河岸人工林缓冲带截留磷素能力及适宜宽度1)

朱颖 吴永波 李文霞 吕建 孟亦奇

(江苏省南方现代林业协同创新中心(南京林业大学)，南京，210037)



河岸人工林缓冲带截留磷素能力及适宜宽度1)

朱颖 吴永波 李文霞 吕建 孟亦奇

(江苏省南方现代林业协同创新中心(南京林业大学)，南京，210037)

以中山杉林、杨树林、中山杉—杨树林3种太湖人工林缓冲带为研究对象，分析不同缓冲带宽度对富营养物质磷素的截留效果差异，为确定缓冲带适宜宽度提供科学依据。结果表明：3种类型人工林缓冲带径流水中的磷酸根质量浓度没有特定的空间趋势，总磷、可溶性总磷随宽度增加质量浓度减少，研究区人工林缓冲带对径流水中总磷的最大去除率可达78.2%。土壤总磷质量分数随宽度的变化呈极显著正相关(p<0.01)。回归分析得出径流水中的总磷去除率达80%时，最佳人工林缓冲带为43.64 m宽的杨树林带。

河岸人工林缓冲带；宽度；总磷；可溶性总磷；磷酸根；有效磷

Journal of Northeast Forestry University，2016,44(12)：31-36,41.

An experiment was conducted to study the effects of phosphorus removal by three types of Taihu Lake riparian plantation buffer strips, including Taxodium ‘zhongshansha’ forest, Poplar forest and Taxodium ‘zhongshansha’-Poplar mixed forest in terms of width. The PO43-contents of surface runoff did not follow any specific spatial trend in the three kind of riparian plantation buffer strips. The total phosphorus and total dissolved phosphorus contents of surface runoff showed decline trend with the increase of width, and the total phosphorus retention efficiency was as the highest as 78.2%. Total phosphorus contents of soil were significantly positive correlation with strip width (p<0.05). When the removal rate of total phosphorus was 80%, the Poplar forest with 43.64 m width could be as the priority plantation for buffer strips near Taihu Lake by polynomial regression analysis.

湖泊富营养化的治理成为当前一个热点问题。农业面源污染是造成湖泊富营养化的主要原因之一。由于农业肥料的过度施用，氮、磷等污染物质在降雨或灌溉过程中，通过地表径流、渗漏等途径进入湖泊河流等水体，进而引起水体富营养化[1]。太湖上游是村民的聚居地，村庄依河而建，村民主要以农业为主。农村污水、生活垃圾、化肥农药等产生的面源污染造成太湖水体受污染严重，仅农业污染就占太湖外部污染比重的50%。磷是引起太湖水体富营养化的主要农业面源污染物质之一，主要以游离态或结合态滞留于土壤中，迁移较缓慢，极易被土壤吸附。有研究表明，磷肥的当季利用率仅为5%～25%[2]，大量未被利用的磷素在雨水作用下随地表径流和浅地表径流淋失进入太湖，成为太湖水体富营养物质的重要来源。

毗邻溪流和湿地的河岸植被缓冲带可以净化水质，对减缓农业面源污染中磷素的流失具有重要作用，被美国农业部推荐为控制非点源污染的最佳管理措施之一[3]。地表径流是农田土壤中磷素的主要流失途径[4-6]，河岸植被缓冲带主要通过过滤、渗透、吸收、滞留、沉积等物理、化学和生物功能效应，控制、减少面源污染物排入水体的总量，减弱其毒性，从而达到降解环境污染、净化水质、保护河湖水体的目的[7-9]。河岸缓冲带的土壤吸附与沉淀和植物吸收是去除磷素的主要途径[10]。地表径流中的磷主要呈溶解态和颗粒吸附态，其中可溶性磷(DP)可被植物直接利用，主要以正磷酸盐的形式存在，颗粒态磷(PP)主要以含磷矿物、含磷有机物和土壤吸附磷的形式存在[11]。有研究表明，径流水中的质量浓度与表层土壤的含磷量直接相关[12-13]。土壤可以移除径流水中的磷，使磷在土壤中形成不易利用或无效态的磷。土壤中磷的迁移转化过程是：溶解—吸附—沉淀，施磷量决定土壤中磷的吸附量与释放量，施肥造成土壤含磷量出现盈余时，土壤吸附作用大于解析作用；当土壤溶液的浓度较低时，土壤吸附的磷则被释放进入土壤溶液[14]。

许多国内外学者研究植被缓冲区对污染物的截留，主要以草地、自然森林缓冲带为研究对象[15-18]，对人工防护林的研究较少。且之前缓冲带的研究均基于一定的坡度条件，研究其净化效果[19-23]，坡度平缓的缓冲带涉及较少。同时，对于缓冲带的适宜宽度尚未有一致定论，有研究表明，多数情况下缓冲区截留沉积物的最佳宽度为30 m。太湖周边农田大多坡度极小，甚至没有。因此，笔者于2015年研究坡度近乎为0°的不同人工林缓冲带对农业面源污染物质磷素的截留与吸收，为筛选适宜太湖流域的河岸人工林缓冲带(缓冲带)模式提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于宜兴市周铁镇沙塘岗村的东部，太湖西部沿岸，农田下游，与太湖间相隔一个沿湖大堤。研究区属亚热带季风气候，全年温暖湿润。年平均气温15.7 ℃，夏季最热月平均气温28.3 ℃。年平均无霜期240 d以上，生长期可达250 d左右。农作物每年可熟2～3次。日照较足，7—8月份日照时间最多。雨量丰沛，年平均雨日136.6 d，年平均降水量1 177 mm，春夏雨水集中，6、8月份暴雨多。地表水、地下水丰富。研究区土壤为中性黄棕壤，周边生活区主要以农业为主，种植作物以水稻、小麦、油菜为主。土壤基本性质见表1。

表1 土壤的基本物理性质

2 材料与方法

2.1 试验地设计

各样地尺寸为50 m×20 m，相互间隔1 m，用60 cm宽的胶合板分隔，减少样地间的干扰。从南到北依次是林分密度为1 000株·hm-2的中山杉—杨树林(1)、中山杉林(2)、杨树林(3)(图1);树龄4 a;杨树平均树高3.8 m，平均冠幅130.5 cm×119.0 cm，胸径4.8 cm;中山杉平均树高3.0 m，平均冠幅108.0 cm×99.0 cm，胸径3.9 cm。在距样地起始端的0、5、15、30、40 m处分别埋设3组PVC集水管，深度分别为20、40、60 cm(图2)，用于采集径流水。

2.2 样品采集和测定方法

分别于2015年5月10日、7月14日、9月22日进行采样，降雨前施肥，降雨产流后采样，施肥时间与采样时间相隔1周，在每块样地初始处人工撒施氮磷钾复合肥2.4 kg，降雨产流后采样，收集气象数据求得平均降水量为60.9 mm。

图1 样地布局示意图

图2 每块样地集水管铺设示意图

首先采集埋设不同宽度集水管中的径流水，装于100 mL的聚乙烯瓶，加1滴浓H2SO4，之后将集水管中的水抽干，以便下次采集。水样采集完毕后在每组集水管所在区域选取1 m×1 m的小区，利用直径为5 cm土钻采集土壤(土层深度(h)为0

水样采回后于冰箱4 ℃保存，并及时测定；土样于室外风干至衡质量后研磨过筛，装于塑封袋放置干燥处备用。水样总磷和可溶性总磷的测定采用过硫酸钾氧化—钼蓝比色法[24]；水样磷酸根的测定采用钼锑抗比色法；土壤总磷的测定采用硫酸—高氯酸消煮—钼锑抗比色法[10]；土壤有效磷的测定采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法[25]。

径流水中总磷去除率按如下公式计算：河岸人工林缓冲带不同样地i处径流水总磷的累计去除率=(缓冲带初始径流水中总磷质量浓度-各样地i处径流水中总磷质量浓度)/缓冲带初始径流水中总磷质量浓度。其中i为不同样地距离起始端的距离，分别为5、15、30和50 m。

土壤中总磷截留率按如下公式计算：河岸人工林缓冲带不同样地i处土壤总磷的累计截留率=(各样地i处土壤总磷质量分数-缓冲带初始土壤总磷质量分数)/缓冲带初始土壤总磷质量分数。其中i为不同样地距离起始端的距离，分别为5、15、30和50 m。

2.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0进行数据处理与统计分析，用3次采样数据的平均值进行图表绘制。

3 结果与分析

3.1 径流水中磷素质量浓度的空间差异

3.1.1 不同缓冲带宽度和深度径流水中磷素质量浓度

表2、表3和表4分别为不同缓冲带宽度和深度径流水中磷素(总磷、可溶性总磷和磷酸根)的质量浓度。单因素方差分析表明，不同宽度之间径流水中总磷质量浓度差异显著(p<0.05)。不同缓冲带径流水中总磷质量浓度随宽度增加逐渐降低，缓冲带5 m宽度处总磷质量浓度下降明显，5 m之后总磷质量浓度下降趋势减缓。随缓冲带宽度增加，3块样地径流水中可溶性总磷质量浓度有不同程度的降低，在5 m宽度处下降较明显，5 m后下降趋势不明显。各样地5 m后的径流水中磷酸根质量浓度有所减少，仅杨树林缓冲带表现为随宽度增加磷酸根质量浓度降低的趋势，其他2块样地无明显变化规律。

径流水中磷素随深度增加，总磷质量浓度从大到小表现为：20 m处、40 m处、60 m，表明径流水在下渗过程中土壤对径流水中的总磷质量浓度起到了较好的截留作用，相关性分析表明，3种缓冲带之间的径流水中总磷质量浓度与深度极显著负相关(p<0.01)。不同模式缓冲带在起始处可溶性总磷和磷酸根质量浓度随深度增加有降低趋势，之后没有明显变化规律。

表2 不同缓冲带宽度和深度径流水中总磷质量浓度

注：表中数据为径流水中总磷质量浓度±标准误。

表3 不同缓冲带宽度和深度径流水中可溶性总磷质量浓度

注：表中数据为径流水中可溶性总磷质量浓度±标准误。

表4 不同缓冲带宽度和深度径流水中磷酸根质量浓度

注：表中数据为径流水中磷酸根质量浓度±标准误。

3.1.2 不同植被类型缓冲带径流水中磷素的截留效果

如表5所示，3块样地20 cm深度径流水总磷去除率随宽度的增加基本呈升高趋势，在5 m处去除率达到了49.51%～65.79%，截留效果显著。中山杉林缓冲带在40 m处去除率达到最大值，为74.0%。杨树林缓冲带在30 m处总磷去除率即达到74.5%，之后下降趋势减缓；40 m处去除率达到最大值，为78.2%。中山杉—杨树林缓冲带在15 m处去除率达到最大值，为77.8%。总磷去除率从大到小为杨树林、中山杉—杨树林、中山杉林。结果表明，杨树林缓冲带能有效降低径流水中的磷素质量浓度，效果大于其他2块样地。

3.2 土壤磷素质量分数的空间差异

3.2.1 不同缓冲带宽度和深度土壤磷素质量分数

如表6、表7所示，缓冲带土壤总磷和有效磷质量分数随深度增加而减少。土壤中总磷质量分数随宽度的增加逐渐升高，较多的磷被滞留在土壤中。与起始处相比，中山杉林、杨树林和中山杉—杨树林缓冲带在40 m处的土壤总磷质量分数分别升高了0.22、0.15、0.09 g·kg-1，中山杉林和杨树林缓冲带土壤对总磷的截留效果显著。不同缓冲带宽度土壤有效磷质量分数先降低后上升，即在5 m处降到最低值后随宽度增加而逐渐升高。

表5 不同植被类型缓冲带径流水中总磷去除率

注：表中数据为径流水中总磷去除率±标准误。

相关性分析表明，土壤总磷与宽度的变化呈正相关(表2)，其中，中山杉林缓冲带和杨树林缓冲带土壤总磷质量分数和宽度的相关性显著(p<0.05)。各缓冲带土壤有效磷质量分数与宽度相关性不显著(p>0.05)。

表6 不同缓冲带宽度和深度土壤中总磷质量分数

注：表中数据为土壤中总磷质量分数±标准误。

表7 不同缓冲带宽度和深度土壤中有效磷质量分数

注：表中数据为土壤中有效磷质量分数±标准误。

3.2.2 不同植被类型缓冲带土壤中磷素的截留效果

表8为3块样地0

表8 不同植被类型缓冲带土壤总磷截留率

注：表中数据为土壤总磷截留率±标准误。

3.3 植物叶片总磷质量分数

如表9所示，不同缓冲带宽度处的叶片总磷质量分数均值在2.8～3.1 g/kg-1，不同缓冲带相差较小。初始处和5 m宽度处的植物叶片总磷质量分数值偏高，对应的缓冲带前5 m宽度径流水总磷去除率较高可能与此有关。

表9 不同缓冲带宽度和深度土壤中总磷质量分数

注：表中数据为土壤中总磷质量分数±标准误。

3.4 不同指标间的关系

径流水的总磷质量浓度与植物叶片总磷质量分数呈显著正相关(p<0.05)，说明植物可以有效吸收径流水中的磷；径流水中总磷质量浓度和土壤中总磷质量分数呈极显著负相关(p<0.01)，说明土壤对径流水中总磷的截留起到积极作用，能有效降低径流水中总磷质量浓度。

3.5 不同类型缓冲带最佳宽度确定

根据径流水中的总磷去除率随宽度的变化来确定缓冲带最佳宽度。把宽度设为唯一变量，利用SPSS统计分析软件，确定总磷去除率达到80%时的宽度即为缓冲带最佳宽度。分别对3种植被类型缓冲带径流水中的总磷去除率和样地宽度进行曲线拟合，所得的线性模型见表10。根据表10中的拟合公式，计算出总磷去除率为80%时的缓冲带宽度，即为各缓冲带的最佳宽度。结果表明，最佳缓冲带为43.64 m宽的杨树林带。

a.径流水总磷与植物叶片总磷关系 b.径流水总磷与土壤中总磷关系

图3 不同指标间的相关性

注：Y为径流水中的总磷去除率(%)；x为宽度(m)；—表示相关性不显著,*表示相关性显著；** 表示相关性极显著。

4 结论和讨论

4.1 不同植被类型河岸人工林缓冲带对磷素的截留效果

各样地拦截能力因缓冲带的类型及磷形态不同而表现出明显差异，本研究结果表明，经过40 m宽的缓冲带，3种植被类型河岸人工林缓冲带对径流水总磷的拦截能力以杨树林缓冲带最强，中山杉林缓冲带次之，中山杉—杨树林缓冲带拦截效果较差。

3种类型植被缓冲带对地表径流中的总磷拦截效果较好，去除率最大值出现在杨树林缓冲带。中山杉—杨树林缓冲带相比另外2种缓冲带对径流水中总磷的拦截效果较差，可能受到植物种间他感作用的影响，造成一种植被对另一种植被吸收养分能力的抑制，但具体情况有待进一步考证。径流水中可溶性总磷质量浓度杨树林缓冲带最低，有研究表明，河岸缓冲带径流水中的可溶性磷主要依靠土壤吸附和植物吸收溶解态的无机磷实现[17]，植物吸收作用能有效减少径流水中可溶性总磷的质量浓度；同时，相同密度下，杨树林的郁闭度大于中山杉林和中山杉—杨树林，杨树林缓冲带土壤孔隙度和土壤含水量小于中山杉林和中山杉—杨树林缓冲带，因此，杨树林缓冲带林下雨量比中山杉林缓冲带下雨量少，导致杨树林缓冲带径流量减少，流速减慢。有研究表明，高流量的径流水中可溶性总磷质量浓度最高[26]。而本次研究杨树林缓冲带径流水中可溶性总磷质量浓度较低，可能是杨树林缓冲带植被吸收和径流量少造成的。本研究表明，径流水中可溶性总磷和磷酸根质量浓度适用于不同植被类型缓冲带去除磷素效果的比较，径流水总磷质量浓度则能更好地反映缓冲带不同宽度处磷素的截留效果。

土壤中磷素质量分数可以反映土壤对磷素的固着能力。3种类型植被缓冲带土壤拦截磷素的效果显著。中山杉林和杨树林缓冲带对土壤总磷截留率的最高值相差不大，中山杉—杨树林缓冲带的截留率较低；在环境条件和管理措施一致的前提下，土壤磷素流失的大小随土壤有效磷质量分数的增加而提高[27]，各样地土壤中有效磷质量分数从大到小依次为中山杉—杨树林、中山杉林、杨树林，因此，推测中山杉—杨树林和中山杉林缓冲带土壤磷素流失的风险更大，杨树林缓冲带土壤磷素流失的风险小，对土壤磷素的截留吸收效果较好。

4.2 河岸人工林缓冲带的最佳宽度确定

国内外关于缓冲带宽度的研究尚无一致结论。美国西北太平洋地区的河岸植被缓冲带普遍使用30 m作为最小宽度[28]；A.J.Castelle等研究认为，保护河流的物理化学特性至少需要15 m宽的河岸植被缓冲带，而维护生态系统的完整性需要缓冲带达到30 m[29]。Peterjohn等研究结果表明，19 m的缓冲带能够去除73.7%总磷和58.1%的溶解态磷[30]。因此，针对不同地域，需要综合考虑各种影响因素，确定适宜缓冲带宽度。

本研究结果表明，径流水中总磷质量浓度随宽度和深度增加而减少，去除效果显著；各缓冲带径流水中可溶性总磷在5 m处下降较明显，之后下降趋势不明显；不同宽度处理对径流水中磷酸根质量浓度的影响不大，磷酸根质量浓度未呈现明显规律性变化，这与Snyder等人得出的结论相似[31]。缓冲带土壤总磷与宽度的变化呈正相关，相关性显著。

3块样地在5 m处就能够截留径流水中50%左右的总磷，这与Dillaha的研究结果：4.6 m的过滤带可截留61%的输入磷相近[32]。30 m去除率达70%左右，之后总磷质量浓度下降趋势减缓，40 m的去除率在72%～78%，径流水总磷去除率最大值出现在40 m处的杨树林缓冲带。前5 m宽度处植物叶片吸收的磷素较多，而5 m宽度后植物叶内总磷质量分数有减少的趋势，这可能与径流水中可溶性总磷质量浓度减少有关。有研究表明，土壤中的水溶性无机磷可供植物直接吸收利用[33]；然而，磷肥施入土壤后，容易形成难溶性的磷酸盐，并迅速为土壤矿物吸附固定或为微生物固持，可以被利用的磷很少[34]。在缓冲带前5 m宽度处，土壤中水溶性无机磷质量分数较多，且径流流量大，表现在较多的土壤有效磷进入径流水中供植物吸收利用。因此，5 m宽度处土壤中有效磷质量分数下降明显，5 m之后随宽度增加，径流水中可溶性总磷和磷酸根减少的同时，土壤有效磷质量分数并没有显著增加，说明大部分磷素以无效态滞留土壤中，这种现象可能是磷素有效性随时间延长逐渐降低造成的。结果表明，植物吸收和土壤吸附可以有效去除径流水的总磷，但有必要提高土壤有效性，防止土壤磷负荷过高造成缓冲带的利用价值降低。

本研究对实验数据进行曲线拟合，探索性得出径流水中的总磷和宽度的线型模型，确定径流水的总磷去除率达到80%时的最佳宽度为43.64 m。

今后可增加对植物根系和茎的含磷量测验，同时增加其他指标，如土壤钙磷、铁磷等，深入分析缓冲带对磷元素的去除和转换机制。

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Phosphorus Retention Capacities and Fitting Width of Different Riparian Plantation Buffer Strips

Zhu Ying, Wu Yongbo, Li Wenxia, Lü Jian, Meng Yiqi

(Collaborative Innovation Center of Sustainable Forestry in Southern China of Jiangsu Province, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, P. R. China)

Riparian plantation buffer strip; Width; Total phosphorus; Soluble total phosphorus; Phosphate; Available phosphorus

1)国家林业局“948”项目(2013-4-63)、江苏省生物学优势学科建设项目资助。

朱颖，女，1990年9月生，江苏省南方现代林业协同创新中心(南京林业大学)，硕士研究生。E-mail：15031513098@163.com。

吴永波，江苏省南方现代林业协同创新中心(南京林业大学)，副教授。E-mail：yongbowu0920@163.com。

2016年5月20日。

X522

责任编辑：戴芳天。