不同降雨特征下緩沖帶水分及TN分配規(guī)律

熊麗君,吳建強(qiáng),黃沈發(fā)

不同降雨特征下緩沖帶水分及TN分配規(guī)律

熊麗君,吳建強(qiáng),黃沈發(fā)*

(上海市環(huán)境科學(xué)研究院,上海 200233)

以3種典型植被緩沖帶為研究對(duì)象,基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、質(zhì)量平衡、相關(guān)分析等方法,探明緩沖帶水分分配與降雨、土壤因子的關(guān)聯(lián)性,確定水分及總氮(TN)污染負(fù)荷去除分配系數(shù).結(jié)果表明,徑流與降雨量呈高度正相關(guān)(0.980～0.987,<0.01),滲流與降雨量、降雨歷時(shí)呈顯著正相關(guān)(0.595～0.828,<0.01).植被緩沖帶在14.3mm以下降雨不產(chǎn)流,中雨、大雨、暴雨平均產(chǎn)流系數(shù)為0.10、0.36和0.72,TN負(fù)荷平均截留系數(shù)分別為11.0、8.2和4.5mg/(m2·mm),徑流及TN負(fù)荷去除效果隨雨量增大而降低.中大雨、暴雨下植被緩沖帶水分分配分別以土壤滲透(0.48～0.71)、末端出流(0.69～0.74)為主,TN負(fù)荷去除以土壤滲透為主(中雨56%、大雨44%、暴雨20%).莖葉覆蓋地表、根系細(xì)密發(fā)達(dá)的植被去除效果更好,其中百慕大緩沖帶對(duì)水分、白花三葉草緩沖帶對(duì)TN負(fù)荷的去除效果最優(yōu),分別達(dá)60%和61%.即使在高地下水位的平原河網(wǎng)地區(qū),緩沖帶對(duì)徑流與TN負(fù)荷削減仍發(fā)揮重要作用,特別是在50mm以下降雨發(fā)生頻率較高的區(qū)域.研究結(jié)果為降雨、植被多因素影響下的徑流污染削減差異化評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐,為不同降雨特征下緩沖帶徑流污染控制提供重要的參考價(jià)值.

緩沖帶；降雨特征；植被-土壤系統(tǒng)；徑流；滲流；TN負(fù)荷

農(nóng)田徑流污染排放嚴(yán)重危害河湖水體環(huán)境質(zhì)量[1],也是加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素之一.植被緩沖帶作為農(nóng)田徑流進(jìn)入水體的最后一道防線,是控制農(nóng)田徑流污染最經(jīng)濟(jì)有效的手段[2-4].特別是在地勢(shì)平坦的平原地區(qū),緩沖帶寬度大、坡度小、植物茂密,農(nóng)田徑流在緩沖帶充分阻滯流速降低,污染物質(zhì)被有效截留[5].氮流失是農(nóng)田面源污染的主要來(lái)源,緩沖帶植被-土壤系統(tǒng)在減少入河氮負(fù)荷方面發(fā)揮重要作用[6-7],對(duì)于控制農(nóng)田徑流污染、保護(hù)水環(huán)境具有重要意義[8-10].

緩沖帶徑流、滲流水動(dòng)力作用是徑流污染物質(zhì)遷移的驅(qū)動(dòng)機(jī)制[11],農(nóng)田徑流在流經(jīng)植被緩沖帶過(guò)程中的水動(dòng)力過(guò)程主要表現(xiàn)為阻流、吸附、滲透等方面[12],徑流污染物通過(guò)沉淀、吸附、滲濾和植物吸收、轉(zhuǎn)化等作用截留[8,13].研究表明緩沖帶對(duì)徑流滯緩及污染物削減具有較好的效果,上海青浦19m長(zhǎng)緩沖帶產(chǎn)流比裸地滯后7min以上,土壤滲透水量比裸地高1.6倍以上[14-15],流溪河河岸帶對(duì)TN削減率為23%～31%[16],鄭州邙山植被緩沖帶產(chǎn)流、產(chǎn)沙分別比裸地減少52%～91%、94%～99%[17],黃河下游植被覆蓋率30%、坡度低于11°的岸坡對(duì)產(chǎn)沙有很大的抑制作用[18].植被與土壤是整個(gè)緩沖帶水動(dòng)力過(guò)程中的重要因素[19],茂密植被滯緩徑流,植物根系改變土壤含水率和孔隙率,從而影響土壤滲透能力[20].不同植被的緩沖帶對(duì)污染物截留效果存在差異性,湖北丹江口庫(kù)緩沖帶馬尾松、栓皮櫟混交林污染截留效果優(yōu)于馬尾松純林、剛竹林和荒草地[21],九龍江上游北溪流域緩沖帶徑流削減效果草本>灌草>灌木[22].

受自然系統(tǒng)各種因素影響,比如植物種類不同、降雨特征多變、植物對(duì)土壤滲透性能的影響[23]等,地表徑流在緩沖帶植被截留、土壤滲透過(guò)程中的水分及污染負(fù)荷定量分配存在差異.降雨是緩沖帶產(chǎn)流及產(chǎn)污的驅(qū)動(dòng)性因素,其動(dòng)態(tài)變化特征復(fù)雜,現(xiàn)有研究大多分析不同緩沖帶特征對(duì)徑流、泥沙和污染物截留效應(yīng)的影響,以及人工降雨下植被緩沖帶對(duì)徑流及泥沙的截留特征,而對(duì)于不同降雨特征下緩沖帶植被-土壤系統(tǒng)水分及TN定量分配規(guī)律研究較少.當(dāng)前應(yīng)用較為普遍的污染負(fù)荷年截留系數(shù)評(píng)估入河面源污染的方法簡(jiǎn)單、快速,但不同場(chǎng)次降雨特征差異較大、不同區(qū)域降雨量、降雨特征也不同,難以滿足分季節(jié)、分區(qū)域的面源污染精細(xì)化評(píng)估與水環(huán)境的管控要求.隨著國(guó)家對(duì)水環(huán)境污染防治要求的提高,緩沖帶面源污染削減負(fù)荷評(píng)估也面臨更高需求,因此,明確植被緩沖帶在不同降雨特征下的水分及污染物定量分配,能夠根據(jù)降雨特征分類來(lái)分別評(píng)估典型植被緩沖帶的水分截留、下滲及污染物定量去除情況,滿足分季節(jié)、分區(qū)域的面源污染精細(xì)化評(píng)估與水環(huán)境的管控要求,對(duì)于優(yōu)化控制農(nóng)田徑流污染、改善水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義.

本文以典型植被緩沖帶為研究對(duì)象,通過(guò)觀測(cè)植被特征、土壤性質(zhì),現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)徑流和滲流,分析不同降雨特征下緩沖帶植被-土壤系統(tǒng)的水分分配關(guān)聯(lián)性,確定水分分配與主要影響因子關(guān)系.污染物以長(zhǎng)三角區(qū)域農(nóng)田面源污染的TN為研究對(duì)象,揭示不同雨型、不同植被緩沖帶的TN負(fù)荷定量分配機(jī)制,為評(píng)估多因素影響、多目標(biāo)需求下的緩沖帶生態(tài)環(huán)境效能提供依據(jù),為有效控制農(nóng)田徑流污染提供技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

上海市青浦區(qū)東風(fēng)港“濱岸緩沖帶試驗(yàn)基地”占地面積8000m2,土壤類型為青紫泥,土質(zhì)屬黏壤土[24-25],該種土質(zhì)飽和導(dǎo)水率較低(1.6～0.25mm/ h)[26].根據(jù)前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),土壤pH值、TN、NO3-和NH4+分別為(8.38±0.28)和(1.13±0.38)g/kg,(5.70± 3.98)mg/kg和(3.22±2.95)mg/kg.試驗(yàn)基地?fù)碛?0條緩沖帶,植被主要為草、灌和喬灌木結(jié)合等類型,每條緩沖帶匯流寬度19m,面積38m2,坡度在2%～5%之間,農(nóng)田面積約6000m2,降雨時(shí)徑流流經(jīng)緩沖帶后排入東風(fēng)港.根據(jù)東風(fēng)港2017～2019年現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),TN濃度0.11～11.28mg/L,總體上6～8月雨季TN濃度相對(duì)較高,降雨期間面源污染對(duì)河道水質(zhì)存在明顯影響.

圖1 東風(fēng)港植被緩沖帶的滲流、徑流觀測(cè)示意

根據(jù)上海平原河網(wǎng)地區(qū)地勢(shì)特征,選擇坡度2%的百慕大()、白花三葉草()、杞柳()植被緩沖帶為研究對(duì)象,分別表征窄葉草地、寬葉草地和灌木,植被覆蓋度均為100%,為自然生長(zhǎng)狀態(tài),無(wú)人工施肥,平均高度分別為17、20和183cm.為對(duì)比緩沖帶對(duì)農(nóng)田徑流水分及污染物的削減規(guī)律,另選擇1條空白帶(裸土)開(kāi)展同步對(duì)照監(jiān)測(cè)(圖1).

1.2 降雨事件

上海年平均降雨量1132.9mm[27],大多集中在夏秋季,且中小雨發(fā)生頻率較高[28].根據(jù)上海市排水公司降雨分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),24h內(nèi)雨量在0～10mm、10～25mm、25～50mm、50mm以上分別為小雨、中雨、大雨和暴雨.根據(jù)SWMM雨水管理模型,降雨間隔在6h以上為兩場(chǎng)降雨的分隔[26].以2017～2019年39場(chǎng)降雨為研究對(duì)象,其中小雨7場(chǎng)、中雨17場(chǎng)、大雨10場(chǎng)、暴雨5場(chǎng),中小雨比例62%(表1).4種類型降雨的雨量、降雨峰值差異總體極顯著(<0.01),降雨歷時(shí)差異顯著(0.01<<0.05).雨量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自試驗(yàn)基地的在線監(jiān)測(cè)雨量計(jì)(CR200X).

表1 不同類型的降雨事件特征

1.3 觀測(cè)與計(jì)算方法

1.3.1 植被土壤參數(shù) 緩沖帶植被地表生物量和葉面積指數(shù)是影響降雨截留量的主要因素;根系生物量、根系體積密度與土壤孔隙度、含水量和土壤滲透能力有關(guān).每種植被緩沖帶內(nèi)每隔5m取1m′1m樣方(在同類植被的其他緩沖帶取樣,避免試驗(yàn)條帶植被缺失影響徑流、滲流監(jiān)測(cè)誤差),共取3個(gè)平行樣方,將地表植被收割、地下根系挖出,采用YP202NDI電子天平稱重生物量(鮮重,mg),通過(guò)測(cè)量根系的長(zhǎng)度(cm)、直徑(cm)計(jì)算根系體積密度.計(jì)算公式如下:

1.3.2 緩沖帶水分分配 降雨過(guò)程中緩沖帶對(duì)水分有3種分配方式:徑流、滲流和植被截留.在緩沖帶前端(0m處)、末端(19m處)出現(xiàn)入流、出流即開(kāi)始觀測(cè)水位(圖1),每2min記錄一次;記錄進(jìn)水時(shí)間、出水時(shí)間和停水時(shí)間.根據(jù)直角三角堰徑流計(jì)算公式[8,15]計(jì)算場(chǎng)次降雨的出口徑流總量(式3).植被截留水分與地表生物量、葉面積指數(shù)呈線性正相關(guān)[30],參照Xu等[31]在上海研究的草本狗牙根(生物量4.33kg/m2、葉面積指數(shù)6.8)和灌木扶芳藤(生物量12.03kg/m2、葉面積指數(shù)8.2)的植被截留量2.54mm、4.25mm,分別估算草本百慕大、白花三葉草和灌木杞柳的植被截留量G(式4).在此基礎(chǔ)上,根據(jù)緩沖帶進(jìn)出水量平衡原理計(jì)算場(chǎng)次降雨的下滲量(式5):

1.3.3 緩沖帶負(fù)荷分配 采用采樣器在緩沖帶前端(0m處)、末端(19m處)收集徑流動(dòng)態(tài)水樣,采用貝勒管在末端19m處PVC潛流管抽取滲流動(dòng)態(tài)水樣(圖1),注入1L采樣瓶中.取樣時(shí)間根據(jù)降雨特征確定,徑流開(kāi)始即取樣,開(kāi)始間隔5min取2組樣品,之后間隔10、15、30min各取2組樣品,最后每間隔1h取1組樣品,直至徑流結(jié)束.現(xiàn)場(chǎng)配置1L混合樣,其中徑流濃度隨歷時(shí)變化較大[31],根據(jù)動(dòng)態(tài)水量占場(chǎng)次降雨總徑流量的比例配置混合樣,滲流濃度變化較小,將動(dòng)態(tài)水樣均勻混合.水樣放入保溫箱4℃恒溫當(dāng)天送回實(shí)驗(yàn)室,采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)[32]測(cè)定TN.緩沖帶對(duì)農(nóng)田徑流負(fù)荷去除的分配主要有兩個(gè)方面:一是徑流流經(jīng)緩沖帶過(guò)程中,植被對(duì)徑流污染物的截留,根據(jù)入口、出口的徑流TN濃度之差乘以出口徑流量求得,見(jiàn)式(7);二是徑流在下滲過(guò)程中,土壤對(duì)徑流污染物的截留,根據(jù)入口徑流、出口滲流TN平均濃度之差乘以滲流量求得,見(jiàn)式(8).

式中:為單位降雨深度、單位面積的污染物負(fù)荷去除系數(shù),mg/(m2×mm)

1.3.4 相關(guān)系數(shù) 基于SPSS 19.0軟件,采用皮爾遜(Pearson)相關(guān)分析相關(guān)性,雙側(cè)檢驗(yàn)其重要性.當(dāng)相關(guān)系數(shù)||=1時(shí),兩個(gè)因子為完全線性正相關(guān)或負(fù)相關(guān),當(dāng)0<￡0.3時(shí),為微弱相關(guān);當(dāng)0.3<￡0.5時(shí),為低度相關(guān),當(dāng)0.5<￡0.8時(shí),為顯著相關(guān),當(dāng)0.8<￡1時(shí),為高度相關(guān).

2 分析與討論

2.1 植被與土壤參數(shù)特征分析

地表生物量杞柳最大,平均生物量為29.6kg/m2,分別為百慕大和白花三葉草的3.0、3.5倍,與其為灌木、植株較高有關(guān)(圖2a).葉面積指數(shù)白花三葉草、百慕大較大,是杞柳的4.5倍,主要因?yàn)檫@兩種植被葉片層疊且密集(圖2b).地下生物量百慕大和杞柳較大,平均生物量分別為11.5和10.3kg/m2,為白花三葉草的3.2和2.8倍(圖2a);根系密度杞柳與百慕大也較大,平均根系密度分別為103.4和94.8cm3/m2,白花三葉草最小,為33.1cm3/m2(圖2c).在此基礎(chǔ)上,估算單位面積百慕大、白花三葉草與杞柳的植被截留水量,分別為3.9、4.2和5.8mm.植被緩沖帶的土壤孔隙度百慕大最大,平均值為0.57,其次為杞柳和白花三葉草,分別為0.55和0.53,裸地最低,僅0.39.土壤初始含水量隨著前期晴天時(shí)間的增加而降低,在前期晴天時(shí)間200h后基本趨于穩(wěn)定(圖2d).前期晴天時(shí)間20h內(nèi)土壤含水量最大,百慕大、白花三葉草、杞柳緩沖帶與裸地分別為0.38、0.34、0.32和0.23.百慕大緩沖帶的土壤孔隙度及土壤含水量總體最大(圖2e),與其根系發(fā)達(dá)細(xì)密、匍匐莖密集覆蓋于地表[33]有關(guān),而裸地地表無(wú)植被,土壤板結(jié),孔隙度與土壤飽和含水量最低.

圖2 緩沖帶植被與土壤參數(shù)特征

白三草即為白花三葉草

2.2 不同降雨下水分分配關(guān)聯(lián)性

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)4種降雨特征下,小雨農(nóng)田不產(chǎn)流,緩沖帶上降雨被植被截流與土壤滲透,末端不產(chǎn)流.因此,討論中雨、大雨、暴雨下緩沖帶水分分配與6個(gè)降雨、土壤因子關(guān)聯(lián)性,Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 緩沖帶水分與降雨、土壤因子的相關(guān)性

注:為樣本數(shù);*:在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān);**:在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

影響植被緩沖帶出口徑流的主要因子為降雨量(0.980～0.987,<0.01,=32)和降雨峰值(0.637～0.648,<0.01,=32),分別呈高度正相關(guān)和顯著正相關(guān),降雨量是影響徑流最重要的因子.從不同降雨類型來(lái)看,中雨緩沖帶出口徑流與降雨量呈顯著正相關(guān)(0.705～0.784,<0.01,=17),大雨時(shí)呈高度正相關(guān)(0.861～0.872,<0.01,=10).影響植被緩沖帶滲流的主要因子總體為降雨量(0.689～0.828,<0.01,=32)和降雨歷時(shí)(0.595～0.726,<0.01,=32),基本呈顯著正相關(guān).從不同降雨類型來(lái)看,中雨降雨量與滲流相關(guān)性(0.836～0.912,<0.01,=17)高于大雨(0.522～0.683,=10);中雨滲流與降雨歷時(shí)無(wú)明顯相關(guān)性,暴雨的滲流與降雨歷時(shí)相關(guān)性(0.944～0.975,<0.01,=17)高于大雨(0.790～0.865,<0.01,=10),說(shuō)明雨量小、歷時(shí)長(zhǎng)的降雨更有利于被植被緩沖帶的土壤滲透.從不同植被類型來(lái)看,裸地徑流與降雨量的相關(guān)性(0.992,<0.01,=32)均高于3種植被緩沖帶(0.980～0.987,<0.01,=32),中雨和大雨更為明顯,徑流與降雨量的相關(guān)性均為裸地>白花三葉草>杞柳>百慕大,說(shuō)明同種降雨下,裸地的產(chǎn)流量最大,百慕大產(chǎn)流量相對(duì)最低;裸地滲流與降雨量的相關(guān)性(0.646,<0.01,=32)低于3種植被緩沖帶,說(shuō)明植被緩沖帶更有利于水分滲透,產(chǎn)流量低于裸地,特別是百慕大植被,滲流與降雨量的相關(guān)性最大(0.828,<0.01,=32),與其根系發(fā)達(dá)、土壤孔隙度相對(duì)較大有關(guān)[8].

緩沖帶的水分分配與土壤初始含水量基本無(wú)顯著相關(guān)性.為避免雨量影響水分分配與其他因子相關(guān)性,以百慕大緩沖帶為例,選擇雨量類似的10場(chǎng)降雨(21.1～26.0mm),進(jìn)一步計(jì)算水分分配與6個(gè)因子的相關(guān)系數(shù)(表2).結(jié)果表明,在類似降雨量下,徑流與降雨峰值(0.918,<0.01,=10)和平均降雨強(qiáng)度(0.807,<0.01,=10)分別呈高度正相關(guān)和顯著正相關(guān),與降雨歷時(shí)(-0.792,<0.01,=10)呈顯著負(fù)相關(guān),說(shuō)明高強(qiáng)度、短歷時(shí)降雨產(chǎn)生更多徑流;滲流與降雨歷時(shí)(0.957,<0.01,=10)仍呈高度正相關(guān),與平均降雨強(qiáng)度(-0.694,<0.01,=10)、降雨峰值(-0.801,<0.01,=10)均呈顯著負(fù)相關(guān),說(shuō)明對(duì)于長(zhǎng)歷時(shí)降雨,土壤能夠滲透更多的水分,對(duì)于高峰值、高強(qiáng)度降雨,土壤滲透水分效果降低.然而,滲流與徑流仍與土壤初始含水量無(wú)明顯相關(guān)性.部分研究認(rèn)為土壤初始含水量是低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施(LID)及綠色屋頂徑流的重要影響因子)[34-35],與本研究結(jié)論不一致,而Xu等[31]發(fā)現(xiàn)前期晴天時(shí)間對(duì)上海綠地產(chǎn)流敏感性較低,與本研究結(jié)論相似,主要因?yàn)長(zhǎng)ID與綠色屋頂土壤基質(zhì)經(jīng)過(guò)改善,孔隙率和初始入滲速率較大,而研究區(qū)域土壤以粘壤土為主,且夏秋季雨量豐沛,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的植被緩沖帶土壤平均初始含水量為0.23,總體高于該種土壤的植物凋萎點(diǎn)0.18～0.26[26],中雨、大雨、暴雨時(shí)土壤蓄滿所需水分與徑流、滲流相比相對(duì)較小,因此相關(guān)性不大.

2.3 水分分配與主要因子的關(guān)系

基于相關(guān)性分析結(jié)果,進(jìn)一步探明緩沖帶水分分配與降雨量、降雨歷時(shí)的分布規(guī)律.在39場(chǎng)降雨中,植被緩沖帶未產(chǎn)流的最大場(chǎng)次降雨的雨量為17.2mm(百慕大、白花三葉草、杞柳),該場(chǎng)降雨歷時(shí)較長(zhǎng)(32.1h);產(chǎn)流的最小場(chǎng)次降雨量為15.8mm (杞柳)和14.3mm(白花三葉草),與降雨歷時(shí)較短有關(guān)(3.1h和7.3h),場(chǎng)次降雨量為19.7～27mm時(shí),3種植被緩沖帶產(chǎn)流量均低于10mm(圖3a).裸地產(chǎn)流的最小場(chǎng)次降雨的雨量?jī)H為7.3mm,說(shuō)明中小雨時(shí)植被對(duì)雨水的截留與滲透作用非常顯著.17場(chǎng)中雨雨量共計(jì)324.2mm,百慕大、白花三葉草、杞柳、裸地徑流產(chǎn)生總量分別為26.2、42.6、31.4和136.0mm,產(chǎn)流量與降雨量幾乎無(wú)相關(guān)性,百慕大產(chǎn)流量最低,其次為杞柳和白花三葉草,裸地產(chǎn)流量明顯高于植被緩沖帶.在大雨和暴雨時(shí),植被緩沖帶、裸地徑流明顯與降雨呈線性關(guān)系(2=0.9603～0.9715,圖3b).

圖3 緩沖帶水分分配與主要影響因子的關(guān)系

當(dāng)場(chǎng)次降雨量￡17.2mm時(shí),降雨基本被植被截留與土壤滲透,此時(shí)滲流量與降雨量基本呈線性關(guān)系,降雨量是影響土壤滲流量的主要因素;裸地滲流量大于植被緩沖帶(圖3c),與裸地?zé)o植被,水分基本下滲至土壤有關(guān).當(dāng)場(chǎng)次降雨量319.7mm時(shí),滲流量與降雨量線性關(guān)系不明顯(圖3c),此時(shí)滲流量受雨量、降雨歷時(shí)協(xié)同影響(圖3c與3d).從不同植被緩沖帶來(lái)看,39場(chǎng)降雨的滲透總量百慕大(601.6mm)>白花三葉草(525.6mm)>杞柳(490.2mm).

2.4 植物-土壤系統(tǒng)水分及TN定量分配

中雨、大雨、暴雨下植被緩沖帶水分及TN定量分配見(jiàn)表3.中雨時(shí)植被緩沖帶平均徑流系數(shù)為0.10,百慕大、白花三葉草和杞柳緩沖帶的水分分配以土壤滲流為主,滲流系數(shù)分別為0.71、0.65和0.60,其中百慕大緩沖帶滲流最大,杞柳滲流相對(duì)最小,與百慕大地下生物量、土壤孔隙度最大,根系密度較高有關(guān)[14,33],杞柳雖然地下生物量大于白花三葉草,但由于其根系相對(duì)粗大稀疏,土壤滲透性能反而低于植被覆蓋地表的白花三葉草.農(nóng)田徑流通過(guò)緩沖帶植被截留后,仍有60%～71%被土壤滲透,僅8%～13%產(chǎn)生徑流,而裸地除56%水分被土壤滲透外,仍有44%排入河道.大雨時(shí)植被緩沖帶平均徑流系數(shù)為0.36,百慕大、白花三葉草和杞柳緩沖帶的水分分配仍以土壤滲透為主,滲流系數(shù)分別為0.57、0.50和0.48,3種植被徑流系數(shù)分別為0.33、0.39和0.36;裸地徑流系數(shù)為0.58,是3種植被緩沖帶的1.5～1.8倍,大雨時(shí)緩沖帶植被截留與土壤滲透仍發(fā)揮重要的作用.暴雨時(shí)植被緩沖帶平均徑流系數(shù)為0.72,百慕大、白花三葉草和杞柳緩沖帶的水分分配以徑流為主,徑流系數(shù)分別為0.69、0.74和0.73,滲流系數(shù)分別為0.27、0.21和0.21,植被截留系數(shù)僅0.04～0.06,此時(shí)植被緩沖帶對(duì)徑流仍有一定的截留和滲透作用.總體來(lái)看,莖葉覆蓋地表、根系細(xì)密發(fā)達(dá)的植被對(duì)農(nóng)田徑流去除效果最優(yōu),百慕大緩沖帶土壤孔隙度相對(duì)最大,農(nóng)田徑流水分去除效果最優(yōu),總體達(dá)60%.與裸地相比,中雨、大雨、暴雨下3種植被緩沖帶產(chǎn)流系數(shù)僅為裸地的0.23、0.62和0.88,說(shuō)明即使在高地下水位的平原河網(wǎng)地區(qū),緩沖帶土壤滲透對(duì)徑流削減仍發(fā)揮重要作用.

表3 不同降雨特征下緩沖帶水分及TN分配系數(shù)

植被緩沖帶TN負(fù)荷平均去除系數(shù)為7.84mg/ (m2·mm) (32場(chǎng)降雨),其中滲流TN負(fù)荷平均去除系數(shù)為5.36mg/(m2·mm),是徑流的2.2倍,滲流TN去除效果優(yōu)于徑流TN去除效果.與總進(jìn)水負(fù)荷相比,滲流、徑流TN去除比例分別為16%～61%和11%～28%,土壤對(duì)污染物的吸附、截留去除效果更好.

從不同植被來(lái)看,緩沖帶土壤滲透對(duì)TN的去除效果大小為:百慕大(6.10mg/(m2·mm))>白花三葉草(5.32mg/(m2·mm))>杞柳(4.67mg/(m2·mm))>裸地(3.86mg/(m2·mm)),百慕大緩沖帶土壤滲透對(duì)TN的去除效果最優(yōu),與其土壤滲透性良好、下滲量相對(duì)最大有關(guān),裸地的土壤滲透對(duì)TN去除也發(fā)揮一定作用;植被截留對(duì)徑流TN去除效果大小為:白花三葉草(2.70mg/(m2·mm))>杞柳(2.59mg/(m2·mm))>百慕大(2.15mg/(m2·mm))>裸地(0.11mg/(m2·mm)),白花三葉草對(duì)徑流TN去除效果最優(yōu),與其葉面積指數(shù)最大,且植被匍匐于地表有關(guān),裸地對(duì)徑流TN無(wú)明顯去除效果.百慕大與白花三葉草緩沖帶對(duì)TN負(fù)荷截留效果均較好,總體達(dá)60～61%,優(yōu)于杞柳緩沖帶(56%),說(shuō)明根系細(xì)密發(fā)達(dá)的植被緩沖帶更有利于農(nóng)田徑流TN的滲透去除,葉面積指數(shù)大的植被緩沖帶更有利于農(nóng)田徑流TN的地表截留.相關(guān)研究也表明,植被低矮的農(nóng)業(yè)緩沖帶比林業(yè)緩沖帶具有更大的徑流污染去除潛力[6].與裸地相比,植被緩沖帶對(duì)TN負(fù)荷徑流平均去除系數(shù)、滲流平均去除系數(shù)分別高22.5倍和1.4倍,植被對(duì)徑流污染物的攔截、吸附發(fā)揮了重要作用[8].

從不同降雨特征來(lái)看,中雨、大雨、暴雨植被緩沖帶的TN負(fù)荷平均截留系數(shù)分別為11.0 、8.2 和4.5mg/(m2·mm).滲流去除與徑流去除TN效果為:中雨[滲流7.57mg/(m2·mm)、徑流3.33mg/(m2·mm)]>大雨[滲流5.88mg/(m2·mm)、徑流2.26mg/(m2·mm)]>暴雨[滲流2.64mg/(m2·mm)、徑流1.86mg/ (m2·mm)],TN滲流去除分別是徑流去除的2.28、2.61和1.42倍.中雨下3種植被緩沖帶滲流TN平均去除比例為56%,高于大雨(44%)和暴雨(20%);徑流TN平均去除比例為25%,亦高于大雨(17%)和暴雨(14%).徑流及TN負(fù)荷去除效果隨著雨量增大而降低,主要因?yàn)橹杏陼r(shí)植被截留與土壤下滲水分比例較大,大部分污染負(fù)荷被植被-土壤系統(tǒng)截留,大雨時(shí)較多徑流攜帶污染物排入河道,暴雨時(shí)徑流系數(shù)更大(0.69～0.73),滲流系數(shù)僅0.21～0.27,大部分徑流攜帶污染物排入河道.中雨和大雨下,緩沖帶土壤滲透對(duì)徑流TN負(fù)荷削減發(fā)揮重要作用.

本次樣本數(shù)為39場(chǎng)降雨,由于降雨特征多變,未來(lái)有待開(kāi)展更多特征降雨下的徑流、滲流監(jiān)測(cè),進(jìn)一步完善不同降雨特征下緩沖帶水分及TN分配規(guī)律分析;另外,考慮緩沖帶土壤淋溶污染以及大氣沉降,以及針對(duì)不同面積農(nóng)田匯水區(qū)域,修正水分及TN負(fù)荷削減系數(shù),為不同降雨特征下緩沖帶徑流污染控制提供更為精確的數(shù)據(jù)支撐.

3 結(jié)論

3.1 緩沖帶出口徑流量與降雨量呈高度正相關(guān),滲流量與降雨量、降雨歷時(shí)呈顯著正相關(guān);類似場(chǎng)次雨量下高峰值、高強(qiáng)度降雨土壤滲透水分相對(duì)較低.土壤初始含水量與緩沖帶水分分配基本無(wú)顯著相關(guān)性,與區(qū)域黏壤土土質(zhì)有關(guān).

3.2 39場(chǎng)降雨中百慕大、白花三葉草、杞柳緩沖帶沒(méi)有產(chǎn)流的最大場(chǎng)次雨量為17.2mm,杞柳、白花三葉草緩沖帶產(chǎn)流的最小場(chǎng)次降雨量分別為15.8mm和14.3mm,而裸地僅7.3mm.大雨和暴雨時(shí)緩沖帶徑流與降雨呈線性關(guān)系(2=0.9603～0.9715).

3.3 小雨時(shí)不產(chǎn)流,中大雨時(shí)植被緩沖帶水分以土壤滲透為主(中雨60%～71%,大雨48%～57%),暴雨時(shí)以徑流為主(69%～74%).

3.4 中大雨(￡50mm)下植被緩沖帶對(duì)農(nóng)田徑流TN負(fù)荷的削減發(fā)揮重要作用,平均去除率為59%, TN負(fù)荷去除系數(shù)中雨、大雨、暴雨下分別為11.0、8.2和4.5mg/(m2·mm).即使在高地下水位的平原河網(wǎng)地區(qū),植被緩沖帶TN負(fù)荷去除仍以土壤滲透為主,中雨、大雨、暴雨下TN負(fù)荷去除量滲流是徑流的2.28、2.61、1.42倍.

[1] Zhang C F, Li S, Qi J Y, et al. Assessing impacts of riparian buffer zones on sediment and nutrient loadings into streams at watershed scale using an integrated REMM-SWAT model [J]. Hydrological Processes, 2017,31(4):1-9.

[2] 錢 進(jìn),沈蒙蒙,王沛芳,等.河岸帶土壤磷素空間分布及其對(duì)水文過(guò)程響應(yīng)[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2017,(1):44-51.

Qian J, Shen M M, Wang P F, et al. Spatial distribution of riparian soil phosphorus and its response to hydrologic process [J]. Advances in Water Science, 2017,(1):44-51.

[3] Cui N X, Zhang X, Cai M, et al. Roles of vegetation in nutrient removal and structuring microbial communities in different types of agricultural drainage ditches for treating farmland runoff [J]. Ecological Engineering, 2020,(155)105941:1-9.

[4] 郭英壯,王曉燕,周麗麗,等.控制流域氮流失的最佳管理措施配置及效率評(píng)估[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2021,41(2):860-871.

Guo Y Z, Wang X Y, Zhou L L, et al. Configuration and efficiency evaluation of the best management practices to control nitrogen loss in the watershed [J]. China Environmental Science, 2021,41(2):860-871.

[5] Zhao Q, Zhang Y, Xu S, et al. Relationships between Riparian Vegetation Pattern and the Hydraulic Characteristics of Upslope Runoff [J]. Sustainability, 2019,11(10):1-16.

[6] Liu W Z, Xiong Z Q, Liu H, et al. Catchment agriculture and local environment affecting the soil denitrification potential and nitrous oxide production of riparian zones in the Han River Basin, China [J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2016,(216):147-154.

[7] Chen Z, Liu H Y, Rao C, et al. Soil microbial community dynamics indicate disruption of nitrogen cycling by pollution in vegetation buffer zones [J]. Pedobiologia, 2021,(85/86)150722:1-8

[8] Wu J Q, Xiong L J, Sha C Y. Removal of N, P from seepage and runoff by different vegetated and slope buffer strips [J]. Water Science & Technology, 2020,82(2):351-363.

[9] Kim H, Bae H S, Reddy K R, et al. Distributions, abundances and activities of microbes associated with the nitrogen cycle in riparian and stream sediments of a river tributary [J]. Water Research, 2016, 106:51-61.

[10] 孫 嘉,齊 實(shí),澎 湃,等.十三種農(nóng)村水資源保護(hù)措施適宜性評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014,34(12):3242-3248.

Sun J, Qi S, Peng P, et al. Technical suitability and economic feasibility evaluation on 13water resources conservancy measures in rural areas [J]. China Environmental Science, 2014,34(12):3242-3248.

[11] 夏繼紅,陳永明,王為木,等.河岸帶潛流層動(dòng)態(tài)過(guò)程與生態(tài)修復(fù)[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2013,24(4):589-597.

Xia J H, Chen Y M, Wang W M, et al. Dynamic processes and ecological restoration of hyporheic layer in riparian zone [J]. Advances in Water Science, 2013,24(4):589-597.

[12] Hénault-Ethier L, Larocque M, Perron R, et al. Hydrological heterogeneity in agricultural riparian buffer strips [J]. Journal of Hydrology, 2017,546:276-288.

[13] Walton C R, Zak D, Audet J, et al. Wetland buffer zones for nitrogen and phosphorus retention: Impacts of soil type, hydrology and vegetation [J]. Science of The Total Environment, 2020,(727)138709:1-20.

[14] 王 敏,黃宇馳,吳建強(qiáng).植被緩沖帶徑流滲流水量分配及氮磷污染物去除定量化研究[J]. 環(huán)境科學(xué), 2010,31(11):2607-2612.

Wang M, Huang Y.C, Wu J.Q, et al. Quantification study on the runoff and seepage distribution and n, p pollutants removal of the vegetated buffer strips [J]. Environmental Science, 2010,31(11):2607-2612.

[15] 吳建強(qiáng).不同坡度緩沖帶滯緩徑流及污染物去除定量化[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2011,22(1):112-117.

Wu J Q. Quantitative study of the damping effect of buffer strips with different slopes on runoff and pollutant removal efficiency [J]. Advances in Water Science, 2011,22(1):112-117.

[16] 趙 鵬,胡艷芳,林峻宇.不同河岸帶修復(fù)策略對(duì)氮磷非點(diǎn)源污染的凈化作用[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35(7):2160-2170.

Zhao P, Hu Y F, Lin J Y. Reduction rate of nitrogen and phosphorus non-point source pollution under different riparian buffer restoring strategies [J]. China Environmental Science, 2015,35(7):2160-2170.

[17] 肖培青,姚文藝,王國(guó)慶,等.植被作用下土壤抗剪強(qiáng)度和徑流侵蝕力的耦合效應(yīng)[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2016,27(2):224-230.

Xiao P Q, Yao W Y, Wang G Q, et al. Effects of soil shear strength and runoff erosivity on slopes with different vegetation cover [J]. Advances In Water Science, 2016,27(2):224-230.

[18] Zhang Y F, Zhao Q H, Cao Z H, et al. Inhibiting Effects of Vegetation on the Characteristics of Runoff and Sediment Yield on Riparian Slope along the Lower Yellow River [J]. Sustainability, 2019,11(13):1-16.

[19] Kavian A, Saleh I, Habibnejad M, et al. Effectiveness of vegetative buffer strips at reducing runoff, soil erosion, and nitrate transport during degraded hillslope restoration in northern Iran [J]. Land Degradation & Development, 2018,29(9):3194-3203.

[20] 陳吉泉.河岸植被特征及其在生態(tài)系統(tǒng)和景觀中的作用[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 1996,7(4):439-448.

Chen J Q. Riparian vegetation characteristics and their functions in ecosytems and landscapes [J]. Chinese journal of applied ecology, 1996,7(4):439-448.

[21] 程昌錦,張 建,雷 剛,等.湖北丹江口庫(kù)區(qū)濱水植被緩沖帶氮磷截留效應(yīng)[J]. 林業(yè)科學(xué), 2020,56(9):12-20.

Chen C J, Zhang J, Lei G, et al. Interception of N and P by the buffer zone of waterfront vegetation in Danjiangkou Reservoir Area of Hubei [J]. Scientia Silvae Sinicae, 2020,56(9):12-20.

[22] 孫東耀,仝 川,紀(jì)欽陽(yáng),等.不同類型植被河岸緩沖帶對(duì)模擬徑流及總磷的消減研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2018,38(6):2393-2399.

Sun D Y, Tong C, Ji Q Y, et al. Reduction of simulated runoff and total phosphorus in different vegetation riparian buffer [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2018,38(6):2393-2399.

[23] Petersen C, Jovanovic N, Grenfell M. The effectiveness of riparian zones in mitigating water quality impacts in an agriculturally dominated river system in South Africa [J]. African Journal of Aquatic Science, 2020,45(3):1-14.

[24] 王少平,俞立中,許世遠(yuǎn),等.上海青紫泥土壤氮素淋溶及其對(duì)水環(huán)境影響研究[J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2002,(6):554-548.

Wang S P, Yu L Z, Xu S Y, et al. Nitrogen leaching in the purple clay and analysis on its influence on water environmental quality in shanghai [J]. Resources and Environment in the Yang tze Basin, 2002,(6):554-548.

[25] 魏子新,翟剛毅,嚴(yán)學(xué)新,等.上海城市地質(zhì)圖集[M]. 北京:地質(zhì)出版社, 2010.

Wei Z X, Zhai G Y, Yan X X, et al. Shanghai urban geological atlas [M]. Beijing:Geological Publishing House, 2010.

[26] Rossman L. Storm water management model reference manual Volume I – Hydrology [M]. U.S. Environmental Protection Agency Office of Research and Development National Risk Management Laboratory Cincinnati, OH 45268, 2015:30-39.

[27] 房國(guó)良,高 原,徐連軍,等.上海市降雨變化與災(zāi)害性降雨特征分析[J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2012,21(10):1270-1273.

FANG G, GAO Y, XU L, et al. Analysis of precipitation change and the characteristics of disaster rainfalls in shanghai [J]. Resources and Environment in the Yangtza Basin, 2012,21(10):1270-1273.

[28] 熊麗君,黃 飛,徐祖信,等.基于SWMM模型的城市排水區(qū)域降雨及地表產(chǎn)流特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2016,(11):3659-3666.

Xiong L J, Huang F, Xu Z.X., et al. Characteristics of rainfall and runoff in urban drainage based on the SWMM model [J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016,(11):3659-3666.

[29] GBT33469-2016 耕地質(zhì)量等級(jí) [S].

GBT33469-2016 Cultivated land quality grate [S].

[30] 樊才睿.呼倫湖流域不同放牧制度下降雨試驗(yàn)?zāi)M與植被截留研究[D]. 呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué), 2014.

Fan C R. Rainfall simulation and grass canopy interception of Hulun watershed under different grazing sustems [J]. Huhhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2014.

[31] Xu Z X, Xiong L J, Li H Z, et al. Runoff simulation of two typical urban green land types with the Stormwater Management Model (SWMM): sensitivity analysis and calibration of runoff parameters [J]. Environmental monitoring and assessment, 2019,191(6):343.1-16.

[32] HJ 636-2012 水質(zhì)總氮的測(cè)定堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法 [S].

HJ 636-2012 Water quality-Determination of total nitrogen- Alkaline potassium persulfate digestion UV spectrophotometric method [S].

[33] 吳建強(qiáng),黃沈發(fā),吳 健,等.緩沖帶徑流污染物凈化效果研究及其與草皮生物量的相關(guān)性[J]. 湖泊科學(xué), 2008,(6):761-5.

Wu J Q, Huang S F, Wu J, et al. Pollutant removal efficiency of sward buffers to runoff and the correlation with biomass [J]. Journal of Lake Sciences, 2008,(6):761-765.

[34] Rossman L A, Huber W C. Storm water management model reference manual Volume I – Hydrology [J]. United States Enviromental Protection Agency, 2016:1-233.

[35] Burszta-Adamiak E, Mrowiec M. Modelling of green roofs' hydrologic performance using EPA's SWMM [J]. Water Science and Technology, 2013,68(1):36-42.

Distribution of water and TN loads in buffer strips under different rainfall characteristics.

XIONG Li-jun, WU Jian-qiang, HUANG Shen-fa*

(Shanghai Academy of Environmental Sciences, Shanghai 200233, China),, 2022,42(4)：1837～1846

On-site monitoring, mass balance, correlation analysis and other tools were adopted to investigate the correlation between water distribution and rainfall/soil factors, and then determine the partition coefficients between water and TN pollution load removal at three typical vegetation buffers. The results showed that runoff at outlet of strips was highly positively correlated with rainfall depth (0.980～0.987,<0.01), and seepage was significantly positively correlated with rainfall depth and rainfall duration (0.595～0.828,<0.01). The average runoff coefficients under moderate rain, heavy rain and storm were 0.10, 0.36 and 0.72, and the average interception coefficients of TN load were 11.0, 8.2 and 4.5mg/(m2·mm) respectively. The removal effects of runoff and TN load decreased with the increase of rainfall depth. Under moderate-heavy rain and storm, the water distribution of vegetation buffer strips was mainly characterized with seepage (coefficient: 0.48～0.71) and runoff at outlet (coefficient: 0.69～0.74). The TN load removal by vegetation buffer strips under moderate rain, heavy rain and rainstorm was mainly characterized with soil infiltration, accounting for 56%, 44% and 20% of the inflow-load respectively. The vegetation with stems and leaves covering the ground and fine roots had better effect on water and pollution removal for Farmland Runoff and its pollution. The buffer strips planted withhad the best removal effect on water andhad the best removal effect on TN load, up to 60% and 61% respectively. Even in the plain river network area with high groundwater level, the soil infiltration of vegetation buffer strips still greatly contributes to the runoff and TN load reduction, especially in the areas with high frequency of rainfall less than 50mm. The results provided data support for the differential evaluation of runoff pollution reduction under the influence of rainfall and vegetation, and worth referencing for the control of runoff pollution by buffer strips under different rainfall characteristics.

vegetation buffer strips；rainfall characteristics；vegetation soil system；runoff；seepage；TN load

X522

A

1000-6923(2022)04-1837-10

熊麗君(1977-),女,江蘇省靖江市人,高級(jí)工程師,博士,主要從事水文水資源及面源污染、低影響開(kāi)發(fā)、生態(tài)環(huán)境規(guī)劃等研究.發(fā)表論文40篇.

2021-10-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51979168);上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(19ZR1443900)

*責(zé)任作者, 教授級(jí)高級(jí)工程師, huangsf@saes.sh.cn