生態溝植物群落特征及氮磷污染物攔截效果研究

徐義軍，陳 志，孟 岑

(1.湖南省水利水電科學研究院，湖南 長沙 410007；2.中國科學院亞熱帶農業生態研究所，湖南 長沙 410007)

改革開放以來，中國經濟的快速發展和人口的迅速增加，為了使糧食增產，我國大量使用化肥以達到增產的目的。我國是世界上化肥消耗打過，但化肥中氮磷的利用率較低[1]。雖然解決了糧食產量問題，但卻帶來了嚴重的環境問題[2]，如面源污染進一步導致大面積水體污染等事件[3]，研究表明我國水體污染中80%以上的氮素和90%以上的磷素來自于農業面源污染[4]。近年來通過構建生態溝渠凈化水體和農業面源污染的研究已經逐漸開展[5-6]，研究表明生態溝渠對水體中氮磷污染物有一定的消減作具用[7]，但不同的植被、不同生態溝渠均會對消減作用產生影響。本文通過在脫甲河流域內選取一條生態溝渠為研究對象，通過樣線調查法調查生態溝渠沿線河道植物群落變化特征，野外定位觀測與采樣分析法相結合的方式，測定不同生態溝渠段、不同季節植被生物量和氮磷積累的變化量。探明溝渠植物吸收轉化對水體氮磷消納的貢獻率及其時空變化，為亞熱帶紅壤區生態溝渠建設及植物選取提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

以湖南丘陵區湘江一級支流撈刀河上游脫甲河流域為研究區，選取脫甲河小流域的水壩子流域內的一生態溝渠，溝渠總長度約為500 m。溝渠分為三段，前端第一段三面(左右岸及溝底)全為漿砌石硬化，溝內僅在漿砌石裂隙和底部泥沙堆積的部位生長有少量植物；第二段為半硬化，即溝渠的一側為漿砌石，另一側為雷諾護坡，雷諾護坡一側植物量生相對較多；第三段則兩側均為雷諾護坡，溝底設置生態袋擋水坎(高度20 cm，間距20 m左右)，溝內植物生長茂盛，植物多樣性也很高。

1.2 樣品采集及分析

(1)分別于2016年4月、7月、10月和2017年1月份開展了溝渠生態攔截植物調查，主要進行植物生物量調查，沿渠道每隔50 m與水流方向垂直布設一個樣方斷面，寬度為50 cm，長度包含兩側岸坡及河道底部，現場記錄樣方內出現植物的名稱、高度、蓋度、生活型等，然后收割植物的地上部(不含根系)，現場分種記錄植物生物量鮮重。取樣帶回實驗室烘干稱重，折算植物的生物量干重。烘干植物樣品最后粉碎，測定植物N、P含量。植物樣N、P含量采用濃H2SO4-H2O2消煮，然后用流動分析儀法測TN，用鉬銻抗比色法測TP。

(2)同時為了研究生態溝的植物攔截效果，在水壩子流域沿程觀測溝渠水體氮、磷含量的時空動態變化。從2016年4月起，每月28日采集溝渠內水樣，共設置14個水樣采樣點。采集的水樣，根據水質分析方法要求，水樣一般在采樣后24 h之內進行室內分析，不能及時分析的先將樣品保存在-18℃冰箱內，分析時再解凍。水質指標主要測定TN和TP，TN采用堿性過硫酸鉀消煮-流動注射儀法測定，TP采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法測定。

生態溝渠及樣方布設見圖1。

圖1 生態溝渠及樣方布設圖

2 結果分析

2.1 生態溝不同區段水生植物生物量和氮、磷積累量季節變化

表1表明，同一季節內不同溝渠段植物生物量存在顯著差異，雷諾護坡溝渠和雷諾-漿砌石段顯著高于漿砌石段，雷諾護坡溝渠段植物生物量四季存在顯著差異，范圍為0.23 kg/m2～1.00 kg/m2，由大到小依次為夏>秋>春>冬。雷諾-漿砌石段四季植物生物量略低于雷諾護坡段，漿砌石段植物生物量最低，且四季變化不明顯。

對不同區段四季植物對氮、磷累積量統計結果表明(表2，表3)，雷諾護坡溝渠段植物氮、磷積累四季變化顯著差異，變化范圍為氮1.83 g/m2～7.26 g/m2，磷0.34 g/m2～1.17 g/m2，四季氮磷累積量大小依次為夏>秋>春>冬。雷諾-漿砌石段除夏季外，其余三季氮磷累積量略低于雷諾護坡溝渠段。漿砌石段氮磷四季累積量相比其余兩段最低，除冬季外，其余三季變化不顯著。

表1 不同護坡類型溝渠溝內植物生物量季節變化(2016年)

表2 溝渠植物氮積累量四季變化

表3 溝渠植物磷積累量四季變化

假設每季對溝渠植物進行一次收割清理，全年雷諾護坡溝渠段可帶去除的氮磷量分別為TN 17.33 g/m2、TP 2.98 g/m2，雷諾-漿砌石段去除量分別為TN 12.48 g/m2、TP 2.04 g/m2、漿砌石段分別為TN 1.01 g/m2、TP 0.21 g/m2(表4)。

表4 溝渠植物收割全年可去除氮、磷總量

2.2 溝渠水體N、P濃度時空變化

根據圖2可知，溝渠水體TN濃度夏季顯著高于其余三季，依次為夏季>冬季>春季>秋季。TP濃度夏季低于其余三季。春、秋、冬平均濃度差異不顯著。

圖2 溝渠水體沿程TN、TP濃度變化

生態溝渠對于氮磷污染物具有一定消減作用，與張樹楠研究結果相同[8]。不同溝渠段TN、TP消減濃度不同，雷諾段TN、TP消減濃度顯著高于漿砌石-雷諾和漿砌石段，分別為0.21 mg/L、0.05 mg/L。漿砌石段TN、TP消減濃度最低，分別為0.035 mg/L和0.01 mg/L(表5)。漿砌石-雷諾段TN、TP消減濃度與漿砌石段差異不顯著這可能與該段長度較短有關。

表5 不同溝渠段TN、TP年均濃度消減幅度

3 結論

1)生態溝渠植物生物量及其N、P累積量不同季節、不同區段存在顯著差異，雷諾段植物生物量和N、P累積量顯著高于雷諾-漿砌石和漿砌石段。夏季植物生物量和N、P累積量高于其他季節。

2)生態溝渠對于水體N、P具有一定的消減作用，且不同區段消減濃度存在顯著差異，其中雷諾護坡溝渠段消減濃度最大，TN、TP年均消減分別為0.21 mg/L和0.05 mg/L。植物生物量變化與水體N、P含量變化存在一定關聯性，溝道內植物生物量越高，水體氮磷消減幅度越大，污染去除效果越好。