湖北丹江口库区滨水植被缓冲带氮磷截留效应*

程昌锦 张 建 雷 刚 丁 霞 刘学全 漆良华,

(1.国际竹藤中心竹藤科学与技术重点实验室 北京 100102； 2.国际竹藤中心安徽太平试验中心 太平 245700；3.北京林业大学 北京 100083； 4.湖北省林业科学研究院 武汉 430075)

面源污染十分广泛，其影响面积能占地球表面积的30%～50%。我国人口占全世界22%，而耕地只占7%，为满足粮食生产需求只能加大化肥施用量，据联合国粮食及农业组织(FAO)和中国国家统计局提供的数据， 2013年我国单位面积耕地化肥施用量是发达国家的3倍多。在我国水体污染严重的流域，农田面源污染是造成水体氮、磷富营养化的主要原因，其作用远大于生活污水和工业点源污染(张维理等， 2004)。

丹江口水库是南水北调中线工程的水源区，具有重要的战略意义。柑橘(Citrusreticulata)种植业是丹江口库区农民的主要经济来源，但生产中会施撒大量化肥。丹江口所在的十堰地区每年大致施用100万t化肥，但利用率很低，仅30%～40%，导致农业面源污染日趋严重(周颖， 2018)。

国内外研究表明，由树木及其他植被组成的滨水植被缓冲带可保护水源免受非点源污染(Lowranceetal.， 1988； 付静尘， 2010； Sunoharaetal.， 2012； Hussonetal.， 2014； 程昌锦等， 2018)，可防止或转移由坡地地表径流、地下径流等带来的养分、沉积物等进入河溪。其截留效应的影响因素主要有植被类型、缓冲带宽度、缓冲带坡度和土壤理化性质等。不同植被类型的截留影响主要体现在植被对污染物吸收截留能力的差异上，如李萍萍等(2013)研究表明，灌草类型的缓冲带截留作用明显高于其他类型。但滨水植被缓冲带营造中不仅要考虑植被类型的截留吸附能力差异，更重要的是建造过程的经济合理性，因此常遵循适地适树原则选取乡土树种。研究库区常见植被类型的截留效应差异，对指导库区缓冲带营造有很强的现实意义。增大缓冲带宽度和减小坡度会增加径流污染物与缓冲带的接触时间，从而增加截留效应。但缓冲带建造过程中受土地资源、地域等限制，不可能通过随意扩大缓冲带宽度和改变坡度来提高防治功效，因地制宜地确定一定坡度下的适宜宽度也很有必要。研究表明，30 m宽的滨水植被缓冲带能有效拦截径流中92%～100%的氮(Dhondtetal.， 2006)。对我国台湾受富营养化威胁的翡翠水库滨水缓冲带的研究发现，在养分(磷)含量很高的子流域沿两侧布设宽度30 m和坡度5%的滨水植被缓冲带最具生态和成本效益(Changetal.， 2010)。

目前对丹江口库区滨水植被缓冲带的水质净化作用研究较缺乏。因此本研究以马尾松(Pinusmassoniana)纯林、栓皮栎(Quercusvariabilis)纯林、马尾松栓皮栎混交林、刚竹(Phyllostachysviridis)林和荒地5种植被缓冲带为对象，采用地表径流模拟试验，比较了5种缓冲带对全氮(TN)、全磷(TP)、铵态氮和硝态氮4种面源污染物的截留能力，并探讨了植被类型、滨水植被缓冲带宽度、林下土壤理化性质以及枯落物层厚度和生物量对截留率的影响，以期为植被缓冲带建设和水质净化提供科学依据。

1 研究区概况

丹江口位于湖北省西北部偏东、鄂豫两省交界处(110°48.5′—111°34.8′E，32°13.8′—32°58.5′N)，是南水北调中线工程水源地。其经济发展水平总体较低，有国家扶贫工作重点县26个，柑橘种植业发达，为该区主要经济来源。据国务院2017年印发的《丹江口库区及上游水污染防治和水土保持“十三五”规划》，水源区面源污染压力较严峻，库区总氮浓度在1.3 mg·L-1以上，入库河流总氮浓度为2～10 mg·L-1，农业面源污染的贡献比例高达74%； 规划同时提出，到2020年，主要入库河流两岸1 km范围内禁止高污染的种植模式，建设有效的生物缓冲带工程。研究地点位于丹江口市西北部的龙口林场(110°48′—111°35′E, 32°14′—32°58′N)，其地貌类型多以低山丘陵为主，土壤大部分为黄棕壤和黄壤，土层平均厚19.70 cm，成土母质由石灰岩和片麻岩等发育而成，质地疏松，水土流失严重； 属北亚热带季风区的温暖半湿润气候，四季分明，降水分布不均，年降水量750～900 mm，且多集中在7—9月份。库区森林由人工林和次生林组成，主要乔木树种为马尾松和栓皮栎，主要灌木为盐肤木(Rhuschinensis)、冬青(Ilexchinensis)和苦楝树(Meliaazedarach)等，草本层主要有狗牙根(Cynodondactylon)、沿阶草(Ophiopogonbodinieri)、野菊花(Dendranthemaindicum)和白茅(Imperatacylindrica)等。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

选取库区典型植被类型马尾松纯林(Ⅰ)、栓皮栎纯林(Ⅱ)、马尾松栓皮栎混交林(Ⅲ)、刚竹林(Ⅳ)和荒草(Ⅴ)5类滨水植被缓冲带，各设3块20 m×20 m样地。土壤母质均为石灰岩。调查样地经纬度、坡度、郁闭度，测量树高、胸径等指标，草本样方盖度用网格法估算。各样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况汇总①Tab.1 Summary of basic conditions of sample plots

2.2 土壤理化学性质分析

在每类滨水植被缓冲带内，采用S型取样法，于5个点分别取0～10和10～20 cm土层土样，并分层混合后测定其化学性质。参照中华人民共和国林业行业标准(LY/T 1210～1275-1999)《森林土壤分析方法》，TN含量采用半微量凯氏法(LY/T1228～1999)测定； TP含量采用碱熔-钼锑抗比色法(LY/T1232～1999)测定； 铵态氮含量采用氧化镁浸提-扩散法测定(LY/T1231～1999)； 硝态氮含量采用酚二磺酸比色法测定(LY/T1230～1999)。

在每类滨水植被缓冲带内，采用S型取样法，于5个点在每个剖面的0～10和10～20 cm土层用环刀采集原状土，测定土壤密度和最大持水量。采用双环入渗装置测定土壤渗透性能，内环直径20 cm，外环直径30 cm，内外环高度均为30 cm，内外环同时砸入土层10 cm深处，并在内外环中同时注水和保持水深10 cm，利用钢尺刻度读取单位时间水量变化，每个样地3次重复(吴迪等， 2014； 丁霞等， 2019)。本研究以前3 min计算初渗速率。各样地基本情况见表2。

2.3 地表径流模拟试验

为量化滨水植被缓冲带对面源污染物的截留效应，参考他人研究方法(朱晓成等， 2019； 王敏等， 2008)，在20 m × 20 m 的样地内部选择地势平坦的地方用薄钢板构建简易径流场(2 m × 20 m)。径流场上方安置一个配水箱，将丹江口水库蓄水运至径流场上方的配水箱中，缓慢放出(避免形成沟蚀)，重复3次直至样地全部浸透。参照国家地表水重度污染标准(GB3838-2002)，用磷酸钙、碳酸氢铵和硝铵配制一定污染物浓度的TN、TP、铵态氮和硝态氮径流水，TN浓度为10 mg·L-1、铵态氮浓度为8.00 mg·L-1、硝态氮浓度为2.00 mg·L-1、TP浓度为1.6 mg·L-1。将配置好的径流水置于配水箱中缓慢放出，以汛期最大降雨强度0.333 mm·min-1、降雨量92.6 mm和径流场大小为参照标准设定配水箱出流速度和体积(3 680 L溶液在4.6 h流出)。然后在径流小区离开起始端2、5、10、15和20 m 的断面处，分别安置3个取样瓶，管口低于地面3 cm，收集经滨水植被缓冲带截留后的地表径流(图1)。待溶液全部流出后，取回水样，同一径流小区同一宽度的水样混合，编号后带回实验室测定。分别在不同植被类型的3个重复样地开展试验。径流水中总氮(TN)含量采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法测定(HJ-636-2012)，总磷(TP)含量用钼酸铵分光光度计法(GB 11893-89)测定，氨态氮(NH4+-N)含量用纳氏试剂比色法(HJ-535-2009)测定； 硝态氮(NO3-N)含量用紫外分光光度法(HJ-T-346-2007)测定。

表2 不同植被类型土壤理化性质①Tab.2 Soil physicochemical properties of different vegetation types

图1 地表径流模拟试验示意Fig.1 Schematic diagram of surface runoff simulation test

2.4 截留率计算

地表径流中各形态氮、磷浓度的截留率RNP的计算公式为：

式中：C0为各形态氮或磷的初始浓度(mg·L-1)；Ci为不同宽度处各形态氮或磷的浓度(mg·L-1)。

2.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22.0软件进行数据处理，并对数据进行差异显著性检验、单因素方差分析、线性回归分析和Sperson相关性分析，用Origin9.0软件进行图表制作。

3 结果与分析

3.1 面源污染物截留效应

随着缓冲带宽度增加，各型样地均表现出TN截留率不断增加(表3)，且5类植被缓冲带间差异均较显著(P<0.05)。在20 m宽处，截留效果表现为马尾松栓皮栎混交林Ⅲ>马尾松纯林Ⅰ>荒地Ⅴ>刚竹林Ⅳ>栓皮栎纯林Ⅱ(Ⅱ、Ⅳ间差异不显著，P>0.05； 其余类型间差异显著P<0.05)。马尾松栓皮栎混交林截留率最高，达71.8%，栓皮栎纯林最差，仅36.1%，两者相差近一倍。

对于TP(表3)，刚竹林缓冲带截留率最好，变化在67.83%～79.77%，且随宽度增加截留率差异不明显(P>0.05)。在20 m宽度处，刚竹林的截留率为79.77%，马尾松栓皮栎混交林为74.21%，二者差异不显著(P>0.05)。栓皮栎纯林截留率最低，随宽度变化在11.04%～60.83%。

铵态氮截留率随宽度增加而增加(表3)。20 m出水口处的截留率在马尾松栓皮栎混交林、马尾松纯林、荒地、刚竹林间差异不显著(P>0.05)，变化在48.97%～55.11%； 栓皮栎纯林与另外4类样地差异显著(P<0.05)，仅为29.78%。

硝态氮的截留率同样随宽度增加而增加(表3)。在2 m宽度处的硝态氮截留率表现为： 马尾松栓皮栎混交林是其他4类样地的2倍左右； 其他4类样地差异不大(P>0.05)，变化在15.80%～19.17%。在5种宽度下，马尾松栓皮栎的截留率均好于其他4类样地且差异显著(P<0.05)，其20 m处的截留率为58.17%，而最差的栓皮栎纯林的仅为34.00%。

表3 滨水植被缓冲带对TN、TP、铵态氮和硝态氮的截留率 ①Tab.3 Interception rate of vegetation buffer zone on TN,TP,NH4+-N, and NO3-N

3.2 氮磷截留效应的影响因素

3.2.1 枯落物厚度和生物量 由表1可知，栓皮栎纯林的枯落物厚度显著大于其他几类样地，而其枯落物生物量小于马尾松纯林和马尾松栓皮栎混交林(P<0.05)。马尾松栓皮栎混交林的枯落物厚度大于马尾松纯林、刚竹林和荒地，且其枯落物生物量显著大于栓皮栎纯林、刚竹林和荒地(P<0.05)。由此可见，虽然作为阔叶林的栓皮栎纯林的枯落物厚度较大，但其枯落物量较小，导致面源污染物截留作用较小。混交林拥有较大的枯落物厚度和生物量，增大了径流水与枯落物接触时间，从而提升了截留效果。

3.2.2 土壤渗透性能 由表(4)中土壤初渗速率、稳渗速率与20 m处截留率的拟合方程可知，初渗速率与20 m处TN和硝态氮截留率极显著正相关(P<0.01)，与TP和铵态氮截留率显著正相关(P<0.05)。稳渗速率与20 m处硝态氮截留率极显著正相关(P<0.01)，与TN、TP和铵态氮截留率呈不显著的正相关(P>0.05)。

表4 土壤初渗速率、稳渗速率与截留率的拟合方程Tab.4 Fitted equations between interception rate and initial and final soil infiltration rate

为进一步验证20 m处截留率与初渗和稳渗速率的关系，比较了5类缓冲带的初渗和稳渗速率(表2)，马尾松栓皮栎混交林的初渗速率最高，为6.50 mm·min-1，与其他4类样地差异显著(P<0.05)。栓皮栎纯林的初渗速率最低，为3.00 mm·min-1，同样与另外4类样地差异显著(P<0.05)。马尾松纯林、刚竹林和荒草地3类样地的初渗速率介于上述二者之间，且相互差异不显著(P>0.05)。稳渗速率最大的同样是马尾松栓皮栎混交林，为1.95 mm·min-1，与马尾松纯林、栓皮栎纯林林分差异显著(P<0.05)，与刚竹林、荒草地差异不显著(P>0.05)。稳渗速率值最小的也为栓皮栎纯林，与马尾松纯林无显著差异(P>0.05)，与混交林、刚竹林、荒草地存在显著差异(P<0.05)。综上所述，马尾松栓皮栎混交林和其他4类缓冲带相比有最大的初渗和稳渗速率，栓皮栎纯林的初渗和稳渗速率均最低。

3.2.3 土壤密度及最大持水量 由表5可知， 20 m处截留率与土壤密度呈负相关。随0～10 cm土层土壤密度增加，TN、TP、铵态氮和硝态氮截留率均有显著下降趋势(P<0.05)； 随10～20 cm土层土壤密度增加，TN截留率无明显变化，TP、铵态氮和硝态氮截留率显著减少(P<0.05)。

由表6可知， 20 m处截留率与土壤最大持水量呈正相关。当0～10 cm土层最大持水量增加时，TN、TP、铵态氮和硝态氮截留率均有显著上升趋势(P<0.05)； 随10～20 cm土层最大持水量增加，TN截留率无明显变化，TP、铵态氮、硝态氮截留率显著增加(P<0.05)。

0～10和10～20 cm土层的最大持水量以栓皮栎林最低(表2)，分别为(41.72±2.32)和(40.23±1.25)mm，显著低于另外4类样地(P<0.05)； 马尾松栓皮栎混交林最高，分别为(48.23±0.43)和(47.25±1.01) mm。栓皮栎林的土壤密度最大，在0～10和10～20 cm土层分别为(1.59±0.04)和(1.61±0.05)g·cm-3，显著高于另外4类样地(P<0.05)。

表5 土壤密度与截留率的拟合方程Tab.5 Fitted equations for soil density and interception rate

表6 最大持水量与截留率的拟合方程Tab.6 Fitted equations for maximum moisture capacity and interception rate

3.2.4 土壤化学性质对截留率的影响 表7表明：铵态氮截留率与0～10和10～20 cm土层铵态氮含量显著负相关(P<0.05)，可能原因是铵离子易吸附在土壤胶体表面，还可进入黏土矿物晶格中，成为固定态铵离子，移动性较小，土壤中高的铵态氮含量可能抑制其对径流中铵态氮的吸附；2层土壤的TN、TP、铵态氮和硝态氮含量均与4种污染物的截留率无显著相关。根据表2中各类样地土壤污染物的含量可知，0～10 cm土层铵态氮含量表现出马尾松栓皮栎混交林显著高于其他4类样地(P<0.05)，而10～20 cm土层与其他4类样地差异不显著(P>0.05)。而观测结果显示， 20 m处铵态氮截留率最差的并不是马尾松栓皮栎混交林，而是栓皮栎纯林，这说明土壤污染物含量不是影响截留率的主控因素， 截留率受各种因素综合影响，土壤养分含量的影响可能会被不同的土壤物理性质所抵消。

表7 地表径流污染物截留率与土壤污染物含量的相关分析①Tab.7 Correlation analysis between interception rate and soil pollutant contents

4 讨论

滨水植被缓冲带对面源污染物的截留主要通过植物吸收和土壤吸附作用来实现。影响截留效率的因素很多，如滨水植被缓冲带宽度、坡度、植被类型、林分密度、林龄、土壤持水性能等。本研究表明截留率会随滨水植被缓冲带宽度增加逐渐增加，这与前人结果一致(朱晓成等， 2017； Dhondtetal.， 2006)，但由于研究条件限制，仅研究了20 m以内宽度的截留效应。

20 m宽度处4种面源污染物截留效果对比结果表明，马尾松栓皮栎混交林对N、P面源污染物的截留效果最好，能达到55.11%～74.21%， 栓皮栎纯林的截留效果最差，仅29.78%～60.83%。造成差异的原因可能有如下几方面。首先，马尾松栓皮栎混交林的密度(1 532株·hm-2)比栓皮栎纯林(1 125株·hm-2)高，林分密度越大时截留效果越好，这已在前人研究中得到验证(Changetal.， 2010)。其次，马尾松栓皮栎混交林土壤密度比栓皮栎纯林更小，入渗性能更好，最大持水量更大(Robertsetal.， 2013)。相关分析结果显示，除铵态氮截留率与0～10和10～20 cm土层的铵态氮含量显著负相关外，其余污染物的土壤含量均对截留率无显著影响。滨水植被缓冲带对氮素的截留和转化通过一系列的生物、物理和化学作用完成，主要包括反硝化作用、植物吸收、矿化作用、硝化作用、固氮作用和氨化作用。其中植物吸收和反硝化作用为2个主要去氮机制(Pinayetal.， 1993)。植物主要吸收铵态氮和硝态氮形式的氮元素。地表径流污染物截留率与土壤污染物含量的相关分析显示，铵态氮截留率与土壤铵态氮含量呈负相关，出现这种现象的原因可能是当土壤中的铵态氮含量较高时，一部分铵态氮会被释放到径流中导致测定值偏高，另一方面，土壤中铵态氮供给充足减少了植被对地表径流中铵态氮的吸收。

本研究在20 m宽度处对N、P面源污染物的浓度截留率与前人研究相比明显偏小。如Peterjohn等(1984)发现，地表径流经过20 m滨水植被缓冲带后，氮和磷分别减少89%和80%，Haycock等(1993)发现当滨水植被缓冲带宽度达到16.1 m时能截留92.1%的氮； 黄玲玲(2009)研究表明20 m宽的硬头黄竹(Bambusarigida)林河岸带的TP去除率能达85.07%。出现这种差异的原因可能有以下几方面： 首先，丹江口库区坡面林分的土壤平均厚度仅19.7 cm(包明臣等，2108)，较浅的土层直接降低了其对地表径流的缓冲阻滞作用； 其次，本研究的滨水植被缓冲带所在坡面的坡度为15°～18°，坡度较大也会降低径流与地表的接触时间，从而降低其去除率，这一点在前人研究中得到证实(Changetal.， 2010； 王敏等， 2008)； 最后，由于本研究区土层薄(包明臣等，2108)，马尾松和栓皮栎人工林长势较差，有研究表明植被生长代谢的旺盛程度是影响截留率的主要因素之一(Manderetal.， 1997)。

本研究荒草地总盖度为54.6%，重要值排前3的植物为狗牙根、白茅和小飞蓬(Conyzacanadensis)，其盖度分别为35.2%、7.4%和3.2%。目前很多研究表明，与林地相比，草地有更好的截留效果(Leeetal.， 2003； Heftinfetal.， 2005)，这一点与本研究结果不符。原因可能是优势种狗牙根的根状茎及匍匐枝扩展能力强，覆盖地面影响径流入渗。目前对竹林缓冲带的研究很少，本研究中刚竹林在20 m宽处能截留40.9%的TN和79.8%的TP。这与我国对硬头黄竹林滨水植被缓冲带的研究结果出入不大(20 m宽处能使TN浓度降低40.53%、TP浓度降低85.07%)(黄玲玲， 2009)。

5 结论

在丹江口库区，5类滨水植被缓冲带(马尾松栓皮栎混交林、马尾松纯林、荒草地、刚竹林、栓皮栎纯林)对面源污染物(TN、TP、铵态氮、硝态氮)的截留率均随缓冲带宽度增加而增加，因此条件允许时应尽可能增加缓冲带宽度来提高截留去污能力。马尾松栓皮栎混交林的污染物浓度截留效果最佳，在20 m处的截留率能达58.17%～76.40%； 栓皮栎纯林的截留效果最差， 20 m处的截留率为29.78%～60.83%。因此，在库区营造滨水植被缓冲带时应尽量提高马尾松栓皮栎混交林比例。