密云水库库滨带不同植被配置下面源污染特征分析

李凯，程金花，陈仲旭

北京林业大学水土保持学院，北京 100083

人类为了满足自己生产和生活的需要，大量地采用农业化学产品，造成了土壤的面源污染，其危害具有滞后性和潜伏性特征（王晓燕等，2002），对地表地下水的水质构成了严重的威胁。面源污染是引起水体富营养化的重要因素，当前得到广泛认可的防治方法之一就是在水陆群落交错区建立植被缓冲带（库滨带）（Uchida et al.，2005；卢宝倩等，2007）。

李宪文等（2002）对四川紫色土地区的研究发现，土壤中氮流失的主要形式是径流；而土壤中的磷元素流失主要形式则为泥沙，泥沙中的养分有显著的富集现象。刘俏（2014）对南方红壤丘陵区的研究发现土壤的养分流失与年降水分布呈显著同步性，每年的梅雨期，台风期是土壤养分流失的高峰期。吴东等（2015）在对三峡库区退耕还林的研究发现退耕还林模式与坡耕地相比总氮，总磷流失显著减少。耿润哲等（2013）对密云水库流域的研究发现，氮在丰水年的流失程度较平水年增加较大，而磷的表现则不明显。王士永（2011）在对北京怀柔东台沟植被对产流产沙的影响研究中发现植被对控制产流产沙结果有着显著相关性。Udawatta et al.（2016）认为构建植被缓冲带，营造水源涵养林是在库区减少水土流失和面源污染的重要途径之一。汪庆兵（2014）对湖北水库的研究发现水杉纯林和稗子对氮素的截留控制效果显著。吴健等（2008）通过设置不同植被配置的滨岸缓冲带草+灌、草+乔、草+灌+乔在人工降雨条件下的实验得出面源污染防治和土壤抗侵蚀能力最优的组合模式。储双双等（2013）研究了在尾叶桉林、马占相思林和采伐迹地天然降雨下径流中不同氮磷流失的变化特征，径流量会在一定程度上制约氮磷流失量。美国的Eghball et al.（2001）也对草本带对面源污染的控制作用做了探讨，提出过滤草带能够降低径流中氮、磷及泥沙含量。同时他们还发现随着经济的发展，污染源也在不断变化，主要污染源由原来的农村生活变为禽类养殖，且在人口密集地区与养殖场附近污染越严重。李明涛（2014）在密云水库上游地区的研究也发现禽类粪便污染也成为当地面源污染的主要因素，同时不合理施肥也导致了土壤养分流失和污染。以上有关面源污染的研究大多采用模拟降雨或径流冲刷的方式进行，分析天然降雨条件下面源污染状况的研究内容较少。

密云水库作为北京市重要水源地，是北京市的重点保护区域，近年来，非点源污染逐渐取代点源污染成为影响密云水库水质的主要因素（耿润哲等，2015）。密云水库水位上涨后，水位变幅区、库滨带污染物主要通过水土流失、水土界面元素吸附-释放等形式进入水库。通过构建布局合理、配置科学的缓冲带，控制和减轻面源污染对水源地水体的影响，是防治面源污染、改善环境水质的较好方法，因此研究密云水库库滨带区不同植被配置对于面源污染的控制作用，确定植被缓冲带内最优植被配置，对于密云水库的水质保障具有重要意义。

为获得实际有效的植被配置，本研究建设 12个不同植被配置的野外径流小区，在天然降雨条件下，通过观测和分析不同径流小区的产流产沙情况以及径流和泥沙样品中的面源污染指标值，分析不同植被配置对面源污染的控制削减能力，为库滨缓冲带植被配置技术提供一定数据参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区密云水库位于北京郊区密云城北山区（40°14′-41°05′N 和 116°07′-117°30′E），设计总库容4.375×109 m3，最高蓄水位159.9 m，平均年径流量1.19×109 m3，平均水深30 m，是首都北京最大的饮用水源地。密云水库水文站多年平均降水量为632.5 mm，该地区多年平均水面蒸发量为1037 mm，年平均气温10.9 ℃。研究区内土壤以砂质壤土和粉砂质壤土为主，土壤砾质含量中等。土壤空隙状况较好，表层土壤容重的变化范围在 1.1-1.3 g·cm-3之间。土地主要利用类型以林地、疏林地和草地为主。研究区植被主要以森林为主，其中天然次生林主要为山杨（Populus davidiana）、蒙古栎（Quercus mongolica）和椴树（Tilia tuan）为主的阔叶混交杂木林。人工纯林种植面积很广，分别有旱柳（Salix matsudana）、毛白杨（Populus tomentosa）、小叶杨（Populus simonii）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、金枝国槐（Sophora japonica）、金叶榆（Ulmus pumila）等，分布在库区的各个区域。灌木群面积较小，部分为人工种植，主要有紫丁香（Syringa oblata）和黄栌（Cotinus coggygria）等。

1.2 试验方法

1.2.1 野外径流小区分布及植被配置情况

选取密云水库北部不老屯镇库滨带作为本次研究径流小区布设所在地。设置12个20 m×5 m的野外标准径流小区，使用PVC板埋入土中10 cm围出径流小区的边界，坡度下方边界处挖一条长4 m的集水渠，水渠内部用塑料薄膜及防水革铺垫，防止渗水。在径流小区出口保留一个边长20 cm的正方形出口，出口下方挖一条截面边长为20 cm、长度为1 m的导水渠，导水渠内部用塑料薄膜及防水革铺垫。在径流小区出口导水渠下方挖一个集水坑，将塑料集水桶放入收集地表径流，并用地板革盖住整个集水区以防外部降雨渗入。其中 8个野外径流小区位于密云水库库滨带东部不老屯镇学各庄村，其内包含1个荒地对照径流小区，另外4个野外径流小区位于库滨带库西部不老屯镇黄土坎村。

径流小区主要包括库滨带内毛白杨、油松（Pinus tabuliformis）、臭椿（Ailanthus altissima）、刺槐、金叶榆、白蜡（Fraxinus chinensis）、柳树等乔木以及葎草（Humulus scandens）、苜蓿（Medicago sativa）等草本和紫丁香等灌木不同植物在内不同植被类型及一个荒地对照小区，本研究选择库滨带内植物并进行纯乔小区、纯草小区、乔灌混交小区、乔乔混交小区、乔草混交小区、乔灌草小区的不同配置，编号1-12号，坡度均为5°，土地利用类型为草地、林地、林草地及林灌草地（表1）。

1.2.2 径流小区取样测定

每次降雨产流后，采集集水桶中清水样品，测定径流样品的面源污染指标。充分搅拌集水桶中径流及泥沙，用1 L采样瓶采取单位体积水样，带回进行烘干称质量。

1.3 实验数据测定及计算

3次天然降雨中所有径流水样均送样至北京市理化中心及北京市轻工业所进行总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH4+-N）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）5个面源污染指标测定，测定方法如表2所示。

对各植被配置模式下TN、TP、NH4+-N、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD5）在各次降雨所引起的流失量M进行计算，计算公式如下：

式中，Mik分别第k个径流小区第i个面源污染指标各次降雨所引起的流失量，g·hm-2或 kg·hm-2；cij为第k个径流小区第i个面源污染指标在第j次降雨情况中的质量浓度，mg·L-1；Rjk为第k个径流小区第j次降雨中地表径流量，m3·hm-2。

表1 不同植被径流小区配置情况Table 1 Configuration of different vegetation runoff plots

表2 试验小区土壤面源污染指标测定方法Table 2 Test method for soil non-point source pollution index in test plots

2 结果与分析

2.1 不同植被配置下产流产沙状况

本研究选取6月22日、7月6日、8月2日3次典型天然降雨，降雨雨强如表 3所示。将径流小区的径流和泥沙产量作为监测指标分析研究，对密云水库库滨带不同植被配置进行固土固沙效果评估。

表3 3次天然降雨参数Table 3 Three natural rainfall parameters

2017年6月22日的天然降雨平均雨强为15.65 mm·h-1，总降雨量为 93.9 mm，降雨历时 6 h，；2017年7月6日天然降雨平均雨强为12.94 mm·h-1，总降雨量为103.5 mm，降雨历时8 h；2017年8月2日天然降雨平均雨强为 7.59 mm·h-1，总降雨量为68.3 mm，降雨历时9 h。

对3次天然降雨不同植被配置产流产沙进行分析如图1、图2、图3所示：

图1 6月22日天然降雨不同植被配置产流产沙量Fig. 1 Runoff and sediment yield of different vegetation under the natural rainfall on June 22

图2 7月6日天然降雨不同植被配置产流产沙量Fig. 2 Runoff and sediment yield of different vegetation under the natural rainfall on July 6

图3 8月2日天然降雨产流产沙Fig. 3 Runoff and sediment yield of different vegetation under the natural rainfall on August 2

在6月22日的降雨中，植被配置单一的径流小区在产流量方面与荒地小区较其他几个小区大，柳树+丁香+蒿与毛白杨+紫丁香+葎草两个植被配置为乔灌草的径流小区产流量明显低于其余8个小区，且在第一次天然降雨中柳树+丁香+蒿小区产流量最小。在单一植被配置的径流小区中，产流量大小为：苜蓿小区＞油松小区＞毛白杨小区，而油松+金叶榆、油松+白蜡等 6个乔灌和乔乔混交的径流小区在第一次天然降雨中产流量相差不大。荒地在所有小区中产沙量最大，两个乔灌草混交小区最小，其余9个小区泥沙产量均差别不大，在单一植被配置中产沙量最大的是苜蓿小区，两种植被混交配置中产沙最小的为臭椿+刺槐，柳树+丁香+蒿在12个径流小区中产沙量最小。在7月6日的第二次天然降雨中，荒地仍为 12个径流小区中产流产沙量最大的小区，在植被配置单一的径流小区中，产流量的大小为：油松小区最大，毛白杨小区最小；产沙量的大小为：苜蓿小区最大，油松小区最小。在两种植被混交配置类型中，产流量的大小为：油松+白蜡小区＞油松+毛白杨小区＞油松+臭椿小区＞油松+金叶榆小区＞臭椿+刺槐小区＞柳树+苜蓿小区；产沙量的大小为：柳树+苜蓿小区＞油松+毛白杨小区＞油松+白蜡小区＞油松+金叶榆小区＞油松+臭椿小区＞臭椿+刺槐小区。在乔灌草混交的径流小区中，在产流和产沙量方面柳树+丁香+蒿小区均大于毛白杨+紫丁香+葎草小区。在8月2日第3次天然降雨中，在不同植被配置产流产沙量中荒地最大，且总体产流产沙量相比前两次天然降雨大量削减，在不同植被产流量中，毛白杨+紫丁香+葎草小区产流量最低，苜蓿小区产流量最高，油松与其他植被混交的植被配置中，金叶榆与油松混交有最好的截留效果；产沙量大小顺序为：荒地小区＞油松小区＞苜蓿小区＞毛白杨小区＞油松+臭椿小区＞油松+白蜡小区＞油松+金叶榆小区＞油松+毛白杨小区＞臭椿+刺槐＞柳树+苜蓿小区＞柳树+丁香+蒿小区＞毛白杨+紫丁香+葎草小区。

将各个小区 3次降雨的产流产沙值与对照对比，获得其减流作用和减沙作用，并取3次结果的平均值。所得结果如表4所示。

表4 不同植被配置平均减流作用与减沙作用Table 4 Average flow reduction and sediment reduction in different vegetation configurations

从表4可看出，两种乔灌草配置的减流减沙作用是所有小区里最好的，并且两种配置有着相近的减流作用，毛白杨+紫丁香+葎草此种模式的配置在减沙作用上优于柳树+丁香+蒿；研究观察发现植被配置单一径流小区在减流减沙作用上，毛白杨纯乔小区＞油松纯乔小区＞苜蓿纯草小区；研究同样发现配置类型为两种植被混交的径流小区在减流减沙作用上，臭椿+刺槐乔乔小区以及柳树+苜蓿乔草配置小区较其他双植被配置较好，臭椿+刺槐小区在双植被配置小区中具有最好的减流减沙作用。油松加其他植被混交使得减流减沙作用显著增大，在油松分别与金叶榆、白蜡、臭椿、毛白杨混交的小区中，4种混交配置小区分别比纯油松小区减流作用提高20.46%、14.91%、20.17%、20.8%，减沙作用提高11.56%、6.97%、6.0%、11.91%；毛白杨、金叶榆与油松有着最好的混交效果，比较两种植被与油松混交的减流减沙效果，发现其减流减沙效果基本相当；减流作用最差的是油松+白蜡小区，减沙作用最差的为油松+臭椿小区。

在3次天然降雨中，混交小区均表现出比纯林带小区更好的固土固沙效果，并且柳树+丁香+蒿以及毛白杨+紫丁香+葎草两个乔灌草小区产流产沙是 12个径流小区中最小的，更多样的植被配置在截留固沙、防止水土流失的过程中起着更为显著的作用。

2.2 不同植被配置面源污染控制作用

根据黄生斌等（2007）对密云水库面源污染负荷的贡献率研究，密云水库库区流域内径流水质有机物污染指标COD约70%，BOD5约70%，养分流失指标TN约70%，NH4+-N占90%，TP占90%，本研究通过监测以上5个面源污染指标，反映不同植被配置对面源污染的控制作用。

3次天然降雨中，不同植被配置小区径流中面源污染指标平均削减率如图4所示。

对照荒地径流小区得出不同植被配置对NH4+-N的削减效果11种植被配置均大于50%，TN削减率均大于28%，TP的控制削减率各植被小区（除油松以外）均达到了 50%以上，可见植被配置能够很大程度上减缓面源污染程度。油松混交配置对NH4+-N削减率范围在73.08%-80.30%之间，对TN的削减率在50%左右，对TP的削减率在60%以上，其中油松+毛白杨的混交效果对3种指标的削减最明显。臭椿混交刺槐对的控制效果要优于混交油松。柳树+苜蓿对NH4+-N、TN和TP的削减比纯种苜蓿分别提高了21.32%、47%和26%。两种乔灌草植被配置的削减效果最好，NH4+-N的削减率达到了89%，TN削减率达到76%，TP削减率达到91%。

不同植被配置对COD和BOD5的对照荒地小区削减率均达到了60%以上，油松混交小区对COD和 BOD5的削减率在 70%以上，柳树+苜蓿配置对COD的削减比纯种苜蓿提高了29%左右。柳树+丁香+蒿和毛白杨+紫丁香+葎草乔灌草配置对 COD的削减率达到了91.22%和91.91%。

2.3 降雨对不同植被配置面源污染控制作用的影响

图4 3次天然降雨不同植被配置小区径流中面源污染指标平均削减率Fig. 4 Average Reduction Rate of Non-point Source Pollution Indicators in Runoff of Different Vegetation Distribution Areas with three Natural Rainfall

3场天然降雨的平均雨强逐场减小，降雨历时第3场＞第2场＞第1场。随着降雨强度的减小，3次降雨条件下面源污染程度递减。将不同植被配置径流小区TN、TP、NH4+-N、COD、BOD55个面源污染指标值，进行第1场降雨与第3场降雨之间差值、削减比计算，其值作为评价降雨与时间条件不同下，不同植被配置对于面源污染控制削减效果（图5-9）。

各植被配置小区3次降雨条件下植被随着时间推移、降雨量的减少、降雨强度的减弱，TN的流失模数显著减少（P＜0.05），各个植被配置对TN的削减比均在 90%左右；TP流失变化较大，总体上呈减小的趋势，各个植被配置对TP的削减比达到77%（油松+白蜡）以上；同一种植被配置下NH4+-N流失模数显著减少（P＜0.05），3次降雨条件下各植被配置对NH4+-N的削减比均在85%以上；COD和BOD5下降趋势明显。

3 讨论

在本文中不同植被在天然降雨的截流固沙效果中，毛白杨+紫丁香+葎草此种乔灌草混交是最优的植被配置模式，理论上看，生态位重叠的混交模式优于生态位部分重叠模式优于生态位完全重叠模式（沈国舫，2001）。而本研究中综合减流减沙作用，柳树苜蓿乔草小区优于臭椿刺槐乔乔小区优于油松金叶榆乔灌小区，虽然后两者表现出并不明显的差异，这与所引用文献中研究结果相左，可能由于乔草小区草本植物的高覆盖率与乔灌配置灌木的低郁闭度导致试验结果的偏差。

图5 不同植被配置3次天然降雨对TN削减控制Fig. 5 Control of TN reduction by natural rainfall three times of different vegetation configurations

图6 不同植被配置3次天然降雨对TP削减控制Fig. 6 Control of TP reduction of three times natural rainfall in different vegetation configurations

图7 不同植被配置3次天然降雨对NH4+-N削减控制Fig. 7 Control of NH4+-N reduction by three times natural rainfall in different vegetations

本研究中，试验中对于5个面源污染指标的检测结果显示库滨带对于面源污染控制效果显著。不同植被配置径流小区各养分随径流流失特征分析。在降雨量、平均降雨强度、降雨历时相同，所设径流小区地形坡度基本一致的情况下，有植被配置的11个径流小区对照荒地小区面源指标值更小，且削减率均为正值，说明植被在对面源污染的对控制削减作用上有着重大的意义。在所有植被配置中乔、灌、草混交配置对TP、NH4+-N等指标的减缓作用显著，为各配置中最优；乔木乔木混交的控制效果优于乔灌混交和乔草混交，单一植被配置的效果最差。

通过比较3次不同雨强的天然降雨条件下各养分流失情况，随着时间的推移，库缤带的植被群落建立和完善、降雨强度和降雨量的减少，植被对于面源污染控制的效果也越来越显著，对于TN、TP、NH4+-N、的削减值乔灌草混交小区效果最好，两种植被混交配置的植被类型中乔灌混交油松+金叶榆的削减作用最强，且对于COD和 BOD5的控制作用也最显著。在3次天然降雨条件下，得出的结论为对照荒地小区比较得出的油松+毛白杨最优，而3次降雨的时间比较中，油松+金叶榆配置在对面源污染的控制上有着更大的潜力。

图8 不同植被配置3次天然降雨对COD削减控制Fig. 8 Control of COD reduction of three times natural rainfall in different vegetation configurations

图9 不同植被配置3次天然降雨对BOD5 削减控制Fig. 9 Control of BOD5 reduction by three times natural rainfall in different vegetation configurations

从3次天然降雨间的削减率看出，氨氮的削减率大于氮的削减率，且总氮总磷的流失量不大，在吴东等的研究中得知硝态氮、铵态氮主要通过地表径流输出，总氮和总磷主要通过泥沙输出（韩黎阳等，2014）。

在与荒地小区的对照比较中，油松+毛白杨的削减率最好。随着时间推移在3次天然降雨的比较中，油松+毛白杨的削减率最好，油松与金叶榆乔灌混交在对于面源污染的控制上具有良好的潜力，这也验证了林分的优化与立体配置的多样性相关（王百田，2010）。

本研究通过室内室外试验得出最优的植被配置为毛白杨+紫丁香+葎草此种混交模式，而对毛白杨生长影响最大的是土壤水分（董雯怡，2011），意味着在水源涵养区毛白杨有着较大的水分消耗，故在库滨带实际建设中，还应综合考虑各项因素。

4 结论

（1）天然降雨条件下，植被配置的多样性与减流作用fr与减沙作用fs呈正相关关系，减流作用最好的毛白杨+紫丁香+葎草小区与柳树+丁香+蒿，油松小区纯乔最差，减沙作用毛白杨+紫丁香+葎草最好，苜蓿小区纯草最差。

（2）在所有植被配置中乔、灌、草混交配置对TP、NH4+-N等指标的减缓作用显著，为各配置中最优；乔木乔木混交的控制效果优于乔灌混交和乔草混交，单一植被配置的效果最差。

（3）对于纯种植被小区在削减TP、NH4+-N上毛白杨要优于油松和苜蓿，混交小区乔木乔木混交优于乔灌其中混交油松+毛白杨对 5种指标的削减作用最好，其配置作用最优，综合评价最适合大量推广。乔灌草混交的削减作用为 12种植被配置中最强。

（4）通过比较3次不同雨强的天然降雨条件下各径流小区对面源污染的控制效果得出：随着库缤带的植被群落建立和完善，对于TN、TP、NH4+-N、的削减乔灌草混交小区效果最好，两种植被混交配置的植被类型中乔灌混交油松+金叶榆的削减作用最强，且对于COD和BOD5的控制作用也最显著。在 3次降雨的时间推移过程中比较得出油松+金叶榆配置在对面源污染的控制上有着更大的潜力。