水陸交錯帶生態(tài)功能及其氮素截留效果研究進展

吳林川+孫嬰嬰

摘 要：水陸交錯帶是指陸地和水域之間物質傳輸、能量轉化和信息交換的過渡帶，本文概述了水陸交錯帶的主要功能，其中主要包括截留污染物、固岸護坡、削減洪峰、生物廊道功能、促進生物多樣性及休閑娛樂等社會功能。水陸交錯帶是防止農業(yè)面源污染的最后一道屏障，關于水陸交錯帶對氮素的截留、轉化、吸收過程可以總結歸納物理途徑和生物化學途徑，影響氮素的截留效果主要因素可概括為土壤特性、水文特性、植被類型及水陸交錯帶寬度，在此基礎上提出了未來水陸交錯帶的設計和管理等研究趨勢。

關鍵詞：水陸交錯帶 生態(tài)修復 氮素截留 面源污染

1.水陸交錯帶概述

1.1水陸交錯帶定義

水陸交錯帶是指陸地和水域之間物質傳輸、能量轉化和信息交換的過渡帶，又稱河（濱）岸帶、岸邊帶、緩沖帶、消（漲）落帶。特殊的位置決定了水陸交錯帶不僅具有陸地生態(tài)系統(tǒng)的特點，還包含水生生態(tài)系統(tǒng)的某些特點。水陸交錯帶的最初定義出現(xiàn)在最佳流域管理模式（BMP）中，學術界對水陸交錯帶的定義始于上70年代，定義為陸地上受到河水影響的植被區(qū)域。之后的研究中，不同的學者對水陸交錯帶的特點定義越來越多。依據(jù)位置特點，水陸交錯帶是陸地上同水發(fā)生相互作用的植被區(qū)域，在形態(tài)上一般呈帶狀分布于河道兩邊；依據(jù)功能特點，水陸交錯帶是陸地與水體之間具有固岸護坡、保持水土、保護水源、削減洪峰等功能的植被緩沖帶；依據(jù)結構特點，水陸交錯帶是位于水陸交界處包括植物、動物、微生物、土壤等不同結構的完整生態(tài)系統(tǒng)。

1.2水陸交錯帶功能

水陸交錯帶是水生和陸地生態(tài)系統(tǒng)的過渡帶，既具有陸地生態(tài)系統(tǒng)的土壤、植被特性，又會受到水生生態(tài)系統(tǒng)的強烈影響，這決定了其獨特的功能?？蓪⑵涔δ軞w納總結為以下6點：

1.2.1截留污染物，凈化水質

河流水體通常匯集來自臨近高地的徑流，而徑流中攜帶有固體污染物、泥沙以及可導致水體富營養(yǎng)化的氮、磷等物質以及污染水質的重金屬元素。水陸交錯帶可通過物理滯納、化學降解、生物吸收等不同途徑來截留和轉化這些有害物質，從而達到凈化水質的功能。

1.2.2固岸護坡

水陸交錯帶一般通過植被來達到固岸護坡的功能。水陸交錯帶岸邊的叢生草本植物可以增大水流阻力、減緩水流速度從而減緩水流對岸邊的沖刷和侵蝕。植物的葉片、枝干極大地增加了地表的粗造度，從而減少地表徑流和減輕侵蝕。另外水陸交錯帶水分充足、植物根系發(fā)達，土壤、礫石在根系的作用下，形成緊實的團聚結構，增加了根際土壤的抗沖性，從而增強了固岸功能。

1.2.3削減洪峰

當洪水季節(jié)水位上漲時，一方面水陸交錯帶的土壤可以滲蓄水分，從而起到削減洪峰流量的功能；另一方面水陸交錯帶的植物可以增加水流阻力，降低河流的水流速度，進而起到推遲峰現(xiàn)時刻的功能。

1.2.4生物廊道功能

水陸交錯帶錯綜復雜的植被類型為動物生存繁育、躲避天敵、季節(jié)遷徙形成了天然的保護屏障，例如鳥類季節(jié)性遷徙至水陸交錯帶，既可從水中尋求食物，又可在陸地棲息；一些兩棲類動物選擇在水陸交錯帶的卵石縫隙中產(chǎn)卵，可以提高天敵的能力；魚類選擇在水流速度較緩的河邊年產(chǎn)卵可提高成活率。

1.2.5促進生物多樣性

水陸交錯帶臨近的水生生態(tài)系統(tǒng)的水位具有季節(jié)性變化的特點，即豐水期和枯水期交替出現(xiàn)。在豐水期水陸交錯帶可作為水生生態(tài)系統(tǒng)的源，為水生生態(tài)系統(tǒng)的生物提供物質和能量；在枯水期，水陸交錯帶可作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的匯，匯集來自臨近陸地生態(tài)系統(tǒng)的物質和能量，為自身的微生物、植物提供生長環(huán)境。水陸交錯帶的這種源、匯功能，既能豐富自身的生物多樣性，又能為水生生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性提供必要的物質和能量。水陸交錯帶土層深度差異性較大，因此可以滿足多種植物的生長；另外因其土壤富氧和缺氧交替出現(xiàn)，為好氧微生物和厭氧微生物提供了生存的環(huán)境。因此水陸交錯帶可促進區(qū)域的動物、植物和微生物多樣性。

1.2.6社會功能

水陸交錯帶在一定程度上可作為人類生命財產(chǎn)安全的一道防線，減輕洪水造成的危害。水陸交錯帶上喬灌植物可為當?shù)鼐用裉峁┬讲?、木材等原料。另外?jīng)過合理經(jīng)營與管理的水陸交錯帶還具有很高的生態(tài)、美學價值，為人類提供休閑、娛樂、旅游的場所，提高當?shù)鼐用裆钏降耐瑫r還可以促進當?shù)氐穆糜螛I(yè)發(fā)展。

2.水陸交錯帶對氮素截留效果研究進展

2.1水陸交錯帶對氮素截留效果國外研究進展

國外關于水陸交錯對氮素截留效果的研究起步于20世紀60年代，研究表明水陸交錯帶草本植物對氮素具有一定的截留效果。草本水陸交錯帶可防止農田中的殘留農藥通過地表徑流遷移至河流水體。因此水陸交錯帶具有減輕面源污染、減少地表徑流、過濾農田地表、地下徑流、減緩河流侵蝕、過濾河流污染物等多重功能。徑流中污染物去除效果受到水陸交錯帶寬度、污染物種類及化學成分的影響。其中對NO3--N的攔截率達70%～95%。

基于良好的土壤水分、養(yǎng)分和較好的污染物去除效果，水陸交錯帶往往是樹木、作物高產(chǎn)的區(qū)域，可作為水陸交錯帶種植方式為土地所有者提供較快的投資回報。研究者在愛荷華州基于篩選出的速生樹種，建議在水陸交錯帶種植薪材林。林地水陸交錯帶的另一個特點是，植物和土壤具有固持大量的C的潛能。有利于C的積累。

國外學者關于水陸交錯帶對氮素的截留、轉化、吸收的效果可以總結歸納為以下兩個途徑：

（1）物理途徑

物理途徑主要通過水陸交錯帶的土壤空隙、植物枝干和根系來增加地表地下徑流阻力、降低水流速度，使得顆粒態(tài)氮素沉積。此外，水陸交錯帶草本植物和叢生的灌木可過濾徑流中的顆粒態(tài)氮，并沉積在水陸交錯帶上。另外，牛毛草水陸交錯帶可以截留徑流中60%以上的顆粒態(tài)氮。endprint

（2）生物化學途徑

微生物的反硝化作用是水陸交錯帶截留轉化氮素的重要生物途徑之一。水陸交錯帶在豐水期呈缺氧狀態(tài)，為厭氧的反硝化細菌提供了良好的環(huán)境，在C源充足的條件下經(jīng)反硝化作用將氮素轉化成氣態(tài)N，永久地從水陸交錯帶中去除。另外水和土壤中的N素被植物根系吸收，合成自身生長所需物質，使得N素在植物的生物量中積累。有研究者得出，水陸交錯帶植物可以吸收77kg/（a·ha）的N素。

水陸交錯帶的截留對氮素的截留受到多種因素的影響，主要包括水陸交錯帶土壤特性、水文特征、植被類型及水陸交錯帶寬度：

（1）土壤特性

土壤有機碳和土壤孔隙度是影響水陸交錯帶對氮素截留的主要因素。土壤有機碳為反硝化作用提供營養(yǎng)。有機碳含量較高的飽和土壤中，水陸交錯帶對硝態(tài)氮的去除效率高達90%。土壤孔隙度影響地表含氮徑流在土壤中的滲透和過濾，也影響著含氮壤中流在土層中的截留和淋溶。

（2）水文特性

地下水位高度是決定水陸交錯帶氮素截留的重要因素之一，較高地下水位的水陸交錯帶土壤含水量較大，表層處于厭氧狀態(tài)，為反硝化提供基礎。水陸交錯帶的徑流匯聚方式也影響交錯帶氮素的截留效果，當?shù)乇韽搅骱腿乐辛鞣植急容^均勻時，交錯帶對氮素的截留轉化效率高。相反，當徑流通過特定排水管道、固定溝渠匯聚到水生生態(tài)系統(tǒng)時，大部分的水陸交錯帶無法得到充分利用，或對氮素的截留效率較低。另有學者研究發(fā)現(xiàn)30m寬的水陸交錯帶對表層地下水中硝態(tài)氮去除效果明顯，最高可達到70%。

（3）植被類型及水陸交錯帶寬度

例如Dillaha等針對美國弗吉尼亞州的河岸帶研究發(fā)現(xiàn)，9.1m寬的草地河岸帶可截留地表徑流中的總氮為73%，但寬帶減小到4.6m時其截留總氮較少到54%。Vought等研究有類似的發(fā)現(xiàn)，水陸交錯帶寬帶由16m減小到8m時，地表徑流中硝態(tài)氮由50%減少到20%。對于不同植被類型的水陸交錯帶對氮素截留能力的研究，不同學者得出了不同的觀點。Hefting等認為森林水陸交錯帶截留能力大于草地水陸交錯帶，原因在于森林植被根系分布范圍廣，吸收范圍大，同時森林水陸交錯帶為反硝化作用提供了充足的有機碳。然而也有人認為森林和草地水陸交錯帶截留效果無顯著差異。

2.2水陸交錯帶對氮素截留效果國內研究進展

國內對水陸交錯帶的研究始于上世紀90年代。由于我國人均土地資源匱乏，最初水陸交錯帶的研究目的僅僅是開發(fā)利用，以此滿足生產(chǎn)需求。隨著水生生態(tài)系的污染加重，國內學者才逐漸意識到水陸交錯帶對水生生態(tài)系的凈化保護作用，從而開展關于陸交錯帶截留水泥沙、養(yǎng)分、污染物等生態(tài)功能的研究。

國內學者關于水陸交錯帶的研究最早見于白洋淀地區(qū)，針對白洋淀湖水營養(yǎng)物質含量過高、湖底泥沙含量增加。展開白洋淀水陸交錯帶對陸源營養(yǎng)物質的截留效果研究得出，白洋淀水陸交錯帶可以有效截留陸源銨態(tài)氮、正磷酸鹽等營養(yǎng)物質。水陸交錯帶土壤對地表徑流中總氮、總磷的截留率分別達60%、90%以上。其次，關于白洋淀水陸交錯帶土壤對有機污染物吸附的研究表明，土壤顆粒物對親脂性有機污染物的截留效果明顯，對污水的凈化有一定的積極效果。另外，關于白洋淀水陸交錯帶對氮磷截留容量的研究表明，生物量中截留的氮磷總量分別為119kg/（a·ha）、5.6 kg/（a·ha），通過定期收割生物量可減輕水體富營養(yǎng)化的速度；氮被土壤截留后主要通過植物吸收、微生物反硝化等過程參與到氮循環(huán)中，土壤對磷的截留高達124 kg/（a·ha）。

隨著我國重點江河水體富營養(yǎng)化日趨嚴重，國內逐漸重視水陸交錯帶對氮磷等營養(yǎng)物質及農業(yè)非點源污染的研究。不同類型的水陸交錯帶對氮素的截留效果差異顯著，以水陸交錯帶三種不同河岸林為研究對象，研究表明灌木林對氮素的截留量最高，但針葉林對氮素的截留效率最高。百慕大、百花三葉草和高羊茅3種草本對農田徑流污染物的去除效果明顯，其中對全氮的去除率高達80%。

水陸交錯帶寬度是影響氮素截留的主要因素之一。申小波通過模擬不同植被寬度水陸交錯帶對氮素的攔截效果，研究表明，當寬度分別為1m、2m、3m時，對全氮的攔截率分別為65%、75%、84%。分析不同水陸交錯帶修復策略的效益和成本，研究表明水陸交錯帶對氮素凈化效率隨著修復寬度的增加而逐漸減小，得出污染程度嚴重的子流域為修復重點策略。

學者基于水文和土壤侵蝕模型評估水陸交錯帶凈化氮磷的效果，研究表明，顆粒態(tài)N、P含量與泥沙量有顯著相關性（P<0.05），據(jù)此建立泥沙和氮素截留的相關方程來估算水陸交錯帶對氮磷等污染物的截留效果。

3.水陸交錯帶氮素截留研究趨勢

（1）根據(jù)水陸交錯帶的生態(tài)功能定位上差異及不同流域、不同水質要求的特點，并結合植物生理學、土壤生態(tài)過程及水文學知識，從微觀上分析氮素的遷移、轉化、截留機理。

（2）利用計算機仿真技術和數(shù)學模型，模擬水陸交錯帶最佳的氮素截留寬度，并進行實地示范，為水陸交錯帶的設計提供決策依據(jù)。

（3）利用“3S”技術，從流域和景觀尺度上對水陸交錯帶進行面源污染進行實時、動態(tài)監(jiān)測，并逐步建立水體富營養(yǎng)胡的預警機制，實現(xiàn)水陸交錯帶的科學高效管理。

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