湖北丹江口庫區(qū)濱水植被緩沖帶氮磷截留效應(yīng)*

程昌錦 張 建 雷 剛 丁 霞 劉學(xué)全 漆良華,

(1.國際竹藤中心竹藤科學(xué)與技術(shù)重點實驗室 北京 100102； 2.國際竹藤中心安徽太平試驗中心 太平 245700；3.北京林業(yè)大學(xué) 北京 100083； 4.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院 武漢 430075)

面源污染十分廣泛，其影響面積能占地球表面積的30%～50%。我國人口占全世界22%，而耕地只占7%，為滿足糧食生產(chǎn)需求只能加大化肥施用量，據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)和中國國家統(tǒng)計局提供的數(shù)據(jù)， 2013年我國單位面積耕地化肥施用量是發(fā)達國家的3倍多。在我國水體污染嚴(yán)重的流域，農(nóng)田面源污染是造成水體氮、磷富營養(yǎng)化的主要原因，其作用遠(yuǎn)大于生活污水和工業(yè)點源污染(張維理等， 2004)。

丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程的水源區(qū)，具有重要的戰(zhàn)略意義。柑橘(Citrusreticulata)種植業(yè)是丹江口庫區(qū)農(nóng)民的主要經(jīng)濟來源，但生產(chǎn)中會施撒大量化肥。丹江口所在的十堰地區(qū)每年大致施用100萬t化肥，但利用率很低，僅30%～40%，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染日趨嚴(yán)重(周穎， 2018)。

國內(nèi)外研究表明，由樹木及其他植被組成的濱水植被緩沖帶可保護水源免受非點源污染(Lowranceetal.， 1988； 付靜塵， 2010； Sunoharaetal.， 2012； Hussonetal.， 2014； 程昌錦等， 2018)，可防止或轉(zhuǎn)移由坡地地表徑流、地下徑流等帶來的養(yǎng)分、沉積物等進入河溪。其截留效應(yīng)的影響因素主要有植被類型、緩沖帶寬度、緩沖帶坡度和土壤理化性質(zhì)等。不同植被類型的截留影響主要體現(xiàn)在植被對污染物吸收截留能力的差異上，如李萍萍等(2013)研究表明，灌草類型的緩沖帶截留作用明顯高于其他類型。但濱水植被緩沖帶營造中不僅要考慮植被類型的截留吸附能力差異，更重要的是建造過程的經(jīng)濟合理性，因此常遵循適地適樹原則選取鄉(xiāng)土樹種。研究庫區(qū)常見植被類型的截留效應(yīng)差異，對指導(dǎo)庫區(qū)緩沖帶營造有很強的現(xiàn)實意義。增大緩沖帶寬度和減小坡度會增加徑流污染物與緩沖帶的接觸時間，從而增加截留效應(yīng)。但緩沖帶建造過程中受土地資源、地域等限制，不可能通過隨意擴大緩沖帶寬度和改變坡度來提高防治功效，因地制宜地確定一定坡度下的適宜寬度也很有必要。研究表明，30 m寬的濱水植被緩沖帶能有效攔截徑流中92%～100%的氮(Dhondtetal.， 2006)。對我國臺灣受富營養(yǎng)化威脅的翡翠水庫濱水緩沖帶的研究發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)分(磷)含量很高的子流域沿兩側(cè)布設(shè)寬度30 m和坡度5%的濱水植被緩沖帶最具生態(tài)和成本效益(Changetal.， 2010)。

目前對丹江口庫區(qū)濱水植被緩沖帶的水質(zhì)凈化作用研究較缺乏。因此本研究以馬尾松(Pinusmassoniana)純林、栓皮櫟(Quercusvariabilis)純林、馬尾松栓皮櫟混交林、剛竹(Phyllostachysviridis)林和荒地5種植被緩沖帶為對象，采用地表徑流模擬試驗，比較了5種緩沖帶對全氮(TN)、全磷(TP)、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮4種面源污染物的截留能力，并探討了植被類型、濱水植被緩沖帶寬度、林下土壤理化性質(zhì)以及枯落物層厚度和生物量對截留率的影響，以期為植被緩沖帶建設(shè)和水質(zhì)凈化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

丹江口位于湖北省西北部偏東、鄂豫兩省交界處(110°48.5′—111°34.8′E，32°13.8′—32°58.5′N)，是南水北調(diào)中線工程水源地。其經(jīng)濟發(fā)展水平總體較低，有國家扶貧工作重點縣26個，柑橘種植業(yè)發(fā)達，為該區(qū)主要經(jīng)濟來源。據(jù)國務(wù)院2017年印發(fā)的《丹江口庫區(qū)及上游水污染防治和水土保持“十三五”規(guī)劃》，水源區(qū)面源污染壓力較嚴(yán)峻，庫區(qū)總氮濃度在1.3 mg·L-1以上，入庫河流總氮濃度為2～10 mg·L-1，農(nóng)業(yè)面源污染的貢獻比例高達74%； 規(guī)劃同時提出，到2020年，主要入庫河流兩岸1 km范圍內(nèi)禁止高污染的種植模式，建設(shè)有效的生物緩沖帶工程。研究地點位于丹江口市西北部的龍口林場(110°48′—111°35′E, 32°14′—32°58′N)，其地貌類型多以低山丘陵為主，土壤大部分為黃棕壤和黃壤，土層平均厚19.70 cm，成土母質(zhì)由石灰?guī)r和片麻巖等發(fā)育而成，質(zhì)地疏松，水土流失嚴(yán)重； 屬北亞熱帶季風(fēng)區(qū)的溫暖半濕潤氣候，四季分明，降水分布不均，年降水量750～900 mm，且多集中在7—9月份。庫區(qū)森林由人工林和次生林組成，主要喬木樹種為馬尾松和栓皮櫟，主要灌木為鹽膚木(Rhuschinensis)、冬青(Ilexchinensis)和苦楝樹(Meliaazedarach)等，草本層主要有狗牙根(Cynodondactylon)、沿階草(Ophiopogonbodinieri)、野菊花(Dendranthemaindicum)和白茅(Imperatacylindrica)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

選取庫區(qū)典型植被類型馬尾松純林(Ⅰ)、栓皮櫟純林(Ⅱ)、馬尾松栓皮櫟混交林(Ⅲ)、剛竹林(Ⅳ)和荒草(Ⅴ)5類濱水植被緩沖帶，各設(shè)3塊20 m×20 m樣地。土壤母質(zhì)均為石灰?guī)r。調(diào)查樣地經(jīng)緯度、坡度、郁閉度，測量樹高、胸徑等指標(biāo)，草本樣方蓋度用網(wǎng)格法估算。各樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況匯總①Tab.1 Summary of basic conditions of sample plots

2.2 土壤理化學(xué)性質(zhì)分析

在每類濱水植被緩沖帶內(nèi)，采用S型取樣法，于5個點分別取0～10和10～20 cm土層土樣，并分層混合后測定其化學(xué)性質(zhì)。參照中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(LY/T 1210～1275-1999)《森林土壤分析方法》，TN含量采用半微量凱氏法(LY/T1228～1999)測定； TP含量采用堿熔-鉬銻抗比色法(LY/T1232～1999)測定； 銨態(tài)氮含量采用氧化鎂浸提-擴散法測定(LY/T1231～1999)； 硝態(tài)氮含量采用酚二磺酸比色法測定(LY/T1230～1999)。

在每類濱水植被緩沖帶內(nèi)，采用S型取樣法，于5個點在每個剖面的0～10和10～20 cm土層用環(huán)刀采集原狀土，測定土壤密度和最大持水量。采用雙環(huán)入滲裝置測定土壤滲透性能，內(nèi)環(huán)直徑20 cm，外環(huán)直徑30 cm，內(nèi)外環(huán)高度均為30 cm，內(nèi)外環(huán)同時砸入土層10 cm深處，并在內(nèi)外環(huán)中同時注水和保持水深10 cm，利用鋼尺刻度讀取單位時間水量變化，每個樣地3次重復(fù)(吳迪等， 2014； 丁霞等， 2019)。本研究以前3 min計算初滲速率。各樣地基本情況見表2。

2.3 地表徑流模擬試驗

為量化濱水植被緩沖帶對面源污染物的截留效應(yīng)，參考他人研究方法(朱曉成等， 2019； 王敏等， 2008)，在20 m × 20 m 的樣地內(nèi)部選擇地勢平坦的地方用薄鋼板構(gòu)建簡易徑流場(2 m × 20 m)。徑流場上方安置一個配水箱，將丹江口水庫蓄水運至徑流場上方的配水箱中，緩慢放出(避免形成溝蝕)，重復(fù)3次直至樣地全部浸透。參照國家地表水重度污染標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)，用磷酸鈣、碳酸氫銨和硝銨配制一定污染物濃度的TN、TP、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮徑流水，TN濃度為10 mg·L-1、銨態(tài)氮濃度為8.00 mg·L-1、硝態(tài)氮濃度為2.00 mg·L-1、TP濃度為1.6 mg·L-1。將配置好的徑流水置于配水箱中緩慢放出，以汛期最大降雨強度0.333 mm·min-1、降雨量92.6 mm和徑流場大小為參照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定配水箱出流速度和體積(3 680 L溶液在4.6 h流出)。然后在徑流小區(qū)離開起始端2、5、10、15和20 m 的斷面處，分別安置3個取樣瓶，管口低于地面3 cm，收集經(jīng)濱水植被緩沖帶截留后的地表徑流(圖1)。待溶液全部流出后，取回水樣，同一徑流小區(qū)同一寬度的水樣混合，編號后帶回實驗室測定。分別在不同植被類型的3個重復(fù)樣地開展試驗。徑流水中總氮(TN)含量采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法測定(HJ-636-2012)，總磷(TP)含量用鉬酸銨分光光度計法(GB 11893-89)測定，氨態(tài)氮(NH4+-N)含量用納氏試劑比色法(HJ-535-2009)測定； 硝態(tài)氮(NO3-N)含量用紫外分光光度法(HJ-T-346-2007)測定。

表2 不同植被類型土壤理化性質(zhì)①Tab.2 Soil physicochemical properties of different vegetation types

圖1 地表徑流模擬試驗示意Fig.1 Schematic diagram of surface runoff simulation test

2.4 截留率計算

地表徑流中各形態(tài)氮、磷濃度的截留率RNP的計算公式為：

式中：C0為各形態(tài)氮或磷的初始濃度(mg·L-1)；Ci為不同寬度處各形態(tài)氮或磷的濃度(mg·L-1)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)處理，并對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗、單因素方差分析、線性回歸分析和Sperson相關(guān)性分析，用Origin9.0軟件進行圖表制作。

3 結(jié)果與分析

3.1 面源污染物截留效應(yīng)

隨著緩沖帶寬度增加，各型樣地均表現(xiàn)出TN截留率不斷增加(表3)，且5類植被緩沖帶間差異均較顯著(P<0.05)。在20 m寬處，截留效果表現(xiàn)為馬尾松栓皮櫟混交林Ⅲ>馬尾松純林Ⅰ>荒地Ⅴ>剛竹林Ⅳ>栓皮櫟純林Ⅱ(Ⅱ、Ⅳ間差異不顯著，P>0.05； 其余類型間差異顯著P<0.05)。馬尾松栓皮櫟混交林截留率最高，達71.8%，栓皮櫟純林最差，僅36.1%，兩者相差近一倍。

對于TP(表3)，剛竹林緩沖帶截留率最好，變化在67.83%～79.77%，且隨寬度增加截留率差異不明顯(P>0.05)。在20 m寬度處，剛竹林的截留率為79.77%，馬尾松栓皮櫟混交林為74.21%，二者差異不顯著(P>0.05)。栓皮櫟純林截留率最低，隨寬度變化在11.04%～60.83%。

銨態(tài)氮截留率隨寬度增加而增加(表3)。20 m出水口處的截留率在馬尾松栓皮櫟混交林、馬尾松純林、荒地、剛竹林間差異不顯著(P>0.05)，變化在48.97%～55.11%； 栓皮櫟純林與另外4類樣地差異顯著(P<0.05)，僅為29.78%。

硝態(tài)氮的截留率同樣隨寬度增加而增加(表3)。在2 m寬度處的硝態(tài)氮截留率表現(xiàn)為： 馬尾松栓皮櫟混交林是其他4類樣地的2倍左右； 其他4類樣地差異不大(P>0.05)，變化在15.80%～19.17%。在5種寬度下，馬尾松栓皮櫟的截留率均好于其他4類樣地且差異顯著(P<0.05)，其20 m處的截留率為58.17%，而最差的栓皮櫟純林的僅為34.00%。

表3 濱水植被緩沖帶對TN、TP、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的截留率 ①Tab.3 Interception rate of vegetation buffer zone on TN,TP,NH4+-N, and NO3-N

3.2 氮磷截留效應(yīng)的影響因素

3.2.1 枯落物厚度和生物量 由表1可知，栓皮櫟純林的枯落物厚度顯著大于其他幾類樣地，而其枯落物生物量小于馬尾松純林和馬尾松栓皮櫟混交林(P<0.05)。馬尾松栓皮櫟混交林的枯落物厚度大于馬尾松純林、剛竹林和荒地，且其枯落物生物量顯著大于栓皮櫟純林、剛竹林和荒地(P<0.05)。由此可見，雖然作為闊葉林的栓皮櫟純林的枯落物厚度較大，但其枯落物量較小，導(dǎo)致面源污染物截留作用較小?；旖涣謸碛休^大的枯落物厚度和生物量，增大了徑流水與枯落物接觸時間，從而提升了截留效果。

3.2.2 土壤滲透性能 由表(4)中土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率與20 m處截留率的擬合方程可知，初滲速率與20 m處TN和硝態(tài)氮截留率極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與TP和銨態(tài)氮截留率顯著正相關(guān)(P<0.05)。穩(wěn)滲速率與20 m處硝態(tài)氮截留率極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與TN、TP和銨態(tài)氮截留率呈不顯著的正相關(guān)(P>0.05)。

表4 土壤初滲速率、穩(wěn)滲速率與截留率的擬合方程Tab.4 Fitted equations between interception rate and initial and final soil infiltration rate

為進一步驗證20 m處截留率與初滲和穩(wěn)滲速率的關(guān)系，比較了5類緩沖帶的初滲和穩(wěn)滲速率(表2)，馬尾松栓皮櫟混交林的初滲速率最高，為6.50 mm·min-1，與其他4類樣地差異顯著(P<0.05)。栓皮櫟純林的初滲速率最低，為3.00 mm·min-1，同樣與另外4類樣地差異顯著(P<0.05)。馬尾松純林、剛竹林和荒草地3類樣地的初滲速率介于上述二者之間，且相互差異不顯著(P>0.05)。穩(wěn)滲速率最大的同樣是馬尾松栓皮櫟混交林，為1.95 mm·min-1，與馬尾松純林、栓皮櫟純林林分差異顯著(P<0.05)，與剛竹林、荒草地差異不顯著(P>0.05)。穩(wěn)滲速率值最小的也為栓皮櫟純林，與馬尾松純林無顯著差異(P>0.05)，與混交林、剛竹林、荒草地存在顯著差異(P<0.05)。綜上所述，馬尾松栓皮櫟混交林和其他4類緩沖帶相比有最大的初滲和穩(wěn)滲速率，栓皮櫟純林的初滲和穩(wěn)滲速率均最低。

3.2.3 土壤密度及最大持水量 由表5可知， 20 m處截留率與土壤密度呈負(fù)相關(guān)。隨0～10 cm土層土壤密度增加，TN、TP、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮截留率均有顯著下降趨勢(P<0.05)； 隨10～20 cm土層土壤密度增加，TN截留率無明顯變化，TP、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮截留率顯著減少(P<0.05)。

由表6可知， 20 m處截留率與土壤最大持水量呈正相關(guān)。當(dāng)0～10 cm土層最大持水量增加時，TN、TP、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮截留率均有顯著上升趨勢(P<0.05)； 隨10～20 cm土層最大持水量增加，TN截留率無明顯變化，TP、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮截留率顯著增加(P<0.05)。

0～10和10～20 cm土層的最大持水量以栓皮櫟林最低(表2)，分別為(41.72±2.32)和(40.23±1.25)mm，顯著低于另外4類樣地(P<0.05)； 馬尾松栓皮櫟混交林最高，分別為(48.23±0.43)和(47.25±1.01) mm。栓皮櫟林的土壤密度最大，在0～10和10～20 cm土層分別為(1.59±0.04)和(1.61±0.05)g·cm-3，顯著高于另外4類樣地(P<0.05)。

表5 土壤密度與截留率的擬合方程Tab.5 Fitted equations for soil density and interception rate

表6 最大持水量與截留率的擬合方程Tab.6 Fitted equations for maximum moisture capacity and interception rate

3.2.4 土壤化學(xué)性質(zhì)對截留率的影響 表7表明：銨態(tài)氮截留率與0～10和10～20 cm土層銨態(tài)氮含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，可能原因是銨離子易吸附在土壤膠體表面，還可進入黏土礦物晶格中，成為固定態(tài)銨離子，移動性較小，土壤中高的銨態(tài)氮含量可能抑制其對徑流中銨態(tài)氮的吸附；2層土壤的TN、TP、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均與4種污染物的截留率無顯著相關(guān)。根據(jù)表2中各類樣地土壤污染物的含量可知，0～10 cm土層銨態(tài)氮含量表現(xiàn)出馬尾松栓皮櫟混交林顯著高于其他4類樣地(P<0.05)，而10～20 cm土層與其他4類樣地差異不顯著(P>0.05)。而觀測結(jié)果顯示， 20 m處銨態(tài)氮截留率最差的并不是馬尾松栓皮櫟混交林，而是栓皮櫟純林，這說明土壤污染物含量不是影響截留率的主控因素， 截留率受各種因素綜合影響，土壤養(yǎng)分含量的影響可能會被不同的土壤物理性質(zhì)所抵消。

表7 地表徑流污染物截留率與土壤污染物含量的相關(guān)分析①Tab.7 Correlation analysis between interception rate and soil pollutant contents

4 討論

濱水植被緩沖帶對面源污染物的截留主要通過植物吸收和土壤吸附作用來實現(xiàn)。影響截留效率的因素很多，如濱水植被緩沖帶寬度、坡度、植被類型、林分密度、林齡、土壤持水性能等。本研究表明截留率會隨濱水植被緩沖帶寬度增加逐漸增加，這與前人結(jié)果一致(朱曉成等， 2017； Dhondtetal.， 2006)，但由于研究條件限制，僅研究了20 m以內(nèi)寬度的截留效應(yīng)。

20 m寬度處4種面源污染物截留效果對比結(jié)果表明，馬尾松栓皮櫟混交林對N、P面源污染物的截留效果最好，能達到55.11%～74.21%， 栓皮櫟純林的截留效果最差，僅29.78%～60.83%。造成差異的原因可能有如下幾方面。首先，馬尾松栓皮櫟混交林的密度(1 532株·hm-2)比栓皮櫟純林(1 125株·hm-2)高，林分密度越大時截留效果越好，這已在前人研究中得到驗證(Changetal.， 2010)。其次，馬尾松栓皮櫟混交林土壤密度比栓皮櫟純林更小，入滲性能更好，最大持水量更大(Robertsetal.， 2013)。相關(guān)分析結(jié)果顯示，除銨態(tài)氮截留率與0～10和10～20 cm土層的銨態(tài)氮含量顯著負(fù)相關(guān)外，其余污染物的土壤含量均對截留率無顯著影響。濱水植被緩沖帶對氮素的截留和轉(zhuǎn)化通過一系列的生物、物理和化學(xué)作用完成，主要包括反硝化作用、植物吸收、礦化作用、硝化作用、固氮作用和氨化作用。其中植物吸收和反硝化作用為2個主要去氮機制(Pinayetal.， 1993)。植物主要吸收銨態(tài)氮和硝態(tài)氮形式的氮元素。地表徑流污染物截留率與土壤污染物含量的相關(guān)分析顯示，銨態(tài)氮截留率與土壤銨態(tài)氮含量呈負(fù)相關(guān)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)土壤中的銨態(tài)氮含量較高時，一部分銨態(tài)氮會被釋放到徑流中導(dǎo)致測定值偏高，另一方面，土壤中銨態(tài)氮供給充足減少了植被對地表徑流中銨態(tài)氮的吸收。

本研究在20 m寬度處對N、P面源污染物的濃度截留率與前人研究相比明顯偏小。如Peterjohn等(1984)發(fā)現(xiàn)，地表徑流經(jīng)過20 m濱水植被緩沖帶后，氮和磷分別減少89%和80%，Haycock等(1993)發(fā)現(xiàn)當(dāng)濱水植被緩沖帶寬度達到16.1 m時能截留92.1%的氮； 黃玲玲(2009)研究表明20 m寬的硬頭黃竹(Bambusarigida)林河岸帶的TP去除率能達85.07%。出現(xiàn)這種差異的原因可能有以下幾方面： 首先，丹江口庫區(qū)坡面林分的土壤平均厚度僅19.7 cm(包明臣等，2108)，較淺的土層直接降低了其對地表徑流的緩沖阻滯作用； 其次，本研究的濱水植被緩沖帶所在坡面的坡度為15°～18°，坡度較大也會降低徑流與地表的接觸時間，從而降低其去除率，這一點在前人研究中得到證實(Changetal.， 2010； 王敏等， 2008)； 最后，由于本研究區(qū)土層薄(包明臣等，2108)，馬尾松和栓皮櫟人工林長勢較差，有研究表明植被生長代謝的旺盛程度是影響截留率的主要因素之一(Manderetal.， 1997)。

本研究荒草地總蓋度為54.6%，重要值排前3的植物為狗牙根、白茅和小飛蓬(Conyzacanadensis)，其蓋度分別為35.2%、7.4%和3.2%。目前很多研究表明，與林地相比，草地有更好的截留效果(Leeetal.， 2003； Heftinfetal.， 2005)，這一點與本研究結(jié)果不符。原因可能是優(yōu)勢種狗牙根的根狀莖及匍匐枝擴展能力強，覆蓋地面影響徑流入滲。目前對竹林緩沖帶的研究很少，本研究中剛竹林在20 m寬處能截留40.9%的TN和79.8%的TP。這與我國對硬頭黃竹林濱水植被緩沖帶的研究結(jié)果出入不大(20 m寬處能使TN濃度降低40.53%、TP濃度降低85.07%)(黃玲玲， 2009)。

5 結(jié)論

在丹江口庫區(qū)，5類濱水植被緩沖帶(馬尾松栓皮櫟混交林、馬尾松純林、荒草地、剛竹林、栓皮櫟純林)對面源污染物(TN、TP、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮)的截留率均隨緩沖帶寬度增加而增加，因此條件允許時應(yīng)盡可能增加緩沖帶寬度來提高截留去污能力。馬尾松栓皮櫟混交林的污染物濃度截留效果最佳，在20 m處的截留率能達58.17%～76.40%； 栓皮櫟純林的截留效果最差， 20 m處的截留率為29.78%～60.83%。因此，在庫區(qū)營造濱水植被緩沖帶時應(yīng)盡量提高馬尾松栓皮櫟混交林比例。