生态浅沟木本与草本植物削减农田面源污染研究

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近年来,苏南地区农村面源污染引起的水体富营养化现象日趋严重,而农田面源污染的贡献率最大。经初步调查农田面源污染主要来自农村稻田大量肥料的施加和流失,因此,研究该区域农田面源污染治理措施对保护苏南地区水资源有着积极的意义。本文是国家自然科学基金项目“生态浅沟处理苏南农村面源径流污染方法及机理研究”的子课题。  本文利用生态浅沟治理苏南地区农田面源污染,生态浅沟是利用现有农田沟渠,构建与湿地类似的水力条件和适宜的生物栖息环境,形成截留降解途径沟渠污染物的一种生态法处理工艺。生态浅沟削减农田面源污染主要通过底泥截留吸附、植物吸收和微生物降解净化等多种机制共同作用,其中,植物对污染物的去除发挥着重要的作用。许多学者倾向草本植物作为研究的主要对象,但草本植物具有越冬困难、寒冷季节容易枯萎腐烂,若枯枝烂叶不及时打捞,容易产生二次污染等问题。笔者提出选择木本植物作为主要考察对象,原因是木本植物自身结构根、茎结构与草本植物不同,生长成熟期比草本植物时间长,且在木本植物快速生长阶段,及时进行收割。  本研究以木本植物为主要研究对象,与草本植物进行对比,考察生态浅沟木本与草本植物对农田面源污染削减效果及其机理分析。在实验室内,模拟春季温度条件下,从植物净化能力、生长习性、根系发达程度等多方面进行对比,最终选择柳树、桃叶珊瑚为木本植物代表,菖蒲、美人蕉为草本植物代表,依据苏南地区农田排水特征,模拟基肥施加后、降雨期后、复合肥施加后三种水质浓度,比较四种植物生态浅沟对农田排水污染物削减效果,分析其根系附着微生物数量与有机物去除效果相关性,比较四种植物生理特性、根系活力、吸收氮磷贡献率等因素,为木本植物生态浅沟在苏南农村地区的推广应用奠定研究基础。主要结论如下:  1、木本植物生态浅沟削减农田面源污染效果  (1)对比四种植物削减不同农田排水浓度可知:农田基肥施加后与降雨期后,柳树对CODcr的去除率最佳,分别为76.85%、60.73%,菖蒲对CODcr的去除率分别为67.2%、56.59%,而美人蕉的去除率比菖蒲分别低2.7%、5.17%,桃叶珊瑚的去除率最差。复合肥施加后,柳树的去除率最佳,比菖蒲的去除率高10.3%,比美人蕉的去除率高13.24%。  (2)农田基肥施加后与降雨期后,柳树对TN的去除率最高,分别为53.46%、54.36%,分别比菖蒲的去除率高21.18%、16.37%,美人蕉和桃叶珊瑚的去除率不如柳树和菖蒲。复合肥施加后,菖蒲、柳树对TN的去除率最佳,分别为75.46%、73.68%,而美人蕉、桃叶珊瑚的去除率分别为61.45%、57.29%。考察生态浅沟中溶解氧含量与脱氮去除效果的关系,通过应用统计分析软件SPSS19.0分析可知,柳树、菖蒲生长区域内溶解氧浓度与NH3-N去除率呈显著性正相关(p<0.05)。  (3)农田基肥施加后,柳树对总磷的去除效果最好,去除率达到92.6%,其次是美人蕉和菖蒲,去除率分别为86.27%、84.31%,桃叶珊瑚的去除效果较差。复合肥施加后,柳树的去除率最佳,达到79.66%,而菖蒲、美人蕉、桃叶珊瑚的去除率未表现出明显优势,可能的原因是复合肥施加后,水体污染环境抑制植物的生长。  2、木本植物生态浅沟削减农田面源污染去除机理分析  (1)从植物的生理特征比较分析:生物量增加最大的是柳树,株高增长最多的是柳树,根系增长最快的是柳树和菖蒲。比较四种植物根系活力强度,柳树的根系活力最强,因此其根际作用强,对氮磷的吸收也更好。  (2)从植物根系附着微生物数量比较分析,有机物的去除率和微生物数量具有一定的相关性,其中柳树区域CODcr去除率与根系附着微生物的数量相关性显著。  (3)从植物吸收氮、磷浓度分布来看,菖蒲、柳树地上部分吸收氮浓度,分别比美人蕉高18.6g/kg、13.31g/kg,菖蒲、柳树地下部分吸收氮浓度分别比美人蕉高14.74g/kg、8.7 g/kg。柳树地上、地下部分吸收磷的浓度分别比菖蒲高5.47 g/kg、3.68 g/kg,美人蕉吸收磷浓度比菖蒲吸收浓度低。  (4)通过植物吸收氮、磷浓度对水体中氮磷去除贡献率来看,植物吸收氮的贡献率高低为菖蒲(41.16%)>柳树(32.37%)>美人蕉(30.64%),植物吸收磷的贡献率高低为柳树(58.76%)>菖蒲(28.69%)>美人蕉(10.42%)。  综上所述,木本植物生态浅沟对农田面源污染与草本植物相比的去除效果相差不大,同时木本植物可以克服越冬困难、避免二次污染等问题,可以代替草本植物生态浅沟削减农田面源污染。
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