楊樹林河岸緩沖帶對磷素的去除效果及機制研究

茆安敏 吳永波 余昱瑩

摘要：研究了3個不同密度楊樹林（南林95楊，Poplar Nanlin 95）河岸緩沖帶在不同寬度對徑流水中磷素的截留效果，測定水、土壤以及植物樣內總磷和無機磷含量，分析河岸植被緩沖帶截留磷素的機制。結果表明，楊樹林河岸植被緩沖帶的最適寬度為30 m;15 m寬度即可截留60%的總磷;楊樹林的最適種植密度為1 600株/hm2。土壤對磷素的截留量是河岸植被緩沖帶總截留量的80%。無機磷各組分中，能被植物直接吸收利用的磷酸二鈣型磷（Ca2-P）和磷酸八鈣型磷（Ca8-P）含量較低，且隨寬度增加而降低;閉蓄態(tài)磷（O-P）和鐵結合態(tài)磷（Fe-P）含量很高，和磷酸十鈣型磷（Ca10-P）三者含量隨寬度增加沒有明顯變化。

關鍵詞：楊樹林河岸緩沖帶;磷素;寬度;密度;無機磷;截留效果

農業(yè)面源污染及其造成的水資源短缺受到廣泛關注。2007年5月太湖藍藻爆發(fā)，嚴重影響了太湖流域地區(qū)人們的生活，造成重大經(jīng)濟損失[1]。河岸植被緩沖帶作為污染源和水體之間的過渡區(qū)域，通常被認為是減緩面源污染的重要途徑之一[2]。

植物吸收、土壤吸附和土壤微生物轉化是河岸植被緩沖帶去除磷素的3種主要途徑，其去除效果與河岸帶寬度、植被種類與密度、土壤性質等密不可分[3]。Peterjohn等指出，當河岸植被緩沖帶寬度為50 m時，可去除地表水中80%的磷[4]。Wenger等指出，能有效截留磷素的緩沖帶寬度至少為30 m及以上，且必須為森林緩沖帶[5]。何聰?shù)鹊贸龅淖钸m寬度為12 m[6]。王敏等得出，當寬度為16m左右時，去除效果最佳[7]。在植被類型研究中，人工林地對總磷的截留效率最高，大于天然草地或人工草地[8];喬木與草本的結合能提高磷素的凈化效果[9]。李睿華等研究得出，混合植物帶對水中總磷的截留效率最高，達71%[10]，與Schmitt等的研究結果[11]一致;而Duchemin等的研究結果表示，混合植物帶與單一植物帶的截留效率無顯著差異[12]。林分密度是河岸植被緩沖帶實踐操作中的重要指標，目前關于最適林分密度的研究鮮見報道。

磷是動植物生長發(fā)育必需元素之一，農業(yè)上多通過施加大量磷肥提高作物產量，但磷極易被土壤吸附，其當季利用率很低，為20%左右[13]，因此易造成農業(yè)營養(yǎng)流失，進入水體形成富營養(yǎng)化。無機磷是農業(yè)土壤磷素的主體，但其各組分在土壤中含量及有效性差異較大，受土壤類型及外在施肥方式等影響[14]。目前為止，直接研究河岸植被緩沖帶對徑流水中磷素的截留效果較多，由于土壤內部各種生物化學反應復雜萬變，研究難度較大，因此截留機制方面研究較少。

楊樹是太湖流域常見綠化樹種，本研究探討不同寬度與密度的楊樹林河岸緩沖帶截留磷素的差異，為構建適宜結構的楊樹林河岸緩沖帶提供科學依據(jù)。1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省宜興市周鐵鎮(zhèn)沙塘崗村的東部，31°07′～31°37′N，119°31′～120°03′E，太湖西部沿岸，屬于亞熱帶季風氣候，全年溫暖濕潤，年平均氣溫15.7 ℃，夏季最熱月平均氣溫28.3 ℃。7—8月份日照時間最多，雨量豐沛，年平均降水日136.6 d，年平均降水量1 177 mm。研究區(qū)土壤為中性黃棕壤，土壤pH值為6.2，土壤容重為1.32 g/cm3。周邊生活區(qū)主要以農業(yè)為主，種植作物以水稻、小麥、油菜為主。

1.2 樣地設置

在太湖邊設置4個平行的20 m×40 m樣地，坡度比1 ∶ 250。樣地之間用擋板隔開，防止相互影響。樣地分別為不同林分密度的南林95楊樹林（Poplar Nanlin 95），林分密度分別為400、1 000、1 600株/hm2，1個樣地為荒地，作為對照。不同河岸植被緩沖帶寬度（0、15、30、40 m）指采樣點距樣地施肥端的距離，每個寬度處分別等距離埋設3組PVC淋溶管，每組2根，深度分別為20、40 cm（圖1）。在距每個樣地起始端0～0.5 m處施5 kg的復合肥（N、P2O5、K2O含量均為15%），利用降雨溶解肥料，模擬農業(yè)面源污染進入河岸植被緩沖帶。在降雨結束2周后采集每個寬度處的水樣、土樣及植物樣，并導出樣地內氣象站上從施肥到采樣期間的降雨總量。本次試驗在2016年7月5日施肥，2016年7月20日采樣。

1.3 樣品采集與處理

每個寬度處用土鉆采取0～20 cm深度和20～40 cm深度的土壤，裝入自封袋并編號;用抽水泵抽取0～20 cm深度和20～40 cm深度的水樣，裝入100 mL聚乙烯瓶中并編號;用鐵鍬挖取楊樹細根，裝入自封袋并編號;隨機采取每組淋溶管1 m2范圍內草本混合樣，裝入自封袋并編號;每個寬度處均設置3個重復，共采取土樣96個，水樣96個，楊樹細根樣48個，草本混合樣48個。樣本帶回實驗室及時測定。

1.4 分析方法與數(shù)據(jù)處理

土壤總磷含量采用硫酸-高氯酸-鉬銻抗比色法測定;土壤無機磷含量采用蔣柏藩-顧益初土壤無機磷分級方法[15]測定;水樣總磷含量采用鉬酸銨分光光度法測定;植物總磷含量采用硫酸-過氧化氫法測定。

所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2007和SPSS 22.0進行處理與統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 河岸植被緩沖帶對總磷的截留效果

2.1.1 不同寬度河岸植被緩沖帶對總磷的截留效率 隨著河岸植被緩沖帶寬度增加，4塊樣地對徑流水中總磷截留效率的平均值呈上升趨勢（圖2）。0～20 cm深度徑流水中總磷的被截留效率一直高于20～40 cm深度徑流水。0～20 cm深度徑流水中總磷的被截留效率在30 m寬度處達到81.8%，在40 m寬度達到最大值（86.58%）;20～40 cm深度徑流水中總磷的被截留效率在30 m寬度達到最大值（74.91%），隨后降低，但30 m寬度和40 m寬度之間無顯著性差異（P=0.17）。

相鄰寬度區(qū)間總磷含量的變化情況如圖3所示。從圖3可以得出，總磷變化量隨緩沖帶寬度增加逐漸降低。0～15 m寬度區(qū)間內總磷含量變化值最大，表明15 m寬度即可有效截留大部分總磷，約為總截留量的60%。15～30 m寬度內總磷變化值為正，而除徑流水外，楊樹細根、草本以及土壤的總磷含量變化值在30～40 m寬度區(qū)間均為負值，表明30 m寬度后，總磷含量增加，且30 m寬度處總磷含量最低，截留效率最高。因此可以得出楊樹林河岸植被緩沖帶的最適寬度為30 m。

2.1.2 不同楊樹林密度河岸緩沖帶對總磷的截留效率 不同密度楊樹林的河岸緩沖帶對總磷的截留率均較高，且存在差異（圖4、圖5）。1 600株/hm2楊樹林對0～20 cm深度與20～40 cm深度徑流水中總磷的截留率均高于其他3種樣地類型?；牡睾? 000株/hm2楊樹林對總磷的截留率呈持續(xù)上升趨勢，而400株/hm2楊樹林和1 600株/hm2楊樹林對總磷的截留率呈先快速上升后緩慢下降的趨勢，但截留率仍高于1 000株/hm2楊樹林。400株/hm2楊樹林和1 600株/hm2楊樹林對總磷的截留率在0～20 cm深度徑流水中有顯著性差異（P=0.043），在20～40 cm深度徑流水中無顯著性差異（P=0.082）。結果表明，河岸植被緩沖帶楊樹林的最適密度為1 600株/hm2。

2.2 總磷在河岸植被緩沖帶中的分布

河岸植被緩沖帶對總磷的截留效果與緩沖帶內截留因素有關，研究各截留因素對總磷的截留率有助于探討河岸植被緩沖帶去除磷素的機制。

不考慮磷在大氣中轉換等其他因素影響，假定進入河岸植被緩沖帶的總磷全部被截留并只分布在水、土壤、楊樹細根和草本4個部分中（為了計算方便，此過程將徑流水作為截留因素）。將4個部分的截留總量作為整體，計算出各部分的截留率，即4個截留因素的截留率和為1，以此求出各截留因素對總磷的平均截留率（圖6）。

從圖6可以看出，進入河岸植被緩沖帶的總磷，70%被土壤吸附，2.6%被楊樹細根吸收，1.2%被草本吸收，26.2%隨徑流水流出。土壤是總磷主要的截留因素，楊樹細根的截留率是草本截留率的2倍。

2.3 河岸植被緩沖帶土壤內無機磷含量變化

無機磷是農業(yè)土壤供磷的主體，占土壤總磷70%左右[16]。研究土壤不同形態(tài)無機磷含量變化有利于進一步探討河岸植被緩沖帶去除磷素的機制。

不同深度土壤中無機磷各組分含量見表1。無機磷各組分含量中，閉蓄態(tài)磷（O-P）含量最高，依次為O-P>Fe-P>Ca10-P>Al-P。在0～20 cm深度土壤，Ca2-P>Ca8-P;20～40 cm深度土壤，Ca8-P>Ca2-P，楊樹的根系和草根主要分布在0～20 cm深度土壤中，而Ca8-P更利于植物吸收。Ca2-P和Ca8-P在一定的土壤環(huán)境中可以相互轉化。

無機磷各組分含量隨緩沖帶寬度變化情況如圖7所示，Ca2-P和Ca8-P含量隨緩沖帶寬度增加而降低，Al-P隨寬度增加呈下降趨勢，這3種形態(tài)的無機磷都可以被植物直接或間接吸收利用。O-P、Fe-P和Ca10-P含量隨寬度增加無明顯變化。Fe-P難溶于水，為緩效磷;O-P和Ca10-P在短時間內均為無效磷，此3種狀態(tài)磷均不能被植被吸收利用。以上結果表明，O-P、Fe-P和Ca10-P是土壤總磷的主體，其含量在短時間內無明顯變化。

3 結論與討論

3.1 楊樹林河岸植被緩沖帶的最適配置

河岸植被緩沖帶是防治水域污染最有效的措施之一，但其截留污染物的能力與地理因素、水文因素、氣象因素以及自身配置情況等各種因素相關。本研究發(fā)現(xiàn)截留磷素效率高的楊樹林河岸緩沖帶的最適密度為1 600株/hm2，與卜曉莉等對河岸植被緩沖帶楊樹林的密度研究[17]相一致，均得出楊樹林對污染物的截留效果隨林分密度增加而提高。朱穎等對中山杉林的研究也表現(xiàn)出相似的變化趨勢[18]。但與宋思銘研究得出最適林分密度為1 074株/hm2[19]存在差異，這可能與林齡有關。隨著林齡增加，林木生長與形態(tài)會發(fā)生明顯變化，不同林木之間的競爭力亦會增強。

河岸植被緩沖帶的最適寬度大小受坡度、污染物種類與濃度和土壤性質等多種因素有關。本研究得出河岸植被緩沖帶徑流水中總磷含量隨寬度增加呈降低趨勢，0～20 cm深度徑流水總磷的截留效率在40 m寬度達到最大值（86.58%）;20～40 cm深度徑流水截留效率在30 m寬度達到最大值（74.91%）。楊樹林河岸植被緩沖帶對總磷的削減作用主要發(fā)生在前15 m寬度內，最適寬度為30 m，與李懷恩等研究N、P的主要削減作用在前10 m[20]相一致，與美國農業(yè)部在耕地保育計劃中推薦的河岸緩沖帶寬度20～30 m[2]相一致。河岸植被緩沖帶對總磷的截留效率在15～30 m寬度間變化緩慢，應將這個寬度區(qū)間細化，以進一步深入研究河岸植被緩沖帶截留磷素的機制。

3.2 河岸植被緩沖帶去除磷素機制

礦質磷肥極易被土壤吸附。磷在土壤內部的轉化非常復雜，涉及多種酶、土壤動物、根系微生物以及土壤環(huán)境，并處于動態(tài)變化中。本研究得出，進入河岸植被緩沖帶的磷肥70%被土壤截留，而土壤總磷中70%為無機磷。因此，無機磷各組分含量可反映土壤磷素的分布。一些研究土壤性質與無機磷各組分含量的試驗表明，風化程度較高的紅壤中，無機磷各組分含量表現(xiàn)為O-P>Fe-P>Al-P>Ca-P;石灰性土壤表現(xiàn)為Ca-P>O-P>Fe-P>Al-P;而黃棕壤則介于兩者之間[21-22]。無機磷各組分含量的變化可以直接體現(xiàn)土壤磷素的利用率。本試驗樣地土壤為黃棕壤，無機磷各組分含量表現(xiàn)為O-P>Fe-P>Ca-P>Al-P，其中，O-P和Fe-P含量很高，約為無機磷總量80%，O-P、Fe-P和Ca10-P含量隨寬度增加無明顯變化，它們不能被植物直接利用，又難溶于水，因此在土壤中有累加量，Ca2-P和Ca8-P含量很少，并隨寬度增加明顯下降。因此70%的磷肥被土壤截留。

本研究中河岸植被緩沖帶的最適密度是建立在幼齡林為基礎之上的，隨著林齡增加，緩沖帶截留與吸收磷素的能力將發(fā)生變化，需要持續(xù)監(jiān)測和研究。

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