弃耕山垄田改建人工湿地削减板栗林氮磷流失效果研究

程平，何哲灵，孙显慧，郑城，梅道亮，王云龙，梁志伟，罗安程*

(1.浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058； 2.浙江省水资源水电管理中心，浙江 杭州 310009； 3.安吉县水利局，浙江 安吉 313300； 4.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310000)

板栗是我国重要的经济作物[1-2]，种植面积180万hm2，年产量达195万t，占世界板栗总产量的84%，曾是我国农村的支柱产业。板栗也是浙江省许多农村地区的重要经济来源。2013年浙江省板栗产量高达6万t，产值达5.37亿元[3]。然而，在板栗生产中，林地植被破坏严重，表土裸露，同时，板栗又是一种落叶期长达5个月的落叶经济林，落叶期郁闭度几乎为零[4]。这一特征被认为是板栗林地产生水土和氮、磷流失的主要原因，并由此引起严重的面源污染。

针对板栗林面源污染防治问题，已有不少学者进行了相关研究，并取得了一定成果。板栗林林间间种和混种可以有效减少土壤流失量[5-6]，增加板栗林下植被分布，如在板栗林下套种天麻，可提高土壤容重和最小持水量，增强土壤的稳定性[7-8]。但目前的研究主要集中于水土流失的控制，针对氮、磷污染产生的可能原因以及防治工程方面的研究较少。

人工湿地具有成本低、管理方便等一系列优点，近年来，被广泛应用于面源污染治理[9]。许春华等[10]通过小试装置，研究了人工湿地处理富营养化水体过程氮、磷浓度的空间变化规律。汪庆兵等[11]研究表明，人工湿地可以有效降低农业面源污染水体中的氮、磷浓度。袁子勇等[12]研究表明，人工湿地对污染物具有良好的去除效果。然而，人工湿地存在土地面积需求大、建设成本相对较高等缺点，在农业面源污染治理中仍难以得到较广泛的运用。作者在研究中发现，在板栗种植区都有一定数量的弃耕田，这部分田块由于面积小、土地肥力差、产量低等原因，现已放弃耕作。利用这部分田块建设人工湿地可大大减少建设工程量，降低投资。因此，我们以安吉县杭垓镇的板栗林为研究对象，在了解板栗栽培特性的基础上，研究板栗林种植过程中氮、磷流失特征，并利用弃耕山垄田改造成人工湿地，考察其对板栗林面源污染的控制效果，以期为类似地区板栗林面源污染控制提供技术样板。

1 材料与方法

1.1 试验地点与现状调研

试验在安吉县杭垓镇大坑村赵家冲小流域进行，该流域板栗林面积32.3 hm2，种植历史为15～20 a。大坑村位于饮用水水源赋石水库上游，全部降水经大坑溪汇入赋石水库。大坑村是杭垓镇板栗种植面积较大的村之一，目前，仍有不少村民进行板栗种植。因此，选择大坑村作为试验点对整个地区板栗林面源污染防控有重要的示范作用。为进一步了解区域内板栗栽培方式与面源污染之间的关系，本研究于2017年9—12月对村民、干部及水保技术人员展开为期4个月的实地调研与走访。

1.2 地表径流收集

选择有代表性的板栗地块，建立5.00 m×20.00 m的径流场收集地表径流，其结构见图1。在径流场下边缘设置PVCU型槽，收集到的地表径流经软管送至集水桶暂存。每次降水后立即用500 mL的聚乙烯瓶收集集水桶中的地表径流。收集的水样当天检测，或置于-18 ℃冰箱冷藏保存待用。

图1 地表径流场的平面和剖面

1.3 壤中流的收集

选取一个坡度较为均匀的板栗种植地。从坡顶依次向坡脚设5个壤中流收集点(图2)，分别记为C1、C2、C3、C4、C5。降水后集水槽内水位到达一定量便于采样时，把水样吸入采样瓶中，样品处理方式与地表径流水样相同。

图2 壤中流收集装置及其在坡地上的排布

1.4 人工湿地设计

由于人工湿地常占用大量土地，使用受到限制。本研究所建人工湿地径流流向见图3。湿地植物为美人蕉和莲藕，A、B湿地种植美人蕉，C、D湿地种植莲藕。设8个径流采集点。第1块茶园地表径流经1号检测点与第1块板栗林地表径流经2号检测点经A湿地处理后流出。第2块板栗林由3号检测点流出经B湿地处理，与来自A湿地的径流汇合于4号检测点。第3块板栗林地表径流经过5、6号收集池进入D湿地，与第4块板栗林地表径流经7号收集池后进入D湿地的径流汇合后，经8号检测点流出。监测点水样的采集和保存方法与地表径流相同。

图3 人工湿地及监测点位的分布

1.5 分析测试

1.5.1 总氮、总磷、氨氮、泥沙含量的测定

参照文献[13]进行检测，其中：总氮用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；总磷用钼酸铵分光光度法；氨氮用纳氏试剂分光光度法；泥沙重量采用烘干法测定。

1.5.2 降水量的测定

在距径流小区1 km左右的开阔地建立了一个小型气象站，用于收集降水量、风速等气象参数，采用专用软件HOBOware管理气象数据。

2 结果与讨论

2.1 板栗栽培特点与水土流失

板栗对环境适应性强，适宜在年均气温8～22 ℃、年降水量500～1 500 mm的气候条件下生长。林分空间结构层次简单，多为单层林，植物多样性低[7]。对杭垓镇板栗种植调研表明，成熟果实收获一般采用敲打、捡拾的方式，为了方便敲打、收捡、运输，减少杂草与板栗争肥争光，农民施用草甘膦不定期清除板栗林下植被，导致板栗林地地表植被破坏殆尽。坡地种植板栗，部分板栗林种植坡度超过25°。陡坡种植使板栗林地极易产生水土流失、土层变薄、保肥能力下降的问题，导致施入的氮、磷流失严重，板栗养分不足，这又使农民进一步加大施肥量，形成恶性循环。调研结果表明，每年11月到次年4月为板栗落叶期，期间郁闭度低，地表裸露时间长(图4)。在这个时期降水会引起严重的水土与氮、磷流失，这一认识也得到了当地管理部门的认可。

图4 板栗林冬季裸露与水土流失的状况

2.2 板栗林水土与氮、磷流失特征

2.2.1 降水量与氮、磷流失的关系

降水是面源污染的原动力，区域降水量对污染物的产生、转移有深刻影响。图5为2018年4月至2019年3月的月降水量变化，年总降水量为1 379 mm，月平均降水量达114.9 mm。其中：7月和8月降水量最大，占年降水量的43.1%；2月降水量最少，仅为1 mm。本研究同时监测了全年地表径流量和泥沙流失量(图6)，两者与降水量的变化趋势十分相似。相关分析(图7)表明，降水量与径流量、泥沙流失量均存在极显著线性相关，说明降水是引起板栗林地地表径流和土壤侵蚀的主要因素。

图5 研究区月降水量的分布

图6 板栗林地径流量与泥沙流失量的关系

图7 径流量、泥沙流失量与降水量的相关性

从氮素随水迁移的角度来看，其流失形态有水溶态和泥沙结合态2种，且在可溶态氮中硝态氮所占的比例大于铵态氮[14-17]。水溶态氮可随水流而被带走，而赋存于土壤颗粒中的有机氮、吸附态氨氮主要通过土壤的流失被带走。磷在土壤中主要以有机态磷和与铁、钙、铝结合的无机磷为主，水溶性磷含量极低，因此，磷素的流失主要是以泥沙结合态为主[18-21]。

从图8可以看出，总氮、氨氮、总磷的流失量在雨量丰沛的7、8月达到全年最大值，其中，7月的总氮、总磷流失量达1.48和0.12 g·100 m-2，8月的氨氮流失量达0.59 g·100 m-2。7月和8月的氨氮、总氮、总磷流失总量分别占全年总量的35%、40%、41%。同时，降水量较小的2、3月，氨氮、总氮、总磷流失总量也为全年最小，其中，2月氨氮流失量最小，仅为0.004 g·100 m-2，3月总氮、总磷流失量最小，分别为0.08、0.02 g·100 m-2。线性相关分析(图9)表明，降水量与总氮、总磷和氨氮流失量呈极显著正相关，说明降水是造成板栗林坡地发生养分流失的重要原因。

图8 板栗林月累计总氮、氨氮与总磷的流失量

图9 降水量与氮、氨氮、磷流失量间的相关性

2.2.2 壤中流与氮、磷流失的关系

除地表径流外，氮、磷有可能经壤中流迁移，张丽萍等[22]研究表明，壤中流与氮、磷流失具有重要关系。在强烈侵蚀的坡地，壤中流携带的总氮流失量可达总流失量的90%以上，总磷稍次之。由于板栗林实地壤中流流量很难监测，氮、磷经壤中流途径流失量无法估计，因此，本研究只初步监测了板栗林实地壤中流中的氮、磷浓度(图10)。与地表径流中的氮、磷(图8)比较可见，壤中流中的氮、磷浓度远高于地表径流。地表径流中总氮、氨氮、总磷的最高浓度分别为2.19、1.43、0.69 mg·L-1，仅为山脚壤中流浓度的18%、30%、21%。这也说明壤中流是氮、磷流失的重要途径。

图10 壤中流的养分随坡位变化趋势

综上研究结果表明，板栗林的氮、磷和水土流失总量与降水量有极大关系，而与板栗林本身的郁闭度关系并不大。7月和8月是板栗林郁闭度最高的时期，但我们的研究结果表明，其流失量也达最高，而落叶期(11月至次年4月)的流失量并不高。这一结果修正了我们原有的认识，即：板栗林的水土流失是由于落叶郁闭度降低产生的。结果也显示，板栗林面源污染重点防控时段应为春、夏季(4—8月)，壤中流在氮、磷转移过程中的贡献不可忽视。

2.3 人工湿地控制水土与氮、磷流失效果

2.3.1 对泥沙的影响

径流1、2号点位为茶园和第一块板栗林径流出口，A湿地入口，3号检测点为第二块板栗林径流出口、B湿地入口，然后汇集于4号检测点再进入C湿地和D湿地。图11表明，经湿地处理后4号出水点浊度得到改善。6号点和7号点位分别为第3块、第4块板栗林径流出口。从11图中可见，出口8号点位浊度明显低于5、6号点和7号点。这一结果表明，采用弃耕山垄田改建的人工湿地对于浊度具有良好的改善作用。

图11 不同采样点的径流浊度

2.3.2 对氮的影响

图12是湿地系统进、出口采样点总氮浓度的变化。板栗林地表径流经A、B湿地处理到4号检测点后，总氮浓度有明显下降，说明湿地对总氮的去除有一定效果。第3块、第4块板栗林出水经5、6号和7号收集池后进入D湿地，再经8号检测点流出。由于第3、4块板栗林种植面积大，5、6、7号检测点总氮浓度明显较高，经湿地处理后，总氮浓度有很大的下降。氨氮的变化也有相似的趋势(图13)，即：氨氮在4号点和8号点位上有一定程度的削减。

图12 不同采样点径流中的总氮浓度

图13 不同采样点径流中的氨氮浓度

2.3.3 对磷的影响

整体上，湿地对径流中的总磷去除有一定效果，但与氮、浊度相比效果较差(图14)。但是当地表径流磷浓度比较高时，湿地仍表现出一定的去除效果。2019年7月4号检测点以及2019年5月、6月6～8号出口检测点出水总磷的削减效果都得到了很大的改善。

图14 不同采样点径流中的总磷浓度

本研究利用弃耕山垄田建设了人工湿地，由于其流域面积、作物构成、地表径流量等无法控制，出水中各污染物浓度影响因素较多，精度较低，但是人工湿地为实际运行工程，从效果上看，径流中氮磷、泥沙含量(浊度)得到了较好的削减。因此，利用弃耕地改造人工湿地作为面源污染的末端治理环节有良好的效果，同时也节约了大量工程费用，是一个因地制宜的面源污染控制措施。

3 小结

由于板栗林的陡坡种植、长期使用除草剂等原因，导致林地水土与氮、磷流失加剧。降水是引起氮、磷流失的主要因素，而与板栗林郁闭度关系不密切，4—8月是板栗林面源污染防治的重点时段。氮、磷流失的主要途径有地表径流、泥沙流失和壤中流。弃耕山垄田改造的人工湿地可有效地削减径流中总氮、氨氮、总磷排放，是一种低成本、管理方便的面源污染末端治理措施。