大清河流域河岸植被帶污染物凈化能力研究

趙奕博， 尹 釗， 史常青， 于 洋， 張 艷

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083；2.河北省承德市灤平縣政府辦，河北 承德 068250；3.北京林業(yè)大學水土保持國家林業(yè)和草原局重點試驗室，北京 100083；4.北京林業(yè)大學北京市水土保持工程技術(shù)研究中心，北京 100083)

當前，全球范圍內(nèi)近50%的地表水資源已經(jīng)受到面源污染的影響，因種植業(yè)的化肥、農(nóng)藥等要素的過量施用以及養(yǎng)殖業(yè)畜禽糞便的亂排亂放，出現(xiàn)了氮、磷、鉀等養(yǎng)分的過剩，超過了農(nóng)田的養(yǎng)分負荷，這些遺留在土壤中的過剩養(yǎng)分在雨水等作用下進入水體，從而產(chǎn)生了地表水的污染。農(nóng)業(yè)面源污染是我國長期存在的生態(tài)環(huán)境問題，水體中的氮、磷含量嚴重超標會導致水體中大量水生生物的異常繁殖，從而導致水質(zhì)惡化，水體的生態(tài)平衡遭到嚴重破壞。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中治理非點源污染最常采用方式就是建立河岸植被帶。河岸植被帶是指河水與陸地交界處兩邊，及直至河水影響消失為止的地帶。河岸植被帶包括顯著影響水生生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量交換的陸地生態(tài)系統(tǒng)部分，是陸地生態(tài)系統(tǒng)向水生生態(tài)系統(tǒng)的過渡地帶，在改善生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的功能完整性、控制水體富營養(yǎng)化、沼澤化、確保飲水水源安全等方面有著十分重要的意義。河岸植被帶可以通過植物的截留、吸附以及土壤的滲透作用來調(diào)節(jié)隨徑流進入河流生態(tài)系統(tǒng)的各種面源營養(yǎng)物質(zhì)，從而達到控制河流中各種營養(yǎng)物質(zhì)以及化學元素的含量；并且通過滯留、降低流速和沉降泥沙，從而有效減少或降解來自陸地的面源污染物對于河流的污染，起到凈化水質(zhì)的作用。然而世界上很多河岸植被帶都遭到不同程度的破壞，使得河流水質(zhì)下降，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，對于河岸植被帶的管理和保護已經(jīng)成為焦點問題。

國外對河岸植被帶的研究起步很早，從20世紀80年代初起，國外學者針對河岸帶對河溪養(yǎng)分輸入控制方面就開始了研究。在河岸植被帶對溪流養(yǎng)分輸入控制方面，已經(jīng)取得諸多研究成果。河岸植被帶對含氮、磷元素污染物的凈化，主要通過一系列的物理、化學和生物過程進行。其中，物理過程發(fā)生于地表徑流中的氮素和磷素，這些顆粒態(tài)的污染物通過沉積和滲透等方式實現(xiàn)在河岸植被帶上的截留；而另一部分可以滲透進土壤中并且溶解于壤中流的氮素和磷素，主要通過一系列的生物化學過程包括植物的吸收、微生物的反硝化作用以及土壤吸附等實現(xiàn)植被帶對氮素的截留和轉(zhuǎn)化。

較之國外相關(guān)研究進展，國內(nèi)開展河岸植被帶的研究起步較晚，重點聚焦在河岸帶截留、轉(zhuǎn)化面源污染物的效果研究。相關(guān)研究表明，栽植草本、灌木和灌草的河岸植被帶對阻控地表徑流、降低徑流中懸浮顆粒物濃度、質(zhì)量和氮磷質(zhì)量均有很好的效果。Zhang等以遼河流域為例，通過對比河岸植被帶流入和產(chǎn)出水樣中N、P元素的含量，計算不同植物類型的元素轉(zhuǎn)化效率。湯家喜等從植物類型及其植被帶寬度、植物季節(jié)變化、土壤酶活性以及微生物群落變化等方面，探究草木犀帶、草木犀與楓楊混合帶(林草帶)和雜草帶(對照)對農(nóng)業(yè)非點源污染中氮、磷的阻控效果。已有研究表明，河岸植被帶對降雨徑流中不同形態(tài)氮磷的消減效果存在一定的差異，尤其受土壤類型、植被配置等因素的影響而表現(xiàn)出不同的規(guī)律。目前，白洋淀上游河岸植被帶面源污染凈化能力的研究較少，亟須開展相關(guān)研究。

本文以大清河流域河岸植被帶為研究對象，從河岸植被帶截留、凈化面源污染的生態(tài)功能角度探討植被帶植被的構(gòu)建模式，評價不同植被配置模式氮、磷和泥沙凈化能力，研究結(jié)果為該區(qū)域面源污染的阻控及生態(tài)修復(fù)技術(shù)設(shè)計提供參考，并為地方制定防治面源污染規(guī)劃提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于白洋淀大清河流域，流域總面積43 060 km。大清河發(fā)源于太行山，西起太行山區(qū)東麓，東至渤海灣，南至子牙河，北臨永定河，總體呈扇形分布。大清河水系總長度483 km，流域內(nèi)主要有南拒馬河、潴龍河、白溝引河和瀑河等。地勢自西北向東南傾斜，西部屬太行山脈，東部屬華北平原。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季特征分明。冬季寒冷干旱少雪，夏季炎熱多雨，春季多風少雨，秋季較為涼爽。年內(nèi)降水分布極不均勻，大部分降雨量以暴雨的形式集中于7-8月，易產(chǎn)生旱澇等自然災(zāi)害。土壤類型主要為山地棕褐土、山地粗骨土和耕作褐土。常見的鄉(xiāng)土植物主要有刺槐()、連翹()、胡枝子()、狗牙根()、二月蘭()等。

1.2 試驗方法

(1) 植物配置與種植。植物種類的選擇遵循以本土植物為主，兼具生態(tài)適應(yīng)性、經(jīng)濟實用性和物種多樣性原則，同時還應(yīng)滿足河岸植被帶凈化污染物、保持水土和改善立地的功能，最終選擇2種草本和1種灌木，即黑麥草()、狗牙根()和胡枝子()，設(shè)置草本、灌木、混草、灌草等5種不同的植物配置模式，每種配置模式設(shè)置3次重復(fù)，試驗采用裸土坡面作為試驗對照,植物配置見表1。

表1 植物配置表

試驗采用南拒馬河河岸緩沖帶自然土壤，使得模擬試驗?zāi)軌蚋訙蚀_地展現(xiàn)實際栽種效果。通過對當?shù)睾影吨脖粠嶋H取樣分析，在栽植的過程中，表土含水量稍高于底土含水量，經(jīng)過壓實后土壤容重與自然狀況近似，土壤容重為1.5 g/cm。

植被種植時間為2019年6月初，草本和胡枝子的種子均按照植物組合比例混合后采用撒播的方式進行種植，不同植物配置模式的播種量及草本最終表現(xiàn)比例見表2，植物最終平均株高為8 cm；植物生長過程中不施肥，適時除草、澆水，待植物生理狀態(tài)穩(wěn)定開始放水沖刷模擬試驗。本試驗未考慮試驗裝置帶來的邊界效應(yīng)。

表2 各植物種植密度及最終表現(xiàn)比例

(2) 放水沖刷試驗布設(shè)。試驗采用自制沖刷裝置開展模擬放水沖刷試驗，徑流沖刷裝置見圖1。沖刷裝置由攪拌桶、攪拌器、沖刷裝置、侵蝕槽4部分構(gòu)成，侵蝕槽規(guī)格為1.0 m×1.2 m，每個侵蝕槽包含3個單獨小種植槽，單獨小種植槽規(guī)格為1.0 m×0.4 m，槽深0.2 m。以實際河岸緩沖帶的坡度為依據(jù)，設(shè)置侵蝕槽坡度為20°。

圖1 試驗裝置示意

為了模擬當?shù)孛嬖次廴镜奶卣鳎囼炛性O(shè)置不同濃度的氮、磷面源污染物(表4)，通過添加泥沙、尿素、磷酸二氫鉀模擬3類、5類、劣5類水質(zhì)(表4)。共計開展6組試驗。于2019年9—10月開展模擬徑流沖刷試驗，試驗開始前將水桶裝滿水，利用流量計將水、泥沙、尿素(CO(NH))、磷酸二氫鉀(KHPO)按照設(shè)置的比例在攪拌桶中攪勻備用。試驗過程中，為形成均勻的薄層水流，控制試驗徑流流速為0.1 L/min，徑流深為1 mm，待匯流口出流穩(wěn)定10 min后連續(xù)采集3個樣品，水樣采回后-4 ℃保存并及時測定。每種配置模式設(shè)置3次重復(fù)，共計開展6組試驗。

表3 面源污染物進水濃度 單位：mg/L

表4 試驗配比

(3) 樣品測定。待收集的樣品沉淀、過濾分離后，取200 mL上清液用于測定水樣中的總氮、硝氮、氨氮、總磷。水樣中總氮含量的測定采用過硫酸鉀氧化—紫外分光光度計法，總磷采用過硫酸鉀氧化—鉬藍比色法，氨氮采用納氏試劑分光光度法，硝氮采用紫外分光光度法。將過濾得到的泥沙樣品，放置烘箱中烘干后測定不同試驗組的泥沙含量。根據(jù)公式(1)計算各污染物的濃度消減率。

(1)

式中：為污染物質(zhì)量濃度削減率(%)；為入流污染物質(zhì)量濃度(mg/L)；為出流污染物質(zhì)量濃度(mg/L)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2019和SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。利用Origin軟件對處理好的數(shù)據(jù)進行圖表的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物配置模式對總氮和總磷的凈化效率

大清河流域上游河岸緩沖帶大面積種植農(nóng)作物，入河徑流中攜帶大量的氮磷污染物。植物具有較好的凈化污染物功能，不同植被配置模式對總氮和總磷的凈化效率見圖2。灌草配置模式和混草配置模式對于不同濃度的氮素和磷素凈化效率較好；單一草本植物的凈化效率次之；單一灌木最低。具體表現(xiàn)為灌草>混草>單一草本>單一灌木。

圖2 不同植物配置模式對不同濃度總氮和總磷的凈化效率

在單一草本植物中，二者無顯著性差異，其中狗牙根在各濃度條件下的凈化效率均略高于黑麥草，結(jié)果表現(xiàn)為狗牙根的總氮和總磷凈化效率分別為6.96%和10.88%，而黑麥草的凈化效率分別為6.06%和9.96%。灌木植物胡枝子在各濃度總氮和總磷的凈化效率上均比2種單一草本要低，呈顯著性差異(<0.05)，平均凈化效率為總氮4.16%，總磷6.97%?；觳莺凸嗖菽Ｊ街泻ψ印凉费栏梁邴湶菘偟涂偭椎膬艋首罡?，相對于其他配置模式呈顯著性差異(<0.05)，分別為氮低濃度13.53%，氮中濃度13.20%，氮高濃度11.20%，磷低濃度19.48%，磷中濃度16.87%，磷高濃度13.13%，其總氮、總磷的平均凈化效率分別為12.64%，16.49%，較裸土分別提升10.84%，13.31%。

2.2 不同植物配置模式對氨氮和硝氮的凈化效率

由圖3可知，灌草配置模式和混草配置模式對于不同濃度的硝氮和氨氮的凈化效率較好；單一草本植物的凈化效率次之；單一灌木最低。具體表現(xiàn)為灌草>混草>單一草本>單一灌木。

圖3 不同植物配置模式對不同濃度氨氮和硝氮的凈化效率

在單一草本植物中，黑麥草和狗牙根間無顯著性差異，其中黑麥草表現(xiàn)出較好的平均凈化效果，氨氮和硝氮的平均凈化率分別為10.11%，9.54%，當污染物濃度為硝氮中濃度時狗牙根的凈化率高于黑麥草，分別為10.13%，9.41%。灌木植物胡枝子的平均凈化效率較低，氨氮、硝氮的凈化效率分別為6.00%，7.13%，相對于其他植被配置模式呈顯著性差異(<0.05)。灌草和混草植物配置模式對于各濃度下的氨氮和硝氮的凈化效果間均無顯著性差異，而相對于單一草本和單一灌木存在著顯著性差異(<0.05)，狗牙根×黑麥草的混草配置模式具有較好的高濃度氨氮凈化效率(11.10%)。除氨氮高濃度外，灌草配置模式胡枝子×狗牙根×黑麥草的凈化效率較高，分別為低濃度氨氮12.75%，中濃度氨氮12.08%，低濃度硝氮16.96%，中濃度硝氮15.70%，高濃度硝氮11.27%，且表現(xiàn)出最佳的氨氮和硝氮凈化效果，平均凈化率分別為氨氮11.93%，硝氮14.64%，較裸土分別提升9.64%，12.36%。

河岸植被帶對于總氮、總磷、氨氮和硝氮的去除效率均表現(xiàn)為低濃度>中濃度>高濃度，這一定程度表明植物帶對于氮磷面源污染物的去除是有一定的限度的，在面源污染物濃度較高的時候，河岸植被帶對于面源污染物的總體凈化效率降低。

2.3 不同植被配置模式對泥沙的截留效率

植被具有攔截泥沙的功能，由于植物的阻擋作用，使得對徑流前進的阻力增大，水流速度降低，進而導致泥沙顆粒產(chǎn)生淀積，從而達到清水產(chǎn)流的效果。由圖4可知，單一草本植物、灌草配置模式和混草配置模式對于不同含沙量徑流的泥沙截留效率均較好；單一灌木配置模式最低，具體表現(xiàn)為灌草≈混草>單一草本>單一灌木。

圖4 不同植物配置模式對泥沙的截留效率

灌草和混草植物配置模式對于各濃度下的泥沙的截留效果間均無顯著性差異，而相對于單一草本和單一灌木存在著顯著性差異(<0.05)，當徑流挾沙量為低濃度和高濃度時，灌草配置模式胡枝子×狗牙根×黑麥草 表現(xiàn)出最高的截留效率，分別為58.50%和36.33%；當徑流挾沙量為中濃度時，狗牙根×黑麥草的混草配置模式的截留效率最好，數(shù)值為52.67%，灌草配置模式的凈化效率略高于混草，平均截留效率為49.05%，較裸土提升了46.43%。在單一草本植物中，黑麥草和狗牙根間無顯著性差異，狗牙根的平均截留效率高于黑麥草，分別為34.20%和27.89%。單一灌木胡枝子的平均泥沙截留效率較低，僅為9.94%。

此外，對比分析徑流挾帶低中高濃度泥沙的試驗結(jié)果可知，河岸植被帶對于泥沙的去除效率表現(xiàn)為低濃度>中濃度>高濃度，表明植物帶對于泥沙的去除效果在一定濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出較好的效果，當泥沙濃度過高時，植物的截留效率降低。

3 討 論

河岸植被帶可以通過一系列物理、化學、生物及生物化學過程實現(xiàn)對氮磷面源污染物的凈化作用，包括物理沉降、植物根系吸收、反硝化作用等。本研究選取3種草本和3種灌木，構(gòu)建多種植物配置模式，通過模擬徑流沖刷試驗，分析對比不同植物配置模式對不同面源污染物及泥沙的凈化截留效率。從結(jié)果中可以看出，復(fù)合植被配置比單一植被配置對于面源污染物及泥沙的凈化截留效率要高，這是由于將多種植物組合在一起，共同生長一段時間后，其中存在的互利共生關(guān)系達到穩(wěn)定，形成群落后，共同發(fā)揮各種生態(tài)效益，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，生物多樣性、生物量、抗逆性、景觀觀賞性等方面均可超過單一植物的種群，這與孫東耀等在九龍江上游北溪龍巖段的研究和楊波等在遼河的研究中所得出的結(jié)論相一致；此外，本次試驗中不同植被配置模式對面源污染物及泥沙的凈化截留效率大小一般表現(xiàn)為灌草配置模式>混草配置模式>單一草本配置模式>單一灌木配置模式，這與李凱等在研究密云水庫庫濱帶對面源污染物影響中所得出的結(jié)論相似。灌草配置模式的截留效率較高，主要是由于灌草相較于單一的植被具有較高物種多樣性和植物蓋度，植被現(xiàn)存量較為穩(wěn)定，是河岸帶首選的植被類型，這與李萍萍等在太湖流域東戰(zhàn)備河自然河道的研究總所得出的結(jié)論一致。因此，構(gòu)建研究區(qū)合理的河岸植物植被帶，在選取植物種類的時候，推薦選用草本植物和灌木組合來得到較好的凈化和截留效果。

河岸植被帶對地表水的凈化作用在很大程度上取決于植被帶的植被類型。單一草本對泥沙和氮磷面源污染物的截留和凈化效率均高于單一灌木，從泥沙的角度來看，這是因為草本對于淺層土壤有著固化作用，與李林英等的研究結(jié)果一致；而從氮磷面源污染物的角度來看，這是因為草本植被通常在相同的生長期內(nèi)具有很高的覆蓋度和生物量，可以更多地吸收流經(jīng)水體中的營養(yǎng)鹽，同時地下根系分布更深，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、磷等營養(yǎng)物以及有毒有害物質(zhì)，生長濃密的草本植物可以對徑流起到更佳的阻截效果，從而增大氮磷面源污染物沉降的量，提高凈化效率，這與胡威等的研究結(jié)果相一致。植被覆蓋與否是決定河岸植被帶顆粒物凈化功能的關(guān)鍵，草本植物相對灌木來說有著更高的地表植被覆蓋率，在截留地表水中懸浮顆粒物、泥沙、沉積物等顆粒物有著更出色的能力，這與吳堯?qū)W術(shù)數(shù)據(jù)庫中所收集的資料的研究中得出的結(jié)論一致。

在單一草本中，狗牙根對氮磷面源污染物和泥沙的凈化效率最佳，這是由于狗牙根具有發(fā)達的根狀莖或匍匐莖，每個莖節(jié)都長出不定根，增加對徑流的阻擋效率，有效降低地表流速，增加地表徑流中的顆粒態(tài)氮磷和泥沙的沉降量，從而達到對氮磷面源污染物和泥沙更佳的凈化效率，與段誠的研究結(jié)果一致；狗牙根生長繁茂，對地表徑流和土壤中的氮和磷周轉(zhuǎn)速率快于其他植被類型，這與楊文航等在丹江口研究狗牙根對于營養(yǎng)元素中氮和磷周轉(zhuǎn)速率的研究結(jié)論相似。在單一灌木配置模式中，胡枝子屬于半灌木或灌木，具有很強的適應(yīng)性，對改善土壤理化性質(zhì)和營養(yǎng)狀況效率明顯，加強了土壤對于面源污染物的吸附作用，是適合其他植物種生長的理想先鋒物種，與孫清斌等的研究結(jié)果一致。

不同污染物之間比較，不同河岸帶植被對總磷的凈化效率普遍最高。與氮相比，磷元素移動性差，相當數(shù)量的磷被吸附在固體顆粒物上，在地表徑流流經(jīng)河岸植被帶時被截留沉降，這與趙警衛(wèi)等在徐州市銅山區(qū)三堡鎮(zhèn)奎河東側(cè)的河岸帶得研究中所得出的結(jié)論一致。

4 結(jié) 論

(1)草本植物的凈化效果優(yōu)于灌木植物，具體表現(xiàn)為狗牙根對總磷、總氮和泥沙的凈化效率最佳，分別為10.88%，6.96%，34.2%，黑麥草對氨氮和硝氮的凈化效率最佳，分別為10.11%和9.54%。

(2)灌草和混草的植物配置模式能有效減少面源污染，其中以胡枝子×狗牙根×黑麥草的配置模式的凈化效果最佳，對總磷、總氮、氨氮、硝氮和泥沙的凈化效率分別較裸土提高了13.31%，10.84%，9.64%，12.36%，46.43%。

(3)灌草和混草的植物配置模式較單一的植被有更好的凈化效果。