生態(tài)溝植物群落特征及氮磷污染物攔截效果研究

徐義軍，陳 志，孟 岑

(1.湖南省水利水電科學研究院，湖南 長沙 410007；2.中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長沙 410007)

改革開放以來，中國經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的迅速增加，為了使糧食增產(chǎn)，我國大量使用化肥以達到增產(chǎn)的目的。我國是世界上化肥消耗打過，但化肥中氮磷的利用率較低[1]。雖然解決了糧食產(chǎn)量問題，但卻帶來了嚴重的環(huán)境問題[2]，如面源污染進一步導致大面積水體污染等事件[3]，研究表明我國水體污染中80%以上的氮素和90%以上的磷素來自于農(nóng)業(yè)面源污染[4]。近年來通過構建生態(tài)溝渠凈化水體和農(nóng)業(yè)面源污染的研究已經(jīng)逐漸開展[5-6]，研究表明生態(tài)溝渠對水體中氮磷污染物有一定的消減作具用[7]，但不同的植被、不同生態(tài)溝渠均會對消減作用產(chǎn)生影響。本文通過在脫甲河流域內選取一條生態(tài)溝渠為研究對象，通過樣線調查法調查生態(tài)溝渠沿線河道植物群落變化特征，野外定位觀測與采樣分析法相結合的方式，測定不同生態(tài)溝渠段、不同季節(jié)植被生物量和氮磷積累的變化量。探明溝渠植物吸收轉化對水體氮磷消納的貢獻率及其時空變化，為亞熱帶紅壤區(qū)生態(tài)溝渠建設及植物選取提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

以湖南丘陵區(qū)湘江一級支流撈刀河上游脫甲河流域為研究區(qū)，選取脫甲河小流域的水壩子流域內的一生態(tài)溝渠，溝渠總長度約為500 m。溝渠分為三段，前端第一段三面(左右岸及溝底)全為漿砌石硬化，溝內僅在漿砌石裂隙和底部泥沙堆積的部位生長有少量植物；第二段為半硬化，即溝渠的一側為漿砌石，另一側為雷諾護坡，雷諾護坡一側植物量生相對較多；第三段則兩側均為雷諾護坡，溝底設置生態(tài)袋擋水坎(高度20 cm，間距20 m左右)，溝內植物生長茂盛，植物多樣性也很高。

1.2 樣品采集及分析

(1)分別于2016年4月、7月、10月和2017年1月份開展了溝渠生態(tài)攔截植物調查，主要進行植物生物量調查，沿渠道每隔50 m與水流方向垂直布設一個樣方斷面，寬度為50 cm，長度包含兩側岸坡及河道底部，現(xiàn)場記錄樣方內出現(xiàn)植物的名稱、高度、蓋度、生活型等，然后收割植物的地上部(不含根系)，現(xiàn)場分種記錄植物生物量鮮重。取樣帶回實驗室烘干稱重，折算植物的生物量干重。烘干植物樣品最后粉碎，測定植物N、P含量。植物樣N、P含量采用濃H2SO4-H2O2消煮，然后用流動分析儀法測TN，用鉬銻抗比色法測TP。

(2)同時為了研究生態(tài)溝的植物攔截效果，在水壩子流域沿程觀測溝渠水體氮、磷含量的時空動態(tài)變化。從2016年4月起，每月28日采集溝渠內水樣，共設置14個水樣采樣點。采集的水樣，根據(jù)水質分析方法要求，水樣一般在采樣后24 h之內進行室內分析，不能及時分析的先將樣品保存在-18℃冰箱內，分析時再解凍。水質指標主要測定TN和TP，TN采用堿性過硫酸鉀消煮-流動注射儀法測定，TP采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法測定。

生態(tài)溝渠及樣方布設見圖1。

圖1 生態(tài)溝渠及樣方布設圖

2 結果分析

2.1 生態(tài)溝不同區(qū)段水生植物生物量和氮、磷積累量季節(jié)變化

表1表明，同一季節(jié)內不同溝渠段植物生物量存在顯著差異，雷諾護坡溝渠和雷諾-漿砌石段顯著高于漿砌石段，雷諾護坡溝渠段植物生物量四季存在顯著差異，范圍為0.23 kg/m2～1.00 kg/m2，由大到小依次為夏>秋>春>冬。雷諾-漿砌石段四季植物生物量略低于雷諾護坡段，漿砌石段植物生物量最低，且四季變化不明顯。

對不同區(qū)段四季植物對氮、磷累積量統(tǒng)計結果表明(表2，表3)，雷諾護坡溝渠段植物氮、磷積累四季變化顯著差異，變化范圍為氮1.83 g/m2～7.26 g/m2，磷0.34 g/m2～1.17 g/m2，四季氮磷累積量大小依次為夏>秋>春>冬。雷諾-漿砌石段除夏季外，其余三季氮磷累積量略低于雷諾護坡溝渠段。漿砌石段氮磷四季累積量相比其余兩段最低，除冬季外，其余三季變化不顯著。

表1 不同護坡類型溝渠溝內植物生物量季節(jié)變化(2016年)

表2 溝渠植物氮積累量四季變化

表3 溝渠植物磷積累量四季變化

假設每季對溝渠植物進行一次收割清理，全年雷諾護坡溝渠段可帶去除的氮磷量分別為TN 17.33 g/m2、TP 2.98 g/m2，雷諾-漿砌石段去除量分別為TN 12.48 g/m2、TP 2.04 g/m2、漿砌石段分別為TN 1.01 g/m2、TP 0.21 g/m2(表4)。

表4 溝渠植物收割全年可去除氮、磷總量

2.2 溝渠水體N、P濃度時空變化

根據(jù)圖2可知，溝渠水體TN濃度夏季顯著高于其余三季，依次為夏季>冬季>春季>秋季。TP濃度夏季低于其余三季。春、秋、冬平均濃度差異不顯著。

圖2 溝渠水體沿程TN、TP濃度變化

生態(tài)溝渠對于氮磷污染物具有一定消減作用，與張樹楠研究結果相同[8]。不同溝渠段TN、TP消減濃度不同，雷諾段TN、TP消減濃度顯著高于漿砌石-雷諾和漿砌石段，分別為0.21 mg/L、0.05 mg/L。漿砌石段TN、TP消減濃度最低，分別為0.035 mg/L和0.01 mg/L(表5)。漿砌石-雷諾段TN、TP消減濃度與漿砌石段差異不顯著這可能與該段長度較短有關。

表5 不同溝渠段TN、TP年均濃度消減幅度

3 結論

1)生態(tài)溝渠植物生物量及其N、P累積量不同季節(jié)、不同區(qū)段存在顯著差異，雷諾段植物生物量和N、P累積量顯著高于雷諾-漿砌石和漿砌石段。夏季植物生物量和N、P累積量高于其他季節(jié)。

2)生態(tài)溝渠對于水體N、P具有一定的消減作用，且不同區(qū)段消減濃度存在顯著差異，其中雷諾護坡溝渠段消減濃度最大，TN、TP年均消減分別為0.21 mg/L和0.05 mg/L。植物生物量變化與水體N、P含量變化存在一定關聯(lián)性，溝道內植物生物量越高，水體氮磷消減幅度越大，污染去除效果越好。