（环境科学专业论文）水塘湿地截留和净化农业面源污染物特性研究.pdf

河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r ep l e n t yo fp o n dw e t l a n d sd i s t r i b u t e di nt h ec o n j u n c t i o na r e ao ft h e f a r m l a n d - l a k es y s t e mi nt a i h ul a k ea r e a t h e s ep o n dw e t l a n d sh a v er e t e n t i o na n d p u r i f i c a t i o ne f f e c to fn a n dp t h em a i nw o r ki nt h et h e s i si n c l u d e d ：s t u d yo nt h e r e t e n t i o na n dp u r i f i c a t i o ne f f e c to fna n dpi nas e l e c t e dp o n dw e t l a n da f t e rr a i n f a l l r u n o f f , s t u d yo nt h ec u m u l a n ta n dp u r i f i c a t i o ne f f e c to fn a n dpb yt h r e es o r t so f p l a n t sa b u n d a n t l yg r o w i n gi nt h ep o n di nd i f f e r e n tt i m e t h er e s u l t sw e r es h o w na s f o l l o w ： ( 1 ) t h ea g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c ep o l l u t a n t s ( na n dp ) f r o ma m b i e n tf i e l d s a f t e rr a i n f a l lr u n o f fw e r ea b u n d a n t l yi n t e r c e p t e di nt h ep o n d t h er e t e n t i o nq u a n t i t y a n dr a t ew e r ec l o s e l yr e l a t e dt of e r t i l i z a t i o nl e v e l ，p l a n ts o r t s ，r a i n f a l l ，w a t e rl e v e l ， a r e a a n ds o o n ( 2 ) a m o n gt h r e es o r t so fp l a n t s ，t h ec o n t e n t so fn a n dpi na l t h e r n a n t h e r a p h i l o x e r o i d e sw e r el e s s t h a nt h o s ei nw i l d r i c e ( z i z a n i al a t i f o l i a ) a n dr e e d ( p h r a g m i t e sc o m m u n i s ) i ng r o w t hp e r i o d s b e t w e e nr e e da n dw i l dr i c e ，t h e a b s o r p t i o ne f f e c to fn a n dp b yh a u l ma n dl e a v e sw a s b e t t e rt h a nt h a to fr o o t st h e a b s o r p t i o ne f f e c to fn a n dp b yh a u l ma n dl e a v e so fw i l dr i c ew a s b e t t e rt h a nt h a tb y h a u l ma n dl e a v e so fr e e d t h ea b s o r p t i o ne f f e c to fn b yr o o t so fw i l dr i c ew a s b e t t e r t h a nt h a tb yr o o t so fr e e d b u tt h ea b s o r p t i o ne f f e c to fpb yr o o t so fw i l dr i c ew a s w o r s et h a nt h a tb yr o o t so fr e e d i nf a d i n ga n dd y i n gp e r i o d ，t h er e l e a s eo fna n dp f r o mh a u l ma n dl e a v e sw a se a r l i e rt h a nt h a tf r o mr o o t s t h er e l e a s eo fna n dpf r o m h a u l ma n dl e a v e so fw i l dr i c ew e r em o r et h a nt l l a tf r o mh a u l ma n dl e a v e so fr e e d t h er e l e a s eo fnf r o mr o o t so f 、m l dr i c ew a sm e r et h a nt h a tf r o mr o o t so fr e e d t h e r e l e a s eo fpf r o mr o o t sw a sn o te v i d e n t t h ep u r i f i c a t i o nr a t eb yt h ea b s o r p t i o no f g r o w np l a n t st o o k2 5p e r c e n ta n d5 3 9p e r c e n ti nt h et o t a lp u r i f i c a t i o nq u a n t i t y ( 3 ) t h er e m o v a lv e l o c i t i e so fn a n dpb yt h r e ep l a n t sc h a n g e ds l o w l yf r o ma p r i l t oj u n e f r o mj u l yt oa u g u s t ，t h er e m o v a lv e l o c i t i e sg r e we v i d e n t l y ，a n dc a l r l et op e a k v a l u ei nj u l y i ns e p t e m b e rt h er e m o v a lv e l o c i t i e sd e c l i n e de v i d e n t l y ，a n db yo c t o b e r t h er e m o v a lv e l o c i t i e sb e c a m en e g a t i v e t h er e m o v a lv e l o c i t i e so fna n dpb y 一一 ! ! ! ! ! 塑查兰堡主兰些堡兰 a l t h e r n a n t h e r ap h i l o x e r o i d e sw e r et h e l e a s t f r o ma p r i lt oa u g u s t t h er e m o v a l v e l o c i t i e so fnb yw i l dr i c ew e r el a r g e rt h a nt h o s eb yr e e d t h er e m o v a lv e l o c i t i e so f p b yw i l dr i c ea n dr e e dw e r es i m i l a ri n t h i sp e r i o d t h er e m o v a lv e l o c i t i e so fna n d p b ya l t h e m a n t h e r ap h i l o x e r o i d e sw e r et h el a r g e s tb ys e p t e m b e r , w h i l et h o s eb yw i l d r i c ew e r et h e1 e a s t k e y w o r d s ：p o n dw e t l a n d ，p l a n t s ，n i t r o g e na n d p h o s p h o r u s ，r e t e n t i o n ， p u r i f j c a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者。签名，：妻弛 沙6 年6 月。l 日 ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 蔓鳖 沙。萨6 月j 乙日 河海大学碳二i 一学位论文 第一章绪论 1 1 水体富营养化的研究现状 1 1 1 1 水体富营养化的定义和发生机理 水是十分重要又很特殊的自然资源。我国人口众多，淡水资源非常短缺，是 世界1 3 个贫水国之一；人均占有水量2 6 3 0 m 3 a 左右，仅为世界人均水量的四分之 一1 1 j 。而就在这有限的可利用水资源中，还面临着严重的水污染，其中水体富营 养化是我国当前水污染的主要问题之一。 水体富营养化现象是当今世界水污染治理的难题，并已成为全球最重要的环 境问题之一。国际经济发展合作组织( o e c d ) 将“水体中由于营养盐的增加而导 致藻类和水生植物生产力的增加、水质下降等一系列的变化，从而使水的用途受 到影响”的现象定义为水体的富营养化【2 1 。 引起水体富营养化的物质，主要是浮游生物增殖所需的碳、氮、磷等多种元 素，以及维生素、腐殖质等有机物，其中影响最大的为氮和磷【3 】a 在水体生态系 统中，氮、磷是生物生长需要的重要营养元素，是浮游植物藻类等水生生物生长 和再生所需的重要物质t 钔。过多的氮、磷供应造成湖泊中藻类的快速生长，藻类 死亡腐烂则为湖泊微生物提供了充足的养料，使得微生物也大量繁殖，并快速消 耗水中的溶解氧，由于微生物集中于底泥之中，因而造成水体的底层缺氧。随着 污染的加剧，缺氧层的厚度不断增大。紧接着，水中植物逐渐枯死、腐烂，渐渐 地水体发臭，水质恶化【5 1 。一般认为水体总氮量大于o 2m g l 、总磷量大于0 0 2 m 班时属于富营养化水体1 6 。 1 1 2 水体富营养化的危害 水体富营养化主要发生在湖泊、河口、海湾等流动缓慢且水体更新时间较长 的水域。水体富营养化发生在江河湖泊，则称为藻花，水体富营养化发生在近海， 称为“赤潮”【7 】。 我国的淡水水域中，有5 0 以上的湖泊、3 0 以上的大型水库都出现过水体 富营养化现射8 i 。根据对我国1 3 0 余个湖泊的调查资料，高富营养化湖泊约占调 查总数的4 3 5 1 ”。海域的水体富营养化也不容乐观。据中国环境状况公报，1 9 9 9 年我国近海出现赤潮为1 5 起，2 0 0 0 年为2 9 起，2 0 0 1 年猛增为7 7 起，2 0 0 2 年 河海火学i f f i - k 学位论文 为7 9 起1 1 。 水体富营养化使得水体水质退化明显，影响水体功能的正常发挥，主要危害 表现在以下几个方面： ( 1 ) 水体富营养化会破坏水生态系统的平衡，加快湖泊老化，并对水产养 殖业产生直接危害。在武汉东湖营养水平不同的四个湖区，对大型底栖动物的群 落结构和物种多样性进行周年研究。发现大型底栖动物的物种多样性与营养水平 呈相反趋势，富营养化导致多样性明显降低【1 ”。富营养化湖泊中有一种生物神 经毒素，可以使鱼类等水生生物中毒、病变和死亡。而且水中藻类过度繁殖，大 量藻类覆盖于水面，大气中的氧不易溶于水而造成缺氧，使鱼类等水生生物无法 生存。1 9 9 3 年浙江镇海至台州一带，因夜光藻而引起“赤潮”导致大量鱼类死亡； 1 9 9 7 年天津大沽口由微型原甲藻引起的“赤潮”导致大量鱼类死亡：1 9 9 8 年9 月 2 7 e 1 中央电视台报道渤海湾形成大片“赤潮”，引起鱼虾大批死亡，并造成食用 鱼虾污染【”1 。 ( 2 ) 水体富营养化影响供水安全和人体健康。水体富营养化对水质的影响 主要表现在水的感官性状和饮水安全性方面。视觉和触觉质量降低，毒素增多增 加了工业和生活用水的处理成本，严重影响工农业生产的可持续发展【1 3 l 。富营 养化水体，使藻类特别是增殖能力强的藻类大量生长，使水厂在过滤时效率降低， 增加制水成本【1 4 1 。而且水体富营养化对人体健康也会产生不利影响，藻类的溶 解性有机物在自来水加氯后，可氧化产生弱的致癌物质。蓝藻能产生毒素，动物 饮用含有藻毒素的水可能死亡，海洋赤潮中甲藻所产生的毒素，可引起人类严重 中毒【1 5 】。 ( 3 ) 水体富营养化降低水体美学价值，影响了所在水域旅游经济的发展。 洁净且宽阔的水域，一直是人们旅游所向往和青睐的地方。但出现水华和赤潮的 水域，水面漂浮着藻类及大量死去的水生动物，臭气冲天，丧失其应有的景观美 学价值，对风景湖泊等旅游资源的开发利用产生不利影响，使其原本的地产价值 和旅游消费功能受到严重的影响【。 1 1 3 水体富营养化的治理措旌 国外在水体富营养化的治理方面做了许多有益的尝试。比如荷兰n a a r d e n l l e e 自然保护区内的浅水湖泊曾经产生富营养化问题，采用输入不含磷的艾瑟尔湖水 河海大学硕士学位论文 的方法治理后的前3 年中，水质并没得到明显改善，5 年后刁。发现轮藻科种群的 恢复1 1 7 】。澳大利亚的治理政策可分成短期措施和长期策略，短期措施主要考虑 污水脱氮除磷处理工程的运行和管理；长期策略则是以氮、磷等营养物质的减少、 流域的管理、民众的教育、富营养化的研究和监测为主要内容【1 8 】。荷兰治理措 施也是分阶段进行的。先是减少点源的磷排放：继之是减少来自农业的扩散污染， 像控制食物链，清淤和使淤泥中磷失活等。部分湖泊从严重的富营养化状态中的 恢复说明了措施的有效性1 1 7 j 。 水体富营养化主要是因为水体中含有的氮、磷较多造成的，而氮、磷等营养 物质来源较为复杂，既有内源又有外源，既有点源又有面源【1 9 】。 因为水体富营养化的形成主要是水体接受富含营养物质的废水引起的。所 以，治理水体富营养化的关键是控制外源性营养物质的输入，降低废水中氮、磷 元素的含量，把大量的氮、磷元素堵截在进入天然水体之前，控制外源性营养物 质的输入【2 0 1 。如实施洗涤剂禁磷；制订营养物质排放标准；根据湖泊水环境中 氮磷容量，实施总量控制；实施截污工程或引排污染源等。瑞士在这一方面走在 欧洲乃至世界的前列，它是世界上第一个洗衣粉禁磷的国家1 2 l j 。 从外源发生的类型来看，引起水体富营养化的原因可以分为可分为点源与面 源两大类。点源污染主要指工业生产过程中与部分城市生活中产生的污染物，因 此，这种污染形式具有排污点位集中、排污途径明确等特征。相对而言，面 源污染一般地理解为一种分散的污染源造成的水体污染，它的主要特征可以概括 为：发生区域的随机性、排放途径及排放污染物的不确定性及污染负荷空间分布 的差异性【矧。 在刚开始治理水体富营养化的过程中，人们主要把注意力放在控制点源污染 上，采用对重污染企业进行彻底整治和城市污水集中处理等一系列方法，这些措 施有效地降低了水体营养物质的负荷量【2 4 1 ，但水质状况并未因此而得到明显改 善。工业生产造成的环境污染已经引起人们的共同关注，然而，由于农业生产方 式不当造成的环境污染却为不少人所忽视。面源污染一般地理解为一种分散的污 染源造成的水体污染，即降雨动能的冲击作用及地表径流冲刷而产生的土壤颗 粒、土壤有机物、化肥、农药、有机肥料或城市街面堆积物等随地表径流流入受 纳水体、引起水质污染的一种污染类型 2 3 j 。对面源污染的认识及重视始于7 0 年 河簿大学硕= 学位论文 代的美国。在综合整治水体污染的实践中，人们逐渐地在更正“工业造成了环境 污染，而农业是环境污染的受害者”的传统观点1 2 卯。有研究表明，从全球范围 内来看，4 0 6 0 的水域己受到面源污染的影响1 2 6 】。 中国对面源污染问题的严重性认识起步较晚，但各类面源污染所造成的水环 境质量恶化问题已日益严重。据研究表明：1 9 9 5 年进入并滞留于巢湖中的污染物， 6 9 5 的总氮和5 1 7 的总磷来自面源污染。滇池外海的总氮和总磷负荷中，农 业面源污染分别占5 3 和4 2 ，到2 0 0 5 年，该流域的污染负荷中，来自农业面源 污染的总氮、总磷和化学需氧量( c o d ) 将分别占6 0 - 7 0 、5 0 一6 0 和 3 0 一4 0 p ”。而在中国水体严重污染的流域，农田、农村畜禽养殖和城乡结合 部的生活排污是造成水体氮、磷富营养化的主要原因，其贡献率超过来自工业和 城市生活的点源污染【矧。因此控制面源污染在水体富营养化治理中具有十分重 要的意义。 1 2 国内外对农业面源污染控制的研究进展 1 2 1 农业面源污染的定义和特点 面源污染则有广义和狭义的两种理解，广义指各种没有固定排污口的环境污 染，狭义通常限定于水环境的面源污染【2 9 1 。 一般将面源污染分为城市和农业面源污染两大类。具体研究中常按土地利用 方式或污染源特点进行细分。典型的面源污染发生方式是降雨径流污染，此外还 包括废物堆放区的废液下渗和大气沉降等【3 0 l 。面源污染物发生后随地表和地下 径流进行复杂的迁移和转化过程。迁移方式因污染物类型而有所不同，如湿地的 面源污染研究中发现，固体颗粒、磷和农药主要经地表径流进入湿地，而氮主要 经地下径流进入湿地。与污染物迁移过程相伴的是一系列的物理、化学和生物的 转化过程，这些过程均因污染物、自然环境和历时的差异而发生变化1 3 “。 最主要又最易构成水体环境隐患的面源污染形式当属农业面源污染。农业面 源污染是指在农业生产活动中，氮素和磷素等营养物质、农药以及其他有机或无 机污染物质，通过农田的地表径流和农田渗漏形成的对水环境产生的污染1 3 2 。 在美国环保署呈送国会的报告中提到：农业面源污染是河流和湖泊污染物的主要 来源之一，从而阻碍了水清洁行动中水质目标的实现1 3 3 1 。这可以从美国1 9 9 0 年 的调查评估报告看出：美国面源污染几乎占总污染量2 3 ，其中农业面源占面源总 河海火学硕士学位论文 量的6 8 8 3 ，影响至t 5 0 7 0 受污染或威胁的地表水体。由于农业活动的广泛性 和普遍性，农业面源污染具有分散性和隐蔽性、随机性和不确定性以及广泛性和 不易监测性等特点，已成为目前水质恶化的一大威胁【3 4 】。 1 2 2 我国农业面源污染的起因和对水环境的危害 引起我国农业面源污染的原因主要包括化肥污染、农药污染和畜牧养殖业污 染三个方面。 ( 1 ) 化肥过量使用造成的污染。我国人口众多，为了提高粮食的产量，满 足对粮食的需要，从上世纪7 0 年代开始，我国农业生产中的化肥施用量就逐年迅 速增加，目前我国已经成为世界上最大的化肥生产国和消费国i 蚓。目前，我国 化肥年使用量达4 1 2 4 万t ，按播种面积计算，平均每公顷化肥使用量达4 0 0 k g ，远 远超过发达国家为防止化肥对水体造成污染而设置的2 2 5 k 鲫珊2 的安全上限。化 肥的平均利用率仅4 0 左右，化肥营养元素的流失构成了农业面源污染的最重要 部分。 ( 2 ) 农药的不合理使用造成的污染。我国农药的产量和使用量都居世界前 列，1 9 9 9 年我国农药总产量6 6 6 万吨，使用量1 3 1 2 万吨( 成药) ，平均每公顷用量 约1 4 公斤，比发达国家高出1 倍，但利用率比发达国家低1 0 - 2 0 个百分点，一般不 足3 0 【3 7 】。我国目前使用的农药主要以杀虫剂为主，其中高毒农药品种仍然占有 相当高的比例。据统计，2 0 0 0 年我国有机磷杀虫剂仍占农药总用量的3 9 4 、占 杀虫剂总用量的7 0 5 。有机磷、氨基甲酸酯类杀虫剂的高毒品种用量占农药总 用量的3 7 4 、占杀虫剂用量的6 7 0 。 ( 3 ) 畜牧养殖业的迅猛发展造成的污染。我国规模化养殖业发展迅猛，据 调查，t 9 8 0 年我国全年的畜禽粪便产生量约为6 9 亿t ，2 0 0 2 年增至大约4 1 亿t ，预 计至t j 2 0 1 5 年将会达到6 0 亿t 3 9 】。畜禽粪便极易流入水体中，据估算我国畜禽粪便 主要污染物总氮、总磷的流失量分别为3 4 5 5 0 万吨和4 1 9 5 万吨，氮和总磷的流 失量超过化肥的流失量。1 个规模化养殖场的排污量不亚于1 个中型工业企业的排 污量【3 7 】。 农业面源污染造成生态的冲击效应可谓是全方位的，涉及到了以人为中心的 整个食物链，但最为直接最为显著的危害对象是水环境。 5 河海大学硕士学位论文 1 2 3 国内外对农业面源污染控制的研究进展 农业面源污染的严重性目前已受到国内外普遍的关注，农业面源污染研究已 经成为国际上环境问题研究的活跃领域。西方国家在点源污染得以控制的背景下 关注农业面源污染，起步较早，研究工作涉及农业面源污染的概念、理论、研究 方法、管理手段乃至新技术应用等许多方面。我国农业面源污染研究始于2 0 世纪 8 0 年代初的全国湖泊、水库富营养化调查，经过多年的研究，目前也取得了一定 的进展i 删。 国内外对农业面源污染控制的研究重点主要包括以下三个方面： ( 1 ) 农田生态系统管理 流域土地利用类型、农田在流域中的空间位置和管理措施如耕作方式，化肥 和农药的使用量、使用方式以及使用季节，灌溉的不同方式等与农业面源污染形 成均有密切的关系【4 “。s h a r p l e y ；l i 并究了磷在农田中流失的敏感性，发现按以下顺序 降低：传统耕作小麦1 1 t 6 0 和 9 0 【5 引。 湿地用于污水处理是有效的污水处理与水资源再用相结合的方法，与传统的 污水处理法相比具有对有机物和氮、磷等营养物质去除能力强、基建、运行费用 低，操作与维护简单等优点1 5 4 】。湿地生态系统独特的作用机制、经济性和环境 友好性使其在农业面源治理、水环境生态修复、小城镇污水处理等方面具有其他 水处理技术无法比拟的优越性，已成为目前水处理和环境修复领域的研究热点。 为了整治a p o p k a 湖，美国圣约翰斯河水资源管理局制定了五条有针对性的 a p o p k a 湖恢复措施，其中核心方案就是花费巨资购买湖北岸的农场，并将其改 造为湿地，来切断农业径流。1 9 9 9 年，圣约翰斯河水资源管理局购买了面积为 1 9 0 0 0 英亩的农场，其中有2 0 0 0 英亩目前已经成功地改造为湿地，这样可以有 效地降低外源营养物质的输入【5 5 】。刘文祥在滇池防护带农田径流污染控制工程 中，首次引进处理城市生活污水的人工湿地工程技术处理农田径流废水，采用漂 浮植物池、沉水植物池、挺水植物池以及草滤带组成的人工湿地，对氮、磷、泥 沙以及有机物有较好的吸收、吸附以及物理沉降作用，可以控制农田径流污染， 具有工艺简洁，运行管理方便，生态环境效益显著，投资少等优点，是控制农业 面源污染的实用工程技术，取得了十分满意的社会环境效益，为我国和发展中国 家控制农业面源污染提供了具有参考价值的技术方法【拍1 。 1 3 论文的研究意义和技术路线 1 3 1 太湖流域农业面源污染现状 太湖是我国第三大淡水湖，它是流域内大中城市的重要水源，同时兼有航运、 灌溉、养殖、旅游等多种功能。 入湖河道高浓度营养盐的不断输入使太湖富营养化程度不断加剧。2 0 世纪8 0 年代以来，太湖水体营养状态上升了2 个等级，由8 0 年代初期以中营养为主，上 升到9 眸代中期以富营养为主。1 9 9 5 年太湖全湖的总氮和总磷已分别达到富营养 化发生浓度的1 7 5 和6 6 倍，具备了全湖发生重富营养化的营养盐条件f 5 7 1 。2 0 0 0 年7 月太湖各湖区，营养状态指数为6 8 1 1 ，属于富营养状态，污染程度较1 9 9 9 年 同期明显加重，表征富营养化水平的三项指标c o d m 。、总氮和总磷的浓度值和营 河海大学硕士学位论文 养状态指数均有所上升。2 0 0 1 年从4 月中旬开始，太湖沿岸就出现了大量蓝藻， 比往年提前2 个月。全湖平均总磷0 0 9 5 m g l ，总氮2 9 3 m g l ，分别超2 0 0 0 年目标 9 0 和1 9 3 ，富营养化问题仍然严重【3 2 】。 太湖全流域污染源限期治理及污染企业达标排放等各项点源污染治理措施 虽然取得一定成效，但水质改善的效果并不显著，其主要原因是农业面源污染尚 未得到有效控制f 5 8 】。金相灿等研究了太湖地区营养盐污染物排放情况。来自于 农业面源的入湖总磷约占2 4 4 7 ，而总氮的入湖量，来自于农业面源的占约 5 4 1 。吕耀等从环境经济学的角度分析了太湖地区农业持续发展的农田合理 施n 量一生态经济施氮量为3 2 7 8 2 - - 3 7 1 6 1 k g h m - 2 a 。近几年，虽然环太湖周 边地区的单位耕地面积化肥施用量有所降低，但由于施肥技术尚需完善和片面的 追求高产，环太湖地区的施肥量基本保持在4 0 0 - - 6 0 0k g t h m - 2 a _ 1 ，大大超过肥料 的合理施用量【删。有关估算结果表明：太湖流域氮素在1 1 流失率时，进入水 环境的量每年为5 3 1 0 1 4 t ；当流失率为2 0 时，进入水环境的量每年为9 6 5 4 7 5 2 t 。 磷素在5 流失率时，进入水环境的量每年为2 6 5 6 7 4 t ；当流失率为7 时，进入 水环境的量每年为3 7 1 9 4 0 t 【6 ”。 目前太湖流域农业面源污染比例已经超过工业点源污染上升为首要污染因 素，可见，在太湖流域点源污染源基本得到控制以后，控制农业面源污染源的输 入是当务之急。无论是从控制太湖水体富营养化，还是保护环湖地区的生活饮用 水安全，都需要加快控制农业面源污染。 1 3 2 论文的研究意义 农业面源污染主要发生在农村地区，而这些地区在水污染控制方面的资金投 入和管理水平有限，所以应用于农业面源污染的水污染控制技术要求是低投入、 易管理的工艺方法。而湿地是一种基建费用低，运行成本低，维护技术低的“三低” 技术，氮、磷去除效果显著，是一种适合应用于发生在农村地区的面源污染控制的 工艺方法【6 2 j 。 农业面源污染实质是农业生态系统的养分失衡，导致养分大量向外界生态系 统转移，控制农业面源污染的有效方法是增加养分在生态系统中的循环利用i 6 。 大量施肥的农田是面源污染物的主要产生区域，水塘、荒地和没有施肥的水田是 流域中主要的养分持留区域。毛战坡等在巢湖流域和贾宏宇等在北方平原地区的 河海大学硕士学位论文 研究表明，水塘对农业面源污染物的滞留和净化能力很强，水塘间歇性地与河流 进行水、养分的交换，同时降低流速，使悬浮物得到沉降，增加水流与生物膜的 接触时间。多数降雨径流被水塘拦截，导致面源污染物在多水塘系统内大量持留。 同时，水塘蓄水在干旱季节可以用于农田灌溉，养分在农田生态系统中循环利用， 可以有效减少农业流域养分的输出 6 4 - “1 。 太湖地区非点源污染研究与控制，开始于8 0 年代。太湖流域水环境污染状况 的监测和治理研究资料积累比较多，但主要集中在蓝藻水华暴发机理和湖泊富 营养化发生过程等方面，对流域非点源污染的形成与控制缺少系统的研究。对太 湖流域入湖河网( 沟、渠、河、塘) 中氮、磷的输移过程和截留规律方面的研究 较少，这样就造成太湖流域农业面源污染发生、输移、入湖、归宿系统研究的不 连续性，出现营养物质氮、磷的入湖通量计算不准、采用的治理措施不符合实际 等问题。 太湖流域农田与湖泊之问分布着大量的水塘湿地，开展该流域内水塘湿地控 制农业面源污染的研究，特别是水塘对营养物质氮、磷输移过程和截留效应的研 究很有必要，研究比较水塘中优势水生植物对氮、磷的净化效果，针对水生植物 采取有效的管理措施，通过试验估算出水塘单位面积对氮和磷的截留和净化效 果，结合有关资料，分析了单位面积农田产污和单位水面截污的关系，可以更好 地发挥水塘对氮、磷的净化作用。因此，该项研究对湖泊的富营养化控制、河流 水环境质量改善以及水生态系统修复等具有重要的理论价值和实践意义。 1 3 3 论文的技术路线 本论文以国家重点基础研究“9 7 3 ”项目“湖泊富营养化过程与蓝藻水华暴 发机理研究”子课题3 ：“入湖小流域生态系统特征及水网区生源要素输移过程 研究”为依托。从2 0 0 4 年4 月n 2 0 0 5 年5 月，本课题组选择了三个不同尺度的水塘 湿地进行试验研究，发现水塘湿地系统对氮、磷均有较好的截留和净化效果。 在前面的基础上，本论文准备将研究工作进一步深入。本阶段选用的水塘面 积较大，植物分布较为丰富，准名将降雨径流过程与氮、磷进入水塘水体的变化 过程结合起来，当作一个周期来考虑，研究整个周期内氮、磷的变化规律。重点 研究典型降雨径流过程中，两种类型地块氮、磷的流失规律：定期测出水塘中优 势水生植物的密度、覆盖度和生长情况，监测植物根和茎叶在不同时期的氮、磷 0 河辫大学颂十学位论文 含量，采用现场围隔试验的方法监测不同植物对水体的净化效果，比较不同植物 在水塘湿地对农业面源污染物截留和净化作用中的贡献大小；进而估算出一年中 水塘单位面积对氮和磷的截留和净化效果，结合有关资料，分析单位面积农田产 污和单位水面截污的关系。 本次研究采用实地调查、现场试验、室内监测和理论分析相结合的方法，采 用的技术路线如下图所示： 水塘湿地截留和净化净化农业面源污染物特性研究 调查国内外研究现状及方法收集试验区域的流域污染特征、 生态特征等基本资料 实地调查，选择研究的水塘 并制定监测和取样方案 现场试验准备、观测、取样； 室内监测分析 试验数据处理与结果分析， 并在此基础上撰写毕业论文 州海大学碗一t 学位论文 第二章试验主要内容 2 1 试验区域概况 宜兴市位于北纬3 1 。0 7 3 1 。3 7 ，东经1 1 9 。3 1 一1 2 0 。0 3 ，是江苏省最南边的一 个县。宜兴位于苏、浙、皖三省交界处，地势南高北低，南部为丘陵山区，北部 为平原区；东部为太湖渎区，西部为低洼圩区。全市总面积2 0 3 8 7 平方公里。耕 地9 9 1 4 万亩。宜兴属亚热带季风气候，常年主导风向为东南风。年平均气温为 1 5 7 。c ，降水丰沛，全年有雨，年平均雨日1 3 6 6 天，年平均降水量1 1 7 7 毫米，全 年约4 & 5 的降水量集中在汛期的6 - - 9 月间。春夏雨水集中。土壤类型主要为红 黄壤( 旱地) 和水稻土。 本次研究所选取的水塘湿地位于宜兴市大浦镇朱渎港入太湖段的南侧，经过 现场调查，水塘没有工业点源进入，远离居民区，是典型的农业区，主要受农业 径流影响。水塘湿地所在地的位置示意图如图2 1 所示，图中红五角星处即为本 次试验选用的水塘所在地。 图2 - 1 水塘湿地位置示意图 河海大学硕二l 学位论文 水塘为一个近似的不规则五边形，经过现场测量，得到水塘各个边的边长 分别为6 4 m 、4 5 m 、2 0 6 m 、4 8 m 和6 5 m 。根据边长，可以计算出水塘湿地的面积 约为4 0 0 0 m 2 。水塘为降雨补给型，通过对水塘周边的农田类型、植物生长情况 和集水面积的调查，发现水塘周围地块特征为6 0 的鹅草地，4 0 的蔬菜地，共 有三个渠道与外界连通，水塘的集水面积约为2 0 0 0 0 m 2 ，水塘周围种植的鹅草和 蔬菜分季节在种植时施用氮磷复合肥( 硝态氮1 6 、磷1 6 ) 和尿素( 氮4 6 ) 。 水塘的平面形状示意图和不同时期实拍照片如图2 2 、2 - 3 、2 - 4 所示。 i 。一j 4 8 l - - - 一 图2 - 2 水塘湿地平面形状示意图 图2 3 水塘湿地1 月份实拍图图2 - 4 水塘湿地7 月份实拍图 jjl州叫1l 河海大学硕士学位论文 2 2 试验内容 水塘系统的水量平衡影响因素主要包括地表径流、降雨、溢流和水面蒸发， 水塘系统拦截地表径流量的多少依赖于水塘系统的初始蓄水量、蓄水容量和水塘 周围产生的地表径流量，当地表径流量大于水塘系统的空余容积时，水塘系统就 会产生溢流 。 水塘中的农业面源污染物主要来源于水塘周边的农田，农田中氮、磷等农业 面源污染物的产生和输出与土地利用类型、降雨径流、土壤质地、土壤有机物含 量等一系列因素有关。降雨径流一产污是农业面源污染形成的基本模式，由此 可见降雨径流和土地使用类型是导致各类土壤营养物流失的重要因子。所以降雨 径流后，研究不同类型的地块氮、磷的流失规律可以确定水塘对农业面源污染物 的截留量。 湿地对氮的去除途径包括：随排水流出系统、经硝化、反硝化作用转为气态 氮排除、植物吸收、氨氮挥发。据研究，如果p h 值小于7 5 ，则氨氮从淹没土 壤和沉积物中通过挥发损失是不显著的。本次试验水体中的的p h 值随季节的变 化范围为6 5 7 4 ，d h 值变化不是很剧烈，低于7 5 ，因此，水塘湿地中通过挥 发损失氨氮的作用可以忽略。由于水塘对降雨径流有很强的截留能力，水塘溢流 排水仅在水塘水位超过1 2 2 e m 时才发生，其余时间基本上保留在湿地中，所以， 氮随排水的流失也不是去除的主要途径。综上所述，水塘中的氮有两条主要的去 除途径，一是被湿地植物吸收，二是通过硝化反硝化作用去除。水塘湿地磷的主 要去除途径包括吸附沉淀络含和植物、微生物的吸收利用【鹋1 。 湿地对污染物净化的优势在于生长于其中的植物和与其相适应的微生物。水 生植物是湿地生态系统中最明显的生物组成部分，在湿地净化水体的过程中发挥 着重要的作用【6 9 】： ( 1 ) 吸收作用：高等水生植物在生长过程中，需要吸收大量的营养元素如 氮、磷等。利用水生植物对污染物质的吸收能力，截留水体中的富营养化元素， 最后通过植物的收割，将污染物带离水体。 ( 2 ) 降解作用：水生植物群落的存在，为微生物和微型生物提供了附着基 质和栖息场所。植物根系向基质中输送氧气，使周围的多种微生物在厌氧、兼氧、 好氧等复杂状态下消化降解污染物。 1 4 河海大学硕士学位论文 ( 3 ) 吸附、过滤：浮水植物发达的根系与水体接触面积很大，形成一道密 集的过滤层，水流经过的时候，不溶性胶体会被根系粘附或吸附而沉降下来； ( 4 ) 抑制藻类生长的作用：水生植物与浮游藻类竞争营养物质和光能，同 时某些水生植物的根系还能分泌出克藻物质，抑制藻类的生长。 太湖流域宜兴地区农田与湖泊之间的连接区域分布着大量的水塘湿地。在水 塘湿地中，污水停留时间长；植物的生长量大，吸收氮、磷的量大，对氮、磷的 净化效果非常显著。研究比较不同植物对氮、磷的净化效果，进而针对水生植物 采取有效的管理措施，可以更好地发挥水塘对氮、磷的净化作用。 因此本论文研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 通过对降雨径流前后水塘水位、农业面源污染物浓度、降雨过程中连 通水渠流速变化等过程的监测，判断一次降雨径流结束后，水塘是否产生溢流， 确定水塘溢流时的水位； ( 2 ) 典型降雨径流过程中，对水塘周围不同类型的地块产生的农业面源污 染物质浓度变化规律和总量进行监测和估算，据此可以计算出水塘在一定水位时 对农业面源污染物质的截留量和截留率： ( 3 ) 定期测出水塘中各种优势水生植物的密度、覆盖度和生长情况，监测 三种优势水生植物水花生、茭草和芦苇根和茎叶在不同时期的氮、磷含量，采用 围隔试验的方法监测不同植物对水体的净化效果。可以比较三种水生植物在水塘 净化农业面源污染物中的贡献大小。估算出一年中通过植物吸收去除的氮、磷量， 水塘净化去除氮、磷的总量和单位面积对氮、磷的净化效果。 2 3 采样时间 我国长江中下游地区在季风环流影响下，以梅雨为重要天气特征。由于冷暖 空气强弱变化不定，加上台风的影响，降水季节性分布极不均匀。梅雨和台风季 节降集中，暴雨极端事件频发，这段时间的降雨量一般占全年降水量5 0 以上。 而且自2 0 世纪8 0 年代以来，华南、江南地区暴雨极端事件还有日数增多、强度 增大的趋势。而长江中下游地区暴雨极端事件频发期间正是翻耕、播种和施肥等 农事活动十分集中的季节，二者在时间上的耦合必然会对农业非点源污染物的输 出产生深刻的影响【7 0 1 。因此，试验区域农业面源污染氮、磷的流失主要发生在6 9 月降雨集中分布的梅雨和台风季节，本次试验选择在降雨频繁的4 月1 0 月进 河海大学硕士学位论文 行取样和监测。 2 4 试验仪器 主要监测指标包括：水位、d h 、水温、d o 、水体中的总氮、氨氮、硝氮+ 亚硝氮和总磷、水生植物根和茎叶的总氮和总磷。本次试验主要用到以下几种仪 器： ( 1 ) 荷兰s k a l a r 水质流动分析仪来测定水样中总氮、氨氮、硝态氮和总 磷的浓度 ( 2 ) 标准水位尺两根，分别安插在水塘湿地的东西两侧，定期读出两个水 位尺的读数，可以换算出出水塘的平均水深； ( 3 ) 1 0 0 米长的皮卷尺一根，用于测定水塘的形状和周围不同类型地块的 面积； ( 4 ) 普通钢卷尺根，用于测定水塘进出水渠道的长度和宽度、植物的株 高、根长： ( 5 ) 电子称和天平各一台，用于测定植物的单株茎叶鲜重和干重。 ( 6 ) 上海雷磁仪器厂生产的便携式溶氧仪( 可以同时测量水温) 和p h 计 分别测出水体不同时期的溶解氧、水温和p h 值。 ( 7 ) 测深杆一枝，用于测量水塘的平均水深； ( 8 ) 南京瑞迪高新技术公司生产的o a 型只读式多功能测速仪，用于测量 降雨产生径流时，连接渠道的流速方向和大小变化情况，判断有无产生溢流。 河海大学碳一 学位论文 第三章水塘对农田降雨径流中氮、磷的截留 3 1 不同类型地块特征 通过实地的调查和测量，发现水塘的集水面积约为2 0 0 0 0 m 2 ，周围地块为鹅 草和蔬菜地块，两种地块基本概况如图3 1 和3 2 所示，面积、坡度、耕作和施肥 特征如表3 1 所示。 图3 1 鹅草地块7 月份实拍图图3 2 蔬菜地块7 月份实拍图 表3 1 两种地块的土壤、植被、耕作和施肥特征 3 ；2 试验方法 3 2 1 两种地块降雨径流量的确定 分别在鹅草和蔬菜地块设置试验区。试验区水平受水面积2 m ( 宽) x 2 m ( 长) 。 在小区地势稍高的三边，用8 0 c m ( 宽) x 2 0 0 c m ( 长) 的硬质石棉瓦围成一个半 河海大学顶士学位论文 封闭的正方形小区，石棉瓦宽边插入土中2 5 c m 左右，外露5 5 c m ，防止降雨泥沙 溅出和小区外围水分进入小区，在小区下端顺坡度方向，开挖一个长2 0 0 c m 、宽 5 0 c m 、深5 0 c m 的长方体径流汇水收集池。长方体径流汇水收集池内用涂塑高密 度防水聚乙烯编织布平铺，防止径流渗入土壤。用涂塑高密度防水聚乙烯编织布 和竹条制作一个遮雨棚，保证在降雨径流时使池体能够保持密封状态，以确保水 体不会受到外界污染物的干扰。因为径流汇水收集池为一规则的长方体，所以可 以通过测定一定时间所收集径流汇水收集池中径流的深度来计算出径流体积，得 出不同地块试验区的径流产生量。 3 2 2 水塘是否溢流的判定 为了研究降雨产流进入水塘后，水塘有无溢流，。对水塘原有的一些连接渠 道作了修整。渠道1 与渠道2 都是鹅草地块产生的径流进入水塘的通道，但渠道1 断面形状不规则，长度短，靠近它的水塘北侧主要是一条狭窄的小路，没有种植 鹅草，为了研究方便，用土和碎砖将渠道1 填平。同时对渠道2 和渠道3 进行修整， 使其成为有规则的矩形断面的渠道。因为渠道2 主要是鹅草地块产生的径流进入 水塘的通道，渠道3 主要是蔬菜地块产生的径流进入水塘的通道，且两个渠道的 高程都比水塘各岸边的高程要低，因此可以通过监测这两个渠道在降雨产流过程 中的流速大小和方向变化来判断水塘是否产生溢流。 水塘湿地4 月底第一次测量时平均水深为0 8 9 m ，分别在水塘东西两侧设立一 个水位尺，水位尺初始读数为：标尺1 3 0 0 c m ；标尺2 2 4 5 c m 。定期读出两个 水位尺的读数，通过降雨产流前后水位尺的读数变化可以得出水塘的溢流水位。 3 2 3 水塘对氮、磷的截留量和截留率 因为每种地块特征近似，试验区面积仅为4 m 2 ，一次降雨产流量不大，+ 所以 本次试验采用试验区产生所有水样直接混合后所得到的浓度为平均浓度计算。每 次降雨发生后，在各个