河岸植被緩沖帶植被類(lèi)型與寬度對(duì)水質(zhì)凈化效益的影響

吳 堯

（上海市林業(yè)總站，上海靜安 200072）

河岸植被緩沖帶（riparian vegetation buffer），是河岸帶的重要組成部分，位于陸生生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)之間的交錯(cuò)帶，在維護(hù)河流完整性和生物多樣性、地表徑流水質(zhì)凈化、增強(qiáng)河岸穩(wěn)定性和景觀美學(xué)等方面具有重要作用。這其中尤為突出的是河岸植被緩沖帶對(duì)地表徑流中的多種污染物可以起到攔截和降解的凈化作用[1-3]，它主要通過(guò)吸收、沉積、過(guò)濾等作用阻止或者去除坡面徑流中的沉積物、有機(jī)質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及農(nóng)業(yè)殺蟲(chóng)劑等污染物質(zhì)進(jìn)入水體的植被帶[4-6]。

河岸植被緩沖帶對(duì)污染物凈化功能的發(fā)揮受到多種因素的制約，主要包括植被、微生物、土壤特性以及水文效應(yīng)等一系列因素，這些因素又綜合體現(xiàn)在緩沖帶的植被構(gòu)成與寬度方面[2,7-12]。因此，在河岸帶生態(tài)系統(tǒng)管理過(guò)程中，確定河岸植被緩沖帶植被類(lèi)型及其相應(yīng)的最適緩沖帶寬度，成為優(yōu)化生態(tài)服務(wù)功能的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于河岸植被緩沖帶如何通過(guò)植物根系的攔截和吸收、微生物的硝化和反硝化作用等生物化學(xué)過(guò)程實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化效益的的機(jī)理研究較為豐富[2,13-16]，全球不同地區(qū)都有對(duì)不同河岸植被緩沖帶水質(zhì)凈化效應(yīng)的案例報(bào)道，但尚缺少統(tǒng)一的整合分析，對(duì)不同植被類(lèi)型和寬度的河岸植被緩沖帶在水質(zhì)凈化功能方面的差異進(jìn)行比較。因此，本研究通過(guò)收集國(guó)內(nèi)外已有的相關(guān)報(bào)道，比較不同植被類(lèi)型對(duì)地表徑流中各類(lèi)污染物的截留能力，分析隨著河岸植被緩沖帶寬度增加其截留能力的變化趨勢(shì)，為河岸植被緩沖帶植被構(gòu)建和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

在Web of Science、CNKI、Google 學(xué)術(shù)等數(shù)據(jù)庫(kù)收集國(guó)內(nèi)外有關(guān)河岸植被緩沖帶在水質(zhì)凈化方面的研究報(bào)道，提取其中研究對(duì)象所屬的植被類(lèi)型、緩沖帶寬度、凈化污染種類(lèi)、對(duì)污染物的去除率等相關(guān)信息。依據(jù)已有研究，河岸植被緩沖帶對(duì)地表徑流的凈化效益主要可以分為4 類(lèi)，包括對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效益、對(duì)顆粒物的去除效益、對(duì)有毒有害物質(zhì)的去除效益和對(duì)病原菌的去除效益。因此，將所收集到的124 條有效信息，按照凈化的污染物類(lèi)型，分別歸入以上4 種類(lèi)型。采用t 檢驗(yàn)比較不同植被類(lèi)型河岸植被緩沖帶對(duì)各類(lèi)污染物去除率的差異，進(jìn)而分析河岸植被緩沖帶寬度與污染物去除率的關(guān)系。

2 研究結(jié)果

2.1 河岸植被緩沖帶凈化作用數(shù)據(jù)及概況

在收集到的124 條記錄中，有96 條是關(guān)于地表水營(yíng)養(yǎng)鹽的記錄，占總記錄的78%，其中以硝酸鹽、總氮、總磷的記錄最為豐富，均占了營(yíng)養(yǎng)鹽記錄的30%左右；有14 條記錄報(bào)道了河岸植被緩沖帶對(duì)地表徑流中懸浮顆粒物、泥沙、沉積物等顆粒物的凈化作用，約占總記錄的11%；有10 條記錄報(bào)道了河岸植被緩沖帶對(duì)地表徑流中一些有毒有害化合物的凈化作用，約占總記錄的8%，主要為各類(lèi)除草劑和環(huán)境激素，前者如阿特拉津、氰草津、異丙甲草胺等，后者如雌二醇等。此外，還有少量記錄報(bào)道了河岸植被緩沖帶對(duì)地表徑流中大腸桿菌等病原菌的凈化作用（圖1）。

圖1 河岸植被緩沖帶各類(lèi)凈化效益報(bào)道的比例

根據(jù)所收集到的報(bào)道，按照植被類(lèi)型的差異可為分為三大類(lèi)：林地、草地和竹林。其中關(guān)于草地類(lèi)型河岸植被緩沖帶對(duì)地表徑流凈化作用的報(bào)道記錄有73 條，占總記錄的59%；關(guān)于林地的相關(guān)報(bào)道記錄有35條，占總記錄的28%；關(guān)于竹林的相關(guān)報(bào)道記錄有16 條，占總記錄的13%（圖2）。

圖2 各類(lèi)型河岸植被緩沖帶報(bào)道比例

2.2 不同河岸植被緩沖帶凈化作用的差異

河岸植被緩沖帶對(duì)地表徑流污染物的去除率存在一定差異（表1）。林地對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽、顆粒物和有毒有害物種的去除率均值均超過(guò)80%，分別為85.0%、82.0%和93.5%；草地僅對(duì)顆粒物的去除率均值超過(guò)80%，對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽、有毒有害物種和病原菌的去除率均值分別為57.3%、43.5%和69.8%；竹林對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除率均值僅為41.9%。對(duì)于營(yíng)養(yǎng)鹽而言，林地類(lèi)型的河岸植被緩沖帶去除率顯著大于草地類(lèi)型和竹林類(lèi)型的河岸植被緩沖帶，而草地和竹林類(lèi)型之間沒(méi)有顯著差異；對(duì)于有毒有害物質(zhì)，林地類(lèi)型的去除率顯著大于草地類(lèi)型的去除率；林地和草地類(lèi)型對(duì)顆粒物的去除率無(wú)顯著差異。

表1 不同河岸植被緩沖帶對(duì)地表徑流污染物的去除率比較

對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽中記錄最為豐富的3 個(gè)指標(biāo)作進(jìn)一步比較，發(fā)現(xiàn)林地類(lèi)型的河岸植被緩沖帶對(duì)地表徑流中總氮、總磷和硝酸鹽的去除率均為3 個(gè)植被類(lèi)型中最高的一類(lèi)；草地類(lèi)型的河岸植被緩沖帶對(duì)總氮和硝酸鹽的去除率顯著高于竹林類(lèi)型的，前者的去除率均值約為后者的2 倍；但對(duì)總磷而言，竹林類(lèi)型的河岸植被緩沖帶的去除率顯著高于草地類(lèi)型的河岸植被緩沖帶（圖3）。

圖3 不同河岸植被緩沖帶對(duì)地表徑流常見(jiàn)營(yíng)養(yǎng)鹽成分去除率

2.3 河岸植被緩沖帶寬度與其凈化作用的關(guān)系

由于收集到的記錄數(shù)量有限，僅分析河岸植被緩沖帶寬度與其凈化顆粒物、硝酸鹽、總氮、總磷效應(yīng)的關(guān)系（圖4）。對(duì)于樣本數(shù)量充足的草地和林地，一般線性回歸分析表明，2 種植被類(lèi)型的各項(xiàng)去除率與緩沖帶寬度之間并沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的遞增規(guī)律；對(duì)于草地，除了對(duì)顆粒物的去除率在各寬度條件下均超過(guò)75%，對(duì)于硝酸鹽、總氮、氮磷的去除率在同一寬度下存在較大的差異，僅有少部分記錄中去除率超過(guò)了75%；對(duì)于林地，絕大多數(shù)寬度條件下，其對(duì)上述4 種污染物的去除率超過(guò)了75%，并且差異較小。對(duì)于竹林，寬度大的緩沖帶對(duì)硝酸鹽、總氮和總磷的去除率比寬度小的緩沖帶去除率相對(duì)偏高,但值得注意的是，其對(duì)硝酸鹽和總氮的去除率均未超過(guò)50%，而對(duì)總磷的去除率則均高于75%。

圖4 不同河岸植被緩沖帶的寬度與各類(lèi)污染物去除率的關(guān)系

3 討論與建議

河岸植被緩沖帶能有效去除氮、磷、鈣、鉀、硫、鎂等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及一些污染物，其中，最主要的是表現(xiàn)在對(duì)氮、磷的去除上。本研究通過(guò)對(duì)大量有關(guān)河岸植被緩沖帶水質(zhì)凈化研究案例的匯總分析，也證明了約3/4的報(bào)道均與對(duì)地表水中營(yíng)養(yǎng)鹽的去除有關(guān)。

河岸緩沖帶對(duì)地表水的凈化作用在很大程度上取決于緩沖帶的植被類(lèi)型[17]。本研究中林地緩沖帶相較于草地具有更強(qiáng)的營(yíng)養(yǎng)鹽和有毒有害物質(zhì)去除能力，并且這種去除能力更為穩(wěn)定。這可能是因?yàn)榱值剌^草地而言往往具有更大的生物量密度，可以更多地吸收流經(jīng)水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽；同時(shí)林地地下根系分布更深，密度更大，與流經(jīng)水體的接觸面更大，能有效減緩地表徑流的流速，使得土壤和根系附生微生物充分地發(fā)揮降解、轉(zhuǎn)化作用，去除氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物以及有毒有害物質(zhì)[18-19]。而林地和草地在截留地表水中懸浮顆粒物、泥沙、沉積物等顆粒物能力上沒(méi)有顯著的差異，均可達(dá)到80%以上的去除效果，這表明植被覆蓋與否是決定河岸緩沖帶顆粒物凈化功能的關(guān)鍵。值得關(guān)注的是，竹林作為一類(lèi)特殊的植被類(lèi)型，在氮素去除方面遠(yuǎn)不及林地和草地，但去除磷素的功能等同于林地。

以往控制實(shí)驗(yàn)研究中河岸緩沖帶的凈化能力往往與其寬度呈現(xiàn)出一定關(guān)系，然而本研究中各類(lèi)植被類(lèi)型的寬度與其凈化能力沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)。這是因?yàn)榭刂茖?shí)驗(yàn)中設(shè)置的緩沖帶寬度多在一二十米范圍以內(nèi)，隨著寬度增加，其凈化能力呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，但當(dāng)寬度超過(guò)一定閾值時(shí)，其凈化能力趨于穩(wěn)定[20-21]。而本研究90%以上數(shù)據(jù)的緩沖帶寬度大于10m，因此緩沖帶的凈化能力已經(jīng)趨于飽和，隨寬度增加沒(méi)有明顯的增加。

上述研究結(jié)果可為河岸緩沖帶植被規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供借鑒。在植被配置方面，可采用以林地為主的緩沖帶設(shè)計(jì)模式；對(duì)地表徑流中氮含量低、磷含量高的區(qū)域，可以適當(dāng)增加竹林的配置量，也可以采用草地和竹林平行于河岸、條狀混交配置的模式，應(yīng)對(duì)氮磷含量均較高的地表徑流。在緩沖帶寬度設(shè)計(jì)方面，可結(jié)合區(qū)域地表徑流污染水平和達(dá)標(biāo)要求，確定緩沖帶寬度。例如王敏等[22]模擬上海降雨及農(nóng)田面源污染特征開(kāi)展的植被水質(zhì)凈化研究表明，當(dāng)截留率接近75%時(shí)，出水水質(zhì)可達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。因此，可將截留率不低于75%作為地表水質(zhì)凈化的最低標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比該標(biāo)準(zhǔn)，可知林地寬度達(dá)到10m，即可保證其營(yíng)養(yǎng)物、顆粒物和有毒有害物質(zhì)的截留率超過(guò)75%。因而，可將10m 作為保障上海地區(qū)林帶水質(zhì)凈化效益發(fā)揮的最小寬度。