胡雪琴

(重慶醫(yī)藥高等專科學(xué)校 醫(yī)學(xué)技術(shù)系，重慶 401331)

生物過(guò)濾帶在農(nóng)業(yè)面源污染防治中的應(yīng)用

胡雪琴

(重慶醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校 醫(yī)學(xué)技術(shù)系，重慶 401331)

生物過(guò)濾帶；防護(hù)功能；農(nóng)業(yè)面源污染；最佳寬度；布置模式

生物過(guò)濾帶是位于污染源和水體之間的帶狀植被區(qū)域，具備有效控制面源污染、提高河岸穩(wěn)定性、減少水土流失、凈化水質(zhì)和增加生物多樣性等多種功能。介紹了生物過(guò)濾帶的概念、防護(hù)功能和最佳寬度，并以重慶合川小安溪小流域?yàn)槔?，分析了小流域生物過(guò)濾帶的布置模式，提出應(yīng)用生物過(guò)濾帶治理農(nóng)業(yè)面源污染應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注生物過(guò)濾帶植物字典建立、生物過(guò)濾帶技術(shù)示范基地建立、生物過(guò)濾帶的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)體系探索三個(gè)問(wèn)題。

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，由于坡耕地分布范圍廣[1]和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的廣泛性[2]，造成農(nóng)業(yè)面源污染具有形式多樣、發(fā)生隨機(jī)、危害隱蔽、監(jiān)測(cè)量化難、控制難度高的特點(diǎn)。農(nóng)業(yè)面源污染已成為導(dǎo)致耕地退化、農(nóng)村和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境惡化，影響江河及飲用水源地水質(zhì)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素，并嚴(yán)重影響著人們的食品安全和身體健康。因此，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染治理不僅直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)重建，也關(guān)系到區(qū)域性農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人居環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[3]。生物過(guò)濾帶作為一種成本低廉、功能多樣、效果穩(wěn)定持久的生態(tài)工程措施，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者及應(yīng)用行業(yè)的廣泛關(guān)注。Dickey等[4]研究了四種不同生物過(guò)濾帶對(duì)地表徑流中污染物的過(guò)濾、沉降、吸收和稀釋等作用。Phillips[5]研究發(fā)現(xiàn)生物過(guò)濾帶控制面源污染有效性受到坡長(zhǎng)、坡度、地表粗糙度和土壤水文特性等綜合因素影響。筆者擬在全面介紹生物過(guò)濾帶概念、防護(hù)功能和最佳寬度基礎(chǔ)上，分析重慶合川區(qū)(原合川市，下同)小安溪小流域的生物過(guò)濾帶布置模式，并提出在重慶市農(nóng)業(yè)面源污染治理中應(yīng)用生物過(guò)濾帶措施應(yīng)密切關(guān)注的問(wèn)題。

1 生物過(guò)濾帶的概念

生物過(guò)濾帶又稱植被過(guò)濾帶，是位于污染源和水體之間的帶狀植被區(qū)域[6]。它是進(jìn)行河岸帶生態(tài)系統(tǒng)管理時(shí)最常用的一種模式，可以有效地控制面源污染、提高河岸穩(wěn)定性、減少水土流失、凈化水質(zhì)、增加生物多樣性等。目前雖然對(duì)生物過(guò)濾帶的說(shuō)法并不完全統(tǒng)一，有過(guò)濾帶[4]、緩沖帶[7]、植被過(guò)濾帶[8]、河岸植被緩沖帶[9]等不同說(shuō)法，但其內(nèi)涵相同或相似。根據(jù)植物種類不同，生物過(guò)濾帶可分為草本過(guò)濾帶、灌木過(guò)濾帶、喬木過(guò)濾帶和復(fù)合過(guò)濾帶。

20世紀(jì)60年代中期，Wilson[10]最早提出生物過(guò)濾帶概念并通過(guò)試驗(yàn)研究了其防治效果，結(jié)果表明生物過(guò)濾帶寬度與泥沙質(zhì)量和泥沙顆粒大小存在反比關(guān)系。Lee等[11]認(rèn)為草本植被過(guò)濾帶可以攔截徑流中95%的泥沙、80%的總氮和78%的總磷。Phillips[5]通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)過(guò)濾帶的有效性主要取決于坡度和飽和水力傳導(dǎo)性。王敏等[12]研究了不同坡度條件下緩沖帶對(duì)污染物的凈化效果及其最佳寬度，結(jié)果表明坡度2%時(shí)緩沖帶的最佳寬度為16.1 m，而坡度5%時(shí)則需24.7 m。肖波等[13]分析了禾本科草本植被緩沖帶對(duì)徑流、泥沙和除草劑的攔截效果，證明植被緩沖帶在防治農(nóng)業(yè)面源污染方面具有良好效果。目前國(guó)內(nèi)各地也有多種應(yīng)用實(shí)例[14-15]。

2 生物過(guò)濾帶的防護(hù)功能

2.1 削減面源污染

一定寬度的生物過(guò)濾帶可以有效地過(guò)濾、沉降、吸收和稀釋徑流中的泥沙、氮、磷、鉀、除草劑等污染物，防止其進(jìn)入河流、水庫(kù)和湖泊等，從而可有效地保證水質(zhì)清潔。過(guò)濾帶在防治面源污染方面的作用主要體現(xiàn)在對(duì)氮和磷等化學(xué)元素的削減上。李懷恩等[8]認(rèn)為植被過(guò)濾帶對(duì)地表徑流中顆粒態(tài)氮、顆粒態(tài)磷、總氮和總磷的削減效果分別可達(dá)82.02%、77.13%、46.05%和73.28%以上。生物過(guò)濾帶通過(guò)反硝化作用和植被吸收等途徑稀釋了徑流中的氮素，而有機(jī)氮在微生物的作用下轉(zhuǎn)換為銨態(tài)氮，經(jīng)過(guò)根系微生物和反硝化作用轉(zhuǎn)化為氮?dú)獠⑴欧诺娇諝庵衃16]。徑流中各種形態(tài)的磷元素主要是通過(guò)植物根系和微生物吸收、酶的催化作用和沉積作用等不同方式得到稀釋或吸收，從而降低磷含量的。相關(guān)研究表明，增加生物過(guò)濾帶的寬度可以吸收更多的含磷微粒[17]。

2.2 固結(jié)土壤，提高河岸穩(wěn)定性

生物過(guò)濾帶的植物根系可以顯著提高河岸的抗侵蝕性，減輕水流對(duì)河岸的沖刷[18]。研究表明，生物過(guò)濾帶能夠攔截徑流中53%～96%的泥沙[19]。因此，在布設(shè)生物過(guò)濾帶時(shí)，應(yīng)盡量選擇根系發(fā)達(dá)的鄉(xiāng)土樹(shù)種，以提高河岸穩(wěn)定性。

2.3 凈化水質(zhì)，涵養(yǎng)水源

生物過(guò)濾帶可以有效地減少水流對(duì)河岸及岸邊地表的沖蝕，同時(shí)植物根系還可攔截和沉降侵蝕泥沙，減少其進(jìn)入下游水庫(kù)。生物過(guò)濾帶也可以有效地?cái)r截和過(guò)濾其他顆粒狀污染物和牲畜排泄物中的細(xì)菌，降低河流渾濁度和懸浮顆粒物等。研究表明，6.1 m寬的酥油草過(guò)濾帶可移除100%的大腸桿菌[20]。

2.4 增加生物多樣性

生物過(guò)濾帶不僅可為陸生動(dòng)植物提供良好的棲息地和生境條件，還可為水生生物提供食物和能量。通過(guò)布設(shè)一定寬度的生物過(guò)濾帶既可以增加生物棲息地面積，保護(hù)脆弱環(huán)境，也可以恢復(fù)景觀效果，改善生態(tài)環(huán)境，為增加區(qū)域性生物多樣性和豐富物種資源提供必要的環(huán)境和空間。在澳大利亞Jugiong Creek小流域內(nèi)，有40%的爬蟲(chóng)類、80%的兩棲類、25%的哺乳類動(dòng)物和140多種鳥(niǎo)類生活在過(guò)濾帶內(nèi)[18]。

3 生物過(guò)濾帶的最佳寬度

生物過(guò)濾帶的構(gòu)建要素包括植物種、模式配置、過(guò)濾帶性質(zhì)和寬度等多種參數(shù)，其中過(guò)濾帶寬度較其他因素更為敏感，直接影響其防護(hù)功能發(fā)揮。研究表明，3 m寬的過(guò)濾帶對(duì)地表徑流沉積物的削減效果顯著[21]，但一般建議過(guò)濾帶最小應(yīng)為9 m寬。美國(guó)農(nóng)業(yè)部林務(wù)局(USDA-FS)1991年制定的《河岸植被緩沖帶區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，在三區(qū)緩沖帶中，第一個(gè)緩沖帶寬度為4.5 m，第二個(gè)為18 m，第三個(gè)為6 m[22]。Budd等[23]認(rèn)為生物過(guò)濾帶的寬度應(yīng)通過(guò)實(shí)地調(diào)查確定，野外調(diào)查內(nèi)容包括河流類型、河岸坡度、土壤類型、植被覆蓋度、河流結(jié)構(gòu)、沉積物控制和野生動(dòng)物棲息地等綜合因素。在實(shí)踐中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)各種生物過(guò)濾帶主要防護(hù)功能的不同，對(duì)于生物過(guò)濾帶最佳寬度、防護(hù)效果進(jìn)行了廣泛分析和深入研究，具體見(jiàn)表1。

由以上國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果可見(jiàn)：當(dāng)生物過(guò)濾帶寬度大于30 m時(shí)，能夠有效地控制養(yǎng)分流失、過(guò)濾污染物；當(dāng)過(guò)濾帶寬度為3～30 m時(shí)，能夠有效地防治面源污染。根據(jù)重慶市水系分布和河道形態(tài)特點(diǎn)，生物過(guò)濾帶的適宜寬度為15～30 m，以30 m最佳，但實(shí)踐中各種河岸、水體的生物過(guò)濾帶布置的具體寬度仍需根據(jù)實(shí)地調(diào)查的坡度大小、污染物特點(diǎn)、土壤類型、過(guò)濾帶類型、水質(zhì)要求進(jìn)行適度調(diào)整。

表1 生物過(guò)濾帶的最佳寬度及其主要作用

4 生物過(guò)濾帶在三峽庫(kù)區(qū)的應(yīng)用

重慶市是三峽庫(kù)區(qū)的主體，其紫色丘陵區(qū)坡耕地面積為118.9萬(wàn)hm2，占全市耕地面積的47.14%，丘陵、低山和高山的復(fù)種指數(shù)分別為190%～230 %、180%和80%，土壤侵蝕模數(shù)在3 798～9 831 t/(km2·a)之間[2]，農(nóng)業(yè)面源污染程度隨著水土流失的發(fā)生而加劇，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和水質(zhì)安全造成了嚴(yán)重危脅。重慶合川區(qū)在小安溪小流域綜合治理中，將水土流失治理與生物過(guò)濾帶建設(shè)、溪河水質(zhì)保護(hù)、生態(tài)觀光旅游有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，取得了較好的效果。小安溪屬涪江支流，河長(zhǎng)170 km，其中合川境內(nèi)流域面積33.46 km2。當(dāng)?shù)厮２块T在布設(shè)生物過(guò)濾帶時(shí)，以小安溪為主軸線，由下至上逐步展開(kāi)，交錯(cuò)布設(shè)，實(shí)現(xiàn)了“少則蓄、多則排、層層攔蓄”的水土流失面源污染防治效果。其生物過(guò)濾帶具體布設(shè)見(jiàn)圖1。

圖1 小安溪小流域生物過(guò)濾帶示意

由圖1可知，小安溪小流域生物過(guò)濾帶的主體為以行狀混交方式營(yíng)造的20～30 m寬的人工混交林，選擇了垂柳、水杉和楊樹(shù)三種防護(hù)效能較高、適應(yīng)性好、根系發(fā)達(dá)、耐水濕性強(qiáng)的樹(shù)種，根據(jù)生物過(guò)濾帶和林木品種的特點(diǎn)確定株行距為3 m×3 m或3 m×4 m，不僅可以有效地?cái)r截和過(guò)濾河道兩岸徑流中的泥沙和污染物，而且還可以提高河岸穩(wěn)定性。同時(shí)，在過(guò)濾帶以上修建2～3級(jí)梯田，梯田以上的山坡中下部栽植經(jīng)濟(jì)林，這樣既能防治水土流失又能增加群眾的經(jīng)濟(jì)收入。

經(jīng)過(guò)3年的綜合治理，小安溪小流域營(yíng)造水土保持林280 hm2、經(jīng)果林166.7 hm2，水質(zhì)明顯改善，坡面徑流中97%的泥沙、95%的總氮和92%的總磷得到了有效攔截[15]；同時(shí)也增加了農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入，改善和美化了當(dāng)?shù)剞r(nóng)村生產(chǎn)、生活環(huán)境，有效提高了人們的水土保持生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)。

5 建 議

鑒于生物過(guò)濾帶兼具景觀美學(xué)觀賞性、防護(hù)功能多樣性和防護(hù)作用穩(wěn)定性、持續(xù)性等多重優(yōu)勢(shì)，在重慶市農(nóng)業(yè)面源污染治理中應(yīng)廣泛應(yīng)用，但需要關(guān)注以下三個(gè)問(wèn)題：

(1)建立生物過(guò)濾帶植物字典。綜合現(xiàn)有研究成果，根據(jù)重慶市農(nóng)業(yè)面源污染物來(lái)源及其在土壤、水體中的遷移轉(zhuǎn)化特征，應(yīng)及早建立包括植物種類、生活型、立地條件、污染物質(zhì)吸附特性、喬灌草配置模式在內(nèi)的植物字典，為生物過(guò)濾帶應(yīng)用提供豐富的植物資源庫(kù)。

(2)建立生物過(guò)濾帶技術(shù)示范基地。全面分析重慶市所劃分的都市功能核心區(qū)、都市功能拓展區(qū)、城市發(fā)展新區(qū)、渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)、渝東南生態(tài)保護(hù)發(fā)展區(qū)五個(gè)功能區(qū)域所面臨的農(nóng)業(yè)面源污染特征，結(jié)合農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目、小流域治理工程與環(huán)境保護(hù)專項(xiàng)工程的實(shí)施，布置適宜的生物過(guò)濾帶類型，建立多種集試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)、示范、推廣于一體的生物過(guò)濾帶實(shí)體模型。

(3)探索生物過(guò)濾帶的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)體系，包括植物種快速繁育技術(shù)、植物功能持續(xù)維護(hù)技術(shù)、植物污染物吸附快速監(jiān)測(cè)技術(shù)、生物工程綠化技術(shù)等。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

重慶市科委攻關(guān)項(xiàng)目(應(yīng)用技術(shù)研發(fā)類I重點(diǎn))(CSTC2013gg-yyjsb20002)；重慶醫(yī)藥高等專科學(xué)?？蒲许?xiàng)目(2013-215)

S157.2；X171

A

1000-0941(2015)08-0035-04

胡雪琴(1973—)，女，四川南充市人，副教授，博士，研究方向?yàn)榄h(huán)境衛(wèi)生與檢測(cè)。

2014-10-10