田埂在農業面源污染治理中的應用現狀與展望
農業面源污染（AGNPS）是指在農業生產活動過程中產生的污染物在降水或灌溉時通過地表徑流、農田排水和地下滲漏等方式，進入河流、湖泊、水庫、海灣等水體而引起的污染，其主要來源于農藥化肥流失、農村畜禽養殖排污、農膜和作物秸稈降解等。在歐美等發達國家，來自農業面源的氮、磷污染物排放量占地表水污染物總排放量的40%左右。我國來自農業面源的總氮（TN）和總磷（TP）排放量分別占水污染物總排放量的46.5%和67.2%，其中種植業TN和TP排放量分別占23.7%和24.2%。長江流域污染負荷中，農業面源排放TP的貢獻率為65.28%；太湖流域，農業面源排放的TN、TP貢獻率均超過80%；洞庭湖流域，農業面源排放的TN和TP貢獻率分別達到61%和80%。已有研究發現，農業面源污染的發生具有隨機性和滯后性，污染負荷隨時間波動大，污染物的來源廣泛、排放點不固定、排放不連續，對其進行監測的難度大，導致難以精準施策。國內外研究人員圍繞農業面源的發生機理、監測技術、負荷核算和防治管理開展了大量研究。在農業面源的防治方面，我國學者提出了“源頭減量、過程阻斷、養分再利用、生態修復”的全過程防控策略，實踐表明該策略實施效果顯著。過程阻斷是指沿徑流路徑科學設置水處理設施，常見的有生態田埂、生態溝渠、人工濕地和改進的穩定塘等技術。田埂是農田的組成部分，在農業生產過程中形成并長期廣泛使用。當前針對田埂的研究主要圍繞田間水分通過側滲流失的監測方法和流失量，田埂對水土流失的攔截作用，田埂的布置、設計和穩定性等方面，以及生物田埂植物種類的選擇、配置方式和系統內各組分的作用機理與調控技術等，但從田埂對污染物去除性能的角度開展的研究還較少。
近年來，已有很多學者對用于農業面源治理的人工濕地、生態溝塘、農村污水處理技術等進行了較為全面的綜述，但鮮見針對田埂研究進展的相關綜述。為此，筆者基于國內外有關田埂的研究成果，從農業面源治理的角度系統綜述田埂的研究現狀，探討田埂去除污染物的機理，并展望其研究發展趨勢，以期為推動田埂技術的深入研究和標準化應用，以及我國農業面源污染治理提供技術支撐。
一、 田埂類型及其在農業面源治理中的應用
田埂又稱地埂，通常指田間稍高于田塊而凸起的部分，是人們在進行農田基本建設時形成的，常用于農田分界和蓄水，還用作人行道和植物種植，為農田環境的重要組成部分之一。
1.1田埂的類型
根據修筑田埂材料的不同，田埂可分為土埂、石埂、土石復合埂和生物埂（圖1）。土埂筑埂時就地取材，以泥土修筑并將兩側和頂部拍打壓實，一般用在平原區和坡度較小的耕地內，具有成本低、筑埂簡單、易維護等優點，但抗侵蝕能力差。石埂由卵石、毛石和條石等修筑而成，相比土埂成本高，多用于坡度大的區域，其穩定性和抗侵蝕能力較好，但是生態適應性差。土石復合埂是以泥土和石材為原料，無規律搭配使用修筑田埂，修筑工藝相對復雜。混凝土（漿砌石）埂材料需購買，容易獲取，穩定性高，但是成本高，生態適應性低，難以推廣。種植植物后的土埂可稱為生態田埂（生物田埂）。生態田埂是以土埂為基礎，在其頂部或兩側栽種植物，該類田埂同時具備水土保持功能、生態功能和經濟效益。
1.2田埂削減農業面源污染的主要方式
1.2.1通過減少側滲降低農業面源污染
污染物的遷移必須以水為載體，而農業灌溉用水是我國的主要耗水類型，在西北地區，農業灌溉用水約占總用水量的90%。一般認為在農業種植中，除了植物根系吸收水分外，側滲、土壤蒸發和下滲是田塊水分流失的主要途徑。但蒸發并不會導致污染物的遷移，水田年復一年地耕作后，會在距地表約30cm處形成一層致密的犁底層，該層能阻擋一部分受重力作用下移的田面水，同時促進田面水在耕作層土壤中水平遷移的行為。因此，通過田埂側滲被認為是污染物進入受納水體的主要途徑，各國學者已開展了大量的相關研究。有田間試驗表明，側滲水量占灌溉水量的2%～75%，伴隨著側滲有大量的氮、磷等營養物流失。Lahue等通過直接監測的方式研究了生長季水稻田側滲量大小和變化情況，分析了側滲與土壤特點及水文條件的相關性，認為側滲是不可忽略的水流失途徑。Sharma等的研究表明，稻田滲漏的水分占水分輸入總量的50%以上，這大大降低了稻田水分利用效率。Nan等研究了我國東北稻田水氮流失的關鍵時期和路徑，發現滲漏是水氮流失的主要途徑，時間集中在分蘗期至開花期。Li等研究了干旱區黑河流域小麥生長季農田側滲水量，發現該流域約77%的農田側滲率達0.01%～0.62%。盡管田埂側滲是主要排水方式，但通過簡單的方法就能有效提高田埂防滲性能，減少側滲輸出水量，降低污染物排放。Pathania等研究發現，修筑田埂能有效保持水分且能大幅提高農作物產量。陳桂發等開展了田埂防側滲處理與農作物產量關系的研究，發現不減產情況下田埂防滲后可減少灌溉水量50%以上，說明通過田埂的防側滲改造來降低氮、磷營養物的輸出是可能的。
圖1田埂類型
1.2.2通過減少水土流失降低農業面源污染
水土流失會導致大量的氮和磷以固態顆粒或者溶解態進入地表水，不僅降低土壤質量和肥力，影響土壤生產力，而且成為面源污染的重要載體和途徑，對水環境造成威脅。據統計，我國每年流失的土壤約50億t，損失的氮、磷、鉀元素達4000多萬t，且以坡地區流失量居多，如三峽庫區66.5%的水土流失集中在大于15°的坡地上，2014—2018年隨徑流和泥沙進入庫區的氨氮（NH4+-N）、TN和TP等營養鹽達73.43萬t。黃土高原2018年入黃河泥沙量已經降至3億t，但是按每噸土壤流失中包含0.8～1.5kg銨態氮、1.5kg全磷和20kg全鉀計算，依然對黃河水環境帶來了巨大影響。而減輕水土流失可直接減少營養物進入水體的量，對保護生態環境意義重大。田埂作為一項古老的治坡措施，具有攔截徑流、蓄水保土功能，可有效防治水土流失，降低種植業污染對水環境的影響。在三峽庫區的研究中發現，經修筑田埂實施坡田改梯田工程后，土埂可減少約95%的侵蝕量，生物埂可減少約94%的侵蝕量，從而使耕地土壤物理性狀得到改善，孔隙度增加，含水量提高，降低農業面源的輸出。可見，田埂可通過減少水土流失從源頭阻控農業面源污染的排放。
1.2.3田埂去除農業面源污染物的機理
從宏觀上看，田埂是通過降低田塊內水和土的流失量，從而減少田間污染物直接進入受納水體的量，最終減輕農業面源對水環境的影響。不同類型田埂對農業面源污染去除的效果會存在差異，從微觀層面田埂去除氮、磷污染物的機理還有待深入研究。以生物田埂為例，土壤凈化功能可能是田埂去除氮、磷等各類污染物的主要作用力，其凈化過程可能包括物理化學和生物化學的作用，即有土壤的物理吸附、化學吸附、化學分解、生物氧化、微生物及植物的攝取等過程。比如，對田埂減少磷排放來講，可能包括植物吸收、生物過程、物理作用和化學反應，磷酸根離子一部分被田埂上植物吸收，一部分通過與土壤中的鈣等離子形成化合物，或通過與礦物發生離子交換等方式被固定，還有部分被物理吸附在土壤顆粒上。理論上，隨著磷在田埂中不斷累積，將導致田埂固磷能力逐步降低，為維持田埂凈化能力，應有針對性地采取恢復措施。
二、 田埂削減農業面源污染的研究現狀
從20世紀50年代起，田埂技術已在我國推廣并得到了一定的發展。據統計，全國每年新增梯田埂坎面積3.2萬hm2，約占山區總面積的12%。田埂通過截短坡長，降低坡面坡度、攔截徑流、減緩徑流流速、改變徑流流向和延長徑流路徑，減輕土壤沖刷，增加土壤入滲，從而防止水土流失，達到農業面源污染防治效果。
2.1影響田埂對污染物去除率的主要物理參數
通過降低水土流失量，田埂起到了減少氮、磷等污染物輸出的作用。大量研究表明，田埂對污染物的去除率與田埂的長、寬、高等物理參數密切相關（表1）。Lahue等研究表明，側滲與田埂寬度及田塊外水位呈負相關，表明田埂寬度是側滲的重要影響因素，但還受到水位差等其他因素的影響。Janssen等通過染料示蹤試驗研究了水分通過稻田田埂流失的路徑，發現水分主要從田埂頂部進入并經田埂內部下滲，由于孔隙大、密度小、修筑時間短的新田埂比修筑時間長的舊田埂會損失更多的水分，說明在筑埂中要注重施工質量，提高緊實度，使用中應更加關注田埂上層的物理形態變化。周根娣等選擇嘉興市雙橋農場水稻田開展田埂對磷氮化肥側滲流失的截留效應研究，發現不同田埂寬度對氮、磷截留效率差別較大，田埂對硝酸鹽氮截留效率不高，而對NH4+-N和磷酸鹽的截留效應明顯，且隨著田埂寬度增加而提高，40cm寬田埂對NH4+-N和磷酸鹽截留比均超過50%，但該研究僅僅考慮了田埂寬度這一因素。祝惠等通過不同尺度田間原位試驗，研究了三江平原稻田氮、磷在側滲輸出過程中的含量、側滲速率以及田埂截留率的變化規律，發現近溝渠田埂對側滲液中TP和可溶性總磷（DTP）的截留率都較高，平均達到50%～60%，且隨田埂寬度增加，截留能力增強，近田埂的溝渠中水位對凈化效率可能存在影響。田埂寬度對側滲速率和截留氮素的能力影響明顯，田埂對不同形態氮的截留能力不同，對NH4+-N的截留率高于TN和NO3--N，建議控氮最佳田埂寬度是80～130cm。周根娣等的研究成果對于開展田埂相關研究具有很好的借鑒意義，但是僅考慮了田埂寬度而沒有考慮土壤結構等因素對滲漏的影響。Yuan等在太湖流域稻田開展了田埂高度對降雨徑流及污染物負荷的影響研究，結果表明，約25cm高的田埂能減少約91.1%的徑流量，對TP的攔截率最高可達31.4%，并建議該區域稻田田埂高度不低于10cm。該研究對田埂的優化應用具有實際指導意義，但是各地區地質地形條件等差異大，可能存在難以全面推廣的問題。田玉華等研究認為，適當筑高田埂可顯著降低稻田氮素徑流流失量。綜上，田埂的寬度、高度、孔隙率是影響其凈化效率的主要參數，也是當前研究較為集中的方向，田塊與其相鄰的溝渠中水位差也是需要關注的因素，但是由于地區差異，水田和旱田的差異，田埂的寬度等參數還需要根據實際情況而定。
2.2田埂構造與污染物去除率的關系
砂質土、黏質土和壤土的滲水性能、保水性能和通氣性能差異較大，導致由不同土質類型構成的田埂對污染物的去除性能存在差異，所以田埂內部結構與基質的改造受到了研究者的關注。為增強梯田田坎的穩定性，陳新軍等將石籠網技術應用到梯田田坎建設中，就地取材，利用田間粒徑較小的礫石作為材料，節省了投資成本；相對于土坎梯田，石籠網梯田穩定性好、壽命長、田坎占地較少，同時具備土坎梯田田坎能綠化的特性。李澤芳針對陜南地區土質中黏土含量大，田埂遇水易軟化膨脹變形的難點，采用石灰和水泥改良膨脹土修筑梯田田坎，發現具有經濟、高效和環保的優點，且經改良的田埂不影響植物生長。王莉霞等發明了一種降低稻田面源污染側滲的生態田埂，可提高田埂的使用效率，同時將側滲水量降50%～90%，面源污染物氮、磷削減70%～100%，但操作復雜。高鵬等發明了植草石籠生態梯田埂，其修筑方式為在石籠網頂部和外側部覆土種植植物，形成一種石籠與植物網絡鑲嵌結構的生態梯田埂。王淑君對田埂內部結構進行改造，構筑了土壤層-鐵碳層-土壤層結構的生態田埂，以鐵碳微電解強化田埂對氮、磷的去除，結果表明，該田埂對TP、TN、NH4+-N和化學需氧量（COD）的去除率均達到80%以上。上述研究表明，在構筑田埂過程中通過引入新技術、新材料、新工藝來優化田埂內部結構，如人工構建田埂內部微生物系統，能更好地保持田埂的穩定性，并有效提高田埂去除污染物的效率，是構建生物田埂的新思路。但總的來看，現有田埂改造技術還存在操作不便、成本較高問題，在全面推廣使用方面還需要進一步優化。
表1影響田埂對污染物去除效果的典型參數
2.3田埂植物種植與污染物去除率的關系
長期以來，人們開展的大量關于水生植物對水體中氮、磷污染物凈化的研究表明，植物可通過吸收、轉化等作用方式，使污染物得到有效凈化，但不同類型植物對氮、磷凈化效果差異較大。由此，可以預期，在土埂的基礎上種植植物應可進一步提高污染物的截留率，這一假設也得到了部分研究的證實。雷寶坤等發明了一種利用生物田埂控制農田氮、磷面源污染的方法，即通過在田塊四周的田埂上種植喬木、灌木和草本經濟作物，起到對氮、磷的截留和改善區域生態環境的作用。Kim等研究發現，種植不同植物的生態田埂對氮、磷具有較好的截留率，在不發生溢流情況下，對TN截留率達到86.7%，TP達到68.4%。馬強等研究了田埂寬度與埂上種豆相結合對稻田氮側滲的影響，發現田埂對稻田氮側滲移出農田具有明顯阻控作用，且隨著田埂寬度的增加，田埂內外氮濃度差增加明顯。田埂種豆能進一步降低氮的側滲，但豆根系生長所形成的大孔隙可能加劇20～40cm土層氮素側滲增加的風險，將田埂略為增寬后可降低此風險。上述研究表明，生物埂對氮、磷的截留性能優于普通土埂，但是需要優選植物種類并對田埂進行適當的改造。楊世琦等將植物籬和土埂結合，開展了植物籬埂壟向區田技術對坡耕地水土和氮、磷流失控制的研究，使農田氮流失平均降低19.7%，但是存在成本高和管理難的缺點，難以推廣。任麗華等研究了栽種金銀花、刺五加等4種植物的生物田埂對氮、磷的截留率，發現截留率雖然均超過50%，但不同植物各有差異，說明篩選適合于不同地區田埂的植物很有必要。王濤等研究了不同種植年限黃花生物埂對土壤團聚體組成及穩定性影響，發現種植黃花能改善生物埂護坡土壤團聚體結構，并且改善效果隨著生長年限增加而增強，這說明種植多年生的植物更有利于增強田埂的穩定性和保肥能力。盡管上述研究表明生物田埂能有效截留氮、磷，然而Park等的試驗卻發現，受降水等因素影響導致田埂損壞，使生態田埂不能有效降低土壤侵蝕和減少營養物流失，表明筑埂和田埂日常維護確保結構完整和性能良好非常重要。綜上，在田埂保持功能完好的前提下，在埂上種植植物可進一步提高田埂對污染物的凈化效率。
三、 結語
田埂在農業生產中一直被廣泛使用，研究者們圍繞田埂開展了大量的研究，主要集中在以下幾方面：1）田埂的修筑材料、工藝以及穩定性等；2）田埂寬、高等物理參數對水土流失和氮、磷的截留效果；3）組成田埂的土壤類型和結構的改良對污染物截留效果的影響；4）田埂上種植不同類型植物對污染物去除率的分析。已有研究表明，田埂能有效降低水土流失和側滲，且與土埂相比，生態田埂能進一步吸收氮、磷和固土，且便于實施，適合在農業面源污染治理中推廣應用。但是當前針對田埂技術在農業面源污染治理方面的研究還不深入，污染物去除的機理尚不十分清楚，生態田埂的構筑方法還未明確。
田埂與田塊直接相連，是減少污染物排出農田的第一道安全防線。田埂技術具有利用方便、維護簡單和便于推廣等特點，在農田污染物減排中起到重要作用。為使田埂在農業面源污染治理中得到推廣應用，推動其逐步標準化，還需要開展以下幾方面研究：1）田埂對不同形態氮和磷、有毒有害金屬、有機物的去除有效性，及其與田埂尺寸、土壤類型等參數的相關性研究。2）田埂對氮、磷削減具有較高的效率，但是田埂對氮、磷的削減機理還有待進一步研究，需將田埂圍起來的土地空間作為一個整體來看待，進而分析污染物是通過吸附還是吸收被削減，田埂內微生物所發揮的作用，田埂凈化能力的年際變化情況，田塊四周的田埂是否具有同等的凈化效果等。3）當前對田埂的改良工藝還較為復雜、成本高、使用年限還不夠長，存在可推廣性差的短板，有必要開展綠色、價廉新材料的制備與應用研究。4）從研究區域上看，當前對田埂的研究主要集中在南方水稻種植區，對于干旱區、非水稻種植區關注度還不夠，尤其在北方某些大型灌區側滲是農田排水的主要方式，污染物通過側滲進入水體，針對當地特點更好地構筑田埂，以減少側滲和降低污染排放值得研究。5）綜合考慮生態效益和經濟效益開展田埂植物種類的選擇與配置研究，在發揮土埂原有功能的同時提升田埂的環境功能，得到適用于不同區域且便于推廣的生物類型，研究埂上植物的種植方式，形成株間距、行距、帶間距等參數，便于農民實施。
摘自：任加國，范坤，陳清，等.田埂在農業面源污染治理中的應用現狀與展望 [J].環境工程技術學報，2023，13（1）：262-269.
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