王詩(shī)樂(lè)，張 帥，王 賀，王珊珊 沈海龍 高大文

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱，150040)

污染問(wèn)題通?？煞譃辄c(diǎn)源污染和面源污染，點(diǎn)源污染是指具有固定排污口并集中排放，排放途徑明確的污染物。面源污染是指污染物從非特定的地點(diǎn)，在降雨或融雪沖刷作用下，通過(guò)徑流過(guò)程匯入收納水體并造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化或其他形式的污染［1］。與點(diǎn)源污染相比，面源污染起源于分散、多樣的地區(qū)，地理邊界和發(fā)生位置難以識(shí)別和確定，隨機(jī)性強(qiáng)、成因復(fù)雜、潛伏周期長(zhǎng)，因而防治十分困難［2］。當(dāng)前60%左右的水污染問(wèn)題，是由于面源污染造成的。在我國(guó)由于生活污水造成的城市面源污染十分嚴(yán)重，城市面源污染是指在降水的條件下，雨水和城市徑流沖刷城市地面，使溶解的固體污染物從非特定的地點(diǎn)匯入受納水體，引起的水體污染［3］。在我國(guó)由于生活污水造成的城市面源污染十分嚴(yán)重［4］，城市面源污染將嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境和人體健康，并對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、牧業(yè)養(yǎng)殖、自然保護(hù)區(qū)建立、水源地開(kāi)發(fā)與應(yīng)用造成不利影響。因此城市面源污染的有效控制，將決定城市生態(tài)文明的建設(shè)和人民的生活質(zhì)量，消除面源污染是當(dāng)前改善水環(huán)境的重要任務(wù)［5］。

濱岸緩沖帶(riparian buffers)是指建立在河湖、溪流和溝谷沿岸的各類植被帶，包括林帶、菜地或其他土地利用類型，屬于生物軟措施中的一種，適用于水土保持和控制面源污染［6-8］。其具有河岸景觀營(yíng)造、水土保持、河岸生物棲息地保護(hù)等功能［9-10］。通過(guò)對(duì)濱岸緩沖帶植被進(jìn)行合理配置，利用植物群落對(duì)地表徑流和滲流中污染物質(zhì)的吸收、微生物的分解、土壤吸附和反硝化作用，可以將潛在的污染物質(zhì)與收納水體阻斷開(kāi)，達(dá)到防治面源污染的目的。

國(guó)外對(duì)于濱岸緩沖帶研究起步很早，研究與實(shí)踐表明，濱岸緩沖帶是控制面源污染、改善城市河道生態(tài)環(huán)境的有效途徑［11］。國(guó)內(nèi)對(duì)其研究起步較晚，近幾年的研究多集中于草本植被的選擇與配置，對(duì)多層次植被配置的研究報(bào)道較少。本研究選擇哈爾濱市重要內(nèi)河—何家溝設(shè)置濱岸緩沖試驗(yàn)帶，開(kāi)展面源污染防治現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，旨在對(duì)比不同喬木、灌木和草本植被配置對(duì)地表徑流和土壤滲流中NH4+-N的去除效果，為東北地區(qū)濱岸緩沖帶的構(gòu)建及河流面源污染防治提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)地設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于哈爾濱市市區(qū)何家溝顧?quán)l(xiāng)段河岸，垂直于構(gòu)建3條河流的濱岸緩沖試驗(yàn)帶，各條試驗(yàn)帶平行于河流方向的長(zhǎng)度為20 m，各條試驗(yàn)垂直于河流方向的長(zhǎng)度為15 m，坡度5°，為防止相互干擾，各條試驗(yàn)帶之間設(shè)置40 m的間隔區(qū)域。土壤類型為黑土。

1．2 植物選擇與植被配置

選取東北地區(qū)常見(jiàn)的8種植物，其中，喬木為蒙古櫟(Mongolian quercia)和五角楓(Acer mono);灌木為紅瑞木(Swida alba)、丁香(Syringa oblata)和暴馬丁香(Syring amurensis);草本層為紫花苜蓿(Medicago sativa)、早熟禾(Poa pretensis)與黑麥草(Lolium perenne)。對(duì)各試驗(yàn)帶的不同區(qū)域的植被進(jìn)行配置，試驗(yàn)帶A的配置方式為灌木+草本，草本層為早熟禾+黑麥草;試驗(yàn)帶B的配置方式為喬木+草本，草本層為紫花苜蓿;試驗(yàn)帶C的配置方式為喬木+灌木+草本，草本層為早熟禾+黑麥草。各試驗(yàn)帶喬木灌木配置方式為見(jiàn)表1，其中喬木種選用胸徑4 cm左右的移栽苗，栽植的株距為3 m，行距為2 m，灌木層平均蓋度為40%，草本層平均蓋度達(dá)90%。

表1 試驗(yàn)帶喬木、灌木配置Tab．1 Experiment with trees，shrubs configuration

1．3 實(shí)驗(yàn)方法

在各條試驗(yàn)帶植被變化處及樣帶末端分別設(shè)置3個(gè)長(zhǎng)寬為1．5 m，深1 m的采樣坑，以收集徑流及滲流水樣，為提高滲流的收集效率分別在樣坑內(nèi)距表面20、40 cm處插入采樣板。為模擬面源污水特征，利用小型自吸式水泵抽取何家溝河水為實(shí)驗(yàn)入水，從2013年8月初開(kāi)始，試驗(yàn)每周進(jìn)行1次，連續(xù)9次。每次對(duì)入水及各樣坑中徑流及滲流水樣進(jìn)行收集，測(cè)定水樣中NH4+-N濃度。試驗(yàn)分析方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》［12］。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同沿程植物配置對(duì)NH4+-N的去除

2．1．1 灌木+草本試驗(yàn)帶對(duì)NH4+-N去除

圖1 試驗(yàn)帶A對(duì)NH4+-N的去除Fig．1 The removal of NH4+-N in test A

如圖1所示，為試驗(yàn)帶A徑流、經(jīng)過(guò)土壤20 cm滲流、經(jīng)過(guò)土壤40 cm滲流水中NH4+-N的濃度變化。由圖可以看出，隨著沿程距離的增加，污水中NH4+-N的出水濃度呈下降的趨勢(shì)。徑流NH4+-N濃度隨沿程距離在5～10 m處下降的趨勢(shì)較為緩慢，而經(jīng)過(guò)土壤40 cm滲流NH4+-N濃度下降趨勢(shì)最為明顯。徑流、經(jīng)過(guò)土壤20 cm滲流、經(jīng)過(guò)土壤40 cm滲流污水中NH4+-N濃度由入水的12．87 mg/L，經(jīng)沿程5、10 m，最終到達(dá)15 m處時(shí)，分別降低至 7．1、6．31、5．81 mg/L，說(shuō)明此時(shí)沿程植物緩沖帶對(duì)徑流面源污水中氨氮具有一定的去除效果，同時(shí)氨氮出水濃度隨沿程距離的增加呈逐漸下降的趨勢(shì)，并最終達(dá)到相應(yīng)的穩(wěn)定值，說(shuō)明灌木+草本的植被配置能夠穩(wěn)定去除徑流和滲流污水中NH4+-N。

2．1．2 喬木+草本試驗(yàn)帶對(duì)NH4+-N去除

圖2 試驗(yàn)帶B對(duì)NH4+-N的去除Fig．2 The removal of NH4+-N in test B

試驗(yàn)帶B對(duì)NH4+-N的去除如圖2所示，在沿程距離相同的情況下，徑流出水NH4+-N濃度高于經(jīng)過(guò)土壤20 cm滲流出水NH4+-N濃度，經(jīng)過(guò)土壤20 cm滲流出水NH4+-N濃度高于經(jīng)過(guò)土壤40 cm滲流出水NH4+-N濃度。由此可以看出，植物的根系對(duì)土壤中的NH4+-N，具有一定的去除效果，并隨著土壤深度的增加，去除效果逐漸升高。由圖可以看出，當(dāng)沿程距離到達(dá)5 m時(shí)，徑流出水NH4+-N濃度、經(jīng)過(guò)土壤20 cm滲流出水NH4+-N濃度、經(jīng)過(guò)土壤40 cm滲流出水NH4+-N濃度，由入水濃度10．54 mg/L，分別下降到8．48、4．79、3．77 mg/L，經(jīng)過(guò)10 m 后，到達(dá)15 m 處時(shí)，NH4+-N 濃度分別降低至 7．89、4．07、3．19 mg/L。由圖分析得，沿程距離由5 m增加至15 m過(guò)程中，徑流出水NH4+-N濃度、經(jīng)過(guò)土壤20 cm滲流出水NH4+-N濃度和經(jīng)過(guò)土壤40 cm滲流出水NH4+-N濃度下降幅度變緩，并最終達(dá)到相對(duì)的穩(wěn)定值，說(shuō)明隨沿程距離增加喬木+草本的植被配置對(duì)徑流和滲流污水中NH4+-N的去除幅度增長(zhǎng)緩慢。

2．1．3 喬木+灌木+草本試驗(yàn)帶對(duì)NH4+-N去除

如圖3所示，隨著沿程距離的增加徑流、滲流NH4+-N出水濃度逐漸降低。沿程距離到達(dá)5 m處時(shí)，徑流、經(jīng)過(guò)土壤20、40 cm滲流出水NH4+-N濃度已由入水濃度11．28 mg/L，分別下降到7．17、5．24、4．32 mg/L，可以說(shuō)明濱岸緩沖帶通過(guò)較短的距離就可以對(duì)徑流、滲流污水中NH4+-N達(dá)到較高的去除效果。試驗(yàn)帶C隨著沿程距離的繼續(xù)增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)10 m處時(shí)徑流、20 cm滲流和40 cm滲流NH4+-N 出水濃度分別下降到 6．01、4．42、3．65 mg/L，最終到達(dá)15 m處時(shí)，徑流、20 cm滲流和40 cm滲流NH4+-N出水濃度分別降低至4．11、3．1、2．2 mg/L，圖中 NH4+-N 濃度隨著沿程距離的增加具有明顯的下降趨勢(shì)，其中經(jīng)過(guò)土壤20、40 cm滲流出水NH4+-N濃度的下降尤為顯著，由此可以看出喬木+灌木+草本的試驗(yàn)帶對(duì)面源污水中NH4+-N具有很強(qiáng)的去除能力。

圖3 試驗(yàn)帶C對(duì)NH4+-N的去除Fig．3 The removal of NH4+-N in test C

2．2 不同植被配置方式對(duì)NH4+-N的去除效果

2．2．1 徑 流

不同植被配置試驗(yàn)帶對(duì)地表徑流的去除效果如圖4所示。濱岸植被緩沖帶對(duì)地表徑流中NH4+-N的平均去除率可達(dá)到33．4%左右，說(shuō)明植物群落對(duì)地表徑流的面源污染有較好的去除效果［13］。其中，試驗(yàn)帶C對(duì)地表徑流中NH4+-N的去除率均高于另外兩組植被配置，去除率為40．5%，分別是試驗(yàn)帶A和試驗(yàn)帶B的1．1倍和1．6倍?？梢?jiàn)試驗(yàn)帶C喬木+灌木+草本的植被配置方式能夠有效提高濱岸緩沖帶對(duì)地表徑流中NH4+-N的凈化效果［14］。

圖4 不同植被配置對(duì)徑流氨氮的去除效果Fig．4 The different vegetation configure runoff ammonia removal

2．2．2 滲流

不同植被配置試驗(yàn)帶對(duì)經(jīng)過(guò)土壤滲流的去除效果如圖5所示。濱岸植被緩沖帶對(duì)經(jīng)土壤20 cm和40 cm滲流中NH4+-N的平均去除率為59．4%，說(shuō)明植被緩沖帶對(duì)滲流的去除效果好于地表徑流。在同一樣帶中，經(jīng)過(guò)土壤40 cm滲流NH4+-N的去除率較經(jīng)過(guò)土壤20 cm滲流NH4+-N的去除率進(jìn)一步升高，試驗(yàn)帶A、B、C的經(jīng)過(guò)土壤20 cm滲流出水中NH4+-N去除率分別為 46．5%、44．3%、58．3%，而經(jīng)過(guò)土壤40 cm滲流出水中NH4+-N 去除 率 分 別達(dá) 到 54．6%、47．7% 和69．2%。說(shuō)明隨著深度的增大，植物根系對(duì)滲流中NH4+-N的去除率進(jìn)一步升高。各試驗(yàn)帶之間，試驗(yàn)帶C對(duì)土壤中NH4+-N的去除率最高，其在試驗(yàn)帶末端對(duì)經(jīng)過(guò)土壤40 cm滲流出水中NH4+-N的最高去除率達(dá)到69．2%，分別是試驗(yàn)帶A和試驗(yàn)帶B經(jīng)過(guò)土壤40 cm滲流出水中NH4+-N的最高去除率的1．7倍和1．4倍?？梢?jiàn)試驗(yàn)帶C喬木+灌木+草本的植被配置方式對(duì)出水中NH4+-N的具有最佳去除率，能夠有效提高濱岸緩沖帶對(duì)滲流NH4+-N 的凈化效果［15］。

圖5 不同植被配置對(duì)距地表20 cm、40 cm滲流氨氮的去除效果Fig．5 The different vegetation configure away from the earth's surface20 cm，40 cm seepage runoff ammonia removal

3 結(jié)論

本試驗(yàn)選用的植被配置中，紅瑞木的根系生物量較大，根系集中于土壤10～20 cm處［16］，早熟禾與黑麥草為混合播種，種間簇狀結(jié)合分布，有利于其根部的吸收作用，因此試驗(yàn)帶A的灌木+草本的植被配置對(duì)NH4+-N有較好的吸收作用。蒙古櫟與五角楓無(wú)喬木樹(shù)種，地下根系發(fā)達(dá)，但根系的主要吸收部分位于深層土壤［17-18］，并且由于喬木冠層下存在土壤裸露區(qū)，試驗(yàn)帶B的配置中又缺乏灌木對(duì)其的覆蓋作用，因此試驗(yàn)帶B的喬木+草本的植被配置對(duì)NH4+-N的吸收作用較弱。試驗(yàn)帶C喬木+灌木+草本的植被配置中土壤淺層的細(xì)根產(chǎn)量高于灌木+草本的配置［19-20］，此種復(fù)雜多層的植被配置模式有利于提高河岸植物群落的生物多樣性和微生物群落的活力［21］，因此其對(duì)徑流和滲流中NH4+-N均有十分理想的去除效果。

濱岸植被緩沖帶對(duì)面源污水中NH4+-N的去除，隨著沿程距離的增加呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)。土壤滲流污水中NH4+-N出水的濃度隨著土壤深度的增加而下降。

濱岸緩沖帶的不同植被配置方式，對(duì)面源污水中NH4+-N的去除效果明顯不同。樣帶C對(duì)地表徑流、經(jīng)過(guò)土壤20 cm滲流、經(jīng)過(guò)土壤40 cm滲流污水中 NH4+-N最高去除率分別達(dá)到 40．5%、58．3%、69．2%，即樣帶C中喬木+灌木+草本的植被配置對(duì)面源污染物NH4+-N的去除效果最佳。

［1］朱鐵群．我國(guó)水環(huán)境農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染防治研究簡(jiǎn)述［J］．農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，2000，16(3):55-57．

［2］王建兵，程 磊．農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀分析［J］．江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，7(3):35-39．

［3］ Zhang S-L(張水龍)，Zhang J-P(莊季屏)．Current situation and development tendency of research of non-point source pollution in agriculture［J］．Chin J Ecol(生態(tài)學(xué)雜志)，1998，17(6):51-55．

［4］丁程程，劉 ?。袊?guó)城市面源污染現(xiàn)狀及其影響因素［J］．中國(guó)人口資源與環(huán)境，2011，21(3):86-89．

［5］尹澄清．城市面源的污染的控制原理和技術(shù)［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009．

［6］董鳳麗，袁峻峰，馬翠新．濱岸緩沖帶對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染NH4+-N，TP 的吸收效果［J］．上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33(2):93-97．

［7］諸葛亦斯，劉德富，黃鈺鈴．生態(tài)河流緩沖帶構(gòu)建技術(shù)初探［J］．水資源與水工程學(xué)報(bào)，2006，17(2):63-67．

［8］葉志敏，尹 璇．濱岸緩沖帶消減非點(diǎn)源污染試驗(yàn)研究［J］．科技資訊，2006(28):250-251．

［9］ Muscutt A D ，Harris G L，Bailey S W，et al．Buffer zones to improve water quality-a review of their potential use in UK agriculture［J］．Agr Ecosyst Environ，1993(45):59-77．

［10］楊 帆，高大文，高 輝．草本緩沖帶優(yōu)化配置對(duì)氮磷的去除效果［J］．東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39(2):57-60．

［11］黃沈發(fā)，吳建強(qiáng)，唐 浩，等．濱岸緩沖帶對(duì)面源污染物的凈化效果研究［J］．水科學(xué)進(jìn)展，2008，19(5):722-728．

［12］國(guó)家環(huán)保總局．水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(4版)［M］．北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002．

［13］吳 健，王 敏，吳建強(qiáng)，等．濱岸緩沖帶植物群落優(yōu)化配置實(shí)驗(yàn)研究［J］．生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，24(4):42-45．

［14］楊 帆，高大文，高 輝．高效吸收氮、磷的濱岸緩沖帶植物篩選［J］．東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38(9):62-64．

［15］唐 浩，黃沈發(fā)，王 敏，等．不同草皮緩沖帶對(duì)徑流污染物的去除效果試驗(yàn)研究［J］．環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009，32(2):109-112．

［16］劉玉花，王曉春，徐文遠(yuǎn)，等．G111公路訥嫩段8種護(hù)坡灌木根系增強(qiáng)土壤抗沖性比較［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2010，24(6):32-41．

［17］張 威，王艷君，毛子軍，等．哈爾濱市6種綠化樹(shù)種生理特性比較［J］．森林工程，2008，24(3):6-9．

［18］周義彪，溫德華，李 江，等．竹林河岸緩沖帶對(duì)地表徑流的水質(zhì)凈化研究［J］．江西林業(yè)科技，2014，42(4):15-19．

［19］梁小妮，徐程揚(yáng)，龔 嵐，等．配置模式和樹(shù)種組成對(duì)北京典型城市森林樹(shù)木細(xì)根形態(tài)的影響［J］．林業(yè)科學(xué)，2013，49(9):94-101．

［20］唐明坤，鄭從軍，廖清貴，等．基于河岸植物多樣性的河流健康評(píng)價(jià)——以伯條河-府河河段為例［J］．四川林業(yè)科技，2014，35(6):9-16．

［21］黃明勇，楊劍芳，王懷鋒，等．天津?yàn)I海鹽堿土地區(qū)城市綠地土壤微生物特性研究［J］．土壤通報(bào)，2007，38(6):1131-1135．