模拟黑麦草植被缓冲带对径流中氮、磷以及悬浮颗粒物的截留效果研究

魏忠平 ，朱永乐 ，汤家喜 ，刘 丽 ，张 莹 ，高英旭

（1.辽宁省林业科学研究院，沈阳110032；2.辽宁工程技术大学 环境科学与工程学院，辽宁 阜新 123000；3.沈阳市环境技术评估中心，沈阳 110032；4.沈阳海关技术中心，沈阳 110032）

伴随着经济的发展和社会的进步，人们对水资源造成的污染也越来越严重。例如工业、农业、畜牧业等生产都会产生大量的污废水，并排入到河流、湖泊等自然水体中会对水质造成不同程度的污染，其中氮、磷等元素流入水体会加剧水体富营养化程度[1-2]。当前点源污染已经得到了很大程度的控制，而面源污染由于排污点源分散，排放时间不连续、排放范围广泛等特点，已经成为当今水污染修复领域所要解决的重点问题[3-4]。河岸植被缓冲带能控制水土流失、阻截污染物进入河流，不同类型的河岸植被缓冲带对地表径流中农业面源污染有不同效率的阻截效果[5-10]。1～6m宽的河岸植被过滤带可以阻截19.4%～42.9%来自地表径流的总氮[10]。BLANCO-CANQUI等[11]研究发现，植物篱可有效截留来自农田地表径流中的氮和磷，有机氮、硝态氮、铵态氮和磷酸盐的截留效率分别为55%、27%、19%和37%。植被缓冲带对农业径流中污染物的截留效率受诸多因素影响，包括植被类型、缓冲带宽度、坡度以及水文地质条件等[12]。DILLAHA等[13]研究发现，在坡度11%的坡面上4.6m宽的植被过滤带可阻截73%的来自农田地表径流的磷素；而坡度为16%相同宽度的植被过滤带对磷素的截留仅为49%。RAHMANA等[14]研究还发现，植被缓冲带土壤pH值的变化可影响溶解态氮素的迁移过程。综上，国内外学者对植被缓冲带截留阻控地表径流中农业面源污染的效果进行了较多的研究，但对地下渗流水体中面源污染物截留效果则研究较少，而关于辽河流域河岸植被缓冲带的研究少见报道。因此，本研究以辽河流域上游河道两岸土壤为模拟黑麦草植被缓冲带，通过室内模拟径流和降雨试验，研究其对地表径流及渗流中氮、磷及悬浮颗粒物等污染物浓度的影响，分析其截留、阻控的作用机制，以期为辽河流域河岸带管理和水体保护提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

供试土壤于2016年5月采自铁岭市银州区双安桥东侧辽河河岸植被缓冲带内，采样深度0～50cm，土样经自然风干、磨细过20目筛后，备用，土壤理化性质见表1。试验装置采用自制有机玻璃箱（图1），长120cm、宽80cm、深60cm，箱体可进行0～45°的坡度调节，本试验坡度设计为5%。箱体底部均匀布设透水孔，以模拟自然情况土壤底层入渗排水。箱体一侧顶端设有供水管，连接流量计，通过调节阀门控制水泵抽水流量进行模拟径流入水。水流通过径流扩散板流入箱体，保证径流稳定均匀的进入植被缓冲带。箱体另一侧随不同深度设有出水口，纵向交叉布设，出水口分别连接3根直径约2cm PVC管，长度与箱体长度相同，且管壁上周留有微孔，用无纺布包裹，埋入箱体土壤中，用于收集渗流样品。将过20目石英砂填入玻璃箱内，厚度为10cm，后将供试土壤以5cm厚度分层填入玻璃箱，土层顺序与采集土壤深度保持一致。每层土壤用木棒压实，保证层间良好结合，控制土壤干容重约为1.40g·cm-3。

图1 试验装置图Figure 1 Schematic diagram of experimental set-up

表1 供试土壤理化性质Table 1 Soil characteristics of vegetative filter strips

试验于2016年5～8月在辽宁工程技术大学环境工程实训中心进行。5月下旬在玻璃箱中种植黑麦草（Lolium perenne L.）模拟植被缓冲带，带长100cm、宽80cm，种植密度为15g·m-2。黑麦草是一种多年生禾本科牧草，秆高30～90cm，喜温和湿润气候，光照强、日照短、温度较低有利分蘖。在年降水量500～1500mm地方均可生长。具有的特点为：（1）成活率高，对环境有较强的适应力，能够在季节性积水中存活，并且具有一定的抗旱能力，可在北方气候条件下生长；（2）生物量大，吸收氮、磷污染物能力强；（3）根系较发达，能够有效保护河岸带，防治河岸被侵蚀；（4）具有一定的景观价值。

使用碳酸氢铵（NH4HCO3）和过磷酸钙[Ca（H2PO4）2·H2O·CaSO4]与自来水配置含氮磷模拟径流，试验设计见表2。模拟降雨仍使用自来水。设计不同径流量及降雨强度进行试验，模拟径流（R1、R2、R3）与模拟降雨（P1、P2、P3）试验在同一组黑麦草缓冲带内交替进行，每周1次，3次循环，共计6组试验，每组试验设3个重复，并设置无植物缓冲带作为空白对照（CK）。模拟径流试验开始前，将供水池中已配置好的污水搅拌均匀，利用水泵将水抽出，通过流量计控制出水流量大小，经径流扩散板稳定均匀流入黑麦草植被缓冲带。当径流产生时开始计时，待坡面径流平稳后，测量径流流速，一次模拟径流试验历时50min。人工降雨装置采用下喷式降雨系统[15]，降雨高度4m。试验开始前对降雨均匀度反复率定至85%以上，降雨强度误差控制在5%以内。模拟降雨产生地表径流时，同时以一定流量输入径流水体并开始计时，一次模拟降雨历时约30min。各组试验进行后，采用PP样品瓶，分别收集地表径流（0cm）以及20，30，40 cm深度的渗流样品，测定样品中的氨氮（NH+4-N）、总磷（TP）和溶解性磷（DP）及悬浮颗粒物（SS）含量。

表2 试验设计Table 2 Experimental design

1.2 测定方法

土壤理化性质采用 《土壤农化分析》（第三版）分析方法进行测定；水样采用钼酸铵分光光度法（GB/T 11893-1989）测定总磷（TP），钼锑抗分光光度法测定溶解性磷（DP），纳氏试剂分光光度法（GB 7479-87）测定氨氮（NH4+-N），重量法（GB 11901-89）测定悬浮颗粒物（SS）[16-18]。

1.3 数据分析

地表径流和渗流中各形态氮磷截留效率R计算为：

式中：R为水中污染物的去除率（%）；C0为流入缓冲带前径流中污染物的初始浓度（mg·L-1）；Ci为不同采样点处径流中污染物的浓度（mg·L-1）。

根据试验数据非正态分布特点，使用SPSS 19.0对试验数据做Kruskal-Wallace多重比较和Mann Whitney Wilcoxon U检验，用Origin7.0绘图。

2 结果与分析

2.1 黑麦草植被缓冲带对地表径流和渗流中NH-N的截留效果

由图1可知，在模拟径流和降雨条件下，黑麦草植被缓冲带对地表径流和渗流中NH-N的截留效率均显著高于裸地，其截留效率均在25%以上。在R1、R2和R3中，黑麦草植被缓冲带对地表径流和渗流的截留效率无显著性差异。随着深度的增加，其截留效率逐渐增大，但差异不显著（p＞0.05），在40cm处截留效率最大为27.3%；在不同降雨强度P1、P2和P3中，黑麦草植被缓冲带对NH-N截留效率均大于26%，但3次试验的截留效率差异不显著（p＞0.05）。整体上其对地表径流和渗流的截留效率与模拟径流（R1、R2和R3）的变化规律基本一致。

图1 黑麦草对地表径流和渗流中NH-N的截留效率Figure 1 NH-N retention efficiency of rye grass in surface runoff and underground seepage

2.2 黑麦草植被缓冲带对地表径流和渗流中磷素的截留效果

2.2.1 黑麦草植被缓冲带对地表径流和渗流中TP的截留效率 由图2可知，6组试验中，黑麦草植被缓冲带对TP的截留效率随着土壤深度的增加而逐渐提高，在R1、R3和P1处理中，其对TP的截留效率随深度的变化具有显著性差异（p＜0.05）。整体上，模拟降雨条件下黑麦草植被缓冲带对TP的截留效率显著高于模拟径流处理过程中缓冲带对TP的截留效率（p＜0.05）。尤其在P1处理下，缓冲带对40cm渗流中TP的截留效率（12.4%）显著高于R1处理（10.1%）。

图2 黑麦草对地表径流和渗流中TP的截留效率Figure2 TP retention efficiency of rye grass in surface runoff and underground seepage

2.2.2 黑麦草植被缓冲带对地表径流和渗流中DP的截留效率 黑麦草植被缓冲带对地表径流和渗流中DP的截留效率与对TP的变化规律相似（图3）。6组试验中，缓冲带对地表径流和渗流中DP的截留效率无显著性差异（p＞0.05）；除P1处理外，不同处理中，随着渗流深度的增加，其对DP的截留效率无显著性差异（p＞0.05）。在P1处理下，黑麦草植被缓冲带对40cm渗流中DP的截留效率（25.0%）显著高于其他深度渗流样品，其截留效率大小依次为：地表径流（20.2%）＜20cm渗流（22.4%）＜30cm渗流（24.3%）＜40cm渗流（25.5%）。

图3 黑麦草对地表径流和渗流中DP的截留效率Figure 3 Retention efficiency of DP in surface runoff and underground seepage

2.3 黑麦草植被缓冲带对地表径流和渗流中SS的截留效果

由图4可知，6组试验中，黑麦草植被缓冲带对SS的截留效率极显著高于CK（p＜0.01）。在R1、R2与P1、P2处理中，随着土壤深度的增加其对渗流中SS的截留效率逐渐提高，且在R1处理中，SS的截留效率随深度的变化具有显著性差异（p＜0.05），其对40 cm处渗流中SS的截留效率最高为27.5%。整体上，模拟降雨条件下黑麦草植被缓冲带对SS的截留效率低于模拟径流处理过程中缓冲带对SS的截留效率。这主要是由于第一次模拟径流试验可能会率先冲走大颗粒的泥沙，使R1处理下，缓冲带对SS的截留效率普遍偏高，随后R2和R3处理下，土壤含水量逐渐提高，且SS以细颗粒为主，其截留效率出现下降趋势。另外，模拟降雨条件下，黑麦草植被缓冲带对SS的截留效率普遍低于模拟径流试验。这表明，相同入流流量下，持续的降雨可使后者径流量逐渐增大，提高其流速，降低水力停留时间，使SS的截留效率降低。

图4 黑麦草对地表径流和渗流中SS的截留效率Figure 4 The retention efficiency of SS in surface runoff and underground seepage

3 讨论与结论

有研究表明[19]，地表径流和渗流中的NH-N可以通过缓冲带中植物的吸收、微生物的活动以及土壤的吸附作用得以消减。黑麦草具有较发达的根系，本试验期间黑麦草根系可达20～30cm处。植物通过光合作用产生的氧经过根茎和叶片传送到底部，扩散到周围缺氧的土壤中，这将有助于深层土壤下的硝化细菌生长繁殖，使得土壤中的硝化作用增强，有助于对NH-N的吸收和转化[20]。此外，由于土壤颗粒表面带有负电荷，其对NH-N 有较强的吸附作用[21]。对比6次模拟试验发现，随着土壤深度的不断增加，黑麦草对NH-N的截留效率也逐渐呈现上升的趋势，第3次模拟降雨条件下（P3），40 cm处渗流的截留效率最大为28%。这可能是由于模拟降雨过程中产生径流量较大，植物根系处于淹水状态，土壤中含氧量随着土壤深度的增加而减少，会促使硝化产物NO发生反硝化作用，转化成气态的N2和N2O。再者，在植物生长发育的过程中会释放出的大量含碳有机物进入根际的底层土壤，使得反硝化细菌在植物根际大量生长繁殖、发生反硝化作用[22]。

植被缓冲带对总磷的截留效率与缓冲带长度与坡度密切相关，缓冲带越宽，地表径流流经的时间越长，磷素在缓冲带停留的时间也越长；同时，坡度越缓，其入渗量较大，缓冲带对地表径流的阻滞作用越强，因此其对磷素浓度的截留率也越高[23]。也有研究表明[24]，径流流量越小，其对径流及磷的截留效率更高，植被缓冲带降低了径流流速，其植被增加了土壤孔隙度从而提高了入渗率，进而截留、阻控氮磷等污染物。当径流流量较大时，径流流经植被缓冲带用时变短，径流中污染物不能充分入渗，因此不能有效得到截留、阻控。本研究黑麦草植被缓冲带对地表径流和渗流中TP的截留效率最高仅为12.4%，与孙东耀等[23]的研究结果（95.2%）有较大差异。这主要是由于本研究采用小型模拟植被缓冲带装置，带长仅为1.2m，试验条件与孙东耀等[23]利用现场20m植被缓冲带的研究对象有较大差异。同时本研究的径流量相对较低，因此，表现出3次径流间以及3次模拟降雨间的截留效率差异不显著。此外，一部分颗粒结合态的磷会被阻滞在土壤的浅层中，未随水流排出[25]。而且磷素本身不存在气态和挥发，多数生物化学交换主要以正磷酸盐的形式发生，因此径流中的TP极易在土壤系统中饱和或被系统土壤所固定[26-27]。

水体中磷素主要以颗粒态和溶解态两种形态存在，土壤颗粒对磷素有较强的吸附能力，使其结合为颗粒态磷，较易随径流流失[28]。黑麦草植被缓冲带可通过植物吸收和土壤吸附等作用消减地表径流和渗流中DP的含量。本研究中缓冲带对DP的截留效率显著高于TP（p＜0.05），这主要是由于试验采用模拟配置氮磷污染径流，进入缓冲带体系后，DP较易于土壤颗粒吸附为颗粒态磷，渗流中DP的含量较少。同时黑麦草表层根系发达，根系可改变土壤的结构，增加土壤孔隙度，提高土壤的渗透能力，被缓冲带截留的磷随地表径流渗入土壤中，通过土壤颗粒吸附、植物根系吸收及微生物活动等多重作用得以消减[29]。然而，植被缓冲带仅将磷素截留阻滞在其植物与土壤体系中，并不能如同氮素一样经反硝化等作用使其在体系中去除。因此，可通过定期对缓冲带内植物进行收获管理措施，使磷素彻底去除[21]。在R3和P3处理下，黑麦草植被缓冲带对40 cm渗流DP的截留效率较其他深度出现降低的趋势。这可能与植物的根系生长分布结构有关，黑麦草作为一种陆生植物，根系易水平生长导致须根主要分布在浅层土壤中，能够对存在于土壤（0～30cm）中的磷进行有效的吸收转化[30]。在30cm以内的深度范围内，黑麦草对DP的截留效率随着土壤深度的增加而呈现逐渐升高的趋势。当深度超出地下30cm的范围后，根系无法继续深入土壤吸收转化深层中的磷，使得截留效率出现下降趋势。另外，此现象与土壤含水量有一定关系，R3和P3两次处理径流量增大，增加了径流和渗流流速，因此降低了与植被缓冲带体系的接触时间，造成截留效率降低[31]。

径流中SS的主要物质是泥沙，来源于水体对土壤的侵蚀转移和冲刷作用。有相关研究表明[25]，草本植被过滤带的地上部分是其截留径流和泥沙的关键，即植物茎秆密度直接关系到其拦截径流和泥沙能力。这与本试验结果基本一致，模拟的缓冲带对SS的截留效果远远优于CK，植被缓冲带的存在会不同程度地降低径流流速，改变缓冲带内土壤孔隙状况以及增加入渗率，从而实现减少水土流失的作用。植被缓冲带对氮、磷的阻控仍与截留地表径流和泥沙相关，具体为两方面[32]：（1）植被缓冲带的存在，可以滞缓径流、截留泥沙，从而降低径流搬运土壤颗粒的能力，致使一部分颗粒态氮、磷被截留；（2）径流中可溶性氮、磷则随径流入渗到深层土壤中，从而降低了径流对可溶性氮、磷的转运能力。

本研究结果表明，黑麦草植被缓冲带可有效截留地表径流和渗流中NH-N、TP、DP及SS等污染物。随着渗流取样深度的增加，黑麦草对各形态氮磷及悬浮颗粒物的截留效率逐渐增大，其中对TP的截留效率变化趋势最为明显。模拟径流与模拟降雨条件下，其分别对地表径流和渗流中TP及SS的截留效率存在显著性差异，但对地表径流和渗流中NH-N及DP的截留效率无显著性差异。黑麦草植被缓冲带主要通过植物根系吸收、增加土壤入渗能力以及土壤吸附等作用截留、阻控地表径流和渗流中氮、磷和SS等污染物。