多水塘系统调控农业非点源污染研究综述_涂安国

第40卷第21期

2009年11月

人 民 长 江

Y angtze R i ver

V o.l 40,N o .21N ov .,2009

收稿日期:2009-08-23

基金项目:国家科技支撑计划项目(2006BAC10B02)

作者简介:涂安国,男,河海大学环境科学与工程学院,硕士研究生;长江水利委员会长江水资源保护科学研究所。

文章编号:1001-4179(2009)21-0071-03

多水塘系统调控农业非点源污染研究综述

涂安国

1,2

尹 炜2 陈德强1 叶 闽2 雷阿林

2

(1.河海大学环境科学与工程学院,江苏南京210098; 2.长江水利委员会长江水资源保护科学研究所,湖北武汉430051)

摘要:多水塘系统由水塘及其出、入流系统组成。在综述多水塘系统调控农业非点源污染的生态水文功能及净化机制研究的基础上,根据生态水文过程和景观生态学原理,从生态水文格局构建、景观格局优化、生态管理等

三方面提出了多水塘系统的生态构建与长效管理技术。利用水塘系统控制非点源污染,能有效截留和净化流域内非点源污染物,是有效的非点源污染控制措施。关 键 词:非点源污染;调控;生态构建;多水塘系统中图分类号:X17 文献标识码:A

水体氮、磷富营养化是我国当前各大湖泊、主要水域的主要问题之一。研究表明:农田、农村畜禽养殖和城乡结合部的生活排污是造成水体氮、磷富营养化的主要原因,其贡献率大大超过来自城市生活污水的点源污染和工业的点源污染[1]。

目前,根据非点源污染/源)流)汇0逐级控制理念,提出了许多污染物的源头削减、中途拦截和末端处理的技术和措施[2]

,其中生态控制技术得到广泛的认可和应用。生态工程措施主要有农田生态系统措施、生态农业建设、湿地系统、植被过

滤带和多水塘系统等[3,4]

,其中多水塘系统不仅能够有效控制非点源污染,同时具有改善周围环境如防洪、灌溉、娱乐,增加生物多样性等功能[4],在有些农村已得到应用。

多水塘系统由水塘及其出入流系统组成,具有稳定的持留特性,能有效地截留和净化流域内非点源污染物,是有效的非点源污染控制措施[5]。研究非点源污染物在多水塘系统中的生态过程,确定多水塘系统在非点源污染物产生、运移过程中的生态功能,探求一种有利于非点源污染物截留的良性多水塘生态系统,对控制非点源污染具有重要意义。

1 多水塘系统的生态水文功能

多水塘系统微景观结构对地表径流的流量和流速具有调控作用,同时通过沟渠的传输作用使营养物质随径流在农田系统中循环利用,进而有效地减少营养物质的输出量。因此,多水塘系统对农业非点源污染的调控过程主要体现在其生态水文功能上,包括生态水文物理功能和生态水文化学功能。

1.1 生态水文物理功能

多水塘对非点源污染物的生态水文物理调控功能通过调控径流得以实现,对径流具有流量和流速的双重调节功能。当发生降水)径流过程时,径流沿附近的沟渠经一系列的水塘进行空间调配进而改变流态和流量,最终汇入河流、湖泊等地表水

体。营养盐通过降雨和地表径流被输送到水体中,对降雨径流的截留量直接影响到进入地表水体中营养盐的量,因此多水塘的贮水能力和植被对降水的截留成为其对非点源污染控制的相当重要的因素。在降雨量较小的情况下,多水塘系统基本上可使地表径流截留在系统内部,无养分输出;在降雨量大时,多水塘系统可以利用其一定的储存能力减少径流输出量,延缓并减小峰值。毛战坡[6]在安徽六叉河的研究表明,多水塘系统能够截留日降雨强度141mm 降雨所产生径流的90%,径流峰值从2.6m 3/s 降低到0.3m 3/s 。孙璞[7]在六叉河进行了农村水塘控制氮磷流失效果的跟踪监测,研究结果表明:当降雨量小于28mm 时,多水塘系统对径流和营养盐的截留率为100%,两年平均的径流截留比例是85.5%,总氮和总磷的截留比例分别达到98.0%和96.0%。由于较大的储水容量,多水塘系统能够有效地沉积水土流失颗粒,平均年沉积厚度可达3c m 。同时,连接水塘的沟渠具有较高的横断面/水深比,以及植被对径流有过滤作用,使得沟渠能够有效地滞留氮、磷等污染物。多水塘系统中的河口型、水塘型沟渠断面在不同的水文条件(基流、降雨径流)具有稳定的滞留功能,总磷、总氮的滞留量约占全部滞留量的60%以上[8]。

1.2 生态水文化学功能

多水塘系统对非点源污染物的生态水文化学功能主要体现在水质净化方面。多水塘系统水流格局和地下水的补给、径流和排泄,在控制和降低营养物的运移、营养负荷,净化水质方面具有重要的作用。复杂的农田)沟渠)水塘复合系统中多种生物与环境因素进行着物质和能量的转换、流动,特别是菌藻共生体系,具有很强的降解和转化污染物的能力,它利用生态系统中物理)化学)生物的三重协调作用,通过过滤、吸附、沉淀、植物吸收、微生物降解来实现对污染物质的高效分解与净化。水生植物体的吸收同化作用是多水塘系统对污染物净化的一个重要

人民长江2009年

途径。韩小勇[9]等人在安徽六叉河的研究表明,水生植被的面积仅占多水塘系统面积的12%,对氮磷的面源污染截留率分别可达12%和6.7%。微生物作用在多水塘的净化污染物上具有重要作用,可以实现污染物的减量化和无害化。

2多水塘系统的生态净化机制

多水塘系统对非点源污染具有独特而复杂的净化过程,主要利用土壤)微生物)植物系统,通过物理的、化学的和生物的过程,实现对径流污染物的截留、沉积、吸收、转化等,达到非点源污染的高效净化,同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环,促进绿色植物生长,实现污染物的资源化和无害化。

2.1截留沉淀

径流汇入沟渠通常具有较大的动能,流速较快,但在汇入水塘后,由于横断面积的增大,流速大大降低,污染物质在水文路径上的滞留时间延长,从而可使径流的携污能力得到削弱,各种持留机制作用更为充分,使地表径流中污染物的含量逐渐降低,减少污染物向下游水体的输出。

水塘主要属于滞留型结构,其较大的径流容纳能力可以使可溶态的氮、有机物等滞留在水塘内部加以净化。它们对磷、泥沙等污染物的滞留作用则主要是通过形成稳定的水体沉积环境,使污染物中颗粒态物质及其吸附的溶解态物质在重力作用下逐渐沉积,得以去除。另外,其结构对径流的物理阻挡,可使径流动能急剧下降,从而使径流的携污能力得到有效削弱。

连接水塘的含草沟渠主要属于缓冲型结构。污染物在从农田和村庄向水体转移的途中,以地表径流、潜层渗流的方式通过沟渠进入水体,沟渠中的水生植物形成密集的过滤带。沟渠中的植物过滤带能增加地表水流的水力粗糙度,降低水流速度以及水流作用于土壤的剪切力,进而降低污染物的输移能力,促进其在沟渠中沉淀。如香蒲,它的地下茎和根形成纵横交错的地下茎网,水流缓慢时重金属和悬浮颗粒被其阻隔而沉降,防止其随水流失,同时又在其表面进行离子交换、整合、吸附、沉淀等,不溶性胶体为根系吸附,凝集的菌胶团把悬浮性的有机物和新陈代谢产物沉降下来[10]。通过水生植物过滤、截留和土壤吸附截留大颗粒物,减少或缓解对下游水塘或河道污染负荷的冲击。

2.2水生植物吸收

农业径流中的许多污染物对水生植物来说是其生长发育不可缺少的营养物质,水生植物能直接吸收利用水体中的营养物质,如凤眼莲生长过程需要大量的N、P营养物[11],它吸收后生长迅速,对于净化富营养化水体效果明显。多水塘系统中的有机氮被微生物分解和转化,而无机氮作为植物生长过程中不可缺少的物质被植物摄取,合成蛋白质和有机氮,再通过植物的收割从系统中除去。无机磷也是植物生长的必须的营养元素,系统中的无机磷在植物吸收及同化作用下可转化为植物的ATP、DNA、RNA等有机成分,然后通过植物收割被除去[12]。生根植物直接从水塘沉积物中去除营养物质。许多根系不发达的沉水植物也能直接从水体中吸收营养物质。但不同类型的植物对氮磷等营养物的吸收有所差异,其中沉水植物氮磷吸收量显著高于挺水植物。

2.3底泥吸附

水塘底泥拥有较强的磷吸附性能,最大吸附容量可达228 ~974m g/kg,平衡浓度(EPC

)为0.004~0.032mg/L,平均饱和度(DPS)仅为9.5%。水塘周围土地利用明显影响沉积物物理化学性质和吸附性质,最大吸附容量表现为山塘、旱塘、田塘、河塘、村塘,平衡浓度则刚好相反。因此,水塘沉积物磷吸附容量主要受内部因子和外部因子的影响。

多水塘系统中的沟渠沉积物的氮磷吸附特性既不符合L angmu ir吸附等温式,也不符合F reundli ch吸附规律。在一定的浓度范围内,沟渠沉积物对氨氮和磷酸盐的吸附量与溶液浓度的对数和平衡浓度成良好的线性关系,吸附动力学表现出/快速吸附,缓慢平衡0的特点[13]。沟渠沉积物对氨氮也具有很强的吸附性质,主要是通过化学吸附和离子交换作用进行,最大吸附容量可达1300m g/kg,固态氨氮含量为9.81mg/kg,对磷的吸附)解吸平衡质量浓度为0.046mg/L,与同流域内湖泊河流相比均较低。这主要是由于多水塘系统的透光性和曝气条件较好,积累的有机物和营养成分得到了快速转化分解。

2.4微生物降解

多水塘系统中水生植物的根系区域为微生物的附着、栖生、繁殖和降解营养物质提供了场所和好养条件,从而构成了一个起着多种生化作用的微生物生态系统。在多水塘系统中由于生长在水塘的挺水植物对氧起到运输、释放、扩散的作用,将空气中的氧转运到植物根部,再经植物根系扩散,在植物根系周围形成好氧区、兼氧区和厌氧区,有利于氮的硝化、反硝化反应和微生物对磷的过量积累作用,达到脱氮除磷的效果,另一方面通过厌氧条件下有机物的降解,提高生物对难降解有机物的去除效果。同时,植物的根系分泌物还可以促进某些嗜磷、氮细菌的生长,促进氮、磷吸收与转化,间接提高净化率[14]。

2.5循环利用

多水塘系统能够使养分资源循环利用,从而减少湖泊的磷氮负荷,是控制面源污染的可持续方法。农民一方面利用水塘作为水源,干旱季节用于农田灌溉,同时收集雨水、生活及农用污水,进行渔业养殖,使得养分在生态系统中循环利用;另一方面,又利用水塘底泥(沉积物)作为肥料,用于农业生产,使营养物质回到陆地生态系统,进行多次循环利用,从而维持了水塘生态系统的稳定性。其中,灌溉是磷循环和去除的有效途径,在六叉河小流域,通过灌溉,TP的循环总量为78.1~82.5kg/a,DTP 为69.5~77.1kg/a。DT P是磷主要的再循环形式。

3多水塘系统的生态构建与长效管理

多水塘系统是有效的非点源生态控制措施,不仅可控制污染负荷,还可提高水资源的利用率,在农业非点源污染防治中可以广泛采用。过程产生格局,格局作用于过程,合理的生态水文格局和景观格局是多水塘系统生态构建的主要内容。

3.1生态水文格局的构建

多水塘生态水文格局决定生态水文功能,合理生态水文格局的构建可以充分发挥多水塘的水文和生态环境效益。通过沟渠把多水塘串联起来形成了较为复杂的空间拓扑结构,径流随之在其中进行生态水循环。科学合理的沟塘格局可有效地改变污染物在系统中的运移形态和水文途径,最大限度地利用塘系统对污染物的生态持留作用。

塘系统的微观结构对农业非点源污染控制具有空间异质性。不同的塘景观结构对农业非点源污染控制的作用侧重点不同,有的主要是起滞留塘的作用,有的主要是起氧化塘的作用,有的则是起污染物输送通道的作用。因此,针对系统中不同景观结构的空间分布特点和污染物在流域内运行的水文途径以及

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