模擬黑麥草植被緩沖帶對徑流中氮、磷以及懸浮顆粒物的截留效果研究

魏忠平 ，朱永樂 ，湯家喜 ，劉 麗 ，張 瑩 ，高英旭

（1.遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，沈陽110032；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.沈陽市環(huán)境技術(shù)評估中心，沈陽 110032；4.沈陽海關(guān)技術(shù)中心，沈陽 110032）

伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對水資源造成的污染也越來越嚴(yán)重。例如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等生產(chǎn)都會產(chǎn)生大量的污廢水，并排入到河流、湖泊等自然水體中會對水質(zhì)造成不同程度的污染，其中氮、磷等元素流入水體會加劇水體富營養(yǎng)化程度[1-2]。當(dāng)前點(diǎn)源污染已經(jīng)得到了很大程度的控制，而面源污染由于排污點(diǎn)源分散，排放時間不連續(xù)、排放范圍廣泛等特點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)今水污染修復(fù)領(lǐng)域所要解決的重點(diǎn)問題[3-4]。河岸植被緩沖帶能控制水土流失、阻截污染物進(jìn)入河流，不同類型的河岸植被緩沖帶對地表徑流中農(nóng)業(yè)面源污染有不同效率的阻截效果[5-10]。1～6m寬的河岸植被過濾帶可以阻截19.4%～42.9%來自地表徑流的總氮[10]。BLANCO-CANQUI等[11]研究發(fā)現(xiàn)，植物籬可有效截留來自農(nóng)田地表徑流中的氮和磷，有機(jī)氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和磷酸鹽的截留效率分別為55%、27%、19%和37%。植被緩沖帶對農(nóng)業(yè)徑流中污染物的截留效率受諸多因素影響，包括植被類型、緩沖帶寬度、坡度以及水文地質(zhì)條件等[12]。DILLAHA等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在坡度11%的坡面上4.6m寬的植被過濾帶可阻截73%的來自農(nóng)田地表徑流的磷素；而坡度為16%相同寬度的植被過濾帶對磷素的截留僅為49%。RAHMANA等[14]研究還發(fā)現(xiàn)，植被緩沖帶土壤pH值的變化可影響溶解態(tài)氮素的遷移過程。綜上，國內(nèi)外學(xué)者對植被緩沖帶截留阻控地表徑流中農(nóng)業(yè)面源污染的效果進(jìn)行了較多的研究，但對地下滲流水體中面源污染物截留效果則研究較少，而關(guān)于遼河流域河岸植被緩沖帶的研究少見報道。因此，本研究以遼河流域上游河道兩岸土壤為模擬黑麥草植被緩沖帶，通過室內(nèi)模擬徑流和降雨試驗，研究其對地表徑流及滲流中氮、磷及懸浮顆粒物等污染物濃度的影響，分析其截留、阻控的作用機(jī)制，以期為遼河流域河岸帶管理和水體保護(hù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

供試土壤于2016年5月采自鐵嶺市銀州區(qū)雙安橋東側(cè)遼河河岸植被緩沖帶內(nèi)，采樣深度0～50cm，土樣經(jīng)自然風(fēng)干、磨細(xì)過20目篩后，備用，土壤理化性質(zhì)見表1。試驗裝置采用自制有機(jī)玻璃箱（圖1），長120cm、寬80cm、深60cm，箱體可進(jìn)行0～45°的坡度調(diào)節(jié)，本試驗坡度設(shè)計為5%。箱體底部均勻布設(shè)透水孔，以模擬自然情況土壤底層入滲排水。箱體一側(cè)頂端設(shè)有供水管，連接流量計，通過調(diào)節(jié)閥門控制水泵抽水流量進(jìn)行模擬徑流入水。水流通過徑流擴(kuò)散板流入箱體，保證徑流穩(wěn)定均勻的進(jìn)入植被緩沖帶。箱體另一側(cè)隨不同深度設(shè)有出水口，縱向交叉布設(shè)，出水口分別連接3根直徑約2cm PVC管，長度與箱體長度相同，且管壁上周留有微孔，用無紡布包裹，埋入箱體土壤中，用于收集滲流樣品。將過20目石英砂填入玻璃箱內(nèi)，厚度為10cm，后將供試土壤以5cm厚度分層填入玻璃箱，土層順序與采集土壤深度保持一致。每層土壤用木棒壓實，保證層間良好結(jié)合，控制土壤干容重約為1.40g·cm-3。

圖1 試驗裝置圖Figure 1 Schematic diagram of experimental set-up

表1 供試土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil characteristics of vegetative filter strips

試驗于2016年5～8月在遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境工程實訓(xùn)中心進(jìn)行。5月下旬在玻璃箱中種植黑麥草（Lolium perenne L.）模擬植被緩沖帶，帶長100cm、寬80cm，種植密度為15g·m-2。黑麥草是一種多年生禾本科牧草，稈高30～90cm，喜溫和濕潤氣候，光照強(qiáng)、日照短、溫度較低有利分蘗。在年降水量500～1500mm地方均可生長。具有的特點(diǎn)為：（1）成活率高，對環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)力，能夠在季節(jié)性積水中存活，并且具有一定的抗旱能力，可在北方氣候條件下生長；（2）生物量大，吸收氮、磷污染物能力強(qiáng)；（3）根系較發(fā)達(dá)，能夠有效保護(hù)河岸帶，防治河岸被侵蝕；（4）具有一定的景觀價值。

使用碳酸氫銨（NH4HCO3）和過磷酸鈣[Ca（H2PO4）2·H2O·CaSO4]與自來水配置含氮磷模擬徑流，試驗設(shè)計見表2。模擬降雨仍使用自來水。設(shè)計不同徑流量及降雨強(qiáng)度進(jìn)行試驗，模擬徑流（R1、R2、R3）與模擬降雨（P1、P2、P3）試驗在同一組黑麥草緩沖帶內(nèi)交替進(jìn)行，每周1次，3次循環(huán)，共計6組試驗，每組試驗設(shè)3個重復(fù)，并設(shè)置無植物緩沖帶作為空白對照（CK）。模擬徑流試驗開始前，將供水池中已配置好的污水?dāng)嚢杈鶆?，利用水泵將水抽出，通過流量計控制出水流量大小，經(jīng)徑流擴(kuò)散板穩(wěn)定均勻流入黑麥草植被緩沖帶。當(dāng)徑流產(chǎn)生時開始計時，待坡面徑流平穩(wěn)后，測量徑流流速，一次模擬徑流試驗歷時50min。人工降雨裝置采用下噴式降雨系統(tǒng)[15]，降雨高度4m。試驗開始前對降雨均勻度反復(fù)率定至85%以上，降雨強(qiáng)度誤差控制在5%以內(nèi)。模擬降雨產(chǎn)生地表徑流時，同時以一定流量輸入徑流水體并開始計時，一次模擬降雨歷時約30min。各組試驗進(jìn)行后，采用PP樣品瓶，分別收集地表徑流（0cm）以及20，30，40 cm深度的滲流樣品，測定樣品中的氨氮（NH+4-N）、總磷（TP）和溶解性磷（DP）及懸浮顆粒物（SS）含量。

表2 試驗設(shè)計Table 2 Experimental design

1.2 測定方法

土壤理化性質(zhì)采用 《土壤農(nóng)化分析》（第三版）分析方法進(jìn)行測定；水樣采用鉬酸銨分光光度法（GB/T 11893-1989）測定總磷（TP），鉬銻抗分光光度法測定溶解性磷（DP），納氏試劑分光光度法（GB 7479-87）測定氨氮（NH4+-N），重量法（GB 11901-89）測定懸浮顆粒物（SS）[16-18]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

地表徑流和滲流中各形態(tài)氮磷截留效率R計算為：

式中：R為水中污染物的去除率（%）；C0為流入緩沖帶前徑流中污染物的初始濃度（mg·L-1）；Ci為不同采樣點(diǎn)處徑流中污染物的濃度（mg·L-1）。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)非正態(tài)分布特點(diǎn)，使用SPSS 19.0對試驗數(shù)據(jù)做Kruskal-Wallace多重比較和Mann Whitney Wilcoxon U檢驗，用Origin7.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑麥草植被緩沖帶對地表徑流和滲流中NH-N的截留效果

由圖1可知，在模擬徑流和降雨條件下，黑麥草植被緩沖帶對地表徑流和滲流中NH-N的截留效率均顯著高于裸地，其截留效率均在25%以上。在R1、R2和R3中，黑麥草植被緩沖帶對地表徑流和滲流的截留效率無顯著性差異。隨著深度的增加，其截留效率逐漸增大，但差異不顯著（p＞0.05），在40cm處截留效率最大為27.3%；在不同降雨強(qiáng)度P1、P2和P3中，黑麥草植被緩沖帶對NH-N截留效率均大于26%，但3次試驗的截留效率差異不顯著（p＞0.05）。整體上其對地表徑流和滲流的截留效率與模擬徑流（R1、R2和R3）的變化規(guī)律基本一致。

圖1 黑麥草對地表徑流和滲流中NH-N的截留效率Figure 1 NH-N retention efficiency of rye grass in surface runoff and underground seepage

2.2 黑麥草植被緩沖帶對地表徑流和滲流中磷素的截留效果

2.2.1 黑麥草植被緩沖帶對地表徑流和滲流中TP的截留效率 由圖2可知，6組試驗中，黑麥草植被緩沖帶對TP的截留效率隨著土壤深度的增加而逐漸提高，在R1、R3和P1處理中，其對TP的截留效率隨深度的變化具有顯著性差異（p＜0.05）。整體上，模擬降雨條件下黑麥草植被緩沖帶對TP的截留效率顯著高于模擬徑流處理過程中緩沖帶對TP的截留效率（p＜0.05）。尤其在P1處理下，緩沖帶對40cm滲流中TP的截留效率（12.4%）顯著高于R1處理（10.1%）。

圖2 黑麥草對地表徑流和滲流中TP的截留效率Figure2 TP retention efficiency of rye grass in surface runoff and underground seepage

2.2.2 黑麥草植被緩沖帶對地表徑流和滲流中DP的截留效率 黑麥草植被緩沖帶對地表徑流和滲流中DP的截留效率與對TP的變化規(guī)律相似（圖3）。6組試驗中，緩沖帶對地表徑流和滲流中DP的截留效率無顯著性差異（p＞0.05）；除P1處理外，不同處理中，隨著滲流深度的增加，其對DP的截留效率無顯著性差異（p＞0.05）。在P1處理下，黑麥草植被緩沖帶對40cm滲流中DP的截留效率（25.0%）顯著高于其他深度滲流樣品，其截留效率大小依次為：地表徑流（20.2%）＜20cm滲流（22.4%）＜30cm滲流（24.3%）＜40cm滲流（25.5%）。

圖3 黑麥草對地表徑流和滲流中DP的截留效率Figure 3 Retention efficiency of DP in surface runoff and underground seepage

2.3 黑麥草植被緩沖帶對地表徑流和滲流中SS的截留效果

由圖4可知，6組試驗中，黑麥草植被緩沖帶對SS的截留效率極顯著高于CK（p＜0.01）。在R1、R2與P1、P2處理中，隨著土壤深度的增加其對滲流中SS的截留效率逐漸提高，且在R1處理中，SS的截留效率隨深度的變化具有顯著性差異（p＜0.05），其對40 cm處滲流中SS的截留效率最高為27.5%。整體上，模擬降雨條件下黑麥草植被緩沖帶對SS的截留效率低于模擬徑流處理過程中緩沖帶對SS的截留效率。這主要是由于第一次模擬徑流試驗可能會率先沖走大顆粒的泥沙，使R1處理下，緩沖帶對SS的截留效率普遍偏高，隨后R2和R3處理下，土壤含水量逐漸提高，且SS以細(xì)顆粒為主，其截留效率出現(xiàn)下降趨勢。另外，模擬降雨條件下，黑麥草植被緩沖帶對SS的截留效率普遍低于模擬徑流試驗。這表明，相同入流流量下，持續(xù)的降雨可使后者徑流量逐漸增大，提高其流速，降低水力停留時間，使SS的截留效率降低。

圖4 黑麥草對地表徑流和滲流中SS的截留效率Figure 4 The retention efficiency of SS in surface runoff and underground seepage

3 討論與結(jié)論

有研究表明[19]，地表徑流和滲流中的NH-N可以通過緩沖帶中植物的吸收、微生物的活動以及土壤的吸附作用得以消減。黑麥草具有較發(fā)達(dá)的根系，本試驗期間黑麥草根系可達(dá)20～30cm處。植物通過光合作用產(chǎn)生的氧經(jīng)過根莖和葉片傳送到底部，擴(kuò)散到周圍缺氧的土壤中，這將有助于深層土壤下的硝化細(xì)菌生長繁殖，使得土壤中的硝化作用增強(qiáng)，有助于對NH-N的吸收和轉(zhuǎn)化[20]。此外，由于土壤顆粒表面帶有負(fù)電荷，其對NH-N 有較強(qiáng)的吸附作用[21]。對比6次模擬試驗發(fā)現(xiàn)，隨著土壤深度的不斷增加，黑麥草對NH-N的截留效率也逐漸呈現(xiàn)上升的趨勢，第3次模擬降雨條件下（P3），40 cm處滲流的截留效率最大為28%。這可能是由于模擬降雨過程中產(chǎn)生徑流量較大，植物根系處于淹水狀態(tài)，土壤中含氧量隨著土壤深度的增加而減少，會促使硝化產(chǎn)物NO發(fā)生反硝化作用，轉(zhuǎn)化成氣態(tài)的N2和N2O。再者，在植物生長發(fā)育的過程中會釋放出的大量含碳有機(jī)物進(jìn)入根際的底層土壤，使得反硝化細(xì)菌在植物根際大量生長繁殖、發(fā)生反硝化作用[22]。

植被緩沖帶對總磷的截留效率與緩沖帶長度與坡度密切相關(guān)，緩沖帶越寬，地表徑流流經(jīng)的時間越長，磷素在緩沖帶停留的時間也越長；同時，坡度越緩，其入滲量較大，緩沖帶對地表徑流的阻滯作用越強(qiáng)，因此其對磷素濃度的截留率也越高[23]。也有研究表明[24]，徑流流量越小，其對徑流及磷的截留效率更高，植被緩沖帶降低了徑流流速，其植被增加了土壤孔隙度從而提高了入滲率，進(jìn)而截留、阻控氮磷等污染物。當(dāng)徑流流量較大時，徑流流經(jīng)植被緩沖帶用時變短，徑流中污染物不能充分入滲，因此不能有效得到截留、阻控。本研究黑麥草植被緩沖帶對地表徑流和滲流中TP的截留效率最高僅為12.4%，與孫東耀等[23]的研究結(jié)果（95.2%）有較大差異。這主要是由于本研究采用小型模擬植被緩沖帶裝置，帶長僅為1.2m，試驗條件與孫東耀等[23]利用現(xiàn)場20m植被緩沖帶的研究對象有較大差異。同時本研究的徑流量相對較低，因此，表現(xiàn)出3次徑流間以及3次模擬降雨間的截留效率差異不顯著。此外，一部分顆粒結(jié)合態(tài)的磷會被阻滯在土壤的淺層中，未隨水流排出[25]。而且磷素本身不存在氣態(tài)和揮發(fā)，多數(shù)生物化學(xué)交換主要以正磷酸鹽的形式發(fā)生，因此徑流中的TP極易在土壤系統(tǒng)中飽和或被系統(tǒng)土壤所固定[26-27]。

水體中磷素主要以顆粒態(tài)和溶解態(tài)兩種形態(tài)存在，土壤顆粒對磷素有較強(qiáng)的吸附能力，使其結(jié)合為顆粒態(tài)磷，較易隨徑流流失[28]。黑麥草植被緩沖帶可通過植物吸收和土壤吸附等作用消減地表徑流和滲流中DP的含量。本研究中緩沖帶對DP的截留效率顯著高于TP（p＜0.05），這主要是由于試驗采用模擬配置氮磷污染徑流，進(jìn)入緩沖帶體系后，DP較易于土壤顆粒吸附為顆粒態(tài)磷，滲流中DP的含量較少。同時黑麥草表層根系發(fā)達(dá)，根系可改變土壤的結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度，提高土壤的滲透能力，被緩沖帶截留的磷隨地表徑流滲入土壤中，通過土壤顆粒吸附、植物根系吸收及微生物活動等多重作用得以消減[29]。然而，植被緩沖帶僅將磷素截留阻滯在其植物與土壤體系中，并不能如同氮素一樣經(jīng)反硝化等作用使其在體系中去除。因此，可通過定期對緩沖帶內(nèi)植物進(jìn)行收獲管理措施，使磷素徹底去除[21]。在R3和P3處理下，黑麥草植被緩沖帶對40 cm滲流DP的截留效率較其他深度出現(xiàn)降低的趨勢。這可能與植物的根系生長分布結(jié)構(gòu)有關(guān)，黑麥草作為一種陸生植物，根系易水平生長導(dǎo)致須根主要分布在淺層土壤中，能夠?qū)Υ嬖谟谕寥溃?～30cm）中的磷進(jìn)行有效的吸收轉(zhuǎn)化[30]。在30cm以內(nèi)的深度范圍內(nèi)，黑麥草對DP的截留效率隨著土壤深度的增加而呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。當(dāng)深度超出地下30cm的范圍后，根系無法繼續(xù)深入土壤吸收轉(zhuǎn)化深層中的磷，使得截留效率出現(xiàn)下降趨勢。另外，此現(xiàn)象與土壤含水量有一定關(guān)系，R3和P3兩次處理徑流量增大，增加了徑流和滲流流速，因此降低了與植被緩沖帶體系的接觸時間，造成截留效率降低[31]。

徑流中SS的主要物質(zhì)是泥沙，來源于水體對土壤的侵蝕轉(zhuǎn)移和沖刷作用。有相關(guān)研究表明[25]，草本植被過濾帶的地上部分是其截留徑流和泥沙的關(guān)鍵，即植物莖稈密度直接關(guān)系到其攔截徑流和泥沙能力。這與本試驗結(jié)果基本一致，模擬的緩沖帶對SS的截留效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于CK，植被緩沖帶的存在會不同程度地降低徑流流速，改變緩沖帶內(nèi)土壤孔隙狀況以及增加入滲率，從而實現(xiàn)減少水土流失的作用。植被緩沖帶對氮、磷的阻控仍與截留地表徑流和泥沙相關(guān)，具體為兩方面[32]：（1）植被緩沖帶的存在，可以滯緩徑流、截留泥沙，從而降低徑流搬運(yùn)土壤顆粒的能力，致使一部分顆粒態(tài)氮、磷被截留；（2）徑流中可溶性氮、磷則隨徑流入滲到深層土壤中，從而降低了徑流對可溶性氮、磷的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

本研究結(jié)果表明，黑麥草植被緩沖帶可有效截留地表徑流和滲流中NH-N、TP、DP及SS等污染物。隨著滲流取樣深度的增加，黑麥草對各形態(tài)氮磷及懸浮顆粒物的截留效率逐漸增大，其中對TP的截留效率變化趨勢最為明顯。模擬徑流與模擬降雨條件下，其分別對地表徑流和滲流中TP及SS的截留效率存在顯著性差異，但對地表徑流和滲流中NH-N及DP的截留效率無顯著性差異。黑麥草植被緩沖帶主要通過植物根系吸收、增加土壤入滲能力以及土壤吸附等作用截留、阻控地表徑流和滲流中氮、磷和SS等污染物。