© Tim Lindenbaum/TNC

伊利诺伊州位于美国中西部，境内土壤类型主要为黑土，土地非常肥沃，且地下水含量较高，得天独厚的地理条件使得全州80%的土地为农业用地，是全美主要的农业州之一。

长期以来，美国中西部农业生产中，灌溉和降雨所带来的地表径流不仅带走了农田中颗粒态和水溶态的养分，成为水体富营养化的污染源，造成流经农田的径流养分过量，限制着区域农业的发展。农业径流携带走大量的营养元素不仅会造成土地肥力下降、饮用水安全隐患、野生动植物栖息地破坏、农民经济损失等问题，还会影响下游河湖的生态安全。当农田中过量的氮和磷大量进入水体时，就会引起藻类大量繁殖，形成“水华”现象，进而消耗大量氧气导致水体缺氧，形成“生物死亡区”。

密西西比河从明尼苏达州由北向南流淌至墨西哥湾，而在密西西比河流经的美国所有州中，伊利诺伊州的农田径流是墨西哥湾养分的主要来源之一。因此，对于伊利诺伊州和整个密西西比河流域而言，如何减少农业径流中过量的营养元素、提升水质是推动区域农业发展的关键。

美国密西西比河流域主要的氮源和墨西哥湾缺氧区

图片来源：https://academic.oup.com/bioscience/article/59/4/321/346787?login=true

2005年，大自然保护协会（TNC）与伊利诺伊州列克星敦麦基诺河（Mackinaw River, Lexington）沿岸的富兰克林农场合作实施了一项长期试点研究项目，探索利用人工湿地减少农田径流中的过量养分，预期通过构建农田人工湿地综合体有效减少伊利诺伊州流入密西西比河过剩的营养物，改善水质，并在一定程度上推动当地的经济发展。

如何利用自然改善农业径流？

湿地能够有效去除水中的过剩的营养物质和其他污染物，其净化水质的原理包括沉降、挥发和吸附的物理过程、化学沉淀，以及植物和微生物的分解和吸收作用为主的生物过程。在富兰克林农场，项目建造了三套农田人工湿地综合体，分别占农田总面积的3%、6%和9%，每个湿地综合体由护堤隔开成三个人工湿地单元，分别为东部湿地、西部湿地和沟谷湿地，并在每个湿地单元的入口和出口放置水质和流量的监测设备。

© Tim Lindenbaum/TNC

富兰克林农场和美国其他农场类似，采用了暗管排水*（tile drainage）的方式排水。雨水和源自农田的径流渗入土壤与地下水一起通过暗管排水系统的带孔塑料管网进入湿地综合体，同时每个湿地综合体由护堤隔开防止地表径流进入综合体外的湿地，水由于重力作用可在综合体中三个湿地单元间流动。三个湿地单元的处理过程均不使用化学品或机器，排入每个湿地单元的农业径流经过湿地中的植物和微生物进行处理，在离开第三个湿地单元后，流入自然河道，最终汇入麦基诺河中。湿地周围还设置了植物缓冲区，湿地植物自然再生，丰富了生物多样性。

*暗管排水是一种农业地下排水系统措施，利用地下管道从农田中排走多余的地下水，以便在土壤中留出足够的空气、进行适当的耕作并允许重型机械进入田地处理和收割庄稼，是农田排出多余地下水的最有效方法。但该方法会导致河流两岸严重的侵蚀，因为水停留的时间大幅缩短，水被更高效地运输，导致更多的水输送到河中，侵蚀河岸、增加水体养分含量，严重影响栖息地功能。

不同农田面积占比的人工湿地对硝酸盐和溶解磷的去除率

暗管排水系统（左，© Tim Lindenbaum/TNC）和收集水样的设备（右, © Carl Roberts/EAC）

小湿地，大效益

经多年监测，结果显示富兰克林农场中的人工湿地可以有效地去除了农业径流中的养分。在富兰克林农场长达12年的研究显示，田间边缘建造的人工湿地结合暗管排水系统能够有效减少农业径流中的硝酸盐和溶解磷，在投入运行后不久就可以有效地进行养分去除，并且在各类降水条件下都能够发挥出预期作用，面积和位置也可根据实际情况灵活设计。这种湿地构建方法能够有效利用农业用地中农田边缘和田间地带，仅仅损失极小的农业生产土地改造人工湿地，低投入高效率地实现农业养分污染的大幅下降。

TNC的科学家们正在这项研究的基础上结合其他农业保护措施（比如覆盖作物等）是否可以进一步减少养分损失，以及是否可以进一步减小湿地面积并降低建造成本。研究团队下一步计划在富兰克林农场附近的农场和周围的流域建造更多的人工湿地，将这项研究扩展到整个麦基诺河流域，同时增加财政激励和行政支持，共同维护密西西比河流域的生态安全。

© Jason Whalen/Fauna Creative

自20世纪中期起，人们就开始设计使用人工湿地来处理污水，目前农业面源污染导致的水体的影响和水生生态系统退化已成为严重的全球环境问题，给社会和经济的可持续发展带来了巨大挑战，因此，减少农田养分流失、有效净化农业径流并进行再利用具有重要意义和紧迫性。构筑人工湿地系统是一种基于自然过程的污染物去除技术，在处理生活和工业废水方面已被越来越多的人所接受，亦非常适合作为农田与水体之间的生态屏障，是兼具成本效益的方法之一。