氮、磷是农作物生长的主要营养元素. 在农业生产系统中，为了使农作物有足够的氮、磷等养分，人们通常在农田系统施用大量的化肥. 中国是世界上化肥施用量最多的国家之一，但是氮、磷肥的利用率却较低，分别为30%~35%和10%~20%^[1]. 未被作物吸收利用的氮、磷会因降雨和渗漏进入地表水和地下水，进而造成环境污染. 近些年，随着水体富营养化和地下水污染的日益严重，以氮、磷为主导的农业非点源污染逐渐被人们关注^{[2, 3, 4]}. 据报道，农业氮、磷污染对中国东部湖泊、大理洱海的贡献率均超过了60%^[1]; 另外，近50%的地下水被农业氮、磷污染^[5]. 农业非点源污染的主要控制措施有源头控制和末端治理，其中源头控制最为有效. 在源头控制中，植物缓冲带，人工湿地、生态沟渠等被广泛用于农业非点源污染控制^{[6, 7, 8]}. 与其他控制措施相比，生态沟渠建设成本低、污染去除效率高，更适合在农村地区推广应用^[8].

沟渠，作为南方丘陵地区农田系统的重要组成部分，是农业地表径流汇入湖泊、河流的必经通道. 基流期的沟渠因水流缓慢与生态湿地的功能相似^{[9, 10]}. 沟渠湿地具有独特的植物-底泥-微生物系统，经植物吸收、泥沙拦截和微生物分解等理化作用，能够在某种程度上降低地表径流所携带的氮、磷浓度^[11]. 沟渠中的水生植物在水体氮、磷去除中起着重要作用，除植物直接吸收水体或底泥中氮、磷外，植物的存在还可延长水体在沟渠的停留时间，为微生物提供有利的生长环境等^{[12, 13, 14, 15]}. 近年来，利用生态沟渠对水体净化和农业非点源污染控制的研究工作已逐渐展开^{[16, 17]}. 相关研究表明，生态沟渠对农业非点源氮、磷污染的去除率分别达到48%~64%和41%~70%^{[18, 19]}. 余红兵等^[20]发现对沟渠植物进行定期刈割，不仅能够转移出植物吸收的氮、磷，还可以提高底泥氮、磷的去除率. 国外研究报道，生态沟渠是农业非点源污染源头控制中的 “最佳管理措施(best management practices，BMPs)”^[21]. 但目前有关生态沟渠中合适水生植物的筛选及沟渠对泥沙氮、磷拦截效应的研究报道不多. 本研究以运行近1年的生态沟渠为对象，阐述了沟渠水体中氮、磷浓度的时间及空间变化特征，比较了水生植物对氮、磷污染物的吸收作用及对泥沙氮、磷的拦截效应，以期为生态沟渠的构建及有效去除氮、磷提供合理建议.

试验沟渠位于中国科学院长沙农业环境观测站的示范区内，周围农田面积1.2 km². 该区域属于亚热带季风气候，年平均气温16.5~20.5℃，最低气温为-5.2℃，最高气温39.1℃; 年平均降雨量1 389 mm，降雨多集中在4~6月，占全年降雨的76%. 该生态沟渠贯穿于水稻种植区，改建前先清淤，然后用水泥护坡，水泥墩和波浪形挡板将各植物区隔开. 试验沟渠长200 m,结构形状为倒梯形 (见图 1)，上、下口宽分别为4 m和2.8 m，沟深1 m，水深为20 cm. 在2009年初，整条生态沟渠共设置10个植物区，每个植物区长20 m×宽2 m. 沟渠上半段种植植物为水生美人蕉(Canna glauca)、铜钱草(Hydrocotyle vulgaris)、黑三棱(Sparganium stoloniferum)、绿狐尾藻(Myriophyllum elatinoides)和灯心草(Juncus effusus); 为了防止由于植物空间前后产生的差异，沟渠下半段植物种植顺序是灯心草、绿狐尾藻、黑三棱、铜钱草和水生美人蕉(见图 2). 2010~2011年监测期间，沟渠流量计监测的基流期水流量为37.5~225.9 m³·d^-1[22].

图 1

Fig. 1

图 1 生态沟渠横断面示意 Fig. 1 Cross-section of the vegetated drainage ditch

图 2

Fig. 2

图 2 水生植物分布示意 Fig. 2 Distribution diagram of aquatic plants

2010年5月~2011年9月，在生态沟渠入水口及各植物区的出水口取样，每月取样3次; 水样运回实验室后，在24 h内处理样品，并分析总氮和总磷浓度. 水样总氮、总磷分别用碱性过硫酸钾(NaOH-K₂S₂O₈)和过硫酸钾(K₂S₂O₈)在高压灭菌锅中消化，总氮质量浓度用流动注射分析仪(Fir-5000)测定; 总磷质量浓度经钼锑抗显色后，用紫外分光光度计(UV2300)测定.

在2010年8月和2011年9月采集泥沙样. 为了区别沉积泥沙及测量泥沙深度，每个植物区泥土里插有一根带刻度的标尺. 泥沙采集方法：在每个植物区内设置3个代表性1 m²的采样点，在样方内多点采集约1 kg泥沙样用于养分分析，然后将全部泥沙挖出，称重并换算出泥沙量，同时测量各植物区的泥沙深度. 将泥沙样带回实验室，称取并记录其相应的鲜重，然后将其风干，泥沙样风干后混匀、磨碎、过筛 (0.25 mm)，用于测定氮、磷含量. 底泥中全氮的测定用半微量开氏法：样品消煮前，先用高锰酸钾和还原铁粉将土样中亚硝态氮和硝态氮转化为铵态氮，再经浓硫酸高温消解，消煮液经转移定容后，用流动注射分析仪(Fir-5000)测定其氮质量浓度. 底泥中全磷的测定用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法：先用氢氧化钠分解土样样品，使土样中磷转化为可溶性磷酸盐，再经钼锑抗显色后，用紫外分光光度计(UV2300)测定其磷质量浓度.

从2010年5月到2011年9月，每个月中旬采集一次植物样品. 植物样品采集方法：每个植物区选取植物长势较一致的3个样方，样方选取面积是1 m×1 m，先将整株植物从沟渠中挖取，然后用剪刀把各植物分割成地上部分和地下部分. 各植物地上部分和地下部分鲜重用电子称先称取，然后带到实验室做进一步的清洗和烘干处理. 待各植株样品在70℃烘箱中烘干到恒重时，称取各样品烘干重量，分别计算5种试验植物地上部和地下部的生物量. 最后将各烘干植物样品用研磨机磨碎，过筛，用自封袋密闭保存并分析其中的氮、磷含量. 植株样品的氮、磷经浓硫酸和过氧化氢消解后，有机态的氮、磷分别转化为无机态的氨氮和磷酸盐，其氮质量浓度可用流动注射分析仪(Fir-5000)测定; 磷质量浓度经钼锑抗显色后，用紫外分光光度计(UV2300)测定.

采用Excel 2003和SPSS 11.5软件进行作图和统计分析，所有测试指标的显著性检验采用Duncan法，当统计检验的显著性水平P<0.05时差异显著.

由图 3可知，生态沟渠入水口氮、磷质量浓度受农田施肥、降雨、植物腐烂等外界因素影响而出现较大的变化，变化范围分别为1.88~5.71 mg ·L^-1、0.09~0.28 mg ·L^-1，高峰值分别出现在1、7和12月. 入口总氮质量浓度较高，大部分时间高于地表水环境质量标准Ⅴ类2 mg ·L^-1，而总磷质量浓度仅在1、7和12月高于地表水环境质量标准Ⅲ类 0.2 mg ·L^-1. 经过生态沟渠的净化后，出口氮、磷质量浓度的变化范围分别为 0.98~4.32 mg ·L^-1、0.03~0.21 mg ·L^-1. 总氮质量浓度在2、5、6、8、9、10、11月均低于地表水环境质量标准Ⅳ类，总磷质量浓度除了1、7和12月外，其他时间均低于地表水环境质量标准Ⅱ类. 整个监测期间，生态沟渠对总氮、总磷的去除率分别为29.3%~69.2%和34.2%~72.8%. 说明生态沟渠在发挥排水功能的同时，对水体中氮、磷有较好的削减功能.

图 3

Fig. 3

图中数据为平均值±标准差(n=3)，下同 图 3 2010~2011年沟渠水体中总氮、总磷质量浓度的时间变化 Fig. 3 Temporal changes of TN and TP concentrations in ditch water from 2010 to 2011

由图 4(a)可知，生态沟渠入水口总氮质量浓度为3.4 mg ·L^-1，远高于地表水环境Ⅴ类标准2 mg ·L^-1. 在沟渠80 m位置处，水体中总氮质量浓度降至地表水Ⅴ类标准以下，水流进入160 m位置时，总氮质量浓度已低于地表水环境Ⅳ类标准1.5 mg ·L^-1. 整条生态沟渠对水体总氮的去除率为64.3%. 生态沟渠进水口总磷质量浓度为0.11 mg ·L^-1[图 4(b)]，属于地表水Ⅲ类标准，出水口的总磷质量浓度为0.03 mg ·L^-1，达到了Ⅱ类水质标准，并接近Ⅰ类水质标准. 整条生态沟渠对总磷的去除率为69.7%.

图 4

Fig. 4

图 4 沟渠水体中总氮、 总磷质量浓度的空间变化 Fig. 4 Spatial changes of TN and TP concentrations in ditch water

整条生态沟渠2010年和2011年拦截泥沙总量分别为38 400 kg、42 400 kg，其中2010年泥沙氮、磷总量分别为49.6 kg、19.2 kg，2011年泥沙氮、磷总量为55.2 kg、23.6 kg (图 5). 与2010年相比，2011年泥沙拦截量提高了9.4%. 从空间比较，生态沟渠在水生美人蕉、黑三棱和绿狐尾藻植物区拦截的泥沙量较多，在铜钱草和灯心草植物区拦截的泥沙量较少 (表 1). 另外，生态沟渠从上游到下游拦截的泥沙氮、磷逐渐降低，比较相邻2个植物区拦截的泥沙氮、磷量，从黑三棱植物区到绿狐尾藻植物区泥沙氮、磷量降低最多，分别降低26.41%和32.15%.

图 5

Fig. 5

图 5 泥沙总量与泥沙氮磷量 Fig. 5 Total sediment amount and nitrogen and phosphorus contents in sediment

表 1(Table 1)

表 1 不同植物区拦截泥沙量及泥沙氮、 磷的比较 Table 1 Comparison of sediment amount and nitrogen and phosphorus contents in different plant zones 植物名 拦截泥沙量 /kg·m-2 拦截泥沙氮 /g·m-2 拦截泥沙磷 /g·m-2 水生美人蕉 119.9±8.4 124.1±14.2 52.0±7.2 铜钱草 104.6±6.3 109.6±9.4 50.9±5.3 黑三棱 122.4±10.6 84.3±13.1 42.5±6.5 绿狐尾藻 113.8±7.0 62.0±8.6 28.8±5.8 灯心草 94.6±3.8 61.6±5.4 29.8±4.0

表 1 不同植物区拦截泥沙量及泥沙氮、 磷的比较 Table 1 Comparison of sediment amount and nitrogen and phosphorus contents in different plant zones

从表 2可知，5种水生植物中地上生物量最高的是水生美人蕉，最低的是铜钱草，水生美人蕉地上生物量是铜钱草的3.5倍. 地下生物量最高的是黑三棱1.7 kg ·m^-2，其它4种植物地下生物量相差不大，分布在0.7~1.0 kg ·m^-2之间. 5种水生植物地上与地下生物量比值差异较大，比值依次为：水生美人蕉(2.1)>绿狐尾藻(2.0)>灯心草(1.3)>铜钱草(0.9)>黑三棱(0.7).

表 2(Table 2)

表 2 水生植物地上生物量和地下生物量的分配 Table 2 Allocations of above-ground and below-ground biomass in aquatic plants 植物名 地上生物量 /kg·m-2 地下生物量 /kg·m-2 总生物量 /kg·m-2 地上生物量∶地下生物量 水生美人蕉 2.1±0.4 1.0±0.2 3.1±0.7 2.1 铜钱草 0.6±0.0 0.7±0.1 1.3±0.1 0.9 黑三棱 1.2±0.1 1.7±0.2 2.9±0.3 0.7 绿狐尾藻 1.4±0.3 0.7±0.1 2.1±0.1 2.0 灯心草 1.3±0.1 1.0±0.3 2.3±0.2 1.3

表 2 水生植物地上生物量和地下生物量的分配 Table 2 Allocations of above-ground and below-ground biomass in aquatic plants

从表 3可知，5种植物中整株单位氮、磷含量最高的是绿狐尾藻，分别达到35.2 g ·kg^-1和6.1 g ·kg^-1. 5种植物地上部和地下部含氮量的比值依次为：水生美人蕉(2.8)＞黑三棱(2.3)＞绿狐尾藻(2.1)＞灯心草(1.8)＞铜钱草(1.5)，含磷量的比值依次为：绿狐尾藻(2.2)＞水生美人蕉(2.0)＞灯心草(1.8)＞铜钱草(1.7)＞黑三棱(1.6). 根据5种植物的生物量、生长密度及单株茎叶氮、磷含量，计算了5种水生植物收获的氮、磷量，结果表明，单位面积收获氮、磷量最多的是水生美人蕉和绿狐尾藻，其次是灯心草、黑三棱和铜钱草.

表 3(Table 3)

表 3 水生植物中氮、 磷含量及累积量 Table 3 Contents and accumulation amounts of the total N and P in aquatic plants 植物名 含氮量/g·kg-1 含磷量/g·kg-1 收获氮 /g·m-2 收获磷 /g·m-2 地上部 地下部 地上部 地下部 水生美人蕉 16.3±1.7 5.9±0.9 2.0±0.6 1.0±0.3 34.6±6.7 4.3±1.7 铜钱草 13.1±2.2 8.6±4.1 3.1±0.2 1.8±0.7 8.1±1.7 1.9±0.1 黑三棱 9.7±3.5 4.2±0.2 2.7±0.6 1.6±0.5 11.7±0.7 2.9±1.4 绿狐尾藻 23.7±2.5 11.5±0.6 4.2±0.6 1.9±0.8 32.5±2.6 5.8±0.4 灯心草 9.8±1.6 5.5±0.5 2.1±0.2 1.2±0.1 12.4±0.6 2.6±0.4

表 3 水生植物中氮、 磷含量及累积量 Table 3 Contents and accumulation amounts of the total N and P in aquatic plants

水生植物在水体中的生态功能使其在农业非点源污染控制中的作用十分明显^[16]，其本身不仅可以从水层和底泥直接吸收氮、磷等营养物质，并通过提高水力停留时间的方式增加泥沙氮、磷的拦截量，而且它发达的根系还为微生物提供了更多的附着点和营养物质^{[23, 24, 25, 26]}. 徐红灯等^[16]通过动态和静态模拟试验表明植物吸收只是其截留的一部分，但水生植物的存在可以加速氮、磷界面交换和传递，从而促进了氮、磷的截留和转化. 王岩等^[27]研究表明，有植物生长的生态沟渠比对照沟渠的泥沙沉降效果好; 在生态沟渠中，受流水走向和沟底植物拦截的影响，从上游到下游沉积的泥沙量与泥沙厚度逐渐降低. 在本研究中，5个植物区拦截的平均泥沙量依次为：黑三棱(122.4 kg ·m^-2)＞水生美人蕉(119.9 kg ·m^-2)＞绿狐尾藻(113.8 kg ·m^-2)＞铜钱草(104.6 kg ·m^-2)＞灯心草(94.6 kg ·m^-2)，与Lacoul等^[25]的研究结果不完全一致. 除了水流走向影响泥沙在沟渠中的沉降外，植物种类和植物密度可能对泥沙拦截也有一定的影响. 本研究的水生美人蕉和黑三棱长势较高大，根系发达，泥沙拦截效果较好; 尽管绿狐尾藻属于矮小的须根植物，但其植物密度较大，水体中的颗粒物在流动过程中遇到的阻力较多，因此泥沙拦截效果也较好. 泥沙中的氮、磷含量可能更多地受水流走向影响. 本研究的5个植物区拦截泥沙氮、磷量从上游到下游逐渐减少，这主要是由于水体中的氮、磷浓度从上游到下游是依次降低的，因此到沟渠下游水和底泥界面可交换的氮、磷量也在减少.

不同种类植物因其生理生态学特性不同，单位面积上的生物量有较大差异^[28]. 在本研究中，5种水生植物的生物量差异较大，水生美人蕉的生物量高达3.1 kg ·m^-2，而最低的灯心草生物量仅为1.3 kg ·m^-2. 另外，5种试验植物的氮、磷吸收量与生物量呈极显著的正相关(R2=0.93,P<0.01)，这与蒋跃平等^[29]和徐德福等^[30]报道的水生植物氮、磷吸收量与其生物量呈极显著正相关的研究结论相似. 说明生物量高的水生植物，能够提高其氮、磷吸收总量. 葛滢等^[31]在研究重度富营养化水体时，也发现单位面积内生物量高的植物比生物量低的植物的氮、磷净化效果好. 从湿地植物刈割的可操作性分析，地上部生物量在总生物量中的比例越高，越有利于湿地生态工程中通过刈割植物地上部来达到去除氮、磷污染的目的^[27]. 5种试验植物的地上部和地下部生物量比值依次为：水生美人蕉(2.1)>绿狐尾藻(2.0)>灯心草(1.3)>铜钱草(0.9)>黑三棱(0.7)，说明绿狐尾藻和水生美人蕉的地上部生物量远高于地下部. 由于绿狐尾藻和水生美人蕉的氮、磷含量在5种植物中也是最高的，因此通过刈割其地上部分，便从生态沟渠中带走大量的氮、磷^[32]. 尽管灯心草的地上部生物量比地下部生物量高，但其茎叶部的氮、磷含量是5种植物中最低的; 铜钱草和黑三棱的茎叶部氮、磷含量较高，但其地上部和地下部生物量比值较低. 因此，铜钱草、黑三棱和灯心草这3种水生植物收获的氮、磷量并不高.

(1)生态沟渠出水氮、磷浓度分别低于地表水环境质量标准Ⅳ类和Ⅱ类，整条生态沟渠对水体总氮、总磷的去除率分别为64.3%、69.7%，说明生态沟渠对氮、磷具有很好的拦截和去除效应.

(2)生态沟渠平均每年拦截泥沙量为40 400 kg，含泥沙氮52.4 kg，泥沙磷21.4 kg. 5个植物区拦截的泥沙量依次为：黑三棱(122.4 kg ·m^-2)＞水生美人蕉(119.9 kg ·m^-2)＞绿狐尾藻(113.8 kg ·m^-2)＞铜钱草(104.6 kg ·m^-2)＞灯心草(94.6 kg ·m^-2). 另外，受水流方向和植物区位置的影响，水生美人蕉、铜钱草、黑三棱、绿狐尾藻和灯心草等5个植物区拦截的泥沙氮、磷从上游到下游逐渐降低.

(3)生态沟渠中植物每年累积带走的氮、磷总量分别为7.9 kg和1.4 kg. 5种植物中氮、磷吸收量最高的是水生美人蕉和绿狐尾藻，二者的地上生物量与地下生物量比值也远高于其他3种植物. 因此生态沟渠中氮、磷吸收效果最好的植物是水生美人蕉和绿狐尾藻.

致谢： 感谢2014全国生态修复研究生论坛对本研究的指导与资助！