不同草本緩沖帶對徑流污染物滯留效益及其最佳寬度研究

摘要:為營建河岸緩沖帶提供依據，研究了冰草、高羊茅、披堿草、紫花苜蓿4種草皮緩沖帶對滲流水中總氮、總磷的凈化效果。結果表明，4種緩沖帶對總氮的平均去除率在60%以上，冰草緩沖帶的全程TN削減量最高，紫花苜蓿緩沖帶的全程TN削減量最低，相差9.8個百分點。4種緩沖帶對總磷的平均去除率達79.31%， 高羊茅緩沖帶對TP的削減率最高，紫花苜蓿最低，相差13.56個百分點。通過數據擬合的方法計算當總氮去除率達50%時，4種草皮緩沖帶所需的最佳寬度，計算結果分別為冰草緩沖帶7.17 m， 高羊茅緩沖帶8.08 m， 披堿草緩沖帶6.89 m， 紫花苜蓿緩沖帶8.84 m。

關鍵詞:草皮緩沖帶;面源污染;最佳寬度;滲流

中圖分類號:X522文獻標識碼:A DOI編碼:10.3969/j.issn.1006-6500.2010.03.038

Effects of Different Grass and Width of Riparian Buffer Strips on Runoff Purification

SU Tian-yang1， LI Lin-ying2， YAO Yan-tao3

(1.Graduate School， Shanxi Agricultural University， Taigu， Shanxi 030801， China; 2.Shanxi Academy of Forestry Science， Taiyuan， Shanxi 030012， China; 3.Forestry College， Shanxi Agricultural University， Taigu， Shanxi 030801， China)

Abstract:Field test data collected were employed to compare the effectiveness of four sward riparian buffer zones for reduction of nutrients in the leachate . Results showed that an average TN removal rate of the four sward buffer zones was over 60%. Agropyron was the best responsible for 69.91% TN reduction. Alfalfa was the worst responsible for 60.11% TN reduction. the four sward buffer zones achieved an average TP removal of 79.31%. Festuca was the best responsible for 84.87% TP reduction. Alfalfa was the worst responsible for 71.31% TP reduction. Field test data collected over the 5-month period in 2009 were employed to estimate the buffer zone width for achieving 50%TN reduction. Results showed that Agropyron riparian buffer zone was 7.17 m; Festuca riparian buffer zone 8.08 m; Elymus riparian buffer zone 6.89 m; Alfalfa riparian buffer zone 8.84 m.

Key words: sward buffer; non-point pollution; optimal width; leachate

隨著中國經濟的發展，對環境的破壞日益嚴重，環境保護的力度也越來越大。水體污染導致水生生態系統的破壞和水生生物多樣性下降，對人們的健康構成了嚴重的威脅。隨著點源污染的逐步有效控制，農業非點源污染對水環境的污染越來越嚴重。在農業生產過程中，由于降雨等因素導致養分、農藥流入河道造成污染。在最大限度降低其產生量的前提下，如何減少其入河量，是解決農業非點源污染問題的熱點之一[1，2]。河岸緩沖帶作為高地和水體之間的過渡帶，在控制氮，磷等面源污染物輸入方面發揮著重要作用，是河溪健康維護研究的重點[3，4]。本試驗主要研究不同草本緩沖帶對水質改善程度的差異，評析草本品種對滯留效益的影響;同時還嘗試以數據擬合的方法確定緩沖帶的最佳寬度，以期為山西嵐縣及全國各類似地區河岸緩沖帶的研究和營建提供借鑒。

1材料和方法

1.1試驗基地概況

試驗基地位于山西嵐縣嵐漪河，位于東經110°52′～111°53′，北緯38°12′～38°55′，海拔2 222 m，屬于大陸性半干旱氣候。年平均降水量524.10 mm。流域內上游高寒微濕，無霜期120 d，年均氣溫4～6 ℃，下游無霜期150～180 d，年均氣溫8.4 ℃。

1.2植被選擇

通過資料調研，選擇4種常見的適合于當地環境的冰草、高羊茅、披堿草、紫花苜蓿為草本緩沖帶進行試驗。冰草、高羊茅、披堿草播種量為4 g/m2， 紫花苜蓿5 g/m2。

1.3試驗條帶設計

對嵐漪河一側坡岸進行適當改造，構建坡度為3%的4條緩沖帶，每條帶長20 m，寬2 m，每兩個條帶之間用防滲薄膜隔開，防止相互干擾。每條試驗帶沿程居中布設8個采樣點，離進水端距離分別為2，5，7，9，12，14，16，19 m，同步采集滲流水樣。滲流水通過取樣管采集，取樣管為U—PVC管，直徑100 mm，埋深80 cm，管壁周圍開直徑5 mm孔，管周邊填充礫石 [5]。

1.4試驗方法

根據嵐縣地區農田面源污染物特征，人工配制徑流污水，模擬降雨徑流。

(1) 降雨量為40 mm，降雨歷時均為50~60 min。

(2) 污水配制，采用碳酸氫銨、過磷酸鈣配制污水，模擬面源污染中的氮、磷[6]。

(3) 監測方法，現場試驗從2009年6月開始每個月1次，連續5次。檢測滲流水中總氮(TN)和總磷(TP)的變化。

2結果與分析

2.1滲流水TN濃度變化及去除效果

4種草皮緩沖帶對TN的削減率如圖1所示。由圖可知，緩沖帶前9 m對TN的滯留效果顯著，冰草緩沖帶、高羊茅緩沖帶、披堿草緩沖帶和紫花苜蓿緩沖帶對TN的削減量分別為60.33%，56.11%，57.58%，53.66%，削減量均達到50%以上，其中，冰草緩沖帶削減效果明顯，達到60%以上。9 m后的削減效果趨于平緩。從末端滲流水中TN的平均濃度看，冰草緩沖帶、高羊茅緩沖帶、披堿草緩沖帶和紫花苜蓿緩沖帶分別為3.74 mg/L，4.44 mg/L，4.49 mg/L，5.12 mg/L，全程削減率分別為69.91%，65.45%，64.53%，60.11%，平均削減率均達到60%以上。冰草緩沖帶的全程TN削減率最高，紫花苜蓿緩沖帶削減率最低，差值達9.8個百分點。

2.2滲流水TP濃度變化及去除效果

4種草皮緩沖帶對TP的削減率如圖2所示。由圖可知，各種草皮緩沖帶前12 m對TP的削減效果明顯，12 m至緩沖帶末端削減效果趨于平緩。從末端滲出的TP濃度看，冰草緩沖帶為0.21 mg/L，高羊茅緩沖帶為0.18 mg/L，披堿草緩沖帶為0.24 mg/L，紫花苜蓿緩沖帶為0.33 mg/L，削減率分別為81.58%，84.87%，79.47%，71.31%，平均削減率為79.31%。全程高羊茅緩沖帶對TP的削減率最高，紫花苜蓿最低，差值為13.56個百分點。

2.3緩沖帶最佳寬度的確定

根據相關研究可知，草皮緩沖帶的寬度與陸域面源污染物的截留效果呈正相關，但由于受土地資源的限制，草皮緩沖帶的寬度不能過大[7]。關于緩沖帶最佳寬度的確定一直是緩沖帶研究的難點，這里嘗試以4種草皮緩沖帶為唯一變量，確定當入水TN濃度為12.0~13.0 mg/L，坡度為3%，對滲流水中的TN濃度去除率達50%時，草皮帶所需的最短寬度。

3討論

緩沖帶通過在其上種植的濃密草皮層，能有效滯緩徑流，沉降、截留和吸附徑流中的各類污

染物質[8-10]。緩沖帶的營建方式多種多樣，草本只是緩沖帶組成成分之一，較為成熟的緩沖帶還包括灌木和小喬木，不同植物對面源污染物的凈化效果不盡相同。試驗所選用的4種草本均為目前較為主流的緩沖帶營建草本，對徑流污染物的凈化效果雖有差異，但整體效果均很理想。本試驗設計的4種緩沖帶對TN的平均去除率可達60%以上，對TP的平均去除率更為理想，可達79.31%。究其原因，緩沖帶本身對面源污染的滯留有著多方面的協同作用，一方面緩沖帶植物的地上部分對面源污染物有一定的物理滯留能力，被滯留污染物中的一部分可被地上部分吸收;另一方面，緩沖帶植被的存在改變了土壤的理化性質，使其對面源污染物的滯留效果提高; 還有，緩沖帶植被的根系本身就對N、P有著較強的吸收能力，對滲流水中N、P的滯留有著十分重要的作用。

關于緩沖帶最佳寬度的確定需要考慮的很多因素的影響，徑流中污染物濃度的大小、緩沖帶坡度、植被類型等都對最佳寬度的確定有著重要的影響，這里探討性的使用TN去除率數據擬合的方法得出去除TN達50%時草皮緩沖帶所需的最佳的寬度，4種緩沖帶所需的寬度分別為冰草緩沖帶7.17 m、高羊茅緩沖帶8.08 m、披堿草緩沖帶6.89 m、紫花苜蓿緩沖帶8.84 m(表1)。4條擬合曲線和各自數據的相關性(R2)均在0.9以上，顯著相關(圖3~6)。此方法同樣適用于確定TP去除率達到某一確定值時緩沖帶的最佳寬度。

本次試驗是在山西嵐縣嵐漪河流域以人工模擬降雨的方式得出的數據，而實際條件下降雨量、季節變化引起的草皮生長變化等情況都會影響草皮緩沖帶面源污染的防治效果。因此，需要開展長期深人的研究，以確定不同條件下的相關結論。

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