植被過濾帶防治農(nóng)業(yè)面源污染研究進(jìn)展

陶 梅，薩仁娜

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧阜新123000）

農(nóng)業(yè)面源污染也稱為農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染，是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，氮素和磷素等營養(yǎng)物質(zhì)、農(nóng)藥以及其他有機(jī)或無機(jī)污染物質(zhì)，通過農(nóng)田的地表徑流和農(nóng)田滲漏形成的環(huán)境污染[1-2]。農(nóng)業(yè)面源污染是引起水體富營養(yǎng)化的主要原因。據(jù)報(bào)道，我國湖泊50%以上的氮、磷來自于農(nóng)業(yè)面源污染[3]。每年有超過1 500萬t的氮從農(nóng)田中流失并污染地下水，導(dǎo)致湖泊、池塘、河流等水域生態(tài)系統(tǒng)的富營養(yǎng)化[4]。盡管我國已加強(qiáng)了對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的防治，但水體水質(zhì)依然不斷惡化。

農(nóng)業(yè)面源污染的本質(zhì)是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重失調(diào)。生態(tài)工程措施可通過調(diào)控農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)平衡和物質(zhì)流動(dòng)來控制污染物的流失，是目前較為實(shí)用的農(nóng)業(yè)面源污染防治方法[5]。其中，植被過濾帶能去除來自農(nóng)田徑流的污染物，是成本低廉且富有成效的一種生態(tài)工程措施[6-7]。有關(guān)植被過濾帶的研究，國內(nèi)雖然起步較晚，但發(fā)展很快，目前湖濱帶生態(tài)恢復(fù)研究已受到廣泛重視，并從實(shí)驗(yàn)階段轉(zhuǎn)向應(yīng)用階段。

1 植被過濾帶的概念

植被過濾帶也稱為植被緩沖帶，在20世紀(jì)30年代美國就有了規(guī)范的植被過濾帶設(shè)計(jì)和應(yīng)用[8]。它作為陸地與河岸之間的過濾帶，在控制氮磷等面源污染方面發(fā)揮著重要作用[9]，可以通過物理、化學(xué)和生物過程使進(jìn)入水體的懸浮物、氮、磷、除草劑等污染物質(zhì)減少[10]。隨著我國農(nóng)業(yè)面源污染問題的日趨嚴(yán)重，國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了一些植被過濾帶試驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用方面的探索。

2 植被過濾帶的功能

氮磷的大量投入帶來了令人擔(dān)憂的環(huán)境問題。植被過濾帶對(duì)水陸生態(tài)系統(tǒng)的物流、能流、信息流和生物流發(fā)揮著生物廊道、緩沖和屏障作用。其主要功能包括減少農(nóng)業(yè)廢水對(duì)水體的污染、固結(jié)土壤、穩(wěn)固河岸、保護(hù)生物多樣性等。此外，植被過濾帶還具備植被廊道連接功能，能調(diào)節(jié)河溪微氣候及水溫、降低洪水水位、過濾空氣污染物和異味，具有一系列的環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)功能[9，11-13]。

2.1 減少農(nóng)業(yè)廢水對(duì)水體的污染

植被過濾帶可以攔截地表徑流和地下水中的污染物質(zhì)，防止其進(jìn)入河溪湖泊，保護(hù)水質(zhì)清潔。植物的存在可明顯改善土壤理化性質(zhì)，提高其滲透能力[14]。李懷恩等[15]研究表明，10～15 m寬的植被過濾帶對(duì)地表徑流中顆粒態(tài)氮、顆粒態(tài)磷的去除率分別達(dá)到82%，77%。

植被過濾帶可以通過土壤起吸附降解作用，凈化徑流中的化肥、農(nóng)藥，從而防止其直接污染水體[16]。國外學(xué)者研究了植被過濾帶對(duì)徑流中除草劑的去除作用，提出植被過濾帶對(duì)除草劑有稀釋與吸收作用。20 m寬的植被過濾帶可滯留徑流中8%～100%的除草劑[17]。另有研究表明，植被過濾帶可去除100%的阿特拉津和44%～100%的阿特拉津降解產(chǎn)物[18]。

2.2 固結(jié)土壤，穩(wěn)固河岸

河岸侵蝕是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，與水流、泥沙和河岸性質(zhì)有關(guān)。河岸植被通過保護(hù)河岸，覆蓋河谷和河床，從而降低河床中水流速度，減小徑流對(duì)河岸的沖刷[19]。植物根系和土壤結(jié)合后形成生物凝聚力，提高土壤質(zhì)量，從而有效地防止土壤侵蝕和滑坡[20]。泥沙會(huì)對(duì)河溪水質(zhì)及河流生物產(chǎn)生重要影響，而植被過濾帶能夠有效移除地表徑流中的泥沙[21]。研究表明，植被過濾帶通常能夠攔截徑流中80%以上的泥沙[22]。

2.3 保護(hù)生物多樣性

植被過濾帶可為水陸動(dòng)植物提供棲息地及遷徙通道，為水生生物提供能量及食物，從而成為許多魚類、爬蟲類、兩棲類以及一些大型哺乳動(dòng)物生活的場所[23]。植被過濾帶是維持野生動(dòng)物棲息環(huán)境、保持生物多樣性及對(duì)人類和環(huán)境大有益處的重要工具。它可增加棲息地面積，保護(hù)脆弱棲息地，恢復(fù)景觀連通性，提高資源重復(fù)利用的能力，能為河流遮陰并維持水體溫度[24]。例如，在加利福尼亞州，25%的哺乳動(dòng)物、80%的兩棲類和40%的爬蟲類生活在河溪附近的過濾帶中，并且該過濾帶也是140多種鳥類的棲息地[19]。

3 植被過濾帶去除污染物質(zhì)的機(jī)理

植被過濾帶對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的防治，主要是通過滯留徑流中的泥沙及其攜帶的污染物、植被吸收養(yǎng)分，土壤中有機(jī)和無機(jī)成分對(duì)污染物的吸附及土壤微生物對(duì)污染物的降解、轉(zhuǎn)化和固定等途徑來實(shí)現(xiàn)的[25]。植被過濾帶通過多方面的協(xié)同作用，可明顯降低多種污染物的濃度[26]。

植被過濾帶凈化污染物主要包括4個(gè)方面的作用：（1）植被的攔截作用。植被的存在可以降低地表徑流速度，過濾和攔截顆粒態(tài)污染物[27]。（2）土壤及地表枯落物的沉積作用。植被的存在可有效增加土壤有機(jī)質(zhì)，而土壤中有機(jī)質(zhì)的含量是影響營養(yǎng)鹽、除草劑運(yùn)移的主要因素[28]。茂盛的植被還可改善土壤的滲透性，從而增加徑流的入滲[29]。（3）微生物的降解作用[25]。根際微生物通過分解作用削減污染物質(zhì)。（4）植物的吸收同化作用[30]。

除氮機(jī)理：多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，反硝化作用與植物吸收是植被過濾帶去除地表徑流中氮的最主要機(jī)理。在植被過濾帶中，微生物在好養(yǎng)條件下將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，根系微生物將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，硝態(tài)氮在反硝化作用下轉(zhuǎn)化為氮?dú)忉尫诺酱髿庵腥ァ０睉B(tài)氮和硝態(tài)氮也可以被植物根系吸收而成為植物營養(yǎng)成分，被固定在植物體內(nèi)。對(duì)植物進(jìn)行適當(dāng)?shù)呢赘羁蓪⒌匾瞥鲋脖贿^濾帶系統(tǒng)[31-33]。

除磷機(jī)理：植被過濾帶對(duì)磷的去除機(jī)制取決于徑流中磷的形態(tài)。可溶性磷進(jìn)入植被過濾帶主要是被植物和微生物同化吸收、土壤腐殖質(zhì)吸收以及經(jīng)過滲透作用進(jìn)入地下水中[34]；而懸浮態(tài)磷則可以通過沉積作用與地表徑流中其他懸浮態(tài)固體顆粒物沉積在河岸植被過濾帶中[35]。有機(jī)磷的分解主要靠植物根系分泌物中的各種酶，利用酶來降解含硝基有機(jī)農(nóng)藥[36]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)植被過濾帶凈化機(jī)理進(jìn)行了較多的研究，但相關(guān)研究大多是針對(duì)氮磷及泥沙等，而對(duì)農(nóng)藥等其他污染物的去除機(jī)理研究較少，相關(guān)研究還有待進(jìn)一步深化。

4 植被過濾帶最佳寬度

要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的植被過濾帶，其核心部分是確定最佳寬度[37]。Mander等[35]提出植被過濾帶的有效寬度與地表徑流強(qiáng)度、坡長和坡度成正比，而與地表的糙率系數(shù)、水流速度及土壤的吸附能力成反比。

大量研究證實(shí)，3 m寬的植被過濾帶對(duì)地表徑流沉積物的消減效果顯著，但一般建議植被過濾帶最小應(yīng)為9 m寬[38]。植被過濾帶在前10 m左右對(duì)氮磷的滯留效果顯著[15]。徑流中泥沙濃度在3 m處顯著降低，可截留70%的徑流泥沙，而超過9.1 m后泥沙濃度變化很小，僅可截留85%的泥沙。對(duì)于小型河流，岸邊灌木、喬木和草地組成的植被過濾帶寬10.67 m即可有效控制農(nóng)業(yè)面源污染；對(duì)岸邊侵蝕嚴(yán)重或者相對(duì)較大的河流，至少需要寬15.24 m以上的植被過濾帶[39]。研究表明，30 m長的植被過濾帶能使徑流流出過濾帶的時(shí)間滯后120 min，從而延長了徑流的入滲時(shí)間，使植物和微生物有充分的時(shí)間吸收和分解污染物質(zhì)[40-41]。

對(duì)于植被過濾帶最佳寬度的確定，目前尚沒有統(tǒng)一的方法。Budd等[42]提出，通過對(duì)河流進(jìn)行簡單的野外調(diào)查來得到合適的植被過濾帶寬度，其調(diào)查的特性包括河流類型、河床的坡度、植被覆蓋、土壤類型、沉積物控制、河流結(jié)構(gòu)、溫度控制以及野生動(dòng)物棲息地等。

5 植被過濾帶的長期有效性

植被過濾帶建成后，隨著時(shí)間的推移，植被演替逐漸增多，土壤結(jié)構(gòu)改善與大孔隙增加能夠加大地表徑流入滲和污染物的溶解，促進(jìn)泥沙沉積和可溶性污染物的降解[43]。

根據(jù)植被類型的不同，植被過濾帶可分為草地過濾帶、灌木過濾帶、喬木過濾帶以及2類以上植被構(gòu)成的復(fù)合過濾帶。通常認(rèn)為，生長濃密、迅速且耐污能力強(qiáng)的草皮比其他植被攔截地表徑流污染物質(zhì)的能力要強(qiáng)[44]。但是，由于草地植被生物量小和根系淺，限制了其在攔截地下水流及其養(yǎng)分方面的功效，過濾帶有可能達(dá)到一種物質(zhì)平衡或飽和，從而導(dǎo)致過濾到的沉淀物和養(yǎng)分的重新釋放[45]，這種情況在磷輸入量較多時(shí)尤其會(huì)發(fā)生[46]。若要避免磷進(jìn)入水體，需要對(duì)植物進(jìn)行定期刈割。

相比之下，喬木過濾帶是更復(fù)雜的生物環(huán)境系統(tǒng)，不僅具有較高的地上和地下生物量，壽命也很長，能更有效地防治面源污染[25]。但喬木過濾帶在短時(shí)間內(nèi)不能形成穩(wěn)定的微生物群落，對(duì)氮、磷的去除作用簡單依靠過濾、截留等物理作用，效果不佳[47]。國外研究表明，柳枝稷（Panicum virgatum）過濾帶可攔截徑流中95%的泥沙、80%的總氮和78%的總磷。柳枝稷與喬木復(fù)合植被過濾帶可攔截徑流中97%的泥沙、94%的總氮和91%的總磷。雖然單一的柳枝稷過濾帶在攔截營養(yǎng)物質(zhì)方面的效果較好，但柳枝稷加喬木之后的復(fù)合植被過濾帶攔截可溶解營養(yǎng)物質(zhì)的效力將增加20%[48]。因此，復(fù)合植被過濾帶具有更好的污染物去除效果和長期有效性。喬、灌、草的合理搭配還能提高區(qū)域生物多樣性[49]，改善區(qū)域的整體生境條件。運(yùn)用濃密的、當(dāng)?shù)氐牟莘N與木本植物相結(jié)合的植被過濾帶，攔截污染物質(zhì)的效力將會(huì)更高。

6 結(jié)論

目前，針對(duì)植被過濾帶已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究，但以下幾個(gè)方面仍需深入研究：（1）恢復(fù)植被過濾帶的功能，對(duì)于控制湖泊水污染與富營養(yǎng)化具有十分重要的意義。但植被過濾帶應(yīng)該是截留沉積物的最后一道防線，應(yīng)考慮與其他措施相結(jié)合，從而達(dá)到更好的防治效果。（2）植被過濾帶凈化污染物機(jī)理的相關(guān)研究大多是針對(duì)氮磷及泥沙等，而對(duì)農(nóng)藥等其他污染物的去除機(jī)理研究較少，相關(guān)研究應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化。（3）確定最佳寬度是設(shè)計(jì)植被過濾帶的首要問題。植被過濾帶的最佳寬度應(yīng)該通過詳細(xì)的研究來獲取，設(shè)計(jì)者應(yīng)因地制宜，綜合各種因素以確定某一特定地區(qū)植被過濾帶的最佳寬度。（4）復(fù)合植被過濾帶（喬木、灌木和草本植物）具有更好的污染物去除效果和長期有效性。目前，關(guān)于復(fù)合植被過濾帶的研究較少，相關(guān)研究應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)展和細(xì)化。

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