2019, Vol. 40
2. 中国科学院亚热带农业生态研究所, 亚热带农业生态过程重点实验室, 长沙 410125;
3. 湖南省环境监测中心站, 长沙 410014
, LIU Feng2 , PENG Ying-xiang3
, WANG Hua1 , YAO Ran2 , LI Hong-fang2 , LUO Pei2 , LIU Xin-liang2 , WU Jin-shui2
2. Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China;
3. Hunan Environmental Monitoring Center Station, Changsha 410014, China
随着社会经济和生活的快速发展, 大量氮、磷等污染物汇入水体, 对河流、湖泊和海湾等生态环境造成了极大地危害.据第一次全国污染源普查公报显示[1], 我国农业污染源排放的总氮(TN)和总磷(TP)分别占排放总量的57.2%和67.3%, 已超过工业污染源, 成为水环境氮磷污染物的主要来源.农业面源污染正不断加剧着全球水体富营养化, 已严重危害到河流、湖泊等自然水体的环境安全[2, 3].已有研究表明, 来自种植业、畜禽养殖业和居民生活等氮磷污染物的排放是造成农业面源污染的重要原因[4, 5], 但农业面源污染成因依然复杂, 具有在不确定的时间, 通过不确定途径, 排放不确定数量污染物的特性[6].因此, 解析农业面源污染量及来源成为流域内污染物总量控制的基础, 对建立有效的流域农业面源污染治理措施具有重要意义[7].
针对农业面源污染造成的水体污染, 目前主要治理措施有源头控制、迁移过程拦截、末端治理等[8, 9].其中, 生态湿地处理技术因其具有处理效果好、投资少、易管理等突出优点, 在农村污水处理上得到广泛应用[10~13].张树楠等[14]研究生态沟渠对农业面源污染的阻控效应, 发现其对水体TN、TP的平均去除率分别为64.3%、69.7%;刘长娥等[15]通过复合人工湿地处理低浓度畜禽养殖废水, 发现其对废水TN、TP的去除率达到94.7%、79.4%; Luo等[16]证实绿狐尾藻(Myriophyllum aquaticum)三级湿地对低、中、高负荷养殖污水中TN的去除率在85.4%~96.1%之间, 总体处理效果好.基于流域的基本结构均是由多个源头单元和贯穿其中的水系网络构成, 构建流域环境污染源头综合治理系统, 是治理下游河口、湖泊中水体污染的关键环节[17].目前, 如何以生态湿地处理技术为主进行技术组合和空间配置优化, 构建能有效解决小流域农业面源污染的全时全程综合治理系统, 还需要进一步研究及示范验证.
本文以典型农业小流域——开慧河流域源区为研究对象, 在调查掌握区内农业面源污染排放特征后, 构建以生态湿地为核心技术的生态工程综合治理系统, 并明确其对小流域氮磷污染物的治理效应, 以期为我国南方小流域农业面源污染的治理提供技术支撑.
1 材料与方法 1.1 研究区概况选取位于湖南省长沙县开慧镇的开慧河流域源区为研究对象(图 1).该区域属于典型的亚热带湿润气候, 年平均气温17.1℃(-11.3~39.8℃), 年平均降雨量1 729 mm.降雨多集中在4~7月, 占全年降雨量的54.5%.研究区占地面积约4.4 km2, 常住人口1 959人.其主要土地利用类型包括农田、果林、茶园、菜地、村庄、池塘和河道等, 其中农田所占比例最大(32.3%).区域内农田用地面积达142 hm2, 农田耕作以水稻单熟制为主, 单季稻面积达113 hm2, 双季稻面积为29 hm2.施肥采用尿素和复合肥(15-15-15), 单季氮素(以N计)投入量为182.1 kg ·hm-2, 磷素(以P计)投入量为24.8 kg ·hm-2.畜禽养殖模式以农户散养为主, 主要有母猪236头、生猪1 943头和鸡鸭等家禽1 4291只.养殖废水及农村居民生活污水少部分仅经过化粪池简单处理后排入河道, 大部分则未采取任何措施直接就近施入农田或者通过沟渠直接排入河道.
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图 1 研究区农业面源污染生态工程综合治理系统的分布情况 Fig. 1 Location of integrated ecological engineering treatment system for agricultural non-point source pollution in the study area |
针对该区域内农业面源氮磷污染的排放特征是以分散式畜禽养殖污染为主, 构建以生态湿地为主体的生态工程综合治理系统, 主要包括下列3项生态治理工程：组合生态湿地处理工程、多级人工湿地拦截工程和景观型生态湿地净化工程, 分别对农村分散式生活与养殖混合废水、农田排水与分散式养殖混合废水和小流域末端汇水进行治理.
1.2.1 组合生态湿地处理工程针对农村分散式生活污水与养殖废水主要采用了生物滤池、表面流人工湿地和稳定塘串联而成的组合生态湿地处理工程[18].该湿地利用自然高程差, 建立可自流管网, 不消耗动力, 接收该流域内一村民组(常住人口48人)生活污水和养殖废水, 于2013年3月投入使用.湿地由一个调节池(长×宽×深=6 m×4 m×0.8 m)、一个水平生物滤池(长×宽×深=7 m×3.5 m×0.6 m)、一个垂直生物滤池(长×宽×深=4 m×2.5 m×1.5 m)、2级表面流人工湿地(长×宽=26 m×10 m, 30 m×10 m)和一个稳定塘(长×宽=30 m×10 m)处理单元串联组成.
1.2.2 多级人工湿地拦截工程以表面流人工湿地为主, 构建多级人工湿地拦截工程.该湿地建在地势低洼的农田附近, 利用可自流管网, 不消耗动力, 接收流域附近农田排水(农田面积约8.8 hm2)与农户分散式养殖废水.湿地由一个调节池(长×宽×深=18.5 m×4 m×1 m)、2级表面流人工湿地(长×宽=18.5 m×17 m, 20 m×17 m)组成, 2级湿地均种植绿狐尾藻, 于2015年3月投入使用.
1.2.3 景观型生态湿地净化工程在位于开慧河流域源区末端的原有人工湖的基础上加入景观湿地/生态塘/植物浮床净化处理技术, 构建景观型生态湿地净化工程.该湿地于2015年8月建立, 占地面积约1 hm2, 岸边间种美人蕉、菖蒲、水竹等植物, 湿地内分段种植绿狐尾藻、睡莲和花莲.
1.3 样品采集与分析2015年9月~2016年8月, 采集各生态治理工程的进、出水口的水样, 采集频率为2次/月, 水样运回实验室后, 4℃低温保存, 并在24 h内处理样品分析总氮(TN)和总磷(TP)浓度.水样分析方法如下：总氮(TN)采用碱性过硫酸钾消解后用流动注射仪(AA3, 德国SEAL公司)测定; 总磷(TP)采用过硫酸钾消解后, 用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)测定.
1.4 数据处理与统计分析 1.4.1 污染物排放量估算于2015年8月采用实地走访和问卷调查的方式对该区域内产业结构、污染源、人口等情况进行调查.区域内农村居民生活、畜禽养殖业、水稻种植业排放状况采用排污系数法估算.根据调研数据, 结合居民生活和畜禽养殖排污系数及农田肥料流失系数等(表 1), 计算研究区农业面源氮磷污染物排放量[19].主要的计算公式如下.
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表 1 研究区各类污染源排污系数1) Table 1 Discharge coefficients of different pollution sources in the study area |
农村居民生活氮磷污染物排放量(P, t ·a-1)采用式(1)计算：
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(1) |
式中, Q为流域内居民人数; A1和A2分别为居民的生活污水和垃圾排污系数[g ·(人·d)-1].
畜禽养殖业氮磷污染物排放量(F, t ·a-1)采用式(2)计算：
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(2) |
式中, fi为对应畜禽年排污系数[kg ·(只·a)-1]; Bi为各畜禽养殖的数量(只).
水稻种植业氮磷污染物排放量(L, t ·a-1)采用式(3)计算：
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(3) |
式中, D1、D2分别为单季稻、双季稻农田肥料养分投入总量(折纯后以N、P计, kg ·a-1); E1、E2为对应农田径流养分流失系数(%); S1、S2为对应农田种植面积(hm2); M1、M2为对应农田单位面积本底流失量(kg ·hm-2).
1.4.2 去除效果与拦截量计算各生态治理工程对氮磷污染物的去除率(η1, %)采用式(4)计算：
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(4) |
式中, c0为各生态治理工程进水口TN或TP的质量浓度(mg ·L-1); c1为各湿地出水口TN或TP的质量浓度(mg ·L-1).
结合各生态治理工程进、出水中TN和TP的质量浓度和当月各项工程的流量, 各生态治理工程每月对TN和TP的拦截量(p, kg)、输入量(m, kg)及输出量(n, kg)采用式(5)~(7)计算：
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(5) |
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(6) |
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(7) |
式中, q表示各项生态治理工程每月的流量, 3项生态治理工程在监测期间的月流量范围分别为1 445.9~4 805.1、1 257.9~6 268.1和17 204.5~106 560.4 m3.
生态工程综合治理系统对TN和TP的拦截率(η2, %)采用式(8)计算：
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(8) |
式中pz、pd和pj以及mz、md和mj分别代表组合生态湿地、多级人工湿地和景观型生态湿地每月TN或TP的拦截量及输入量.
该试验数据处理方法采用SigmaPlot 12.5作图, 并用SPSS 22进行数据统计分析、相关显著性分析.
2 结果与分析 2.1 研究区氮磷污染物排放特征开慧河流域源区农业面源氮磷污染物排放状况表明(表 2), 2015年开慧河流域源区农业面源TN和TP排放总量(即总污染负荷)分别为15.0 t ·a-1和2.42 t ·a-1.其中, 畜禽养殖业TN和TP排放量分别为12.7 t ·a-1和2.25 t ·a-1, 水稻种植业TN和TP排放量分别为1.84 t ·a-1和0.095 t ·a-1, 研究区内农村居民生活氮磷排放量最小, 仅为0.44 t ·a-1和0.079 t ·a-1.研究区TN污染物排放量主要来源于畜禽养殖业(84.7%), 其次是水稻种植业(12.3%)和农村居民生活(3.0%).三大污染源对TP排放总量的贡献率大小顺序依次是畜禽养殖业(92.8%)>水稻种植业(3.9%)>农村居民生活(3.3%).可见, 畜禽养殖业是开慧河流域源区氮磷污染物的主要来源, 为该区域的重点防控对象.
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表 2 各类污染源TN和TP排放量及贡献率(2015年) Table 2 TN and TP discharges and contribution rates from different sources of pollution(2015) |
2.2 生态治理工程氮磷去除效果分析 2.2.1 组合生态湿地处理工程对农村分散式生活与养殖混合废水的处理效应
2015年9月~2016年8月, 组合生态湿地处理工程进、出水TN和TP浓度及其去除率如图 2所示.进水TN和TP的浓度范围分别为24.4~262 mg ·L-1和2.2~45.1 mg ·L-1, 经组合生态湿地处理后, 出水TN和TP的浓度显著降低(P < 0.01), 其浓度范围分别为2.5~18.4 mg ·L-1和0.26~4.3 mg ·L-1, 除6月(TP：4.3 mg ·L-1)和8月(TP：2.6 mg ·L-1), 出水水质均达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B类标准(TN≤20 mg ·L-1、TP≤1.5 mg ·L-1; GB 18918-2002).组合生态湿地对TN和TP去除率分别为62.7%~97.9%和70.4%~96.1%, 年平均去除率达到87.1%和90.9%.该组合生态湿地对TN、TP去除效果总体稳定, 适合对农村分散式生活与养殖混合废水的处理.
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图 2 组合生态湿地进、出水中TN和TP浓度及其去除率变化 Fig. 2 Changes of TN and TP concentrations in inlet, outlet and their removal rates in the combined ecological wetland |
多级人工湿地拦截工程的进、出水TN和TP浓度及其去除率变化情况如图 3所示. 2015年9月~2016年8月, 湿地进水TN和TP的浓度范围分别为10.2~179 mg ·L-1和7.0~35 mg ·L-1, 经处理后, 出水TN和TP浓度范围分别为2.8~11.7 mg ·L-1和0.31~4.2 mg ·L-1.该湿地对TN和TP的去除率分别为69.4%~96.4%和57.7%~97.9%, 年平均去除率达到了85.7%和84.9%, 对农田排水与分散式养殖混合废水有较好地拦截净化效果.
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图 3 多级人工湿地进、出水TN和TP质量浓度及其去除率变化 Fig. 3 Changes of TN and TP concentrations in inlet, outlet and their removal rates in the multi-stage constructed wetlands |
景观型生态湿地净化工程进、出水TN和TP浓度及其去除率情况见图 4.湿地进水TN和TP浓度分别为3.3~7.3 mg ·L-1和0.13~2.2 mg ·L-1.经景观型生态湿地净化处理后, 出水TN和TP浓度分别为1.2~4.3、0.08~1.6 mg ·L-1, 与进水TN和TP浓度有相同的变化趋势, 均存在显著正相关关系(P＜0.01), 表明进水污染情况对出水水质有较大影响.整个监测期间, 景观型生态湿地对TN、TP的去除率分别为27.1%~67.4%和13.3%~81.5%, 随季节的变化, 该湿地对水体中氮磷去除能力有较大的波动性.
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图 4 景观型生态湿地进、出水TN和TP质量浓度及其去除率变化 Fig. 4 Changes of TN and TP concentrations in inlet, outlet and their removal rates in the landscape-based ecological wetland |
开慧河流域面源污染生态工程综合治理系统中, 建立的3个生态治理工程对TN和TP的拦截量如表 3所示.在2015年9月~2016年8月的1年中, 组合生态湿地对农村分散式生活与养殖混合废水的TN和TP拦截量分别为2 827 kg ·a-1和470 kg ·a-1; 处理农田排水与分散式养殖混合废水的多级人工湿地对TN和TP的拦截量分别为1 510 kg ·a-1和455 kg ·a-1; 景观型生态湿地对氮磷污染物的拦截量分别为956 kg ·a-1和129 kg ·a-1.整个生态工程综合治理系统对流域TN和TP污染物的总拦截量分别为5 292 kg ·a-1和1 054 kg ·a-1, 占2015年开慧河流域源区农业面源TN和TP排放总量的35.3%和43.6%, 且系统对TN和TP的总拦截率分别达到了74.9%、82.6%.
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表 3 生态工程综合治理系统对TN和TP的拦截量/kg ·a-1 Table 3 Interception amount of TN and TP by the integrated ecological engineering treatment system/kg ·a-1 |
3 讨论
农村分散式畜禽养殖业是我国许多农村地区重要的经济来源, 但由于养殖户对畜禽养殖废弃物处理随意, 常直接排放至沟渠、河流或过量施用到农田, 已引起当地严重的水环境污染问题[20].湖南省是我国畜禽养殖大省, 部分农村地区畜禽养殖废弃物引起的流域污染问题非常突出.以本研究区为例, 调查结果证实分散式畜禽养殖业是开慧河流域农业面源氮磷污染物的主要来源, 其贡献率分别达到84.7%和92.8%, 远高于水稻种植业和农村居民生活.农田施肥也是造成水环境农业面源污染的重要因素之一, 合理施肥并治理农田氮磷流失造成的水体污染也非常必要.比如, 蔡金洲等[21]在解析湖北三峡库区农业面源污染源时发现, 该地以种植业污染为主, 等标氮磷污染贡献占比达到56.1%, 高于畜禽养殖业(34.4%), 这主要是因为该地区氮和磷肥年均施用量为485.8 kg ·hm-2和201.8 kg ·hm-2, 远高于全国平均水平(150~180 kg ·hm-2)[22].在本研究中, 农田氮和磷肥年均施用量(以N、P2O5计)为219.3 kg ·hm-2和136.9 kg ·hm-2, 对开慧河流域农业面源TN和TP排放总量的贡献率为12.3%和3.9%, 成为开慧河流域面源污染的第二大来源.尽管开慧河流域源区农村居民生活氮磷排放量占排放总量的比例仅为3.0%和3.3%, 但由于农村普遍环保意识较差, 缺少相应地生活垃圾和生活污水处理设施, 且生活污水中含有相当数量的微生物, 其中一些病原体如病菌、病毒、寄生虫等, 对人的健康有较大危害[23].因此, 居民生活污水同样不可忽视.可见, 开慧河流域面源污染防控的重点是处理分散式畜禽养殖污染, 应该在研究区的养殖密集区进行重点防控, 布设生态治理工程, 同时注意与农田排水和分散式居民生活污水处理相结合, 综合治理.
本研究在开慧河流域源区建立的面源污染生态工程综合治理系统主要包括组合生态湿地处理工程、人工湿地拦截工程和景观生态湿地净化工程. 2015年9月~2016年8月, 组合生态湿地处理工程和多级人工湿地拦截工程对混合废水中TN、TP的年平均去除率均超过了80%, 高于已有报道的一些人工湿地对养殖污水或农村生活污水的氮磷去除率[24~25].虽然组合生态湿地处理工程和多级人工湿地拦截工程的进水浓度变化较大, 但出水稳定达标, 说明它们耐冲击负荷能力强、运行稳定, 对小流域农村混合污水具有良好的去除效果.组合生态湿地处理工程采用了生物滤池-表面流人工湿地-稳定塘组合式工艺对混合污水进行处理.这与单一的处理工艺相比, 能更稳定、有效地处理农村分散式生活和养殖混合污水, 优化工艺对氮磷污染物的去除[26].另一方面, 两个湿地工程中种植植物以绿狐尾藻为主, 该植物具有生物量大、生长期长、对氮磷吸收能力强等突出优点.室内模拟试验和野外示范工程运行监测均证实了绿狐尾藻湿地系统对养殖污水的高效脱氮除磷作用[27, 28], 对绿狐尾藻进行多次收割管理能保持湿地系统的稳定性, 并进一步强化湿地系统的氮磷去除能力[16, 29].而且绿狐尾藻根系密集, 能够拦截更多的细颗粒, 对底泥吸附磷具有促进作用[30], 同时根系泌氧及分泌物可以为微生物提供良好的生境环境, 植物与微生物联合作用也强化了湿地氮磷去除能力[31].
本研究在河流源区汇水末端设置景观型生态湿地净化工程作为最后屏障, 进一步降低氮磷浓度.监测期间, 景观型生态湿地出水TN和TP浓度明显降低. TN浓度由超过国家地表水Ⅲ类水质标准的3.9倍降低到1.8倍; TP平均浓度由0.6 mg ·L-1降低到0.29 mg ·L-1, 其中, 出水TP浓度有7个月达到国家地表水Ⅲ类水质标准(≤0.2 mg ·L-1).流域出水水质得到明显改善, 有效防止氮磷污染向下游水体的进一步迁移.
流域农业面源污染治理是一项艰巨复杂的系统工作, 因地制宜组合联用多项生态治理技术, 对实现流域污染综合治理具有重要意义[32].总体上, 本研究构建的小流域面源污染生态工程综合治理系统对流域氮磷污染物总拦截量分别为5 292 kg ·a-1和1 054 kg ·a-1, 总拦截率分别达到74.9%、82.6%.对氮磷污染去除效果明显, 特别是以磷指标来看, 流域源区出水水质大多数月份达到国家地表水Ⅲ类标准以上. Wang等[33]报道了通过沿河流分布的人工或自然景观缓冲结构(拦截坝、沟渠、湿地和塘及河岸带等)构成的景观缓冲带系统也可以有效地拦截地表径流中的氮, 该系统对TN的拦截率为66.1%, 使得河道水体中TN浓度从12.03 mg ·L-1下降至3.32 mg ·L-1, 证实了构建综合性缓冲带系统是减少流域氮磷污染的有效途径.陆海明等[34]的研究发现, 由一系列生态工程措施组成的生态防控体系能有效削减农村饮水水源地小流域的污染物负荷, 流域出口TN浓度从10.4 mg ·L-1降低到2.2 mg ·L-1, TP浓度由上游水体的Ⅴ类水下降到下游水体的Ⅳ类(湖、库地表水标准), 水质得到明显提升.经统计分析, 本研究建立的生态工程综合治理系统拦截的氮磷总量占该区面源污染氮磷排放总量的35.3%和43.6%, 且对流域水质改善明显.因此, 利用组合研发的农村混合废水处理技术, 以生态湿地为核心的小流域生态工程综合治理系统能有效消减流域氮磷污染物, 适合在我国农业小流域氮磷污染的治理中推广应用.
4 结论(1) 开慧河流域源区农业面源TN和TP排放总量分别为15.0 t ·a-1和2.42 t ·a-1, 污染来源主要包括畜禽养殖业、水稻种植业和农村居民生活, 其中畜禽养殖业是开慧河流域源区氮磷污染的主要来源, 为该区域的重点防控对象.
(2) 构建的组合生态湿地处理工程和多级人工湿地拦截工程对农村分散式生活与畜禽养殖混合废水和农田排水与畜禽养殖混合废水中TN和TP的平均去除率均在80%以上, 景观型生态湿地净化工程能有效提升河水水质, 流域出水水质基本从劣Ⅴ类提升到Ⅲ类.
(3) 通过在小流域尺度上的应用示范, 构建的生态工程综合治理系统对氮磷污染物的总拦截量为5 292 kg ·a-1和1 054 kg ·a-1, 占研究区农业面源TN和TP排放总量的35.3%和43.6%, 适合作为我国南方小流域面源污染综合治理技术进行推广应用.
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