杭嘉湖面源污染林業(yè)工程生態(tài)治理原理與技術(shù)研究

張建鋒 壽松濤 張慧萍 王榮嘉 劉曉晨

（1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 杭州 311400；2. 浙江省杭州市富陽區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 杭州 311400）

改革開放以來，我國社會經(jīng)濟發(fā)展取得了輝煌成就，同時環(huán)境問題也日益突出，其中水污染問題廣泛存在。太湖流域位于中國經(jīng)濟最發(fā)達的長江三角洲地區(qū)，是該地區(qū)最重要的水源地。根據(jù)中國統(tǒng)計年鑒2020[1]，太湖流域周邊省市地區(qū)的GDP 占中國總GDP 的20.2%。然而面源污染嚴重制約了該地區(qū)社會經(jīng)濟進一步發(fā)展[2-3]。杭嘉湖平原位于太湖流域南部，錢塘江和杭州灣流域北部，以及天目山東部地區(qū)，主要包括嘉興市、湖州市大部分地區(qū)以及杭州市東北部地區(qū)。杭嘉湖平原河網(wǎng)密布，自古以來就是著名的“魚米之鄉(xiāng)”，農(nóng)業(yè)發(fā)達，然而大量的農(nóng)業(yè)化學(xué)品的使用，導(dǎo)致了該地區(qū)水環(huán)境污染嚴重[3]。田平等[4]對杭嘉湖平原農(nóng)田氮磷流失的研究表明，該地區(qū)淹水稻田氮素流失最大，為35.26 kg/hm2。王江飛等[5]的研究則表明，該地區(qū)大氣沉降中氮、磷沉降通量均處于較高水平，分別為4 884.70、65.46 kg/(km2·a)。這些情況表明，太湖流域尤其是杭嘉湖地區(qū)的水環(huán)境治理和保護任務(wù)都還十分艱巨。

雖然杭嘉湖為平原地區(qū)，但其水源地大多在山地丘陵區(qū)，雨季暴雨頻繁，因此極易在水源地發(fā)生水土流失[2]，引發(fā)水土流失型面源污染。目前，最為有效的辦法是建設(shè)水源區(qū)防護林，在坡地修建植物籬，一方面可以帶來一定的經(jīng)濟收入，另一方面又不必額外施用化肥。因此，積極開展縱深地帶等高固氮植物籬建設(shè)、水系岸帶生物防護技術(shù)、集水區(qū)人工濕地建設(shè)和污染水體修復(fù)技術(shù)研究，實現(xiàn)以源頭防治為主要內(nèi)容的生態(tài)修復(fù)，對于減少水土流失、改善水環(huán)境、保障飲用水安全具有重要意義。

1 面源污染研究歷程與進展

近年來，隨著工廠廢水等點源污染的逐步控制，面源污染對水環(huán)境的破壞逐漸引起人們的關(guān)注，并成為生態(tài)環(huán)境的熱點問題。上個世紀中下旬以來，美國等一些發(fā)達國家開始農(nóng)業(yè)面源污染研究，內(nèi)容主要包括：降雨徑流的數(shù)學(xué)模型，不同面源污染的分類以及面源污染物的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過程[6]。我國面源污染研究起始于20 世紀80 年代[7]，雖然起步較晚，但也取得了一些研究成果[8-9]。嚴寬等[10]在三峽庫區(qū)針對柑橘園的一項研究表明，春季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的施肥以及高強度的降雨，是導(dǎo)致該地區(qū)氮磷流失產(chǎn)生面源污染的重要因素。Cheng 等[11]在巢湖地區(qū)的研究表明，與森林覆蓋率低于25%的地區(qū)相比，森林覆蓋率高于75%的地區(qū)總氮流失量減少56.69%，總磷流失量減少53.46%。雖然目前有關(guān)面源污染的研究已經(jīng)取得了一些進展，但總體上面源污染研究的重點還是放在了面源污染的過程及模型研究上，對面源污染控制技術(shù)的研究比較欠缺。因此，加強對農(nóng)業(yè)面源污染控制技術(shù)的研究很有必要。在農(nóng)業(yè)面源污染中，土地具有兩面性，一方面它是污染的受納體，直接受到污染的影響，自身性質(zhì)退化；另一方面土壤又會成為污染的釋放體，土壤受到污染后，被污染過的地表土能夠在風(fēng)力和水力的作用下，進入到大氣和水體中，導(dǎo)致大氣污染以及水污染，并進一步導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)退化等其他次生生態(tài)問題。因此，在控制農(nóng)業(yè)面源污染研究中，應(yīng)以保護土壤，減少土壤侵蝕為中心。

目前，國際上控制面源污染的主要方法是最佳管理措施[12-13]，主要包括3 個部分：源頭控制，過程攔截以及末端處理[14-16]。其中，在山丘區(qū)水源地構(gòu)建水源涵養(yǎng)林是十分有效的措施，能夠同時從源頭控制、過程攔截以及末端處理等三個方面控制面源污染。Wang 等[17]通過模擬試驗發(fā)現(xiàn)，與荒地相比，麻櫟林能夠減少59.12%的氮素流失以及123.04%的磷素流失，刺槐林能夠減少73.12%的氮素流失以及186.90%的磷素流失，即通過林地建設(shè)，能夠從源頭上減少氮磷等面源污 染 物 的 流 失。Kumwimba 等[18]、Pierobon 等[19]以及Wang 等[20]都在研究中提到，在農(nóng)業(yè)排水溝中種植植物，能夠通過吸附、植物吸收、微生物的硝化與反硝化等多種作用，減少徑流過程中的氮磷污染物，從而有利于面源污染的防治。Ouyang等[21]在美國密西西比州Yazoo 河下游流域的研究表明，森林面積增加2 倍，硝態(tài)氮和磷酸鹽的年流失量將會減少2 倍。這些研究表明通過林地建設(shè)，能夠從源頭、過程以及末端減少面源污染。因此，在面源污染治理中應(yīng)該進一步推動以林業(yè)工程為主的生態(tài)治理措施，同時從多個方面控制氮磷流失，以控制面源污染。

2 面源污染林業(yè)工程生態(tài)治理的基本原理

2.1 固結(jié)土壤減少水土流失

眾所周知，通過林冠層葉片和凋落物層，森林可以起到降雨阻滯和消散的作用，從而降低地表徑流的流速和流量，減少雨水對地表土壤的沖擊和侵蝕[22]。此外，由于樹木根系的存在，森林土壤一般具有良好的滲透性，能促進地表徑流下滲，減少土壤侵蝕和水土流失。同時，林木的根系與泥土交織，纏綿穿插，深入基巖，能夠防止邊坡土體的滑落，有利于保持水土[23-24]。

森林對水質(zhì)和水環(huán)境影響方面的研究開始較早。一般認為，20 世紀40 年代，在美國密西西比河沖積流域上建立的林地被認為是有關(guān)森林濕地的早期研究，也是森林對水質(zhì)和水環(huán)境影響的早期探索[25]，但這一時期的研究是不連續(xù)的，且文獻記錄較少。直到20 世紀60 年代，在美國密西西比河沖積平原開展了一系列連續(xù)的森林對水質(zhì)影響的研究[25]，結(jié)果良好。一般認為，我國的森林與水質(zhì)的研究開始于20 世紀70 年代。由于在大小興安嶺地區(qū)、長白山地區(qū)分布著大量的森林濕地，因此，我國早期有關(guān)森林與水質(zhì)的研究大多集中在東北地區(qū)[26]。早期的研究主要集中在土地利用對水文條件的影響上，后來開始探討植被覆蓋與水量、水質(zhì)和徑流的關(guān)系，并進行了過度采伐對水質(zhì)的影響等一系列比較研究[27-28]。目前，也有專業(yè)人員對森林的配置結(jié)構(gòu)展開了相關(guān)研究。程浩[29]在杭埠河流域利用SWAT 模型，提出了不同地區(qū)最有利于減少面源污染的森林配置模式。他在研究中提到，山丘區(qū)森林配置的重點是涵養(yǎng)水源和減少水土流失。因此，在山丘區(qū)，森林一般要靠近河流，距離小于500 m，植被覆蓋度要大于75%，同時，應(yīng)以混交林為主。而在平原地區(qū)，由于需要考慮到經(jīng)濟效益，因此，植被覆蓋度一般小于25%，同時應(yīng)該靠近河流并以混交林為主。

2.2 攔截徑流減少污染物進入水體

構(gòu)建等高固氮植物籬能有效減少污染物進入水體。20 世紀中旬，美國農(nóng)業(yè)部提出了植物籬應(yīng)用的相關(guān)規(guī)程。1994 年以來，植物籬作為一種可行的水保措施在美國及其他國家得到廣泛應(yīng)用[30]。宋科等[31]對果園植物籬的研究表明，通過植物籬建設(shè)，能夠有效減少徑流量（19.18%），同時降低總氮（16.74%）以及總磷（13.60%）的流失程度。黃小芳等[32]在三峽庫區(qū)針對植物籬的研究表明，植物籬建設(shè)不但能夠增加土壤養(yǎng)分含量，還能夠增加農(nóng)田抗蝕性。Adhikary 等[33]在印度東部地區(qū)的耕地上，建立了墨西哥丁香（Gliricidia sepium）和銀合歡（Leucaena leucocephala）植物籬，這兩種植物籬能夠分別增加土壤中3.8% ～4.7%以及3.7% ～ 5.3%有機碳含量。隨著人類生態(tài)環(huán)境保護意識的不斷增強，植物籬的設(shè)計觀念也已經(jīng)從單一的減少水土流失，發(fā)展到促進陸地生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，增加和恢復(fù)生物多樣性。此外，在實際應(yīng)用過程中，植物籬在控制面源污染方面也發(fā)揮了重要作用。

除植物籬之外，發(fā)展坡地農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營，構(gòu)建喬灌草相結(jié)合的防護林帶也對防止水土流失具有積極作用。在杭嘉湖地區(qū)，林地經(jīng)營集約化程度較高，在注重經(jīng)濟效益的同時，造成了林分結(jié)構(gòu)單一。與混交林相比，純林林地保持水土和涵養(yǎng)水源的功能相對較弱。改造經(jīng)營強度高的經(jīng)濟純林的林分結(jié)構(gòu)，發(fā)展坡地農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營，建立復(fù)合結(jié)構(gòu)林帶對于減少水土流失具有積極作用。程平等[34]為減少板栗林的面源污染，針對性的開展了研究，結(jié)果表明，通過增加地表植被的覆蓋，能夠減少水土流失，有利于面源污染的防治。與耕地相比，森林和草地均能有效減少面源污染。與水田耕地相比，水塘等景觀能夠受納污染物，一般被認為是“匯”景觀，而前者自身能夠產(chǎn)生污染物，因此被認為是“源”景觀[35]?；谶@些原則，通常是優(yōu)化“源”景觀的土地利用規(guī)劃，增加綠色廊道的數(shù)量，加強“匯”景觀建設(shè)。這樣，一方面可以減少面源污染物的產(chǎn)生；另一方面促進雨水的滲透，進一步減少徑流。這樣，徑流中攜帶的污染物在遷移過程中不斷被阻擋、吸收并轉(zhuǎn)化為無害的營養(yǎng)物質(zhì)。

植被緩沖帶一般是指與受納水域相鄰，具有特定結(jié)構(gòu)和寬度，具有一定保護作用，由草本、灌木和喬木中一種或多種植被組成的植被緩沖區(qū)域[36]。Dong 等[37]研究表明，植被緩沖帶降低了流量水力學(xué)(約56%～70%)，同時增加了流量阻力(1.2～1.5 倍)，從而減少了地表徑流對土壤的沖刷。同時他們的研究還表明，植被緩沖帶對于地表的保護作用要高于對地表徑流的攔截作用。Jab?ońska 等[38]在波蘭地區(qū)Pokrzywnica 河的研究表明，該地區(qū)的植被緩沖帶對于總氮的攔截效果達到了34%～92%，對于總磷的攔截效果達到了17%～63%。緩沖區(qū)的功能一般被認為與寬度有關(guān)。許多研究人員對此進行了研究并提出了不同的參考寬度[39-40]，例如Secoges 等[39]在研究中提到，當(dāng)植被緩沖帶寬度大于或等于15.2 m 時，就可以保護水體免受周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。Wang等[41]在云南滇池、洱海和撫仙湖地區(qū)探討了不同地區(qū)的植被緩沖帶的最佳寬度，研究表明，滇池、洱海和撫仙湖植被緩沖帶的最佳寬度分別為450、100 m和150 m。但是，緩沖區(qū)的有效寬度是緩沖區(qū)條件、管理目標和河流特征的函數(shù)，應(yīng)根據(jù)特定區(qū)域確定。迄今為止，大多數(shù)關(guān)于緩沖區(qū)植被選擇都是針對木本植物穩(wěn)定堤岸、提高土壤滲透性和吸收以及吸附有毒化學(xué)物質(zhì)等目標。但也有研究表明，草本植物和木本植物去除沉積物的能力基本相同，草本植物去除氮、磷的能力甚至比木本植物還要強。同時，考慮到植物自身生長特性，有關(guān)植被緩沖帶植物選擇的研究還有待進一步深入。從河岸保護的角度來看，傳統(tǒng)的河岸保護工程主要使用砂漿、干砌體、現(xiàn)澆混凝土或預(yù)制混凝土砌塊，立式混凝土擋土墻在城市河道堤防工程中應(yīng)用較多。在有植被覆蓋的河岸上，大部分植被生長在帶有草皮的天然土壤上，徑流形成后，在遷移過程中將污染物和泥沙帶入土壤和堤壩，沿橋坡下沉或以洪水形式進入受納水體。因此，許多國內(nèi)外的工程師和研究人員開始研究生態(tài)護岸技術(shù)[42-43]，并通過橋梁的土壤加固和保護，增加土壤的滲透系數(shù)，促進陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，盡可能減少水土流失，提高橋坡抗侵蝕、截留和吸收降雨徑流的能力。

2.3 污染物受納水體的自我凈化

濕地系統(tǒng)對于水質(zhì)具有良好的凈化效果。濕地系統(tǒng)主要包括天然濕地和人工濕地兩大類。天然濕地一般占地面積大，由于從集水、分布、水力參數(shù)甚至濕地植被群組成等方面來看是一個難以控制的系統(tǒng)，因此，相關(guān)研究開展較少。人工濕地模擬和增強了天然濕地的結(jié)構(gòu)和功能，工藝參數(shù)可以通過人工設(shè)計控制，形成了比較成熟的設(shè)計流程和技術(shù)規(guī)范[44-45]。在已建立的濕地污水處理系統(tǒng)中，植物、基質(zhì)和微生物在凈化中發(fā)揮著重要作用。使用合適的植物直接從水中吸收多余的養(yǎng)分是生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的一個重要方面。濕地植物通常是草本植物，主要包括蘆葦（Phragmites australis），香蒲（Typha orientalis）以及燈芯草（Juncus effusus）等[3]。Nandakumar 等[46]研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地對水中氮、磷的去除效果受到季節(jié)的影響，總磷的去除效率在夏季最高（85.6%），冬季最低（55.2%）。此外，Roe-Sosa 等[47]研究表明，人工濕地對于總氮去除率為 (70 ± 1.5)%，總磷去除率為 (54 ± 6.5)%。

3 面源污染林業(yè)工程生態(tài)治理的主要技術(shù)

加強水源區(qū)防護林結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)研究，有助于調(diào)整現(xiàn)有林分結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其涵養(yǎng)水源和改善水質(zhì)的功能。通過采用水系岸帶生物防護技術(shù)和集水區(qū)人工濕地技術(shù)，能夠促進對地表徑流中污染物生態(tài)攔截。結(jié)合在污染水體中應(yīng)用植物修復(fù)技術(shù)，利用植物生長，吸收水中的營養(yǎng)物質(zhì)，可以減少進入水系的污染物。這樣來看，從水系源頭、水流途徑、集水區(qū)、水源利用到污水凈化，都能夠采取林業(yè)措施，實現(xiàn)水環(huán)境的保護與改善。

3.1 水源涵養(yǎng)林結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

杭嘉湖水源區(qū)主要位于山地丘陵區(qū)，土地利用方式以單一林分結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟純林及稻田為主，例如毛竹（Phyllostachys edulis）、茶園和板栗（Castanea mollissima）等。針對這種情況，如何既能保障農(nóng)民的收入水平，又能有效削減土壤營養(yǎng)元素的流失，需要研究坡地土地利用優(yōu)化模式。對單一經(jīng)營經(jīng)濟林結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，改造為高度集中經(jīng)營的復(fù)合經(jīng)濟林結(jié)構(gòu)（例如毛竹、茶園和板栗等混交），構(gòu)建多種經(jīng)營模式，建立固氮植物籬，從而減少地表徑流的產(chǎn)生，同時減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)業(yè)化學(xué)品的使用量，有利于從源頭上減少面源污染物的輸入。蔡澤宇等[48]在安吉賦石水庫周邊對毛竹純林套種紅豆杉（Taxus wallichiana）、香榧（Torreya grandis）、紅茴香（Illici-um henryi）、朱砂根（Ardisia crenata）進行林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)毛竹套種紅茴香模式對氮磷污染物的攔截效果最好，能夠減少78.8%的總氮流失和83.8%的總磷流失。Chu 等[49]在廣東東莞地區(qū)桉樹(Eucalyptusrobusta Smith)人工林基礎(chǔ)上，進一步種植鄉(xiāng)土樹種改善林分結(jié)構(gòu)（種植鄉(xiāng)土闊葉樹種，間伐60%的桉樹，TEP；種植鄉(xiāng)土闊葉樹種，但不間伐，NEP）。與傳統(tǒng)桉樹人工林相比，TEP 和NEP 能夠分別減少44%～64%和24%～34%的TP 流失。這說明通過對水源涵養(yǎng)林的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠有效減少面源污染。

3.2 水系岸帶生物防護技術(shù)

對于集水區(qū)上游地表徑流引起的土壤有機物、化肥、農(nóng)藥等的流失，需要通過建立植被緩沖帶，加強生物防護，控制徑流量，對流失的水和土壤以及面源污染物（如氮和磷）進行生態(tài)攔截。利用植物地上部分形成植被覆蓋，減少地表裸露面積以及外力與地表土壤直接接觸的面積，起到消能作用和斜坡保護作用；同時，利用植物根系和地表土壤相結(jié)合，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加地表土壤的團聚體結(jié)構(gòu)，提高臨水坡面的抗侵蝕能力，減少坡面土壤流失，保護岸坡，減少面源污染。孫慧等[35]在太湖流域宜興段研究防護林對于氮磷等面源污染的攔截固定效果。研究表明，通過建設(shè)16 km2的湖岸防護林，每年至少能夠減少6.6 × 105kg 的氮素流失。Neilen 等[50]在澳大利亞昆士蘭地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，通過在河邊建立植被緩沖帶，能夠通過植物吸收和土壤微生物反硝化作用減少進入河流水體的氮素，從而有利于控制農(nóng)業(yè)面源污染。這些研究都充分表明通過采用營建防護林或者植被緩沖帶等生物防護技術(shù)，能夠有效攔截進入水體的面源污染物。

3.3 集水區(qū)人工塘渠-濕地復(fù)合系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)

通過農(nóng)田塘渠和庫尾河口濕地復(fù)合系統(tǒng)，地表徑流中的大部分氮磷等面源污染物在池塘和渠道中被沉淀、過濾和吸收，水質(zhì)逐漸開始得到凈化。水庫尾部下游的植物、微生物、土壤基質(zhì)和濕地會影響水中的污染物，進一步通過微生物作用，植物吸附攔截作用等，對水質(zhì)進一步凈化。汪慶兵等[45]在安吉縣深溪河流域建立人工濕地探究人工濕地對水質(zhì)的凈化作用。結(jié)果表明，人工濕地在降雨季節(jié)對于總氮的平均去除率為60.4%，對于總磷的平均去除率為78.6%。Ge 等[51]探究在天然濕地中添加黃鐵礦對面源污染的控制效果，結(jié)果顯示添加黃鐵礦能夠減少 (87.7 ± 14.2)%的總磷污染和(69.4±21.4)%總氮污染。實踐證明通過人工濕地建設(shè)能夠有效凈化水質(zhì)，削減面源污染物。

3.4 污染水體的植物修復(fù)技術(shù)

通過山地地表徑流及污染物生態(tài)控制技術(shù)、湖濱岸帶生物防護技術(shù)，可阻截大部分農(nóng)田、林地中流失的養(yǎng)分，但仍會有一部分養(yǎng)分進入河道等水體。生態(tài)修復(fù)的一個重要方面是植物修復(fù)，即采用適宜植物對水中的過量營養(yǎng)物質(zhì)進行直接吸收與轉(zhuǎn)化。通過在水面建造人工生態(tài)濕地或人工浮島，來吸收和充分利用農(nóng)田流失的養(yǎng)分。通過定期收獲，能夠有效減少水體富營養(yǎng)物質(zhì)。有研究表明蘆葦和香蒲都是常用的污染水體修復(fù)植物[10]。Dzakpasu 等[52]研究人工濕地中蘆葦和香蒲對氮磷去除作用，發(fā)現(xiàn)氮磷的去除量分別從第1 年的47.1%和17.6%增加到第2 年的52.3%和32.4%，其原因主要是隨著植物生長量的增加，去除能力逐年提高。蔡澤宇等[53]通過室內(nèi)試驗研究旱柳（Salix matsudana）新無性系A(chǔ)42 對不同磷濃度水體的吸收和凈化機制，發(fā)現(xiàn)旱柳能有效凈化水體中的磷素，其凈化效果與水體磷濃度呈正相關(guān)。同時研究表明在實際生產(chǎn)生活應(yīng)用中，對于磷濃度較低的水體，旱柳適合做短期凈化；對于磷濃度較高的水體，適合進行長期凈化。

4 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)面源污染也越來越嚴重。本研究探討了面源污染林業(yè)工程生態(tài)治理的相關(guān)原理，通過從水源區(qū)防護林構(gòu)造技術(shù)及功能優(yōu)化、水系岸帶生物防護、集水區(qū)人工濕地及污染水體植物修復(fù)技術(shù)等幾方面采取林業(yè)工程措施，提高森林涵養(yǎng)水源、改善水質(zhì)等生態(tài)功能，同時，提高土地生產(chǎn)力，提高經(jīng)濟效益。此外，考慮到杭嘉湖地區(qū)的社會經(jīng)濟狀況與獨特的自然條件，充分發(fā)揮植被作用，增強吸收土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)、緩解土壤過營養(yǎng)化的效果，基于生態(tài)治理，能夠?qū)崿F(xiàn)改良土壤、涵養(yǎng)水源、保持水土等目標。

然而由于大部分植物存在秋冬季節(jié)枯萎落葉的情況，枯落物分解能夠向周圍環(huán)境釋放氮磷等營養(yǎng)元素，具有造成面源污染的潛在威脅。目前，對于秋冬季節(jié)枯落物分解對面源污染的影響研究相對較少，尚不清楚水生植物在秋冬季是否會因枯落物對水體造成二次污染。因此，下一步應(yīng)該著手開展在秋冬季節(jié)水生植物枯落物分解的相關(guān)研究，選擇合適的植物配置模式，避免因枯落物分解造成對水體的二次污染。

通過比較系統(tǒng)地總結(jié)、分析，以期為森林發(fā)揮涵養(yǎng)水源、改善水質(zhì)作用和杭嘉湖地區(qū)林業(yè)工程建設(shè)提供參考，進一步推動鄉(xiāng)村振興和美麗中國建設(shè)。