冀北山地河岸緩沖帶凈水效果研究

田素平，張寬義，王雄賓

(1.河北省水土保持工作總站，河北石家莊 050011；2.河北省水利水電勘測設計研究院，河北石家莊 050081；3.河北省水利科學研究院河北省農業節水工程技術研究中心，河北石家莊 050051)

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冀北山地河岸緩沖帶凈水效果研究

田素平1，張寬義2，王雄賓3*

(1.河北省水土保持工作總站，河北石家莊 050011；2.河北省水利水電勘測設計研究院，河北石家莊 050081；3.河北省水利科學研究院河北省農業節水工程技術研究中心，河北石家莊 050051)

[目的]充分了解不同河岸植被緩沖帶對地表徑流污染物的去除效果。[方法]采用人工模擬地表徑流的方法，選取冀北山地5種不同植被類型河岸植被緩沖帶為研究對象，分析了其對地表徑流中化學需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)的去除效果。[結果]在5種不同植被類型河岸植被帶中，隨著河岸緩沖帶寬度的增加，各緩沖帶對地表徑流中COD、TN、TP的去除率基本呈增加趨勢，但對各污染物的去除規律各異，華北落葉松林能在較窄的距離內較迅速去除徑流中COD、TN、TP。[結論]各標準地對地表徑流中不同污染物的削減各有優點，在對受污染的河流進行生態植被修復時，應當充分考慮當地河流水質污染特點選擇植被類型。冀北山地在建設較窄河岸緩沖帶時，可以優先考慮采用華北落葉松林。

河岸緩沖帶；植被類型；削減效果；徑流污染物；冀北山地

農業面源污染是河流、湖泊、水庫等水體水質惡化、富營養化的重要原因之一[1]，這些污染物主要來源于農藥、化肥、畜禽等，如何治理農業面源污染已成為目前國內外生態環境治理研究的重點問題之一[2]。河岸緩沖帶作為一種水土保持和控制面源污染的生物治理措施，不僅能對污染物起到截留作用，而且對河岸穩定、生物多樣性保持均有著十分積極的意義[3]。現有的污染物研究多集中于氮元素和磷元素[2,4]，且植被類型對凈污效果有一定的影響[5-6]。目前，華北地區很多河岸的植被遭到破壞，這在一定程度上造成河流水質下降、河岸帶生境惡化等問題，如何對遭到嚴重破壞的河岸帶進行植被生態恢復和重建，并充分發揮河岸帶的各種生態功能，已經成為一個重要研究課題[3]。筆者以冀北山地灤河上游河岸植被帶為研究對象，通過人工模擬徑流試驗，研究不同植被緩沖帶對水體有機物、氮、磷等污染物的阻滯效果，以期為該區域河流生態修復理論和技術提供一定理論指導。1 材料與方法

1.1 研究區概況 研究區位于河北省北部的圍場縣，該區域為溫帶半濕潤和半干旱區過渡帶，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年降水量為350～500 mm，多集中在6～8月。該區域的地帶性土壤為褐土，并有棕壤、山地草甸土及淺色草甸土等分布，由花崗巖、片麻巖、砂頁巖等基巖發育而成。陽坡和山前地帶的粗骨性褐土造林難度很大，侵蝕嚴重，立地條件較差。圍場縣境內有小灤河、蟻螞吐河和伊遜河3條主要河流經過，均為海河水系灤河的主要支流。圍場縣典型植被群落有針葉林(主要為華北落葉松林和油松林)、落葉闊葉林(主要有白樺林、山楊林等)、針闊混交林和草甸草原等。據統計，有野生種子植物90科、371屬、793種。

1.2 標準地選擇 根據冀北山地植被的代表性，選取了5塊標準地進行研究，標準地大小均為2 m×10 m。典型植被樣地分別為闊葉純林、針闊混交林、針葉純林、灌木林、天然草地，各標準地坡度為4～6°，質地壤土，喬木林平均密度1 000～1 500株/hm2，平均胸徑10～15 cm(表1)。

1.3 試驗方法

1.3.1 喬木調查。對標準地內的喬木進行每木檢尺，調查灌木、草本物種的物種名稱、平均蓋度、枯落物厚度等。

1.3.2 緩沖帶坡面試驗設計。將5塊標準地的四周挖開，使其與周圍環境相互獨立；用水泵從河中抽水，將樣地潤濕、灌水至產流。產流后，從坡上至坡下0、2、4、7、10 m處取樣，各點取水樣3次，每次取水樣200 ml。

1.3.3 測定指標及方法。測定指標分別為COD、TP、TN，水質測定均參照國家標準進行。COD采用快速消解分光光度法測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，TP采用鉬酸銨分光光度法測定[7]。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型緩沖帶對COD的去除效果 由圖1可知，各標準地河岸緩沖帶對地表徑流中污染物COD具有較強的去除效果。隨緩沖帶寬度增加，各標準地削減效果變化各異。在2 m處華北落葉松林和灌木林標準地COD去除率較高，寬度超過2 m后其增幅較小。華北落葉松林在2、4、7、10 m處COD去除率依次為66.64%、67.14%、76.96%和75.75%；白樺林、白樺-油松混交林和天然草地COD去除率在2 m處相對較低，但隨緩沖帶變寬，其去除率增幅較大。在2 m處，華北落葉松林標準地對水體COD的去除率最高為66.61%。在10 m處，各標準地對徑流COD去除率均在65%以上，其中白樺林標準地去除率最高(83.12%)，草本標準地去除率最低(65.68%)。

2.2 不同植被類型緩沖帶對TN的去除效果 由圖2可知，各標準地對TN的去除率隨緩沖帶增寬基本表現為增加趨勢。隨緩沖帶寬度增加(2～7 m)，華北落葉松林標準地TN去除率表現為逐漸增加趨勢，10 m處略有降低；其他標準地TN去除率在2～10 m處增加趨勢明顯。在10 m處，各標準地對徑流中TN的去除率均在50%以上，華北落葉松林、白樺-油松混交林、白樺林、灌木林、草本標準地TN去除率分別為70.58%、59.75%、62.65%、54.74%和58.91%。華北落葉松標準地在各測點的TN去除率均最高，在2、4、7、10 m處去除率依次為43.24%、57.99%、70.66%和70.58%，灌木林和天然草地TN去除率相對較低。

2.3 不同植被類型緩沖帶對TP的去除效果 由圖3可知，植被緩沖帶對徑流中污染物TP的去除效果較為明顯。隨緩沖帶寬度增加，華北落葉松林標準地TP去除率逐漸增高，在2、4、7、10 m處去除率依次為53.28%、76.52%、79.68%和87.58%，去除率在4 m后增幅較小。白樺-油松混交林、白樺林、灌木林、草本標準地TP去除率在2～10 m處表現為近似線性的增加趨勢。華北落葉松標準地在各測點的TP去除率均最高。在10 m處，各標準地對徑流中TN的去除率均在45%以上，各標準地間差異較大，華北落葉松林(87.58%)是草地(48.48%)TP去除率的1.81倍。

3 結論與討論

(1)相關研究表明，植被緩沖帶須達到一定寬度才會起到較好效果[11]。受試驗條件所限，該研究標準地寬度設定為10 m，各植被緩沖帶對污染物COD、TN、TP都有較好的去除效果。各植被類型緩沖帶在10 m處對COD的去除率表現為：白樺林>華北落葉松林>灌木林>白樺-油松混交林>天然草地；對TN的去除效果表現為：華北落葉松林>白樺林>白樺-油松混交林>天然草地>灌木林；對TP的去除效果表現為：華北落葉松林>灌木林>白樺-油松混交林>白樺林>天然草地。華北落葉松林和白樺林植被緩沖帶對地表徑流中不同污染物的削減各有優點。在對受污染的河流進行生態植被修復時，應當充分考慮當地河流水質污染特點，以充分發揮河岸植被緩沖帶對不同污染物的去除優勢。

(2)隨著河岸植被緩沖帶寬度的增加，其對地表徑流中COD、TN、TP的去除率基本呈增加趨勢，但各類型植被緩沖帶對不同污染物的削減規律有一定差異。華北落葉松林和灌木林標準地COD去除率在2 m處較高，寬度超過2 m后其增幅較小。華北落葉松林TN去除率7 m后略有降低，TP去除率在4 m后增幅較小。隨著緩沖帶變寬，其余標準地COD、TN及TP去除率逐漸增加。研究表明，土壤類型[8]、坡度[9]、緩沖帶寬度[10]等對污染物吸收有一定影響。該研究中各標準地土壤類型、緩沖帶寬度一致，坡度、污染物濃度相差不大，但各植被類型緩沖帶的林下植被結構、枯落物組成及厚度差異較大，尤其是華北落葉松林林下枯落物較厚，其對水流中顆粒的吸收、水流的阻滯效果差異明顯，可能是影響凈化效果的重要原因。在冀北山地植被緩沖帶建設中，受各方面限制，部分地段緩沖帶可能較窄，可以優先考慮采用華北落葉松純林。

[1] 湯家喜．河岸緩沖帶對農業非點源污染的阻控作用研究[D]．沈陽：沈陽農業大學，2014．

[2] 周思思，王冬梅．河岸緩沖帶凈污機制及其效果影響因子研究進展[J]．中國水土保持科學，2014,15(5):114-120.

[3] 張廣分．潮白河上游河岸植被緩沖帶對氮、磷去除效果研究[J]．中國農學通報，2013,29(8):189-194.

[4] 閻麗鳳，石險峰，于立忠，等．沈陽地區河岸植被緩沖帶對氮、磷的削減效果研究[J]．中國生態農業學報，2011(2)：403-408.

[5] DUCHEMIN M，HOGUE R. Reduction in agricultural non-point source pollution in the first year following estahlishment of an integrated grass/tree filter strip in southern Quebec (Canada)[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment，2009，131(1/2)：85-97.

[6] AL-WADAEY A，WORTMANN C，FRANTI T，et al. Effectiveness of grass filters in reducing phosphorus and sediment runoff[J].Water Air Soil Pollut,2012，223:5865-5875.

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[8] 李萍萍，崔波，付為國，等．河岸帶不同植被類型及寬度對污染物去除效果的影響[J]．南京林業大學學報，2013,37(6):47-52.

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[10] 吳建強.不同坡度緩沖帶滯緩徑流及污染物去除定量化[J].水科學進展，2011,22(1)：112-117.

The Water Purification Effect of Riparian Buffer Zone in Mountainous Area of North Hebei

TIAN Su-ping1, ZHANG Kuan-yi2, WANG Xiong-bin3*

(1. General Station of Soil and Water Conservation of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050011; 2. Hebei Research Institute of Investigation & Design of Water Conservancy & Hydropower, Shijiazhuang, Hebei 050081; 3. Hebei Agricultural Water-Saving Engineering Technology Research Center,Water Resources Institute of Hebei, Shijiazhuang, Hebei 050051)

[Objective] To fully understand the elimination effects of riparian vegetation buffer zones on surface runoff pollutants.[Method]The removal effects of different riparian vegetation buffer zones on chemical oxygen demand(COD), total nitrogen(TN) and total phosphorus(TP) in simulated polluted-surface runoff were investigated in mountainous area of north Hebei. [Result]The surface runoff pollutant removal rates were increasing gradually with the vegetation belt width increases in the 5 kinds of vegetation riparian buffer zone, but the change laws of removal rate with the belt width increases were different in the different vegetation riparian buffer zones. Different riparian vegetation buffer zones have different elimination effects on different pollutants in surface runoff. Larch forest can remove the COD, TN and TP quickly in a narrow range. [Conclusion] It is important to take the environment pollution characteristics into consideration in ecological recovery and reconstruction of riparian vegetation buffer zones, and it should be applied in the narrower riparian buffer zone construction inmountainous area of north Hebei.

Riparian buffer zones; Vegetation type; Removal effect; Surface runoff pollutants; Mountainous area of north Hebei

河北省水利廳項目(2014-25)。

田素平(1970-)，女，河北藁城人，高級工程師，博士，從事水土保持綜合治理研究。*通訊作者，工程師，博士，從事水土保持、生態系統健康研究。

2015-04-23

S 181.3

A

0517-6611(2015)17-263-02