渠間r(Do)和r(NH4+)存在顯著差異（單因素方差分析，P=0.002和P＜0.001）。事后多重比較結(jié)果顯示，ED1對(duì)DO的提升率顯著低于其他生態(tài)溝渠（LSD 檢驗(yàn)，P＜0.05），ED4對(duì)ρ(NH4+)的削減率顯著低于其他生態(tài)溝渠（LSD檢驗(yàn)，P＜0.05）。

表2 單因素方差分析比較由入口到出口ρ(Do)、pH、ρ(NH4+)、ρ(NO3-)和EC的削減率在不同生態(tài)溝渠間是否存在差異Table 2 One-way ANOVA compare the removal percentage of ρ(DO), pH, ρ(NH4+), ρ(NO3-) and EC among the four different ecological ditches

2.2 兩種生態(tài)溝渠對(duì)面源污染物的削減效果對(duì)比

2.2.1 不同斷面徑流污染物變化情況

為了比較當(dāng)溝渠斷面尺寸和植物配置方式一致時(shí)，素土生態(tài)溝渠和多孔磚生態(tài)溝渠對(duì)面源污染物的削減效果，進(jìn)一步對(duì)ED1和ED3進(jìn)行水樣采集和測(cè)定分析。圖5顯示了由入口到出口斷面，ED1（素土生態(tài)溝渠）和ED3（多孔磚生態(tài)溝渠）水體面源污染物的變化趨勢(shì)。由圖5可知，兩條生態(tài)溝渠不同監(jiān)測(cè)斷面ρ(NH4+)、ρ(NO3-)、ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(COD)均呈下降趨勢(shì)。如 11月 15日，ED1的ρ(NO3-)由入口的1.20 mg·L-1下降至出口的 0.60 mg·L-1，ρ(TN)由入口的 4.44 mg·L-1下降至出口的 2.77 mg·L-1；11 月 21日，ED3的ρ(TP)由入口的 0.32 mg·L-1下降至出口的0.12 mg·L-1，ρ(COD)由入口的 36.34 mg·L-1下降至出口的 15.90 mg·L-1。此外，比較兩條生態(tài)溝渠入口處水體徑流污染物的質(zhì)量濃度發(fā)現(xiàn)，ED1入口處ρ(NH4+)、ρ(NO3-)、ρ(TN)、ρ(TP)和ρ(COD)均低于 ED3入口處（圖5）。

圖5 兩種不同生態(tài)溝渠（ED1和ED3）入口、中點(diǎn)、出口面源污染物含量的變化Figure 5 Non-point source pollutant content at entrance, midpoint and outlet of two different ecological ditches(ED3 and ED4)

2.2.2 兩種溝渠對(duì)徑流污染物的削減率對(duì)比

圖 6顯示了由入口到出口斷面，ED1（素土生態(tài)溝渠）和ED3（多孔磚生態(tài)溝渠）對(duì)水體面源污染物的削減率。如圖所示，ED1中r(NH4+)、r(NO3-)、r(TN)、r(TP)和r(COD)變化范圍為 12%—38%、7%—50%、15%—37%、11%—55%和19%—32%，平均值依次為26%、25%、23%、33%和27%；ED3中r(NH4+)、r(NO3-)、r(TN)、r(TP)和r(COD)變化范圍為 16%—39%、25%—67%、21%—36%、47%—64%和26%—56%，平均值依次為28%、50%、30%、54%和41%。相比TN的削減率而言，兩種生態(tài)溝渠均對(duì)TP表現(xiàn)出較好的削減效果，其平均削減率均高于前者。此外，比較兩種不同生態(tài)溝渠的截留凈化效果，發(fā)現(xiàn)多孔磚生態(tài)溝渠 ED3對(duì)水體各項(xiàng)面源污染物的削減率（尤其是TP和COD），均高于素土生態(tài)溝渠ED1。

圖6 兩種不同生態(tài)溝渠（ED1和ED3）對(duì)水體NH4+、NO3-、TN、TP和COD的削減率對(duì)比Figure 6 Comparison of removal percentage of NH4+, NO3-, TN, TP and COD in two different ecological ditches(ED3 and ED4)

3 討論

本研究中水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，受強(qiáng)降雨事件影響，4條生態(tài)溝渠內(nèi)水體 NH4+和 NO3-的濃度呈波動(dòng)驟增，這與余紅兵等（2014）的報(bào)道一致。由于較大降雨發(fā)生過(guò)程中，稻田地表徑流氮磷流失量驟增，大量的化肥和泥沙顆粒隨著農(nóng)田徑流水進(jìn)入稻田排水溝渠（于會(huì)彬等，2009；王曉玲等，2015），導(dǎo)致生態(tài)溝渠不同斷面（入口、中點(diǎn)和出口）水體中NH4+和NO3-的濃度波動(dòng)升高。

此外，受強(qiáng)降雨事件影響，生態(tài)溝渠不同監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)變化特征在降雨前后發(fā)生顯著變化。降雨期間，生態(tài)溝渠NH4+和NO3-的濃度沿水流方向呈現(xiàn)不減反增的趨勢(shì)。其原因可能為，一方面強(qiáng)降雨發(fā)生期間，溝渠徑流量驟增導(dǎo)致水體的溫度降低，pH升高，沉積物的吸附能力下降（于會(huì)彬等，2009）。另一方面，本研究中的溝渠為新建溝渠，強(qiáng)降雨造成溝渠兩側(cè)發(fā)生不同程度的水土流失，導(dǎo)致溝渠水體氮磷和泥沙的含量沿著水流方向增加。然而，在降雨結(jié)束后，生態(tài)溝渠不同監(jiān)測(cè)斷面NH4+和NO3-的濃度沿水流方向均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，表現(xiàn)出了一定的截留凈化效果。

生態(tài)溝渠對(duì)水體污染物的截留效應(yīng)除了溝渠自身吸附、轉(zhuǎn)化攔截外，還與溝渠內(nèi)的水生植物有關(guān)（余紅兵等，2014；劉福興等，2019）。水生植物的存在，能有效減緩生態(tài)溝渠內(nèi)的水流速度，促進(jìn)顆粒物質(zhì)的沉淀，強(qiáng)化溝渠對(duì)水體污染物的攔截凈化（韓例娜等，2012）。研究表明，不同水生植物對(duì)農(nóng)田面源污染的生態(tài)阻控效果存在顯著差異。因此，生態(tài)溝渠內(nèi)水生植物的配置方式，是導(dǎo)致不同生態(tài)溝渠對(duì)水體污染物截留效果差異的一個(gè)重要因素。此外，作為人工濕地的重要組成部分，基質(zhì)的添加為濕地系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物過(guò)程提供反應(yīng)界面，進(jìn)而影響濕地系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果（徐德福等，2007；何佳寧等，2018）。因此，本研究中溝渠兩側(cè)多孔磚的鋪設(shè)是影響生態(tài)溝渠凈化截留效果的另一個(gè)重要因素。

生態(tài)溝渠作為一種特殊的濕地生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)田地表徑流中氮磷等面源污染物具有良好的削減截留效果（姜翠玲等，2004；余紅兵等，2014）。如何元慶等（2012）報(bào)道，生態(tài)溝渠對(duì)稻田排水徑流中固體懸浮物（SS）和TP的去除效率可達(dá)72%和63%。劉福興等（2019）發(fā)現(xiàn)，3種不同構(gòu)造生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)田氮、磷等面源污染物的去除效果均達(dá)到50%以上，且穩(wěn)定性較強(qiáng)。而在本研究中，素土生態(tài)溝渠ED1和多孔磚生態(tài)溝渠ED3對(duì)氮、磷等污染物的去除效果明顯低于前人的報(bào)道。一方面，本研究水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作是在 11月進(jìn)行的，與劉福興等（2019）開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的8月相比，水生植物生長(zhǎng)相對(duì)緩慢，對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收效率相對(duì)較低；另一方面，本研究中的生態(tài)溝渠是新建的，植物根系微生物豐富度和多樣性較低，微生物活動(dòng)尚不活躍。這些可能是導(dǎo)致本研究中生態(tài)溝渠削減效果相對(duì)較差的主要原因。此外，本研究中素土生態(tài)溝渠（ED1）和多孔磚生態(tài)溝渠（ED3）對(duì)TP的平均削減率均高于其對(duì)TN的平均削減率，與王曉玲等（2015）的研究結(jié)果一致。據(jù)張燕（2013）報(bào)道，生態(tài)溝渠對(duì)顆粒態(tài)氮磷的攔截效果優(yōu)于其對(duì)溶解態(tài)氮磷的攔截效果，溝渠徑流水體中的磷主要以顆粒態(tài)的形式存在，而氮?jiǎng)t主要以溶解態(tài)的形式存在。因此，相對(duì)TN而言，生態(tài)溝渠對(duì)TP表現(xiàn)出更好的削減效果。

前人的研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)溝渠的構(gòu)造類型會(huì)影響其對(duì)氮、磷等面源污染物的攔截效率（劉福興等，2019）。水生植物是生態(tài)溝渠的重要組成部分，也是溝渠攔截氮、磷等污染物的主要途徑（王巖等，2010；韓例娜等，2012；何元慶等，2012）。本研究中，通過(guò)比較植物配置方式相同的素土生態(tài)溝渠（ED1）和多孔磚生態(tài)溝渠（ED3）發(fā)現(xiàn)，溝渠兩側(cè)多孔磚的鋪設(shè)，有效增強(qiáng)了生態(tài)溝渠對(duì)水體污染物（尤其是TP和COD）的凈化效果。這可能是因?yàn)?，相比素土生態(tài)溝渠而言，多孔磚與植物的相互作用在減少溝渠兩側(cè)土壤氮、磷流失的同時(shí)，也增強(qiáng)了生態(tài)溝渠的截留凈化功效。生態(tài)溝渠中多孔磚的鋪設(shè)，可以通過(guò)降低裸土部分面積從而減少土壤中污染物質(zhì)流失，同時(shí)為植物和微生物的生長(zhǎng)提供介質(zhì)，而且還能通過(guò)吸附、過(guò)濾和沉淀等作用直接去除水中的氮磷等污染物質(zhì)，進(jìn)而增強(qiáng)溝渠濕地系統(tǒng)對(duì)水體污染物的去除效果（何佳寧等，2018）。另一方面，已有研究報(bào)道，生態(tài)溝渠對(duì)氮、磷等污染物截留去除能力，與溝渠進(jìn)水口的氮磷濃度有關(guān)，入口濃度越高，溝渠的削減量越大（王曉玲等，2015；段四喜等，2021）。在本研究中，采樣期間多孔磚生態(tài)溝渠入口水體 TP和 COD的含量都略高于素土生態(tài)溝渠，這可能是導(dǎo)致多孔磚生態(tài)溝渠削減率高于素土生態(tài)溝渠的另一個(gè)潛在原因。

本研究表明，除水生植物外，鋪設(shè)多孔磚能提高生態(tài)溝渠對(duì)水體污染物的截留凈化效果。劉福興等（2019）也曾報(bào)道，植被與填料基質(zhì)的相互作用增強(qiáng)了生態(tài)溝渠對(duì)水體污染物的凈化效果。作為一種特殊的濕地生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)溝渠中氮的去除途徑包括硝化與反硝化作用、基質(zhì)吸附、植物吸收和氨揮發(fā)等（楊林章等，2005；王巖等，2010），而懸浮物的沉降以及基質(zhì)和底泥的吸附是生態(tài)溝渠除磷的主要途徑（王巖等，2010）。研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)溝渠中氮的去除效率通常在 20%—90%（Li et al.，2020；王迪等，2016），其中植物吸收部分占4%—11%，而微生物作用占89%—96%（Lin et al.，2002；Stottmeister et al.，2003）。自然環(huán)境中，植物與微生物可形成復(fù)雜的共生關(guān)系（Chen et al.，2014；Wu et al.，2017），而基質(zhì)吸附的氮磷等則可以作為植物和微生物生長(zhǎng)代謝所必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（李強(qiáng)坤等，2017）。因此，探討如何充分利用基質(zhì)、植物和微生物間之間的協(xié)同作用，構(gòu)建高效穩(wěn)定的生態(tài)溝渠截留削減技術(shù)，是未來(lái)農(nóng)業(yè)面源污染防治的一個(gè)重要研究方向。

4 結(jié)論

本研究中，降雨發(fā)生期間，4條生態(tài)溝渠由入口到出口斷面水體各項(xiàng)面源污染物含量均有所增加；降雨結(jié)束后，沿溝渠水流方向面源污染物含量逐漸降低，呈現(xiàn)出一定的截留凈化效果。不同溝渠對(duì)面源污染物的削減率，與生態(tài)溝渠的構(gòu)造類型和植物配置方式有關(guān)；當(dāng)植物配置方式相同時(shí)，多孔磚生態(tài)溝渠對(duì)水體氮、磷和 COD的平均削減率顯著高于素土生態(tài)溝渠。生態(tài)溝渠中多孔磚的鋪設(shè)，不僅為植物的生長(zhǎng)提供介質(zhì)，而且可以通過(guò)物理吸附等作用直接去除水中的氮磷等污染物質(zhì)。此外，微生物作為濕地生態(tài)系統(tǒng)的分解者，是水體污染物降解的主要因子。自然條件下，生態(tài)溝渠中植物、基質(zhì)與微生物之間形成一個(gè)相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)，如何優(yōu)化植物-基質(zhì)-微生物間的協(xié)同作用，構(gòu)建高效穩(wěn)定的生態(tài)溝渠截留削減技術(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染防治具有重要意義。