稻田养分排放是农业非点源污染的大多数来自之一。基于农业NPS污染控制的“4R”战略体系，生态沟渠是“保留”体系下的有效控制措施。本研究研究研究了三种不同生态沟渠系统的养分去除效率和化学计量变化，以更好地了解生态沟渠的长期性能，并确定哪种类型的生态沟系统（Eh，墙上有洞的混凝土生态沟；Ec，混凝土生态沟和Es，土壤生态沟）最适合去除农业NPS污染物。根据结果得出，与传统的混凝土沟渠相比，改造后的生态沟渠（Eh型）明显降低了两年水稻季径流中的营养水平。改造后的生态沟对总有机碳（TOC）、总氮（TN）和总磷（TP）的平均去除率分别为20.8%、37.0%和44.4%。所有生态沟类型在模拟水稻季径流中都具有相当大的养分去除能力。Eh（TOC 24.1%，TN 42.8%，TP 52.6%）和Es（TOC 20.3%，TN 35.7%，TP 47.9%）对养分的去除率没有显著差异。然而，研究根据结果得出，Eh系统能为植物提供一个相对来说比较稳定的环境，增加维持生物稳态的能力。在三种沟渠类型中，Ec（TOC 12.9%，TN 23.3%，TP 32.6%）的去除效率相比来说较低。冗余分析（RDA）表明，叶磷含量、沉积物碳氮比和根氮含量与水分变量的关系更为密切，水、植物和沉积物系统的养分化学计量特征与生态沟渠的养分去除能力显著相关（占总变异的99.5%）。预计这项研究将促进“4R”战略体系的逐步发展，并鼓励进一步改善生态沟渠，使其能够更有效地减少农业NPS污染。

  随着农业的快速发展和工业废水、城市生活垃圾污水等点源污染的有效控制，农业面源污染一天比一天突出（Sun et al.，2012），欧洲（Fischer et al.，2017）、美国（Badruzzaman et al.，2012.）等许多地区的水质不断恶化，和韩国（Kim等人，2019）。中国第一次全国污染普查公报指出，农业NPS污染物中的氮（N）和磷（P）分别占总排放量的57.2%和67.4%（张，2010）。然而，由于扩散性，农业NPS污染难以测量和控制，已成为环境水健康的主要威胁（Jia et al.，2016）。

  水稻（Oryza sativa L.）是全球范围内的主要粮食作物，养活了世界上约60%的人口（Bista，2018）。稻麦轮作制是太湖地区的主要耕作方式（Yang et al.，2016），太湖地区是中国经济最发达、人口最稠密的地区之一。氮肥和磷肥的年施用量高达500–600 kg N⸱水稻-小麦作物系统的ha−1和50–230 kg P ha−1。尤其是在水稻季节，氮肥和磷肥的施用量可高达270–375 kg N⸱ha−1和30–150 kg磷⸱ha−1（赵等，2012；刘等，2016）。在欧洲、中东、美国、印度和中国的大部分地区，每年通过地表径流和稻田浸出造成的氮和磷损失可超过50 kg N⸱ha−1和最多3-4 kg P⸱ha−1（Lassaletta等人，2014；张等人，2005年）。农田氮磷排放已成为核动力源污染的大多数来自，这引起了全球公众日益关注（Wu et al.，2011）。

  在多年的广泛研究基础上，提出了我国农业NPS污染防治的“4R”战略体系（Shi et al.，2013）。“4R”战略由四个阶段组成：（i）减少来源（减少），（ii）工艺保留（保留），（iii）养分再利用（再利用）和（iv）水恢复（恢复）。其中，“滞留”技术通过物理、生物和工程方法提供了对水污染的防御，延长了滞留时间，因此就需要更长的时间才能到达水道，从而最大限度地减少污染物排放（Wu et al.，2017）。排水沟是农业实践中灌溉和排水单元的重要组成部分，它们往往是NPS污染物收集并从农田转移到下游水体的主要途径（Liu et al.，2015）。与传统的混凝土排水沟不同，生态沟含有基质和植被，这些基质和植被能控制水的流速，促进颗粒物的沉淀，促进污染物的吸收和拦截，从而在农业领域发挥营养保留系统的作用（Wu et al.，2014）。生态沟渠是“4R”战略体系中“留住”的重要技术，在我国太湖地区得到了广泛应用（Wu et al.，2013）。

  生态沟渠作为一种特定的湿地系统，可拿来保持NPS污染（Wang et al.，2019）。据报道，有植被的沟渠比没有植被的沟渠具有更高的养分去除率（Soana等人，2017）。它们具有占地面积小、建设和维护成本低的额外优势（Liu et al.，2015）。生态沟渠中的营养的东西，如N和P，能够最终靠多种方式去除，包括吸附、截留、同化或反硝化（Xiong et al.，2015）。据报道，在动态进水条件下，生态沟渠中N和P的去除率分别为35.7%和41.0%（Wang et al.，2009），分别可达74.1%和68.6%（Liu et al.，2019）。在静态条件下，生态沟渠中N和P的去除率分别为58.2%和84.8%（Wang et al.，2009），在某些情况下超过90%（Wang et al，2019）。尽管如此，生态沟渠的可持续应用以长期缓解污染慢慢的被视为未来的一大挑战（Kumwimba et al.，2018）。生态沟渠在处理农业NPS污染物方面的有效性是一个复杂的过程，这在很大程度上取决于田地和沟渠之间的连通性、降雨引起的地表径流以及天气特征情况，如温度（Bouldin等人，2004年；吴等人，2010年；Moore等人，2008年）。生态沟渠的特征，如大小、长度、坡度和植被，是影响缓解能力的重要的因素（Kumwimba et al.，2018），因此不同研究的结果大相径庭。

  营养物化学计量，特别是关于碳（C）、氮和磷的化学计量，能够在一定程度上促进对生态系统中营养物动态的理解，也可以阐明与需求相比营养物的可用性（Elser等人，2009）。生态沟渠系统中水、植物和沉积物的营养成分和化学计量可能会受到NPS污染的影响，并可能会引起植物生长或污染物去除效率的大幅变化（Wang et al.，2019），这反过来可能会对沟渠系统的营养循环产生一定的影响（Moe et al.，2017）。报告表明，碳氮比在2.6至6.0之间能够最终靠生物脱氮过程完全还原硝酸盐（Chiu和Chung，2003）。在植物中，C:N和C:P比率反映了吸收N和P的能力，同时同化C（von Oheimb等人，2010）。据报道，对于水营养污染，需要仔细考虑缺乏碳来抵消氮和磷的输入，因为基质对氮和磷吸收的有效性影响更高的营养水平（Tanentzap等人，2014）。水系统的氮和磷负荷取决于内部负荷加上外部营养素输入，这可能主要由NPS污染引起（Yan et al.，2016）。氮磷比是生物化学循环研究中的一个重要组成部分，它对生物和ECO的结构和功能有着强烈的影响（Zhang et al.，2018）。研究表明，低的水氮磷比（29）可能有利于水生态系统中藻类水华的产生（Tessier和Raynal，2003）。植被在生态沟渠系统中耐受养分输入的稳定化学计量反映在其维持生物稳态的更高能力上（Wang et al.，2019）。养分化学计量是更好地了解生态沟渠系统中各种生态过程的有用工具（Tong et al.，2018），为环境管理者制定水管理策略以对抗农业NPS污染提供了宝贵的数据（Yu et al.，2018.）。

  在本研究中，我们评估了中国太湖地区一个小城镇改造后的生态沟渠处理稻田中产生的NPS污染物的能力。我们设计并建造了三种类型的生态沟渠（Eh，墙上有洞的混凝土生态沟渠；Ec，混凝土生态沟渠，Es，土壤生态沟渠），以优化沟渠去除农业NPS污染物的能力。研究了各生态沟系统中养分化学计量的变化。具体而言，我们旨在验证这一假设：（1）转换生态沟渠系统（Eh型）在处理稻田NPS污染物方面比混凝土沟渠具有更加好的长期性能；（2）生态沟渠的养分去除能力与养分化学计量特征（水、沉积物和植物）有关。这项研究将有利于科学地理解环境条件（水、沉积物和植物）之间的复杂相互作用，以加强生态沟渠中的污染物去除。预计将优化生态沟渠建设，促进战略性“4R”系统的发展，并帮助环境管理者预防和控制农业NPS污染。

  长期性能试验在中国太湖地区江苏省宜兴市周铁乡（东经120°00′，北纬31°43′）进行（图1）。场地属典型的亚热带海洋性季风气候，年平均气温15.7°C，降雨量1177.0 mm，土地利用类型以农业为主，实行稻麦轮作。2014年6月21日至10月31日和2015年6月2日至9月23日两个水稻季的监测期间，平均气温分别为23.3°C和25.2°C，降雨量分别为716.8毫米和923.2毫米（图2A和B）。