氮磷面源污染在沟渠中的迁移转化机理

摘   要   分析当前氮磷农业面源污染的现状，简要综述了农田排水沟渠中氮元素的转化机理（植物吸收、脱氮作用、沉积作用、渗透作用），磷元素的迁移转化机理（植物吸收、底泥吸附、底泥沉降、还原产生PH3等）。

关键词   农业面源污染;排水沟渠;氮;磷;迁移转化

中图分类号：X592    文献标志码：B    DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.31.030

農业面源污染已成为水体氮、磷的重要污染源。2017年中央一号文件和政府工作报告中均指出：需加快治理农业面源污染，治理流域水污染和控制农村面源污染。农业面源污染已成为我国环境污染治理的重中之重。

1 农业面源污染现状

农业面源污染，又称农业非点源污染，是由农田中的土粒、氮素、磷素、农药重金属、农村禽畜粪便与生活垃圾等有机或无机物质，在降水和径流冲刷作用下，通过农田地表径流、农田排水和地下渗漏，使大量污染物进入受纳水体（河流、湖泊等）所引起的污染。农业面源污染因范围广阔，难以控制，成为重要的污染源，是水环境污染的主要来源，其中，氮、磷营养元素是农业面源污染的主要污染物质。在我国，氮、磷富营养化已成为水污染的核心问题，有25个湖泊水体中全氮均富营养化，山东近海和太湖流域等地的污染负荷均是由农业非点源污染造成的[1-2]，在其他主要湖泊和水系中，高浓度的总氮和总磷是影响水体水质的主要原因。研究表明，水体中35.7%的氮和24.7%的磷均来自农田系统的面源污染。在荷兰，60%的氮负荷和40%～50%的磷负荷也均来自农田系统的面源污染。在法国、英国等国，氮素流失已成为水体污染的主要原因。丹麦的270条河流中来自于面源污染的氮负荷和磷负荷分别达到94%和52%。在美国，农业面源污染分别占所有湖泊和河流营养物质负荷总量的57%和64%，农业面源污染是湖泊和河流污染物的主要来源之一。

2 氮在农田排水沟渠中的转化机理

淋溶迁移和径流迁移是排水沟渠中氮的两种主要迁移方式[3]。氮的淋溶迁移是指底泥中的氮向下移至根系以下，造成氮素损失，无法被植物根系吸收。氮的径流迁移则是指通过泥沙颗粒表面吸附或直接溶解在径流中，氮素随径流而损失。氮的径流迁移主要包括悬浮态流失和淋洗态流失，它们都进入水体。降雨径流对氮的迁移起着重要作用，其中氨态氮是降雨径流中的主要迁移形态，硝态氮以土壤渗漏的形式迅速迁移到沟渠中[4]。在沟渠系统中，总氮的44%和15%左右分别以可溶性有机氮和颗粒态形式存在，随着农田排水或降雨径流，颗粒沉降在沟渠中[5]。在旱地，主要通过“化学侵蚀”和“物理侵蚀”途径来进行氮、磷养分和表土有机物质的迁移[6]。

氮循环的几个主要环节包括硝化作用、氨化作用、固氮、脱氮和矿化作用[7]。农田排水沟渠中氮主要通过四种机制迁移转化：植物吸收、脱氮作用、沉积作用和渗透作用等。

人工湿地和天然湿地对氮的去除率可达到79%。据研究报道，湿地对氨态氮的吸收率可达14%～98%，对硝态氮的吸收率为96%，且湿地内硝态氮的转化率高于95%。由于沟渠具有排水和湿地系统的双重功效，干燥和湿润交替，且有植被存在，沟渠系统中存在好氧区和厌氧区。土壤表面会在碱性条件下吸附有机氮，使微生物发生氨化作用或矿化作用，形成氨态氮，并被植物吸收或挥发。同时，在好氧环境中，即在植物的根部区域，由于微生物硝化细菌的存在，氨态氮通过硝化作用转化为硝态氮，主要被植物吸收，是植物吸收的另一种无机氮。杨林章等研究表明，植物不仅可以通过吸收来去除水中的部分氮和磷，还能产生有利于去除氮和磷的环境，即厌氧-好氧环境，而且由于沟渠植物根系发达，底层植物降低了水的流动速度而使颗粒物沉淀[8]。植物系统与无植物系统相比，微生物含量更多[9]。水生植物香蒲和芦苇具有明显的根际效应，且根际微生物活性比非根际微生物活性高，而且芦苇与香蒲相比，净化效果更好，是因为芦苇根际亚硝酸细菌数量更多[10]。植物吸收在人工湿地中处理富营养化水的氮发挥了重要作用[11]。也有研究表明可通过选择光合能力强的植物来构建沟渠，可间接影响氨态氮的硝化作用，从而增强沟渠的脱氮效果[12]。其实，反硝化作用是氮迁移去除的主要方式，因地上部分向根部输送的氧气，在植物的根区形成好氧环境，发生硝化作用，相反，在根部周围形成厌氧环境发生反硝化作用，产生N2和N2O，以气体的形式挥发，反硝化作用是沟渠系统能永久去除氮污染的唯一自然过程[13]，也是氨态氮去除的主要途径。另外，氮的迁移去除的另一种方式是通过下渗作用去除硝态氮。因此，去除排水沟渠氮的主要途径主要靠硝化-反硝化作用，而植物根区的好氧环境及植物吸收能力是影响氮迁移的关键因素。

3 磷在农田排水沟渠中的转化机理

在地表径流中，磷主要以溶解态和吸附态形式存在于排水沟渠中[3]，磷通过排水或径流形式以溶解态向水体迁移，或者通过泥土颗粒形式进行迁移。其中，90%的磷负荷通过泥土颗粒态迁移。溶解态磷是农田沟渠中磷流失的主要途径。溶解态磷和吸附态磷可以相互交换，吸附和解吸处于动态平衡。当降雨发生时，沟渠中的颗粒态磷与水流量变化一致，随水流量增加而增加[7]。沟渠系统中磷迁移转化机理主要包括以下几个方面：植物吸收、底泥吸附、底泥沉降、还原产生PH3等。植物通过生物、物理、化学吸收等作用来实现对磷的去除。还原产生PH3不是去除磷的主要机制，因为生成的PH3量不高。在处理污水的人工湿地系统中，通过植物吸收除磷的效果是有限的。在湿地生态系统研究中，磷主要被土壤吸附和截留，植物吸收很少，并不是除磷的主要途径[14]。但是，植物对除磷有很大的助力，一方面，植物根区的微氧化环境，有利于有机磷被微生物降解[15]，成为可被植物吸收的无机磷;另一方面，由于植物庞大的根系，磷通过底泥吸附可以沉淀。研究表明，磷去除的主要机制是底泥沉降和底泥吸附，这是磷含量下降的主要原因。泥砂沉降是磷截留固持的重要过程，沟渠中的水流速度会影响泥砂沉降，流速越慢，就越有利于泥砂沉降，但太快会造成颗粒悬浮。据研究报告，磷的最大吸附率可达99%，这意味着大多数可溶性磷可以被底泥吸附，因为底泥中非晶体型铝、铁氧化物与磷结合形成磷酸铝或磷酸铁，由于溶解度低而沉积于底泥中。底泥在需氧环境中对磷的吸附性比厌氧环境好，吸附量大。底泥中磷含量、季节变化、沉降作用和积水时间等都会影响磷的截留率[16]。

总之，沟渠系统中的氮、磷污染物通过径流迁移、底泥吸附、植物吸收和微生物作用等一系列迁移和转化过程，降低了氮、磷污染物的浓度，减少了氮、磷污染的负荷，从而降低水富营养化的风险。

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