全 文 ：非点源污染物在沟渠湿地中的累积和
植物吸收净化 3
姜翠玲 3 3 　范晓秋　章亦兵
(河海大学水资源环境学院 ,南京 210098)
【摘要】　对有机质和总氮在沟渠湿地底泥中的垂直分布和水平分布的研究表明 ,40 cm 以下深度的芦苇
( Phragmites com m unis) 和茭草 ( Ziz ania latif olia)湿地底泥对有机质和总氮有显著的持留和累积作用 ;但
表层底泥中含量随季节变化大 ,最高与最低值相差近 2 倍以上. 有机质和总氮之间有极显著的相关关系 ,
在芦苇和茭草湿地底泥中的相关系数分别为 0. 9876 和 0. 9335. 水体中总氮与 NH4 + 2N 和 NO3 - 2N 也显
著相关 ,表明总氮的主要成分是有机氮 ,其矿化作用是无机氮的重要来源. 每年秋季芦苇收割以后 ,可带走
氮 818 kg·hm - 2和磷 10316 kg·hm - 2 ,茭草可带走氮 131 kg·hm - 2和磷 28. 9 kg·hm - 2 . 茭白对氮的吸收能
力高 ,试验表明 ,利用茭白取代野生植物 ,既能取得很好的净化效果 ,又可被农民主动回收 ,解决植物的二
次污染问题.
关键词 　沟渠湿地 　挺水植物 　氮磷 　非点源污染物
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 07 - 1351 - 04 　中图分类号 　X506 　文献标识码 　A
Accumulation of non2point source pollutants in ditch wetland and their uptake and purif ication by plants.
J IAN G Cuiling ,FAN Xiaoqiu ,ZHAN G Yibing ( W ater Resources and Envi ronment College , Hohai U niversity ,
N anjing 210098 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2005 ,16 (7) :1351～1354.
The study on the vertical and horizontal distribution of organic matters and total nitrogen ( TN) in the sediment
of ditch wetland naturally grown with reed ( Phragmites com m unis) and wild rice ( Ziz ania latif olia) showed
that the sediment below 40 cm depth had a significant effectiveness in retaining and accumulating organic matters
and TN ,but in its surface layer ,this effectiveness varied largely with seasons ,and the maximum was more than
twofold of the minimum. TN was highly correlated with organic matters ,the correlation coefficient being 0. 9876
in reed wetland and 0. 9335 in wild rice wetland ,and in water phase ,it was positively related to NH4 + 2N and
NO32N ,indicating that the main composition of TN was organic N ,and the mineralization of organic N was the
sources of inorganic N. The harvest of reed in each autumn could take away 818 kg·hm - 2 of N and 103. 6 kg·
hm - 2 of P ,and that of wild rice could take away 131 kg·hm - 2 of N and 28. 9 kg·hm - 2 of P. Ziz ania caduci2
f lora had a high assimilation ability of nutrients. Its cultivation in ditch wetland to replace wild helophytes would
be a good approach to attain higher absorbing ability of N and P ,and to resolve the secondary pollution problem
of emerged plants ,because farmers could harvest it voluntarily.
Key words 　Ditch wetland , Emerged plants , Nitrogen and phosphorus , Non2point source pollutants.3 国家自然科学基金资助项目 (50109001 ,50239030) .3 3 通讯联系人.
2004 - 07 - 19 收稿 ,2004 - 12 - 27 接受.
1 　引 　　言
利用河湖与陆地交错带的湿地净化非点源污染
物已受到国内外普遍关注[1～3 ,5 ,7 ,12 ,15 ,26 ,27 ] ,已有大
量有关湿地去除氮、磷营养物的机理及去除能力研
究[4 ,6 ,9～11 ,14 ,17 ,22 ] ,充分肯定了湿地在减轻地表水
富营养化方面所发挥的巨大作用[3 ,8 ,19 ] . 但长期以
来 ,人们忽视了另一种湿地生态系统 —沟渠对污染
物的截留和净化能力. 沟渠是农田排水汇入河流和
湖泊的通道 ,据 Woltemade[23 ]报道 ,美国和加拿大
有 65 %的农田通过地表排水 ,即利用沟渠网排水 ,
其余的 35 %是经地下暗管排入沟渠或直接排入河
流.
长江下游地区农田之间分布着纵横交错的沟渠
湿地. 沟渠即是农业非点源污染物的最初汇聚地 ,又
是河道和湖泊营养盐的输入源. 目前 ,对非点源污染
物在沟渠湿地中转化和去除的机理研究还很少 ,也
没有防治湿地植物因死亡分解产生二次污染问题的
有效方法. 本文的目的是研究沟渠湿地对非点源污
染物的累积和净化效应 ,探讨合理利用和去除湿地
植物的有效措施.
2 　研究地区与研究方法
211 　研究区概况
实验选在南京市浦口区的一条长 600 m ,宽 20～30 m
应 用 生 态 学 报 　2005 年 7 月 　第 16 卷 　第 7 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J ul. 2005 ,16 (7)∶1351～1354
的天然沟渠湿地中 ,沟渠呈 L 型 ,自然生长着芦苇 ( Phrag2
mites com m unis) 和茭草 ( Ziz ania latif olia) ,两种挺水植物之
间分界明显 ,沟渠湿地的流向是从东向西 ,在西部构筑有混
凝土堰 ,使水保持在沟渠中 ,仅在汛期排水. 夏季水深可达
80 cm ,冬季随降雨出现干2湿交替现象. 在堰西部的一段沟
渠中种植茭白. 向实验沟渠排水的农田面积为 0123 hm2 ,栽
培措施是小麦2水稻轮种 ,收获后的作物秸秆还田. 农田施用
的化肥主要有尿素、碳酸氢氨和复合肥 ,年均施氮肥量为 :尿
素和碳酸氢铵各 750 kg·hm - 2 、复合肥 1 275 kg·hm - 2 ,折
合成纯氮为 607 kg·hm - 2·yr - 1 ,纯磷为 90 kg·hm - 2·yr - 1 .
212 　样品采集和分析
21211 土壤和底泥样品 　在 2002 年 9、12 月和 2003 年 3、6
月分别在芦苇湿地 (分收割区和未收割区) 、茭草湿地和农田
中取 0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 深
的底泥和土壤样品 ,分析有机质、总氮 ( TN) 、p H、NH4 + 2N、
NO3 - 2N 含量及土壤含水量. 由于湿地呈 L 型长条状 ,为防
止边界效应 ,在中间位置取样. 有机质用重铬酸钾 - 硫酸氧
化法分析 ;p H 值用无 CO2 蒸馏水提取 ,玻璃电极法 ;总氮用
半微量开氏法 ; NH4 + 2N 用氯化钠提取 ,纳氏试剂比色法 ;
NO3 - 2N 用硫酸铜提取 ,酚二磺酸比色法.
21212 湿地水样 　2002 年 9、11、12 月及 2003 年 3、6 月 ,分
别取淹水芦苇地和茭草地的水样 ,每一湿地设两个取样点
(在岸边和中心位置各一个) ,在 1/ 2 水深处取样 ,两个点样
品在现场混合均匀后 ,运回实验室分析 CODcr (化学需氧
量) 、总氮、p H、NH4 + 2N、NO3 - 2N 浓度. COD 用重铬酸钾法
分析 ;总氮用硫酸消解后 ,开氏法 ;NH4 + 2N 用纳氏试剂比色
法 ;NO3 - 2N 用酚二磺酸比色法 ;p H 值用玻璃电极法.
21213 植物样品 　2002 年 9 月及 2003 年 6、9 月 (植物生长
季节) ,在各实验区随机选取 2～3 个点取整株水稻、芦苇、茭
草、茭白样品 ,分别分析根、茎叶中氮、磷含量. 样品先用
H2 SO42H2O2 消化后 ,加碱蒸馏测总氮 ,用钼兰比色法测总
磷.
3 　结果与讨论
311 　总氮与有机质在沟渠湿地底泥中的累积
由于农民不再使用有机肥 ,土壤中有机质主要
来自农作物残体的分解. 实验区水稻和小麦在收割
时仅取顶端部分 ,剩余的秸杆在播种和插秧时翻入
土中 ,这是农田有机质的主要来源. 从不同季节农田
土壤有机质和总氮分布来看 (图 1) ,两者在 60 cm
以上各层中含量随深度增加而迅速降低 ,60 cm 以
下含量低、变化小.
0～100 cm 深芦苇和茭草湿地底泥中有机质和
总氮 (图 1)含量从表层至 40 cm 急剧下降 ,但在 40
cm 以下又有上升趋势. 将同一时间测定的农田土壤
图 1 　总氮在农田土壤及湿地底泥中的纵向分布
Fig. 1 Vertical distribution of TN in soil of cropland and sediment of
wetlands
S :2002 年 9 月 Sept . 2002 ;D :2002 年 12 月 Dec. 2002 ; M :2003 年 3
月 Mar. 2003 ;J :2003 年 6 月 J un. 2003.
和湿地底泥有机质和总氮含量加以比较 ,发现 40cm
以下深度湿地底泥中含量远较农田中的高 ,因此湿
地底泥对非点源污染物有持留和累积作用. 和土壤
相比 ,底泥表层中有机质和总氮含量随季节变化大 ,
最高与最低值相差近 2 倍以上 ,表明底泥表层中有
机质和总氮分解转化速度快 ,这是湿地干2湿交替现
象造成的[20 ] .
　　芦苇和茭草湿地底泥中有机质和总氮之间有极
显著的相关性[1 ,21 ] (图 2) ,相关系数分别为 019876 和
019335 ,证明芦苇和茭草湿地中总氮主要是有机氮 ,
来自农田作物和湿地植物的生长和死亡分解[15 ] .
图 2 　湿地底泥中有机质和总氮之间的相关关系
Fig. 2 Correlation between organic matters and total N in sediment of
wetlands.
2531 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
312 　植物残体分解对水和底泥营养物质含量影响
每年 9 月以后 ,湿地植物地上部分开始逐渐枯
萎、死亡 ,植物残体分解 ,明显影响底泥表层和水体
中有机质及氮、磷含量. 在 10 月中旬将一部分芦苇
收割 ,20 d 以后 ,收割区的湿地水质在颜色和浑浊
度上明显好于未收割区 (颜色黑 ,有大量悬浮物质) ,
对两个区的水样进行分析 ,收割区湿地水中的有机
质和 TN 含量分别为 21133 和 1104 mg·L - 1 ,均低
于未收割区的 (分别为 28145 和 1122 mg·L - 1) . 收
割区芦苇湿地 40 cm 以上底泥中的有机质、总氮、总
磷含量明显低于未收割区[13 ] . 因此 ,生长茂密的湿
地植物收割以后 ,即去除了内源污染物的分解循环 ,
同时由于光照条件和曝气作用的改善 ,加快了有机
质和氮、磷的分解.
从 2002 年 9 月至 2003 年 3 月 ,芦苇 (收割和未
收割区)湿地水中氨氮浓度变化于 0104～0114 mg·
L - 1之间 ,硝态氮浓度变化于 0～1133 mg·L - 1之
间 ,总氮与氨氮、硝态氮之间都有显著的相关关系
(图 3) . 总氮与氨氮相关系数 r = 019011 ,与硝态氮
的相关系数 r = 019562 ,表明水体中氨氮和硝态氮
浓度与湿地有机氮矿化作用有很好的相关性[24 ] ,这
也充分说明除农田径流带来的无机盐以外 ,在 9 月
到次年 3 月之间 ,湿地自身有机氮分解是无机氮的
一个重要来源.
图 3 　芦苇湿地水体 TN 与 NH4 +2N、NO3 - 2N 之间的相关关系
Fig. 3 Relationship between TN and NH4 +2N and NO3 - 2N in water of
reed wetland.
313 　利用沟渠湿地植物净化非点源污染物
湿地通过底泥的吸附和截留、植物吸收及根区
反应、微生物降解等途径净化非点源污染物[27 ] . 植
物在湿地净化过程中起到很重要的作用. 一方面 ,植
物根系巨大表面会附着大量微生物 ,根际会创造有
利于各种微生物生长的微环境 ;另一方面 ,植物可通
过茎叶向下输送氧气 ,在根系附近形成好氧微区 ,促
进有机质、氮、磷等的转化 ;此外 ,植物对营养物质的
吸收也是净化的主要途径.
长江下游天然湿地水生植物生长茂盛 ,从 2002
年至 2003 年 ,实验区鲜芦苇平均年产量达 122 720
kg·hm - 2 ,鲜茭草年产 38 658 kg·hm - 2 . 茭草、芦苇
体内的氮磷含量如表 1 所示. 每年秋季芦苇地上部
分收割以后 ,可带走氮 818 kg·hm - 2和磷 10316 kg·
hm - 2 ,茭草收获后 ,可去除氮 131 kg·hm - 2 和磷
2819 kg·hm - 2 . 因此 ,湿地植物是净化农业非点源
污染物的有效因子[16 ,25 ] .
虽然芦苇和茭草对氮、磷污染物有很强的吸收
能力 ,但如果在秋季不及时收割 ,植物积累的氮、磷
营养成分在春季将分解释放 ,严重影响地表水水质.
由于野生植物无多大利用价值 ,农民不会主动回收.
表 1 　农田和湿地植物中氮和磷浓度
Table 1 Concentration of N and P in emerged plants and crop
植物
Plant
species
茎叶N浓度
N in leaf
and stem
(g·kg - 1)
茎叶 P浓度
P in leaf
and stem
(g·kg - 1)
根部N浓度
N in root
(g·kg - 1)
根部 P浓度
P in root
(g·kg - 1)
收获N
Harvested N
(kg·hm - 2)
收获 P
Harvested P
(kg·hm - 2)
芦苇
P. com m unis 1510 119 1819 219 818 10316
茭草
Z. latif olia 1712 318 1918 311 131 2819
茭白
Z1 caducif lora 1810 119 1911 212 200 2111
水稻
Rice 1410 117 1113 112 8512 1013
　　茭白 ( Ziz ania caducif lora) 是与野生茭草非常
近似的一种多年生水生植物 ,在长江中下游地区普
遍种植 ,其肉质茎可入菜. 分析浦口地区沟渠湿地中
种植的茭白样品体内营养物质含量 ,并与野生芦苇
和茭草进行比较 (表 1) ,结果显示茭白茎叶中氮含
量明显高于芦苇和茭草 ,磷含量与芦苇相似 ,但低于
茭草. 茭白肉质茎在收获时 ,连同地上其余部分一起
收割 ,每年可带走氮 200 kg·hm - 2和磷 2111 kg·
hm - 2 . 单位面积茭白的去除与种植密度有关 ,在提
高密度的条件下可以增加生物量 ,提高氮、磷的年去
除率. 因此 ,通过人为种植茭白取代自然生长的芦苇
和茭草 ,可有效吸收沟渠湿地底泥中富集的氮、磷营
养物质 ,减轻河流和湖泊的富营养化程度.
8 月中旬至 9 月中旬 ,正值茭白分蘖至孕茭期 ,
需要大量的养分 ,体内氮磷含量呈上升趋势[18 ] ,此
时也正是水稻分蘖抽穗期 ,稻田须增施肥和排水 ,农
田径流中的营养物含量高 ,正好满足茭白生长的需
要 ,迅速吸收排入沟渠中的非点源污染物. 茭白生长
期与芦苇和茭草相近 ,都是从 3 月到 10 月 ,这段时
期也和农田中两季轮作作物小麦2水稻的主要生长
期相吻合 ,在茭白生长过程中可有效吸收来自农田
排放的氮、磷污染物.
35317 期 　　　　　　　　　　姜翠玲等 :非点源污染物在沟渠湿地中的累积和植物吸收净化 　　　　　　　　　　　
4 　结 　　论
411 　沟渠湿地底泥对非点源污染物有持留和累积
作用 ,40 cm 以下深度积累了远较农田高的有机质
和总氮. 由于干2湿交替现象 ,表层底泥中的有机质
和总氮含量随季节变化大 ,最高与最低值相差近 2
倍以上 ,即有机质和总氮在表层中的分解转化速度
快.
412 　有机质和总氮之间存在着显著的相关关系 ,在
芦苇和茭草湿地底泥中的相关系数分别为 019876
和 019335. 湿地水中的总氮与 N H4 +2N 和 NO3 - 2N
也显著相关 ,证明总氮的主要成分是有机氮 ,而有机
氮的矿化是无机氮的一个重要来源.
413 　芦苇和茭草对氮、磷的吸收能力高 ,湿地植物
定期收割是净化非点源污染物的关键措施. 每年秋
季芦苇收割以后 , 可带走氮 818 kg ·hm - 2 和磷
10316 kg·hm - 2 ,茭草可带走氮 131 kg·hm - 2和磷
2819 kg·hm - 2 . 但由于芦苇和茭草的回收利用价值
低 ,在春季植物残体分解 ,氮、磷营养物质又释放出
来 ,严重影响地表水的水质.
414 　茭白每年对氮磷的吸收量分别为 200 和 2111
kg·hm - 2 ,其块茎是一种蔬菜 ,在沟渠湿地中人为种
植取代野生植物 ,既可取得很好的净化效果 ,农民又
会主动回收 ,解决植物的二次污染问题.
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作者简介 　姜翠玲 ,女 ,1966 年生 ,博士 ,副教授. 主要从事
水生态修复和污染控制研究 ,发表论文 20 余篇. E2mail :
cljianghhu @163. com
4531 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷