太湖湖泊缓冲带草林复合系统氮沉降阻滞解析

刘长娥，付子轼，2*，周 胜，2，宋祥甫，2，刘娅琴，2，刘福兴，2，邹国燕，2，董家华

(1上海市农业科学院，上海201403；2上海低碳农业工程技术研究中心，上海201415；3南京信息工程大学雷丁学院，南京 210044)

大气氮沉降是指大气中的活性氮通过各种途径，从大气转移到地表的过程。就全球范围来看，目前大气氮沉降的平均值为每年5 kghm2，其中欧洲为每年10 kghm2，北美为每年26 kghm2，亚洲为每年7 kghm2；我国大气氮沉降量为每年5.1—25.6 kghm2，而太湖地区为每年27.6 kghm2[1-6]，远超我国及其他国家平均水平，已经成为世界高氮沉降区之一。大气氮沉降的增加，已造成了一些地区水域氮富积和陆地生态系统“氮饱和”，严重威胁着水体和陆地生态系统的健康发展[7]。据统计，太湖水质从20世纪70年代到90年代下降了2—3个级别，富营养化水面达到40%。太湖水体富营养化中，氮是主要因素[8-9]，因此减少氮的输入是减轻太湖污染的关键。

太湖是苏、浙、皖、沪等地区诸多大城市重要的供水水源地和淡水资源来源地，近几十年来，随着太湖流域人为活动的日益加剧、经济发展及农村建设使太湖缓冲带的生态功能和结构受到干扰和破坏。Hill等[10]研究指出，湖岸带生态系统退化直接导致其蓄藏和拦截过滤功能的丧失是造成河流和湖泊富营养化的一个重要原因。草林复合系统泛指由草地和森林(多年生木本植物，如乔木、灌木、竹类等)在空间上有机结合而形成的复合型土地利用方式。近年来，随着生态环境综合治理的需要，作为一个重要的生态治理措施，草林复合系统日益受到人们的重视，并被广泛应用于生态保护和环境改善领域。草林复合系统是太湖缓冲带重要的组成部分，占整个缓冲带长度的15.9%，自然的草林系统多由林木与自然杂草构成，年复一年堆积的大量枯枝落叶，形成了较大的污染源[11]，在降雨的胁迫下不但起不到应有的净化作用，还加速了流经缓冲带河流的污染，严重削弱了缓冲带的污染拦截作用。

太湖的污染防治一直以来备受关注，鉴于缓冲带草林复合系统植被生长现状以及自身污染情况，进行缓冲带污染控制和生态修复是污染防治的主要措施之一，而了解不同草林复合系统拦截与阻滞氮流失的特征，是进行生态修复与污染防治的重要前提。

太湖是高氮沉降区，降雨沉降氮对加速缓冲带草林复合系统氮饱和具有重要的作用。本研究选取几种不同林分密度与林下草被种类组合的草林复合系统，通过分析不同草林复合系统对降雨沉降氮的阻滞特征，了解草林复合系统的结构对功能的影响，进而筛选出氮阻滞效能高的草林复合系统，为生态修复与污染防治提供支撑，以提升缓冲带的生态功能，有效地将氮、磷滞留在陆地生态系统物质循环之中，降低氮、磷随降雨径流进入湖泊水体的风险。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于太湖西岸的周铁地区，属长江三角洲太湖水网化平原，沿太湖有长达22.3km的湖岸线。研究区属北亚热带季风气候，季节鲜明，日照充足，无霜期长。研究区域年平均降水量1 210.4mm，其中，春季降水量占全年的29%，夏季占36%，秋季占22.5%，冬季占12.5%；全年约49%的雨量集中在6—9月，以6月最多；年平均气温为15.6℃，受太湖水气的影响，空气平均湿度较大，昼夜温差较小。

研究区域的土壤有3种类型，分别为水稻土、潮土和黄棕壤，试验区域主要为潮土。区域内草林复合植被，树木种类主要有香樟(Cinnamomumcamphora)、臭椿(Ailanthusaltissima)、楝树(Meliaazedarach)；林下自然草被有葎草(Humulusscandens)、杠板归(Polygonumperfoliatum)、小飞蓬(Comnyzacanadensis)、紫菀(Radixasteris)、看麦娘(AlopecurusaequalisSobol)。根据相关研究的需要，在部分林下清除杂草，种植白三叶(Trifoliumrepens)、红花酢浆草(Oxaliscorymbosa)、麦冬(Ophiopogonjaponicus)和马蹄金(DichondraerpensForst)草坪。

1.2 试验设计与方法

1.2.1 试验小区建立

在草坪种植的次年(2015年)，植物生长稳定后，根据林分密度和草被种类选取不同草林复合类型处理，分别为疏林麦冬、密林麦冬、疏林马蹄金、密林杂草和密林裸地。每个处理分别以胸径相近的树木为中心，按2m×2m建立了径流小区，重复3次，小区内设置不同深度(20cm、40cm、80cm)土壤水收集器和有机质层A0(0—5cm)渗透水采集器。

1.2.2 降雨试验准备

利用天然降雨进行相关试验，采用上海气象局生产的虹吸式雨量计进行降水量与降雨强度的记录。为取得完整可靠的试验数据，在降雨前将径流收集桶埋设在其相应的收集装置中，上覆塑料膜，将径流管插入桶内，同时径流管也采取塑料膜覆盖，防止降雨直接进入。在试验区附近的屋顶放置虹吸式雨量计，在疏林和密林下分别放置3个与雨量计直径相近的塑料桶，用于承接雨水。降雨停止后，对每个小区不同时段的大气降水(所接收的雨水)、地表降雨径流、地下径流以及区域大气降水进行取样，分析水中氮含量。

降雨强度采用气象部门的等级划分，根据降水量，划分为小雨(≤2.5mmh)、中雨(2.6—8mmh)、大雨(8.1—15mmh)、暴雨(≥16mmh)。

1.2.3 取样与分析

降雨结束后，对各区域设施中的水样进行抽取，分离漂浮物(植物残体)和泥沙，对雨水和地表径流水的量进行测量记录，然后混匀，取少量样品按编号分类装瓶，带回实验室，进行相关指标的测定。

大气氮湿沉降的计算公式为：TNps=P×A×Nps，式中，TNps为大气氮湿沉降量(mg)，P为大气降水量(mm)，A为小区面积(m2)，Nps为降水氮含量(mgL)，由虹吸式雨量计在林外收集的大气降水。

草林复合系统氮沉降的计算公式为：TNgs=G×A×Ngs，式中，TNgs为草林复合系统氮沉降量(mg)，G为林内降水量(mm)，A为小区面积(m2)，Ngs为林内降水氮含量(mgL)，在疏林与密林内收集的大气降水。

林木沉积氮量(mg)=草林复合系统氮沉降量(mg)-大气氮湿沉降量(mg)。

按照《水和废水监测分析方法》(第四版)进行水样中相关元素的分析，其中，氮含量采用过硫酸钾消解紫外分光广度法测定；硝态氮浓度采用饱和CaSO4溶液提取-双波长分光光度法测定；铵态氮浓度采用KCl浸提-比色法测定。

1.3 数据分析与处理

试验数据使用SPSS 19.0统计软件进行分析，采用单因素方差分析不同草林系统的差异性(P<0.05)，利用Excel 2007进行相关图表的制作。

2 结果与分析

2.1 不同草林复合系统氮沉降特征

草林复合系统氮沉降主要指由降雨携带及林木沉积氮随降雨一同进入系统的氮含量，因降雨强度、大气沉降携带氮含量和林分密度的不同，不同草林复合系统的氮沉降输入量不同。由图1可见，7月初草林复合系统氮的沉降输入量较高，其次是4月，而6月下旬和9月初氮沉降输入量较少。沉降的氮一部分进入地下系统进行循环，一部分随地表径流输出，受不同草林复合系统植物生长特征的影响，地表径流氮输出量不同。总体而言，密林草林复合系统氮输出量较高，其中，以密林杂草地最高。

沉降输入草林复合系统中的氮，一部分是大气降雨中本身携带的氮，一部分是干沉降沉积于林木上的氮，在降雨的冲刷下随雨水一同进入系统。由图2可见，不同时期林木沉积氮占的比例不同，初期大气降雨沉积的氮含量占沉降输入氮的50%以上，随着降雨次数的增加，林木沉积的氮量趋于减少。9月份林木沉积氮含量的增加有待于进一步考证。

2.2 草林复合系统氮沉降阻滞解析

2.2.1 不同草林复合系统降雨沉降氮含量随地表径流的变化

降雨携带氮进入不同草林复合系统，受干沉降与植被生长特征的影响，不同草林复合系统地表径流氮含量普遍高于湿沉降氮含量，主要原因是受草林系统本身氮含量的影响。由图3可见，6月下旬草林复合系统氮溶出量多，径流中氮含量较高，尤其以密林杂草系统最为明显，这一时期温湿度较高，大量累积的落叶与枯死的早春植物在高温高湿的环境下腐烂释放养分，导致系统氮含量急剧增加，在降雨的冲刷下随径流流失。

由表1可见，降雨沉降与地表径流氮的成分组成不同，降雨沉降中氮主要以NH+4形式存在，而地表径流中氮主要以NO-3形式存在。植物在生长过程中更倾向于利用NH+4作为氮源[12]，地表径流在经过草地的过程中NH+4被植物吸收利用，在某种程度削减了径流水中NH+4含量。另外，植物的种类与密度对NH+4的吸收利用程度也有一定影响。

表1 沉降与地表径流NH+4与 NO-3组成比例

2.2.2 不同草林复合系统降雨沉降氮含量随地下径流的变化

降雨携带氮进入不同草林复合系统，大部分进入地下系统，土壤表层在降雨的冲刷下，氮元素被溶出，其量的多少一方面受该层枯落物量、种类和土壤累积氮含量的影响，另一方面也受植被生长吸收的影响[13-14]。

由图4可见，疏林麦冬有机质层(A0)氮含量普遍较密林麦冬低，主要是因为密林麦冬地面积累的落叶较多；疏林马蹄金较疏林麦冬有机质层氮含量低，是因为马蹄金本身的凋落物较麦冬少，土壤表层积累的枯落物量少。密林裸地有机质层氮含量普遍较密林麦冬和密林杂草高，主要是因为缺乏植物的生长吸收。而密林杂草在植物生长初期有机质层氮的析出低，是因为初期早春植物种类丰富，生长旺盛，养分被植物吸收利用；随着早春植物的不断死亡与积累，夏季形成较厚的枯落物层，在降雨的冲刷下腐烂释放大量养分，导致表层渗透水中氮含量较高。

随着土壤深度的增加，进入土壤-植物系统的氮逐步减少，尤其以土层20cm效果最为明显(图4)。这是因为20cm土壤深度是植物根系集中分布区域，植物根系的吸收与微生物的作用对氮含量的降低具有重要影响。由表2可见，相同类型的草林复合系统中，随着土壤深度的变化，地下径流中NH+4与NO-3的组成比例不同；不同类型的草林复合系统中，相同深度地下径流水中NH+4与NO-3的组成比例亦不同，主要受不同种类植被的养分吸收与释放特征以及土壤理化性质的影响。 NO-3因不易被带负电荷的土壤颗粒固定，密林裸地土壤的地下径流中NO-3占的比例较大。

表2 不同草林复合系统地下径流中NH+4与NO-3组成比例

2.2.3 不同草林复合系统对氮的消纳效能

草林复合系统对径流中氮的消纳一方面是土壤-植物系统对氮的拦截与吸附作用，另一方面是系统对径流水的入渗作用。小雨、中雨、大雨、暴雨情况下，草林复合系统对降雨的拦截率分别为64%、42%、29%、30%。降水量在50mm以内，草林复合系统对径流的入渗率平均达到90%以上，随径流进入土壤-植物系统的氮，通过系统的消纳，在地下80cm深处得到大幅度削减，除密林杂草外，基本达到地表水环境质量标准(GB 3838—2002)Ⅴ类水标准， 有效阻止了径流携带氮的输出。

如果仅按降雨沉降输入计算各草林复合系统的氮磷平衡状况，疏林麦冬、密林麦冬、疏林马蹄金、密林杂草、密林裸地对氮的平均截留率分别为96.9%、91.9%、96.9%、77.0%和93.0%，草坪林木组合比杂草林木组合氮的截留率高16—20个百分点，其中以疏林麦冬与疏林马蹄金对氮的截留效果较好。研究表明，适宜的草林结构与种类选择对径流污染拦截具有重要的作用。

3 讨论

3.1 草林复合系统对陆域面源污染物的截留作用

利用不同植物体系构建的草林复合植被缓冲带，是截留陆域面源污染物、改善水质的有效手段，是水土保持综合治理的根本措施，也是最为经济有效和长久稳定的措施。以往研究表明，不同类型、不同发育阶段的草林复合系统对营养物质的拦截净化效率差异较大，如对氮的截留率从3%—50%不等[15-17]。草林复合系统主要通过渗透过程、吸附过程和转化过程实现对陆域面源污染物的截留作用，有研究发现缓冲带对地表径流中养分和污染物的清除主要发生在土壤中，渗透到土壤中的氮、磷主要通过植物吸收、土壤吸附、微生物转化等方式实现截留净化[18-22]。

本研究中林下种植草坪的地下根系分布有利于疏导径流进入地下系统，从而促使污染物在土壤-植物系统进行消纳，极大地减少了氮聚集地表随地表径流携带输出的风险。植被过滤带对污染物的吸附决定于水流与土壤、植被等吸附位点的接触面。疏林草坪组合，草坪地表占有比例较大，能够有效减缓和降低雨滴降落时对土壤的冲击，增加径流水中污染物质与其他介质间的相互作用，有效拦截地表径流。土壤的下渗能力越大，缓冲带截留污染的效果就越好，经过滤带截留下来的污染物再通过植物吸收、微生物代谢、光解、水解等一系列生物化学和化学过程完成进一步的降解转化[23-25]。

植物吸收是草林复合植被缓冲带截留氮的主要机理之一。草坪为多年生植物，生长期长，根系较一年生杂草发达，根区微生物活性高，在生长过程中，伴随着一系列的生理生态过程，在水质净化与拦截污染物方面具有较大的优势，能够吸收更多的养分。

3.2 草林复合系统对沉降氮的阻滞作用

草林复合系统对沉降氮的阻滞包括植被空间结构对降雨及氮的拦截与吸收以及土壤不同深度对降雨及氮的沉降与吸附，这种阻滞受植物的生长、形态结构特征、物种组成、凋落物分解、土壤理化性质等影响。

草林复合系统中林木茂盛枝叶的阻挡显著减少了进入地面的降水量，可以有效减少降雨对地表的冲击而导致的水土流失量，其阻滞程度随降雨强度而不同，雨量越大，阻滞作用越小。随降雨沉降输入草林系统中的氮，部分被林木浓密的枝叶承接与吸附，林木对氮的沉积有效减缓了大气沉降污染物的循环进程，促进污染物在陆地系统进行消纳，减轻污染输出进入水体的风险，降低湖泊水体污染负荷。

降雨携带养分在穿透林木时，一部分被林木的枝叶与树干吸收，一部分进入地下系统进行循环，剩余部分则随地表径流输出。其中，沉降输入的氮大部分是在地下系统被消纳，主要原因是氮随地下径流在地下系统缓慢下渗的过程中，能够有效接触土壤与植物根系，延长了氮与各组分的生物化学反应时间，土壤中的反硝化细菌可将硝酸盐还原，释放分子态氮或N2O，返回大气，使氮吸附与去除更彻底，氮浓度得到大幅度削减。有研究认为土壤的反硝化作用是去除氮的主要途径，受土壤水势、土壤pH、温度以及不同气候条件的影响[26]。

4 结论

湖泊缓冲带草林复合系统能够有效地将氮保留在陆地生态系统物质循环之中，降低氮随降雨径流进入湖泊水体的风险，其主要作用在于草林复合系统对径流的渗透作用及对氮的吸收与吸附作用，具体表现在以下几方面：(1)适宜的林木与草被配置有利于降雨径流的入渗，草林复合系统入渗率可达90%以上，有效减少径流携带氮的输出风险；(2)降雨携带氮进入草林复合系统,在土壤-植物系统各组分的作用下，氮含量得到大幅度削减，地下径流水可达到地表水环境质量标准(GB 3838—2002)Ⅴ类水标准；(3)沉降氮进入草林复合系统,氮的截留率达到77%以上，其中，以疏林麦冬与疏林马蹄金氮的截留率较高，达到96.9%，通过地表径流输出的氮大幅度减少。