基于生态混凝土的农田生态排水沟构建与环境效应

和玉璞，洪大林，徐 烁，芮旭倩，杨幸福，芮卫国，芮伟宏

(1.南京水利科学研究院,南京 210029;2.南京市高淳区水务局,南京 211300;3.南京市高淳区淳东抽水站管理所,南京 211301)

目前，我国农业生产中为追求粮食高产，普遍存在过量施用化肥等现象[1,2]，加之不合理的农田灌溉排水措施，使得农田大量营养元素经农田径流进入周边水体，引起水环境恶化，进而导致严重的农业面源污染问题[3,4]。农田排水沟是农田排水进入周边水体的主要通道，农田排水中的营养物质在排水沟的流动过程中可以通过底泥吸附、植物吸收和微生物降解等多种机制被吸收、固定或脱离排水沟[5,6]。因此，充分发挥农田排水沟的环境功能，构建农田生态排水沟成为了国内外农业面源污染防治研究的热点。目前，我国学者在土质排水沟与混凝土排水沟的基础上结合控制排水、适宜植物选型及工程技术开展了一系列生态排水沟的研究[4,7-9]。然而，以土质排水沟为基础的生态排水沟工程耐久性较差，加大了后期工程维护工作量，同时土质边坡稳定性较差，增加了水土流失的风险；以普通混凝土材料构建生态排水沟，材料透水性能较差，影响排水沟降渍功能与农田水分循环过程，此外，选用混凝土材质无法体现基质对农田排水中氮磷等营养物质的吸附作用。本研究以多孔生态混凝土为基质构建农田生态排水沟，研究农田生态排水沟对稻田排水中氮磷的去除效果及机制，为农业面源污染防治提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 试区概况

试验区位于江苏省南京市高淳区桠溪镇尚义村，属于亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量丰沛，年平均气温16.2 ℃，年降雨量1 194.7 mm，年蒸发量861.9 mm，日照时数2 027.6 h，平均无霜期245 d。当地习惯稻麦轮作，土壤为渗育水稻土。

1.2 试验处理

在承接相同稻田排水的条件下，分别建立土质、混凝土、生态排水沟系统，排水沟为平坡，长度均为50 m，排水沟断面按照当地习惯设计，深度为50 cm，底宽为30 cm，边坡系数为0.3。其中土质排水沟的沟壁与沟底均为土壤，混凝土排水沟的沟壁与沟底为传统的混凝土板材，生态排水沟的沟壁与沟底为生态混凝土板材，两种板材规格均为30 cm×30 cm×8 cm(长×宽×厚)。生态混凝土板材利用多孔混凝土制备，水灰比0.3，灰骨比0.2，骨料采用10～20 mm单粒级沸石与普通砾石，其中沸石占骨料质量的50%。

试验在2015年6月下旬到10月下旬开展，稻田灌溉方法为浅湿灌溉，稻田分蘖后期晒田，黄熟期自然落干至收割，在生育期的其他时间以田间水层作为灌水控制指标，在田面维持20～50 mm水层。稻田施肥采用当地农民习惯管理，施肥过程见表1。供试水稻品种为南粳46，2015年6月29日采用机插秧。

表1 稻田施肥量及时间Tab.1 Time and amount of fertilization

1.3 试验观测与取样

稻田施用分蘖肥与穗肥后第1 d开始每隔2 d取样，取4次，每次在排水沟两端和中段的固定3处取水混成一个水样。采集的水样经过滤处理后立即分析TN与TP的含量。

2 结果与分析

2.1 不同排水沟氮素浓度变化特征

各排水沟水体中TN浓度在稻田施肥后的变化特征较为一致，排水沟水体中TN浓度在稻田施肥后较高，随时间进程迅速下降，在肥后10 d左右降至很低的水平(图1)。例如，稻田施用分蘖肥后，各排水沟水体中TN浓度为11.424 mg/L，肥后第3 d，混凝土、生态及土质排水沟水体中TN浓度分别降至10.827、10.439及11.259 mg/L，且随着时间进程，各排水沟水体中TN浓度持续下降，在肥后第11 d，混凝土、生态及土质排水沟水体中TN浓度分别降至2.703、1.720及2.593 mg/L，稳定在较低水平。

图1 不同排水沟水体氮素浓度变化Fig.1 Changes of nitrogen concentration in different ditch

稻田施肥后，生态排水沟水体中TN浓度均小于混凝土及土质排水沟，且随时间进程TN浓度差值逐渐增加(图1)。稻田施用穗肥后第3 d，生态排水沟水体中TN浓度为11.110 mg/L，分别较混凝土及土质排水沟(11.150及11.171 mg/L)降低0.039及0.061 mg/L，在肥后第5 d，生态排水沟水体中TN浓度降为6.233 mg/L，分别较混凝土及土质排水沟(8.340及7.311 mg/L)降低2.107及1.078 mg/L，TN浓度差值逐渐增加。

生态排水沟对稻田排水中TN的去除效果强于土质及混凝土排水沟(表2)。稻田施肥后10 d，生态排水沟对稻田排水中TN的去除率均值为86.57%，分别较土质及混凝土排水沟(82.05%及83.55%)增加4.52%及3.02%。生态排水沟的制作材料具有高透水性、氮磷吸附效果显著等特点[10,11]，在田间运行条件下，生态混凝土的多孔结构为微生物提供了适宜的生存环境和空间，会附着多种微生物形成生物膜[12]，进一步增强对水体中氮素的去除效果。

表2 不同排水沟对水体中TN的去除率 %

土质排水沟对稻田排水中TN的去除效果强于混凝土排水沟(表2)。稻田施肥后10 d，土质排水沟对稻田排水中TN的去除率较混凝土排水沟增加1.50%。土质排水沟的沟壁与沟底均为土壤，且沟壁上分布有植物，可以通过底泥吸附、植物吸收等方式实现对水体中氮素的去除[6]。

2.2 不同排水沟磷素浓度变化特征

各排水沟水体中TP浓度在稻田施肥后的变化特征较为一致，排水沟水体中TP浓度随时间进程持续下降，在肥后第6 d左右TP浓度下降速度减缓(图2)。稻田施用分蘖肥与穗肥后，各排水沟水体中TP初始浓度均较低，这是由于稻田仅在施用基肥时补充了120 kg/hm2磷肥，且施入稻田的磷肥只有小部分呈离子态的磷酸盐能被作物吸收[13]，大部分被土壤吸持转化为难溶性磷酸盐类，在后期灌水和降雨反复的冲刷、击溅作用下以颗粒态磷随水排入农沟[14]。本研究中首次水样采集时距稻田基肥施用已17 d，部分磷肥已经以颗粒态磷流失，导致各排水沟水体中TP浓度保持在较低水平。

图2 不同排水沟水体磷素浓度变化Fig.2 Changes of phosphorus concentration in different ditch

各排水沟对于稻田排水中TP的去除率差别较大，变化范围为4.75%～62.86%，均值为32.34%(表3)。这是由于稻田排水中TP浓度在稻季的大部分时间保持在较低水平，水样采集过程中各种因素引起的误差，导致了排水沟对于稻田排水中TP的去除率存在较大差别。

表3 不同排水沟对水体中TP的去除率 %

生态排水沟对稻田排水中TP的去除效果强于土质及混凝土排水沟(表3)。稻田施肥后10 d，生态排水沟对稻田排水中TP的去除率均值为37.86%，分别较土质及混凝土排水沟(25.62%及33.53%)增加12.24%及4.33%。生态排水沟的制作材料孔隙率较高，可以有效吸附水体中颗粒态磷，增强对水体中TP的去除效果[15]。

混凝土排水沟对稻田排水中TP的去除效果强于土质排水沟(表3)。稻田施肥后10 d，土质排水沟对稻田排水中TP的去除率较混凝土排水沟增加7.91%。由于混凝土浸泡在水中，会溶析出大量的氢氧化钙等碱性物质，与水中的磷酸根离子反应生成沉淀从而实现对磷素的去除。

3 结 语

(1)生态排水沟对稻田排水中TN、TP的去除率大于土质及混凝土排水沟，有效增强了对稻田排水中氮磷的去除效果。稻田施肥后10 d，生态排水沟对稻田排水中TN的去除率均值为86.57%，分别较土质(82.05%)及混凝土排水沟(83.55%)增加4.52%及3.02%；对稻田排水中TP的去除率均值为37.86%，分别较土质(25.62%)及混凝土排水沟(33.53%)增加12.24%及4.33%。

(2)土质排水沟对稻田排水中TN去除效果强于混凝土排水沟，对稻田排水中TP的去除效果弱于混凝土排水沟。稻田施肥后10 d，土质排水沟对稻田排水中TN的去除率较混凝土排水沟增加1.50%，对稻田排水中TP的去除率较混凝土排水沟降低7.91%。

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