氮-磷在农田沟渠湿地系统中的迁移转化机理及其模型研究进展

氮、磷在农田沟渠湿地系统中的迁移转化机理及其模型研究进展马永生1,张淑英1,邓兰萍2(1、兰州交通大学环境与市政工程学院,甘肃兰州730070;2、铁道第一勘测设计院,甘肃兰州730000)摘要:农田排水沟渠系统具有排水和湿地生态系统的双重功效,是目前农业非点源污染防治研究的热点。本文就目前排水沟渠研究的现状作了概述,论证了排水沟渠湿地的性质,对沟渠中氮、磷的迁移和转化机理进行了较为深入的探讨;同时简单的介绍了目前有关沟渠湿地方面的模型研究。关键词:氮;磷;沟渠;迁移转化;模型中图分类号:S153.61研究背景及其意义随着我国社会经济的飞速发展,我国在化肥的施用量增长的同时,因未能把握适时,适量等最佳施肥方法,化肥的平均利用率很低。目前作物对所施氮肥的利用率平均仅占30～35%,磷则为10～20,而稻田中铵态氮肥和尿素的损失一般为30～70%。氮、磷随暴雨径流淋溶流失进入水体,加剧了水体营养元素的污染,形成水体富营养化。研究表明,在非点源污染中,来自农田系统的氮达35.7%,磷达24.7%。农田排水沟渠系统作为农田生态系统的重要组成部分,具备有排水和湿地系统的双重功效;研究氮、磷在排水沟渠中的迁移和转化对正确评估农田非点源对环境的污染和影响,提出有效的控制途径和决策具有重要的意义。2氮、磷在沟渠湿地中的存在形态及转化形式2.1沟渠系统的性质沟渠系统是农田非点源排放和受纳水体(湖泊、江河)的过渡带,对于农田径流是汇,而对于受纳水体是源。在平原地带排水沟渠中常年保持一定水位,生长有当地的小型水生植物和藻类,在降雨期间和农田灌溉时起排水作用,在其它时间水体处于禁止状态或缓慢流状态,从而可以满足水生植物的生长。根据湿地的特征:①至少周期性地生长有适应此环境的水生植物;②底层主要是能提供厌氧条件的湿土;③在每年的生长季节,底层有时被水淹没,表明农田沟渠除了排水的功效外还具备湿地的性质。2.2沟渠湿地中氮、磷的来源及存在形态沟渠是农田非点源污染物迁移的通道,污染物的来源及成分受约于农田养分的存在形态,氮在沟渠中主要以有机氮、氨态氮(NH+4-N)和硝态氮(NO-3-N)的形式存在。沟渠中氮的转化主要有三个方面:不同物理化学状态下氨态氮的转化和平衡;土壤中氨态氮的挥发、淋溶和反硝化作用;有机态氮的矿化、硝化,无机氮的生物固定、硝化和氨化作用等。总氮(TN)的吸附性差、具有易溶性,使得通过渗滤或者优先流失的数量占输出负荷达79%;在特定条件下,降雨径流对氮的输出具有重要影响作用。土壤渗漏是硝态氮向沟渠快速迁移的重要途径,在暴雨期地表径流中硝态氮占输出主导地位。在沟渠中,大约44%左右的总氮(TN)以溶解性有机氮存在,大约15%的总氮(TN)以颗粒态存在。磷从土壤向水体的迁移主要有两个过程:一是磷随泥土颗粒向水体迁移;二是以溶解态的形式随径流和排水向水体迁移,二者可以相互交换,处于一种动态平衡。在地表径流中,磷主要以吸附态和溶解态存在,农田流失的磷主要是颗粒态。在沟渠中,磷主要以溶解态迁移。在降雨过程中,颗粒态磷随沟渠流量的增加而增加。2.3沟渠湿地中氮的迁移转化形式湿地中氮循环的重要环节有铵化作用、硝化作用、矿化作用、脱氮和固氮作用。影响氮的持留主要有三种机制:沉积机制、植物吸收机制和脱氮机制,三者不是孤立作用的,而是存在一定的协同作用,水第21卷第2期2005年2月甘肃科技GansuScienceandTechnologyVol.21No.2Feb.2005体中N、P污染物通过水-土-微生物-水生生物中的迁移转化、吸附、截留、微生物代谢和植物吸收浓度不断降低,从而达到减小水体N、P污染负荷,降低发生水体富营养化的风险。经研究表明,这几种作用过程中,最彻底的是微生物的脱氮过程,脱氮作用的控制因素有缺氧的厌气条件,适合的pH值和温度,以及硝酸盐和异养的兼性需氧细菌。同时氮在湿地的持留并不是独立的,往往与碳的循环温度、pH值和氧化还原程度等条件有关。2.4沟渠湿地中磷的迁移转化形式湿地对磷的去除是通过植物的吸收、微生物的积累及湿地床的物理化学等几方面共同作用完成。Reddy研究人工湿地时发现,湿地中70%～87%的磷可能通过沉淀或吸附反应而截留,pH起重要作用。同时发现可溶性的无机磷很容易与土壤中的Al、Fe、Ca等元素发生吸附和沉淀反应。在磷的迁移中,水力作用是磷素迁移的主要动力,其中颗粒态磷可以被水运输到较远的地方。张荣社、周琪等经过研究潜流湿地对农田排水中磷的去除效果,得出潜流湿地对磷有较强的去除能力,植物对磷吸收占去除量的小部分,温度和pH是影响去磷效果的主要因素.2.5沟渠湿地中水生植物对氮、磷的截留效果在沟渠湿地系统中生长着多种水生植物,这些植物的生长需要氮、磷,对沟渠中的氮、磷去除有一定的作用。晏维金、尹澄清等在六岔河流域研究水稻田