植被緩沖帶對烏梁素海區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染的削減效果

史中奇， 王 猛， 譚 軍， 丁勝利， 賈冰冰，刁風(fēng)偉， 羅俊清， 侯亞州， 王立新， 郭 偉

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，蒙古高原生態(tài)學(xué)與資源利用教育部重點實驗室，草原生態(tài)安全省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境污染控制與廢物資源化重點實驗室，呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)水利發(fā)展中心烏拉特分中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 014400；3.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)水利發(fā)展中心烏拉特分中心九排干溝排水所，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 014400)

面源污染已經(jīng)成為主要的危害全球水質(zhì)安全的因素，而在面源污染的各種類型中，農(nóng)業(yè)面源污染貢獻的污染負荷最多，平均可達50%，國內(nèi)情況亦是如此。隨著農(nóng)牧區(qū)牲畜養(yǎng)殖不斷擴大，農(nóng)業(yè)面源污染物隨著地表徑流、農(nóng)田排水和土壤入滲進入地表水和地下水，嚴重影響周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、水體質(zhì)量及農(nóng)村居民健康。烏梁素海作為河套灌區(qū)唯一的受納水體，承擔(dān)了灌域內(nèi)90%以上的農(nóng)田排水，其中，攜帶的可溶性鹽類會引起土壤鹽分的累積，造成土壤鹽漬化。由于該地區(qū)農(nóng)田退水由西側(cè)排入烏梁素海，使得湖濱西岸的鹽漬化程度高于東岸，在鹽漬化的影響下導(dǎo)致其湖濱帶植被嚴重退化。

國外在農(nóng)業(yè)非點源污染治理上積累了40多年的研究經(jīng)驗，有豐富的實例和關(guān)鍵技術(shù)，植被緩沖帶通常被用作緩解農(nóng)業(yè)區(qū)面源污染，被認為是一種防治面源污染的最佳管理措施(BMP)，這為我國在農(nóng)業(yè)面源污染方面的治理提供了參照。植被緩沖帶通過種植植物達到攔截面源污染物和防止土壤流失的目的，可改善河流和湖泊的水質(zhì)，提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生物多樣性，發(fā)揮景觀作用和經(jīng)濟美學(xué)功能。植物種類、寬度、坡度、進水流量等可顯著影響植被緩沖帶的截污效果。美國農(nóng)業(yè)部自然資源保護局(NRCS)建議，為了減少徑流中泥沙等顆粒物、溶解態(tài)污染物和病原體，植被緩沖帶的最小寬度約為7 m。Valkama等認為，>50 m的緩沖帶比<25 m的緩沖帶更能持續(xù)地去除氮。在12 m緩沖帶范圍內(nèi)，木質(zhì)植被對氮、磷的有效去除率分別為43%和36%，灌木的去除率分別為41%和32%，草本植物則分別為21%和17%。目前，土壤鹽漬化問題導(dǎo)致烏梁素海地區(qū)湖濱帶植被退化嚴重，降低了對農(nóng)業(yè)面源污染的阻控作用，而國內(nèi)外關(guān)于利用不同鹽生植物種類和配置構(gòu)建植被緩沖帶對農(nóng)業(yè)面源污染物質(zhì)削減效果的研究還較少。

采用不同鹽生植物種類和配置構(gòu)建植被緩沖帶對烏梁素海地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染中的氮、磷和COD的削減效果，擬合計算出植被緩沖帶最佳寬度，篩選適合該地區(qū)構(gòu)建植被緩沖帶的鹽生植物種類，以期為烏梁素海地區(qū)植被緩沖帶的構(gòu)建提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

現(xiàn)場試驗區(qū)建在烏梁素海九排干入湖處岸旁空地(108°48′11″E，40°56′54″N)。該地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，四季溫差大，1月氣溫最低，7月氣溫最高，年平均氣溫5.2～8.5 ℃，降水量較少，6—9月為豐水期，年均降水量215～225 mm。九排干是由烏梁素海西側(cè)入湖，主要排水為農(nóng)田退水，是烏梁素海的直接補給源。試驗區(qū)的土壤呈堿性，為堿化栗鈣土。土壤pH為8.61，全鹽量為5.69 g/kg，堿解氮含量為4.35 mg/kg，全磷、全氮、有效磷、速效鉀含量分別為0.65，0.44，0.009，0.18 mg/g。

試驗區(qū)共設(shè)計了5條植被緩沖帶，分別為：(1)無植物空白條帶即對照條帶；(2)蘆葦條帶(栽植密度為0.15 m×0.15 m)；(3)堿蓬條帶(播種量為20 g/m)；(4)蘆葦—堿蓬混播條帶(蘆葦栽種密度0.3 m×0.3 m，堿蓬播種量為10 g/m)；(5)檉柳條帶(2年生苗木，栽植密度為0.25 m×0.25 m)。蘆葦、堿蓬和檉柳均耐鹽堿，具有較強的抗逆性，是內(nèi)蒙古烏梁素海地區(qū)常見的鹽生植物。

每條植被緩沖帶長20 m、寬1.5 m，坡度為2°。相鄰2條植被緩沖帶之間用防滲膜隔開防止?jié)B流水互相干擾，在地表上鋪設(shè)混凝土磚以去除徑流水相互影響。從進水口沿水流方向沿程居中設(shè)置了7組材質(zhì)為PVC的地表徑流采樣管和地下50 cm處滲流采樣管，滲流采樣管周圍填放礫石(圖1)。

分別對5條緩沖帶進行試驗，試驗用水來自試驗區(qū)前的九排干溝揚水站，并添加適量的碳酸氫銨、磷酸二氫鉀和葡萄糖調(diào)節(jié)農(nóng)田退水至平均濃度，TN、TP、COD濃度分別為4.5，0.27，270 mg/L。試驗前使用攪拌機將水和藥品充分混勻。每個試驗條帶的過水時間為50～60 min，同時收集徑流和滲流水樣，帶回實驗室測定。2020年5月種植植物，2020年7—10月共進行了4次監(jiān)測。

1.2 測定方法

收集的水樣TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，TP采用鉬酸銨分光光度法測定，COD采用快速消解分光光度法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

為分析植被緩沖帶對農(nóng)業(yè)面源污染物的削減效果，以污染物削減率作為評價標(biāo)準，計算公式為：

式中：為測量位置的污染物削減率(%)；為污染物的初始濃度(mg/L)；為測量位置的污染物濃度(mg/L)。污染物的削減率最大值為100%。

所有數(shù)據(jù)使用Excel 2007軟件計算平均值和標(biāo)準誤差，Origin 2019b軟件繪制折線圖和非線性擬合曲線。

圖1 試驗緩沖帶設(shè)計與采樣點分布

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被緩沖帶對TN的削減效果

由圖2可知，隨著沿程采樣點距離不斷增加，各緩沖帶徑流和滲流水中TN的濃度逐漸降低，蘆葦、堿蓬、混播和檉柳緩沖帶中末端(20 m)徑流TN的濃度為2.09～2.21 mg/L，滲流TN的濃度為0.91～1.37 mg/L。隨著取樣距離增加，各植被緩沖帶對徑流和滲流水中TN的削減率逐漸增加，后段(12～20 m)的削減率趨于平緩；無植物空白緩沖帶的削減率與植被緩沖帶削減規(guī)律不同，呈現(xiàn)沿程較低水平波動。各植被緩沖帶的徑流TN削減率為50.85%～53.56%，平均削減率為52.76%；滲流TN的削減率為69.66%～79.17%，平均削減率為76.25%。植被緩沖帶相比于裸地增加了對徑流和滲流中TN的滯留作用，植被緩沖帶對滲流水中TN表現(xiàn)出更好的削減能力。當(dāng)徑流水流經(jīng)植被緩沖帶時，植物及其周圍土壤能夠在短時間快速截留和吸附TN，而滲流水經(jīng)過更長時間與土壤、植物和微生物的相互作用，能夠削減更多的氮素。

圖2 不同植被緩沖帶對徑流和滲流TN濃度和削減率的影響

2.2 不同植被緩沖帶對TP的削減效果

由圖3可知，5種不同緩沖帶徑流水和滲流水中TP的濃度和削減率的變化規(guī)律與TN大致相同。緩沖帶末端取樣點的徑流TP濃度為0.102～0.122 mg/L，滲流TP濃度為0.045～0.074 mg/L。各植被緩沖帶的徑流沿程削減率由高到低為蘆葦(62.37%)>堿蓬(61.56%)>檉柳(55.52%)>混播(55.00%)。蘆葦緩沖帶對滲流水中TP的削減效果最好，削減率達到了83.25%，其余3種植被緩沖帶的沿程削減率均超過了70%。植被緩沖帶的存在對TP具有較好的滯留作用，顯著改善了徑流和滲流水中TP的削減效果，相比較于徑流水，對滲流水TP表現(xiàn)出更好的削減作用。徑流過程中植物攔截作用導(dǎo)致顆粒磷沉降或被吸附，從而將磷素滯留在緩沖帶中；滲流過程中，由于磷是植物和微生物必需的大量元素，在下滲到土壤后可被植物或微生物利用，或被土壤吸附固定，從而實現(xiàn)對磷素的削減作用。

圖3 不同植被緩沖帶對徑流和滲流TP濃度和削減率的影響

2.3 不同植被緩沖帶對COD的削減效果

由圖4可知，總體上，植被緩沖帶對COD的影響趨勢與TN和TP相似。各緩沖帶末端取樣點徑流中COD的濃度為混播(152.8 mg/L)>檉柳(146.7 mg/L)>蘆葦(139.95 mg/L)>堿蓬(133.56 mg/L)，而削減率最高為堿蓬緩沖帶(50.53%)，蘆葦、檉柳與混播的削減率相近，均超過了40%。各植被緩沖帶末端取樣點滲流中COD濃度為88.2～109.1 mg/L，沿程削減率由高到低為堿蓬(67.34%)>蘆葦(66.35%)>混播(61.39%)>檉柳(59.59%)。與無植物空白緩沖帶相比，植被緩沖帶對徑流水和滲流水COD的削減效果均有明顯提高，還原性物質(zhì)一方面被植物滯緩，吸附在土壤顆粒上在徑流過程中減少；另一方面隨著水流下滲在土壤中被吸附或者被植物與微生物吸收、利用和分解。

2.4 最佳寬度的確定

持續(xù)增加植被緩沖帶的寬度并不能顯著提高污染物的滯留率，甚至?xí)?dǎo)致削減率降低，同時，土地資源有限、兼顧人力物力財力等成本，緩沖帶的寬度不宜太寬，故而合理構(gòu)建緩沖帶的寬度是有效控制農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)鍵。對植被緩沖帶徑流中TN、TP和COD的削減率和沿程距離進行擬合(表1)。徑流水中TN、TP和COD的削減率分別達到50%，60%，50%時，各植被緩沖帶的寬度為最佳寬度，各結(jié)果中相關(guān)性均在0.95以上，相關(guān)性顯著。由表1可知，為保證TN、TP和COD均達到擬合的目標(biāo)削減率，蘆葦緩沖帶、堿蓬緩沖帶、混播緩沖帶和檉柳緩沖帶最佳寬度應(yīng)分別建為21，19，29，25 m。

3 討 論

隨著采樣距離不斷增加，植被緩沖帶對徑流水和滲流水中污染物質(zhì)的削減率，并不是隨著寬度的增加而呈線性增加，通常削減率會逐漸升高并在后程趨于平緩。本研究結(jié)果顯示，0～12 m植被緩沖帶削減率顯著增加，12～20 m趨于平緩。胡威等通過對3種草皮緩沖帶4，8，12，16，20 m沿程的滲流水取樣測定分析發(fā)現(xiàn)，TN和TP濃度逐漸降低，且在后段8～20 m亦呈現(xiàn)出變緩趨勢；Wanyama等在維多利亞湖周構(gòu)建了寬度為2.5，5，10 m的植被緩沖帶表明，在自然降雨條件下，70%以上的污染物被截留在5 m內(nèi)，而將緩沖帶延長至10 m削減率呈非直線增加。國內(nèi)外關(guān)于植被緩沖帶寬度對污染物削減效果影響的研究結(jié)果，總體趨勢與本文基本一致，但由于試驗中所用進水條件、植物種類及土壤、水分和氣候等生長環(huán)境等因素的不同，各植被緩沖帶對污染物削減作用的最佳寬度有所不同。

圖4 不同植被緩沖帶對徑流和滲流COD濃度和削減率的影響

表1 植被緩沖帶與各污染物削減率關(guān)系

同時，植物種類與配置也是影響植被緩沖帶對氮、磷和COD的削減效果的主要因素。本研究在鹽漬化湖濱區(qū)構(gòu)建鹽生植物緩沖帶發(fā)現(xiàn)，4種不同植物種類和配置的緩沖帶對TN、TP和COD削減效果為蘆葦和堿蓬緩沖帶優(yōu)于蘆葦—堿蓬混播和檉柳緩沖帶。Wu等構(gòu)建了長19 m的白花三葉草、狗牙根和高羊茅緩沖帶進行試驗表明，狗牙根緩沖帶對徑流水中總氮、氨氮和總磷的去除率高于三葉草和高羊茅，分別為45.7%，50.0%，43.4%；Osvaldo等研究了12 m長的草本、草灌和草灌原生樹3種緩沖帶對氮素的去除效果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過緩沖帶后，NO-N的削減率分別為67%，49%，33%，草本顯著高于草灌和草灌原生樹緩沖帶。本研究與上述結(jié)果類似，但本研究中只設(shè)置了植物配置為蘆葦—堿蓬混播的緩沖帶，當(dāng)植物的配置改變后仍會影響對污染物質(zhì)的削減效果，所以在構(gòu)建植被緩沖帶的過程中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H環(huán)境情況合理選擇植物種類與配置。另有研究表明，植物的生長和生物量也影響植被緩沖帶削減污染物的能力，植物的生物量與緩沖帶削減效果的好壞呈正相關(guān)。鹽生植物蘆葦和堿蓬的長勢較好，檉柳因是多年生灌木，種植時檉柳植株較小，而本研究期較短，直至試驗結(jié)束，檉柳生物量較少，對污染物的削減率低于蘆葦和堿蓬。

總體來看，在烏梁素海鹽漬化湖濱植被退化區(qū)重新構(gòu)建植被緩沖帶對TN、TP和COD的削減效果顯著優(yōu)于裸地。植被緩沖帶對徑流中污染物質(zhì)的削減機理主要是植物滯緩徑流和土壤顆粒物的吸附作用。在滲流過程中，氮、磷和COD主要由土壤、植物和微生物的共同作用導(dǎo)致削減效果。植物發(fā)達的根系一方面可以疏通土壤空隙，增強土壤的滲透能力，吸附、過濾部分氮、磷和COD；另一方面可為微生物提供繁殖環(huán)境，土壤中的微生物吸收利用氮磷或通過硝化和反硝化作用削減土壤中的氮，部分微生物也會分解COD；氮磷作為植物生長的重要元素，當(dāng)?shù)?、磷擴散到植物的根區(qū)時，根系會吸收其供植物生長，部分小分子的有機污染物也可以被植物利用。另外，構(gòu)建種植鹽生植物的緩沖帶后，鹽生植物能夠降低土壤鹽分的含量，改善鹽漬化土壤的物理性質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的滲透率、削減氮、磷和COD等主要污染物的含量，同時，實現(xiàn)減輕土壤鹽漬化程度和削減農(nóng)業(yè)面源污染的目的。蘆葦是典型的避鹽鹽生植物，其根部不透水、不透氣的角質(zhì)會阻止吸收環(huán)境中的鹽離子進入植物體內(nèi)，避免植株受毒害以此適應(yīng)在鹽堿環(huán)境中生存。而堿蓬作為真鹽生植物能夠從土壤中吸收大量的可溶性鹽類并儲存在植物體內(nèi)，降低土壤的鹽漬化程度。綜合蘆葦和堿蓬植被緩沖帶對TN、TP和COD的削減率以及計算出的緩沖帶最佳寬度，可以考慮將堿蓬作為重新構(gòu)建烏梁素海湖濱植被緩沖帶的首選植物。

4 結(jié) 論

(1)在鹽漬化湖濱區(qū)，構(gòu)建植被緩沖帶對農(nóng)業(yè)面源污染滲流水中TN、TP和COD的削減效果優(yōu)于徑流水，蘆葦能更有效地削減氮素和磷素，堿蓬則能更有效地降低COD。

(2)擬合結(jié)果顯示，蘆葦緩沖帶、堿蓬緩沖帶、混播緩沖帶和檉柳緩沖帶最佳寬度應(yīng)分別為21，19，29，25 m。

(3)綜合考慮，真鹽生植物堿蓬可作為烏梁素海鹽漬化湖濱區(qū)植被緩沖帶構(gòu)建的首選植物。