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本研究评估了威斯康星州东北部一个8.5公顷混合用地流域的构造暴雨塘-湿地系统（PWS）六年间（2018-2024）的年处理效果，发现该系统可减少44-72%的悬浮物（SS）和21-48%的总磷（TP），其中颗粒磷（PP）去除率22-59%，溶解磷（DP）仅9-27%。结果显示冬季和春季径流对总磷负荷贡献最大（占66-78%），且颗粒尺寸分析表明细颗粒（d50=2.8-4μm）占比高，影响沉淀效率。研究证实PWS在冷气候农业区年-round磷减排中起关键作用，但需改进细颗粒去除设计以提高DP处理效果。
迈克尔·A·霍利（Michael A. Holly）| 凯文·费尔马尼奇（Kevin Fermanich）| 杰里米·弗伦德（Jeremy Freund）| 安德鲁·沃蒂斯（Andrew Votis）
美国威斯康星大学格林贝分校，Nicolet大道2420号，格林贝，威斯康星州54311
摘要
人工建造的雨水池-湿地系统（PWS）是一种能够缓解农业径流的场外治理措施，然而关于其长期、全年性能的数据仍然有限。本研究评估了一个PWS系统在六年内（2018-2024年）对威斯康星州东北部一个8.5公顷混合用途流域的径流和排水系统的处理效果，通过全年监测来捕捉可能对年输出量产生显著影响的寒冷季节条件。该系统将年悬浮固体（SS）负荷减少了44-72%（110-798公斤/公顷/年），总磷（TP）减少了21-48%（0.3-1.9公斤/公顷/年），其中颗粒态磷的减少幅度为22-59%。溶解态磷（DP）的减少幅度较低（9-27%），尤其是在以排水管排水为主的时期。峰值径流衰减平均达到了86%，使平均事件流量从90升/秒降至12升/秒。年SS和TP负荷的大部分（66-78%）发生在生长季节之外，这突显了PWS在全年养分滞留方面的作用。
引言
养分负荷，尤其是磷和氮，导致了中西部湖泊、墨西哥湾及全球地表水中的藻类过度生长。随着藻类数量的增加，季节性缺氧现象日益严重，对水生生物造成危害，破坏环境，并限制了娱乐活动。尽管在源头控制方面进行了投资，但季节性缺氧问题仍然存在（Lin等人，2018年），部分原因是非点源农业源产生的磷（占密歇根湖总磷负荷的35%）（Robertson和Saad，2011年）。最近关于饱和农业土壤的研究也表明，管理选择对磷的迁移和积累有着重要影响（Liang等人，2025年）。减少以农业为主的流域的养分负荷需要采取综合措施，包括田间管理和场外治理（Christianson等人，2018年；Kreiling等人，2018年），以减轻农业对环境的影响。值得注意的是，场外治理措施如雨水最佳管理实践（例如沉淀池、湿地和缓冲带）具有全年有效捕获养分并防止其进入接收水域的潜力（Kalcic等人，2018年；Land等人，2016年；Zhang等人，2010年）。
场外治理措施通过减缓和过滤径流来减少养分传输，包括河岸缓冲带、饱和缓冲带和人工湿地（DeLong等人，2021年）。在养分负荷减少、成本效益、可叠加性、可追踪性和相对生产系统变化等方面，人工湿地和缓冲带在14种保护措施中表现优异（Christianson等人，2018年）。缓冲带在减少氮方面效果显著（90%），但在去除磷方面效果有限（50%）（Christianson等人，2018年）。如果不移除沉积物和植被，永久性去除磷的效果存疑，因此长期实施湿地以减少磷负荷受到限制（Christianson等人，2018年）。
人工建造的雨水池-湿地系统（PWS）是一种能够减少农业径流中颗粒态和溶解态磷损失的场外治理措施。雨水池（如滞留池、蓄水池和湿地）和湿地常用于通过降低峰值径流流量来控制城市径流（Hancock等人，2010年；Strassler等人，1999年），去除沉积物和污染物（S?nderup等人，2016年；Strassler等人，1999年），并改善景观美观（Strassler等人，1999年）。一项为期25年的国际研究对比了700多种最佳管理实践，发现通过沉淀作用，滞留池、蓄水池和湿地在减少总悬浮固体（SS）方面效果显著（进水均值：65毫克/升；出水均值：12毫克/升）（Clary等人，2020年）。这些设施还能通过去除颗粒态磷显著减少总磷（进水均值：0.25毫克/升；出水均值：0.12毫克/升）（Clary等人，2020年）。尽管沉淀池在降低雨水养分浓度方面有效，但由于生物地球化学和环境因素的影响，长期保持磷负荷的能力可能受到限制。
在某些条件下，沉淀池中捕获的沉积物中的磷可能会重新释放到下游水体中（Taguchi等人，2020年）。沉积物中磷的释放是由化学、生物和物理过程共同作用的结果。由于水温升高、有机物过多以及混合作用减弱，池塘中会出现缺氧或厌氧条件，导致颗粒态铁结合的磷和溶解态磷释放（Mortimer，1942年）。其他化学因素包括pH值：高pH值（9.5-10.5）会导致Fe-P和Al-P的溶解（Seitzinger，1991年）；低pH值（4）会导致钙结合的磷释放（Zhao等人，2022年）。微生物活动也会促进磷的释放，这与有机物增多、碱性磷酸盐活性增强以及溶解氧降低有关（Dong等人，2022年）。沉积物中的磷还可能因风的作用（通过床面剪切应力和波浪）而重新悬浮，并从处理系统中释放出来（Bentzen等人，2009年）。
迄今为止，关于雨水池-湿地系统减少农业径流中沉积物和磷性能的研究较少。Chrétien等人（2016年）测量了一个湿地滞留池在五年内去除农业径流中悬浮固体和养分的效率，发现其效果与城市地区相似，分别减少了50-56%的悬浮固体和总磷。该研究未监测冬季的运行情况，这可能会低估年悬浮固体和磷负荷的减少量。沉积物中磷的再释放会显著降低处理效果；因此，测量从捕获的农业径流中释放的溶解态磷是必要的。对径流和捕获沉积物的粒径分析可以为设计处理农业径流的池塘提供有价值的信息。粒径分析有助于评估池塘沉淀细颗粒的能力及其重新悬浮的潜在风险。本研究的具体目标是：（1）评估沉淀池长期全年去除悬浮固体和磷的效果；（2）确定处理效果的季节性变化；（3）分析捕获沉积物的粒径以提供设计建议；（4）测量沉淀池内的再释放潜力及其对下游水体的影响。
站点描述
站点描述
2017年5月，在威斯康星州东北部建造了一个PWS系统，用于处理一个8.5公顷流域的径流和排水管排水（补充材料，图1）。为了评估其长期、大规模的处理效果，该系统从2018年10月到2024年9月进行了监测。监测期间，年降雨量介于528至842毫米之间（表2），冬季条件包括土壤冻结和融雪引起的径流。该流域的土地利用包括6.8公顷的未灌溉农业用地。
结果与讨论
峰值出水流量减少了86%，从累计平均90升/秒（来自排水管和地表水）降至个别事件期间的12升/秒。此次测量到的峰值径流减少幅度是之前报道的农业流域中蓄水池减少幅度的两倍（39%）（Chretien等人，2016年）。这种差异归因于更大的最大储存面积（当前研究为146立方米/公顷，之前研究为82立方米/公顷）以及总流入量与最大储存面积的比值不同。
结论
一项为期六年的现场研究表明，人工建造的雨水池-湿地系统（PWS）能够全年显著减少农业流域中的悬浮固体（44-72%）和总磷（21-48%）负荷，其中对颗粒态磷的减少效果最为明显。大部分养分和沉积物的输出发生在生长季节之外，这突显了PWS在寒冷气候下农业流域中冬季和春季径流管理中的重要性。
作者贡献声明
保罗·雷诺（Paul Reneau）：软件开发、方法论设计、调查实施、数据分析。
迈克尔·霍利（Holly Michael）：撰写内容、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目监督、资源协调、资金筹集、数据分析、概念构思。
安德鲁·沃蒂斯（Andrew Votis）：撰写内容、审稿与编辑、调查实施。
杰里米·弗伦德（Jeremy Freund）：资源协调、资金筹集、概念构思。
凯文·费尔马尼奇（Kevin Fermanich）：项目监督、资金筹集、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢保罗·雷诺（Paul Reneau）和美国地质调查局（USGS）上中西部水科学中心在项目监测、数据管理以及初步结果起草方面的支持。本研究得到了美国农业部（USDA）国家食品与农业研究所的“非土地补助农业学院计划”[USDA-NIFA-NLGCA-009505]的能力建设资助。“本出版物中表达的任何观点、发现、结论或建议均不代表
