生态沟渠对农田排水中氮磷的去除机理初探
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动态试验计时和采样: 在进水 池中调好进水氮 磷浓度或泥沙含量, 排空沟渠, 打开进水阀门, 开始 计时, 当出水口出现稳定的水流时停止计时, 并同时 在进水口和出水口采集水样。静态试验采样: 在进 水池中调好进水氮磷浓度, 于每条沟渠的前、中、后 3 处分别设置采样点, 结果取平均值。试验结束后对 沟底、沟壁和过滤箱中的植物进行取样并统计生物 量, 测量 3种沟渠底部的底泥厚度, 并对底泥和过滤 箱基质进行采样。
水样 主要 分 析项 目包 括总 氮、总 磷和 悬浮 物 ( SS)浓度 , 取样及处理方法见文献 [ 5]。总氮、总磷 浓度采用荷兰 Skalar公司 SA - 4000型氮磷流动分 析仪测定; SS采用定量滤纸过滤, 105 ∃ 烘干至恒质 量后测定。植株的主要分析项目为总氮和总磷, 总 氮采用开氏定氮法测定, 总磷采用钼锑抗比色法测 定 [ 6] 。底泥和基质磨碎后用 Se - CuSO4 - K2 SO4 H2 SO4 消 化, 凯 氏 滴 定 法 测 定 总 氮 含 量; 总 磷 为 H2 SO4 - H C lO4消化, 钼锑抗比色法测定含量。
In itial Exploration of M echanism of Ecological D itch Intercep ting N itrogen and Phosphorus in Drainage From Farm land. WAN G Yan1, 2, WAN G J ian guo1, LI W ei1, BO Lu ji1, YANG L in zhang1 ( 1. Institute o f So il Sc ience, Chinese A cadem y of Sciences, N an jing 210008, Ch ina; 2. Institute of A gr icultura l R esources and Env ironm ent, Jiang su A cademy o f A gr icultural Sciences, N an jing 210014, China) Abstract: T hree d ifferent types of drainage ditches, eco log ical ditch, control ditch # 1 and control ditch# 2 w ere built up in the fie ld fo r study o f their respective e ffectiveness in in tercepting particu la tes in dra inage and the ir m echan isms. Itw as found that the e ffectiveness of the eco log ica l ditch remov ing N and P from dra inage was m anifested in N and P uptake by d itch plan ts, adso rption by substrates and uptake by p lants in the filter box, reduced flow rate and silt settlem ent caused by inte rcepting dam s in d itch, etc. O f the tota lN and P in the dra inage o f the summ er expe rim en t, 68 30% and 78 45% w ere rem oved by d itch p lants, 1 05% and 5 05% by sedim en t. O f the to tal N and P in the dra inag e o f the w inter exper i m ent, 0 37% and 1 55% w ere rem oved by filter box plants, 10 82% and 37 94% by filte r box substra te. M oreove r, the eco log ical d itch w ith interception dam sw as tw ice asm uch effec tive as the controls in ex tend ing the hydraulic retention tim e (HRT ). K ey word s: field dra inage; eco log ica l ditch; N; P; p lant; flow ra te; filter box; interception dam
从图 1可以看出, 当 HRT 较短时 ( 0~ 6 h), 3条 沟渠对氮磷的去除效果排序为生态沟渠 > 对照沟渠
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1> 对照沟渠 2。当 HRT 延长至 48 h之后, 3条沟渠 对氮磷的去除效果排序为生态沟渠 > 对照沟渠 2 >
# 588#
生态与农 村环境学报
第 26卷
对照沟渠 1, 且 3 种沟渠对氮磷的去除基本达到稳 定, 继 续延 长 HRT 对 氮磷的 去除 效果 变化 不大。 HRT 为 48 h时生态沟渠、对照沟渠 1和对照沟渠 2 对 TN的去除率分别为 53 8% 、23 4% 和 41 8% , 对 TP的去除率分别为 81 6% 、54 0% 和 61 6% 。
苏省农业科学院农业 资源与环境研究所, 江苏 南京 210014)
摘要: 在野外分别构 建生态沟渠 (采用分布有 10 cm 10 cm 长方形孔的混 凝土板材, 沟底、沟壁种植 植物 )、对照 沟渠 1(采用硬质化 混凝土板材, 未人为布设植物 ) 和对照沟渠 2( 土质沟渠, 未人为布设植物 ), 研究了 3种沟渠对 颗粒物的拦 截效果及其机理。结果表明, 生态 沟渠对 农田排 水中氮 磷的高 效去除 机理主要 表现在 沟渠植 物的吸 收、过滤箱 中的基质吸 附和植物 吸收、沟渠拦截坝 所产生的减 缓流速和 沉降泥沙等 方面。其中, 沟渠植 物吸收氮 磷分别占夏 季试验进水氮磷总量的 68 30% 和 78 45% , 泥 沙沉降 占 1 05% 和 5 05% ; 生态 沟渠放 置过滤 箱后的 氮磷去除效 果显著好于未放置时, 过滤箱中的植物吸收氮磷占放 置过滤箱试验进水氮磷量的 0 37% 和 1 55% , 过 滤箱中的基 质吸附占 10 82% 和 37 94% ; 生态沟渠设置拦截坝 时的水力停留时间较未设拦截坝时延长 2 0倍 。 关键词: 农田排水; 生态沟渠 ; 氮; 磷; 植物; 流速; 过滤箱; 拦截坝 中图分类号 : X17 文献标识码: A 文章编号: 1673- 4831( 2010) 06- 0586- 05
2 结果与讨论
2. 1 不同沟渠对排水中氮磷拦截的差异 静态试验中, 不同沟渠在水力停留时间 ( HRT )
为 0~ 72 h时对进水中氮磷的去除效果见图 1。
图 1 不同沟渠对进水中 TN、TP 的去除差异 Fig. 1 D ifferen ces between d itch es in TN and TP removin g eff ic iency
第 6期
王 岩等: 生态沟渠对农田排水中氮磷的去除 机理初探
# 587#
底部采用分布有 10 cm 10 cm 长方形孔的混凝土 板材。对照沟渠的尺寸与生态沟渠相同, 其中混凝 土沟渠 ( 以下称对照沟渠 1) 的两壁和底部均采用硬 质化混凝土板材, 土质沟渠 ( 以下称对照沟渠 2) 的 两壁和底部均为土质。所有沟渠的长度均为 30 m, 配有公共的进水池和单独的进、出水控制系统。
统研究, 以期指导生态沟渠的构建, 进而为农业非点 源污染防治探寻一条适合中国国情和地域特色的技
术途径。
1 材料与方法
1. 1 试验设计 试验地点设在江苏省宜兴市丁蜀镇渭渎村农田
( 31!17 295∀N, 119!53 898∀E ), 生态沟渠按照当地 普通农田排水沟渠的尺寸设计, 即沟渠横截面为梯 形, 上口宽 1 00 m, 底宽 0 50 m, 深 0 94 m, 两壁和
基金项目: 国家科技支撑计 划 ( 2006BAD 17B03 ) ; 国家自然 科学基金 ( 40771119 ) ; 中 国 科 学 院 知 识 创 新 工 程 领 域 前 沿 项 目 ( 20752010033) 收稿日期: 2010- 05 - 05
通讯联系人 E m ai:l jgw ang@ issas. ac. cn
冬季试验于 2008年 11月 28日至 12月 10日进 行。将生态沟渠以拦截坝为界分为 3段, 堵住出水 口, 以保证各段沟渠中的水体互不流通。于第 3 段 沟渠中每隔 3 m 放置 1个过滤箱, 进行 3个周期的 试验, 对比生态沟渠前后段的净化差异, 取出过滤箱 并采集过滤箱中的植物和基质样品。 1. 2 样品采集与测定
夏季试验于 2008年 7~ 9 月进行, 分静态试验 和动态试验 2种, 试验时间共 56 d, 其中静态试验时 间为 45 d, 动态试验时间为 11 d。静态试验: 依据宜 兴地区稻田排水 中氮磷浓 度范围配 置不同浓 度进 水, ( TN ) 为 6 02~ 38 18 m g# L- 1, ( TP )为 0 13~ 1 18 m g# L- 1。统一进水后, 以拦截坝为界分成 3段 取样, 设 4 d为 1个周期, 分别于停留时间 ( HRT ) 0、 6、24、48、72 h时采集水样, 对比 3 种沟渠的净化差 异。动态试验分为 2种: ( 1) 选择不同的流速, 研究 流动状态下生态沟渠和对照沟渠中水流减缓程度的 差异和底部增加拦截坝前后生态沟渠水体流速的变 化情况, 每种流速重复 3次; ( 2)模拟暴雨, 在相同流 速和不同泥沙含量进水条件下, 研究生态沟渠和对 照沟渠对进水中泥沙拦截的差异。试验结束后采集 沟渠植物和底泥样品。
生态与农 村环境学报 2010, 26 ( 6): 586- 590 J ournal of Ecology and R ural Environm ent
生态沟渠对农田排水中氮磷的去除机理初探
王 岩 1, 2, 王建国 1 , 李 伟 1, 薄录吉 1, 杨林章 1 ( 1 中国科学 院南京 土壤研 究所, 江苏 南京 210008; 2 江
当 HRT 较短时, 沟渠对排水中氮磷的去除以吸 附为主。生态沟渠和对照沟渠 1中的主要支撑部分 ( 水泥板 )可快速吸收水中的氮磷元素, 从而使这 2 条沟渠中的氮磷浓度快速下降; 而生态沟渠除板材 吸附外, 沟底和沟壁存在的大量植物也会促进其对 水中氮磷元素的吸收。随着 HRT 的延长, 板材吸附 逐渐达到饱和, 此时植物对氮磷的吸收作用跃升为 沟渠净化水体的主要途径, 在对照沟渠 1 中没有植 物生长, 因此其净化效果逐渐趋于平缓; 而生态沟渠 和对照沟渠 2中生长有植物, 且生态沟渠底部的植 物量明显高于对照沟渠 2, 因此其净化效果也好于 对照沟渠 2。
夏季试验生态沟渠的沟底分别种植长度为 10 m 的空心菜、水稻和水芹, 沟壁分别种植 长度为 10和 20 m 的狗牙根和豇豆; 冬季试验沟底种植水芹, 沟壁 种植黑麦草。对照沟渠的沟壁和沟底均未人为布设 植物。在生态沟渠中设置 2个拦截坝, 将沟渠平均 分为 3段。拦截坝高 30 cm, 其上有一出水口, 位置 紧靠沟底, 以保证排水时能排空。需要时可在沟渠 中放置过滤箱。过滤箱由 圆形带孔 箱体、炉渣 ( 基 质 ) 和植物组成, 其横截面为梯形, 上口宽 40 cm, 底 宽 30 cm, 深 20 cm。
农业非点源污染已成为太湖流域重要的污染来
源, 其对太湖的氮磷贡献率分别达 83% 和 84% , 其 中农田的污染贡献不容忽视 [ 1- 2] 。在众多针对太湖 地区农业非点源污染的治理方法中, 生态沟渠法具 有较高的氮磷去除率和较好的景观效应, 其动态氮 磷去除率达 35 7% 和 41 0% , 静态 氮磷去 除率达 58 2% 和 84 8% [ 3 - 4 ] , 但到目前为 止, 关 于生态沟 渠的氮磷拦截机理的研究报道较少。鉴于此, 笔者 就生态沟渠对农田排水中氮磷的拦截机理进行了系
水样 主要 分 析项 目包 括总 氮、总 磷和 悬浮 物 ( SS)浓度 , 取样及处理方法见文献 [ 5]。总氮、总磷 浓度采用荷兰 Skalar公司 SA - 4000型氮磷流动分 析仪测定; SS采用定量滤纸过滤, 105 ∃ 烘干至恒质 量后测定。植株的主要分析项目为总氮和总磷, 总 氮采用开氏定氮法测定, 总磷采用钼锑抗比色法测 定 [ 6] 。底泥和基质磨碎后用 Se - CuSO4 - K2 SO4 H2 SO4 消 化, 凯 氏 滴 定 法 测 定 总 氮 含 量; 总 磷 为 H2 SO4 - H C lO4消化, 钼锑抗比色法测定含量。
In itial Exploration of M echanism of Ecological D itch Intercep ting N itrogen and Phosphorus in Drainage From Farm land. WAN G Yan1, 2, WAN G J ian guo1, LI W ei1, BO Lu ji1, YANG L in zhang1 ( 1. Institute o f So il Sc ience, Chinese A cadem y of Sciences, N an jing 210008, Ch ina; 2. Institute of A gr icultura l R esources and Env ironm ent, Jiang su A cademy o f A gr icultural Sciences, N an jing 210014, China) Abstract: T hree d ifferent types of drainage ditches, eco log ical ditch, control ditch # 1 and control ditch# 2 w ere built up in the fie ld fo r study o f their respective e ffectiveness in in tercepting particu la tes in dra inage and the ir m echan isms. Itw as found that the e ffectiveness of the eco log ica l ditch remov ing N and P from dra inage was m anifested in N and P uptake by d itch plan ts, adso rption by substrates and uptake by p lants in the filter box, reduced flow rate and silt settlem ent caused by inte rcepting dam s in d itch, etc. O f the tota lN and P in the dra inage o f the summ er expe rim en t, 68 30% and 78 45% w ere rem oved by d itch p lants, 1 05% and 5 05% by sedim en t. O f the to tal N and P in the dra inag e o f the w inter exper i m ent, 0 37% and 1 55% w ere rem oved by filter box plants, 10 82% and 37 94% by filte r box substra te. M oreove r, the eco log ical d itch w ith interception dam sw as tw ice asm uch effec tive as the controls in ex tend ing the hydraulic retention tim e (HRT ). K ey word s: field dra inage; eco log ica l ditch; N; P; p lant; flow ra te; filter box; interception dam
从图 1可以看出, 当 HRT 较短时 ( 0~ 6 h), 3条 沟渠对氮磷的去除效果排序为生态沟渠 > 对照沟渠
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1> 对照沟渠 2。当 HRT 延长至 48 h之后, 3条沟渠 对氮磷的去除效果排序为生态沟渠 > 对照沟渠 2 >
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生态与农 村环境学报
第 26卷
对照沟渠 1, 且 3 种沟渠对氮磷的去除基本达到稳 定, 继 续延 长 HRT 对 氮磷的 去除 效果 变化 不大。 HRT 为 48 h时生态沟渠、对照沟渠 1和对照沟渠 2 对 TN的去除率分别为 53 8% 、23 4% 和 41 8% , 对 TP的去除率分别为 81 6% 、54 0% 和 61 6% 。
苏省农业科学院农业 资源与环境研究所, 江苏 南京 210014)
摘要: 在野外分别构 建生态沟渠 (采用分布有 10 cm 10 cm 长方形孔的混 凝土板材, 沟底、沟壁种植 植物 )、对照 沟渠 1(采用硬质化 混凝土板材, 未人为布设植物 ) 和对照沟渠 2( 土质沟渠, 未人为布设植物 ), 研究了 3种沟渠对 颗粒物的拦 截效果及其机理。结果表明, 生态 沟渠对 农田排 水中氮 磷的高 效去除 机理主要 表现在 沟渠植 物的吸 收、过滤箱 中的基质吸 附和植物 吸收、沟渠拦截坝 所产生的减 缓流速和 沉降泥沙等 方面。其中, 沟渠植 物吸收氮 磷分别占夏 季试验进水氮磷总量的 68 30% 和 78 45% , 泥 沙沉降 占 1 05% 和 5 05% ; 生态 沟渠放 置过滤 箱后的 氮磷去除效 果显著好于未放置时, 过滤箱中的植物吸收氮磷占放 置过滤箱试验进水氮磷量的 0 37% 和 1 55% , 过 滤箱中的基 质吸附占 10 82% 和 37 94% ; 生态沟渠设置拦截坝 时的水力停留时间较未设拦截坝时延长 2 0倍 。 关键词: 农田排水; 生态沟渠 ; 氮; 磷; 植物; 流速; 过滤箱; 拦截坝 中图分类号 : X17 文献标识码: A 文章编号: 1673- 4831( 2010) 06- 0586- 05
2 结果与讨论
2. 1 不同沟渠对排水中氮磷拦截的差异 静态试验中, 不同沟渠在水力停留时间 ( HRT )
为 0~ 72 h时对进水中氮磷的去除效果见图 1。
图 1 不同沟渠对进水中 TN、TP 的去除差异 Fig. 1 D ifferen ces between d itch es in TN and TP removin g eff ic iency
第 6期
王 岩等: 生态沟渠对农田排水中氮磷的去除 机理初探
# 587#
底部采用分布有 10 cm 10 cm 长方形孔的混凝土 板材。对照沟渠的尺寸与生态沟渠相同, 其中混凝 土沟渠 ( 以下称对照沟渠 1) 的两壁和底部均采用硬 质化混凝土板材, 土质沟渠 ( 以下称对照沟渠 2) 的 两壁和底部均为土质。所有沟渠的长度均为 30 m, 配有公共的进水池和单独的进、出水控制系统。
统研究, 以期指导生态沟渠的构建, 进而为农业非点 源污染防治探寻一条适合中国国情和地域特色的技
术途径。
1 材料与方法
1. 1 试验设计 试验地点设在江苏省宜兴市丁蜀镇渭渎村农田
( 31!17 295∀N, 119!53 898∀E ), 生态沟渠按照当地 普通农田排水沟渠的尺寸设计, 即沟渠横截面为梯 形, 上口宽 1 00 m, 底宽 0 50 m, 深 0 94 m, 两壁和
基金项目: 国家科技支撑计 划 ( 2006BAD 17B03 ) ; 国家自然 科学基金 ( 40771119 ) ; 中 国 科 学 院 知 识 创 新 工 程 领 域 前 沿 项 目 ( 20752010033) 收稿日期: 2010- 05 - 05
通讯联系人 E m ai:l jgw ang@ issas. ac. cn
冬季试验于 2008年 11月 28日至 12月 10日进 行。将生态沟渠以拦截坝为界分为 3段, 堵住出水 口, 以保证各段沟渠中的水体互不流通。于第 3 段 沟渠中每隔 3 m 放置 1个过滤箱, 进行 3个周期的 试验, 对比生态沟渠前后段的净化差异, 取出过滤箱 并采集过滤箱中的植物和基质样品。 1. 2 样品采集与测定
夏季试验于 2008年 7~ 9 月进行, 分静态试验 和动态试验 2种, 试验时间共 56 d, 其中静态试验时 间为 45 d, 动态试验时间为 11 d。静态试验: 依据宜 兴地区稻田排水 中氮磷浓 度范围配 置不同浓 度进 水, ( TN ) 为 6 02~ 38 18 m g# L- 1, ( TP )为 0 13~ 1 18 m g# L- 1。统一进水后, 以拦截坝为界分成 3段 取样, 设 4 d为 1个周期, 分别于停留时间 ( HRT ) 0、 6、24、48、72 h时采集水样, 对比 3 种沟渠的净化差 异。动态试验分为 2种: ( 1) 选择不同的流速, 研究 流动状态下生态沟渠和对照沟渠中水流减缓程度的 差异和底部增加拦截坝前后生态沟渠水体流速的变 化情况, 每种流速重复 3次; ( 2)模拟暴雨, 在相同流 速和不同泥沙含量进水条件下, 研究生态沟渠和对 照沟渠对进水中泥沙拦截的差异。试验结束后采集 沟渠植物和底泥样品。
生态与农 村环境学报 2010, 26 ( 6): 586- 590 J ournal of Ecology and R ural Environm ent
生态沟渠对农田排水中氮磷的去除机理初探
王 岩 1, 2, 王建国 1 , 李 伟 1, 薄录吉 1, 杨林章 1 ( 1 中国科学 院南京 土壤研 究所, 江苏 南京 210008; 2 江
当 HRT 较短时, 沟渠对排水中氮磷的去除以吸 附为主。生态沟渠和对照沟渠 1中的主要支撑部分 ( 水泥板 )可快速吸收水中的氮磷元素, 从而使这 2 条沟渠中的氮磷浓度快速下降; 而生态沟渠除板材 吸附外, 沟底和沟壁存在的大量植物也会促进其对 水中氮磷元素的吸收。随着 HRT 的延长, 板材吸附 逐渐达到饱和, 此时植物对氮磷的吸收作用跃升为 沟渠净化水体的主要途径, 在对照沟渠 1 中没有植 物生长, 因此其净化效果逐渐趋于平缓; 而生态沟渠 和对照沟渠 2中生长有植物, 且生态沟渠底部的植 物量明显高于对照沟渠 2, 因此其净化效果也好于 对照沟渠 2。
夏季试验生态沟渠的沟底分别种植长度为 10 m 的空心菜、水稻和水芹, 沟壁分别种植 长度为 10和 20 m 的狗牙根和豇豆; 冬季试验沟底种植水芹, 沟壁 种植黑麦草。对照沟渠的沟壁和沟底均未人为布设 植物。在生态沟渠中设置 2个拦截坝, 将沟渠平均 分为 3段。拦截坝高 30 cm, 其上有一出水口, 位置 紧靠沟底, 以保证排水时能排空。需要时可在沟渠 中放置过滤箱。过滤箱由 圆形带孔 箱体、炉渣 ( 基 质 ) 和植物组成, 其横截面为梯形, 上口宽 40 cm, 底 宽 30 cm, 深 20 cm。
农业非点源污染已成为太湖流域重要的污染来
源, 其对太湖的氮磷贡献率分别达 83% 和 84% , 其 中农田的污染贡献不容忽视 [ 1- 2] 。在众多针对太湖 地区农业非点源污染的治理方法中, 生态沟渠法具 有较高的氮磷去除率和较好的景观效应, 其动态氮 磷去除率达 35 7% 和 41 0% , 静态 氮磷去 除率达 58 2% 和 84 8% [ 3 - 4 ] , 但到目前为 止, 关 于生态沟 渠的氮磷拦截机理的研究报道较少。鉴于此, 笔者 就生态沟渠对农田排水中氮磷的拦截机理进行了系