临港新城河岸人工植被缓冲带对氮、磷的去除效果

白莹莹，江 洪，饶应福 ，蔡永立

（1.华东师范大学 a.上海市城市化生态过程与生态恢复重点试验室；b. 地理科学学院，上海 200241；2. 上海港城滴水湖建设管理有限公司，上海 201306）

临港新城河岸人工植被缓冲带对氮、磷的去除效果

白莹莹1a,1b，江 洪1a,1b，饶应福2，蔡永立1a,1b

（1.华东师范大学 a.上海市城市化生态过程与生态恢复重点试验室；b. 地理科学学院，上海 200241；2. 上海港城滴水湖建设管理有限公司，上海 201306）

为了充分了解河岸植被缓冲带对地表、地下径流中污染物的去除效果，选取了临港新城河岸带为研究对象，利用人工模拟径流的方法，研究了不同植被配置在不同河岸带宽度下对地表径流、地下径流中污染物的去除效果。结果表明：不同植被类型对污染物去除效果受到河岸带宽度及污染物种类的影响，7 m宽河岸带对污染物的去除效果明显优于1、2 m宽；4种不同配置类型的河岸带对地表径流及地下径流中各污染物的去除率彼此之间存在显著差异（P＜0.05）；其中配置类型Ⅰ对于地表径流中污染物的去除效果最好，对TN、TP、NO3--N、NH4

+-N的平均去除率分别为27.66%、27.66%、26.53%、29.56%，4种配置类型对地表径流中各污染物的平均去除效果大小顺序为Ⅰ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ；配置类型Ⅲ对地下径流中污染物的去除效果最好，对TN、TP、NO3--N、NH4

+-N的平均去除率分别为31.34%、21.83%、26.97%、18.26%，4种配置类型对地下径流中各污染物的平均去除效果大小顺序为Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅰ＞Ⅱ。

河岸植被带；植被类型；污染物去除率

随着人口的不断增加，人类活动范围不断地扩大，世界范围内对水体的污染化日趋严重，对整体的生态环境造成了严重的干扰和破坏[1-4]，特别是氮、磷等污染物对江河湖水质产生了严重的危害[5]。河岸带是位于高地和水体间的过渡带，河溪两侧及湖泊的周围，又称河岸植被带或河岸缓冲带，是陆生生态系统与水生生态系统的过渡带[6-7]，对于氮、磷污染物的截留及河岸带的稳定、生物多样性有着十分重要的意义。

近年来，有关地表径流中氮、磷的输出及不同河岸带植被宽度与氮、磷的转化关系国内外学者开展了大量的工作。如吴希媛等人[8-9]利用人工模拟降雨试验研究了在不同植被覆盖条件下土壤侵蚀同氮、磷流失的关系；李恒鹏等人[10]通过特殊流域人工模拟降雨试验研究了该流域内农田汇流过程中地表径流和土壤氮、磷流失的关系；Lowrance等[11]研究发现，森林河岸缓冲带和草地河岸缓冲带能转化地表径流中氮素的68%和48%；Dillaha等[12]于1989年在弗吉尼亚州研究发现，9.1 m宽的草地河岸带能够去除84%悬浮颗粒物，然而当河岸带宽度减小到4.6 m时，悬浮颗粒物的去除率则降低到70%，地表径流中氮的截留转化率由73%降低到54%；然而，Clausen等[13]在研究恢复河岸带时发现，不同河岸带宽度与地表径流中硝态氮浓度没有明显相关性，认为河岸缓冲带内植物恢复与截留转化发挥需要时间，但同时也同意当河岸带宽度越宽时，地表径流中氮的截留转化率越高。

目前，上海地区以平原、滩涂为主，河岸带树种单调，适宜植物种类缺乏，土壤盐碱化，工、农业污染严重，水污染负荷量与日俱增，生态环境遭受破坏[14]。因此，本研究选取上海市临港新城围垦地区不同植物配置、不同宽度情况下河岸带植被作为研究对象，通过人工模拟地表径流试验来研究不同植物配置、不同河岸带宽度对氮、磷污染物的去除效果。

1 研究区概况

临港新城地区位于东海之滨，上海东南长江口与杭州湾交汇处，上海市版图的最东端（N30°52′54″，E121°54′24″），距离上海市中心城区80 km。该地属沿海季风盛行区，春季温暖多雨，秋季先湿后干，夏季炎热湿润，冬季寒冷干燥。全年总日照为2 000～2 200 h，月平均蒸发量91.9 mm，年均气温15.7 ℃，最低气温在1月，月平均气温3.3～3.6 ℃，最高气温在8月，月平均气温26.8 ℃，年均降水量为1 111.4 mm[15]。由于该地区位于上海市域主导风向东南沿海前沿的区位，决定了临港新城地区是台风、风暴经常的登陆点[16]。

本试验林选址于上海临港新城地区近上海海事大学段沪城环路与古棕路口的河岸带上，其坡度在1∶1.25～1∶3之间，试验林自2011年开始营造，总长约500 m，宽约12 m，东面为住宅区，西面为农田及绿化林带，南面为海事大学，北面为芦苇带及农田。

2 研究方法

2.1 试验设计

2.1.1 试验地的选择

在试验地范围内根据地形、植被情况等确定范围。4个试验样地分别为乔木+灌木+草本型、乔木+灌木型、灌木+草本型、草地（见图1～图4）及一个裸地对照。

图1 乔木+灌木+草本型配置示意Fig.1 Con fi guration diagram of trees+ shrubs+ grass

图2 乔木+灌木型配置示意Fig.2 Con fi guration diagram of trees+ shrubs

图3 灌木+草本型配置示意Fig.3 Con fi guration diagram of shrubs+ grass

图4 草地配置示意Fig.4 Con fi guration diagram of grass

2.1.2 化肥的选择

化肥选择当地具有代表性的氮肥（分子式为CO(NH2)2）、磷肥（分子式为Ca(H2PO4)2）。

2.1.3 测试指标

测试径流水中总氮（TN）、总磷（TP）、硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH4+-N）。

2.2 试验方法

试验于2014年5、7月进行，采用典型人工模拟受污染水质径流，流经不同样地后进行取样。首先，在试验地内选择4个典型植被区域，每个典型植被区域内设置1个样地，Ⅰ为乔木+灌木+草本型，大叶女贞Ligustrum compactum、弗吉尼亚栎Quercus virginiana、刺槐Robinia pseudoacacia、滨柃Eurya emarginata、狗尾草Setaria viridis；Ⅱ为乔木+灌木型，中华红叶杨Populus deltoidescv.zhonghuahongye、苦 楝Melia azedarach、刺 槐、滨柃；Ⅲ为灌木+草本型，小叶蚊母树Distylium buxifolium、臭牡丹Clerodendrum bungei、滨柃、狗尾草、黑麦草Lolium perenne；Ⅳ为草地：沙打旺Astragalus adsurgens、黑麦草、狗尾草、白花三叶草Trifolium repens及裸地，样地纵长分别为1、2、4、7 m[17]，横向宽1 m，每个样地垂直溪流方向沿坡向上，并置于河岸植被带内，同时在河岸带上部边缘人工开挖集水沟，长7 m，沟底宽、面宽、深分别为30、40、30 cm。

利用河水作为对照，将河水抽至事先准备好的水桶中，分别在水中施于氮肥、磷肥，作为试验用水。试验开始前，采用不间断灌水，用水泵将河道内的水抽到样地内，持续时间6 h，通过潜层渗流的方式流经河岸带，再将4个梯度水样模拟地表径流，使得事先准备好的试验水缓慢流经样地内1、2、4、7 m处，并在样地下端出口断面处截取流经样地内的地表径流，同时，在集水沟地下30 cm处通过负压管采集水样，设3个重复样，装入事先准备好的干净塑料自封袋中，于4 ℃条件下保存，编好号后带回试验室测定。

3 结果与分析

3.1 不同植被配置在对总氮（TN）的去除率

图5为不同植被配置类型对地表径流及地下径流中污染物氮的去除率。当河岸带宽度为1 m时，配置类型Ⅰ对地表径流及地下径流中污染物氮的去除率均高于其它3种配置类型，平均去除率分别为19.28%、25.43%，配置类型Ⅰ、配置类型Ⅳ之间对地表径流中污染物去除效果存在显著差异（P＜0.05），而配置类型Ⅱ、配置类型Ⅲ、裸地之间对地表径流中污染物的去除效果不存在显著差异（P＞0.05），配置类型Ⅱ、配置类型Ⅲ、配置类型Ⅳ之间对地下径流中污染物的去除效果不存在显著差异（P＞0.05）；2 m时，4种配置类型对地下径流中污染物氮的去除效果均存在显著差异（P＜0.05），除配置类型Ⅳ外其它3种配置地表径流与地下径流之间均存在显著差异（P＜0.05）；4 m时，配置类型Ⅲ对地下径流中污染物的去除率最高，达47.99%，各配置类型对地表径流与地下径流间去除率除配置类型Ⅰ、配置类型Ⅱ、裸地外均存在显著差异（P＜0.05）；7 m时，配置类型Ⅲ、配置类型Ⅳ对地表径流中污染物去除率不存在显著差异（P＞0.05），其它配置间均存在显著差异（P＜0.05），4种配置类型对地表径流中污染物去除效果与地下径流间均存在显著差异（P＜0.05）。

图5 河岸植被缓冲带对污染物氮的去除率Fig.5 Riparian vegetation buffer zones ruff on the removal rate of nitrogen

3.2 不同植被配置对总磷（TP）的去除率

图6为不同植被配置类型对地表径流及地下径流中污染物磷的去除率。当河岸带宽度1 m时，配置类型Ⅰ对地下径流中污染物去除率最高，达22.56%，各配置类型对地表径流中污染物去除效果均存在显著差异（P＜0.05），配置类型Ⅱ、配置类型Ⅲ及配置类型Ⅳ、裸地间对地下径流中污染物去除效果不存在显著差异（P＞0.05），对地表径流中污染物去除效果与地下径流中污染物去除效果间除裸地外均存在显著差异（P＜0.05）；2 m时，4种配置对地下径流中污染物的去除率均高于对地表径流中污染物去除率，对地下径流中污染物的平均去除率分别为31.44%、18.26%、23.22%、18.93%，各配置类型对地表径流中污染物去除效果均存在显著差异（P＜0.05），对地下径流中污染物去除效果除配置类型Ⅱ、配置类型Ⅳ外均存在显著差异（P＜0.05）；4 m时，各配置对地表径流中污染物去除效果与地下径流中污染物去除效果间除配置类型Ⅲ外均存在显著差异（P＜0.05）；7 m时，配置类型Ⅰ、配置类型Ⅱ对地表径流中污染物去除率远高于其他配置，分别为44.78%、48.00%，同时配置类型Ⅰ对地下径流中污染物去除效果优于其它配置，平均去除率达49.31%，除配置类型Ⅲ外其它配置对地表径流中污染物去除效果与地下径流中污染物去除效果间均存在显著差异（P＜0.05）。

图6 河岸植被缓冲带对污染物磷的去除率Fig.6 Riparian vegetation buffer zones ruff on the removal rate of phosphorus

3.3 不同植被配置对硝态氮（NO3--N）的去除率

图7为不同植被配置类型对地表径流及地下径流中污染物硝态氮的去除率。当河岸带宽度1 m时，配置类型Ⅰ对地表径流中污染物去除效果与地下径流中污染物去除效果间存在显著差异（P＜0.05），其余均不存在显著差异（P＞0.05）；2 m时，配置类型Ⅲ对地下径流中污染物去除率最高，为25.59%，除配置类型Ⅰ、配置类型Ⅳ外其它配置对地表径流中污染物去除效果均存在显著差异（P＜0.05），配置类型Ⅰ、配置类型Ⅳ对地下径流中污染物去除效果不存在显著差异（P＞0.05），其它配置对地下径流中污染物去除效果均存在显著差异（P＜0.05）；4 m时，配置类型Ⅲ对地下径流中污染物去除率最高（31.79%），配置类型Ⅰ对地表径流中污染物去除率最高（32.98%），配置类型Ⅰ、配置类型Ⅲ对地表径流中污染物去除效果与地下径流中污染物去除效果间均存在显著差异（P＜0.05）；7 m时，配置类型Ⅰ对地表径流、地下径流中污染物去除率均最高，为34.61%、25.73%。

图7 河岸植被缓冲带对污染物硝态氮的去除率Fig.7 Riparian vegetation buffer zones ruff on the removal rate of nitrate nitrogen

3.4 不同植被配置对铵态氮（NH4+-N）的去除率

图8为不同植被配置类型对地表径流及地下径流中污染物铵态氮的去除率。当河岸带宽度1 m时，配置类型Ⅳ对地表径流中污染物去除效果与地下径流中污染物去除效果间存在显著差异（P＜0.05）；2 m时，配置类型Ⅰ对地表径流中污染物去除率最高，为29.87%，3种配置对地表径流中污染物去除效果与地下径流中污染物去除效果间均存在显著差异（P＜0.05）；4 m时，配置类型Ⅳ对地表径流、地下径流中污染物去除效果均较强，平均去除率分别为28.77%、33.00%，其中3种配置对地表径流中污染物去除效果与地下径流中污染物去除效果间均存在显著差异（P＜0.05）；7 m时，各配置对地表径流中污染物去除效果均存在显著差异（P＜0.05），对地下径流中污染物去除效果除配置类型Ⅱ、裸地配置外均不存在显著差异（P＞0.05）。

4 结论与结论

通过野外模拟不同河岸植被配置类型对地表径流及地下径流中污染物去除效果试验发现：

（1）随着河岸带宽度的增加，不同植被配置类型对地表径流中污染物的去除效果逐渐增强，对总氮的平均去除率由11.84%增加到29.80%，总磷的平均去除率由8.62%增加到34.56%，硝态氮的平均去除率由13.30%增加到26.41%，铵态氮的平均去除率由3.10%增加到22.65%，此结论与Syversen等人[18-19]的研究结果一致。对地下径流中污染物的去除效果也同样呈增加趋势，总氮的去除率由18.32%增加到31.61%，总磷的平均去除率由10.16%增加到32.76%，硝态氮的平均去除率由13.27%增加到31.33%，铵态氮的平均去除率由13.64%增加到25.08%，此结论与韩壮行等[20]的研究结果一致，这可能是当河岸带宽度逐渐增大时，植被缓冲带与污染物作用时间变长，与其中污染物反应时间变长，促进了污染物吸收、截留转化等过程，因此，在河岸带宽度的设计时一定要达到一定的值才能起到很好的作用。

（2）试验表明，4种配置类型与地表径流中各污染物的去除效果均存在显著相关性（P＜0.05），其中配置类型Ⅰ对地表径流中污染物去除率最高，对总氮、总磷、硝态氮、铵态氮的平均去除率分别27.66%、27.66%、26.53%、29.56%，配置类型Ⅲ次之，然而李萍萍等[21]研究认为配置类型Ⅲ（灌草型）对污染物去除效果最好，与本文研究结果不一致。造成这种原因可能在于李萍萍等人的研究对象是原生植被类型，而本研究的河岸带植被均为人工种植，树种相对自然植被较为单一；4种配置类型与地下径流中各污染物的去除效果也均存在显著相关性（P＜0.05），配置类型Ⅲ对地下径流中污染物去除率最高，对总氮、总磷、硝态氮、铵态氮的平均去除率分别31.34%、21.83%、26.97%、18.26%，其次为配置类型Ⅰ。

图8 河岸植被缓冲带对污染物铵态氮的去除率Fig.8 Riparian vegetation buffer zones ruff on the removal rate of ammonium nitrogen

总之，4种配置类型对地表、地下径流污染物的去除效果存在不同的差异，对地表径流中污染物的平均去除效果影响的大小顺序为Ⅰ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ，地下径流中污染物的平均去除效果影响的大小顺序为Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅰ＞Ⅱ。另外本试验为野外试验，不可避免的受到一些其他因素影响，如人为践踏、动物的侵害等，因此或多或少对试验结果有些影响。

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Elimination effects of riparian vegetation buffer zones on surface water nitrogen and phosphorus in Lingang

BAI Ying-ying1a,1b, JIANG Hong1a,1b, RAO Ying-fu2, CAI Yong-li1a,1b
(1a. Shanghai Key Lab Urban Ecological Processes and Eco-Restoration; 1b. School of Geographic Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China; 2.Shanghai Harbour City Dishui Lake Construction Management Co., Ltd, Shanghai 201306, China)

In order to fully understand the elimination effects of riparian vegetation buffer zones on surface, underground run off pollutants, the author studied the different riparian vegetation buffer zones on nitrogen and phosphorus reduction of surface and underground runoff by the arti fi cial simulation method in Lingang River in different vegetation con fi guration type and riparian zone width. The results showed that: the different types of vegetation affected by changes in vegetation width and types of pollutants on the removal of pollutants. 7 m wide riparian buffer zone on the four kinds of pollutant removal ef fi ciency was better than 1 m, 2 m. Four kinds of riparian vegetation buffer zones of different con fi gurations for each pollutant removal surface runoff signi fi cantly different from each other (P＜0.05). Where the best for the removal of contaminants on surface was the vegetation con fi guration typeⅠ, the average removal rates for TN,TP, NO3--N, NH4+-N were 27.66%, 27.66%, 26.53%, 29.56%; the order of removal of pollutants for four con fi gurations of the average size was:Ⅰ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ. The best for the removal of contaminants on underground was the vegetation con fi guration typeⅢ, the average removal rates for TN,TP, NO3--N, NH4+-N were 31.34%, 21.83%, 26.97%, 18.26%; the order of removal of pollutants for four con fi gurations of the average size was: Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅰ＞Ⅱ.

riparian vegetation buffer zones; vegetation con fi guration type; removal pollutants

S727.28

A

1673-923X(2016)05-0108-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.05.020

2015-03-10

上海市重大科技攻关项目（09DZ1200900）；浦东新区科科委承建环保类创新项目（pkj2013-c05）

白莹莹，硕士生 通讯作者：蔡永立，教授，博士；E-mail：ylcai@geo.ecnu.edu.cn

白莹莹，江 洪，饶应福，等.临港新城河岸人工植被缓冲带对氮、磷的去除效果[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(5):108-113, 132.

[本文编校：谢荣秀]