棄耕山壟田改建人工濕地削減板栗林氮磷流失效果研究

程平，何哲靈，孫顯慧，鄭城，梅道亮，王云龍，梁志偉，羅安程*

(1.浙江大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 310058； 2.浙江省水資源水電管理中心，浙江 杭州 310009； 3.安吉縣水利局，浙江 安吉 313300； 4.浙江省農(nóng)業(yè)科學院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310000)

板栗是我國重要的經(jīng)濟作物[1-2]，種植面積180萬hm2，年產(chǎn)量達195萬t，占世界板栗總產(chǎn)量的84%，曾是我國農(nóng)村的支柱產(chǎn)業(yè)。板栗也是浙江省許多農(nóng)村地區(qū)的重要經(jīng)濟來源。2013年浙江省板栗產(chǎn)量高達6萬t，產(chǎn)值達5.37億元[3]。然而，在板栗生產(chǎn)中，林地植被破壞嚴重，表土裸露，同時，板栗又是一種落葉期長達5個月的落葉經(jīng)濟林，落葉期郁閉度幾乎為零[4]。這一特征被認為是板栗林地產(chǎn)生水土和氮、磷流失的主要原因，并由此引起嚴重的面源污染。

針對板栗林面源污染防治問題，已有不少學者進行了相關研究，并取得了一定成果。板栗林林間間種和混種可以有效減少土壤流失量[5-6]，增加板栗林下植被分布，如在板栗林下套種天麻，可提高土壤容重和最小持水量，增強土壤的穩(wěn)定性[7-8]。但目前的研究主要集中于水土流失的控制，針對氮、磷污染產(chǎn)生的可能原因以及防治工程方面的研究較少。

人工濕地具有成本低、管理方便等一系列優(yōu)點，近年來，被廣泛應用于面源污染治理[9]。許春華等[10]通過小試裝置，研究了人工濕地處理富營養(yǎng)化水體過程氮、磷濃度的空間變化規(guī)律。汪慶兵等[11]研究表明，人工濕地可以有效降低農(nóng)業(yè)面源污染水體中的氮、磷濃度。袁子勇等[12]研究表明，人工濕地對污染物具有良好的去除效果。然而，人工濕地存在土地面積需求大、建設成本相對較高等缺點，在農(nóng)業(yè)面源污染治理中仍難以得到較廣泛的運用。作者在研究中發(fā)現(xiàn)，在板栗種植區(qū)都有一定數(shù)量的棄耕田，這部分田塊由于面積小、土地肥力差、產(chǎn)量低等原因，現(xiàn)已放棄耕作。利用這部分田塊建設人工濕地可大大減少建設工程量，降低投資。因此，我們以安吉縣杭垓鎮(zhèn)的板栗林為研究對象，在了解板栗栽培特性的基礎上，研究板栗林種植過程中氮、磷流失特征，并利用棄耕山壟田改造成人工濕地，考察其對板栗林面源污染的控制效果，以期為類似地區(qū)板栗林面源污染控制提供技術樣板。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與現(xiàn)狀調(diào)研

試驗在安吉縣杭垓鎮(zhèn)大坑村趙家沖小流域進行，該流域板栗林面積32.3 hm2，種植歷史為15～20 a。大坑村位于飲用水水源賦石水庫上游，全部降水經(jīng)大坑溪匯入賦石水庫。大坑村是杭垓鎮(zhèn)板栗種植面積較大的村之一，目前，仍有不少村民進行板栗種植。因此，選擇大坑村作為試驗點對整個地區(qū)板栗林面源污染防控有重要的示范作用。為進一步了解區(qū)域內(nèi)板栗栽培方式與面源污染之間的關系，本研究于2017年9—12月對村民、干部及水保技術人員展開為期4個月的實地調(diào)研與走訪。

1.2 地表徑流收集

選擇有代表性的板栗地塊，建立5.00 m×20.00 m的徑流場收集地表徑流，其結(jié)構(gòu)見圖1。在徑流場下邊緣設置PVCU型槽，收集到的地表徑流經(jīng)軟管送至集水桶暫存。每次降水后立即用500 mL的聚乙烯瓶收集集水桶中的地表徑流。收集的水樣當天檢測，或置于-18 ℃冰箱冷藏保存待用。

圖1 地表徑流場的平面和剖面

1.3 壤中流的收集

選取一個坡度較為均勻的板栗種植地。從坡頂依次向坡腳設5個壤中流收集點(圖2)，分別記為C1、C2、C3、C4、C5。降水后集水槽內(nèi)水位到達一定量便于采樣時，把水樣吸入采樣瓶中，樣品處理方式與地表徑流水樣相同。

圖2 壤中流收集裝置及其在坡地上的排布

1.4 人工濕地設計

由于人工濕地常占用大量土地，使用受到限制。本研究所建人工濕地徑流流向見圖3。濕地植物為美人蕉和蓮藕，A、B濕地種植美人蕉，C、D濕地種植蓮藕。設8個徑流采集點。第1塊茶園地表徑流經(jīng)1號檢測點與第1塊板栗林地表徑流經(jīng)2號檢測點經(jīng)A濕地處理后流出。第2塊板栗林由3號檢測點流出經(jīng)B濕地處理，與來自A濕地的徑流匯合于4號檢測點。第3塊板栗林地表徑流經(jīng)過5、6號收集池進入D濕地，與第4塊板栗林地表徑流經(jīng)7號收集池后進入D濕地的徑流匯合后，經(jīng)8號檢測點流出。監(jiān)測點水樣的采集和保存方法與地表徑流相同。

圖3 人工濕地及監(jiān)測點位的分布

1.5 分析測試

1.5.1 總氮、總磷、氨氮、泥沙含量的測定

參照文獻[13]進行檢測，其中：總氮用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；總磷用鉬酸銨分光光度法；氨氮用納氏試劑分光光度法；泥沙重量采用烘干法測定。

1.5.2 降水量的測定

在距徑流小區(qū)1 km左右的開闊地建立了一個小型氣象站，用于收集降水量、風速等氣象參數(shù)，采用專用軟件HOBOware管理氣象數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 板栗栽培特點與水土流失

板栗對環(huán)境適應性強，適宜在年均氣溫8～22 ℃、年降水量500～1 500 mm的氣候條件下生長。林分空間結(jié)構(gòu)層次簡單，多為單層林，植物多樣性低[7]。對杭垓鎮(zhèn)板栗種植調(diào)研表明，成熟果實收獲一般采用敲打、撿拾的方式，為了方便敲打、收撿、運輸，減少雜草與板栗爭肥爭光，農(nóng)民施用草甘膦不定期清除板栗林下植被，導致板栗林地地表植被破壞殆盡。坡地種植板栗，部分板栗林種植坡度超過25°。陡坡種植使板栗林地極易產(chǎn)生水土流失、土層變薄、保肥能力下降的問題，導致施入的氮、磷流失嚴重，板栗養(yǎng)分不足，這又使農(nóng)民進一步加大施肥量，形成惡性循環(huán)。調(diào)研結(jié)果表明，每年11月到次年4月為板栗落葉期，期間郁閉度低，地表裸露時間長(圖4)。在這個時期降水會引起嚴重的水土與氮、磷流失，這一認識也得到了當?shù)毓芾聿块T的認可。

圖4 板栗林冬季裸露與水土流失的狀況

2.2 板栗林水土與氮、磷流失特征

2.2.1 降水量與氮、磷流失的關系

降水是面源污染的原動力，區(qū)域降水量對污染物的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移有深刻影響。圖5為2018年4月至2019年3月的月降水量變化，年總降水量為1 379 mm，月平均降水量達114.9 mm。其中：7月和8月降水量最大，占年降水量的43.1%；2月降水量最少，僅為1 mm。本研究同時監(jiān)測了全年地表徑流量和泥沙流失量(圖6)，兩者與降水量的變化趨勢十分相似。相關分析(圖7)表明，降水量與徑流量、泥沙流失量均存在極顯著線性相關，說明降水是引起板栗林地地表徑流和土壤侵蝕的主要因素。

圖5 研究區(qū)月降水量的分布

圖6 板栗林地徑流量與泥沙流失量的關系

圖7 徑流量、泥沙流失量與降水量的相關性

從氮素隨水遷移的角度來看，其流失形態(tài)有水溶態(tài)和泥沙結(jié)合態(tài)2種，且在可溶態(tài)氮中硝態(tài)氮所占的比例大于銨態(tài)氮[14-17]。水溶態(tài)氮可隨水流而被帶走，而賦存于土壤顆粒中的有機氮、吸附態(tài)氨氮主要通過土壤的流失被帶走。磷在土壤中主要以有機態(tài)磷和與鐵、鈣、鋁結(jié)合的無機磷為主，水溶性磷含量極低，因此，磷素的流失主要是以泥沙結(jié)合態(tài)為主[18-21]。

從圖8可以看出，總氮、氨氮、總磷的流失量在雨量豐沛的7、8月達到全年最大值，其中，7月的總氮、總磷流失量達1.48和0.12 g·100 m-2，8月的氨氮流失量達0.59 g·100 m-2。7月和8月的氨氮、總氮、總磷流失總量分別占全年總量的35%、40%、41%。同時，降水量較小的2、3月，氨氮、總氮、總磷流失總量也為全年最小，其中，2月氨氮流失量最小，僅為0.004 g·100 m-2，3月總氮、總磷流失量最小，分別為0.08、0.02 g·100 m-2。線性相關分析(圖9)表明，降水量與總氮、總磷和氨氮流失量呈極顯著正相關，說明降水是造成板栗林坡地發(fā)生養(yǎng)分流失的重要原因。

圖8 板栗林月累計總氮、氨氮與總磷的流失量

圖9 降水量與氮、氨氮、磷流失量間的相關性

2.2.2 壤中流與氮、磷流失的關系

除地表徑流外，氮、磷有可能經(jīng)壤中流遷移，張麗萍等[22]研究表明，壤中流與氮、磷流失具有重要關系。在強烈侵蝕的坡地，壤中流攜帶的總氮流失量可達總流失量的90%以上，總磷稍次之。由于板栗林實地壤中流流量很難監(jiān)測，氮、磷經(jīng)壤中流途徑流失量無法估計，因此，本研究只初步監(jiān)測了板栗林實地壤中流中的氮、磷濃度(圖10)。與地表徑流中的氮、磷(圖8)比較可見，壤中流中的氮、磷濃度遠高于地表徑流。地表徑流中總氮、氨氮、總磷的最高濃度分別為2.19、1.43、0.69 mg·L-1，僅為山腳壤中流濃度的18%、30%、21%。這也說明壤中流是氮、磷流失的重要途徑。

圖10 壤中流的養(yǎng)分隨坡位變化趨勢

綜上研究結(jié)果表明，板栗林的氮、磷和水土流失總量與降水量有極大關系，而與板栗林本身的郁閉度關系并不大。7月和8月是板栗林郁閉度最高的時期，但我們的研究結(jié)果表明，其流失量也達最高，而落葉期(11月至次年4月)的流失量并不高。這一結(jié)果修正了我們原有的認識，即：板栗林的水土流失是由于落葉郁閉度降低產(chǎn)生的。結(jié)果也顯示，板栗林面源污染重點防控時段應為春、夏季(4—8月)，壤中流在氮、磷轉(zhuǎn)移過程中的貢獻不可忽視。

2.3 人工濕地控制水土與氮、磷流失效果

2.3.1 對泥沙的影響

徑流1、2號點位為茶園和第一塊板栗林徑流出口，A濕地入口，3號檢測點為第二塊板栗林徑流出口、B濕地入口，然后匯集于4號檢測點再進入C濕地和D濕地。圖11表明，經(jīng)濕地處理后4號出水點濁度得到改善。6號點和7號點位分別為第3塊、第4塊板栗林徑流出口。從11圖中可見，出口8號點位濁度明顯低于5、6號點和7號點。這一結(jié)果表明，采用棄耕山壟田改建的人工濕地對于濁度具有良好的改善作用。

圖11 不同采樣點的徑流濁度

2.3.2 對氮的影響

圖12是濕地系統(tǒng)進、出口采樣點總氮濃度的變化。板栗林地表徑流經(jīng)A、B濕地處理到4號檢測點后，總氮濃度有明顯下降，說明濕地對總氮的去除有一定效果。第3塊、第4塊板栗林出水經(jīng)5、6號和7號收集池后進入D濕地，再經(jīng)8號檢測點流出。由于第3、4塊板栗林種植面積大，5、6、7號檢測點總氮濃度明顯較高，經(jīng)濕地處理后，總氮濃度有很大的下降。氨氮的變化也有相似的趨勢(圖13)，即：氨氮在4號點和8號點位上有一定程度的削減。

圖12 不同采樣點徑流中的總氮濃度

圖13 不同采樣點徑流中的氨氮濃度

2.3.3 對磷的影響

整體上，濕地對徑流中的總磷去除有一定效果，但與氮、濁度相比效果較差(圖14)。但是當?shù)乇韽搅髁诐舛缺容^高時，濕地仍表現(xiàn)出一定的去除效果。2019年7月4號檢測點以及2019年5月、6月6～8號出口檢測點出水總磷的削減效果都得到了很大的改善。

圖14 不同采樣點徑流中的總磷濃度

本研究利用棄耕山壟田建設了人工濕地，由于其流域面積、作物構(gòu)成、地表徑流量等無法控制，出水中各污染物濃度影響因素較多，精度較低，但是人工濕地為實際運行工程，從效果上看，徑流中氮磷、泥沙含量(濁度)得到了較好的削減。因此，利用棄耕地改造人工濕地作為面源污染的末端治理環(huán)節(jié)有良好的效果，同時也節(jié)約了大量工程費用，是一個因地制宜的面源污染控制措施。

3 小結(jié)

由于板栗林的陡坡種植、長期使用除草劑等原因，導致林地水土與氮、磷流失加劇。降水是引起氮、磷流失的主要因素，而與板栗林郁閉度關系不密切，4—8月是板栗林面源污染防治的重點時段。氮、磷流失的主要途徑有地表徑流、泥沙流失和壤中流。棄耕山壟田改造的人工濕地可有效地削減徑流中總氮、氨氮、總磷排放，是一種低成本、管理方便的面源污染末端治理措施。