生态沟植物群落特征及氮磷污染物拦截效果研究

徐义军，陈 志，孟 岑

(1.湖南省水利水电科学研究院，湖南 长沙 410007；2.中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南 长沙 410007)

改革开放以来，中国经济的快速发展和人口的迅速增加，为了使粮食增产，我国大量使用化肥以达到增产的目的。我国是世界上化肥消耗打过，但化肥中氮磷的利用率较低[1]。虽然解决了粮食产量问题，但却带来了严重的环境问题[2]，如面源污染进一步导致大面积水体污染等事件[3]，研究表明我国水体污染中80%以上的氮素和90%以上的磷素来自于农业面源污染[4]。近年来通过构建生态沟渠净化水体和农业面源污染的研究已经逐渐开展[5-6]，研究表明生态沟渠对水体中氮磷污染物有一定的消减作具用[7]，但不同的植被、不同生态沟渠均会对消减作用产生影响。本文通过在脱甲河流域内选取一条生态沟渠为研究对象，通过样线调查法调查生态沟渠沿线河道植物群落变化特征，野外定位观测与采样分析法相结合的方式，测定不同生态沟渠段、不同季节植被生物量和氮磷积累的变化量。探明沟渠植物吸收转化对水体氮磷消纳的贡献率及其时空变化，为亚热带红壤区生态沟渠建设及植物选取提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

以湖南丘陵区湘江一级支流捞刀河上游脱甲河流域为研究区，选取脱甲河小流域的水坝子流域内的一生态沟渠，沟渠总长度约为500 m。沟渠分为三段，前端第一段三面(左右岸及沟底)全为浆砌石硬化，沟内仅在浆砌石裂隙和底部泥沙堆积的部位生长有少量植物；第二段为半硬化，即沟渠的一侧为浆砌石，另一侧为雷诺护坡，雷诺护坡一侧植物量生相对较多；第三段则两侧均为雷诺护坡，沟底设置生态袋挡水坎(高度20 cm，间距20 m左右)，沟内植物生长茂盛，植物多样性也很高。

1.2 样品采集及分析

(1)分别于2016年4月、7月、10月和2017年1月份开展了沟渠生态拦截植物调查，主要进行植物生物量调查，沿渠道每隔50 m与水流方向垂直布设一个样方断面，宽度为50 cm，长度包含两侧岸坡及河道底部，现场记录样方内出现植物的名称、高度、盖度、生活型等，然后收割植物的地上部(不含根系)，现场分种记录植物生物量鲜重。取样带回实验室烘干称重，折算植物的生物量干重。烘干植物样品最后粉碎，测定植物N、P含量。植物样N、P含量采用浓H2SO4-H2O2消煮，然后用流动分析仪法测TN，用钼锑抗比色法测TP。

(2)同时为了研究生态沟的植物拦截效果，在水坝子流域沿程观测沟渠水体氮、磷含量的时空动态变化。从2016年4月起，每月28日采集沟渠内水样，共设置14个水样采样点。采集的水样，根据水质分析方法要求，水样一般在采样后24 h之内进行室内分析，不能及时分析的先将样品保存在-18℃冰箱内，分析时再解冻。水质指标主要测定TN和TP，TN采用碱性过硫酸钾消煮-流动注射仪法测定，TP采用过硫酸钾消解-钼锑抗显色-紫外分光光度法测定。

生态沟渠及样方布设见图1。

图1 生态沟渠及样方布设图

2 结果分析

2.1 生态沟不同区段水生植物生物量和氮、磷积累量季节变化

表1表明，同一季节内不同沟渠段植物生物量存在显著差异，雷诺护坡沟渠和雷诺-浆砌石段显著高于浆砌石段，雷诺护坡沟渠段植物生物量四季存在显著差异，范围为0.23 kg/m2～1.00 kg/m2，由大到小依次为夏>秋>春>冬。雷诺-浆砌石段四季植物生物量略低于雷诺护坡段，浆砌石段植物生物量最低，且四季变化不明显。

对不同区段四季植物对氮、磷累积量统计结果表明(表2，表3)，雷诺护坡沟渠段植物氮、磷积累四季变化显著差异，变化范围为氮1.83 g/m2～7.26 g/m2，磷0.34 g/m2～1.17 g/m2，四季氮磷累积量大小依次为夏>秋>春>冬。雷诺-浆砌石段除夏季外，其余三季氮磷累积量略低于雷诺护坡沟渠段。浆砌石段氮磷四季累积量相比其余两段最低，除冬季外，其余三季变化不显著。

表1 不同护坡类型沟渠沟内植物生物量季节变化(2016年)

表2 沟渠植物氮积累量四季变化

表3 沟渠植物磷积累量四季变化

假设每季对沟渠植物进行一次收割清理，全年雷诺护坡沟渠段可带去除的氮磷量分别为TN 17.33 g/m2、TP 2.98 g/m2，雷诺-浆砌石段去除量分别为TN 12.48 g/m2、TP 2.04 g/m2、浆砌石段分别为TN 1.01 g/m2、TP 0.21 g/m2(表4)。

表4 沟渠植物收割全年可去除氮、磷总量

2.2 沟渠水体N、P浓度时空变化

根据图2可知，沟渠水体TN浓度夏季显著高于其余三季，依次为夏季>冬季>春季>秋季。TP浓度夏季低于其余三季。春、秋、冬平均浓度差异不显著。

图2 沟渠水体沿程TN、TP浓度变化

生态沟渠对于氮磷污染物具有一定消减作用，与张树楠研究结果相同[8]。不同沟渠段TN、TP消减浓度不同，雷诺段TN、TP消减浓度显著高于浆砌石-雷诺和浆砌石段，分别为0.21 mg/L、0.05 mg/L。浆砌石段TN、TP消减浓度最低，分别为0.035 mg/L和0.01 mg/L(表5)。浆砌石-雷诺段TN、TP消减浓度与浆砌石段差异不显著这可能与该段长度较短有关。

表5 不同沟渠段TN、TP年均浓度消减幅度

3 结论

1)生态沟渠植物生物量及其N、P累积量不同季节、不同区段存在显著差异，雷诺段植物生物量和N、P累积量显著高于雷诺-浆砌石和浆砌石段。夏季植物生物量和N、P累积量高于其他季节。

2)生态沟渠对于水体N、P具有一定的消减作用，且不同区段消减浓度存在显著差异，其中雷诺护坡沟渠段消减浓度最大，TN、TP年均消减分别为0.21 mg/L和0.05 mg/L。植物生物量变化与水体N、P含量变化存在一定关联性，沟道内植物生物量越高，水体氮磷消减幅度越大，污染去除效果越好。