孫彭成，高建恩，2，3*，王顯文，高　哲（.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌7200；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌7200；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌7200；4.新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，烏魯木齊830002；.陜西化建工程有限責(zé)任公司，陜西楊凌7200）

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柳枝稷植被過(guò)濾帶攔污增效試驗(yàn)初步研究

孫彭成1，高建恩1，2，3*，王顯文3，4，高哲5
（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100；4.新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，烏魯木齊830002；5.陜西化建工程有限責(zé)任公司，陜西楊凌712100）

摘要：針對(duì)黃土高原嚴(yán)重水土流失引起面源污染與水資源緊缺的問(wèn)題，在自主研發(fā)設(shè)計(jì)的坡地高效農(nóng)業(yè)用水濾清系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過(guò)6組不同雨強(qiáng)的模擬降雨試驗(yàn)，分析了不同雨強(qiáng)下坡地徑流中污染物輸出特征，研究了不同長(zhǎng)度的柳枝稷植被過(guò)濾帶對(duì)污染物的凈化效果，并對(duì)植被過(guò)濾帶柳枝稷的生產(chǎn)效益進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：坡面徑流中泥沙和總磷含量隨雨強(qiáng)的增加而增加，總氮含量隨雨強(qiáng)的增加而減小，COD含量隨雨強(qiáng)增加先減小后增加。3 m長(zhǎng)和5 m長(zhǎng)的柳枝稷植被過(guò)濾帶都能顯著削減徑流中的泥沙和總磷含量，而兩種長(zhǎng)度的削減作用間無(wú)顯著差異；5 m長(zhǎng)過(guò)濾帶還能顯著削減徑流中COD含量，整個(gè)過(guò)濾帶對(duì)總氮的削減效果不明顯。過(guò)濾帶柳枝稷產(chǎn)量和品質(zhì)均優(yōu)于大田種植柳枝稷，過(guò)濾帶內(nèi)距徑流入口越近柳枝稷干物質(zhì)產(chǎn)量越高；過(guò)濾帶柳枝稷單位面積干物產(chǎn)量提高29%，蛋白質(zhì)產(chǎn)量增加53%，淀粉產(chǎn)量增加23%。濾清系統(tǒng)柳枝稷植被過(guò)濾帶不但能有效攔截水沙和面源污染物，而且能夠?qū)⑺鶖r截污染物作為肥料吸收利用，高效利用水土資源，在黃土高原地區(qū)有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：模擬降雨；柳枝稷植被過(guò)濾帶；凈化徑流；產(chǎn)量品質(zhì)提升

孫彭成，高建恩，王顯文,等.柳枝稷植被過(guò)濾帶攔污增效試驗(yàn)初步研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 35（2）：314-321.

黃土高原地區(qū)降雨徑流引起劇烈的水土流失并納入大量的泥沙和氮、磷等面源污染物，加劇水體的污染，使該地區(qū)的水資源更加緊缺，嚴(yán)重制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，引發(fā)了國(guó)家和社會(huì)的高度關(guān)注。植被過(guò)濾帶是一種能沉降、過(guò)濾、稀釋、下滲或吸收地表徑流中污染物的植被區(qū)域系統(tǒng)[1]，可從過(guò)程上減少面源污染物進(jìn)入水體[2]，從而顯著減輕非點(diǎn)源污染，已在歐美國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)對(duì)此也做了大量的研究與探索。Giri等[3]研究表明柳枝稷能有效攔截徑流中污染物，李懷恩等[4]在黃土高原地區(qū)放水試驗(yàn)表明，鄉(xiāng)土物種沙棘等營(yíng)造的植被過(guò)濾帶對(duì)徑流中的污染物具有良好的過(guò)濾攔截效果。然而，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于植被過(guò)濾帶實(shí)際應(yīng)用方面卻鮮有報(bào)道[5]。申小波等[6]通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)研究了不同寬度植被過(guò)濾帶對(duì)污染物的攔截作用，高建恩、王顯文等采用能源型牧草柳枝稷植被過(guò)濾帶，基于徑流調(diào)控理論與水土資源高效利用的理念，設(shè)計(jì)了一種坡地高效農(nóng)業(yè)用水濾清系統(tǒng)（CN201410036089.7）[7-9]，可攔截凈化降雨徑流中的污染物并將過(guò)濾后的徑流用于發(fā)展水土保持型高效農(nóng)業(yè)。本文在該濾清系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分析了不同雨強(qiáng)下坡地污染物輸出特征，研究了不同寬度柳枝稷植被過(guò)濾帶對(duì)污染物的攔截效果，初步探究了濾清系統(tǒng)的攔截作用對(duì)柳枝稷產(chǎn)量的提高和品質(zhì)的提升，研究結(jié)果對(duì)濾清系統(tǒng)在黃土高原地區(qū)的進(jìn)一步優(yōu)化與應(yīng)用推廣具有重要的參考作用。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

模擬降雨試驗(yàn)主要包括降雨系統(tǒng)、集流系統(tǒng)和柳枝稷植被過(guò)濾系統(tǒng)三個(gè)部分，試驗(yàn)系統(tǒng)的平面布設(shè)如圖1。不同強(qiáng)度的模擬降雨降落于集流系統(tǒng)的裸露坡面，對(duì)其進(jìn)行沖刷，自然形成含沙量高、污染物濃度大的受污水流，而后進(jìn)入柳枝稷植被過(guò)濾帶。

圖1　試驗(yàn)系統(tǒng)平面布設(shè)示意圖Figure 1 Diagram of experimental system

1.1.1降雨系統(tǒng)

人工模擬降雨通過(guò)降雨機(jī)實(shí)現(xiàn)，該降雨機(jī)高8 m，通過(guò)調(diào)節(jié)降雨機(jī)噴頭中墊片的孔徑大小來(lái)控制降雨雨強(qiáng)。在對(duì)墊片孔徑大小與降雨強(qiáng)度之間的關(guān)系率定后，為裝置選用的墊片孔徑大小分別為6、8、9、10、11、12 mm，所對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度分別為0.8、0.9、1.2、1.9、2.1、2.3 mm·min-1。降雨組次隨機(jī)安排，每次降雨試驗(yàn)前對(duì)雨強(qiáng)進(jìn)行率定，保證降雨均勻度達(dá)到75%。各場(chǎng)降雨在第二次取樣后停止，降雨歷時(shí)在50～70 min之間。

1.1.2集流系統(tǒng)

集流系統(tǒng)是長(zhǎng)6 m、寬1 m，坡度為15。的裸露坡面。試驗(yàn)用土為取自安塞縣馬家溝流域的黃綿土，有機(jī)質(zhì)含量0.54%，全氮含量0.04%，全磷含量0.14%。在試驗(yàn)前3 d將肥料噴施于風(fēng)干黃土并充分?jǐn)嚢瑁渲品释?。每噸干土施?8.12 g磷酸二氫鉀和195.32 g尿素，模擬667 m2平均施用13.3 kg磷酸二氫鉀和33.3 kg尿素。每次降雨前更換集流系統(tǒng)表層的肥土，換土厚度為20 cm，分層充填并控制填土密度在1.30 g·cm-2左右。

1.1.3柳枝稷植被過(guò)濾系統(tǒng)

柳枝稷植被過(guò)濾系統(tǒng)長(zhǎng)5 m、寬1 m，位于集流系統(tǒng)的下方。試驗(yàn)用柳枝稷播種于2013年5月，播種量為1.5 g·m-2。試驗(yàn)開(kāi)始前，柳枝稷平均株高約23 cm，單位面積上柳枝稷莖稈密度為4300～4400株·m-2，蓋度大于80%。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

濾清試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置在西北農(nóng)林科技大學(xué)節(jié)水博覽園內(nèi)，具有兩個(gè)平行的濾清系統(tǒng)作為重復(fù)。模擬降雨試驗(yàn)于2013年8—9月間進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)每次降雨間隔時(shí)間一致，以保證試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)土壤含水量基本相同。植被過(guò)濾帶內(nèi)設(shè)置三個(gè)取樣斷面，分別位于入口（0 m）、距離入口3 m和5 m處。降雨開(kāi)始，待出口處產(chǎn)流穩(wěn)定后，采用注射器在各個(gè)斷面第一次取樣，首次取樣30 min后進(jìn)行第二次取樣，各斷面取4個(gè)徑流樣。在每次試驗(yàn)后，放水沖洗植被過(guò)濾帶表層，盡量清除殘留于過(guò)濾帶內(nèi)的污染物，以減輕對(duì)下次試驗(yàn)的影響。

水質(zhì)樣品于降雨試驗(yàn)取樣當(dāng)天進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定指標(biāo)包括泥沙含量、總氮（TN）、總磷（TP）和化學(xué)需氧量（COD）。泥沙含量測(cè)定采用烘干法；總氮含量測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度計(jì)法；總磷含量采用硫酸鉀氧化-鉬酸銨分光光度計(jì)法；COD采用美國(guó)HACH公司生產(chǎn)的DR2800便攜式水質(zhì)分析儀進(jìn)行測(cè)定。

通過(guò)將過(guò)濾帶內(nèi)與普通大田2014年柳枝稷產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行比較，初步評(píng)價(jià)柳枝稷植被過(guò)濾帶的生產(chǎn)效益。取樣樣地設(shè)置在節(jié)水博覽園濾清系統(tǒng)和安塞縣馬家溝流域，分別對(duì)應(yīng)過(guò)濾帶柳枝稷和普通大田種植柳枝稷。兩處柳枝稷品種、種植時(shí)間和土壤條件一致，均無(wú)施肥灌水等撫育措施，過(guò)濾帶柳枝稷樣地為圖1所示的兩個(gè)平行試驗(yàn)小區(qū)，并且在該年度未進(jìn)行干擾性試驗(yàn)。測(cè)定指標(biāo)包括株高、產(chǎn)量、植株蛋白質(zhì)含量和淀粉含量。樣方大小設(shè)置為1 m×1 m，過(guò)濾帶柳枝稷進(jìn)行分段取樣，樣方選定后各樣方內(nèi)選取10株測(cè)株高，而后刈割、烘干、測(cè)產(chǎn)。兩處柳枝稷各取3個(gè)試樣，對(duì)各試樣分別測(cè)莖和葉中的蛋白質(zhì)和淀粉含量，按比例計(jì)算全植株蛋白質(zhì)和淀粉含量。柳枝稷植株蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)法[10]，淀粉含量采用蒽酮比色法測(cè)定[10]。

1.3數(shù)據(jù)分析

采用SPSS18.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、均值比較和擬合分析。采用Origin9.0軟件繪制圖表。

圖2　不同雨強(qiáng)下徑流中污染物含量Figure 2 Concentrations of pollutants in overland runoff under different rainfall intensity

采用污染物質(zhì)量濃度削減率[11]定量評(píng)價(jià)柳枝稷植被過(guò)濾帶對(duì)徑流中污染物的凈化效果，某一污染物質(zhì)量濃度削減率越大，表明柳枝稷植被過(guò)濾帶對(duì)該污染物的攔截效果越好。污染物質(zhì)量濃度削減率R的計(jì)算方法為：

式中：R為污染物質(zhì)量濃度削減率，%；C1為入口處污染物的含量，g（mg）·L-1；C2為不同取樣斷面處（3、5 m）污染物的含量，g（mg）·L-1。

2　結(jié)果與討論

2.1不同雨強(qiáng)坡地徑流中污染物輸出特征

雨滴打擊力和徑流沖刷力是造成土壤侵蝕和養(yǎng)分流失的主要?jiǎng)恿12]，雨強(qiáng)對(duì)坡面土壤和污染物流失有重要影響。當(dāng)雨強(qiáng)增加時(shí)，一方面雨滴打擊力增強(qiáng)，坡面上更多的土粒被濺散，為侵蝕提供了物質(zhì)來(lái)源，同時(shí)，雨滴打擊還能增強(qiáng)坡面薄層徑流的紊動(dòng)[13]，從而影響徑流對(duì)泥沙和污染物的挾帶能力；另一方面，坡面徑流量增大，徑流對(duì)坡面的沖刷能力也就越強(qiáng)，從而導(dǎo)致徑流中泥沙含量隨雨強(qiáng)的增加而增大。根據(jù)王顯文[8]、高建恩[7]等對(duì)不同雨強(qiáng)徑流中污染物輸出特征的試驗(yàn)資料進(jìn)行分析整理（圖2），可以看出，徑流中泥沙含量隨雨強(qiáng)的增加而增加。當(dāng)雨強(qiáng)從0.8 mm·min-1增大1.9倍達(dá)到2.3 mm·min-1后，徑流中泥沙含量從11.4 g·L-1劇增到103.1 g·L-1，增加了8.1倍，泥沙含量隨雨強(qiáng)增加的趨勢(shì)可以較好地用冪函數(shù)描述（R2=0.98，P＜0.01），與李浩宏等[14]室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)論一致。徑流中的總磷含量隨雨強(qiáng)增大也表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，當(dāng)雨強(qiáng)從0.8 mm·min-1增大到2.3 mm·min-1時(shí)，徑流中總磷的含量則從9.9 mg·L-1增加1.2倍達(dá)到21.9 mg·L-1，其隨雨強(qiáng)增加的趨勢(shì)也可以較好地用冪函數(shù)描述（R2=0.99，P＜0.01）。徑流中總氮含量隨降雨強(qiáng)度的增加有減少的趨勢(shì)，當(dāng)雨強(qiáng)從0.8 mm·min-1增大到2.3 mm·min-1時(shí)，徑流中的總氮含量從60.2 mg·L-1降到46.0 mg·L-1，減少23.5%，徑流中總氮含量隨雨強(qiáng)的增加以冪函數(shù)的形式減小（R2=0.86，P＜0.01）。徑流中COD含量隨雨強(qiáng)增加表現(xiàn)為先減小后增加的趨勢(shì)，當(dāng)雨強(qiáng)從0.8 mm·min-1增大到2.1 mm· min-1，徑流中COD含量減少28.7%，為13.9 mg·L-1，與總氮減少幅度相近，其減小趨勢(shì)能用冪函數(shù)的形式描述（R2=0.76，擬合方程未計(jì)入雨強(qiáng)為2.3時(shí)的數(shù)值點(diǎn)），當(dāng)雨強(qiáng)為2.3 mm·min-1時(shí)，徑流中的COD含量則增加達(dá)到24.9 mg·L-1。

徑流中污染物的含量并不能代表徑流中污染物挾帶量，污染物挾帶量是污染物含量和徑流量共同作用的結(jié)果，雨強(qiáng)增加時(shí)徑流量會(huì)隨之增加，從而影響徑流中污染物挾帶量。根據(jù)王占禮等[15]試驗(yàn)得出的黃土坡面產(chǎn)流經(jīng)驗(yàn)公式推算，本試驗(yàn)中，單位時(shí)間內(nèi)坡面徑流輸出的泥沙、總磷、總氮和COD的輸出量都隨雨強(qiáng)的增加而增加。這與目前的主流結(jié)論一致[16]。不同污染物在徑流中含量隨雨強(qiáng)的增加其變化趨勢(shì)不同，徑流中泥沙和總磷含量均隨雨強(qiáng)的增加而增加，與陳玲等[17]研究結(jié)論一致。總氮和COD含量則隨雨強(qiáng)的增加而略微減小，與傅濤等[18-19]的研究結(jié)論相近。污染物在徑流中輸出特征隨雨強(qiáng)的變化和污染物的遷移特征有關(guān)，泥沙和總磷在徑流中以顆粒態(tài)的形式搬運(yùn)，總氮和COD在徑流中則主要以溶解態(tài)的形式搬運(yùn)。坡面土壤侵蝕隨雨強(qiáng)的增加而愈加劇烈，由此導(dǎo)致顆粒態(tài)的泥沙和總磷含量隨雨強(qiáng)的增加而增加。溶解態(tài)物質(zhì)在徑流中含量隨降雨歷時(shí)和雨強(qiáng)的增加具有一定的稀釋效應(yīng)，從而引起徑流中總氮和COD的輸出含量隨雨強(qiáng)的增加而減小。當(dāng)雨強(qiáng)為2.3 mm·min-1時(shí)，徑流中COD含量的增加可能與有機(jī)質(zhì)在土壤顆粒中的分布有關(guān)。黃土中有機(jī)質(zhì)多集中于團(tuán)聚體中，團(tuán)聚體在雨強(qiáng)較大時(shí)才能流失[20-22]。因此在實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到2.3 mm·min-1時(shí)，表土中團(tuán)聚體流失，導(dǎo)致大雨強(qiáng)條件下徑流中COD含量的增加。

2.2不同長(zhǎng)度植被過(guò)濾帶對(duì)徑流中不同污染物攔截效果的比較

植被過(guò)濾帶可以有效地增加地表阻力，減小徑流流速，降低徑流的挾沙能力，增加泥沙的沉降，從而達(dá)到過(guò)濾攔截泥沙的效果[23]。在對(duì)王顯文[8]試驗(yàn)資料整理的基礎(chǔ)上，分析了不同長(zhǎng)度柳枝稷植被過(guò)濾帶對(duì)污染物的攔截效果，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1看出，柳枝稷植被過(guò)濾帶能較好地削減徑流中的泥沙含量。經(jīng)3 m長(zhǎng)柳枝稷植被過(guò)濾帶作用后，徑流中泥沙含量平均降低到1.6～6.2 g·L-1，泥沙質(zhì)量濃度削減率達(dá)到85%～97%，平均質(zhì)量濃度削減率為92%；經(jīng)5 m長(zhǎng)的柳枝稷植被過(guò)濾帶作用后，徑流中的泥沙含量降低到0.5～1.4 g·L-1，泥沙質(zhì)量濃度削減率達(dá)到94%～99%，平均削減率為97%。3 m和5 m長(zhǎng)植被過(guò)濾帶均能顯著削減徑流中泥沙含量（P＜0.05）。在3 m長(zhǎng)過(guò)濾帶基礎(chǔ)上，多數(shù)雨強(qiáng)條件下，5 m長(zhǎng)植被過(guò)濾帶對(duì)泥沙含量的進(jìn)一步削減效果不明顯（P＞0.05），僅當(dāng)雨強(qiáng)較小（0.8 mm·min-1）時(shí)，5 m長(zhǎng)植被過(guò)濾帶才對(duì)泥沙含量有進(jìn)一步的削減效果（P＜0.05）。

表1　不同寬度植被過(guò)濾帶作用后徑流中污染物含量Table 1 Concentrations of pollutants in runoff water after passing through different widths of VFS

在降雨和徑流的共同作用下，表層土壤中的磷既能通過(guò)淋溶和解析作用進(jìn)入徑流，也能隨所附著的土粒進(jìn)入徑流，分別構(gòu)成徑流中溶解態(tài)和顆粒態(tài)的磷[24]。大量的研究表明[25-26]，磷在徑流中主要是通過(guò)泥沙等固態(tài)污染物吸附攜帶，以顆粒態(tài)的形式流失，因此徑流中的磷素含量與泥沙含量密切相關(guān)。從表1看出，柳枝稷植被過(guò)濾帶對(duì)徑流中的總磷含量削減效果較好。經(jīng)3 m寬柳枝稷植被過(guò)濾帶作用后，徑流中總磷含量平均降低到2.0～5.0 mg·L-1，總磷質(zhì)量濃度削減率達(dá)到76%～84%，平均削減率為79%；經(jīng)5 m長(zhǎng)的柳枝稷植被過(guò)濾帶作用后，徑流中的總磷含量降低到0.9～1.6 mg·L-1，總磷質(zhì)量濃度削減率達(dá)到87%～94%，平均削減率為91%。方差分析表明，3 m和5 m長(zhǎng)植被過(guò)濾帶均能顯著削減徑流中總磷含量（P＜0.05）。試驗(yàn)條件下，相對(duì)于3m長(zhǎng)過(guò)濾帶，5 m長(zhǎng)植被過(guò)濾帶對(duì)總磷含量的進(jìn)一步削減效果不明顯（P＞0.05）。

坡面徑流中的氮主要是以溶解態(tài)的形式存在，當(dāng)施用尿素等速效氮肥時(shí)，氮素流失更加嚴(yán)重且更容易隨徑流流失[27-29]。經(jīng)3 m長(zhǎng)的植被過(guò)濾帶作用后，徑流中的總氮含量為42.6～59.8 mg·L-1，質(zhì)量濃度削減率在0.54%～7.3%之間，平均削減率為4%；經(jīng)5 m長(zhǎng)的植被過(guò)濾帶作用后，徑流中的總氮含量為39.7～59.4 mg·L-1，質(zhì)量濃度削減率在1%～14%之間，平均削減率為6.3%。植被過(guò)濾帶對(duì)徑流中總氮含量削減效果不明顯，伴隨植被過(guò)濾帶內(nèi)土壤氮進(jìn)入徑流以及徑流的入滲，經(jīng)植被過(guò)濾帶作用后，徑流中總氮含量可能會(huì)增加，從而造成對(duì)總氮質(zhì)量濃度削減率為負(fù)值[24]。方差分析表明，3 m和5 m長(zhǎng)的植被過(guò)濾帶對(duì)徑流中總氮含量的削減效果均不明顯（P＞0.05）。

坡面降雨徑流不但將泥沙、氮、磷等帶入水體，還把土壤中的一些有機(jī)物質(zhì)帶入水體，而土壤中天然有機(jī)質(zhì)對(duì)徑流中COD貢獻(xiàn)很大[30]，因而造成坡面徑流的高COD含量。坡面徑流中，COD主要以溶解態(tài)有機(jī)質(zhì)的形式存在，其流失規(guī)律與總氮流失相關(guān)[31]。經(jīng)3 m長(zhǎng)的植被過(guò)濾帶作用后，徑流中的COD含量減小到8.4～19.9 mg·L-1，COD質(zhì)量濃度削減率在-1%～51%之間，平均削減率為17%；經(jīng)5 m長(zhǎng)的植被過(guò)濾帶作用后，徑流中的COD含量為7.6～15.7 mg·L-1，質(zhì)量濃度削減率在15%～56%之間，平均削減率為31%。試驗(yàn)條件下，5 m寬的植被過(guò)濾帶對(duì)徑流中的COD含量具有顯著的削減效果（P＜0.05），部分雨強(qiáng)條件下，3 m長(zhǎng)的植被過(guò)濾帶也具有顯著的削減效果（P＜0.05）。

不同長(zhǎng)度柳枝稷植被過(guò)濾帶對(duì)徑流中不同的污染物含量削減效果不同。柳枝稷植被過(guò)濾帶很大程度削減徑流中泥沙含量和總磷含量，可部分削減徑流中COD含量，而削減總氮的能力較差。這種結(jié)果與污染物在徑流中搬運(yùn)形式和植被過(guò)濾帶對(duì)污染物攔截機(jī)理有關(guān)。過(guò)濾帶一方面可以促進(jìn)徑流下滲，另一方面又能通過(guò)自身阻擋作用，增加地表阻力、降低徑流流速，增加沉積，從而減少污染物的搬運(yùn)量[32]。徑流中的泥沙經(jīng)物理性攔截而沉積，總磷多數(shù)也伴隨泥沙而沉積，因此植被過(guò)濾帶對(duì)泥沙和總磷具有較高的削減效果；總氮和COD在徑流中多以溶解態(tài)形式搬運(yùn)，植被過(guò)濾帶難以作用，因此削減效果不明顯。針對(duì)徑流中的污染物種類不同，所配置的柳枝稷植被過(guò)濾帶的長(zhǎng)度也應(yīng)該有所不同。當(dāng)徑流中所需削減的污染物為泥沙和總磷時(shí)，3 m長(zhǎng)的過(guò)濾帶即可顯著作用，當(dāng)所需削減的污染物為總氮和COD時(shí)，過(guò)濾帶的長(zhǎng)度至少要達(dá)到5 m。因此，需要通過(guò)進(jìn)一步的研究，以確定削減徑流各類污染物所需過(guò)濾帶的合理長(zhǎng)度。

2.3柳枝稷植被過(guò)濾帶生產(chǎn)效益評(píng)價(jià)

植被過(guò)濾帶不但能攔截沉降徑流中的污染物，減輕面源污染，還能吸收利用所攔截物質(zhì)中的營(yíng)養(yǎng)成分，促進(jìn)過(guò)濾帶內(nèi)植被生長(zhǎng)，提升其產(chǎn)量與品質(zhì)。柳枝稷作為一種優(yōu)質(zhì)牧草，應(yīng)具有較高的蛋白質(zhì)含量和碳水化合物含量[33]，兩個(gè)小區(qū)內(nèi)的過(guò)濾帶柳枝稷與大田種植柳枝稷產(chǎn)量與品質(zhì)的初步比較見(jiàn)表2。過(guò)濾帶柳枝稷蛋白質(zhì)含量為12.9%，相較于大田種植柳枝稷顯著提高18%（P＜0.05）；淀粉含量為13.3%，相較于大田種植柳枝稷降低5%（P＞0.05）。與普通種植柳枝稷相比，過(guò)濾帶柳枝稷干物質(zhì)產(chǎn)量可達(dá)到16 500 kg· hm-2，顯著提高29%（P＜0.05）；單位面積蛋白質(zhì)和淀粉產(chǎn)量分別為2 128.5、2 194.5 kg·hm-2，分別提高53%和23%。過(guò)濾帶柳枝稷的品質(zhì)和產(chǎn)量都優(yōu)于大田種植柳枝稷，其主要原因是植被過(guò)濾帶能攔截利用徑流及其中的氮、磷等面源污染物，相當(dāng)于水肥條件的改善，從而提高了柳枝稷的產(chǎn)量與品質(zhì)[34]。

表2　不同種植條件柳枝稷生產(chǎn)力比較Table 2 Yield of switchgrass under two growing conditions

圖3　距徑流入口不同距離處柳枝稷株高與產(chǎn)量Figure 3 Yield and plant height of switchgrass in VFS at different distance from runoff entrance

圖3反映了距徑流入口不同距離處過(guò)濾帶柳枝稷的平均株高與產(chǎn)量。距離徑流入口越近，柳枝稷的平均株高越高，單位面積干物質(zhì)產(chǎn)量也越大。距徑流入口4～5 m處柳枝稷的平均株高為1.45 m，距入口0～1、1～2、2～3、3～4 m處柳枝稷的平均株高則分別為1.85、1.70、1.66、1.55 m，分別相對(duì)增加28%、17%、14%、6%，不同距離處柳枝稷株高間差異顯著（P＜0.05）。距離徑流入口2 m內(nèi)的柳枝稷干物質(zhì)產(chǎn)量明顯高于3 m之外，3 m之外的平均干物質(zhì)產(chǎn)量約為1.4 kg·m-2，距離徑流入口0～1 m和1～2 m處的則分別為2.23、1.79 kg·m-2，分別提高57%和27%。因?yàn)榫鄰搅魅肟谠浇?，柳枝稷所能攔截利用徑流與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)越多，水肥條件越優(yōu)，柳枝稷的長(zhǎng)勢(shì)也就越好。

3　結(jié)論

（1）坡面徑流中泥沙和總磷含量隨雨強(qiáng)的增加而增加，總氮含量隨雨強(qiáng)的增加而減小，COD含量隨雨強(qiáng)增加呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì)。

（2）柳枝稷植被過(guò)濾帶對(duì)泥沙和總磷削減效果較好，對(duì)COD具有一定的削減效果，對(duì)總氮的攔截效果不明顯。3 m與5 m長(zhǎng)植被過(guò)濾帶均能顯著削減徑流中的泥沙和總磷含量，且兩者的削減效果無(wú)顯著差異。5 m長(zhǎng)的過(guò)濾帶還能顯著削減徑流中的COD含量。兩種長(zhǎng)度的過(guò)濾帶對(duì)徑流中總氮含量的削減效果都不明顯。在配置植被過(guò)濾帶時(shí)，應(yīng)根據(jù)徑流中污染物種類，合理選擇所需過(guò)濾帶帶長(zhǎng)。

（3）柳枝稷植被過(guò)濾帶對(duì)徑流中污染物的攔截利用能提升過(guò)濾帶柳枝稷的干物質(zhì)產(chǎn)量與品質(zhì)。在過(guò)濾帶內(nèi)部，距離徑流入口越近，柳枝稷長(zhǎng)勢(shì)越好，干物質(zhì)產(chǎn)量越大。

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Effectiveness of switchgrass vegetative filter strip in intercepting pollutants and promoting plant biomass

SUN Peng-cheng1, GAO Jian-en1,2,3*, WANG Xian-wen3,4, GAO Zhe5
（1.Institute of Soil and Water Conservation, Northwest N&F University, Yangling 712100, China; 2.Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences, Yangling 712100, China; 3.College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest N&F University, Yangling 712100, China; 4.Surveying & Designing Institute（group）Co. Ltd., Xinjiang Production and Construction Crops, Urumchi, 830002, China; 5.Shaanxi Petroleum Chemical Engineering and Construction Co. Ltd., Yangling 712100, China）

Abstract：The serious soil and water erosion in the Loess Plateau has caused non-point source pollution and shortage of water resources. In this study, a series of simulated rainfall experiments with 6 rainfall intensities were conducted using the self-designed efficient agricultural water filter system. The pollutant outputs under different rainfall intensities were measured. The purification efficiencies and biomass production of the Switchgrass Vegetative Filter Strip（VFS）with different lengths were also evaluated. Results indicated that：1）with increase in rainfall intensity, the concentrations of sediments and total phosphorus（TP）in overland flow increased, while total nitrogen（TN）concentrations decreased. COD decreased initially but increased thereafter; 2）Both 3 m- and 5 m-length VFS significantly reduced sediment and TP concentrations, with no significant differences between these two lengths. The COD reduction happened only in the 5 m-length VFS. However, neither of these two lengths of VFS reduced TN concentrations; 3）Yield and quality of switchgrass in the VFS were better than those of field-grown switchgrass. In the VFS, switchgrass closer to the runoff entrance yielded higher biomass. The dry matter yield, protein yield and starch yield of switchgrass were respectively 29%, 53%, and 23% higher in the VFS than in the fields. The present results indicated that switchgrass in VFS utilized soil and water resources efficiently and would have promising applications in the Loess Plateau area.

Keywords：simulated rainfall experiment; switchgrass Vegetative Filter Strip（VFS）; purification effect; yield and quality promotion

*通信作者：高建恩E-mail：gaojianen@126.com

作者簡(jiǎn)介：孫彭成（1993—），男，碩士研究生，主要從事水土資源高效利用研究。E-mail：sunpech@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃（2011BAD31B05）；國(guó)家自然科學(xué)基金（41371276，51309194）；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項(xiàng)目（2013KTDZ03-03-01）；中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所知識(shí)創(chuàng)新工程專項(xiàng)（水土保持工程，A315021304）

收稿日期：2015-08-05

中圖分類號(hào)：X53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-2043（2016）02-0314-08

doi:10.11654/jaes.2016.02.015