生物过滤带在农业面源污染防治中的应用

胡雪琴

(重庆医药高等专科学校 医学技术系，重庆 401331)

生物过滤带在农业面源污染防治中的应用

胡雪琴

(重庆医药高等专科学校 医学技术系，重庆 401331)

生物过滤带；防护功能；农业面源污染；最佳宽度；布置模式

生物过滤带是位于污染源和水体之间的带状植被区域，具备有效控制面源污染、提高河岸稳定性、减少水土流失、净化水质和增加生物多样性等多种功能。介绍了生物过滤带的概念、防护功能和最佳宽度，并以重庆合川小安溪小流域为例，分析了小流域生物过滤带的布置模式，提出应用生物过滤带治理农业面源污染应重点关注生物过滤带植物字典建立、生物过滤带技术示范基地建立、生物过滤带的产业化应用技术体系探索三个问题。

中国是一个农业大国，由于坡耕地分布范围广[1]和农业生产活动的广泛性[2]，造成农业面源污染具有形式多样、发生随机、危害隐蔽、监测量化难、控制难度高的特点。农业面源污染已成为导致耕地退化、农村和农业生态环境恶化，影响江河及饮用水源地水质、农产品质量的主要因素，并严重影响着人们的食品安全和身体健康。因此，加强农业面源污染治理不仅直接关系到农业生态环境恢复重建，也关系到区域性农村社会经济和人居环境的协调发展[3]。生物过滤带作为一种成本低廉、功能多样、效果稳定持久的生态工程措施，受到了国内外学者及应用行业的广泛关注。Dickey等[4]研究了四种不同生物过滤带对地表径流中污染物的过滤、沉降、吸收和稀释等作用。Phillips[5]研究发现生物过滤带控制面源污染有效性受到坡长、坡度、地表粗糙度和土壤水文特性等综合因素影响。笔者拟在全面介绍生物过滤带概念、防护功能和最佳宽度基础上，分析重庆合川区(原合川市，下同)小安溪小流域的生物过滤带布置模式，并提出在重庆市农业面源污染治理中应用生物过滤带措施应密切关注的问题。

1 生物过滤带的概念

生物过滤带又称植被过滤带，是位于污染源和水体之间的带状植被区域[6]。它是进行河岸带生态系统管理时最常用的一种模式，可以有效地控制面源污染、提高河岸稳定性、减少水土流失、净化水质、增加生物多样性等。目前虽然对生物过滤带的说法并不完全统一，有过滤带[4]、缓冲带[7]、植被过滤带[8]、河岸植被缓冲带[9]等不同说法，但其内涵相同或相似。根据植物种类不同，生物过滤带可分为草本过滤带、灌木过滤带、乔木过滤带和复合过滤带。

20世纪60年代中期，Wilson[10]最早提出生物过滤带概念并通过试验研究了其防治效果，结果表明生物过滤带宽度与泥沙质量和泥沙颗粒大小存在反比关系。Lee等[11]认为草本植被过滤带可以拦截径流中95%的泥沙、80%的总氮和78%的总磷。Phillips[5]通过建立数学模型，发现过滤带的有效性主要取决于坡度和饱和水力传导性。王敏等[12]研究了不同坡度条件下缓冲带对污染物的净化效果及其最佳宽度，结果表明坡度2%时缓冲带的最佳宽度为16.1 m，而坡度5%时则需24.7 m。肖波等[13]分析了禾本科草本植被缓冲带对径流、泥沙和除草剂的拦截效果，证明植被缓冲带在防治农业面源污染方面具有良好效果。目前国内各地也有多种应用实例[14-15]。

2 生物过滤带的防护功能

2.1 削减面源污染

一定宽度的生物过滤带可以有效地过滤、沉降、吸收和稀释径流中的泥沙、氮、磷、钾、除草剂等污染物，防止其进入河流、水库和湖泊等，从而可有效地保证水质清洁。过滤带在防治面源污染方面的作用主要体现在对氮和磷等化学元素的削减上。李怀恩等[8]认为植被过滤带对地表径流中颗粒态氮、颗粒态磷、总氮和总磷的削减效果分别可达82.02%、77.13%、46.05%和73.28%以上。生物过滤带通过反硝化作用和植被吸收等途径稀释了径流中的氮素，而有机氮在微生物的作用下转换为铵态氮，经过根系微生物和反硝化作用转化为氮气并排放到空气中[16]。径流中各种形态的磷元素主要是通过植物根系和微生物吸收、酶的催化作用和沉积作用等不同方式得到稀释或吸收，从而降低磷含量的。相关研究表明，增加生物过滤带的宽度可以吸收更多的含磷微粒[17]。

2.2 固结土壤，提高河岸稳定性

生物过滤带的植物根系可以显著提高河岸的抗侵蚀性，减轻水流对河岸的冲刷[18]。研究表明，生物过滤带能够拦截径流中53%～96%的泥沙[19]。因此，在布设生物过滤带时，应尽量选择根系发达的乡土树种，以提高河岸稳定性。

2.3 净化水质，涵养水源

生物过滤带可以有效地减少水流对河岸及岸边地表的冲蚀，同时植物根系还可拦截和沉降侵蚀泥沙，减少其进入下游水库。生物过滤带也可以有效地拦截和过滤其他颗粒状污染物和牲畜排泄物中的细菌，降低河流浑浊度和悬浮颗粒物等。研究表明，6.1 m宽的酥油草过滤带可移除100%的大肠杆菌[20]。

2.4 增加生物多样性

生物过滤带不仅可为陆生动植物提供良好的栖息地和生境条件，还可为水生生物提供食物和能量。通过布设一定宽度的生物过滤带既可以增加生物栖息地面积，保护脆弱环境，也可以恢复景观效果，改善生态环境，为增加区域性生物多样性和丰富物种资源提供必要的环境和空间。在澳大利亚Jugiong Creek小流域内，有40%的爬虫类、80%的两栖类、25%的哺乳类动物和140多种鸟类生活在过滤带内[18]。

3 生物过滤带的最佳宽度

生物过滤带的构建要素包括植物种、模式配置、过滤带性质和宽度等多种参数，其中过滤带宽度较其他因素更为敏感，直接影响其防护功能发挥。研究表明，3 m宽的过滤带对地表径流沉积物的削减效果显著[21]，但一般建议过滤带最小应为9 m宽。美国农业部林务局(USDA-FS)1991年制定的《河岸植被缓冲带区划标准》规定，在三区缓冲带中，第一个缓冲带宽度为4.5 m，第二个为18 m，第三个为6 m[22]。Budd等[23]认为生物过滤带的宽度应通过实地调查确定，野外调查内容包括河流类型、河岸坡度、土壤类型、植被覆盖度、河流结构、沉积物控制和野生动物栖息地等综合因素。在实践中，国内外学者根据各种生物过滤带主要防护功能的不同，对于生物过滤带最佳宽度、防护效果进行了广泛分析和深入研究，具体见表1。

由以上国内外研究结果可见：当生物过滤带宽度大于30 m时，能够有效地控制养分流失、过滤污染物；当过滤带宽度为3～30 m时，能够有效地防治面源污染。根据重庆市水系分布和河道形态特点，生物过滤带的适宜宽度为15～30 m，以30 m最佳，但实践中各种河岸、水体的生物过滤带布置的具体宽度仍需根据实地调查的坡度大小、污染物特点、土壤类型、过滤带类型、水质要求进行适度调整。

表1 生物过滤带的最佳宽度及其主要作用

4 生物过滤带在三峡库区的应用

重庆市是三峡库区的主体，其紫色丘陵区坡耕地面积为118.9万hm2，占全市耕地面积的47.14%，丘陵、低山和高山的复种指数分别为190%～230 %、180%和80%，土壤侵蚀模数在3 798～9 831 t/(km2·a)之间[2]，农业面源污染程度随着水土流失的发生而加剧，对当地农业生态环境和水质安全造成了严重危胁。重庆合川区在小安溪小流域综合治理中，将水土流失治理与生物过滤带建设、溪河水质保护、生态观光旅游有机地结合起来，取得了较好的效果。小安溪属涪江支流，河长170 km，其中合川境内流域面积33.46 km2。当地水保部门在布设生物过滤带时，以小安溪为主轴线，由下至上逐步展开，交错布设，实现了“少则蓄、多则排、层层拦蓄”的水土流失面源污染防治效果。其生物过滤带具体布设见图1。

图1 小安溪小流域生物过滤带示意

由图1可知，小安溪小流域生物过滤带的主体为以行状混交方式营造的20～30 m宽的人工混交林，选择了垂柳、水杉和杨树三种防护效能较高、适应性好、根系发达、耐水湿性强的树种，根据生物过滤带和林木品种的特点确定株行距为3 m×3 m或3 m×4 m，不仅可以有效地拦截和过滤河道两岸径流中的泥沙和污染物，而且还可以提高河岸稳定性。同时，在过滤带以上修建2～3级梯田，梯田以上的山坡中下部栽植经济林，这样既能防治水土流失又能增加群众的经济收入。

经过3年的综合治理，小安溪小流域营造水土保持林280 hm2、经果林166.7 hm2，水质明显改善，坡面径流中97%的泥沙、95%的总氮和92%的总磷得到了有效拦截[15]；同时也增加了农民经济收入，改善和美化了当地农村生产、生活环境，有效提高了人们的水土保持生态环境保护意识。

5 建 议

鉴于生物过滤带兼具景观美学观赏性、防护功能多样性和防护作用稳定性、持续性等多重优势，在重庆市农业面源污染治理中应广泛应用，但需要关注以下三个问题：

(1)建立生物过滤带植物字典。综合现有研究成果，根据重庆市农业面源污染物来源及其在土壤、水体中的迁移转化特征，应及早建立包括植物种类、生活型、立地条件、污染物质吸附特性、乔灌草配置模式在内的植物字典，为生物过滤带应用提供丰富的植物资源库。

(2)建立生物过滤带技术示范基地。全面分析重庆市所划分的都市功能核心区、都市功能拓展区、城市发展新区、渝东北生态涵养发展区、渝东南生态保护发展区五个功能区域所面临的农业面源污染特征，结合农业综合开发项目、小流域治理工程与环境保护专项工程的实施，布置适宜的生物过滤带类型，建立多种集试验、监测、示范、推广于一体的生物过滤带实体模型。

(3)探索生物过滤带的产业化应用技术体系，包括植物种快速繁育技术、植物功能持续维护技术、植物污染物吸附快速监测技术、生物工程绿化技术等。

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(责任编辑 徐素霞)

重庆市科委攻关项目(应用技术研发类I重点)(CSTC2013gg-yyjsb20002)；重庆医药高等专科学校科研项目(2013-215)

S157.2；X171

A

1000-0941(2015)08-0035-04

胡雪琴(1973—)，女，四川南充市人，副教授，博士，研究方向为环境卫生与检测。

2014-10-10