太湖喬木林河岸植被緩沖帶截留氮素效率

朱曉成，吳永波，余昱瑩，李文霞

（南京林業(yè)大學(xué) 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210037）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與城市化的快速發(fā)展，人類活動(dòng)造成的水體污染已成為全球重要的環(huán)境污染問題之一。面源污染是水體污染的主要表現(xiàn)形式之一，而農(nóng)業(yè)面源污染是面源污染的主要來源［1］。作為農(nóng)業(yè)大國，中國化肥使用量逐年增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年全年使用量已高達(dá)6 022.6萬t，農(nóng)用化肥單位面積平均施用量已達(dá) 458.6 kg·hm-2， 是安全上限（225 kg·hm-2）的 2.04 倍， 但化肥利用率僅為 30%～40%［2］， 導(dǎo)致化肥中大部分營養(yǎng)元素進(jìn)入水體，造成水體氮、磷污染。因此，如何治理農(nóng)業(yè)面源污染已成為目前環(huán)境治理的重難點(diǎn)問題。許多研究表明：位于水陸交界處的河岸植被緩沖帶可以有效截留和清除面源污染中的氮磷［3-6］，被認(rèn)為是控制非點(diǎn)源污染的最佳管理措施之一［7］。河岸植被緩沖帶通過沉積、土壤吸附、植物吸收、反硝化作用和微生物固定等途徑，有效截留和清除氮等面源污染物質(zhì)。目前，國內(nèi)外學(xué)者在河岸緩沖帶氮素截留方面已做了諸多研究。SPRUILL［8］對小流域的河岸植被緩沖帶進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)其能移除地表水中95%以上的氮元素，其中反硝化作用去除的氮元素占65%～70%；KOVACIC等［9］研究發(fā)現(xiàn)：森林和草地河岸緩沖帶對淺層地下水中硝態(tài)氮的截留率達(dá)90%以上，其中森林河岸緩沖帶對硝態(tài)氮的截留轉(zhuǎn)化能力高于草地河岸緩沖帶；WANG等［10］研究表明：林地和草地緩沖帶主要通過顯著減少土壤表面徑流量有效去除水分和養(yǎng)分。國內(nèi)研究起步雖然較晚，但也取得了一些成果。陳金林等［11］研究發(fā)現(xiàn)：農(nóng)田與溝渠間的緩沖林帶有利于截留和凈化土壤徑流中的氮、磷等物質(zhì)，不同林帶寬度對農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的防治效果不同；王慶成等［12］研究表明：農(nóng)田背景下的森林河岸帶土壤反硝化強(qiáng)度最大，硝態(tài)氮消失率的變化范圍為46.79%～91.13%，且河岸帶表層土壤的反硝化強(qiáng)度大于底層；林曉晟［13］在流域尺度上利用有限元數(shù)值模技術(shù)構(gòu)建了HYDRUS2D/3D模型，提出丘陵區(qū)河岸緩沖帶的寬度為15～60 m，平原區(qū)河岸緩沖帶寬度為5～20 m，可有效截留氮、磷污染物?？傮w而言，學(xué)者大多基于景觀甚至流域尺度上研究河岸植被緩沖帶的功能及其影響因素，很少在林分水平上開展緩沖帶削減面源污染的研究。且在有關(guān)湖泊周圍地勢較為平坦的河岸緩沖帶截留養(yǎng)分和沉積物的研究較少［14］。因此，本研究以太湖不同寬度的林地河岸緩沖帶為對象，研究其對徑流水及土壤中氮素截留效果的影響，以期為適宜河岸緩沖帶寬度的設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于江蘇省宜興市周鐵鎮(zhèn)沙塘港村（31°07′～31°37′N， 119°31′～120°03′E）， 該區(qū)緊鄰太湖。氣候類型為亞熱帶季風(fēng)氣候，溫和濕潤，雨水充沛，四季分明。主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，無霜期239 d，年平均氣溫為15.7℃，年均日照時(shí)數(shù)為1 924.2 h，作物生長季積溫5 475.8℃。降水集中在春季和夏季，6和8月多暴雨。年均降水量為1 177.0 mm。地表、地下水豐富。研究區(qū)土壤為中性黃壤，土質(zhì)均勻，土壤容積密度為1.38 g·cm-3，樣地坡度比為1∶250。周邊居民主要以農(nóng)業(yè)為主，主要種植水稻Oryzasativa，小麥Triticum aestivum和油菜Brassica napus等農(nóng)作物。

圖1 試驗(yàn)樣地小區(qū)淋溶管鋪設(shè)示意圖Figure 1 Leaching pipe laying schematic setting in each experimental plot

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在樣地設(shè)置4個(gè)20 m×50 m的小區(qū)，小區(qū)之間間隔5 m，并用寬60 cm，厚1.5 cm的復(fù)合板分隔，避免相互干擾（圖1）。小區(qū)平行排列，依次為荒地、1 000株·hm-2的中山杉Taxodium hybrid‘Zhongshanshan’ -‘南林95’楊Populus×euramericana‘Nanlin 95’混交林、1 000株·hm-2的中山杉林和1 000株·hm-2的楊樹林。所選樹種為太湖流域常見樹種，樹齡均為5 a，楊樹平均樹高為4.0 m，胸徑為5.0 cm，平均冠幅為135 cm，中山杉平均樹高為3.0 m，胸徑為4.0 cm，冠幅為105 cm。在每個(gè)樣地小區(qū)距樣地起始端（沿徑流水方向）0，5，15，30，40 m寬度處分別埋設(shè)3組聚氯乙烯淋溶管，3個(gè)·組-1，深度分別為20，40和60 cm，用于徑流水樣的采集。

在每塊樣地小區(qū)前0至0.5 m處，參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)田施肥量進(jìn)行施肥，模擬氮素流失狀況。所施復(fù)合肥氮磷鉀比例為16∶8∶16，施肥量為48 kg·hm-2。在降雨前施肥，降雨產(chǎn)流后采樣，施肥與采樣間隔1周。樣品采集選擇在當(dāng)?shù)氐挠昙荆?-9月）進(jìn)行采集，3次采樣時(shí)間分別是2016年4月21-23日，7月9-11日以及9月23-24日。采樣期間前1周平均降水量分別為57.7，87.7和72.6 mm。

1.3 樣品采集與處理

用小型泵在各樣地小區(qū)分別抽取不同寬度處20，40和60 cm深淋溶管內(nèi)徑流水樣，裝入250 mL塑料瓶中，帶回實(shí)驗(yàn)室，放入-4～0℃冰箱內(nèi)進(jìn)行保存，及時(shí)測定水樣中不同形態(tài)氮質(zhì)量濃度。每次采樣結(jié)束后，將淋溶管內(nèi)的水抽空，方便下次采集，并在遠(yuǎn)離樣地的地方傾倒。取水樣后，在不同寬度的每組淋溶管所在區(qū)域，選取1 m×1 m的范圍，用土鉆采集0～5，5～20和20～40 cm等3個(gè)不同深度的土樣，分別裝入塑料袋內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室檢測。

水樣總氮（TN）的測定采用GB 11894-1989《水質(zhì)總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》測定；待測銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）的水樣先經(jīng)過0.45 μm濾膜抽濾預(yù)處理，再分別使用HJ 535-2009《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》和HJ/T 346-2007《水質(zhì)硝酸鹽氮的測定紫外分光光度法（試行）》進(jìn)行測定。土樣銨態(tài)氮、硝態(tài)氮是利用鮮土分別采用HJ 535-2009《水質(zhì)氨氮的測定納氏試劑分光光度法》和HJ/T 346-2007《水質(zhì)硝酸鹽氮的測定紫外分光光度法（試行）》進(jìn)行測定。土壤總氮（TN）是土樣經(jīng)風(fēng)干、過篩后，用元素分析儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；用SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和Pearson相關(guān)性分析。取3次數(shù)據(jù)采樣平均值進(jìn)行分析。

圖2 不同寬度河岸植被緩沖帶徑流水中氮素質(zhì)量濃度Figure 2 Mass concentration of nitrogen in runoff water by riparian vegetation buffer zones with different widths

2 結(jié)果與分析

2.1 河岸緩沖帶對徑流水中氮素的截留效果

2.1.1 不同寬度河岸緩沖帶對徑流水中氮素的截留效果 隨著河岸緩沖帶寬度的增加，徑流水中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總氮質(zhì)量濃度逐漸降低（圖2），截留率逐漸上升（圖3）。其中，對銨態(tài)氮的截留率最高，其次是硝態(tài)氮，對總氮的去除率最低。經(jīng)過40 m的河岸緩沖帶后，對徑流水中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總氮的平均截留率分別達(dá)68.69%，68.81%和66.01%。說明不同寬度的河岸緩沖帶對徑流水中的氮素有一定截留效果。對各深度徑流水中氮質(zhì)量濃度與緩沖帶寬度進(jìn)行單因素分析表明：前15 m徑流水中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總氮質(zhì)量濃度隨寬度變化差異顯著（P＜0.05），15 m后不顯著（P＞0.05）。說明15 m寬的河岸緩沖帶能很好地截留徑流水中的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總氮。隨著深度的增加，徑流水中氮素質(zhì)量濃度總體呈降低趨勢，說明土壤吸附和植物吸收在徑流水下滲過程中起到了一定的截留作用。對不同深度徑流水中氮素質(zhì)量濃度進(jìn)行差異性分析表明：硝態(tài)氮質(zhì)量濃度在5 m以后隨深度變化差異不顯著（P＞0.05）；各寬度銨態(tài)氮質(zhì)量濃度在20與60 cm深度差異顯著（P＜0.05）；總氮質(zhì)量濃度在30 m之前20 cm與40，60 cm深度差異顯著（P＜0.05），30 m之后不顯著。就截留率而言，不同深度徑流水中硝態(tài)氮的截留率從高到低依次為20，40，60 cm；對銨態(tài)氮和總氮的截留率從高到低依次為40，20，60 cm。

圖3 不同寬度河岸植被緩沖帶徑流水中氮素截留效果Figure 3 Retention rate of nitrogen in runoff water by riparian vegetation buffer zones with different widths

2.1.2 不同植物類型河岸緩沖帶對徑流水中氮素的截留效果 從圖4可看出：喬木林河岸緩沖帶對徑流水中氮素的截留率均顯著高于荒地（P＜0.05）；其中楊樹林在前15 m對硝態(tài)氮的截留率最高（64.37%），15 m后混交林對硝態(tài)氮的去除率最高，并在40 m處達(dá)最大值（69.92%），但與楊樹林、中山杉林截留率差異不顯著（P＞0.05）。不同寬度下，楊樹林對銨態(tài)氮的截留率最高，且與中山杉林、混交林截留率差異顯著（P＜0.05），并在30 m處截留率達(dá)最大值（77.4%）。15 m及其以上的混交林對徑流水總氮截留率最高，并在30 m處達(dá)最大值（73.0%）。在30 m寬度處混交林與楊樹林和中山杉林對徑流水中總氮的截留率之間差異顯著（P＜0.05）。

圖4 不同植物類型河岸緩沖帶對徑流水中氮素的截留率Figure 4 Retention rate of nitrogen in runoff water riparian buffer strips with different vegetations

2.2 河岸緩沖帶土壤中氮素的截留效果

2.2.1 不同寬度河岸緩沖帶土壤中氮素的截留效果 隨著緩沖帶寬度的增加，土壤氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上呈增加趨勢（圖5），表明隨著緩沖帶寬度的增加，氮素被更多地滯留在土壤中，起到了較好的截留作用。土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在前15 m隨寬度變化差異性顯著（P＜0.05），15 m后差異不顯著（P＞0.05），說明緩沖帶前15 m截留了大部分氮素。經(jīng)過40 m河岸緩沖帶后，土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、總氮的平均截留率分別達(dá)37.75%，24.20%和28.53%（圖6）。在15 m及以后，0～5 cm深土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，且在15和30 m處與5～20，20～40 cm深土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著（P＜0.05）。各寬度不同深度土壤中銨態(tài)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小依次為0～5，5～20，20～40 cm，但差異不顯著（P＞0.05）。0～5 cm深度土壤中總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，且在15和30 m寬度處與20～40 cm深土壤中總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異顯著（P＜0.05）。就截留率而言，河岸植被緩沖帶對硝態(tài)氮的截留效果最好，其次為總氮，銨態(tài)氮截留率最低。不同深度土壤中，3種氮素截留率隨著河岸緩沖帶寬度的增加均以15 m為節(jié)點(diǎn)，先上升后下降或緩慢上升，其中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮截留率下降后在40 m處達(dá)最大值?？赡苁怯捎谇?5 m緩沖帶截留了絕大部分氮素，導(dǎo)致徑流水氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅下降，從而被土壤吸附的量減少，截留率下降；在各寬度處，5～20 cm深土壤對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮截留率較高，而土壤對總氮的截留率從大到小依次是 0～5， 20～40 和 5～20 cm。

圖5 不同寬度河岸緩沖帶土壤中氮素濃度Figure 5 Mass concentration of nitrogen in soils by buffer zones with different widths

圖6 不同寬度河岸緩沖帶土壤中氮素截留效果Figure 6 Retention rateof nitrogen in soils by buffer zones with different widths

圖7 不同植物類型河岸緩沖帶土壤中氮素的截留率Figure 7 Retention rate of nitrogen in soils riparian buffer strips with different vegetations

2.2.2 不同植物類型河岸緩沖帶土壤中氮素的截留效果 從圖7可看出：喬木林 （中山杉林、楊樹林、混交林）對土壤中氮素的截留率均高于荒地，且隨著緩沖帶寬度的增加，截留率基本都呈上升趨勢，說明林地對徑流水中的氮素起到了很好的截留效果。不同寬度處，楊樹林對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的截留率均高于中山杉和混交林，且均在40 m處達(dá)最大值（36.87%和29.71%），其中楊樹林對硝態(tài)氮的截留率要高于對銨態(tài)氮的截留率。在各緩沖帶寬度處楊樹林對硝態(tài)氮的截留率與中山杉林差異顯著（P＜0.05），但與混交林差異不顯著（P＞0.05）；楊樹林在5和40 m處對銨態(tài)氮的截留率與中山杉林、混交林差異顯著（P＜0.05）。對于總氮來說，混交林對總氮的截留率最高，在40 m處達(dá)最大值（28.47%），但在各寬度處對總氮的截留率與中山杉林和楊樹林差異不顯著（P＞0.05）。

2.3 不同指標(biāo)間相關(guān)性分析

相關(guān)分析表明：土壤中總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與徑流水中總氮質(zhì)量濃度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05，圖6），說明土壤對徑流水中氮素的截留起到了積極的作用，有效降低了徑流水中總氮質(zhì)量濃度；植物葉片總氮與徑流水中總氮的質(zhì)量濃度相關(guān)性不顯著，但呈一定負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖8）。

圖8 徑流水總氮與土壤、植物總氮相關(guān)性Figure 8 Correlation of total nitrogen in runoff water with total nitrogen in soil and total nitrogen in plant

3 討論與結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)：隨著河岸緩沖帶寬度的增加，徑流水中氮素的質(zhì)量濃度不斷降低，氮素截留率不斷上升，但在15 m后氮素的截留效率上升不明顯，且與40 m處氮素截留率相近，即隨緩沖帶寬度的增加，單位寬度緩沖帶氮素截留率先升高后降低，15 m寬緩沖帶即可顯著降低經(jīng)流水中氮素，這與SYVERSEN［15］研究中單位寬度緩沖帶氮素截留率隨寬度增加先升高后降低的結(jié)果一致。趙警衛(wèi)等［16］、孟亦奇等［17］也認(rèn)為：15 m后緩沖帶氮素截留率上升不明顯，但與湯家喜［18］提出的9 m緩沖帶寬度即可顯著減少經(jīng)流水中氮素含量不同，主要因?yàn)槠溲芯康赝寥罏樯百|(zhì)土壤，固氮能力較強(qiáng)的草本植物占優(yōu)勢，這從另一方面也說明了土壤物理性質(zhì)對緩沖帶功能的影響。土壤中氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和截留率均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，并且在前15 m質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化顯著，在15 m后變化不顯著，與郭鑫［19］研究中土壤氮素截留率隨緩沖帶寬度增加先升高后降低的結(jié)果一致，可能是由于前15 m緩沖帶截留了絕大部分氮素，導(dǎo)致徑流水氮素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅下降，從而被土壤吸附的量減少，截留率下降。綜上所述，15 m寬的河岸緩沖帶能夠有效截留氮素污染物，這與王敏等［20］、于紅麗［21］認(rèn)為的15 m寬河岸緩沖帶即可有效截留氮素的結(jié)果一致。BORIN等［22］則認(rèn)為6 m寬的河岸緩沖帶即能有效去除徑流水中的氮，而李懷恩等［23］認(rèn)為緩沖帶對氮素的截留作用主要發(fā)生在前10 m。植被組成、坡度、土壤理化性質(zhì)、水文過程以及氣候等因素的不同，均會(huì)導(dǎo)致有效截留氮素的寬度差異。因此，針對不同的地域環(huán)境，要綜合考慮不同的影響因子，建立適宜的緩沖帶寬度。

不同寬度緩沖帶處徑流水和土壤中氮素的含量隨深度的加深呈降低趨勢，說明土壤在徑流水下滲的過程中起到了一定的截留作用，截留吸附了徑流水中部分氮素。其中徑流水中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度隨深度變化差異不顯著，銨態(tài)氮、總氮隨深度變化差異顯著，這與黃玲玲［24］研究中土層越深土壤總氮濃度越低的結(jié)果一致，主要是因?yàn)橄鯌B(tài)氮極易溶于土壤水中而向更深層的土壤淋溶［25］，在降雨過程中，在雨水的溶解下迅速向60 cm或更深的土層淋溶，而導(dǎo)致0～60 cm硝態(tài)氮含量差異不大。就去除率而言，緩沖帶對40 cm深徑流水中銨態(tài)氮、總氮的截留率較高，對20 cm深的硝態(tài)氮截留率較高；而緩沖帶5～20 cm深土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的截留率較高，主要是因?yàn)殇@態(tài)氮通過硝化作用，在0～5 cm深土壤總氮截留率較高，說明土壤對總氮的截留主要發(fā)生在土壤表層，而對硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的截留主要發(fā)生在土壤中層。

有研究表明：緩沖帶不同的植物配置對氮素污染的凈化效果不同［26］。本研究中，3種河岸植被緩沖帶對氮素的截留能力均高于對照，表明不同植被類型河岸緩沖帶對徑流水中氮素均起到較好的截留效果。楊樹林緩沖帶對徑流水中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的截留率較高，其中對徑流水中銨態(tài)氮的截留率與中山杉林和混交林差異顯著（P＜0.05），對徑流水中硝態(tài)氮的截留率與中山杉林和混交林差異不顯著；混交林緩沖帶對總氮的截留率較高，但與楊樹林和中山杉林的截留率差異不顯著（P＞0.05）。主要由于闊葉林可以顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)的積累，而針葉林對土壤有機(jī)質(zhì)積累的影響較弱，尤其是杉木Cunninghamia lanceolata純林對土壤有機(jī)質(zhì)的累積作用緩慢［11］，同時(shí)，楊樹根系比中山杉根系深［17］，能夠更多地吸收淋溶到深層土壤中的硝態(tài)氮，且樣地樹種處于幼齡階段，楊樹的生長速度較中山杉和混交林快，需要吸取更多的養(yǎng)分，這可能是造成楊樹林緩沖帶對徑流水中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮有較高截留率的主要原因。同時(shí)，不同緩沖帶寬度處楊樹林葉片全氮含量均高于中山杉林和混交林可能亦與此有關(guān)。

相關(guān)分析表明：土壤中總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與徑流水中總氮質(zhì)量濃度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），且土壤中硝態(tài)氮的截留率最高，說明土壤吸附和反硝化作用是徑流水中氮素截留去除的主要途徑。從截留率來說，徑流水中氮素截留率為66.01%～68.81%，土壤對氮素的截留率為24.20%～37.75%，占徑流水中氮素截留率近一半，說明土壤對徑流水中氮素的截留起到了積極的作用，有效降低了徑流水中總氮質(zhì)量濃度。