田埂在农业面源污染治理中的应用现状与展望
农业面源污染（AGNPS）是指在农业生产活动过程中产生的污染物在降水或灌溉时通过地表径流、农田排水和地下渗漏等方式，进入河流、湖泊、水库、海湾等水体而引起的污染，其主要来源于农药化肥流失、农村畜禽养殖排污、农膜和作物秸秆降解等。在欧美等发达国家，来自农业面源的氮、磷污染物排放量占地表水污染物总排放量的40%左右。我国来自农业面源的总氮（TN）和总磷（TP）排放量分别占水污染物总排放量的46.5%和67.2%，其中种植业TN和TP排放量分别占23.7%和24.2%。长江流域污染负荷中，农业面源排放TP的贡献率为65.28%；太湖流域，农业面源排放的TN、TP贡献率均超过80%；洞庭湖流域，农业面源排放的TN和TP贡献率分别达到61%和80%。已有研究发现，农业面源污染的发生具有随机性和滞后性，污染负荷随时间波动大，污染物的来源广泛、排放点不固定、排放不连续，对其进行监测的难度大，导致难以精准施策。国内外研究人员围绕农业面源的发生机理、监测技术、负荷核算和防治管理开展了大量研究。在农业面源的防治方面，我国学者提出了“源头减量、过程阻断、养分再利用、生态修复”的全过程防控策略，实践表明该策略实施效果显著。过程阻断是指沿径流路径科学设置水处理设施，常见的有生态田埂、生态沟渠、人工湿地和改进的稳定塘等技术。田埂是农田的组成部分，在农业生产过程中形成并长期广泛使用。当前针对田埂的研究主要围绕田间水分通过侧渗流失的监测方法和流失量，田埂对水土流失的拦截作用，田埂的布置、设计和稳定性等方面，以及生物田埂植物种类的选择、配置方式和系统内各组分的作用机理与调控技术等，但从田埂对污染物去除性能的角度开展的研究还较少。
近年来，已有很多学者对用于农业面源治理的人工湿地、生态沟塘、农村污水处理技术等进行了较为全面的综述，但鲜见针对田埂研究进展的相关综述。为此，笔者基于国内外有关田埂的研究成果，从农业面源治理的角度系统综述田埂的研究现状，探讨田埂去除污染物的机理，并展望其研究发展趋势，以期为推动田埂技术的深入研究和标准化应用，以及我国农业面源污染治理提供技术支撑。
一、 田埂类型及其在农业面源治理中的应用
田埂又称地埂，通常指田间稍高于田块而凸起的部分，是人们在进行农田基本建设时形成的，常用于农田分界和蓄水，还用作人行道和植物种植，为农田环境的重要组成部分之一。
1.1田埂的类型
根据修筑田埂材料的不同，田埂可分为土埂、石埂、土石复合埂和生物埂（图1）。土埂筑埂时就地取材，以泥土修筑并将两侧和顶部拍打压实，一般用在平原区和坡度较小的耕地内，具有成本低、筑埂简单、易维护等优点，但抗侵蚀能力差。石埂由卵石、毛石和条石等修筑而成，相比土埂成本高，多用于坡度大的区域，其稳定性和抗侵蚀能力较好，但是生态适应性差。土石复合埂是以泥土和石材为原料，无规律搭配使用修筑田埂，修筑工艺相对复杂。混凝土（浆砌石）埂材料需购买，容易获取，稳定性高，但是成本高，生态适应性低，难以推广。种植植物后的土埂可称为生态田埂（生物田埂）。生态田埂是以土埂为基础，在其顶部或两侧栽种植物，该类田埂同时具备水土保持功能、生态功能和经济效益。
1.2田埂削减农业面源污染的主要方式
1.2.1通过减少侧渗降低农业面源污染
污染物的迁移必须以水为载体，而农业灌溉用水是我国的主要耗水类型，在西北地区，农业灌溉用水约占总用水量的90%。一般认为在农业种植中，除了植物根系吸收水分外，侧渗、土壤蒸发和下渗是田块水分流失的主要途径。但蒸发并不会导致污染物的迁移，水田年复一年地耕作后，会在距地表约30cm处形成一层致密的犁底层，该层能阻挡一部分受重力作用下移的田面水，同时促进田面水在耕作层土壤中水平迁移的行为。因此，通过田埂侧渗被认为是污染物进入受纳水体的主要途径，各国学者已开展了大量的相关研究。有田间试验表明，侧渗水量占灌溉水量的2%～75%，伴随着侧渗有大量的氮、磷等营养物流失。Lahue等通过直接监测的方式研究了生长季水稻田侧渗量大小和变化情况，分析了侧渗与土壤特点及水文条件的相关性，认为侧渗是不可忽略的水流失途径。Sharma等的研究表明，稻田渗漏的水分占水分输入总量的50%以上，这大大降低了稻田水分利用效率。Nan等研究了我国东北稻田水氮流失的关键时期和路径，发现渗漏是水氮流失的主要途径，时间集中在分蘖期至开花期。Li等研究了干旱区黑河流域小麦生长季农田侧渗水量，发现该流域约77%的农田侧渗率达0.01%～0.62%。尽管田埂侧渗是主要排水方式，但通过简单的方法就能有效提高田埂防渗性能，减少侧渗输出水量，降低污染物排放。Pathania等研究发现，修筑田埂能有效保持水分且能大幅提高农作物产量。陈桂发等开展了田埂防侧渗处理与农作物产量关系的研究，发现不减产情况下田埂防渗后可减少灌溉水量50%以上，说明通过田埂的防侧渗改造来降低氮、磷营养物的输出是可能的。
图1田埂类型
1.2.2通过减少水土流失降低农业面源污染
水土流失会导致大量的氮和磷以固态颗粒或者溶解态进入地表水，不仅降低土壤质量和肥力，影响土壤生产力，而且成为面源污染的重要载体和途径，对水环境造成威胁。据统计，我国每年流失的土壤约50亿t，损失的氮、磷、钾元素达4000多万t，且以坡地区流失量居多，如三峡库区66.5%的水土流失集中在大于15°的坡地上，2014—2018年随径流和泥沙进入库区的氨氮（NH4+-N）、TN和TP等营养盐达73.43万t。黄土高原2018年入黄河泥沙量已经降至3亿t，但是按每吨土壤流失中包含0.8～1.5kg铵态氮、1.5kg全磷和20kg全钾计算，依然对黄河水环境带来了巨大影响。而减轻水土流失可直接减少营养物进入水体的量，对保护生态环境意义重大。田埂作为一项古老的治坡措施，具有拦截径流、蓄水保土功能，可有效防治水土流失，降低种植业污染对水环境的影响。在三峡库区的研究中发现，经修筑田埂实施坡田改梯田工程后，土埂可减少约95%的侵蚀量，生物埂可减少约94%的侵蚀量，从而使耕地土壤物理性状得到改善，孔隙度增加，含水量提高，降低农业面源的输出。可见，田埂可通过减少水土流失从源头阻控农业面源污染的排放。
1.2.3田埂去除农业面源污染物的机理
从宏观上看，田埂是通过降低田块内水和土的流失量，从而减少田间污染物直接进入受纳水体的量，最终减轻农业面源对水环境的影响。不同类型田埂对农业面源污染去除的效果会存在差异，从微观层面田埂去除氮、磷污染物的机理还有待深入研究。以生物田埂为例，土壤净化功能可能是田埂去除氮、磷等各类污染物的主要作用力，其净化过程可能包括物理化学和生物化学的作用，即有土壤的物理吸附、化学吸附、化学分解、生物氧化、微生物及植物的摄取等过程。比如，对田埂减少磷排放来讲，可能包括植物吸收、生物过程、物理作用和化学反应，磷酸根离子一部分被田埂上植物吸收，一部分通过与土壤中的钙等离子形成化合物，或通过与矿物发生离子交换等方式被固定，还有部分被物理吸附在土壤颗粒上。理论上，随着磷在田埂中不断累积，将导致田埂固磷能力逐步降低，为维持田埂净化能力，应有针对性地采取恢复措施。
二、 田埂削减农业面源污染的研究现状
从20世纪50年代起，田埂技术已在我国推广并得到了一定的发展。据统计，全国每年新增梯田埂坎面积3.2万hm2，约占山区总面积的12%。田埂通过截短坡长，降低坡面坡度、拦截径流、减缓径流流速、改变径流流向和延长径流路径，减轻土壤冲刷，增加土壤入渗，从而防止水土流失，达到农业面源污染防治效果。
2.1影响田埂对污染物去除率的主要物理参数
通过降低水土流失量，田埂起到了减少氮、磷等污染物输出的作用。大量研究表明，田埂对污染物的去除率与田埂的长、宽、高等物理参数密切相关（表1）。Lahue等研究表明，侧渗与田埂宽度及田块外水位呈负相关，表明田埂宽度是侧渗的重要影响因素，但还受到水位差等其他因素的影响。Janssen等通过染料示踪试验研究了水分通过稻田田埂流失的路径，发现水分主要从田埂顶部进入并经田埂内部下渗，由于孔隙大、密度小、修筑时间短的新田埂比修筑时间长的旧田埂会损失更多的水分，说明在筑埂中要注重施工质量，提高紧实度，使用中应更加关注田埂上层的物理形态变化。周根娣等选择嘉兴市双桥农场水稻田开展田埂对磷氮化肥侧渗流失的截留效应研究，发现不同田埂宽度对氮、磷截留效率差别较大，田埂对硝酸盐氮截留效率不高，而对NH4+-N和磷酸盐的截留效应明显，且随着田埂宽度增加而提高，40cm宽田埂对NH4+-N和磷酸盐截留比均超过50%，但该研究仅仅考虑了田埂宽度这一因素。祝惠等通过不同尺度田间原位试验，研究了三江平原稻田氮、磷在侧渗输出过程中的含量、侧渗速率以及田埂截留率的变化规律，发现近沟渠田埂对侧渗液中TP和可溶性总磷（DTP）的截留率都较高，平均达到50%～60%，且随田埂宽度增加，截留能力增强，近田埂的沟渠中水位对净化效率可能存在影响。田埂宽度对侧渗速率和截留氮素的能力影响明显，田埂对不同形态氮的截留能力不同，对NH4+-N的截留率高于TN和NO3--N，建议控氮最佳田埂宽度是80～130cm。周根娣等的研究成果对于开展田埂相关研究具有很好的借鉴意义，但是仅考虑了田埂宽度而没有考虑土壤结构等因素对渗漏的影响。Yuan等在太湖流域稻田开展了田埂高度对降雨径流及污染物负荷的影响研究，结果表明，约25cm高的田埂能减少约91.1%的径流量，对TP的拦截率最高可达31.4%，并建议该区域稻田田埂高度不低于10cm。该研究对田埂的优化应用具有实际指导意义，但是各地区地质地形条件等差异大，可能存在难以全面推广的问题。田玉华等研究认为，适当筑高田埂可显著降低稻田氮素径流流失量。综上，田埂的宽度、高度、孔隙率是影响其净化效率的主要参数，也是当前研究较为集中的方向，田块与其相邻的沟渠中水位差也是需要关注的因素，但是由于地区差异，水田和旱田的差异，田埂的宽度等参数还需要根据实际情况而定。
2.2田埂构造与污染物去除率的关系
砂质土、黏质土和壤土的渗水性能、保水性能和通气性能差异较大，导致由不同土质类型构成的田埂对污染物的去除性能存在差异，所以田埂内部结构与基质的改造受到了研究者的关注。为增强梯田田坎的稳定性，陈新军等将石笼网技术应用到梯田田坎建设中，就地取材，利用田间粒径较小的砾石作为材料，节省了投资成本；相对于土坎梯田，石笼网梯田稳定性好、寿命长、田坎占地较少，同时具备土坎梯田田坎能绿化的特性。李泽芳针对陕南地区土质中黏土含量大，田埂遇水易软化膨胀变形的难点，采用石灰和水泥改良膨胀土修筑梯田田坎，发现具有经济、高效和环保的优点，且经改良的田埂不影响植物生长。王莉霞等发明了一种降低稻田面源污染侧渗的生态田埂，可提高田埂的使用效率，同时将侧渗水量降50%～90%，面源污染物氮、磷削减70%～100%，但操作复杂。高鹏等发明了植草石笼生态梯田埂，其修筑方式为在石笼网顶部和外侧部覆土种植植物，形成一种石笼与植物网络镶嵌结构的生态梯田埂。王淑君对田埂内部结构进行改造，构筑了土壤层-铁碳层-土壤层结构的生态田埂，以铁碳微电解强化田埂对氮、磷的去除，结果表明，该田埂对TP、TN、NH4+-N和化学需氧量（COD）的去除率均达到80%以上。上述研究表明，在构筑田埂过程中通过引入新技术、新材料、新工艺来优化田埂内部结构，如人工构建田埂内部微生物系统，能更好地保持田埂的稳定性，并有效提高田埂去除污染物的效率，是构建生物田埂的新思路。但总的来看，现有田埂改造技术还存在操作不便、成本较高问题，在全面推广使用方面还需要进一步优化。
表1影响田埂对污染物去除效果的典型参数
2.3田埂植物种植与污染物去除率的关系
长期以来，人们开展的大量关于水生植物对水体中氮、磷污染物净化的研究表明，植物可通过吸收、转化等作用方式，使污染物得到有效净化，但不同类型植物对氮、磷净化效果差异较大。由此，可以预期，在土埂的基础上种植植物应可进一步提高污染物的截留率，这一假设也得到了部分研究的证实。雷宝坤等发明了一种利用生物田埂控制农田氮、磷面源污染的方法，即通过在田块四周的田埂上种植乔木、灌木和草本经济作物，起到对氮、磷的截留和改善区域生态环境的作用。Kim等研究发现，种植不同植物的生态田埂对氮、磷具有较好的截留率，在不发生溢流情况下，对TN截留率达到86.7%，TP达到68.4%。马强等研究了田埂宽度与埂上种豆相结合对稻田氮侧渗的影响，发现田埂对稻田氮侧渗移出农田具有明显阻控作用，且随着田埂宽度的增加，田埂内外氮浓度差增加明显。田埂种豆能进一步降低氮的侧渗，但豆根系生长所形成的大孔隙可能加剧20～40cm土层氮素侧渗增加的风险，将田埂略为增宽后可降低此风险。上述研究表明，生物埂对氮、磷的截留性能优于普通土埂，但是需要优选植物种类并对田埂进行适当的改造。杨世琦等将植物篱和土埂结合，开展了植物篱埂垄向区田技术对坡耕地水土和氮、磷流失控制的研究，使农田氮流失平均降低19.7%，但是存在成本高和管理难的缺点，难以推广。任丽华等研究了栽种金银花、刺五加等4种植物的生物田埂对氮、磷的截留率，发现截留率虽然均超过50%，但不同植物各有差异，说明筛选适合于不同地区田埂的植物很有必要。王涛等研究了不同种植年限黄花生物埂对土壤团聚体组成及稳定性影响，发现种植黄花能改善生物埂护坡土壤团聚体结构，并且改善效果随着生长年限增加而增强，这说明种植多年生的植物更有利于增强田埂的稳定性和保肥能力。尽管上述研究表明生物田埂能有效截留氮、磷，然而Park等的试验却发现，受降水等因素影响导致田埂损坏，使生态田埂不能有效降低土壤侵蚀和减少营养物流失，表明筑埂和田埂日常维护确保结构完整和性能良好非常重要。综上，在田埂保持功能完好的前提下，在埂上种植植物可进一步提高田埂对污染物的净化效率。
三、 结语
田埂在农业生产中一直被广泛使用，研究者们围绕田埂开展了大量的研究，主要集中在以下几方面：1）田埂的修筑材料、工艺以及稳定性等；2）田埂宽、高等物理参数对水土流失和氮、磷的截留效果；3）组成田埂的土壤类型和结构的改良对污染物截留效果的影响；4）田埂上种植不同类型植物对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侧渗，且与土埂相比，生态田埂能进一步吸收氮、磷和固土，且便于实施，适合在农业面源污染治理中推广应用。但是当前针对田埂技术在农业面源污染治理方面的研究还不深入，污染物去除的机理尚不十分清楚，生态田埂的构筑方法还未明确。
田埂与田块直接相连，是减少污染物排出农田的第一道安全防线。田埂技术具有利用方便、维护简单和便于推广等特点，在农田污染物减排中起到重要作用。为使田埂在农业面源污染治理中得到推广应用，推动其逐步标准化，还需要开展以下几方面研究：1）田埂对不同形态氮和磷、有毒有害金属、有机物的去除有效性，及其与田埂尺寸、土壤类型等参数的相关性研究。2）田埂对氮、磷削减具有较高的效率，但是田埂对氮、磷的削减机理还有待进一步研究，需将田埂围起来的土地空间作为一个整体来看待，进而分析污染物是通过吸附还是吸收被削减，田埂内微生物所发挥的作用，田埂净化能力的年际变化情况，田块四周的田埂是否具有同等的净化效果等。3）当前对田埂的改良工艺还较为复杂、成本高、使用年限还不够长，存在可推广性差的短板，有必要开展绿色、价廉新材料的制备与应用研究。4）从研究区域上看，当前对田埂的研究主要集中在南方水稻种植区，对于干旱区、非水稻种植区关注度还不够，尤其在北方某些大型灌区侧渗是农田排水的主要方式，污染物通过侧渗进入水体，针对当地特点更好地构筑田埂，以减少侧渗和降低污染排放值得研究。5）综合考虑生态效益和经济效益开展田埂植物种类的选择与配置研究，在发挥土埂原有功能的同时提升田埂的环境功能，得到适用于不同区域且便于推广的生物类型，研究埂上植物的种植方式，形成株间距、行距、带间距等参数，便于农民实施。
摘自：任加国，范坤，陈清，等.田埂在农业面源污染治理中的应用现状与展望 [J].环境工程技术学报，2023，13（1）：262-269.
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