冀北山地河岸緩沖帶凈水效果研究

田素平，張寬義，王雄賓

(1.河北省水土保持工作總站，河北石家莊 050011；2.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊 050081；3.河北省水利科學(xué)研究院河北省農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術(shù)研究中心，河北石家莊 050051)

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冀北山地河岸緩沖帶凈水效果研究

田素平1，張寬義2，王雄賓3*

(1.河北省水土保持工作總站，河北石家莊 050011；2.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊 050081；3.河北省水利科學(xué)研究院河北省農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術(shù)研究中心，河北石家莊 050051)

[目的]充分了解不同河岸植被緩沖帶對(duì)地表徑流污染物的去除效果。[方法]采用人工模擬地表徑流的方法，選取冀北山地5種不同植被類型河岸植被緩沖帶為研究對(duì)象，分析了其對(duì)地表徑流中化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)的去除效果。[結(jié)果]在5種不同植被類型河岸植被帶中，隨著河岸緩沖帶寬度的增加，各緩沖帶對(duì)地表徑流中COD、TN、TP的去除率基本呈增加趨勢(shì)，但對(duì)各污染物的去除規(guī)律各異，華北落葉松林能在較窄的距離內(nèi)較迅速去除徑流中COD、TN、TP。[結(jié)論]各標(biāo)準(zhǔn)地對(duì)地表徑流中不同污染物的削減各有優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)受污染的河流進(jìn)行生態(tài)植被修復(fù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮當(dāng)?shù)睾恿魉|(zhì)污染特點(diǎn)選擇植被類型。冀北山地在建設(shè)較窄河岸緩沖帶時(shí)，可以優(yōu)先考慮采用華北落葉松林。

河岸緩沖帶；植被類型；削減效果；徑流污染物；冀北山地

農(nóng)業(yè)面源污染是河流、湖泊、水庫(kù)等水體水質(zhì)惡化、富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因之一[1]，這些污染物主要來(lái)源于農(nóng)藥、化肥、畜禽等，如何治理農(nóng)業(yè)面源污染已成為目前國(guó)內(nèi)外生態(tài)環(huán)境治理研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一[2]。河岸緩沖帶作為一種水土保持和控制面源污染的生物治理措施，不僅能對(duì)污染物起到截留作用，而且對(duì)河岸穩(wěn)定、生物多樣性保持均有著十分積極的意義[3]?，F(xiàn)有的污染物研究多集中于氮元素和磷元素[2,4]，且植被類型對(duì)凈污效果有一定的影響[5-6]。目前，華北地區(qū)很多河岸的植被遭到破壞，這在一定程度上造成河流水質(zhì)下降、河岸帶生境惡化等問(wèn)題，如何對(duì)遭到嚴(yán)重破壞的河岸帶進(jìn)行植被生態(tài)恢復(fù)和重建，并充分發(fā)揮河岸帶的各種生態(tài)功能，已經(jīng)成為一個(gè)重要研究課題[3]。筆者以冀北山地灤河上游河岸植被帶為研究對(duì)象，通過(guò)人工模擬徑流試驗(yàn)，研究不同植被緩沖帶對(duì)水體有機(jī)物、氮、磷等污染物的阻滯效果，以期為該區(qū)域河流生態(tài)修復(fù)理論和技術(shù)提供一定理論指導(dǎo)。1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 研究區(qū)位于河北省北部的圍場(chǎng)縣，該區(qū)域?yàn)闇貛О霛駶?rùn)和半干旱區(qū)過(guò)渡帶，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年降水量為350～500 mm，多集中在6～8月。該區(qū)域的地帶性土壤為褐土，并有棕壤、山地草甸土及淺色草甸土等分布，由花崗巖、片麻巖、砂頁(yè)巖等基巖發(fā)育而成。陽(yáng)坡和山前地帶的粗骨性褐土造林難度很大，侵蝕嚴(yán)重，立地條件較差。圍場(chǎng)縣境內(nèi)有小灤河、蟻螞吐河和伊遜河3條主要河流經(jīng)過(guò)，均為海河水系灤河的主要支流。圍場(chǎng)縣典型植被群落有針葉林(主要為華北落葉松林和油松林)、落葉闊葉林(主要有白樺林、山楊林等)、針闊混交林和草甸草原等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有野生種子植物90科、371屬、793種。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)地選擇 根據(jù)冀北山地植被的代表性，選取了5塊標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行研究，標(biāo)準(zhǔn)地大小均為2 m×10 m。典型植被樣地分別為闊葉純林、針闊混交林、針葉純林、灌木林、天然草地，各標(biāo)準(zhǔn)地坡度為4～6°，質(zhì)地壤土，喬木林平均密度1 000～1 500株/hm2，平均胸徑10～15 cm(表1)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 喬木調(diào)查。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的喬木進(jìn)行每木檢尺，調(diào)查灌木、草本物種的物種名稱、平均蓋度、枯落物厚度等。

1.3.2 緩沖帶坡面試驗(yàn)設(shè)計(jì)。將5塊標(biāo)準(zhǔn)地的四周挖開(kāi)，使其與周圍環(huán)境相互獨(dú)立；用水泵從河中抽水，將樣地潤(rùn)濕、灌水至產(chǎn)流。產(chǎn)流后，從坡上至坡下0、2、4、7、10 m處取樣，各點(diǎn)取水樣3次，每次取水樣200 ml。

1.3.3 測(cè)定指標(biāo)及方法。測(cè)定指標(biāo)分別為COD、TP、TN，水質(zhì)測(cè)定均參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。COD采用快速消解分光光度法測(cè)定，TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定，TP采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被類型緩沖帶對(duì)COD的去除效果 由圖1可知，各標(biāo)準(zhǔn)地河岸緩沖帶對(duì)地表徑流中污染物COD具有較強(qiáng)的去除效果。隨緩沖帶寬度增加，各標(biāo)準(zhǔn)地削減效果變化各異。在2 m處華北落葉松林和灌木林標(biāo)準(zhǔn)地COD去除率較高，寬度超過(guò)2 m后其增幅較小。華北落葉松林在2、4、7、10 m處COD去除率依次為66.64%、67.14%、76.96%和75.75%；白樺林、白樺-油松混交林和天然草地COD去除率在2 m處相對(duì)較低，但隨緩沖帶變寬，其去除率增幅較大。在2 m處，華北落葉松林標(biāo)準(zhǔn)地對(duì)水體COD的去除率最高為66.61%。在10 m處，各標(biāo)準(zhǔn)地對(duì)徑流COD去除率均在65%以上，其中白樺林標(biāo)準(zhǔn)地去除率最高(83.12%)，草本標(biāo)準(zhǔn)地去除率最低(65.68%)。

2.2 不同植被類型緩沖帶對(duì)TN的去除效果 由圖2可知，各標(biāo)準(zhǔn)地對(duì)TN的去除率隨緩沖帶增寬基本表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。隨緩沖帶寬度增加(2～7 m)，華北落葉松林標(biāo)準(zhǔn)地TN去除率表現(xiàn)為逐漸增加趨勢(shì)，10 m處略有降低；其他標(biāo)準(zhǔn)地TN去除率在2～10 m處增加趨勢(shì)明顯。在10 m處，各標(biāo)準(zhǔn)地對(duì)徑流中TN的去除率均在50%以上，華北落葉松林、白樺-油松混交林、白樺林、灌木林、草本標(biāo)準(zhǔn)地TN去除率分別為70.58%、59.75%、62.65%、54.74%和58.91%。華北落葉松標(biāo)準(zhǔn)地在各測(cè)點(diǎn)的TN去除率均最高，在2、4、7、10 m處去除率依次為43.24%、57.99%、70.66%和70.58%，灌木林和天然草地TN去除率相對(duì)較低。

2.3 不同植被類型緩沖帶對(duì)TP的去除效果 由圖3可知，植被緩沖帶對(duì)徑流中污染物TP的去除效果較為明顯。隨緩沖帶寬度增加，華北落葉松林標(biāo)準(zhǔn)地TP去除率逐漸增高，在2、4、7、10 m處去除率依次為53.28%、76.52%、79.68%和87.58%，去除率在4 m后增幅較小。白樺-油松混交林、白樺林、灌木林、草本標(biāo)準(zhǔn)地TP去除率在2～10 m處表現(xiàn)為近似線性的增加趨勢(shì)。華北落葉松標(biāo)準(zhǔn)地在各測(cè)點(diǎn)的TP去除率均最高。在10 m處，各標(biāo)準(zhǔn)地對(duì)徑流中TN的去除率均在45%以上，各標(biāo)準(zhǔn)地間差異較大，華北落葉松林(87.58%)是草地(48.48%)TP去除率的1.81倍。

3 結(jié)論與討論

(1)相關(guān)研究表明，植被緩沖帶須達(dá)到一定寬度才會(huì)起到較好效果[11]。受試驗(yàn)條件所限，該研究標(biāo)準(zhǔn)地寬度設(shè)定為10 m，各植被緩沖帶對(duì)污染物COD、TN、TP都有較好的去除效果。各植被類型緩沖帶在10 m處對(duì)COD的去除率表現(xiàn)為：白樺林>華北落葉松林>灌木林>白樺-油松混交林>天然草地；對(duì)TN的去除效果表現(xiàn)為：華北落葉松林>白樺林>白樺-油松混交林>天然草地>灌木林；對(duì)TP的去除效果表現(xiàn)為：華北落葉松林>灌木林>白樺-油松混交林>白樺林>天然草地。華北落葉松林和白樺林植被緩沖帶對(duì)地表徑流中不同污染物的削減各有優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)受污染的河流進(jìn)行生態(tài)植被修復(fù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮當(dāng)?shù)睾恿魉|(zhì)污染特點(diǎn)，以充分發(fā)揮河岸植被緩沖帶對(duì)不同污染物的去除優(yōu)勢(shì)。

(2)隨著河岸植被緩沖帶寬度的增加，其對(duì)地表徑流中COD、TN、TP的去除率基本呈增加趨勢(shì)，但各類型植被緩沖帶對(duì)不同污染物的削減規(guī)律有一定差異。華北落葉松林和灌木林標(biāo)準(zhǔn)地COD去除率在2 m處較高，寬度超過(guò)2 m后其增幅較小。華北落葉松林TN去除率7 m后略有降低，TP去除率在4 m后增幅較小。隨著緩沖帶變寬，其余標(biāo)準(zhǔn)地COD、TN及TP去除率逐漸增加。研究表明，土壤類型[8]、坡度[9]、緩沖帶寬度[10]等對(duì)污染物吸收有一定影響。該研究中各標(biāo)準(zhǔn)地土壤類型、緩沖帶寬度一致，坡度、污染物濃度相差不大，但各植被類型緩沖帶的林下植被結(jié)構(gòu)、枯落物組成及厚度差異較大，尤其是華北落葉松林林下枯落物較厚，其對(duì)水流中顆粒的吸收、水流的阻滯效果差異明顯，可能是影響凈化效果的重要原因。在冀北山地植被緩沖帶建設(shè)中，受各方面限制，部分地段緩沖帶可能較窄，可以優(yōu)先考慮采用華北落葉松純林。

[1] 湯家喜．河岸緩沖帶對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的阻控作用研究[D]．沈陽(yáng)：沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014．

[2] 周思思，王冬梅．河岸緩沖帶凈污機(jī)制及其效果影響因子研究進(jìn)展[J]．中國(guó)水土保持科學(xué)，2014,15(5):114-120.

[3] 張廣分．潮白河上游河岸植被緩沖帶對(duì)氮、磷去除效果研究[J]．中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013,29(8):189-194.

[4] 閻麗鳳，石險(xiǎn)峰，于立忠，等．沈陽(yáng)地區(qū)河岸植被緩沖帶對(duì)氮、磷的削減效果研究[J]．中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011(2)：403-408.

[5] DUCHEMIN M，HOGUE R. Reduction in agricultural non-point source pollution in the first year following estahlishment of an integrated grass/tree filter strip in southern Quebec (Canada)[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment，2009，131(1/2)：85-97.

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[7] 宋思銘．河岸緩沖帶凈水效果及優(yōu)化配置技術(shù)研究[D]．北京：北京林業(yè)大學(xué)，2012．

[8] 李萍萍，崔波，付為國(guó)，等．河岸帶不同植被類型及寬度對(duì)污染物去除效果的影響[J]．南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,37(6):47-52.

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[10] 吳建強(qiáng).不同坡度緩沖帶滯緩徑流及污染物去除定量化[J].水科學(xué)進(jìn)展，2011,22(1)：112-117.

The Water Purification Effect of Riparian Buffer Zone in Mountainous Area of North Hebei

TIAN Su-ping1, ZHANG Kuan-yi2, WANG Xiong-bin3*

(1. General Station of Soil and Water Conservation of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050011; 2. Hebei Research Institute of Investigation & Design of Water Conservancy & Hydropower, Shijiazhuang, Hebei 050081; 3. Hebei Agricultural Water-Saving Engineering Technology Research Center,Water Resources Institute of Hebei, Shijiazhuang, Hebei 050051)

[Objective] To fully understand the elimination effects of riparian vegetation buffer zones on surface runoff pollutants.[Method]The removal effects of different riparian vegetation buffer zones on chemical oxygen demand(COD), total nitrogen(TN) and total phosphorus(TP) in simulated polluted-surface runoff were investigated in mountainous area of north Hebei. [Result]The surface runoff pollutant removal rates were increasing gradually with the vegetation belt width increases in the 5 kinds of vegetation riparian buffer zone, but the change laws of removal rate with the belt width increases were different in the different vegetation riparian buffer zones. Different riparian vegetation buffer zones have different elimination effects on different pollutants in surface runoff. Larch forest can remove the COD, TN and TP quickly in a narrow range. [Conclusion] It is important to take the environment pollution characteristics into consideration in ecological recovery and reconstruction of riparian vegetation buffer zones, and it should be applied in the narrower riparian buffer zone construction inmountainous area of north Hebei.

Riparian buffer zones; Vegetation type; Removal effect; Surface runoff pollutants; Mountainous area of north Hebei

河北省水利廳項(xiàng)目(2014-25)。

田素平(1970-)，女，河北藁城人，高級(jí)工程師，博士，從事水土保持綜合治理研究。*通訊作者，工程師，博士，從事水土保持、生態(tài)系統(tǒng)健康研究。

2015-04-23

S 181.3

A

0517-6611(2015)17-263-02