? Tim Lindenbaum/TNC

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

長期以來，美國中西部農業(yè)生產中，灌溉和降雨所帶來的地表徑流不僅帶走了農田中顆粒態(tài)和水溶態(tài)的養(yǎng)分，成為水體富營養(yǎng)化的污染源，造成流經農田的徑流養(yǎng)分過量，限制著區(qū)域農業(yè)的發(fā)展。農業(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、農民經濟損失等問題，還會影響下游河湖的生態(tài)安全。當農田中過量的氮和磷大量進入水體時，就會引起藻類大量繁殖，形成“水華”現象，進而消耗大量氧氣導致水體缺氧，形成“生物死亡區(qū)”。

密西西比河從明尼蘇達州由北向南流淌至墨西哥灣，而在密西西比河流經的美國所有州中，伊利諾伊州的農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，如何減少農業(yè)徑流中過量的營養(yǎng)元素、提升水質是推動區(qū)域農業(yè)發(fā)展的關鍵。

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）沿岸的富蘭克林農場合作實施了一項長期試點研究項目，探索利用人工濕地減少農田徑流中的過量養(yǎng)分，預期通過構建農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，并在一定程度上推動當地的經濟發(fā)展。

如何利用自然改善農業(yè)徑流？

濕地能夠有效去除水中的過剩的營養(yǎng)物質和其他污染物，其凈化水質的原理包括沉降、揮發(fā)和吸附的物理過程、化學沉淀，以及植物和微生物的分解和吸收作用為主的生物過程。在富蘭克林農場，項目建造了三套農田人工濕地綜合體，分別占農田總面積的3%、6%和9%，每個濕地綜合體由護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和流量的監(jiān)測設備。

? Tim Lindenbaum/TNC

富蘭克林農場和美國其他農場類似，采用了暗管排水*（tile drainage）的方式排水。雨水和源自農田的徑流滲入土壤與地下水一起通過暗管排水系統(tǒng)的帶孔塑料管網進入濕地綜合體，同時每個濕地綜合體由護堤隔開防止地表徑流進入綜合體外的濕地，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品或機器，排入每個濕地單元的農業(yè)徑流經過濕地中的植物和微生物進行處理，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。

*暗管排水是一種農業(yè)地下排水系統(tǒng)措施，利用地下管道從農田中排走多余的地下水，以便在土壤中留出足夠的空氣、進行適當的耕作并允許重型機械進入田地處理和收割莊稼，是農田排出多余地下水的最有效方法。但該方法會導致河流兩岸嚴重的侵蝕，因為水停留的時間大幅縮短，水被更高效地運輸，導致更多的水輸送到河中，侵蝕河岸、增加水體養(yǎng)分含量，嚴重影響棲息地功能。

不同農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）和收集水樣的設備（右, ? Carl Roberts/EAC）

小濕地，大效益

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

TNC的科學家們正在這項研究的基礎上結合其他農業(yè)保護措施（比如覆蓋作物等）是否可以進一步減少養(yǎng)分損失，以及是否可以進一步減小濕地面積并降低建造成本。研究團隊下一步計劃在富蘭克林農場附近的農場和周圍的流域建造更多的人工濕地，將這項研究擴展到整個麥基諾河流域，同時增加財政激勵和行政支持，共同維護密西西比河流域的生態(tài)安全。

? Jason Whalen/Fauna Creative

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