內河濱岸緩沖帶不同植被配置對面源污水中NH4+-N的去除效果

王詩樂，張 帥，王 賀，王珊珊 沈海龍 高大文

(東北林業大學林學院，哈爾濱，150040)

污染問題通常可分為點源污染和面源污染，點源污染是指具有固定排污口并集中排放，排放途徑明確的污染物。面源污染是指污染物從非特定的地點，在降雨或融雪沖刷作用下，通過徑流過程匯入收納水體并造成水體的富營養化或其他形式的污染［1］。與點源污染相比，面源污染起源于分散、多樣的地區，地理邊界和發生位置難以識別和確定，隨機性強、成因復雜、潛伏周期長，因而防治十分困難［2］。當前60%左右的水污染問題，是由于面源污染造成的。在我國由于生活污水造成的城市面源污染十分嚴重，城市面源污染是指在降水的條件下，雨水和城市徑流沖刷城市地面，使溶解的固體污染物從非特定的地點匯入受納水體，引起的水體污染［3］。在我國由于生活污水造成的城市面源污染十分嚴重［4］，城市面源污染將嚴重危害生態環境和人體健康，并對農業生產、牧業養殖、自然保護區建立、水源地開發與應用造成不利影響。因此城市面源污染的有效控制，將決定城市生態文明的建設和人民的生活質量，消除面源污染是當前改善水環境的重要任務［5］。

濱岸緩沖帶(riparian buffers)是指建立在河湖、溪流和溝谷沿岸的各類植被帶，包括林帶、菜地或其他土地利用類型，屬于生物軟措施中的一種，適用于水土保持和控制面源污染［6-8］。其具有河岸景觀營造、水土保持、河岸生物棲息地保護等功能［9-10］。通過對濱岸緩沖帶植被進行合理配置，利用植物群落對地表徑流和滲流中污染物質的吸收、微生物的分解、土壤吸附和反硝化作用，可以將潛在的污染物質與收納水體阻斷開，達到防治面源污染的目的。

國外對于濱岸緩沖帶研究起步很早，研究與實踐表明，濱岸緩沖帶是控制面源污染、改善城市河道生態環境的有效途徑［11］。國內對其研究起步較晚，近幾年的研究多集中于草本植被的選擇與配置，對多層次植被配置的研究報道較少。本研究選擇哈爾濱市重要內河—何家溝設置濱岸緩沖試驗帶，開展面源污染防治現場試驗，旨在對比不同喬木、灌木和草本植被配置對地表徑流和土壤滲流中NH4+-N的去除效果，為東北地區濱岸緩沖帶的構建及河流面源污染防治提供科學參考。

1 材料與方法

1．1 試驗地設計

試驗于哈爾濱市市區何家溝顧鄉段河岸，垂直于構建3條河流的濱岸緩沖試驗帶，各條試驗帶平行于河流方向的長度為20 m，各條試驗垂直于河流方向的長度為15 m，坡度5°，為防止相互干擾，各條試驗帶之間設置40 m的間隔區域。土壤類型為黑土。

1．2 植物選擇與植被配置

選取東北地區常見的8種植物，其中，喬木為蒙古櫟(Mongolian quercia)和五角楓(Acer mono);灌木為紅瑞木(Swida alba)、丁香(Syringa oblata)和暴馬丁香(Syring amurensis);草本層為紫花苜蓿(Medicago sativa)、早熟禾(Poa pretensis)與黑麥草(Lolium perenne)。對各試驗帶的不同區域的植被進行配置，試驗帶A的配置方式為灌木+草本，草本層為早熟禾+黑麥草;試驗帶B的配置方式為喬木+草本，草本層為紫花苜蓿;試驗帶C的配置方式為喬木+灌木+草本，草本層為早熟禾+黑麥草。各試驗帶喬木灌木配置方式為見表1，其中喬木種選用胸徑4 cm左右的移栽苗，栽植的株距為3 m，行距為2 m，灌木層平均蓋度為40%，草本層平均蓋度達90%。

表1 試驗帶喬木、灌木配置Tab．1 Experiment with trees，shrubs configuration

1．3 實驗方法

在各條試驗帶植被變化處及樣帶末端分別設置3個長寬為1．5 m，深1 m的采樣坑，以收集徑流及滲流水樣，為提高滲流的收集效率分別在樣坑內距表面20、40 cm處插入采樣板。為模擬面源污水特征，利用小型自吸式水泵抽取何家溝河水為實驗入水，從2013年8月初開始，試驗每周進行1次，連續9次。每次對入水及各樣坑中徑流及滲流水樣進行收集，測定水樣中NH4+-N濃度。試驗分析方法參照《水和廢水監測分析方法》［12］。

2 結果與分析

2．1 不同沿程植物配置對NH4+-N的去除

2．1．1 灌木+草本試驗帶對NH4+-N去除

圖1 試驗帶A對NH4+-N的去除Fig．1 The removal of NH4+-N in test A

如圖1所示，為試驗帶A徑流、經過土壤20 cm滲流、經過土壤40 cm滲流水中NH4+-N的濃度變化。由圖可以看出，隨著沿程距離的增加，污水中NH4+-N的出水濃度呈下降的趨勢。徑流NH4+-N濃度隨沿程距離在5～10 m處下降的趨勢較為緩慢，而經過土壤40 cm滲流NH4+-N濃度下降趨勢最為明顯。徑流、經過土壤20 cm滲流、經過土壤40 cm滲流污水中NH4+-N濃度由入水的12．87 mg/L，經沿程5、10 m，最終到達15 m處時，分別降低至 7．1、6．31、5．81 mg/L，說明此時沿程植物緩沖帶對徑流面源污水中氨氮具有一定的去除效果，同時氨氮出水濃度隨沿程距離的增加呈逐漸下降的趨勢，并最終達到相應的穩定值，說明灌木+草本的植被配置能夠穩定去除徑流和滲流污水中NH4+-N。

2．1．2 喬木+草本試驗帶對NH4+-N去除

圖2 試驗帶B對NH4+-N的去除Fig．2 The removal of NH4+-N in test B

試驗帶B對NH4+-N的去除如圖2所示，在沿程距離相同的情況下，徑流出水NH4+-N濃度高于經過土壤20 cm滲流出水NH4+-N濃度，經過土壤20 cm滲流出水NH4+-N濃度高于經過土壤40 cm滲流出水NH4+-N濃度。由此可以看出，植物的根系對土壤中的NH4+-N，具有一定的去除效果，并隨著土壤深度的增加，去除效果逐漸升高。由圖可以看出，當沿程距離到達5 m時，徑流出水NH4+-N濃度、經過土壤20 cm滲流出水NH4+-N濃度、經過土壤40 cm滲流出水NH4+-N濃度，由入水濃度10．54 mg/L，分別下降到8．48、4．79、3．77 mg/L，經過10 m 后，到達15 m 處時，NH4+-N 濃度分別降低至 7．89、4．07、3．19 mg/L。由圖分析得，沿程距離由5 m增加至15 m過程中，徑流出水NH4+-N濃度、經過土壤20 cm滲流出水NH4+-N濃度和經過土壤40 cm滲流出水NH4+-N濃度下降幅度變緩，并最終達到相對的穩定值，說明隨沿程距離增加喬木+草本的植被配置對徑流和滲流污水中NH4+-N的去除幅度增長緩慢。

2．1．3 喬木+灌木+草本試驗帶對NH4+-N去除

如圖3所示，隨著沿程距離的增加徑流、滲流NH4+-N出水濃度逐漸降低。沿程距離到達5 m處時，徑流、經過土壤20、40 cm滲流出水NH4+-N濃度已由入水濃度11．28 mg/L，分別下降到7．17、5．24、4．32 mg/L，可以說明濱岸緩沖帶通過較短的距離就可以對徑流、滲流污水中NH4+-N達到較高的去除效果。試驗帶C隨著沿程距離的繼續增加，當到達10 m處時徑流、20 cm滲流和40 cm滲流NH4+-N 出水濃度分別下降到 6．01、4．42、3．65 mg/L，最終到達15 m處時，徑流、20 cm滲流和40 cm滲流NH4+-N出水濃度分別降低至4．11、3．1、2．2 mg/L，圖中 NH4+-N 濃度隨著沿程距離的增加具有明顯的下降趨勢，其中經過土壤20、40 cm滲流出水NH4+-N濃度的下降尤為顯著，由此可以看出喬木+灌木+草本的試驗帶對面源污水中NH4+-N具有很強的去除能力。

圖3 試驗帶C對NH4+-N的去除Fig．3 The removal of NH4+-N in test C

2．2 不同植被配置方式對NH4+-N的去除效果

2．2．1 徑 流

不同植被配置試驗帶對地表徑流的去除效果如圖4所示。濱岸植被緩沖帶對地表徑流中NH4+-N的平均去除率可達到33．4%左右，說明植物群落對地表徑流的面源污染有較好的去除效果［13］。其中，試驗帶C對地表徑流中NH4+-N的去除率均高于另外兩組植被配置，去除率為40．5%，分別是試驗帶A和試驗帶B的1．1倍和1．6倍。可見試驗帶C喬木+灌木+草本的植被配置方式能夠有效提高濱岸緩沖帶對地表徑流中NH4+-N的凈化效果［14］。

圖4 不同植被配置對徑流氨氮的去除效果Fig．4 The different vegetation configure runoff ammonia removal

2．2．2 滲流

不同植被配置試驗帶對經過土壤滲流的去除效果如圖5所示。濱岸植被緩沖帶對經土壤20 cm和40 cm滲流中NH4+-N的平均去除率為59．4%，說明植被緩沖帶對滲流的去除效果好于地表徑流。在同一樣帶中，經過土壤40 cm滲流NH4+-N的去除率較經過土壤20 cm滲流NH4+-N的去除率進一步升高，試驗帶A、B、C的經過土壤20 cm滲流出水中NH4+-N去除率分別為 46．5%、44．3%、58．3%，而經過土壤40 cm滲流出水中NH4+-N 去除 率 分 別達 到 54．6%、47．7% 和69．2%。說明隨著深度的增大，植物根系對滲流中NH4+-N的去除率進一步升高。各試驗帶之間，試驗帶C對土壤中NH4+-N的去除率最高，其在試驗帶末端對經過土壤40 cm滲流出水中NH4+-N的最高去除率達到69．2%，分別是試驗帶A和試驗帶B經過土壤40 cm滲流出水中NH4+-N的最高去除率的1．7倍和1．4倍。可見試驗帶C喬木+灌木+草本的植被配置方式對出水中NH4+-N的具有最佳去除率，能夠有效提高濱岸緩沖帶對滲流NH4+-N 的凈化效果［15］。

圖5 不同植被配置對距地表20 cm、40 cm滲流氨氮的去除效果Fig．5 The different vegetation configure away from the earth's surface20 cm，40 cm seepage runoff ammonia removal

3 結論

本試驗選用的植被配置中，紅瑞木的根系生物量較大，根系集中于土壤10～20 cm處［16］，早熟禾與黑麥草為混合播種，種間簇狀結合分布，有利于其根部的吸收作用，因此試驗帶A的灌木+草本的植被配置對NH4+-N有較好的吸收作用。蒙古櫟與五角楓無喬木樹種，地下根系發達，但根系的主要吸收部分位于深層土壤［17-18］，并且由于喬木冠層下存在土壤裸露區，試驗帶B的配置中又缺乏灌木對其的覆蓋作用，因此試驗帶B的喬木+草本的植被配置對NH4+-N的吸收作用較弱。試驗帶C喬木+灌木+草本的植被配置中土壤淺層的細根產量高于灌木+草本的配置［19-20］，此種復雜多層的植被配置模式有利于提高河岸植物群落的生物多樣性和微生物群落的活力［21］，因此其對徑流和滲流中NH4+-N均有十分理想的去除效果。

濱岸植被緩沖帶對面源污水中NH4+-N的去除，隨著沿程距離的增加呈現逐步上升的趨勢。土壤滲流污水中NH4+-N出水的濃度隨著土壤深度的增加而下降。

濱岸緩沖帶的不同植被配置方式，對面源污水中NH4+-N的去除效果明顯不同。樣帶C對地表徑流、經過土壤20 cm滲流、經過土壤40 cm滲流污水中 NH4+-N最高去除率分別達到 40．5%、58．3%、69．2%，即樣帶C中喬木+灌木+草本的植被配置對面源污染物NH4+-N的去除效果最佳。

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