魏忠平 ，朱永樂(lè) ，湯家喜 ，劉 麗 ，張 瑩 ，高英旭

（1.遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，沈陽(yáng)110032；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.沈陽(yáng)市環(huán)境技術(shù)評(píng)估中心，沈陽(yáng) 110032；4.沈陽(yáng)海關(guān)技術(shù)中心，沈陽(yáng) 110032）

伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)水資源造成的污染也越來(lái)越嚴(yán)重。例如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等生產(chǎn)都會(huì)產(chǎn)生大量的污廢水，并排入到河流、湖泊等自然水體中會(huì)對(duì)水質(zhì)造成不同程度的污染，其中氮、磷等元素流入水體會(huì)加劇水體富營(yíng)養(yǎng)化程度[1-2]。當(dāng)前點(diǎn)源污染已經(jīng)得到了很大程度的控制，而面源污染由于排污點(diǎn)源分散，排放時(shí)間不連續(xù)、排放范圍廣泛等特點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)今水污染修復(fù)領(lǐng)域所要解決的重點(diǎn)問(wèn)題[3-4]。河岸植被緩沖帶能控制水土流失、阻截污染物進(jìn)入河流，不同類型的河岸植被緩沖帶對(duì)地表徑流中農(nóng)業(yè)面源污染有不同效率的阻截效果[5-10]。1～6m寬的河岸植被過(guò)濾帶可以阻截19.4%～42.9%來(lái)自地表徑流的總氮[10]。BLANCO-CANQUI等[11]研究發(fā)現(xiàn)，植物籬可有效截留來(lái)自農(nóng)田地表徑流中的氮和磷，有機(jī)氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和磷酸鹽的截留效率分別為55%、27%、19%和37%。植被緩沖帶對(duì)農(nóng)業(yè)徑流中污染物的截留效率受諸多因素影響，包括植被類型、緩沖帶寬度、坡度以及水文地質(zhì)條件等[12]。DILLAHA等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在坡度11%的坡面上4.6m寬的植被過(guò)濾帶可阻截73%的來(lái)自農(nóng)田地表徑流的磷素；而坡度為16%相同寬度的植被過(guò)濾帶對(duì)磷素的截留僅為49%。RAHMANA等[14]研究還發(fā)現(xiàn)，植被緩沖帶土壤pH值的變化可影響溶解態(tài)氮素的遷移過(guò)程。綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植被緩沖帶截留阻控地表徑流中農(nóng)業(yè)面源污染的效果進(jìn)行了較多的研究，但對(duì)地下滲流水體中面源污染物截留效果則研究較少，而關(guān)于遼河流域河岸植被緩沖帶的研究少見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究以遼河流域上游河道兩岸土壤為模擬黑麥草植被緩沖帶，通過(guò)室內(nèi)模擬徑流和降雨試驗(yàn)，研究其對(duì)地表徑流及滲流中氮、磷及懸浮顆粒物等污染物濃度的影響，分析其截留、阻控的作用機(jī)制，以期為遼河流域河岸帶管理和水體保護(hù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試土壤于2016年5月采自鐵嶺市銀州區(qū)雙安橋東側(cè)遼河河岸植被緩沖帶內(nèi)，采樣深度0～50cm，土樣經(jīng)自然風(fēng)干、磨細(xì)過(guò)20目篩后，備用，土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。試驗(yàn)裝置采用自制有機(jī)玻璃箱（圖1），長(zhǎng)120cm、寬80cm、深60cm，箱體可進(jìn)行0～45°的坡度調(diào)節(jié)，本試驗(yàn)坡度設(shè)計(jì)為5%。箱體底部均勻布設(shè)透水孔，以模擬自然情況土壤底層入滲排水。箱體一側(cè)頂端設(shè)有供水管，連接流量計(jì)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)控制水泵抽水流量進(jìn)行模擬徑流入水。水流通過(guò)徑流擴(kuò)散板流入箱體，保證徑流穩(wěn)定均勻的進(jìn)入植被緩沖帶。箱體另一側(cè)隨不同深度設(shè)有出水口，縱向交叉布設(shè)，出水口分別連接3根直徑約2cm PVC管，長(zhǎng)度與箱體長(zhǎng)度相同，且管壁上周留有微孔，用無(wú)紡布包裹，埋入箱體土壤中，用于收集滲流樣品。將過(guò)20目石英砂填入玻璃箱內(nèi)，厚度為10cm，后將供試土壤以5cm厚度分層填入玻璃箱，土層順序與采集土壤深度保持一致。每層土壤用木棒壓實(shí)，保證層間良好結(jié)合，控制土壤干容重約為1.40g·cm-3。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Figure 1 Schematic diagram of experimental set-up

表1 供試土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil characteristics of vegetative filter strips

試驗(yàn)于2016年5～8月在遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境工程實(shí)訓(xùn)中心進(jìn)行。5月下旬在玻璃箱中種植黑麥草（Lolium perenne L.）模擬植被緩沖帶，帶長(zhǎng)100cm、寬80cm，種植密度為15g·m-2。黑麥草是一種多年生禾本科牧草，稈高30～90cm，喜溫和濕潤(rùn)氣候，光照強(qiáng)、日照短、溫度較低有利分蘗。在年降水量500～1500mm地方均可生長(zhǎng)。具有的特點(diǎn)為：（1）成活率高，對(duì)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)力，能夠在季節(jié)性積水中存活，并且具有一定的抗旱能力，可在北方氣候條件下生長(zhǎng)；（2）生物量大，吸收氮、磷污染物能力強(qiáng)；（3）根系較發(fā)達(dá)，能夠有效保護(hù)河岸帶，防治河岸被侵蝕；（4）具有一定的景觀價(jià)值。

使用碳酸氫銨（NH4HCO3）和過(guò)磷酸鈣[Ca（H2PO4）2·H2O·CaSO4]與自來(lái)水配置含氮磷模擬徑流，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。模擬降雨仍使用自來(lái)水。設(shè)計(jì)不同徑流量及降雨強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，模擬徑流（R1、R2、R3）與模擬降雨（P1、P2、P3）試驗(yàn)在同一組黑麥草緩沖帶內(nèi)交替進(jìn)行，每周1次，3次循環(huán)，共計(jì)6組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)設(shè)3個(gè)重復(fù)，并設(shè)置無(wú)植物緩沖帶作為空白對(duì)照（CK）。模擬徑流試驗(yàn)開(kāi)始前，將供水池中已配置好的污水?dāng)嚢杈鶆?，利用水泵將水抽出，通過(guò)流量計(jì)控制出水流量大小，經(jīng)徑流擴(kuò)散板穩(wěn)定均勻流入黑麥草植被緩沖帶。當(dāng)徑流產(chǎn)生時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，待坡面徑流平穩(wěn)后，測(cè)量徑流流速，一次模擬徑流試驗(yàn)歷時(shí)50min。人工降雨裝置采用下噴式降雨系統(tǒng)[15]，降雨高度4m。試驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)降雨均勻度反復(fù)率定至85%以上，降雨強(qiáng)度誤差控制在5%以內(nèi)。模擬降雨產(chǎn)生地表徑流時(shí)，同時(shí)以一定流量輸入徑流水體并開(kāi)始計(jì)時(shí)，一次模擬降雨歷時(shí)約30min。各組試驗(yàn)進(jìn)行后，采用PP樣品瓶，分別收集地表徑流（0cm）以及20，30，40 cm深度的滲流樣品，測(cè)定樣品中的氨氮（NH+4-N）、總磷（TP）和溶解性磷（DP）及懸浮顆粒物（SS）含量。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experimental design

1.2 測(cè)定方法

土壤理化性質(zhì)采用 《土壤農(nóng)化分析》（第三版）分析方法進(jìn)行測(cè)定；水樣采用鉬酸銨分光光度法（GB/T 11893-1989）測(cè)定總磷（TP），鉬銻抗分光光度法測(cè)定溶解性磷（DP），納氏試劑分光光度法（GB 7479-87）測(cè)定氨氮（NH4+-N），重量法（GB 11901-89）測(cè)定懸浮顆粒物（SS）[16-18]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

地表徑流和滲流中各形態(tài)氮磷截留效率R計(jì)算為：

式中：R為水中污染物的去除率（%）；C0為流入緩沖帶前徑流中污染物的初始濃度（mg·L-1）；Ci為不同采樣點(diǎn)處徑流中污染物的濃度（mg·L-1）。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)非正態(tài)分布特點(diǎn)，使用SPSS 19.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)做Kruskal-Wallace多重比較和Mann Whitney Wilcoxon U檢驗(yàn)，用Origin7.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑麥草植被緩沖帶對(duì)地表徑流和滲流中NH-N的截留效果

由圖1可知，在模擬徑流和降雨條件下，黑麥草植被緩沖帶對(duì)地表徑流和滲流中NH-N的截留效率均顯著高于裸地，其截留效率均在25%以上。在R1、R2和R3中，黑麥草植被緩沖帶對(duì)地表徑流和滲流的截留效率無(wú)顯著性差異。隨著深度的增加，其截留效率逐漸增大，但差異不顯著（p＞0.05），在40cm處截留效率最大為27.3%；在不同降雨強(qiáng)度P1、P2和P3中，黑麥草植被緩沖帶對(duì)NH-N截留效率均大于26%，但3次試驗(yàn)的截留效率差異不顯著（p＞0.05）。整體上其對(duì)地表徑流和滲流的截留效率與模擬徑流（R1、R2和R3）的變化規(guī)律基本一致。

圖1 黑麥草對(duì)地表徑流和滲流中NH-N的截留效率Figure 1 NH-N retention efficiency of rye grass in surface runoff and underground seepage

2.2 黑麥草植被緩沖帶對(duì)地表徑流和滲流中磷素的截留效果

2.2.1 黑麥草植被緩沖帶對(duì)地表徑流和滲流中TP的截留效率 由圖2可知，6組試驗(yàn)中，黑麥草植被緩沖帶對(duì)TP的截留效率隨著土壤深度的增加而逐漸提高，在R1、R3和P1處理中，其對(duì)TP的截留效率隨深度的變化具有顯著性差異（p＜0.05）。整體上，模擬降雨條件下黑麥草植被緩沖帶對(duì)TP的截留效率顯著高于模擬徑流處理過(guò)程中緩沖帶對(duì)TP的截留效率（p＜0.05）。尤其在P1處理下，緩沖帶對(duì)40cm滲流中TP的截留效率（12.4%）顯著高于R1處理（10.1%）。

圖2 黑麥草對(duì)地表徑流和滲流中TP的截留效率Figure2 TP retention efficiency of rye grass in surface runoff and underground seepage

2.2.2 黑麥草植被緩沖帶對(duì)地表徑流和滲流中DP的截留效率 黑麥草植被緩沖帶對(duì)地表徑流和滲流中DP的截留效率與對(duì)TP的變化規(guī)律相似（圖3）。6組試驗(yàn)中，緩沖帶對(duì)地表徑流和滲流中DP的截留效率無(wú)顯著性差異（p＞0.05）；除P1處理外，不同處理中，隨著滲流深度的增加，其對(duì)DP的截留效率無(wú)顯著性差異（p＞0.05）。在P1處理下，黑麥草植被緩沖帶對(duì)40cm滲流中DP的截留效率（25.0%）顯著高于其他深度滲流樣品，其截留效率大小依次為：地表徑流（20.2%）＜20cm滲流（22.4%）＜30cm滲流（24.3%）＜40cm滲流（25.5%）。

圖3 黑麥草對(duì)地表徑流和滲流中DP的截留效率Figure 3 Retention efficiency of DP in surface runoff and underground seepage

2.3 黑麥草植被緩沖帶對(duì)地表徑流和滲流中SS的截留效果

由圖4可知，6組試驗(yàn)中，黑麥草植被緩沖帶對(duì)SS的截留效率極顯著高于CK（p＜0.01）。在R1、R2與P1、P2處理中，隨著土壤深度的增加其對(duì)滲流中SS的截留效率逐漸提高，且在R1處理中，SS的截留效率隨深度的變化具有顯著性差異（p＜0.05），其對(duì)40 cm處滲流中SS的截留效率最高為27.5%。整體上，模擬降雨條件下黑麥草植被緩沖帶對(duì)SS的截留效率低于模擬徑流處理過(guò)程中緩沖帶對(duì)SS的截留效率。這主要是由于第一次模擬徑流試驗(yàn)可能會(huì)率先沖走大顆粒的泥沙，使R1處理下，緩沖帶對(duì)SS的截留效率普遍偏高，隨后R2和R3處理下，土壤含水量逐漸提高，且SS以細(xì)顆粒為主，其截留效率出現(xiàn)下降趨勢(shì)。另外，模擬降雨條件下，黑麥草植被緩沖帶對(duì)SS的截留效率普遍低于模擬徑流試驗(yàn)。這表明，相同入流流量下，持續(xù)的降雨可使后者徑流量逐漸增大，提高其流速，降低水力停留時(shí)間，使SS的截留效率降低。

圖4 黑麥草對(duì)地表徑流和滲流中SS的截留效率Figure 4 The retention efficiency of SS in surface runoff and underground seepage

3 討論與結(jié)論

有研究表明[19]，地表徑流和滲流中的NH-N可以通過(guò)緩沖帶中植物的吸收、微生物的活動(dòng)以及土壤的吸附作用得以消減。黑麥草具有較發(fā)達(dá)的根系，本試驗(yàn)期間黑麥草根系可達(dá)20～30cm處。植物通過(guò)光合作用產(chǎn)生的氧經(jīng)過(guò)根莖和葉片傳送到底部，擴(kuò)散到周?chē)毖醯耐寥乐?，這將有助于深層土壤下的硝化細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖，使得土壤中的硝化作用增強(qiáng)，有助于對(duì)NH-N的吸收和轉(zhuǎn)化[20]。此外，由于土壤顆粒表面帶有負(fù)電荷，其對(duì)NH-N 有較強(qiáng)的吸附作用[21]。對(duì)比6次模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著土壤深度的不斷增加，黑麥草對(duì)NH-N的截留效率也逐漸呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，第3次模擬降雨條件下（P3），40 cm處滲流的截留效率最大為28%。這可能是由于模擬降雨過(guò)程中產(chǎn)生徑流量較大，植物根系處于淹水狀態(tài)，土壤中含氧量隨著土壤深度的增加而減少，會(huì)促使硝化產(chǎn)物NO發(fā)生反硝化作用，轉(zhuǎn)化成氣態(tài)的N2和N2O。再者，在植物生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中會(huì)釋放出的大量含碳有機(jī)物進(jìn)入根際的底層土壤，使得反硝化細(xì)菌在植物根際大量生長(zhǎng)繁殖、發(fā)生反硝化作用[22]。

植被緩沖帶對(duì)總磷的截留效率與緩沖帶長(zhǎng)度與坡度密切相關(guān)，緩沖帶越寬，地表徑流流經(jīng)的時(shí)間越長(zhǎng)，磷素在緩沖帶停留的時(shí)間也越長(zhǎng)；同時(shí)，坡度越緩，其入滲量較大，緩沖帶對(duì)地表徑流的阻滯作用越強(qiáng)，因此其對(duì)磷素濃度的截留率也越高[23]。也有研究表明[24]，徑流流量越小，其對(duì)徑流及磷的截留效率更高，植被緩沖帶降低了徑流流速，其植被增加了土壤孔隙度從而提高了入滲率，進(jìn)而截留、阻控氮磷等污染物。當(dāng)徑流流量較大時(shí)，徑流流經(jīng)植被緩沖帶用時(shí)變短，徑流中污染物不能充分入滲，因此不能有效得到截留、阻控。本研究黑麥草植被緩沖帶對(duì)地表徑流和滲流中TP的截留效率最高僅為12.4%，與孫東耀等[23]的研究結(jié)果（95.2%）有較大差異。這主要是由于本研究采用小型模擬植被緩沖帶裝置，帶長(zhǎng)僅為1.2m，試驗(yàn)條件與孫東耀等[23]利用現(xiàn)場(chǎng)20m植被緩沖帶的研究對(duì)象有較大差異。同時(shí)本研究的徑流量相對(duì)較低，因此，表現(xiàn)出3次徑流間以及3次模擬降雨間的截留效率差異不顯著。此外，一部分顆粒結(jié)合態(tài)的磷會(huì)被阻滯在土壤的淺層中，未隨水流排出[25]。而且磷素本身不存在氣態(tài)和揮發(fā)，多數(shù)生物化學(xué)交換主要以正磷酸鹽的形式發(fā)生，因此徑流中的TP極易在土壤系統(tǒng)中飽和或被系統(tǒng)土壤所固定[26-27]。

水體中磷素主要以顆粒態(tài)和溶解態(tài)兩種形態(tài)存在，土壤顆粒對(duì)磷素有較強(qiáng)的吸附能力，使其結(jié)合為顆粒態(tài)磷，較易隨徑流流失[28]。黑麥草植被緩沖帶可通過(guò)植物吸收和土壤吸附等作用消減地表徑流和滲流中DP的含量。本研究中緩沖帶對(duì)DP的截留效率顯著高于TP（p＜0.05），這主要是由于試驗(yàn)采用模擬配置氮磷污染徑流，進(jìn)入緩沖帶體系后，DP較易于土壤顆粒吸附為顆粒態(tài)磷，滲流中DP的含量較少。同時(shí)黑麥草表層根系發(fā)達(dá)，根系可改變土壤的結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙度，提高土壤的滲透能力，被緩沖帶截留的磷隨地表徑流滲入土壤中，通過(guò)土壤顆粒吸附、植物根系吸收及微生物活動(dòng)等多重作用得以消減[29]。然而，植被緩沖帶僅將磷素截留阻滯在其植物與土壤體系中，并不能如同氮素一樣經(jīng)反硝化等作用使其在體系中去除。因此，可通過(guò)定期對(duì)緩沖帶內(nèi)植物進(jìn)行收獲管理措施，使磷素徹底去除[21]。在R3和P3處理下，黑麥草植被緩沖帶對(duì)40 cm滲流DP的截留效率較其他深度出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。這可能與植物的根系生長(zhǎng)分布結(jié)構(gòu)有關(guān)，黑麥草作為一種陸生植物，根系易水平生長(zhǎng)導(dǎo)致須根主要分布在淺層土壤中，能夠?qū)Υ嬖谟谕寥溃?～30cm）中的磷進(jìn)行有效的吸收轉(zhuǎn)化[30]。在30cm以內(nèi)的深度范圍內(nèi)，黑麥草對(duì)DP的截留效率隨著土壤深度的增加而呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。當(dāng)深度超出地下30cm的范圍后，根系無(wú)法繼續(xù)深入土壤吸收轉(zhuǎn)化深層中的磷，使得截留效率出現(xiàn)下降趨勢(shì)。另外，此現(xiàn)象與土壤含水量有一定關(guān)系，R3和P3兩次處理徑流量增大，增加了徑流和滲流流速，因此降低了與植被緩沖帶體系的接觸時(shí)間，造成截留效率降低[31]。

徑流中SS的主要物質(zhì)是泥沙，來(lái)源于水體對(duì)土壤的侵蝕轉(zhuǎn)移和沖刷作用。有相關(guān)研究表明[25]，草本植被過(guò)濾帶的地上部分是其截留徑流和泥沙的關(guān)鍵，即植物莖稈密度直接關(guān)系到其攔截徑流和泥沙能力。這與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致，模擬的緩沖帶對(duì)SS的截留效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于CK，植被緩沖帶的存在會(huì)不同程度地降低徑流流速，改變緩沖帶內(nèi)土壤孔隙狀況以及增加入滲率，從而實(shí)現(xiàn)減少水土流失的作用。植被緩沖帶對(duì)氮、磷的阻控仍與截留地表徑流和泥沙相關(guān)，具體為兩方面[32]：（1）植被緩沖帶的存在，可以滯緩徑流、截留泥沙，從而降低徑流搬運(yùn)土壤顆粒的能力，致使一部分顆粒態(tài)氮、磷被截留；（2）徑流中可溶性氮、磷則隨徑流入滲到深層土壤中，從而降低了徑流對(duì)可溶性氮、磷的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。

本研究結(jié)果表明，黑麥草植被緩沖帶可有效截留地表徑流和滲流中NH-N、TP、DP及SS等污染物。隨著滲流取樣深度的增加，黑麥草對(duì)各形態(tài)氮磷及懸浮顆粒物的截留效率逐漸增大，其中對(duì)TP的截留效率變化趨勢(shì)最為明顯。模擬徑流與模擬降雨條件下，其分別對(duì)地表徑流和滲流中TP及SS的截留效率存在顯著性差異，但對(duì)地表徑流和滲流中NH-N及DP的截留效率無(wú)顯著性差異。黑麥草植被緩沖帶主要通過(guò)植物根系吸收、增加土壤入滲能力以及土壤吸附等作用截留、阻控地表徑流和滲流中氮、磷和SS等污染物。