摘要:介绍了非点源污染研究的发展过程及氮、磷在农田径流中的危害，提出对非点源污染河流采取复合式的治理方式，利用沟渠、生化塘和人工湿地三者相互结合，形成一个线-点-面的治理模式，有效去除非点源河流污水中的氮磷元素。对这种复合系统中各种植物如何影响氮磷吸收进行综述，建立非点源治理的综合管理系统。
关键词:复合治理;模式;农田径流;氮磷;调控
我国是一个农业大国，随着现代农业的不断发展，农药、化肥等化学物品的使用量越来越大，这也成为土壤中、河流中氮、磷的主要来源。随着点源污染控制到达一定水平之后，非点源污染也成为了环境污染的一个主要因素，多年来人类的不断开垦造林造成水土流失严重，是非点源污染中氮、磷的一个重要原因。其中非点源污染的来源十分广泛，包括地表径流污染、大气干湿沉降、水土流失以及河流底泥的二次污染等。农田径流非点源污染物氮、磷迁移转化的主要载体是雨水以及所形成的径流，动力因素是降雨以及地表径流的冲刷作用[1]。因此，对非点源污染中的氮、磷采用复合治理措施具有重要的意义。
1非点源污染研究发展过程
从20世纪70年代初开始，非点源污染发展经历了3个重要的阶段:第一阶段为20世纪80年代之前，在污染源调查、非点源特性分析、非点源污染对水质的影响分析等方面取得了大量的成果;第二阶段为20世纪80年代初至90年代初，这一时期非点源污染问题进一步得到重视，以非点源污染为主题的国际会议和各种专著大量出现;第三阶段为20世纪90年代初至今，对现有的非点源污染治理模式进一步完善，帮助预测非点源污染的程度并对水域管理措施进行评价。同时，将传统的治理模式、专家意见以及现代高科技探测数据结合，从而使现有的治理模式更加完善[2]。
2氮磷在农田径流中的危害
人类活动导致水体加速富营养化是现在水污染治理的一个难题，而农业中的非点源氮磷污染与水体富营养化存在着不可分割的关系。农田生态系统中广泛存在的氮磷元素投入过量会导致土壤中氮磷含量超标，并通过水土流失以及地面径流、雨水冲刷的作用下排入附近河流或者海域，引起水土氮磷元素富集。水体的富营养化会导致某些特征藻类(主要是蓝藻、绿藻等)异常繁殖，致使水体溶解氧含量降低，水生生物随之大量生长，水味变得腥臭难闻。目前，定义富营养化一般采用的指标是:水体中氮含量超过0.2~0.3 mg/kg，生化需氧量大于10 mg/kg，磷含量大于0.01~0.02 mg/kg，pH值7~9的淡水中细菌总数超过10万个/mL，表征藻类数量的叶绿素a含量大于10 μg/L。农田径流中过量的磷一方面来自外来的小部分工业废水和生活污水;另一方面还有其内源作用，即水体中的底泥在还原状态下会释放磷酸盐，从而增加磷的含量，特别是在一些因硝酸盐引起的富营养化的池塘或湖泊中，由于农业径流污水的排入使之更加复杂化，使该系统迅速恶化，即使停止加入磷酸盐，问题也不会解决。这是因为多年来在底部沉积了大量的富含磷酸盐的沉淀物，它由于不溶性的铁盐保护层作用通常不会参与混合。但是，当底层水含氧量低而处于还原状态时(通常在夏季分层时出现)，保护层消失，从而使磷酸盐释放入水中所致。另外，农田径流挟带的大量氨氮和硝酸盐氮进入水体后，改变了其中原有的氮平衡，促进某些适应新条件的藻类种属迅速增殖。含有尿素、氨氮为主要氮形态的生活污水和人畜粪便，排入水体后会使正常的氮循环变成“短路循环”，即尿素和氨氮的大量排入，破坏了正常的氮、磷比例，并且导致在这一水域生存的浮游植物群落完全改变。因此，要防止水体的富营养化，最关键的是对农田径流中氮磷的非点源污染来源加以控制。
3复合治理模式
生态技术是解决非点源氮磷污染的重要手段，其中控制降雨径流污染的措施包括了缓冲林带、沟渠系统、生化塘及人工湿地系统等。复合治理模式主要是把沟渠系统、生化塘以及人工湿地系统相结合，形成一个线-点-面的复杂、综合的治理系统。并且在其中种植大量的沉水植物和挺水植物，对吸收污染的农田径流中存在的氮磷更有效果。采用复合式的非点源治理比单一的模式更有效，对河流中的非点源污染吸收更加完全[3]。
3.1沟渠系统(线)
沟渠既是农业非点源污染物的最初汇聚地，又是河流和湖泊营养盐的输出源，其排灌能力对生态系统以及整个生态环境有重要影响，针对在沟渠系统中种植植物对氮磷的吸收是复合治理的重要前提。对氮磷有较好的拦截减速作用，并且能通过其中的植物吸收初步减少农田径流中的氮磷含量。农田径流中氮素的迁移速度与沟渠面积有关，小的河流增加水源与河水中沉淀物的接触和交换的机会，为提高反硝化作用提供线性的作物区域和适宜的土壤。植草明渠对可溶态的磷有较好的吸收，土壤的侵蚀导致了颗粒态磷的流失，增加植被覆盖率可以减少颗粒态磷的流失量，减少溶解态磷累积量的负荷[4-6]。农田被纵横交错的沟渠湿地所分割，一般认为是位于道路两旁或者农田间用于排水(泄洪)或者灌溉的水道，是人类满足生产、生活安全保障等需要而人工挖掘的过水通道。在沟渠的入口装上渗透的装置是降低进入沟渠中氮、磷的有效方法，即在沟渠中填满木片或其他有机物作为“生物反应器”，能够减少进入沟渠前的氮、磷含量，河边以及其他缓冲地带也有一定的减缓作用，因此缓冲带要有一定的宽度。
在沟渠中种植芦苇、茭草等植物对非点源污染中的氮磷元素吸收较为明显，这2种挺水植物中芦苇植株高度大概是茭草的2倍，根系都十分发达，但是植物吸收氮、磷只有茎叶部分。茭草地上部分对氮磷的吸收能力比较高，但是因为茭草矮小，总的去除能力比芦苇低。茭草以及芦苇在生长过程对氮的吸收较大，对磷的吸收量较小，相比之下，茭草对磷有很好的吸收效果，因此可以采取间作种植或者双季种植的方式。但是每年11月之后，芦苇和茭草植株地上部分死亡，开始分解，并向水中释放有机质，造成冬季有机质对水体的严重污染。因此，水生植物应在11月前尽快收割，以防止残株分解对水体的污染。在这2种大型挺水植物收割之后，既去除了有机质的污染，又促进了有机质和氮磷的转化[7]。
植物吸收是沟渠吸收的一个重要机制，因此在沟渠中种植茭白、茭草等吸收氮、磷能力强的经济作物既保证了农田径流中非点源氮磷的转化，又能增加农民的经济收入，刺激农民对植物的自觉收获。
3.2生化塘系统(点)
生化塘系统是利用农田径流出水口处湖内或者池塘内的污染底泥，在不破坏表层物理结构的情况下，在底泥上种植可以适应性生长的沉水植物及挺水植物，根据其生长情况可以看出这2类植物对农田径流中非点源氮磷元素的吸收都有很好的效应，增强了富营养化水体的净化能力，改善水质，是农田径流治理的重要措施，主要在复合模式中起到沉淀池的作用。
水生高等植物(特别是沉水植物和挺水植物)的恢复与重建是农田径流得以改善与稳定的关键，沉水植物通过有效增加空间生态位、提供避难场所，抑制生物性和非生物性悬浮物，改善水下的光照和溶解氧条件，能缓冲营养循环速度和增加水体的稳定性，有效地提高水环境的质量。沿岸的水生植物以挺水植物为主，分水生植物和湿生植物2种。可以短期地储存氮磷等水体中的营养和物质，净化水中的污染物，抑制低等藻类的生长和促进水中其他水生生物的代谢。
复合治理模式是采用多种水生植物组合对水体净化，这样的效果要比单种水生植物好，这种植物的组合方式对非点源的氮磷吸收尤为突出，因为不同的水生植物的净化优势不同，有的可以高效地吸收氮，有的却能更好地富集磷;每种植物在不同的时期的生长速率及代谢功能各不相同，因此导致植物生长的不同时期对氮、磷的吸收也有变化。合理栽种具有不同空间结构的水生植物，可以增强和稳定河流污染的净化效果。
沉水植物主要有苦草、黑藻、狐尾藻、马来眼子菜、金鱼藻等;挺水植物可以选择芦苇、香蒲、鸢尾、石龙芮等，这些植物不但对河流中的氮磷有一定的吸收作用，而且具有一定的经济价值，可以降低污水处理成本。由于沉水植物根系的吸收以及在沉水植物根系周围形成的微生物生态系统作用，使间隙水中氮、磷的浓度在种植的时间内明显降低。沉水植物在春夏两季对总磷的去除效果最明显，其中以金鱼藻的去除效果最好，30 d以后在春夏两季的去除率分别达到91.75%和92.44%。而且金鱼藻是喜氮植物，可以耐受较高的无机氮，对水体中总氮的去除有较好的效果，还有较强的克藻作用，可以分泌出抑制藻类生长的物质，在非点源农田径流中种植金鱼藻是不错的选择，而在周围湿地中种植挺水植物如芦苇、香蒲等可以相辅相成，促进水体中氮、磷的去除[8]。挺水植物中的芦苇对氮的吸收能力最强，随着净化时间的延长，水体中氮的浓度下降最快;对磷的去除能力也较好。采取复合治理模式结合种植沉水植物和挺水植物，不但起到沉淀池的作用，还进一步对氮磷更好地吸收。另外，在生化塘中构建水生植物群落的同时，还要考虑到植物的生长季相、植物的水平空间配置、植物的垂直空间配置等3个方面。混合植物带的处理效果、各项指标的去除率都要比单一的植物带处理效果好，通过根部吸收氮源、磷源以及有机污染物用于其自身生长，且有助于降低非点源氮磷污染物的浓度，恢复污染河流的生态功能。
3.3人工湿地系统(面)
夏汉平认为，人工湿地是指通过模拟天然湿地的结构与功能，选择一定的地理位置与地形，根据人们的需要人为设计与建造的湿地。湿地植物是人工湿地的一个重要组成部分，植物不仅可以提高湿地系统对非点源氮磷的去除作用，同时还可以绿化土地，同时达到污水处理与生态建设的目的。不同种类植物对氮磷的去除效果存在区别，因此要根据人工湿地的地理位置、建造目的、气候状况选择适合的植物，保证水中氮磷的有效去除[9-13]。
在人工湿地的污水处理系统中，可利用的水生植物主要有3个基本方式，即挺水植物系统、漂浮植物系统和沉水植物系统。目前，在人工湿地植物选择时常使用的植物有芦苇、鸢尾、慈菇、美人蕉、水葱、香蒲、菖蒲等，要根据当地地形等原因适当选择水生植物种类。一般有以下选择:一是选择根系比较发达、抗冻、抗病虫能力较强的水生植物;二是选择生长量较小的植物，可以减少植物体后续处理上的许多麻烦;三是选择有美化景观的植物;四是选择的植物要有一定的经济效益;五是适应性强，生长季节长。而且种植的范围以及密度也会对制度和非点源河流氮磷元素的去除有一定的影响。
在人工湿地中，氮的去除大部分是通过硝化、反硝化反应，少部分是通过植物吸收，植物根系周围存在近根系的好氧区与远根系的厌氧区的交替环境，则有利于硝化、反硝化反应去除氮。对磷的去除主要是基质的固磷作用以及植物与微生物除磷，污水与人工湿地系统接触的时间越长，越有利于植物对磷的吸收和填料磷的有效吸附和沉淀，但是停留时间过长不利于磷细菌的代谢，使系统除磷效率受到影响。人工湿地系统对氮磷的去除能力是通过植物、微生物和填料的协同作用相互加强的。
菖蒲、香蒲在人工湿地中对非点源农田径流中氮磷的去除效果最为明显，可以较好地净化富营养化水体，抑制富营养化水体浮游植物生长，同时也能保持清洁水体水质。一方面是植物本身对氮磷的有效吸收，即通过植物根系微生态环境吸附，经过异化及同化作用得以去除;同时，植物根系对氧的传递释放，使污染物被微生物吸收，并且通过硝化、反硝化、积累、降解、络合、吸附等作用而显著增加去除率。另外，菖蒲作为一种观赏性较强的挺水植物，对藻类化感作用强，经济价值高，在富营养化水体修复及观赏水体水质保持中有较好的应用。
4结语
复合治理措施对农田径流非点源氮磷的治理充分发挥了沟渠系统、生化塘和人工湿地三者相结合的优势，提高了系统运行的稳定性和出水的水质，线-点-面的复合处理方式，沟渠的拦截能够初步净化，减少了生化塘对污染物的负担，而生化塘系统的储存净化功能可以降低人工湿地处理的污染物负荷率，有效地防止人工湿地的堵塞，提高除污能力;人工湿地的缓冲容量大，利用物种共生、物质循环再生原理，遵循结构与功能相关原则，可以有效促进废水中污染物良性循环，充分发挥资源的生产潜力，得到污水处理与资源优化的最佳效益。
目前，在点源污染得到有效控制的同时，改善非点源污染也应该加大力度，发展城乡河流污染控制，采用复合式的治理方法能够更加有效。因此，建立城乡非点源河流管理体制是对生态环境、生态系统可持续发展的一个重要保证。
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