不同配置植被過濾帶坡面氮磷流失過程的人工降雨試驗研究

由琴婧，張化永，黃頭生，張非凡，鄭宇陽，周文蛟

（華北電力大學工程生態學與非線性科學研究中心，北京 102206）

當今，中國水土流失問題仍比較突出［1］，許多水體因坡面水土流失而遭受了不同程度的污染［2］，對生態環境的破壞較為嚴重，制約著中國環境生態文明的發展，由此導致的氮磷等污染物產生的非點源污染已經成為當今水環境污染的首要問題［3］。若采取相應措施攔截地表徑流中的氮、磷，降低其入流濃度，可使由坡面地表徑流導致的水體污染問題得到緩解［4］。為保護中國水環境安全、推進生態文明建設，需著力解決水土流失及其衍生的環境污染問題［5］。

植被過濾帶（Vegetative filter strip，VFS）是控制水土流失的一種有效工程措施。長期實踐證明，植被過濾帶是處理水土流失問題中最為環保、經濟可行的方式［6，7］。

植被過濾帶是設置在污染源與水體之間的由植物組成的帶狀區域，可通過沉降、下滲和吸收等物理、化學過程，減少坡面徑流中污染物含量，能有效防治水體泥沙淤積和非點源污染的影響［8，9］。研究表明，VFS 對氮磷等污染物有良好的攔截和消減效果，對水環境保護有重要的作用［10，11］。

植被過濾帶對于污染物的截留去除效果受到許多因素的影響，不僅受植被過濾帶自身因素（帶寬、帶長、植物類型［12，13］、株間距）的影響，還受到土壤質地類型、降水條件［14］、坡度［15］、坡長、入流污染物濃度［16］、入流流量等外部因素的影響。國內學者就其中某單一因素研究較多，陶梅等［17］通過列舉法總結了VFS 作用效果的最佳寬度；申小波等［18］研究表明，植被過濾帶對總氮（TN）、總磷（TP）的攔截和削減效率與寬度呈正相關；李懷恩等［12］通過試驗證明了過濾帶對不同類型氮磷污染物的削減效率不同；佘冬立等［19］研究認為不同入流條件對植被過濾帶的總氮和總磷攔截效果產生較大影響；路炳軍等［20］分析了多個不同植被類型的徑流小區觀測數據發現在減少養分流失的效益方面，人工苜蓿草地＞天然草地和樹盤/人工林＞石坎梯田/蔬菜＞平播農作物。但目前針對多重因素綜合作用下植被過濾帶的污染物去除效果和攔截效率研究較少，尤其是針對整個降雨過程中多重因素綜合作用對植被過濾帶總氮、總磷流失的攔截效果隨時間變化的研究甚少。

本研究通過在徑流槽設置植被過濾帶進行人工降雨試驗，測定比較了不同參數配置組合下（降雨強度、坡度、植被設置方式）植被過濾帶坡面徑流和沉積物中總氮、總磷的質量濃度，對比分析了降雨強度、坡度及植被設置方式等因素組合對總氮、總磷流失量隨時間變化的影響，以探究降雨過程中植被過濾帶水質凈化功能作用過程，為侵蝕坡面水土流失治理及植被過濾帶的優化設計提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土壤采自河北省張家口市宣化區某侵蝕溝道坡面，土壤類型為二合黃土，土質顆粒粗糙，保水能力一般（質量分數27.8%～41.8%）。土壤穩定滲透率為16.2 mm/h，容重為1.28 g/cm3，表層土壤（0～10 cm）有機質含量為1.41%。構成植被過濾帶的植物選取該侵蝕溝道坡面具有代表性的本土物種本氏針茅（Stipa capillataLinn.），運用草本樣方法測定其分布密度、株高及株間距。試驗用水取自試驗站周邊機井，試驗前測定其各項基本指標。

1.2 試驗方法

試驗于河北省張家口市宣化區野外實驗站進行，試驗裝置中所用二合一可變坡土槽長2 m、寬1 m、深50 cm，坡度變化范圍為0°～45°，槽底部有滲流孔，下部設有地表徑流收集口。土槽裝土厚度為40 cm，按照10 cm 分層填裝邊填邊壓實，控制填土密度與實際土壤容重接近。采用人工降雨法進行試驗，降雨采用側噴式降雨器，降雨器的噴頭墊片可調節，由壓力表控制降雨強度，可控制降雨強度為20～200 mm/h，降雨均勻度在65%～95%，基本可滿足試驗要求。

本次試驗設5°、20°、35°共3 種坡度，設30、60、90 mm/h 共3 種降雨強度，植被帶設置總長度為0.8 m，寬度為0.5 m，第1 種設置方式為距離槽體上部40 cm 處開始連續鋪設，命名為A1，第2 種設置方式與第1 種開始鋪設位置相同，但分成2 塊40 cm 長的小帶間隔鋪設，命名為B1，同時設置裸地坡面對照組，每場試驗所需時間30 min（不含產流時間）。試驗采用3 個徑流槽同時開展，坡度依次調整為5°、20°和35°保持不變，因此結合降雨強度和植被帶設置方式組合，共設計開展人工降雨試驗9 場。

徑流、泥沙樣品的采集方法為坡面開始產流后，在出流口直接用100 mL 取樣瓶接取第1、7、13、19、25 min 的出流混合物，之后進行相應指標的測定。樣品經沉淀后取上清液測定總氮、總磷濃度，沉積物經烘干后同樣測定其總氮、總磷濃度，按照國標方法進行測定。采用Microsoft Excel 軟件進行數據的處理分析，用Origin 2017 軟件進行圖片繪制。

2 結果與分析

2.1 不同植被過濾帶坡面徑流總氮含量隨時間變化

由圖1 可知，降雨強度為30 mm/h 的裸地坡面，不同坡度徑流中總氮含量隨時間的變化趨勢基本一致，這說明在降雨強度較小的裸地坡面上，坡度變化對徑流量的影響并不明顯，造成徑流中的總氮含量時間變化對坡度因素也不敏感［21］。植被過濾帶攔截氮主要是通過增加土壤入滲，而坡度增加導致坡面徑流流速增加，在植被過濾帶內的停留時間變短，使得入滲過程受到影響［22，23］。在設置植被過濾帶B1 的情況下，降雨強度為30、60 mm/h 的35°坡面徑流總氮含量在整個降雨過程中也沒有明顯變化。降雨強度為60 mm/h 時，裸地對照組的5°坡面與植被過濾帶A1 的20°坡面徑流總氮含量變化趨勢相同，形狀為微小的“U”型。在降雨強度為90 mm/h 條件下，只有20°的坡面徑流總氮含量曲線保持穩定；裸地對照組5°的坡面與植被過濾帶B1 的5°的坡面徑流總氮含量曲線變化趨勢相反。綜合來看，整個降雨歷程中徑流總氮含量變化并不明顯，這與鄔燕虹等［24］的研究結果并不一致，可能與降雨過程中坡面產生的徑流量差異有關，降雨初期土壤含水量并未達到飽和，因此徑流量較少；隨著降雨時間增加，土壤含水量達到飽和之后，徑流產量變大，對總氮濃度產生了影響。

圖1 不同雨強、坡度及植被過濾帶設置方式下坡面徑流總氮含量變化

2.2 不同植被過濾帶坡面徑流總磷含量隨時間變化

由圖2 可知，與徑流中總氮含量相比，不同組合條件下坡面徑流總磷含量差別更明顯且濃度較低，這表明降雨強度、坡度及植被帶設置方式的組合對徑流中總磷含量的影響較大［25］。對于20°的裸地坡面，降雨強度為60、90 mm/h 時的總磷含量變化均呈扁“M”型。降雨強度為30 mm/h 的20°的裸地坡面與降雨強度為60 mm/h 的植被過濾帶B1 的20°坡面徑流的總磷變化趨勢基本相同，而與降雨強度為30 mm/h 的植被過濾帶B1 的20°坡面徑流的變化趨勢相反，推測植被過濾帶的存在一定程度上抵消了降雨強度對徑流量的影響，從而影響了徑流中總磷的含量。在降雨強度為60、90 mm/h 的35°裸地坡面，總磷含量均為先下降后趨于穩定。在降雨強度為30 mm/h，坡面設置植被過濾帶A1 的5°、35°坡面徑流總磷含量隨時間變化的趨勢一致，可能是因為徑流中的磷流失存在坡度臨界值（范圍為15°～25°）［26］。降雨強度為90 mm/h 時，35°裸露坡面與植被過濾帶A1 的總磷含量變化趨勢相反。總體來看，降雨強度及坡度變化導致植被過濾帶對徑流總磷去除效果的減弱作用可通過設置植被過濾帶來抵消。

圖2 不同雨強、坡度及植被過濾帶設置方式下坡面徑流總磷含量變化

2.3 不同植被過濾帶坡面沉積物總氮含量隨時間變化

由圖3 可知，在整個降雨歷程中總氮含量變化較為明顯。在降雨強度為30 mm/h、坡度為5°時，裸地對照組與植被過濾帶B1 的總氮含量均在第7 min后上升，后在第19 min 下降；當坡度為20°時，這2 種處理下徑流攜帶泥沙中的總氮含量變化趨勢一致。在降雨強度為30 mm/h 時，植被過濾帶B1 的20°與35°坡面總氮含量變化趨勢相反。植被過濾帶的泥沙攔截能力隨著坡度增大而變弱，使吸附在泥沙顆粒的污染物隨之流出，但一段時間后由于泥沙結合態污染物發生解吸和溶解，導致總氮含量增大［5］。在相同降雨強度下，植被過濾帶A1 的20°與35°坡面總氮含量變化趨勢基本一致，這與降雨強度為90 mm/h、植被過濾帶B1 的20°和35°坡面總氮含量變化趨勢相反，推測不同降雨強度和植被設置方式的組合對坡度變化影響有差異，從而導致出流泥沙中總氮含量變化趨勢的差異。此外還發現，當降雨強度為30 mm/h、植被過濾帶B1 的35°坡面與90 mm/h雨強下裸露坡面的35°坡面總氮含量變化均在第7 min 上升，之后在第13 min 下降后再上升。Kuo［27］研究認為，降雨強度增加時坡面徑流中沉積物含量增加，通過該趨勢可推斷降雨強度增加帶來的影響可由設置植被過濾帶來抵消。降雨強度為60 mm/h的植被過濾帶A1 的20°、35°這2 個坡面的總氮含量變化呈一個近似的“W”型。當降雨強度為90 mm/h時，20°、35°兩條裸地坡面的總氮變化曲線趨勢相反，植被過濾帶A1 20°、35°坡面的總氮變化曲線也相反。

圖3 不同雨強、坡度及植被過濾帶設置方式下坡面沉積物總氮含量變化

2.4 不同植被過濾帶坡面沉積物總磷含量隨時間變化

研究表明，超過70%的磷以顆粒態附著在土壤細顆粒上隨地表徑流遷移，且泥沙結合態磷濃度變化幅度在整個徑流過程中較大［28，29］。由圖4 可知，本研究沉積物中總磷變化幅度不大。當坡面無植被覆蓋，降雨強度為30 mm/h 時，20°坡面沉積物中總磷含量在第7 min 有所上升，在第13 min 稍微下降后趨于穩定，這與35°的坡面沉積物中總磷含量變化趨勢相反。降雨強度為30 mm/h 和90 mm/h 的5°裸地坡面總磷含量變化均呈倒“V”型，90 mm/h 的曲線最高點更高，這說明降雨強度的增加使得沉積物總磷流失量增加［27］。降雨強度為60 mm/h、無植被覆蓋的5°坡面與植被過濾帶B1 的5°坡面總磷變化趨勢相反，而與降雨強度為90 mm/h、植被過濾帶A1的5°坡面總磷變化趨勢相同，說明當坡度較緩分2塊設置的植被過濾帶可有效減少坡面土壤總磷流失，但在強降雨條件下植被過濾帶的效果有所減弱。當降雨強度為90 mm/h、坡面為植被過濾帶A1 時，20°和35°坡面總磷變化曲線呈相反的形狀；有植被過濾帶B1 的20°和35°坡面總磷變化曲線也相反。這表明，隨著坡度和降雨強度的增加，A1 和B1 對減少沉積物中總磷流失的作用更加明顯，這與Abu-Zreig 等［30］的研究結果相反，說明多重因素協同作用與單一因素作用對植被過濾帶的效果存在差異。

圖4 不同雨強、坡度及植被過濾帶設置方式下坡面沉積物總磷含量變化

3 小結與討論

應用人工降雨試驗探索防治水土流失和設計植被過濾帶的相關研究在國內已得到廣泛應用。例如，針對不同的土壤類型開展人工降雨試驗來研究坡面及耕地區域水土流失規律［31-33］；針對不同坡度、坡長、雨強及植被覆蓋度等單一影響因素下氮、磷流失量的研究［34，35］；針對不同生草帶覆蓋度對坡面降雨產流過程的響應規律研究［36］。本研究對3 種單一因素對植被過濾帶坡面氮、磷流失效果的綜合作用進行了分析，并針對整個降雨產沙過程進行動態監測，了解不同配置組合下植被過濾帶減少養分流失的作用變化，為典型的侵蝕溝道坡面的水土流失防治及植被過濾帶措施的設計應用提供參考。

本試驗以降雨強度、坡度及植被帶設置方式為變量，設計不同組合下的人工降雨試驗。在徑流產生后的第1、7、13、19、25 min 收集樣品，分別對樣品徑流及沉積物中總氮、總磷的含量進行測定，對比分析不同配置的植被過濾帶作用下總氮、總磷在降雨過程中含量隨時間的變化，得出如下結論。

1）不同降雨強度、坡度及植被設置方式下植被過濾帶的坡面徑流和沉積物中的總氮、總磷含量隨時間的變化趨勢并不一致。

2）降雨強度、坡度及植被設置方式多重因素的共同作用會對植被過濾帶的氮、磷去除效果和作用過程產生不同的影響，與單一因素影響作用的研究結論可能存在較大差異，表明降雨強度、坡度和植被設置方式綜合作用對植被過濾帶的影響可能互相疊加或抵消。

3）植被過濾帶的作用效果與降雨條件及地形條件有關，當外部條件發生變化時原本處于優勢的植被過濾帶去除氮、磷的作用過程也會發生變化。

綜上所述，在坡面應用植被過濾帶的水土保護措施時，要根據當地具體的氣候地形合理選擇使用，以起到減少土壤侵蝕、保護生態和美化環境的作用。今后可以從更多植被帶設置方式方面入手進行更為詳細的坡面氮、磷流失規律研究，以更好地指導植被過濾帶的規劃設計，最大程度發揮其在水土流失和非點源污染方面的作用。