目前，我国的养猪业规模日益增大，发展日益加快，在我国一些农村经济中已成为最活跃的经济体系和重要的支柱产业。虽然养猪业给我国的农业经济带来一定提升帮助，但同时也给我国农村的自然生态环境造成了严重的污染，并且这样的污染在农村地区有着愈演愈烈之势[1]。我国每年畜禽废水排放的COD量已经超过生活和工业污水COD排放的总和，因畜禽粪便流失的氮、磷也已经超过每年因化肥流失造成的损失[2]。因此，对于畜禽养殖废水的处理，一直是农业环境研究的重点。猪场养殖废水现有的处理模式主要有3种：还田模式、生态处理模式和工业化处理模式[3]。传统还田模式占用大量农田，需要相应的动力管道工程配套，也易对地表和地下水造成潜在威胁；生态处理模式具有费用低、效率高、易管理的优点，但占地面积较大；工业化模式效率高、占地面积小，但是基建和运行费用高、管理复杂，高投入的治理方式对于高风险低利润的养殖行业难以承受[4]。综合比较，生态处理工程虽然占用一定的土地面积，但养猪场通常在郊区或农村，土地资源相对丰富，且生态处理可以与丰富的水生植物及草皮、果树等相结合，不仅有较好的景观效果，也有一定的经济效益，是值得推广的污水处理模式。已有研究[5-6]表明，水生植物对于污水生态处理起着重要作用，沟渠具有植物-底泥-微生物系统，经植物吸收、泥沙拦截和微生物分解等理化作用，可以降低污水中的泥沙和氮、磷浓度[7]。水生植物处理虽然效果很好，但受季节、植物和生态沟渠的构造影响很大，冬季虽然养猪场污水排放量大幅度减少，但依然需要进行生态处理，低温条件下，湿地植物易出现休眠现象，根系微生物代谢减缓，导致净化能力减弱[8]。但冬季生态沟内底泥和植物依然有一定活性，对于污水的处理依旧有一定的效果。目前，国内现有的有关生态沟净化养殖废水方面的研究，大多针对某个温度（季节），或者某一对象（污水、底泥或植物），缺少在不同季节下污水、底泥和水生植物的理化特征变化，也有部分研究是利用小区试验得出，与实际应用可能存在差距。本文在总结现有研究的基础上，以猪场生态沟为研究对象，分析在不同季节生态沟中的污水、底泥和水生植物的理化特征，总结生态沟在不同季节对于养殖废水的净化能力及水生植物对于污水中养分的去除能力，为生态沟的应用和推广提供参考。
1 材料和方法
1.1 供试养猪场基本情况
试验地点在宜兴市和桥镇科牧生态农业有限公司养猪场，养猪场年度平均养猪802头，每日产生废水10.2 m3。废水用干清粪固液分离工艺处理，猪粪堆肥后还田，污水经厌氧后过稳定塘、生态沟、渗滤池，最终到达鱼塘。其中厌氧发酵罐60 m3，稳定塘30 m×30 m×2 m（长×宽×深），生态沟总长260 m，宽4 m，生态塘25 m×20 m×1.5 m（长×宽×深），砂石过滤池面积10 m×4 m，鱼塘30 m×30 m×2 m（长×宽×深），进入厌氧池之前污水的COD为2 000~2 500 mg·L-1，TN为1 000~1 800 mg·L-1。
设定好提升泵流量，每日记录运行时间及每日进入生态系统的污水流量，夏季平均为12.8 m3，冬季平均为6.9 m3，年平均为10.6 m3。污水经过厌氧后到稳定塘，由于稳定塘的滞留期超过150 d，因此稳定塘中污水的浓度变化不大，全年COD浓度在350~450 mg·L-1之间，然后溢流到生态沟进行进一步净化处理，通过生态沟净化后，污水浓度一般在40~100 mg·L-1之间。
1.2 处理设计
本研究的对象是生态沟这一环节。生态沟总长220 m，横截面呈梯形，上口宽7.5 m，下底宽5 m，正常水深控制在0.3 m左右。总存水量约350 m3，污水滞留期平均为30 d。生态沟内主要水生植物是梭鱼草，在4月份埋耕种植，到第二年1月份刈割，整个生长期在4月份至第二年1月份。沟内共种植468颗梭鱼草，平均种植0.28颗·m-2。生态沟2015年3月建成，4月份开始排入污水，并种植水生植物，根据江苏苏南地区平均气温分为5个处理：T1（春季，4—6月份）；T2（夏季，7—9月中旬）；T3（秋季，9月中旬—11月中旬）；T4（冬季刈割前，11月中旬—1月中旬）；T5（冬季刈割后）。其中T5是水生植物刈割后，因此仅在污水分析中加上T5处理，在底泥和水生植物分析中仅用T1~T4处理分析。
1.3 样品采集
每个处理期分别采集初始入水口段（S）、中间段（M）和末端（L）点的污水和土壤，分析污水的COD、TN和TP。其S点的取水点在上一个环节的出水口，L点的出水点在生态沟的出水口。每个处理期内15~20 d取样1次，每个处理期至少取样3次。水样采集在未扰动情况下，用勺子舀取中心点水样。底泥采集是在生态沟上搭小桥，利用取土器，采集中心底部10 cm土壤。
最终收获时在S、M、L点采集各典型若干株梭鱼草，分为地上部分和地下部分，地下部分采用挖掘法，整株梭鱼草茎叶全部刈割，根茎与须根全部挖出，自然风干，测新鲜重，所有样品于105 ℃杀青2 h，80 ℃烘干至恒重，获取干物质重，计算生物量，并预处理后采用植株分析法分析N、P。
1.4 测试方法
测试指标为COD（污水）、有机质（底泥）、TN、TP 4个指标，其中污水COD用重铬酸钾消煮-硫酸亚铁铵滴定法，TN用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法，TP用钼锑抗分光光度法；底泥有机质用重铬酸钾油浴法，TN用半微量凯氏法，TP用HClO4-H2O2消煮、钼锑抗比色法；植株中TN和TP均用H2SO4-H2O2消煮后，分别用蒸馏法和钒钼黄比色法测试。
1.5 数据分析
数据处理采用SPSS和Excel两种统计分析软件。
2 结果与讨论
2.1 不同时期生态沟污水净化能力对比
不同时期采集不同点位的污水，分析其浓度，可以判断不同处理对污染物的削减能力。结果见表 1。
T1~T4这4种均为有植物的处理。从表 1可以看出，生态沟对污水中COD和养分的去除具有明显的削减作用，随着生态沟的延长，养分的削减率提高。比较不同处理，对于COD和TN，均是在M点T2处理显著高于其他处理，到末端后T2、T3处理差别不大，显著高于其他两个处理，削减率均达到86%以上。对于TP，在M点T1~T3 3个处理没有显著差距，均显著优于T4，到末端后，与COD和TN类似，T2、T3没有显著差距，显著优于其他两个处理，削减率达到98%以上。而T4处理对于养分的削减能力最差，尤其是M点的削减能力大幅度低于其他处理，到L端虽然削减能力有所提高，但依然显著低于其他处理。
比较T4和T5两个处理，两者均在冬季温度差距不大，T4是梭鱼草刈割之前，T5是梭鱼草刈割之后。COD和TP表现类似，在M点处T4显著高于T5，到L段两者已经没有显著差距。TN的表现在M点和L点是T4显著优于T5。可以看出梭鱼草对污水中养分的削减依然有作用，尤其是在前段，梭鱼草的存在能加快养分的吸收。但同时也能看出，虽然梭鱼草进行了刈割，但生态沟依然对污水中养分的削减有很大作用，对COD、TN和TP的削减率分别达到70%、55%和79%，COD和TP的削减与冬季没有刈割前没有显著差距，这与张树楠等[9]的研究类似。
根据每日流量（夏季平均为12.8 m3，冬季平均为6.9 m3）、生态沟进水浓度和出水浓度进行比较，夏季每日去除COD、TN和TP分别为3.69、1.66 kg和0.77 kg，冬季3个指标每日去除1.58、0.58 kg和0.25 kg，虽然在冬季污水净化的效果也很显著，但生态沟在夏季节对于污水中COD、TN和TP的去除总量分别为冬季2.4、2.8倍和3倍。说明在夏季生态沟对养分的削减能力要优于其他季节，最差是冬季。主要原因是随着温度升高，一方面是梭鱼草生长旺盛，对于外界的养分吸收较为迅速；二是水体和土壤中微生物活性较强，也有利于养分的削减。虽然不同季节生态沟中污水净化表现出差异，但冬季依然有一定的效果，通过冬季减少污水排放，利用稳定塘稳定入水口浓度，也能一定程度上净化污水，达到预期目标。即使水生植物进行了刈割，但水面以下植物发达的根系还在，同样能拦截水中的固体物质，并为微生物提供更多的附着点和营养物质[10-12]，生态沟依然能发挥一定的净化效果。因此，只要有足够的滞留期，在冬季生态沟依然会发挥一定的作用，这与雒维国等[13]研究的生态湿地在冬季运行较长的时间，对水体的净化也能起到较好的效果相符。根据本试验，冬季的污染物总量排放，应不超过夏季的1/3比较合适。
2.2 不同点位底泥养分含量对比
由于T5处理是在冬季水生植物刈割后，与前面4个处理有较大区别，因此本试验仅比较T1~T4处理，是从春季生态沟启用到冬季结束。不同处理时期同时采集S、M、L点的底泥土壤，分析底泥的养分含量。结果见表 2。
Enlarge this image.表 2 不同点位底泥养分含量（g·kg-1） Table 2 Nutrient contents of sediment at different points(g·kg-1)
从表 2可以看出，由于生态沟是当年才开始运行，所以沟内底泥养分提升很显著，随着时间推进，土壤S点的有机质含量快速增加，以最终T4处理的S点为例（系统运行8个月后），底泥有机质含量约为背景值5.4倍，TN是7.1倍，TP达到42.7倍。3种物质的增加主要是由于污水中的有机养分矿物质沉淀引起的，植物存在还可降低水流速，增加水体颗粒物沉降，改变沉积物的分布与理化特性[14]，所以在S点取的土壤样品，已经有部分沉淀的污水残渣混入，随着时间积累，沉淀物越多，有机质和养分的含量也越高。TP之所以数十倍增加，主要是由于原始土壤中的磷含量相对于污水要低很多。
但随着生态沟使用时间的延长，3种污染物的浓度急剧下降，以正常生长的T3为例，M点的底泥有机质含量大约为S点的一半，到L点又减少约30%；M点的底泥TN含量仅为S点的1/4，M和L点差距已经大幅度缩小，说明大量的N素在前半段就被拦截了；TP削减也很明显，M点仅为S点的15%，也说明大部分TP在前半段也被拦截了，导致在L点，4个处理底泥养分含量不仅没有像S点大幅度提高，而且4个处理间的差异差距不像S点差距大，运行8个月后，底泥中有机质只有背景值的2倍，TN、TP均没有超过1.5倍。
在自然环境中，由于生态沟底泥受到污水沉淀物、植物根系、污水截留能力、微生活活动、土壤本身的理化性状等多重因素影响，底泥在不同点位、不同深度、甚至同一点位不同时间其理化性状都有较大变化，因此本试验无法获得进入底泥的养分量，需要进一步通过室内精确化试验验证。
2.3 生态沟植株生物量和养分变化
生态沟内主要水生植物是梭鱼草，每年12月份刈割，带走多余的养分，在梭鱼草刈割后，分别在S、M和L点取典型的植株进行物理化学分析，得到梭鱼草的生物量（折算单位面积）及N、P的养分含量，见表 3。
Enlarge this image.表 3 梭鱼草的干物质量和养分含量 Table 3 Biomass(dry matter)and nutrient contents of aquatic plants
由于梭鱼草地上和地下部差异较大，将地上和地下部分分开计算，分别统计干物质量和养分含量。
从表 3可以看出，S点地上和地下的干物质量，均显著高于M、L点，L点最低，从另一方面表明梭鱼草的长势随着生态沟的延长而快速下降，主要是因为生态沟起始阶段养分较高，生长较为旺盛，而后水和土壤中的养分供应降低，其养分含量也是前点高于后点。根据单位面积干物质量和养分含量，计算得到单位面积的养分吸收量（表 4）。
从表 4可以看出，梭鱼草在S点，单位面积吸收TN 43.65 g，吸收TP 5.85 g。而M和L点的吸收量快速下降。生态沟总长220 m，宽7.5 m，总面积1 650 m2，根据不同点位养分吸收量，经过加权统计，得到整个生态沟在整个生长期内（8个月）梭鱼草吸收N素54.8 kg、P素6.98 kg。根据8个月每日的污水量和生态沟出入口的养分浓度统计结果，在梭鱼草生长期内，经过生态沟处理的TN总量约为195 kg，TP总量约为80 kg。梭鱼草吸收N素产生的削减占生态沟总削减量的28%，吸收P素占总削减量的8.7%，其余部分被水体中其他植株、底泥、沉淀和微生物活动等因素削减[15-17]。
3 结论
（1）生态沟对污水中COD和养分的去除具有明显的削减作用，随着生态沟使用时间的延长，养分的削减率提高。说明总体上在夏季生态沟对养分的削减能力要优于其他处理，春秋季其次，最差是冬季。即使水生植物进行了刈割，生态沟依然能发挥一定的净化效果。在生态沟前端加上稳定塘，保持入水浓度变化不大的前提下，冬季进入生态沟的污水量应当不高于夏季的1/3，才能保持净水效果。
（2）随着时间增加，底泥中养分含量快速增加，初始阶段增加最快，由于生态沟是当年才开始运行，所以沟内底泥养分提升很显著，随着时间推进，土壤S点的有机质含量快速增加，系统运行8个月后，初始阶段底泥有机质含量约为背景值5.4倍，TN是7.1倍，TP达到42.7倍。但随着生态沟使用时间的延长，3种污染物的底泥浓度急剧下降，到生态沟末端，底泥全年的养分含量变化已经不显著。
（3）生态沟初始段梭鱼草植株地上和地下的干物质量，均显著高于后面两个点，末端点最低，表明梭鱼草的长势随着生态沟的使用时间延长而快速下降，生态沟起始阶段养分较高，生长较为旺盛，而后主要是因为水和土壤中的养分供应降低。其养分含量也是前点高于后点，通过梭鱼草吸收N素产生的削减占生态沟总削减量的28%，吸收P素占总削减量的8.7%。
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