張子喆，劉偉，周曉林，周馳譽(yù)，邵莉，孫炳香，徐瑤，楊林軍

(1.東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210018；2.江蘇省水利科教中心，江蘇 南京 210096)

農(nóng)業(yè)面源污染正嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境和水資源[1-2]。因此，控制農(nóng)田徑流流失和養(yǎng)分流失已成為改善中小河流水質(zhì)的技術(shù)關(guān)鍵。植被過(guò)濾帶通常被用作管理農(nóng)業(yè)地區(qū)面源污染的重要手段之一[3-4]，主要是因?yàn)樗鼈兺ǔＮ挥谵r(nóng)田與近鄰水體之間，能夠以削減、吸附、吸收等方式減少地表徑流中污染物向鄰近水體的輸送[5-8]。本研究采用南方丘陵區(qū)域本地常見(jiàn)草本植物黑麥草和麥冬草構(gòu)建草被過(guò)濾帶，并通過(guò)模擬徑流沖刷實(shí)驗(yàn)，量化分析了植被類型、初始土壤含水率、入流流量、入流濃度等4個(gè)因素對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染物削減效果的影響，旨為植被過(guò)濾帶的應(yīng)用提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

模擬徑流實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1，由模擬徑流輸入部分、土槽部分組成。模擬徑流輸入部分包括用于供水的帶攪拌裝置的PE桶、清水桶和用于控制模擬徑流入流流量的蠕動(dòng)泵。整個(gè)土槽由有機(jī)玻璃制成，土槽前端設(shè)置布水槽來(lái)保障入流均勻分布。土槽中間區(qū)域?yàn)槟M植被過(guò)濾帶部分，其長(zhǎng)寬高分別為120 cm，30 cm，10 cm，并填入10 cm深的砂壤土(黏粒14%，粉粒 39%，砂粒 47%)，裝填容重為 1.26 g/cm3。土槽右側(cè)設(shè)有出流口，用于模擬自然條件下邊坡入滲水出流。土槽末端設(shè)有集水槽，用于收集地表徑流水樣。土槽置于坡度為 2.5°的可調(diào)節(jié)金屬支架上，以模擬土坡坡度。

圖1 模擬徑流實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Runoff experiment system

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)共設(shè)三個(gè)土槽，其設(shè)置如下：1#裸地、2#黑麥草過(guò)濾帶、3#麥冬草過(guò)濾帶，于4月分別在2#土槽內(nèi)進(jìn)行撒播南方地區(qū)常見(jiàn)護(hù)坡草種黑麥草，播種密度分別為20 g/m2；3#土槽內(nèi)栽種南方地區(qū)本地常見(jiàn)草被麥冬草苗，種植密度為80棵/m2。模擬徑流沖刷實(shí)驗(yàn)于2021年7月進(jìn)行，此時(shí)2#黑麥草過(guò)濾帶覆蓋度為90%，3#麥冬草過(guò)濾帶覆蓋度為80%。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前取一定量泥沙、磷酸二氫鉀、硝酸鉀與自來(lái)水加入攪拌桶中配制一定濃度的地表徑流模擬液，并采集濾帶土樣帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)量土壤含水率。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施條件，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不同濃度和不同流量，通過(guò)調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵來(lái)調(diào)節(jié)流量，當(dāng)有地表徑流出流時(shí)，使用PP樣品瓶在入口和出口開(kāi)始采樣，每次取水樣250 mL，每次采樣間隔5 min，每次模擬徑流沖刷實(shí)驗(yàn)持續(xù)60 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將入流切換至清水并持續(xù)30 min，避免削減在濾帶表面的污染物對(duì)下次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。所采實(shí)驗(yàn)樣品采用重量法測(cè)量樣品中的懸浮固體顆粒(SS)；使用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)量樣品中的總氮(TN)；鉬酸銨分光光度法測(cè)量總磷(TP)含量。樣品經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后使用與TN、TP相同測(cè)試方法測(cè)量樣品中溶解態(tài)氮(DN)和溶解態(tài)磷(DP)，顆粒態(tài)氮和顆粒態(tài)磷分別由TN、DN和TP、DP差值求得。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design

1.3 數(shù)據(jù)處理

植被的存在不僅能夠削減徑流中的污染物，密集的根莖還能滯緩水流，增加入滲，從而使流入水體的污染物負(fù)荷減少。因此使用污染物濃度削減率和負(fù)荷削減率來(lái)評(píng)價(jià)植被過(guò)濾帶對(duì)徑流、懸浮物和氮磷的削減效果，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)～式(3)[9]。

(1)

(2)

(3)

式中Rw——徑流削減效率，%；

Rc——污染物濃度削減效率，%；

Rm——污染物負(fù)荷削減效率，%；

Cin——徑流入流污染物濃度，mg/L；

Cout——徑流出流污染物濃度，mg/L；

Vin——徑流入流量，L/min；

Vout——徑流出流量，L/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 植被條件對(duì)污染物削減效果的影響

由表2可知，與裸地相比，植被覆蓋明顯增加了濾帶對(duì)污染物的攔截能力，經(jīng)計(jì)算，兩種植被過(guò)濾帶對(duì)SS、DN、PN、DP、PP的平均濃度削減效率比裸地增加了57.51%，17.33%、56.1%，7.71%，59.17%。植被覆蓋對(duì)顆粒態(tài)污染物(SS、PN、PP)削減效果的作用尤為明顯，其次是溶解態(tài)污染物。其原因是：徑流中SS、PN、PP的物理化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，主要通過(guò)沉積的方式滯留。密集的植被莖稈可以提高地表阻力系數(shù)，降低地表徑流遷移動(dòng)力，減緩徑流流速，而且密集的根莖可以使徑流流經(jīng)濾帶時(shí)形成局部集中流，從而有利于顆粒物沉降。而溶解態(tài)污染物如DN、DP主要通過(guò)植物吸收及土壤顆粒吸附去除，效率相對(duì)較低[10]。此外，植被的存在還增加了入滲，不僅有利于顆粒態(tài)污染物在入滲過(guò)程中沉積，溶解態(tài)污染物在入滲過(guò)程中會(huì)被土壤和植被根系吸附和吸收，提高了污染物負(fù)荷削減效率。另外，由表2還可知，黑麥草過(guò)濾帶和麥冬草過(guò)濾帶對(duì)徑流的削減效率分別為50.93%和47.41%，明顯高于裸地狀態(tài)下的25.93%；其原因是：一方面，植被覆蓋增加了地表曼寧粗糙系數(shù)進(jìn)而增加了水力停留時(shí)間；另一方面植被根系的穿插作用能夠改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)增大土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)而提高入滲速率[11]。

表2 不同植被條件對(duì)污染物的削減效果Table 2 Removal efficiency of pollution by VFS under various vegetation cover

由圖2可知，植被類型對(duì)污染物的削減效果影響并不顯著。黑麥草過(guò)濾帶對(duì)SS、DN、PN、DP、PP的負(fù)荷削減效率分別為 90.82%，60.18%，86.24%，59.37%，88.80%；麥冬草過(guò)濾帶對(duì)SS、DN、PN、DP、PP的負(fù)荷削減效率分別為 89.38%，59.77%，82.67%，57.67%，81.57%。對(duì)于顆粒態(tài)污染物，黑麥草過(guò)濾帶對(duì)SS、PN、PP的濃度削減效率略高于麥冬草過(guò)濾帶，該現(xiàn)象是黑麥草和麥冬草雖然都是叢生根莖可分蘗草被，但黑麥草生長(zhǎng)周期短且種植密度大，實(shí)驗(yàn)時(shí)黑麥草過(guò)濾帶地表覆蓋度為90%，大于麥冬草80%的地表覆蓋度，黑麥草過(guò)濾帶的根莖密度更大。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了根莖攔截是徑流顆粒態(tài)污染物的主要攔截方式。而對(duì)于徑流中溶解態(tài)污染物，麥冬草過(guò)濾帶對(duì)DP、DN的濃度削減效果高于黑麥草過(guò)濾帶，DN的濃度削減效率大于DP。其主要原因，一方面是由于DP和DN的削減方式不同，DP主要通過(guò)土壤顆粒吸附，而DN的攔截主要通過(guò)植物吸收；另一方面是由于植物生長(zhǎng)狀態(tài)不同，實(shí)驗(yàn)于7～8月進(jìn)行，南京溫度較高，黑麥草分蘗時(shí)受溫度影響生長(zhǎng)遭到抑制，對(duì)DP、DN的吸收能力減弱且部分莖葉枯黃，而麥冬草正處于根莖分蘗和根塊膨大期，對(duì)DN、DP的吸收能力較強(qiáng)[12]。

圖2 不同植被條件對(duì)污染物的削減效果Fig.2 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various vegetation cover a.污染物濃度削減效率；b.污染物負(fù)荷削減效率

基于上述分析，在植被類型的選擇上，可以根據(jù)實(shí)際需求，選擇生長(zhǎng)于本地，生長(zhǎng)周期合適，根系發(fā)達(dá)，覆蓋度高，對(duì)氮磷吸收能力強(qiáng)的草本植被。

2.2 土壤初始含水率對(duì)污染物削減效果的影響

由于各地區(qū)植被覆蓋度和降雨條件不同，其土壤初始含水率往往不同，而土壤的干濕程度會(huì)對(duì)徑流的入滲速率和出流產(chǎn)生影響進(jìn)而影響污染物的削減效果。因此需要考慮土壤初始含水率的影響。在進(jìn)行模擬地表徑流沖刷實(shí)驗(yàn)前，取表層土壤測(cè)量含水率，在土壤含水率分別為18%(干)和36%(濕)狀態(tài)下對(duì)2#黑麥草、3#麥冬草被過(guò)濾帶進(jìn)行4次實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同初始土壤含水率下兩種植被過(guò)濾對(duì)污染物的削減效果Table 3 Removal efficiency of pollution by the VFSs under different vegetation cover

由表3可知，土壤初始含水率對(duì)徑流削減效果影響顯著，當(dāng)土壤初始含水率為18%時(shí)，2#、3#草被過(guò)濾帶徑流削減率分別為58.33%，61.11%，明顯高于含水率為36%時(shí)的50.93%，47.41%。其原因是地表徑流流經(jīng)低含水率土壤時(shí)入滲速率更高，且低含水率的土壤達(dá)到飽和所需水量更多。

由圖3可知，土壤初始含水率較低時(shí)，污染物負(fù)荷削減效率相對(duì)較高；土壤初始含水率會(huì)對(duì)污染物濃度產(chǎn)生影響。對(duì)于顆粒態(tài)污染物，兩種草被過(guò)濾帶在土壤初始含水率為18%時(shí)SS、PN、PP的濃度削減效率分別為 78.41%，69.84%，71.24%；74.62%，57.26%，77.17%，低于36%時(shí)的 81.3%，71.97%，77.17%；79.8%，67.05%，64.96%，其主要原因可能是初始含水率低的土壤粘結(jié)力比含水率高的土壤小，因此其表面的細(xì)小顆粒相對(duì)較多。對(duì)于溶解態(tài)磷，兩種草被過(guò)濾帶在含水率為18%時(shí)的DP的濃度削減效率分別為20.13%，22.24% 略微高于36%時(shí)的17.21%，19.51%，其原因可能是當(dāng)?shù)乇韽搅髁鹘?jīng)植被過(guò)濾帶時(shí)，磷素會(huì)在靜電力、某些化學(xué)吸附力及范德華力等作用下吸附在土壤顆粒表面沉積下來(lái)[13]。對(duì)于溶解態(tài)氮，土壤含水率的變化對(duì)于DN的削減效果幾乎無(wú)影響，其原因可能是硝態(tài)氮的物理化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，不易于吸附在土壤小顆粒表面形成固體結(jié)合態(tài)氮沉積[14]。

圖3 不同初始土壤含水率下兩種植被 過(guò)濾帶對(duì)污染物的削減效果Fig.3 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various initial soil water content a.污染物濃度削減效率；b.污染物負(fù)荷削減效率

基于上述分析，土壤含水率較低時(shí)雖然有利于徑流削減，但也會(huì)增加植被過(guò)濾帶自身產(chǎn)生的顆粒態(tài)污染物，降低對(duì)污染物的削減效率，在流速較高時(shí)甚至?xí)纬啥挝廴?。在?shí)際的農(nóng)業(yè)面源污染控制中，需結(jié)合當(dāng)?shù)氐闹脖桓采w度和降雨條件來(lái)判斷土壤初始含水率的大小。

2.3 入流濃度對(duì)污染物削減效果的影響

結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施條件在小流量(0.9 L/min)、土壤初始含水率為36%下，設(shè)置了高、中、低三種進(jìn)水濃度(具體污染物濃度見(jiàn)表1)，在2#黑麥草過(guò)濾帶和3#麥冬草過(guò)濾帶上進(jìn)行6次模擬徑流沖刷實(shí)驗(yàn)(處理為2、4、5、3、6、7)，6種處理污染物削減效果見(jiàn)表4。

由表4及圖4可知，入流污染物濃度會(huì)對(duì)凈化效果產(chǎn)生影響，兩種草被過(guò)濾帶對(duì)污染物負(fù)荷削減效果均隨濃度增大而減小，說(shuō)明當(dāng)濃度增大時(shí)，污染物流失量也會(huì)增大。入流濃度變化時(shí)DN削減效率的變化最為顯著，入流濃度從7.77～8.73 mg/L增加到17.67～18.95 mg/L時(shí)，2#黑麥草過(guò)濾帶的DN濃度削減效率從18.85%降至5.08%，3#麥冬草過(guò)濾帶的DN濃度削減效率從23.50%降至12.77%；當(dāng)入流濃度為12.15 mg/L時(shí)麥冬草過(guò)濾帶對(duì)DN濃度削減效率最大，而黑麥草過(guò)濾帶則隨入流中DN濃度增大，說(shuō)明麥冬草過(guò)濾帶能承受從低濃度至中濃度DN濃度變化。相比較于DN，入流濃度對(duì)DP削減效率影響較小，當(dāng)入流DP濃度為0.69～0.72 mg/L 時(shí)，兩種草被過(guò)濾帶的DP濃度削減效率最高。其原因是對(duì)于溶解態(tài)氮磷，植被對(duì)氮磷的吸收能力和土壤對(duì)氮磷的吸附特性是其去除的主要影響因素，麥冬草對(duì)氮素的吸收能力大于黑麥草，而兩種草被對(duì)磷素的吸收無(wú)顯著差異。此外，土壤中可溶性氮磷的解析作用也會(huì)對(duì)削減效果產(chǎn)生影響，當(dāng)入流濃度較小時(shí)，溶解性氮磷出流濃度會(huì)高于入流濃度，導(dǎo)致削減效率為負(fù)值[15]。

表4 不同濃度下兩種植被過(guò)濾帶對(duì)污染物削減效果Table 4 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various inflow concentrations

入流濃度會(huì)對(duì)SS、PN、PP削減效果產(chǎn)生影響，由表4可知，入流濃度從低濃度增大至高濃度時(shí)，2#過(guò)濾帶SS、PN、PP濃度削減效率分別從81.30%降至76.89%、71.97%降至64.87%、77.17%降至 69.34%；3#過(guò)濾帶SS、PN、PP濃度削減效率分別從79.8%降至68.89%、67.05%降至 61.84%、64.96% 降至60.49%。其主要原因是顆粒態(tài)污染物主要通過(guò)沉積的方式去除，當(dāng)徑流中的細(xì)顆粒物流經(jīng)濾帶時(shí)會(huì)堵塞孔隙，從而降低顆粒態(tài)污染物削減效率，入流濃度增加即負(fù)荷增大會(huì)加劇堵塞，尤其是在長(zhǎng)期運(yùn)行的情況下會(huì)使得植被過(guò)濾帶對(duì)顆粒態(tài)污染物削減效果減小。

圖4 不同濃度下兩種植被過(guò)濾帶對(duì)污染物削減效果Fig.4 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various inflow concentrations a、b.黑麥草過(guò)濾帶；c、d.麥冬草過(guò)濾帶

2.4 入流流量對(duì)污染物削減效果的影響

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施條件，分別在2#黑麥草過(guò)濾帶和3#麥冬草過(guò)濾帶設(shè)計(jì)3種入流流量(0.9，1.2，1.5 L/min)共計(jì)6種不同處理下進(jìn)行模擬徑流沖刷實(shí)驗(yàn)(處理為2、8、9、3、10、11)，其對(duì)污染物的削減效果見(jiàn)表5。

由表5及圖5可知，入流流量變化時(shí)，2#黑麥草過(guò)濾帶和3#麥冬草過(guò)濾帶對(duì)徑流中SS、PN、PP的濃度和負(fù)荷削減率均有顯著變化。當(dāng)入流流量從 0.9 L/min 增加到1.5 L/min時(shí)，2#植被過(guò)濾帶對(duì)SS、PN、PP的濃度削減效率分別從81.3%降至 64.37%、71.97% 降至 56.33%、77.17%降至 54.21%；對(duì)SS、PN、PP的負(fù)荷削減效率從90.82%降至75.06%、從86.24%降至69.43%、從88.80%降至67.95%。入流流量越大，顆粒態(tài)污染物削減效果越差。該主要原因是入流流量或流速增大導(dǎo)致顆粒態(tài)污染物的停留時(shí)間變短，入滲水量變小，顆粒態(tài)污染物難以沉降。此外，入流流量增大時(shí)，徑流對(duì)地表沖刷作用更強(qiáng)，從而徑流攜沙能力變大，進(jìn)而地表徑流出流中顆粒態(tài)污染物濃度增大，最終導(dǎo)致污染物削減效果變差。鄧娜等[16]得出的入流流量越小，植被過(guò)濾帶凈化效果越顯著，與本文結(jié)果相同。

表5 不同入流流量下兩種植被過(guò)濾帶對(duì)污染物削減效果Table 5 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various inflow discharges

由圖5可知，不同入流流量下，兩種植被過(guò)濾帶對(duì)徑流中DN、DP濃度削減效率的變化不顯著。其原因可能是相較于其他文獻(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的入流流量范圍較小。

圖5 不同入流流量下兩種植被 過(guò)濾帶對(duì)污染物削減效果Fig.5 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various inflow discharges a、b.黑麥草過(guò)濾帶；c、d.麥冬草過(guò)濾帶

由以上分析可知，入流流量對(duì)顆粒態(tài)和溶解態(tài)污染物的削減效果有顯著影響，入流流量越小(水力負(fù)荷)，污染物削減效果越好。水力負(fù)荷變小等同于污染物植被過(guò)濾帶面積變大，在設(shè)計(jì)過(guò)濾帶時(shí)因充分考慮污染源區(qū)面積，對(duì)不同降雨事件下的產(chǎn)流進(jìn)行量化分析并結(jié)合土地利用方式得到最佳設(shè)計(jì)方式。此外，草本植物相對(duì)于灌木、樹(shù)木較矮，當(dāng)入流流量過(guò)大時(shí)，草被過(guò)濾帶內(nèi)會(huì)形成淹沒(méi)流從而導(dǎo)致過(guò)濾帶削減效果變差[17]。因此在實(shí)際布置時(shí)還應(yīng)充分考慮植被的生長(zhǎng)周期和自身高度。

3 結(jié)論

本文通過(guò)室外地表徑流模擬液沖刷實(shí)驗(yàn)，研究了不同條件下植被過(guò)濾帶對(duì)徑流中農(nóng)業(yè)面源污染物的削減效果，可得出以下結(jié)論。

(1)與裸地相比較，草被過(guò)濾帶凈化效果顯著；黑麥草和麥冬草過(guò)濾帶削減污染物效果顯著差異，黑麥草過(guò)濾帶對(duì)顆粒態(tài)污染物削減效果更好，麥冬草過(guò)濾帶對(duì)溶解態(tài)污染物削減效果更好。

(2)較低的土壤初始含水率有利于減少流于鄰近水體的污染物負(fù)荷，土壤初始含水率對(duì)徑流削減效果的影響尤為明顯，含水率較低(18%)時(shí)，徑流削減率達(dá)61.11%。

(3)入流濃度增大即污染物負(fù)荷增大時(shí)，污染物凈化效果變差，負(fù)荷削減效率降低，污染物流失增大。入流濃度對(duì)污染物凈化效果的影響與污染物性質(zhì)有關(guān)，入流濃度對(duì)DN的影響最為顯著，其次是顆粒態(tài)污染物。

(4)入流流量是影響污染物削減效果的重要因素，較小的入流流量有利于污染物削減，入流流量對(duì)地表徑流的截留效果及顆粒態(tài)污染物的凈化效果的影響尤為明顯；入流流量對(duì)溶解態(tài)污染物無(wú)明顯影響。

通過(guò)沖刷實(shí)驗(yàn)研究了黑麥草和麥冬草兩種過(guò)濾帶在不同處理下對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染物的削減效果，為南京等南方丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染控制提供了理論依據(jù)；未來(lái)還應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)室和野外進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)，研究植被過(guò)濾帶在長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染物的削減效果。