草本植被過濾帶對農業面源污染物的削減效果研究

張子喆，劉偉，周曉林，周馳譽，邵莉，孫炳香，徐瑤，楊林軍

(1.東南大學 能源與環境學院，江蘇 南京 210018；2.江蘇省水利科教中心，江蘇 南京 210096)

農業面源污染正嚴重威脅著生態環境和水資源[1-2]。因此，控制農田徑流流失和養分流失已成為改善中小河流水質的技術關鍵。植被過濾帶通常被用作管理農業地區面源污染的重要手段之一[3-4]，主要是因為它們通常位于農田與近鄰水體之間，能夠以削減、吸附、吸收等方式減少地表徑流中污染物向鄰近水體的輸送[5-8]。本研究采用南方丘陵區域本地常見草本植物黑麥草和麥冬草構建草被過濾帶，并通過模擬徑流沖刷實驗，量化分析了植被類型、初始土壤含水率、入流流量、入流濃度等4個因素對農業面源污染物削減效果的影響，旨為植被過濾帶的應用提供理論依據和設計支持。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

模擬徑流實驗裝置見圖1，由模擬徑流輸入部分、土槽部分組成。模擬徑流輸入部分包括用于供水的帶攪拌裝置的PE桶、清水桶和用于控制模擬徑流入流流量的蠕動泵。整個土槽由有機玻璃制成，土槽前端設置布水槽來保障入流均勻分布。土槽中間區域為模擬植被過濾帶部分，其長寬高分別為120 cm，30 cm，10 cm，并填入10 cm深的砂壤土(黏粒14%，粉粒 39%，砂粒 47%)，裝填容重為 1.26 g/cm3。土槽右側設有出流口，用于模擬自然條件下邊坡入滲水出流。土槽末端設有集水槽，用于收集地表徑流水樣。土槽置于坡度為 2.5°的可調節金屬支架上，以模擬土坡坡度。

圖1 模擬徑流實驗裝置圖Fig.1 Runoff experiment system

1.2 實驗設計

實驗共設三個土槽，其設置如下：1#裸地、2#黑麥草過濾帶、3#麥冬草過濾帶，于4月分別在2#土槽內進行撒播南方地區常見護坡草種黑麥草，播種密度分別為20 g/m2；3#土槽內栽種南方地區本地常見草被麥冬草苗，種植密度為80棵/m2。模擬徑流沖刷實驗于2021年7月進行，此時2#黑麥草過濾帶覆蓋度為90%，3#麥冬草過濾帶覆蓋度為80%。實驗開始前取一定量泥沙、磷酸二氫鉀、硝酸鉀與自來水加入攪拌桶中配制一定濃度的地表徑流模擬液，并采集濾帶土樣帶回實驗室測量土壤含水率。根據現場設施條件，實驗設計不同濃度和不同流量，通過調節蠕動泵來調節流量，當有地表徑流出流時，使用PP樣品瓶在入口和出口開始采樣，每次取水樣250 mL，每次采樣間隔5 min，每次模擬徑流沖刷實驗持續60 min。實驗結束后將入流切換至清水并持續30 min，避免削減在濾帶表面的污染物對下次實驗產生影響。所采實驗樣品采用重量法測量樣品中的懸浮固體顆粒(SS)；使用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測量樣品中的總氮(TN)；鉬酸銨分光光度法測量總磷(TP)含量。樣品經0.45 μm濾膜過濾后使用與TN、TP相同測試方法測量樣品中溶解態氮(DN)和溶解態磷(DP)，顆粒態氮和顆粒態磷分別由TN、DN和TP、DP差值求得。具體實驗設計見表1。

表1 實驗設計Table 1 Experimental design

1.3 數據處理

植被的存在不僅能夠削減徑流中的污染物，密集的根莖還能滯緩水流，增加入滲，從而使流入水體的污染物負荷減少。因此使用污染物濃度削減率和負荷削減率來評價植被過濾帶對徑流、懸浮物和氮磷的削減效果，計算公式見式(1)～式(3)[9]。

(1)

(2)

(3)

式中Rw——徑流削減效率，%；

Rc——污染物濃度削減效率，%；

Rm——污染物負荷削減效率，%；

Cin——徑流入流污染物濃度，mg/L；

Cout——徑流出流污染物濃度，mg/L；

Vin——徑流入流量，L/min；

Vout——徑流出流量，L/min。

2 結果與討論

2.1 植被條件對污染物削減效果的影響

由表2可知，與裸地相比，植被覆蓋明顯增加了濾帶對污染物的攔截能力，經計算，兩種植被過濾帶對SS、DN、PN、DP、PP的平均濃度削減效率比裸地增加了57.51%，17.33%、56.1%，7.71%，59.17%。植被覆蓋對顆粒態污染物(SS、PN、PP)削減效果的作用尤為明顯，其次是溶解態污染物。其原因是：徑流中SS、PN、PP的物理化學性質相對穩定，主要通過沉積的方式滯留。密集的植被莖稈可以提高地表阻力系數，降低地表徑流遷移動力，減緩徑流流速，而且密集的根莖可以使徑流流經濾帶時形成局部集中流，從而有利于顆粒物沉降。而溶解態污染物如DN、DP主要通過植物吸收及土壤顆粒吸附去除，效率相對較低[10]。此外，植被的存在還增加了入滲，不僅有利于顆粒態污染物在入滲過程中沉積，溶解態污染物在入滲過程中會被土壤和植被根系吸附和吸收，提高了污染物負荷削減效率。另外，由表2還可知，黑麥草過濾帶和麥冬草過濾帶對徑流的削減效率分別為50.93%和47.41%，明顯高于裸地狀態下的25.93%；其原因是：一方面，植被覆蓋增加了地表曼寧粗糙系數進而增加了水力停留時間；另一方面植被根系的穿插作用能夠改善土壤孔隙結構增大土壤飽和導水率進而提高入滲速率[11]。

表2 不同植被條件對污染物的削減效果Table 2 Removal efficiency of pollution by VFS under various vegetation cover

由圖2可知，植被類型對污染物的削減效果影響并不顯著。黑麥草過濾帶對SS、DN、PN、DP、PP的負荷削減效率分別為 90.82%，60.18%，86.24%，59.37%，88.80%；麥冬草過濾帶對SS、DN、PN、DP、PP的負荷削減效率分別為 89.38%，59.77%，82.67%，57.67%，81.57%。對于顆粒態污染物，黑麥草過濾帶對SS、PN、PP的濃度削減效率略高于麥冬草過濾帶，該現象是黑麥草和麥冬草雖然都是叢生根莖可分蘗草被，但黑麥草生長周期短且種植密度大，實驗時黑麥草過濾帶地表覆蓋度為90%，大于麥冬草80%的地表覆蓋度，黑麥草過濾帶的根莖密度更大。此實驗結果進一步證明了根莖攔截是徑流顆粒態污染物的主要攔截方式。而對于徑流中溶解態污染物，麥冬草過濾帶對DP、DN的濃度削減效果高于黑麥草過濾帶，DN的濃度削減效率大于DP。其主要原因，一方面是由于DP和DN的削減方式不同，DP主要通過土壤顆粒吸附，而DN的攔截主要通過植物吸收；另一方面是由于植物生長狀態不同，實驗于7～8月進行，南京溫度較高，黑麥草分蘗時受溫度影響生長遭到抑制，對DP、DN的吸收能力減弱且部分莖葉枯黃，而麥冬草正處于根莖分蘗和根塊膨大期，對DN、DP的吸收能力較強[12]。

圖2 不同植被條件對污染物的削減效果Fig.2 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various vegetation cover a.污染物濃度削減效率；b.污染物負荷削減效率

基于上述分析，在植被類型的選擇上，可以根據實際需求，選擇生長于本地，生長周期合適，根系發達，覆蓋度高，對氮磷吸收能力強的草本植被。

2.2 土壤初始含水率對污染物削減效果的影響

由于各地區植被覆蓋度和降雨條件不同，其土壤初始含水率往往不同，而土壤的干濕程度會對徑流的入滲速率和出流產生影響進而影響污染物的削減效果。因此需要考慮土壤初始含水率的影響。在進行模擬地表徑流沖刷實驗前，取表層土壤測量含水率，在土壤含水率分別為18%(干)和36%(濕)狀態下對2#黑麥草、3#麥冬草被過濾帶進行4次實驗，其結果見表3。

表3 不同初始土壤含水率下兩種植被過濾對污染物的削減效果Table 3 Removal efficiency of pollution by the VFSs under different vegetation cover

由表3可知，土壤初始含水率對徑流削減效果影響顯著，當土壤初始含水率為18%時，2#、3#草被過濾帶徑流削減率分別為58.33%，61.11%，明顯高于含水率為36%時的50.93%，47.41%。其原因是地表徑流流經低含水率土壤時入滲速率更高，且低含水率的土壤達到飽和所需水量更多。

由圖3可知，土壤初始含水率較低時，污染物負荷削減效率相對較高；土壤初始含水率會對污染物濃度產生影響。對于顆粒態污染物，兩種草被過濾帶在土壤初始含水率為18%時SS、PN、PP的濃度削減效率分別為 78.41%，69.84%，71.24%；74.62%，57.26%，77.17%，低于36%時的 81.3%，71.97%，77.17%；79.8%，67.05%，64.96%，其主要原因可能是初始含水率低的土壤粘結力比含水率高的土壤小，因此其表面的細小顆粒相對較多。對于溶解態磷，兩種草被過濾帶在含水率為18%時的DP的濃度削減效率分別為20.13%，22.24% 略微高于36%時的17.21%，19.51%，其原因可能是當地表徑流流經植被過濾帶時，磷素會在靜電力、某些化學吸附力及范德華力等作用下吸附在土壤顆粒表面沉積下來[13]。對于溶解態氮，土壤含水率的變化對于DN的削減效果幾乎無影響，其原因可能是硝態氮的物理化學性質更穩定，不易于吸附在土壤小顆粒表面形成固體結合態氮沉積[14]。

圖3 不同初始土壤含水率下兩種植被 過濾帶對污染物的削減效果Fig.3 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various initial soil water content a.污染物濃度削減效率；b.污染物負荷削減效率

基于上述分析，土壤含水率較低時雖然有利于徑流削減，但也會增加植被過濾帶自身產生的顆粒態污染物，降低對污染物的削減效率，在流速較高時甚至會形成二次污染。在實際的農業面源污染控制中，需結合當地的植被覆蓋度和降雨條件來判斷土壤初始含水率的大小。

2.3 入流濃度對污染物削減效果的影響

結合實驗現場設施條件在小流量(0.9 L/min)、土壤初始含水率為36%下，設置了高、中、低三種進水濃度(具體污染物濃度見表1)，在2#黑麥草過濾帶和3#麥冬草過濾帶上進行6次模擬徑流沖刷實驗(處理為2、4、5、3、6、7)，6種處理污染物削減效果見表4。

由表4及圖4可知，入流污染物濃度會對凈化效果產生影響，兩種草被過濾帶對污染物負荷削減效果均隨濃度增大而減小，說明當濃度增大時，污染物流失量也會增大。入流濃度變化時DN削減效率的變化最為顯著，入流濃度從7.77～8.73 mg/L增加到17.67～18.95 mg/L時，2#黑麥草過濾帶的DN濃度削減效率從18.85%降至5.08%，3#麥冬草過濾帶的DN濃度削減效率從23.50%降至12.77%；當入流濃度為12.15 mg/L時麥冬草過濾帶對DN濃度削減效率最大，而黑麥草過濾帶則隨入流中DN濃度增大，說明麥冬草過濾帶能承受從低濃度至中濃度DN濃度變化。相比較于DN，入流濃度對DP削減效率影響較小，當入流DP濃度為0.69～0.72 mg/L 時，兩種草被過濾帶的DP濃度削減效率最高。其原因是對于溶解態氮磷，植被對氮磷的吸收能力和土壤對氮磷的吸附特性是其去除的主要影響因素，麥冬草對氮素的吸收能力大于黑麥草，而兩種草被對磷素的吸收無顯著差異。此外，土壤中可溶性氮磷的解析作用也會對削減效果產生影響，當入流濃度較小時，溶解性氮磷出流濃度會高于入流濃度，導致削減效率為負值[15]。

表4 不同濃度下兩種植被過濾帶對污染物削減效果Table 4 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various inflow concentrations

入流濃度會對SS、PN、PP削減效果產生影響，由表4可知，入流濃度從低濃度增大至高濃度時，2#過濾帶SS、PN、PP濃度削減效率分別從81.30%降至76.89%、71.97%降至64.87%、77.17%降至 69.34%；3#過濾帶SS、PN、PP濃度削減效率分別從79.8%降至68.89%、67.05%降至 61.84%、64.96% 降至60.49%。其主要原因是顆粒態污染物主要通過沉積的方式去除，當徑流中的細顆粒物流經濾帶時會堵塞孔隙，從而降低顆粒態污染物削減效率，入流濃度增加即負荷增大會加劇堵塞，尤其是在長期運行的情況下會使得植被過濾帶對顆粒態污染物削減效果減小。

圖4 不同濃度下兩種植被過濾帶對污染物削減效果Fig.4 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various inflow concentrations a、b.黑麥草過濾帶；c、d.麥冬草過濾帶

2.4 入流流量對污染物削減效果的影響

本實驗根據現場設施條件，分別在2#黑麥草過濾帶和3#麥冬草過濾帶設計3種入流流量(0.9，1.2，1.5 L/min)共計6種不同處理下進行模擬徑流沖刷實驗(處理為2、8、9、3、10、11)，其對污染物的削減效果見表5。

由表5及圖5可知，入流流量變化時，2#黑麥草過濾帶和3#麥冬草過濾帶對徑流中SS、PN、PP的濃度和負荷削減率均有顯著變化。當入流流量從 0.9 L/min 增加到1.5 L/min時，2#植被過濾帶對SS、PN、PP的濃度削減效率分別從81.3%降至 64.37%、71.97% 降至 56.33%、77.17%降至 54.21%；對SS、PN、PP的負荷削減效率從90.82%降至75.06%、從86.24%降至69.43%、從88.80%降至67.95%。入流流量越大，顆粒態污染物削減效果越差。該主要原因是入流流量或流速增大導致顆粒態污染物的停留時間變短，入滲水量變小，顆粒態污染物難以沉降。此外，入流流量增大時，徑流對地表沖刷作用更強，從而徑流攜沙能力變大，進而地表徑流出流中顆粒態污染物濃度增大，最終導致污染物削減效果變差。鄧娜等[16]得出的入流流量越小，植被過濾帶凈化效果越顯著，與本文結果相同。

表5 不同入流流量下兩種植被過濾帶對污染物削減效果Table 5 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various inflow discharges

由圖5可知，不同入流流量下，兩種植被過濾帶對徑流中DN、DP濃度削減效率的變化不顯著。其原因可能是相較于其他文獻，本實驗設定的入流流量范圍較小。

圖5 不同入流流量下兩種植被 過濾帶對污染物削減效果Fig.5 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various inflow discharges a、b.黑麥草過濾帶；c、d.麥冬草過濾帶

由以上分析可知，入流流量對顆粒態和溶解態污染物的削減效果有顯著影響，入流流量越小(水力負荷)，污染物削減效果越好。水力負荷變小等同于污染物植被過濾帶面積變大，在設計過濾帶時因充分考慮污染源區面積，對不同降雨事件下的產流進行量化分析并結合土地利用方式得到最佳設計方式。此外，草本植物相對于灌木、樹木較矮，當入流流量過大時，草被過濾帶內會形成淹沒流從而導致過濾帶削減效果變差[17]。因此在實際布置時還應充分考慮植被的生長周期和自身高度。

3 結論

本文通過室外地表徑流模擬液沖刷實驗，研究了不同條件下植被過濾帶對徑流中農業面源污染物的削減效果，可得出以下結論。

(1)與裸地相比較，草被過濾帶凈化效果顯著；黑麥草和麥冬草過濾帶削減污染物效果顯著差異，黑麥草過濾帶對顆粒態污染物削減效果更好，麥冬草過濾帶對溶解態污染物削減效果更好。

(2)較低的土壤初始含水率有利于減少流于鄰近水體的污染物負荷，土壤初始含水率對徑流削減效果的影響尤為明顯，含水率較低(18%)時，徑流削減率達61.11%。

(3)入流濃度增大即污染物負荷增大時，污染物凈化效果變差，負荷削減效率降低，污染物流失增大。入流濃度對污染物凈化效果的影響與污染物性質有關，入流濃度對DN的影響最為顯著，其次是顆粒態污染物。

(4)入流流量是影響污染物削減效果的重要因素，較小的入流流量有利于污染物削減，入流流量對地表徑流的截留效果及顆粒態污染物的凈化效果的影響尤為明顯；入流流量對溶解態污染物無明顯影響。

通過沖刷實驗研究了黑麥草和麥冬草兩種過濾帶在不同處理下對農業面源污染物的削減效果，為南京等南方丘陵地區農業面源污染控制提供了理論依據；未來還應該在實驗室和野外進行更多實驗，研究植被過濾帶在長期運行時對農業面源污染物的削減效果。