杭嘉湖面源污染林业工程生态治理原理与技术研究

张建锋 寿松涛 张慧萍 王荣嘉 刘晓晨

（1. 中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 杭州 311400；2. 浙江省杭州市富阳区农业农村局，浙江 杭州 311400）

改革开放以来，我国社会经济发展取得了辉煌成就，同时环境问题也日益突出，其中水污染问题广泛存在。太湖流域位于中国经济最发达的长江三角洲地区，是该地区最重要的水源地。根据中国统计年鉴2020[1]，太湖流域周边省市地区的GDP 占中国总GDP 的20.2%。然而面源污染严重制约了该地区社会经济进一步发展[2-3]。杭嘉湖平原位于太湖流域南部，钱塘江和杭州湾流域北部，以及天目山东部地区，主要包括嘉兴市、湖州市大部分地区以及杭州市东北部地区。杭嘉湖平原河网密布，自古以来就是著名的“鱼米之乡”，农业发达，然而大量的农业化学品的使用，导致了该地区水环境污染严重[3]。田平等[4]对杭嘉湖平原农田氮磷流失的研究表明，该地区淹水稻田氮素流失最大，为35.26 kg/hm2。王江飞等[5]的研究则表明，该地区大气沉降中氮、磷沉降通量均处于较高水平，分别为4 884.70、65.46 kg/(km2·a)。这些情况表明，太湖流域尤其是杭嘉湖地区的水环境治理和保护任务都还十分艰巨。

虽然杭嘉湖为平原地区，但其水源地大多在山地丘陵区，雨季暴雨频繁，因此极易在水源地发生水土流失[2]，引发水土流失型面源污染。目前，最为有效的办法是建设水源区防护林，在坡地修建植物篱，一方面可以带来一定的经济收入，另一方面又不必额外施用化肥。因此，积极开展纵深地带等高固氮植物篱建设、水系岸带生物防护技术、集水区人工湿地建设和污染水体修复技术研究，实现以源头防治为主要内容的生态修复，对于减少水土流失、改善水环境、保障饮用水安全具有重要意义。

1 面源污染研究历程与进展

近年来，随着工厂废水等点源污染的逐步控制，面源污染对水环境的破坏逐渐引起人们的关注，并成为生态环境的热点问题。上个世纪中下旬以来，美国等一些发达国家开始农业面源污染研究，内容主要包括：降雨径流的数学模型，不同面源污染的分类以及面源污染物的转移和转化过程[6]。我国面源污染研究起始于20 世纪80 年代[7]，虽然起步较晚，但也取得了一些研究成果[8-9]。严宽等[10]在三峡库区针对柑橘园的一项研究表明，春季农业生产活动中的施肥以及高强度的降雨，是导致该地区氮磷流失产生面源污染的重要因素。Cheng 等[11]在巢湖地区的研究表明，与森林覆盖率低于25%的地区相比，森林覆盖率高于75%的地区总氮流失量减少56.69%，总磷流失量减少53.46%。虽然目前有关面源污染的研究已经取得了一些进展，但总体上面源污染研究的重点还是放在了面源污染的过程及模型研究上，对面源污染控制技术的研究比较欠缺。因此，加强对农业面源污染控制技术的研究很有必要。在农业面源污染中，土地具有两面性，一方面它是污染的受纳体，直接受到污染的影响，自身性质退化；另一方面土壤又会成为污染的释放体，土壤受到污染后，被污染过的地表土能够在风力和水力的作用下，进入到大气和水体中，导致大气污染以及水污染，并进一步导致生态系统退化等其他次生生态问题。因此，在控制农业面源污染研究中，应以保护土壤，减少土壤侵蚀为中心。

目前，国际上控制面源污染的主要方法是最佳管理措施[12-13]，主要包括3 个部分：源头控制，过程拦截以及末端处理[14-16]。其中，在山丘区水源地构建水源涵养林是十分有效的措施，能够同时从源头控制、过程拦截以及末端处理等三个方面控制面源污染。Wang 等[17]通过模拟试验发现，与荒地相比，麻栎林能够减少59.12%的氮素流失以及123.04%的磷素流失，刺槐林能够减少73.12%的氮素流失以及186.90%的磷素流失，即通过林地建设，能够从源头上减少氮磷等面源污 染 物 的 流 失。Kumwimba 等[18]、Pierobon 等[19]以及Wang 等[20]都在研究中提到，在农业排水沟中种植植物，能够通过吸附、植物吸收、微生物的硝化与反硝化等多种作用，减少径流过程中的氮磷污染物，从而有利于面源污染的防治。Ouyang等[21]在美国密西西比州Yazoo 河下游流域的研究表明，森林面积增加2 倍，硝态氮和磷酸盐的年流失量将会减少2 倍。这些研究表明通过林地建设，能够从源头、过程以及末端减少面源污染。因此，在面源污染治理中应该进一步推动以林业工程为主的生态治理措施，同时从多个方面控制氮磷流失，以控制面源污染。

2 面源污染林业工程生态治理的基本原理

2.1 固结土壤减少水土流失

众所周知，通过林冠层叶片和凋落物层，森林可以起到降雨阻滞和消散的作用，从而降低地表径流的流速和流量，减少雨水对地表土壤的冲击和侵蚀[22]。此外，由于树木根系的存在，森林土壤一般具有良好的渗透性，能促进地表径流下渗，减少土壤侵蚀和水土流失。同时，林木的根系与泥土交织，缠绵穿插，深入基岩，能够防止边坡土体的滑落，有利于保持水土[23-24]。

森林对水质和水环境影响方面的研究开始较早。一般认为，20 世纪40 年代，在美国密西西比河冲积流域上建立的林地被认为是有关森林湿地的早期研究，也是森林对水质和水环境影响的早期探索[25]，但这一时期的研究是不连续的，且文献记录较少。直到20 世纪60 年代，在美国密西西比河冲积平原开展了一系列连续的森林对水质影响的研究[25]，结果良好。一般认为，我国的森林与水质的研究开始于20 世纪70 年代。由于在大小兴安岭地区、长白山地区分布着大量的森林湿地，因此，我国早期有关森林与水质的研究大多集中在东北地区[26]。早期的研究主要集中在土地利用对水文条件的影响上，后来开始探讨植被覆盖与水量、水质和径流的关系，并进行了过度采伐对水质的影响等一系列比较研究[27-28]。目前，也有专业人员对森林的配置结构展开了相关研究。程浩[29]在杭埠河流域利用SWAT 模型，提出了不同地区最有利于减少面源污染的森林配置模式。他在研究中提到，山丘区森林配置的重点是涵养水源和减少水土流失。因此，在山丘区，森林一般要靠近河流，距离小于500 m，植被覆盖度要大于75%，同时，应以混交林为主。而在平原地区，由于需要考虑到经济效益，因此，植被覆盖度一般小于25%，同时应该靠近河流并以混交林为主。

2.2 拦截径流减少污染物进入水体

构建等高固氮植物篱能有效减少污染物进入水体。20 世纪中旬，美国农业部提出了植物篱应用的相关规程。1994 年以来，植物篱作为一种可行的水保措施在美国及其他国家得到广泛应用[30]。宋科等[31]对果园植物篱的研究表明，通过植物篱建设，能够有效减少径流量（19.18%），同时降低总氮（16.74%）以及总磷（13.60%）的流失程度。黄小芳等[32]在三峡库区针对植物篱的研究表明，植物篱建设不但能够增加土壤养分含量，还能够增加农田抗蚀性。Adhikary 等[33]在印度东部地区的耕地上，建立了墨西哥丁香（Gliricidia sepium）和银合欢（Leucaena leucocephala）植物篱，这两种植物篱能够分别增加土壤中3.8% ～4.7%以及3.7% ～ 5.3%有机碳含量。随着人类生态环境保护意识的不断增强，植物篱的设计观念也已经从单一的减少水土流失，发展到促进陆地生态系统良性循环，增加和恢复生物多样性。此外，在实际应用过程中，植物篱在控制面源污染方面也发挥了重要作用。

除植物篱之外，发展坡地农林复合经营，构建乔灌草相结合的防护林带也对防止水土流失具有积极作用。在杭嘉湖地区，林地经营集约化程度较高，在注重经济效益的同时，造成了林分结构单一。与混交林相比，纯林林地保持水土和涵养水源的功能相对较弱。改造经营强度高的经济纯林的林分结构，发展坡地农林复合经营，建立复合结构林带对于减少水土流失具有积极作用。程平等[34]为减少板栗林的面源污染，针对性的开展了研究，结果表明，通过增加地表植被的覆盖，能够减少水土流失，有利于面源污染的防治。与耕地相比，森林和草地均能有效减少面源污染。与水田耕地相比，水塘等景观能够受纳污染物，一般被认为是“汇”景观，而前者自身能够产生污染物，因此被认为是“源”景观[35]。基于这些原则，通常是优化“源”景观的土地利用规划，增加绿色廊道的数量，加强“汇”景观建设。这样，一方面可以减少面源污染物的产生；另一方面促进雨水的渗透，进一步减少径流。这样，径流中携带的污染物在迁移过程中不断被阻挡、吸收并转化为无害的营养物质。

植被缓冲带一般是指与受纳水域相邻，具有特定结构和宽度，具有一定保护作用，由草本、灌木和乔木中一种或多种植被组成的植被缓冲区域[36]。Dong 等[37]研究表明，植被缓冲带降低了流量水力学(约56%～70%)，同时增加了流量阻力(1.2～1.5 倍)，从而减少了地表径流对土壤的冲刷。同时他们的研究还表明，植被缓冲带对于地表的保护作用要高于对地表径流的拦截作用。Jabłońska 等[38]在波兰地区Pokrzywnica 河的研究表明，该地区的植被缓冲带对于总氮的拦截效果达到了34%～92%，对于总磷的拦截效果达到了17%～63%。缓冲区的功能一般被认为与宽度有关。许多研究人员对此进行了研究并提出了不同的参考宽度[39-40]，例如Secoges 等[39]在研究中提到，当植被缓冲带宽度大于或等于15.2 m 时，就可以保护水体免受周边农业生产的影响。Wang等[41]在云南滇池、洱海和抚仙湖地区探讨了不同地区的植被缓冲带的最佳宽度，研究表明，滇池、洱海和抚仙湖植被缓冲带的最佳宽度分别为450、100 m和150 m。但是，缓冲区的有效宽度是缓冲区条件、管理目标和河流特征的函数，应根据特定区域确定。迄今为止，大多数关于缓冲区植被选择都是针对木本植物稳定堤岸、提高土壤渗透性和吸收以及吸附有毒化学物质等目标。但也有研究表明，草本植物和木本植物去除沉积物的能力基本相同，草本植物去除氮、磷的能力甚至比木本植物还要强。同时，考虑到植物自身生长特性，有关植被缓冲带植物选择的研究还有待进一步深入。从河岸保护的角度来看，传统的河岸保护工程主要使用砂浆、干砌体、现浇混凝土或预制混凝土砌块，立式混凝土挡土墙在城市河道堤防工程中应用较多。在有植被覆盖的河岸上，大部分植被生长在带有草皮的天然土壤上，径流形成后，在迁移过程中将污染物和泥沙带入土壤和堤坝，沿桥坡下沉或以洪水形式进入受纳水体。因此，许多国内外的工程师和研究人员开始研究生态护岸技术[42-43]，并通过桥梁的土壤加固和保护，增加土壤的渗透系数，促进陆地生态系统和水生生态系统的恢复，尽可能减少水土流失，提高桥坡抗侵蚀、截留和吸收降雨径流的能力。

2.3 污染物受纳水体的自我净化

湿地系统对于水质具有良好的净化效果。湿地系统主要包括天然湿地和人工湿地两大类。天然湿地一般占地面积大，由于从集水、分布、水力参数甚至湿地植被群组成等方面来看是一个难以控制的系统，因此，相关研究开展较少。人工湿地模拟和增强了天然湿地的结构和功能，工艺参数可以通过人工设计控制，形成了比较成熟的设计流程和技术规范[44-45]。在已建立的湿地污水处理系统中，植物、基质和微生物在净化中发挥着重要作用。使用合适的植物直接从水中吸收多余的养分是生态系统恢复的一个重要方面。湿地植物通常是草本植物，主要包括芦苇（Phragmites australis），香蒲（Typha orientalis）以及灯芯草（Juncus effusus）等[3]。Nandakumar 等[46]研究发现，人工湿地对水中氮、磷的去除效果受到季节的影响，总磷的去除效率在夏季最高（85.6%），冬季最低（55.2%）。此外，Roe-Sosa 等[47]研究表明，人工湿地对于总氮去除率为 (70 ± 1.5)%，总磷去除率为 (54 ± 6.5)%。

3 面源污染林业工程生态治理的主要技术

加强水源区防护林结构优化技术研究，有助于调整现有林分结构，优化其涵养水源和改善水质的功能。通过采用水系岸带生物防护技术和集水区人工湿地技术，能够促进对地表径流中污染物生态拦截。结合在污染水体中应用植物修复技术，利用植物生长，吸收水中的营养物质，可以减少进入水系的污染物。这样来看，从水系源头、水流途径、集水区、水源利用到污水净化，都能够采取林业措施，实现水环境的保护与改善。

3.1 水源涵养林结构优化技术

杭嘉湖水源区主要位于山地丘陵区，土地利用方式以单一林分结构的经济纯林及稻田为主，例如毛竹（Phyllostachys edulis）、茶园和板栗（Castanea mollissima）等。针对这种情况，如何既能保障农民的收入水平，又能有效削减土壤营养元素的流失，需要研究坡地土地利用优化模式。对单一经营经济林结构进行调整，改造为高度集中经营的复合经济林结构（例如毛竹、茶园和板栗等混交），构建多种经营模式，建立固氮植物篱，从而减少地表径流的产生，同时减少农业生产中农业化学品的使用量，有利于从源头上减少面源污染物的输入。蔡泽宇等[48]在安吉赋石水库周边对毛竹纯林套种红豆杉（Taxus wallichiana）、香榧（Torreya grandis）、红茴香（Illici-um henryi）、朱砂根（Ardisia crenata）进行林分结构优化，发现毛竹套种红茴香模式对氮磷污染物的拦截效果最好，能够减少78.8%的总氮流失和83.8%的总磷流失。Chu 等[49]在广东东莞地区桉树(Eucalyptusrobusta Smith)人工林基础上，进一步种植乡土树种改善林分结构（种植乡土阔叶树种，间伐60%的桉树，TEP；种植乡土阔叶树种，但不间伐，NEP）。与传统桉树人工林相比，TEP 和NEP 能够分别减少44%～64%和24%～34%的TP 流失。这说明通过对水源涵养林的结构优化，能够有效减少面源污染。

3.2 水系岸带生物防护技术

对于集水区上游地表径流引起的土壤有机物、化肥、农药等的流失，需要通过建立植被缓冲带，加强生物防护，控制径流量，对流失的水和土壤以及面源污染物（如氮和磷）进行生态拦截。利用植物地上部分形成植被覆盖，减少地表裸露面积以及外力与地表土壤直接接触的面积，起到消能作用和斜坡保护作用；同时，利用植物根系和地表土壤相结合，改善土壤结构，增加地表土壤的团聚体结构，提高临水坡面的抗侵蚀能力，减少坡面土壤流失，保护岸坡，减少面源污染。孙慧等[35]在太湖流域宜兴段研究防护林对于氮磷等面源污染的拦截固定效果。研究表明，通过建设16 km2的湖岸防护林，每年至少能够减少6.6 × 105kg 的氮素流失。Neilen 等[50]在澳大利亚昆士兰地区的研究发现，通过在河边建立植被缓冲带，能够通过植物吸收和土壤微生物反硝化作用减少进入河流水体的氮素，从而有利于控制农业面源污染。这些研究都充分表明通过采用营建防护林或者植被缓冲带等生物防护技术，能够有效拦截进入水体的面源污染物。

3.3 集水区人工塘渠-湿地复合系统建设技术

通过农田塘渠和库尾河口湿地复合系统，地表径流中的大部分氮磷等面源污染物在池塘和渠道中被沉淀、过滤和吸收，水质逐渐开始得到净化。水库尾部下游的植物、微生物、土壤基质和湿地会影响水中的污染物，进一步通过微生物作用，植物吸附拦截作用等，对水质进一步净化。汪庆兵等[45]在安吉县深溪河流域建立人工湿地探究人工湿地对水质的净化作用。结果表明，人工湿地在降雨季节对于总氮的平均去除率为60.4%，对于总磷的平均去除率为78.6%。Ge 等[51]探究在天然湿地中添加黄铁矿对面源污染的控制效果，结果显示添加黄铁矿能够减少 (87.7 ± 14.2)%的总磷污染和(69.4±21.4)%总氮污染。实践证明通过人工湿地建设能够有效净化水质，削减面源污染物。

3.4 污染水体的植物修复技术

通过山地地表径流及污染物生态控制技术、湖滨岸带生物防护技术，可阻截大部分农田、林地中流失的养分，但仍会有一部分养分进入河道等水体。生态修复的一个重要方面是植物修复，即采用适宜植物对水中的过量营养物质进行直接吸收与转化。通过在水面建造人工生态湿地或人工浮岛，来吸收和充分利用农田流失的养分。通过定期收获，能够有效减少水体富营养物质。有研究表明芦苇和香蒲都是常用的污染水体修复植物[10]。Dzakpasu 等[52]研究人工湿地中芦苇和香蒲对氮磷去除作用，发现氮磷的去除量分别从第1 年的47.1%和17.6%增加到第2 年的52.3%和32.4%，其原因主要是随着植物生长量的增加，去除能力逐年提高。蔡泽宇等[53]通过室内试验研究旱柳（Salix matsudana）新无性系A42 对不同磷浓度水体的吸收和净化机制，发现旱柳能有效净化水体中的磷素，其净化效果与水体磷浓度呈正相关。同时研究表明在实际生产生活应用中，对于磷浓度较低的水体，旱柳适合做短期净化；对于磷浓度较高的水体，适合进行长期净化。

4 结语

随着社会经济的不断发展，农业面源污染也越来越严重。本研究探讨了面源污染林业工程生态治理的相关原理，通过从水源区防护林构造技术及功能优化、水系岸带生物防护、集水区人工湿地及污染水体植物修复技术等几方面采取林业工程措施，提高森林涵养水源、改善水质等生态功能，同时，提高土地生产力，提高经济效益。此外，考虑到杭嘉湖地区的社会经济状况与独特的自然条件，充分发挥植被作用，增强吸收土壤中的营养物质、缓解土壤过营养化的效果，基于生态治理，能够实现改良土壤、涵养水源、保持水土等目标。

然而由于大部分植物存在秋冬季节枯萎落叶的情况，枯落物分解能够向周围环境释放氮磷等营养元素，具有造成面源污染的潜在威胁。目前，对于秋冬季节枯落物分解对面源污染的影响研究相对较少，尚不清楚水生植物在秋冬季是否会因枯落物对水体造成二次污染。因此，下一步应该着手开展在秋冬季节水生植物枯落物分解的相关研究，选择合适的植物配置模式，避免因枯落物分解造成对水体的二次污染。

通过比较系统地总结、分析，以期为森林发挥涵养水源、改善水质作用和杭嘉湖地区林业工程建设提供参考，进一步推动乡村振兴和美丽中国建设。