? Tim Lindenbaum/TNC

伊利諾伊州位于美國中西部，境內(nèi)土壤類型主要為黑土，土地非常肥沃，且地下水含量較高，得天獨(dú)厚的地理?xiàng)l件使得全州80%的土地為農(nóng)業(yè)用地，是全美主要的農(nóng)業(yè)州之一。

長期以來，美國中西部農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，灌溉和降雨所帶來的地表徑流不僅帶走了農(nóng)田中顆粒態(tài)和水溶態(tài)的養(yǎng)分，成為水體富營養(yǎng)化的污染源，造成流經(jīng)農(nóng)田的徑流養(yǎng)分過量，限制著區(qū)域農(nóng)業(yè)的發(fā)展。農(nóng)業(yè)徑流攜帶走大量的營養(yǎng)元素不僅會造成土地肥力下降、飲用水安全隱患、野生動植物棲息地破壞、農(nóng)民經(jīng)濟(jì)損失等問題，還會影響下游河湖的生態(tài)安全。當(dāng)農(nóng)田中過量的氮和磷大量進(jìn)入水體時，就會引起藻類大量繁殖，形成“水華”現(xiàn)象，進(jìn)而消耗大量氧氣導(dǎo)致水體缺氧，形成“生物死亡區(qū)”。

密西西比河從明尼蘇達(dá)州由北向南流淌至墨西哥灣，而在密西西比河流經(jīng)的美國所有州中，伊利諾伊州的農(nóng)田徑流是墨西哥灣養(yǎng)分的主要來源之一。因此，對于伊利諾伊州和整個密西西比河流域而言，如何減少農(nóng)業(yè)徑流中過量的營養(yǎng)元素、提升水質(zhì)是推動區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

美國密西西比河流域主要的氮源和墨西哥灣缺氧區(qū)

圖片來源：https://academic.oup.com/bioscience/article/59/4/321/346787?login=true

2005年，大自然保護(hù)協(xié)會（TNC）與伊利諾伊州列克星敦麥基諾河（Mackinaw River, Lexington）沿岸的富蘭克林農(nóng)場合作實(shí)施了一項(xiàng)長期試點(diǎn)研究項(xiàng)目，探索利用人工濕地減少農(nóng)田徑流中的過量養(yǎng)分，預(yù)期通過構(gòu)建農(nóng)田人工濕地綜合體有效減少伊利諾伊州流入密西西比河過剩的營養(yǎng)物，改善水質(zhì)，并在一定程度上推動當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。

如何利用自然改善農(nóng)業(yè)徑流？

濕地能夠有效去除水中的過剩的營養(yǎng)物質(zhì)和其他污染物，其凈化水質(zhì)的原理包括沉降、揮發(fā)和吸附的物理過程、化學(xué)沉淀，以及植物和微生物的分解和吸收作用為主的生物過程。在富蘭克林農(nóng)場，項(xiàng)目建造了三套農(nóng)田人工濕地綜合體，分別占農(nóng)田總面積的3%、6%和9%，每個濕地綜合體由護(hù)堤隔開成三個人工濕地單元，分別為東部濕地、西部濕地和溝谷濕地，并在每個濕地單元的入口和出口放置水質(zhì)和流量的監(jiān)測設(shè)備。

? Tim Lindenbaum/TNC

富蘭克林農(nóng)場和美國其他農(nóng)場類似，采用了暗管排水*（tile drainage）的方式排水。雨水和源自農(nóng)田的徑流滲入土壤與地下水一起通過暗管排水系統(tǒng)的帶孔塑料管網(wǎng)進(jìn)入濕地綜合體，同時每個濕地綜合體由護(hù)堤隔開防止地表徑流進(jìn)入綜合體外的濕地，水由于重力作用可在綜合體中三個濕地單元間流動。三個濕地單元的處理過程均不使用化學(xué)品或機(jī)器，排入每個濕地單元的農(nóng)業(yè)徑流經(jīng)過濕地中的植物和微生物進(jìn)行處理，在離開第三個濕地單元后，流入自然河道，最終匯入麥基諾河中。濕地周圍還設(shè)置了植物緩沖區(qū)，濕地植物自然再生，豐富了生物多樣性。

*暗管排水是一種農(nóng)業(yè)地下排水系統(tǒng)措施，利用地下管道從農(nóng)田中排走多余的地下水，以便在土壤中留出足夠的空氣、進(jìn)行適當(dāng)?shù)母鞑⒃试S重型機(jī)械進(jìn)入田地處理和收割莊稼，是農(nóng)田排出多余地下水的最有效方法。但該方法會導(dǎo)致河流兩岸嚴(yán)重的侵蝕，因?yàn)樗Ａ舻臅r間大幅縮短，水被更高效地運(yùn)輸，導(dǎo)致更多的水輸送到河中，侵蝕河岸、增加水體養(yǎng)分含量，嚴(yán)重影響棲息地功能。

不同農(nóng)田面積占比的人工濕地對硝酸鹽和溶解磷的去除率

暗管排水系統(tǒng)（左，? Tim Lindenbaum/TNC）和收集水樣的設(shè)備（右, ? Carl Roberts/EAC）

小濕地，大效益

經(jīng)多年監(jiān)測，結(jié)果顯示富蘭克林農(nóng)場中的人工濕地可以有效地去除了農(nóng)業(yè)徑流中的養(yǎng)分。在富蘭克林農(nóng)場長達(dá)12年的研究顯示，田間邊緣建造的人工濕地結(jié)合暗管排水系統(tǒng)能夠有效減少農(nóng)業(yè)徑流中的硝酸鹽和溶解磷，在投入運(yùn)行后不久就可以有效地進(jìn)行養(yǎng)分去除，并且在各類降水條件下都能夠發(fā)揮出預(yù)期作用，面積和位置也可根據(jù)實(shí)際情況靈活設(shè)計(jì)。這種濕地構(gòu)建方法能夠有效利用農(nóng)業(yè)用地中農(nóng)田邊緣和田間地帶，僅僅損失極小的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)土地改造人工濕地，低投入高效率地實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)養(yǎng)分污染的大幅下降。

TNC的科學(xué)家們正在這項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上結(jié)合其他農(nóng)業(yè)保護(hù)措施（比如覆蓋作物等）是否可以進(jìn)一步減少養(yǎng)分損失，以及是否可以進(jìn)一步減小濕地面積并降低建造成本。研究團(tuán)隊(duì)下一步計(jì)劃在富蘭克林農(nóng)場附近的農(nóng)場和周圍的流域建造更多的人工濕地，將這項(xiàng)研究擴(kuò)展到整個麥基諾河流域，同時增加財政激勵和行政支持，共同維護(hù)密西西比河流域的生態(tài)安全。

? Jason Whalen/Fauna Creative

自20世紀(jì)中期起，人們就開始設(shè)計(jì)使用人工濕地來處理污水，目前農(nóng)業(yè)面源污染導(dǎo)致的水體的影響和水生生態(tài)系統(tǒng)退化已成為嚴(yán)重的全球環(huán)境問題，給社會和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大挑戰(zhàn)，因此，減少農(nóng)田養(yǎng)分流失、有效凈化農(nóng)業(yè)徑流并進(jìn)行再利用具有重要意義和緊迫性。構(gòu)筑人工濕地系統(tǒng)是一種基于自然過程的污染物去除技術(shù)，在處理生活和工業(yè)廢水方面已被越來越多的人所接受，亦非常適合作為農(nóng)田與水體之間的生態(tài)屏障，是兼具成本效益的方法之一。