邊坡植物防治引黃灌渠農(nóng)業(yè)污染功能研究

韓 毅，肖 磊

（黃河園林集團有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

目前河南黃河灘區(qū)內(nèi)居住著大量的農(nóng)業(yè)人口，引黃灌渠在灘區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用［1］。與此同時，日益擴大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所引發(fā)的農(nóng)業(yè)污染問題也日益嚴重，對灌渠水體的不利影響也在加劇，直接導(dǎo)致灌渠水質(zhì)劣化、水生態(tài)環(huán)境遭到破壞。農(nóng)業(yè)污染是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中大量施用的化學肥料和高殘留農(nóng)藥，以及畜禽糞尿、塑料和地膜等農(nóng)業(yè)廢棄物中的氮、磷等有機物和無機污染物質(zhì)通過直接滲透、雨水沖刷、地表徑流而形成的污染［2］。由于降雨和灌溉，灌渠周邊的農(nóng)業(yè)污染物質(zhì)通過地表徑流和地下滲透等方式匯入灌渠水體，從而造成水體污染［3-6］。灌渠農(nóng)業(yè)污染的特點主要表現(xiàn)如下：在時間空間上呈現(xiàn)隨機性和不確定性；對水體環(huán)境的影響存在一定的滯后性；污染難以界定和有效監(jiān)測；污染具有復(fù)合多樣性。

農(nóng)業(yè)污染的本質(zhì)是生態(tài)系統(tǒng)的破壞和失衡，而植物建植是生態(tài)修復(fù)工程措施中的重要手段，其通過調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)平衡和物質(zhì)流動來控制污染物的擴散［7-8］。植物修復(fù)能有效去除來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污水徑流和土壤滲漏的污染物，是既經(jīng)濟又有效的一種生態(tài)治污工程措施。李懷恩等［9］在陜西小華山水庫岸坡地建設(shè)了3條不同配置方式的植被過濾帶，通過試驗測定了植被過濾帶對地表徑流中幾種污染物的凈化效果，分析發(fā)現(xiàn)過濾帶內(nèi)的植被條件、入流流量和入流污染物濃度是影響過濾帶凈化效果的重要因素。鐘珍梅等［10］指出以高投入、高產(chǎn)出、高排放為特征的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)在帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也帶來了一系列的環(huán)境問題，并根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》及《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》的相關(guān)數(shù)據(jù)分析了我國由化肥、農(nóng)藥、養(yǎng)殖廢棄物等產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)污染現(xiàn)狀。

隨著河南黃河推動保護治理“1562”的新發(fā)展格局，對于河南黃河的河道治理、修復(fù)河道生態(tài)環(huán)境提出了更高的要求，黃河灘區(qū)的生態(tài)修復(fù)工作已受到高度重視，并逐步開始了大規(guī)模的實踐和應(yīng)用［11-12］。在前人研究的基礎(chǔ)上，筆者依托在新鄉(xiāng)原陽堤南灌渠所設(shè)計建設(shè)的邊坡植物帶，進行了數(shù)次沖刷模擬試驗，探索了在復(fù)合農(nóng)業(yè)污染條件下，不同植物覆蓋程度、不同入流流量、不同品種的邊坡植物對模擬徑流中污染物的攔截和凈化功能，驗證了植物防護帶對農(nóng)業(yè)污染物的凈化機理，研究了邊坡植物防治引黃灌渠農(nóng)業(yè)污染的功能。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

堤南灌區(qū)位于新鄉(xiāng)原陽縣南部的黃河灘區(qū)，西起焦作市武陟縣境，東至封丘縣境，南依黃河，北臨黃河大堤。1959年國家修建花園口樞紐時在黃河北圍堤上建設(shè)了幸福渠首閘，1960年開挖堤南干渠，同年灌區(qū)開灌。灌區(qū)設(shè)計引水能力40 m3/s，總控制面積256 km2，轄7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)、178個行政村，總?cè)丝?5.02萬人，其中農(nóng)業(yè)人口24.57萬人；灌區(qū)耕地面積2.08萬hm2（包括淤改沙荒地和下灘地），目前有效灌溉面積0.95萬hm2。

灌區(qū)內(nèi)土地平整，土壤肥沃，氣候溫和，光照充足，適于各種作物生長。自幸福渠開灌以來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、生態(tài)環(huán)境得到了充分改善，農(nóng)業(yè)連年豐收，農(nóng)民收入不斷增加，社會、經(jīng)濟效益十分顯著，當?shù)厝罕姲训棠细汕H切地稱為“幸福河”。灌區(qū)引水工程已成為當?shù)夭豢扇鄙俚闹匾A(chǔ)設(shè)施，在當前和今后相當長一段時間內(nèi)擔當保障生產(chǎn)生活、維護生態(tài)環(huán)境、服務(wù)社會經(jīng)濟發(fā)展的重任。

1.2 試驗區(qū)域的規(guī)劃建設(shè)

試驗段位于河渠左岸邊坡3+000至3+100處，全長100 m，平均寬度30 m，實施區(qū)域總面積約2100 m2。該試驗段屬于堤南灌渠生態(tài)整治工程的1個展示節(jié)點，其中的生態(tài)護坡工程是河渠生態(tài)修復(fù)工程的重要組成部分，主要分布在渠道左右岸坡面及坡頂位置（圖1）。試驗段的規(guī)劃布局遵循植物多樣性和季節(jié)性原則［13-15］，共選用了7種植物。其中毛地黃葉釣鐘柳的種植面積為310 m2、大花濱菊270 m2、醉魚草350 m2、石竹240 m2、常綠鳶尾420 m2、燈心草250 m2、蘆葦470 m2。為了保證植物的覆蓋度，種植密度控制在25～36株/m2。

圖1 試驗段設(shè)計范圍

1.2.1 設(shè)計思路1 選用多種邊坡植物，相互搭配形成植物組團，其凈化能力比單一植物品種強，對于維持物種多樣性和群落穩(wěn)定性有一定的意義。在治理農(nóng)業(yè)污染的過程中，應(yīng)注重提高植物群落的整體抗性，并降低后期維護成本。將不同品種和生長季節(jié)的植物進行搭配組合，不僅能建立更加穩(wěn)定的植物群落，還能夠形成獨特的護坡景觀，最為重要的是還能夠達到更好的防治污染效果。試驗段植物平面布置如圖2所示。

圖2 試驗段植物的平面布置

1.2.2 設(shè)計思路2 將生長季節(jié)不同和休眠時間不同的多種植物搭配起來，形成互補，這樣在一年四季中都有非休眠狀態(tài)的植物存在，可以實現(xiàn)在不同季節(jié)交替凈化污染物的目的，取得長久、持續(xù)的凈化效果。在試驗過程中選擇的長期植物品種如表1所示。

表1 在不同生長季節(jié)選用的植物品種

通過對不同邊坡植物的實際栽種，試驗段建成 后的效果如圖3所示。

圖3 試驗段建成后的效果

1.3 試驗具體落實方案

1.3.1 具體措施 在試驗時間的選擇上充分考慮了植被在自然狀態(tài)下的普遍性和典型性，還在最大程度上排除了對試驗結(jié)果有影響的外部干擾因素。為了使試驗過程中的大部分植物處于生長活躍期，在試驗時間上選擇秋季作物收集后、春耕前，這樣避開了降水多的雨季，沒有大量地表徑流干擾；土壤自然含水率保持在較低的水平，有利于污染物的滯留；屬于農(nóng)閑時節(jié)，施肥、用藥等人為干擾較少，保證了試驗過程的順利進行和試驗結(jié)果的客觀性。

1.3.2 注意事項 本試驗還考慮到了邊坡防護植物的生長環(huán)境條件（濕度、溫度、光照等），使各種植物同處于靠近水邊的近水緩沖區(qū)域［16］。所選用的植物品種均為適應(yīng)當?shù)貧夂?、較為常見的典型多年生草本植物，通過互相混交種植形成群落；不同植物均處于生長旺盛期，即活躍的生長季節(jié)內(nèi)，植物生理代謝正常進行；在季節(jié)上處于立秋后1個月左右（9月下旬），白天溫度較高，夜晚溫度則明顯降低，這種晝夜溫差大的季節(jié)有利于植物對有機物的吸收和積累，特別是植物根系處于高度活躍期，是每年生長周期中的第2個高峰期。

1.3.3 人工污染物徑流模擬裝置的設(shè)計 試驗裝置由儲水攪拌裝置和污水沖刷槽2部分組成。其中儲水裝置位于坡頂部，儲量0.35 m3（1.0 m長、0.5 m寬、0.7 m高），桶內(nèi)設(shè)有攪拌裝置，每隔5 min手動攪拌1次，防止顆粒態(tài)污染物的沉淀；在儲水裝置底部設(shè)置有出水口和收集槽，收集污水后匯入污水沖刷槽。污水沖刷槽裝置為高1.0 m、寬0.5 m，其下口面向河槽，其坡度可以在0°～20°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以模擬自然降水形成的徑流強度；在其下口處設(shè)有擴散板，以模擬不同寬度的污水徑流（圖4）。

圖4 人工污染物徑流模擬裝置示意圖

在進行人工污染物徑流的模擬沖刷試驗時，先將定量的磷酸氫二銨、田間污染土與水充分混合，用于模擬農(nóng)業(yè)污染水；然后，利用上述的試驗裝置對邊坡植物帶進行污染水沖刷試驗，研究植物帶對污染物的攔截效果，驗證其對于污染物的攔截機理；最后，將超量含氮、含磷的污染物施加于植物種植土壤，探索植物組團對氮、磷的降解和吸收效果。

1.3.4 操作流程 在邊坡植物帶中挑選長勢良好的區(qū)段，在距離河渠常水位高差約5 m的邊坡頂部設(shè)置試驗裝置，選擇晴好天氣開始模擬污水沖刷試驗。沖刷區(qū)域的控制面積為30 m2（6 m長×5 m寬）。用于模擬農(nóng)業(yè)污染的化肥施用強度為每儲水桶用磷酸氫二銨［（NH4）2HPO4］1 kg，大田取污染土5 kg。在模擬徑流強度時，將沖刷槽的坡度分別設(shè)置為5°、10°、15°，即沖刷試驗分3次進行，每次裝置釋放污水量0.35 m3。沖刷前在試驗區(qū)段內(nèi)采用“梅花形”取樣方法，距邊坡頂由遠及近采集5個位置的0～15、15～45、45～60 cm 3個不同深度的土壤樣品，充分混合均勻后裝入取樣袋，并標記其取樣位置和土層信息等，然后將其置于土壤烘干機中烘干。在沖刷試驗日后的第5天和第10天，分別采用上述方法在3個土壤層取樣，然后將充分混勻的土壤樣品置于土壤烘干機中烘干。在靜置3 d后，將所有土樣交送河南省農(nóng)業(yè)科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所進行土壤氮素、磷素含量的測定分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗區(qū)段土壤氮、磷含量的動態(tài)變化

依據(jù)測定結(jié)果，模擬沖刷試驗后土壤氮、磷含量的動態(tài)變化如表2所示。

從表2可以看出，在沖刷試驗后第5天，在距離沖刷裝置位置較近的取樣點#1、#2，其氮、磷含量均有很大程度的提高，提高幅度明顯表現(xiàn)為氮＜磷，并且在不同土壤層次上呈現(xiàn)出表層土（0～15 cm）＞中層土（15～45 cm）＞下層土（45～60 cm）的趨勢；在其他取樣點，氮、磷含量隨位置由近及遠提高幅度逐漸降低，在最遠的樣點（#5）幾乎無增長。這漸表明，氮、磷元素此時已經(jīng)在邊坡土壤中發(fā)生了遷移和擴散，且氮元素的遷移速度明顯大于磷元素。9月初～10月中旬是邊坡植物生長的第2個高峰期，尤其是根系處于生長旺盛期，此時植物根系對營養(yǎng)元素的吸收作用強勁，因此，土壤中氮、磷元素含量的下降歸因于植物的吸收。

表2 模擬沖刷試驗后土壤氮、磷含量的動態(tài)變化

在沖刷試驗后第10天，邊坡土壤中養(yǎng)分含量均有明顯的降低，在不同植物種植土壤中養(yǎng)分含量普遍存在向表層分布集中的現(xiàn)象。在不同土壤層次中氮元素含量呈現(xiàn)較均勻分布，磷元素則集中分布在表層土壤中，這說明氮元素更不容易通過徑流與滲流而流失，而磷元素更容易受到徑流的影響而流失。此外，發(fā)現(xiàn)有植物根系分布的土壤中養(yǎng)分含量明顯低于裸露土壤的?？梢姡吰轮参锬軌蝻@著地降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致的徑流污染，其作用效果表現(xiàn)為植物覆蓋土地＞裸露土地，且對氮元素的移除效果大于對磷元素的移除效果。

在應(yīng)用過程中，灌渠周邊經(jīng)過降雨或灌溉形成徑流，只有在經(jīng)邊坡植物組團緩沖滲透再匯入水體的前提下，污染物才能被有效吸收攔截；而當徑流通過管涵等排水系統(tǒng)集中匯入河渠時，徑流污染物就通過點源的方式進入水體，進而造成水體污染。因此，邊坡植物用于防治灌渠污染的區(qū)域有其局限性，更加適合于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地集中的區(qū)段。

在靠近村鎮(zhèn)的區(qū)域，由于污水來源情況更加復(fù)雜，還需考慮采用雨污分流、分別處理的辦法。此外，植物組團在形成前期，還會存在發(fā)育不完善、存活率不理想的情況，從而形成“木桶效應(yīng)”而影響其整體污染防治效果。而對于已建植數(shù)年、長期種植的邊坡植物，隨著區(qū)域中污染物的日積月累，植物組團反而會變?yōu)椤暗獛?、磷庫”等污染物的輸出來源。因此，對于邊坡植物需要定期進行更替和管護，以保證其防污治污功能的正常發(fā)揮。

2.2 建植邊坡植物防護帶的效益

建植邊坡植物防護帶，占用土地資源不多，在前期建植和后期管養(yǎng)方面成本低，景觀效果好，能夠有效控制農(nóng)業(yè)污染物對引黃灌渠水體的影響，可以改善水環(huán)境質(zhì)量，具有明顯的生態(tài)保護效益。

3 討論與小結(jié)

3.1 討論

植物對農(nóng)業(yè)污染的消減主要是通過植物根系對土壤中污染物的吸附和吸收作用、對徑流中泥沙裹挾的污染物的攔截作用以及提供微生物共生環(huán)境（如植物根系的根瘤菌）等方式，對農(nóng)業(yè)污染物進行分解、轉(zhuǎn)移和固定而實現(xiàn)的。生長茂盛的植物群落還能明顯改善土壤的滲透性，從而增加地表徑流的入滲，達到滯留污染物的目的［17］。

植物消減土壤及地表徑流中的氮元素主要靠植物根系的吸收與反硝化作用［18］。在植物群落中，微生物在有氧條件下首先將含氮有機分子轉(zhuǎn)化為氨氮，位于根系的微生物將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，硝態(tài)氮又通過反硝化作用生成氮氣而釋放出來。氨氮和硝態(tài)氮也能被植物根系吸收，并固定在植物體內(nèi)。因此，只要在日常管護中定期對植物進行更替，即可達到將氮元素移出區(qū)域土壤生態(tài)系統(tǒng)的目的。植物對磷的去除機理主要取決于污染物中磷的形態(tài)［19］，各種含磷有機肥料、農(nóng)藥的降解主要依靠植物根系分泌的各種酶來實現(xiàn)。

3.2 小結(jié)

本試驗研究發(fā)現(xiàn)：邊坡植物能增大土層表面粗糙率，還能增強土壤的滲透性，促進地表徑流下滲；植物防護帶能有效地攔截和吸收徑流中的污染物，阻止其進入水體，可在灌渠農(nóng)業(yè)污染防治中發(fā)揮重要作用。邊坡植物對污染物的攔截效果受植物覆蓋度、土壤初始含水率、徑流時間和強度的影響，植物的覆蓋率越高，對徑流中懸浮污染物的攔阻能力越強；土壤初始含水率越高，其入滲能力越小，越不利于污染物的滯留；徑流時間越短、強度越大，越不利于邊坡植物攔阻和吸收污染物。

受條件和設(shè)備的限制，筆者未能開展在模擬自然降雨條件下的試驗；本試驗植物品種的選擇和配置模式相對固定，試驗時間也僅限于入秋后1個月左右，未能收集到更加貼近自然狀態(tài)的數(shù)據(jù)；對植物凈化污染物機理的研究也不夠深入，所得試驗結(jié)果有其局限性，但可為坡耕地農(nóng)業(yè)面源污染治理、綠籬技術(shù)推廣和重點水源地的保護提供借鑒和參考。