不同寬度草皮緩沖帶對農田徑流氮磷去除效果研究

何 聰，劉璐嘉，王蘇勝，周明耀

（揚州大學 水利科學與工程學院，江蘇 揚州225009）

國內外許多研究已經證實，草皮緩沖帶對農田地表徑流中攜帶的營養物質、顆粒物、農藥等污染物具有較高的截留、吸收作用，是改善河道水質的有效手段，且在維持生物多樣性和生態平衡方面具有重要的作用，是控制農業面源污染的有效措施之一［1－2］。影響草皮緩沖帶截留沉積物和滯留養分的因素很多，如植被類型、坡度、土壤、水文特征等［3－5］，其中一個重要的變量就是緩沖帶的寬度。緩沖區域所能獲得的功能效益與草皮緩沖帶的寬度明顯相關，緩沖帶的寬度將直接影響其能否充分發揮生態服務功能［6］。然而，緩沖帶的適宜寬度隨區域而變化，受區域地理位置、植被類型、土壤特征、水體條件及管理目標等因素的綜合影響［2，7－8］。近年來，國內外學者主要通過試驗和數值模擬的方法針對以上影響因素等進行綜合研究，從不同的角度分析影響緩沖帶功能效益的因素以及緩沖帶適宜寬度的確定，為條件相似區域的緩沖帶研究提供借鑒［9－12］。

本文結合揚州市飲用水備用水源地的環境保護規劃，將豆科與禾本科草皮混播技術運用到緩沖帶的構建中，在研究混播草皮緩沖帶對農田徑流污染物去除效果的基礎上，通過設置不同寬度的混播草皮緩沖帶，研究其對農業面源污染改善程度的差異，評析緩沖帶寬度對污染物去除效果的影響，同時以數值擬合的方法確定緩沖帶的適宜寬度，以期為揚州市飲用水備用水源地域草皮緩沖帶的營建提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗場地及植被選擇

模擬試驗于江蘇省水利動力工程重點實驗室人工栽培室內進行。試驗模擬揚州市平原河網地區地勢平坦的自然條件，設定緩沖帶坡度為3%。經前期調查及試驗研究，選擇緩沖帶植被為白花三葉草（Trifolium repens）和高羊茅（Festuca Arundinacea）混播，設定混播比例為1∶3。

1.2 試驗裝置

試驗裝置見圖1所示，制作4種試驗裝置，試驗槽分別長3，5，8，12m，寬0.3m，高0.35m，前端統一設置配水池，將人工配制的污水灌入注水槽中，經注水槽流出，進入中間的草皮緩沖帶部分，經過緩沖帶的吸收與去除之后匯入末端的集水槽，分別通過徑流水收集管和滲流水收集管采集徑流水、滲流水。

圖1 試驗裝置示意圖（X表示緩沖帶的不同寬度）

1.3 試驗設計

有研究表明，3m寬的草皮緩沖帶對地表徑流沉積物的去除效果顯著，一般建議草皮緩沖帶最小應為9m寬［10］，對于小型河流，岸邊灌木、喬木和草地組成的緩沖帶寬10.67m即可有效控制農業面源污染［13］。本試驗構建4條不同寬度的草皮緩沖帶，并設置相應空白對照組，即不種植任何植物。

1.4 試驗方法

試驗用土取自揚州郊區農田，土壤基本特性見表1所示，與揚州市飲用水備用水源地區域的農田土壤條件較為一致。試驗槽裝土容重為1 280kg／m3。的特征，人工配制供試農田徑流水樣，模擬揚州地區降雨產匯流過程開展試驗研究。

表1 供試土壤基本特性

（1）試驗配水量和配水時間：初步擬定產流系數取0.3，降雨量為30mm，降雨歷時為30～45min，試驗槽寬度為0.3m，計算出一次短歷時降雨在100m長的農田形成的徑流雨量為0.27m3（270L），配水時間按半小時計算。

（2）供試水樣：采用尿素、磷酸二氫鉀和泥土顆粒配制污水，模擬農田徑流水樣的氮、磷等污染物質的排放負荷，為地表劣Ⅴ類水質，其總氮TN，總磷TP，混土SS濃度分別為17.89±0.15，1.04±0.06，200.0±0.5mg／L。

（3）監測方法：空白組試驗每隔三周取水樣1次，重復3次；混播草皮緩沖帶在牧草的分蘗期和抽穗期進行兩次試驗，水樣采集時間同空白組，重復3次，試驗結果取兩次試驗結果的平均值。水質分析方法參照《水和廢水監測分析方法》［14］。

2 結果與分析

2.1 TN濃度變化及去除效果

進水TN濃度為17.89mg／L，草皮緩沖帶寬度分別為3，5，8，12m。不同寬度混播草皮緩沖帶的徑流水及滲流水TN平均濃度變化見圖2所示。從圖2可以明顯看出，4種緩沖帶徑流水和滲流水TN平均濃度變化表現出一定的規律，即隨著緩沖帶寬度的增加呈逐漸降低趨勢。對照空白組，混播草皮緩沖帶出水濃度明顯降低，當混播草皮緩沖帶的寬度增寬至12m，緩沖帶徑流水及滲流水TN平均濃度分別降至5.31，3.55mg／L。

圖2 不同寬度混播草皮緩沖帶的進出水TN濃度變化

圖3為不同寬度混播草皮緩沖帶的徑流水及滲流水TN平均去除率變化情況。隨著緩沖帶寬度的增加，4種混播草皮緩沖帶徑流水和滲流水TN平均去除率逐漸提高，空白組TN平均去除率都較低，去除效果并不明顯，但也呈總體逐漸上升趨勢。對TN平均去除率最高的情況出現在12m寬的緩沖帶上，混播草皮緩沖帶徑流水及滲流水TN平均去除率分別達到70.31%，80.15%。說明混播草皮緩沖帶對進水TN具有明顯的去除效果，并且隨著混播草皮緩沖帶寬度的增加，TN去除率也在不斷提高。

圖3 不同寬度混播草皮緩沖帶的進出水TN去除率

2.2 TP濃度變化及去除效果

進水TP濃度為1.04mg／L，草皮緩沖帶寬度分別為3，5，8，12m。不同寬度混播草皮緩沖帶的徑流水及滲流水TP平均濃度變化見圖4所示。由圖4可知，4種緩沖帶徑流水和滲流水TP平均濃度隨著緩沖帶寬度的增加呈逐漸降低趨勢，且下降速率逐漸變緩，對照空白組，混播草皮緩沖帶出水濃度明顯降低。當混播草皮緩沖帶的寬度增寬至12m，緩沖帶徑流水及滲流水TP平均濃度分別降至0.32，0.16 mg／L。圖5為不同寬度混播草皮緩沖帶的徑流水及滲流水TP平均去除率變化情況。由圖5可知，4種混播草皮緩沖帶徑流水和滲流水TP的去除規律與TN的去除規律大致相同。空白組TP平均去除率都較低，呈總體逐漸上升趨勢。對TP平均去除率最高的情況出現在12m寬的緩沖帶上，混播草皮緩沖帶徑流水及滲流水TP平均去除率分別達到68.93%、84.85%。說明混播草皮緩沖帶對進水TP具有明顯的去除效果，并且隨著混播草皮緩沖帶寬度的增加，TP去除率也在不斷提高。

圖4 不同寬度混播草皮緩沖帶的進出水TP濃度變化

本試驗的混播草皮是通過種植混播比例為1∶3白花三葉草與高羊茅牧草實現的，分別構建了長度從3m至12m不等的混播草皮緩沖帶，緩沖帶的寬度直接影響其去除氮磷等污染物的能力。試驗結果表明，草皮緩沖帶對TN、TP的去除效果與其寬度呈正相關，寬度越大，對氮磷污染物的去除效果越好。草皮緩沖帶寬度為12m時，對農田徑流中TN、TP的去除率達到80%左右。試驗中還發現混播草皮緩沖帶對滲流水TN、TP的去除效果明顯好于徑流水，主要原因是滲流水中的氮磷污染物的去除是植物根系吸收、土壤吸附、微生物分解等綜合作用的結果。草皮緩沖帶中氮的去除主要通過反硝化作用和植物根系的吸收，而大部分的磷是吸附在沉積物和有機物中隨農田地表徑流遷移而去除，因此，草皮緩沖帶的寬度越大，地表徑流流經緩沖帶的時間越長，污染物停留的時間也越長，氮、磷的去除效果也越好。但是在實際的操作中，則不能一味通過建設足夠寬的緩沖帶來提高其氮磷污染物的去除效果，還需綜合考慮土地、投入、效率等因素的影響。

圖5 不同寬度混播草皮緩沖帶的進出水TP去除率

2.3 混播草皮緩沖帶最適宜寬度的確定

有研究表明，草皮緩沖帶的寬度與農業面源污染物的攔截效果呈正相關，由于受土地資源的限制，草皮緩沖帶的寬度不可能過大，同時緩沖帶寬度增加到一定程度以后其攔截和去除徑流污染物的效率非增反降［15］，所以關于緩沖帶適宜寬度的確定一直是研究的重點和難點。本文以混播草皮緩沖帶污染物去除率為變量，在入水TN濃度為17.89mg／L，TP濃度為1.04mg／L，坡度為3%等條件下，試驗確定70%污染物指標去除率目標時的混播草皮緩沖帶適宜寬度。對各污染指標去除率和混播草皮緩沖帶寬度進行擬合，計算出各污染物指標去除率（y值）達到70%時混播草皮緩沖帶所需的最適宜寬度（x值），擬合公式見表2所示。結果表明，4條擬合曲線和各自數據的相關性均在0.97以上，相關性顯著。在本試驗條件下當徑流、滲流中氮磷污染物去除率同時達到70%的設定目標時，混播草皮緩沖帶適宜寬度宜為12m左右。

表2 各項指標—混播草皮緩沖帶的擬合函數及適宜寬度

因此，在草皮緩沖帶防治農業面源污染的研究與實踐中，土地資源的利用、經濟的投入以及所能獲得的環境效益都是需要進行綜合考慮的關鍵因素，從環境、經濟、社會等方面來確定緩沖帶的適宜寬度，充分發揮其去除氮、磷等污染物的效率，在有限的可利用土地資源上，使其環境效益、經濟效益、社會效益最大化。

3 結論

（1）隨著草皮緩沖帶寬度的增加，緩沖帶對TN的去除效果表現出一定的提高，但并非一直呈現顯著的上升趨勢。由于草皮根系的疏通作用，大大增強了緩沖帶土壤的滲透能力；緩沖帶對滲流水TN去除效果遠好于徑流水。

（2）裸地與草皮緩沖帶對TP的去除效果表現出與TN去除效果相似的規律，12m寬的草皮緩沖帶對滲流水TP的去除率高達84.85%；緩沖帶對滲流水TP去除效果遠好于徑流水。對比TN、TP去除效果，混播草皮緩沖帶對TP的去除效果較TN去除效果好。

（3）在本次試驗條件下，混播草皮生長狀況良好，植物根系結合緊密，具有較強的適應性和恢復力，繁殖能力強。混播草皮緩沖帶在12m寬度的條件下顯示出對農田徑流氮磷污染物有明顯的去除效果。

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