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自然水塘湿地系统对农业非点源氮的净化截留效应研究

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农业环境科学学报2006,25(3):782—785 Journal of Agro-Environment Science 自然水塘湿地系统对农业非点源氮的 净化截留效应研究 王沛芳,王超,徐海波 (河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点试验室,河海大学环境科学与:[程学院,江苏南京210098) 摘要:在入湖小流域中,水塘湿地系统对氮污染物具有一定的截留和净化作用,使得农业非点源氮产生量与入湖量存在着一定 的差异。为确定自然湿地系统对农业非点源氮负荷的降低程度,从而有效控制入湖非点源氮量,选择太湖流域宜兴境内的自然水塘 湿地系统.于2004年7月7日至14日、2005年1月14日至20日和2005年3月8日至l4日开展了降雨径流进入水塘中农业非 点源氮的截留效应研究,分析了塘中总氮的衰减规律。结果表明,自然水塘湿地系统在各试验期对非点源氮均具有显著的截留和净 化效应。3个试验期持留时间内TN的净化效率分别为70.4%、14.5%和36_3%,氮截留量分别为0.903、0.987和0.660 g・m 。说明水 塘湿地系统能显著降低入湖小流域农业非点源氮进入地表水体中的氮源负荷,为入湖流域中氮营养元素的输移规律和通量研究提 供了技术支持。 中图分类号:X505 . 文献标识码:A 文章编号:1672—2043(2006)03—0782—04 关键词:入湖小流域:非点源氮;水塘湿地系统;净化;截留 Effectiveness of Nutrient Retention and Puriicatifon in NaturaI Ponds WANG Pei—fang,WANG Chao,XU Hai-bo (Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development on Shallow Lakes,Ministyr of Education,College of Environmentla Science and Engineering,Hohai University,Nanjing 2 10098,China) Abstract:Nitrogen is one of the key factors for lake eutrophication. I e agricultural nitrogen load took a great proportion in the total amount of nutrients load inputting into lakes.In the sub-basin of lakes,there exist many natural ponds,ditches,streams and rivers.Many categories of riparian plants grow along their banks and in the bed of them,which form a stable water ecosystem.They can effectively retain and remove the non-point source of nutrients,the amount of nitrogen load inputting into lakes differ evidently from that of agncultural source pollution produced from the farmlands and paddy fields.A natural pond in Yixing Dapu rural areas,belonging to the sub—basin of the Taihu Lake,was investigated to research the effectiveness of nitogen degradatiron extent coming from agricultural fields after storm rainfall,the nitrogen attenuation rates in diferent seasons and diferent water maerophytes during the period of July 7th to July 14th,2004,January 14th to 20th,2005 and March 3rd to 14th,2005.The results showed that the natural pond could purify the nutrient pollution with their concentration remarkably decreasing in all the three test periods.The corresponding purification rates were 70.4%. 14.5%and 36.3%respectively, with the nitrogen retention rates being 0.903 g・111 , 0.987 g・m and 0.660 g・m。’respectively.These results provided a theoretical foundation for nitogen transportr principles and nitrogen flux analysis in sub—basin of lakes. Keywords:sub-basin of lakes;non-point nitogen;naturalr pond system;puriifcation;retention 氮是引起湖泊水体富营养化的主要因素之一.其 收稿日期:2005—07—06 中农业非点源氮污染负荷在全国流域中高达2.55× 基金项目:国家重大基础研究“973”项目(2002CB412303);江苏省A然 科学基金(BK20041 16):河海大学科技创新基金 作者简介:王沛芳(1973-),女,河北保定人,博士,副教授,河海大学环 境学院教师。现南京大学环境学院在职从事博士后研究,主 要从事水环境保护与生态修复技术方面的研究和教学。 E—mail:pffq@sohu.tom 10 t・a~,占水体中氮总负荷量的50%左右l1。太湖流 域相关研究表明.在正常年份的降雨量情况下,太湖 流域农业非点源氮的总排放量为3.37x104t.加重了太 湖水体的富营养化程度【21。近年来国内外对非点源氮 的控制技术研究很多,其中人工湿地由于具有对氮类 维普资讯 http://www.cqvip.com

第25卷第3期 农 业 环 境 科 学 学 报 783 污染物进行物理、化学和生物的处理能力。已被广泛 采用【3l。目前国内外利用人工湿地净化农业非点源污 染以及控制水体富营养化的研究应用非常广范 。 然而人T湿地需要单独设计,并且占地面积较 大,难以大范围推广应用。而在入湖河网区,天然存在 着大量的坑塘自然湿地系统,这些湿地具备完整的生 态群落特征.对汇流进入湿地的氮污染物具有一定的 净化作用,而且暴雨期还可以通过水量调蓄和生态系 统调控实现对氮的截留。从而降低农业非点源氮对流 域地表水体的影响。因此,开展入湖河网区自然坑塘 湿地对氮的截留效应和净化能力研究具有重要的理 论意义和实践应用价值。 本文在太湖入湖小流域河网区选择一个自然水 塘湿地.开展农业非点源氮的截留和净化效应研究, 旨在为人湖小流域中氮输移规律和通量研究提供技 术支持 1试验方法 1.1试验区概况 试验区位于太湖流域宜兴市大浦镇,毗邻西太 湖,属入湖河网地区。在入湖河道附近选择自然塘湿 地系统开展研究。试验期为2004年7月至2005年4 月,水塘为降水补给型,其水文尺度特征见表1。 表1水位一水面面积关系统计表 Table 1 The water table and water area of the pond 垡 — 一 : -7 : —— 旦一. 水塘面积,m 720 810 860 900 970 970 970 该塘没有与外界交换的溢流口,因此只有当水位 超过塘壁高度后才有水量溢出,并向临近河道地表水 体排泄。 1.2试验区的生态特征 本次试验在2004年7月中旬和12月中旬以及 2005年3月中旬进行了水生植物的调查。塘内12月 至3月有大量沉水植物菹草生长.4月、5月后由于大 量凤眼莲的生长而基本枯萎。具体见表2。 1_3监测方案和方法 试验监测期为2004年6月至2005年4月,根据 表2水塘水生植物调查情况表 Table 2 Kinds and numbers of irparian plants in the pond during each experimental period 降雨状况进行了3个周期的雨后监测。主要监测项目 包括:水位、水面面积、水中总氮(TN)浓度、水生生物 种类及数量。 监测点布置:布设4个监测点。其中3个沿塘周 边距岸O.5 m处布置,另1个设在靠近塘中央的部 位。 监测方法:水塘水位采用水位池测量,水面面积 和水生植物数量及密度为近似估算。水样TN分析采 用GB 11893—89中方法。 2试验结果及分析 2.1湿地塘对非点源氮的净化效应 在水塘湿地系统中,氮和磷等营养物质的去除, 部分依赖土壤中的吸附、截留、过滤、离子交换、络合 反应等过程净化去除。还有一个重要途径是靠水生植 物体的吸收同化作用:一方面水生植物可直接从水中 吸收氨氮和硝酸盐氮,最终随着植物的组织合成、收 获而移出水体。从而使氮得到去除;另一方面,由于水 生植物具有表面积很大的根f茎)网络。为微生物的附 着、栖生、繁殖提供了场所和条件,从而构成了一个起 着多种生化作用的微生物生态系统,在微生物作用下 的硝化一反硝化过程,最终使一部分氨氮以氮气的形 式得以去除。 试验塘在3次降水后总氮浓度变化统计如表3。 根据表3绘制自然塘水体中总氮的浓度衰减规律及 对TN的净化效应图.参见图1。 由以上图表分析可知.在降雨面源汇流进入水塘 湿地系统后,塘中的营养元素氮的浓度随时间不断降 低.夏季、冬季、和春季均表现为相同的衰减规律。在 监测的7 d内,第2 d衰减程度较小。比较3个试验期 的监测值,可以发现,1月水体中TN浓度值最高,达 5.828 mg-L『 .其次是7月.3月与7月差别不大。各监 测时期中,自然塘对水体中TN的净化效率7月最 高。达70%以上;3月次之,为38%左右;1月最低,仅 为15%。这主要是因为1月塘汇水区域地表植被枯 萎.对地表径流中的污染物截留率降低;冬季部分水 生植物枯萎腐败,释放一定量的生源物质氮,造成塘 中总氮浓度升高;而且,1月气温较低,塘中微生态系 统活性降低,对进入塘中的营养物质吸收净化能力减 弱。因此,1月塘中总氮浓度最高,并且净化效率最 低。3月塘中的水生植物和微生物开始恢复活性,生 长加快.因此对水塘中氮的需求量增大,因而表现出 的总氮净化率较高。7月是降雨雨量较大的季节,地 维普资讯 http://www.cqvip.com

784 王沛芳等:自然水塘湿地系统对农业非点源氮的净化截留效应研究 表3试验期TN浓度和总量变化统计表 2006年6月 Table 3 Concentration and total quantity of total nitrogen in the natural pond during each experimental period 6.O 80.0 5.8 5.6 5.4 5.2 5.0 6O-0堡 褂 40.0 { 20.0 4.8 4.6 4.4 r'rr 皿 皿 皿 皿 Ⅲ Ⅲ Ⅲ Ⅲ Ⅲ O.O 皿 皿 皿 皿 葛 一 曼 昌 一 。o n 0 卜 n n 日期 日期 日期 图1水塘中TN浓度变化及总量衰减率图 Figure 1 Changes of TN concentration and its total quantity during each experimental period 表植被和塘中水生植物生长均最为旺盛,故此水体中 TN浓度不高,并且净化能力较强。 从塘中水生植物的变化也可得出以下结论:7月 生长的植物优势种为凤眼莲.其对营养物质的净化作 用较高阿,且覆盖率高达80%。因此对塘中氮的净化 能力最强。1月和3月优势种均为菹草,覆盖率相差 不大,但1月气温和水温较3月低,植物活性较弱。因 此去除氮的能力比3月略低。 2.2湿地塘对氮的截留效应 自然水塘湿地系统对非点源氮的截留效应主要 念公式进行分析: 总氮截留量=总氮流人量一总氮流出量 总氮流入量= ・|s:・P2一z1・S ・P1 总氮流出量=P3・ 。 (1) (2) (3) 式中: 、Z:分别为降雨开始、降雨停止时水深;|S 、s 分别为降雨开始、降雨停止时水面面积;Pl、P2、B分 别为降雨开始、降雨停止及水量溢出时TN的浓度 值。 试验自然湿地塘只在塘中水位超过1.80 m时有 水量溢出。2004年7月、2005年1月和2005年3月 体现在汇流区产生的总氮负荷量被塘截留而不进人 流域地表水体的部分,特别对于人湖流域地区,系统 对区域非点源氮的截留可以降低营养元素氮向湖泊 降雨后塘水位变化和氮浓度变化参数如表4。 根据上述公式计算自然水塘湿地系统对非点源 氮的截留效应,结果参见表5。在3次降水过程中,水 位均未超过溢流水位,所汇流的水量全部被水塘截 留 水体的输入,从而降低人湖的污染负荷,改善湖泊富 营养化的状况。水塘对氮截留效应计算可采用以下概 维普资讯 http://www.cqvip.com

第25卷第3期 日肌 日日 农 业 环 境 科 学 学 报 785 表4 3次降雨前后水塘中水位及TN浓度变化统计表 至至至 Table 4 Water table and TN concent枷舢rati on before and after the three precipitations 降雨日期 降雨前水位降雨后水位降雨前浓度降雨后浓擘 加印酡 Z1/m Z2/m Pl/mg L ・T-一1PYmg- "矾 表5水塘对非点源氮的截留效应计算结果表 % Table 5 The retention efifciencies of non-point nitrogen bythepond 降雨过程蝴姒凹 /g菖总氮 蛆 惹,g/R艟盏 m田i田重,2・ 。  由表5可知,如果降雨汇流的水量低于水塘的蓄 纳容量,全部非点源氮均被塘系统截留,截留总量等 于汇人的总氮量。自然水塘单位面积对TN的截留量 依据塘的水面面积得出。可见,分布在人湖流域的自 然塘系统对于暴雨径流产生的非点源氮具有显著的 截留效应,3次降雨过程对农业非点源氮的截留率分 别为:2004年7月0.903 g・m ,2005年1月0.987 g・ m-2 92005年3月0.660 g・m-2。 3结论 自然水塘湿地系统是一种完备的生态系统.对降 雨汇流进入的农业非点源氮具有显著的净化和截留 效应。在试验监测的3个时段内,塘中的TN浓度均 有明显降低,在水温较高的7月,TN在7 d内的衰减 率可达到70%以上,即使在冬季(1月),该塘对TN浓 度的降低率也很明显,监测期内可达15%左右。 水塘中植物种类、覆盖率及生长的活性均影响塘 系统对氮类物质的净化效果。7月水温高,植物生长 旺盛,覆盖率较高,微生态系统活跃,因此对TN的净 化效率最高。 同时,由于水塘生态系统还具有一定的调蓄容 量,对降雨径流产生的非点源氮还具有显著的截留效 应。并且,这种截留能力与塘的水面面积及容量有一 定的关系。 通常在人湖小流域区广泛分布着大量的自然及 人工的塘系统,对非点源氮具有显著的截留和净化效 应,可以明显降低区域产生的氮营养物质向河流及湖 泊的输入量,对改善水体的富营养化程度有重要的作 用。 但是,水塘中氮含量的变化除与塘本身的生态系 统密切相关外.还与汇流区植被生长状况、农田类型 和排水情况等因素有关,今后应完善流域系统研究. 以更深入地说明水塘自然湿地对非点源氮的净化作 用。另外.试验的3个监测期中.由于雨量较小.未产 生溢流,对大水量条件下水塘湿地系统的非点源氮净 化和截留效应分析依据还不充分.以后的研究还有待 完善。 参考文献: …1范成新,季江,陈荷生.太湖富营养化现状、趋势及综合整治对策『J1 _上海环境科学,1997,16(8):8—11,21. 【2]马立珊,张水铭.苏南太湖水系农业面源污染及其控制对策研究[J]. 环境科学学报,1997,17(1):39—47. 【3】夏汉平.人工湿地处理污水机理与效率[JJ_生态学杂志,2002,21(4): 51—59. [4]Braskerud B C,et 1a.Factors affecting nitrogen retention in small con— strutted wetlands treating agricultural non-Point source pollution[J].E- cologicalEngineering,2002,18:351-370. 【5】Long M Nguyen.Organic matter composition,microbial biomass and microbial activity in gravel-bed constructed wetlands treating farm dairy wastewaters[J].Ecological Engineering,2000。16:1。99-221. [6 Car6]sten Schulz,et a1.Treatment of rainbow trout farm effluents in con— strutted wetland with emergeni Plants and subsurface horizonila water lfow[J],,4quacuhure,2003,217:207—221. [7】Ying-Feng Lin,et 1a.Nutirent removla from aquaculture wastewater US— ing a consturcted wetlnads system[J].4qnacuhure,2002,209:169-184. f8朱夕珍,81肖 乡,刘怡。等.植物在城市生活污水人工土快滤处理床 的作用叫-农业环境科学学报,2003,22(5):582—584. 

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