林下生態系統攔截獼猴桃種植區氮磷徑流污染效果研究

李森胡家帥梁潔張可劉曉玲李朝均羅鴻兵，卿靜林源茂張笑笑安曉嬋張小洪

(1.四川省自然資源科學研究院，四川 成都 610015；2.四川農業大學環境學院，四川 成都 611130；3.四川水利職業技術學院，四川 成都 611231；4.四川農業大學土木工程學院，四川 成都 611830；5.村鎮建設防災減災四川省高等學校工程研究中心，四川 成都 611830；6.都江堰惠農生物技術有限責任公司，四川 都江堰 611830)

聯合國糧食及農業組織數據顯示，截至2020年，全世界已有20多個國家種植獼猴桃，收獲面積從2000年的12.7萬hm2增加至2020年的27.1萬hm2，20年間收獲面積增長了113.4%。2020年中國獼猴桃收獲面積為18.5萬hm2，占到世界總收獲面積的68.3%，中國已成為全球范圍內最大的獼猴桃種植國家(FAO 2020)。

獼猴桃種植不同于其它多年生果樹種植，其對上一年度貯存氮的依賴性很小，生長發育初期的氮元素主要依靠外源氮素供給[1]；而在坐果前后的階段既是獼猴桃的氮素吸收高峰期，也是獼猴桃的磷素需求高峰期[2]；這些生長特性決定了在獼猴桃在整個生育年需要施入很多的外源性氮磷肥料。為了保證獼猴桃的正常生長和果實豐收，實際管理中農民的多施肥高產出的傳統觀念依然普遍存在，如秦嶺北麓獼猴桃種植區氮肥和磷肥過量施入比例高達82%和52%[3]。過量施肥導致氮磷元素大量盈余累積于土壤之中，在有天然降水和進行灌溉形成地表徑流時，會產生極大的農業面源污染威脅[4，5]。在陜西秦嶺北麓集約化獼猴桃生產地區的研究中，已經明確了獼猴桃產業的發展顯著增加了當地水質惡化狀況，地表水和地下水中的硝酸鹽含量均顯著超標[6]。

四川省已成為我國第2大獼猴桃產區，其2018年獼猴桃種植面積和產量分別為4.6萬hm2、40.5萬t，種植面積位列全國第2名，產量位列第4名[7]。龍門山脈沿線的都江堰已經成為世界聞名的獼猴桃產地[8]，該區域存在大量分散的、耕地坡度大的山地獼猴桃種植園，加之多雨的氣候特征，使得該地正在遭受嚴重的獼猴桃種植面源污染威脅，而關于該地區獼猴桃種植區的氮磷污染及其防控方法研究尚鮮見報道。因此，本研究選擇位于都江堰市東岳廟附近的山地獼猴桃種植區為研究對象，在自然降雨形成徑流條件下對研究區氮磷污染物進行監測，分析林下生態系統對山地獼猴桃種植區氮磷的徑流污染攔截情況，旨在為獼猴桃種植的綠色發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本研究在四川省成都市都江堰市蒲虹路東岳廟附近進行(E103°39′15″，N31°4′38″)。該區域屬中亞熱帶濕潤季風氣候區，雨量充沛，降水主要發生在5—10月。2021年總降雨量為973mm。試驗地點主要種植露地獼猴桃，坡度較大，污染物主要由田間徑流產生。

1.2 試驗設計

山地獼猴桃農田地勢復雜，坡陡而急，且沒有固定的田坎和溝渠，這為降雨時面源污染的發生提供了有利條件。山地獼猴桃農田周圍土壤結構復雜，加大了面源污染治理技術的實施難度。但山地獼猴桃農田周圍的樹林和林下自然生長的植物，如凹葉景天、鴨兒芹、毛蕨、柔毛路邊青、小葉桑、歐洲鳳尾蕨、求米草、山莧菜、菖蒲等，對氮磷污染物有一定的攔截作用，這在一定程度上為山地獼猴桃種植面源污染治理提供了基礎。因此，本研究針對獼猴桃種植山地農田構筑了林下生態系統來進行氮磷污染物的防控處理，依據山地獼猴桃農田所在區域的地形修筑田埂，使得降雨時形成的地表徑流按照指定路線流入林下生態系統區域；同時根據周邊實際環境情況，構建包含進水集水區、污染降解區和出水集水區的林下生態系統。整個降解區域面積約15m2，處理上游約150m2的獼猴桃田內徑流，實際建設效果圖見圖1。

圖1 林下生態系統的實地建設效果圖

1.3 樣品采集與指標測定

2021年共監測了4次降雨事件，分別是7月17日、7月26日、8月26日和9月14日。在每次降雨期間，分別采集進水集水區和出水集水區中的水樣約500mL，帶回實驗室并測定其中的總氮(TN)和總磷(TN)濃度。TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定(HJ 636-2012)，TP的測定采樣鉬酸銨分光光度法(GB 11893-89)。

1.4 數據統計與分析

使用IBM SPSS Statistics(v 27.0)專業版軟件對數據進行處理，使用R(V3.3.1)軟件對數據進行可視化處理。

2 結果與分析

2.1 林下生態系統降雨徑流水體中TN的濃度和去除率

林下生態系統降雨徑流水體中TN濃度變化見圖2。由圖2可知，不同降雨事件中，林下生態系統進水集水區TN的濃度范圍變化較大，為1.43～16.26mg·L-1。除第3次降雨事件外，其余降雨事件中，在降雨結束時均是進水集水區TN濃度高于出水集水區TN濃度。第1次、第2次和第3次降雨事件中，降雨歷時結束時的出水集水區濃度分別為13.5mg·L-1、7.13mg·L-1和7.68mg·L-1；相比各次降雨事件出水集水區TN濃度分別降低了17.0%、30.7%和34.9%，平均去除率為27.5%。雨水徑流從進水集水區經過凹葉景天、鴨兒芹、毛蕨等草類植物到達出水集水區時，TN濃度顯著降低，說明林下生態系統對氮污染物有較好的去除效果，起到了快速攔截的作用。

圖2 林下生態系統降雨徑流水體中TN濃度變化

2.2 林下生態系統降雨徑流水體中TP的濃度和去除率

林下生態系統降雨徑流水體中TP濃度變化見圖3。由圖3可知，不同降雨事件中，林下生態系統進水集水區TP的濃度整體偏低，且范圍變化較小，為0.01～0.23mg·L-1。所有降雨事件中，在降雨結束時均是進水集水區TP濃度高于出水集水區TP濃度。第1次、第2次、第3次和第4次降雨事件中，降雨歷時結束時的出水集水區濃度分別為0.01mg·L-1、0.01mg·L-1、0.06mg·L-1和0.06mg·L-1；相比各次降雨事件出水集水區TP濃度分別降低了83.9%、66.7%、66.7%和60.0%，平均去除率為69.3%。降雨期間，雨水徑流從進水集水區經過草類植物降解區到達出水集水區時，TP濃度顯著降低，說明林下生態系統對磷污染物同樣具有較好的去除效果，可以起到快速攔截的作用。

圖3 林下生態系統降雨徑流水體中TP濃度變化

3 討論

在坡度較大的山地獼猴桃種植區內，所有降雨事件中進水集水區TN濃度在絕大多數降雨時間內均顯著超過了地表水水環境質量Ⅴ類標準限值2mg·L-1，而進水集水區TP濃度在所有降雨時間內均未超過地表水水環境質量Ⅴ類標準限值0.4mg·L-1；由此可見，都江堰地區露地山地獼猴桃種植區的主要面源污染威脅是氮污染。當林地或草地被轉化為獼猴桃種植地后，由于常年過度人工施肥和過度利用(獼猴桃地內同步養殖和種菜)等，極易出現面源污染。加之山地獼猴桃種植區坡度較大的特點，極降雨時易形成雨水徑流將氮磷污染物攜帶到下游水體，導致一系列的水生態問題；因此，必須采取經濟可行的措施來控制山地獼猴桃的面源污染。

已有研究證實，在水體周圍建設人工草坪或人工林等，可以有效截留面源污染物[9]。受此啟發，在山地獼猴桃相鄰下游地區建立生態保護區或功能區，似乎是減少山地獼猴桃種植區地表徑流面源污染的可行手段；因此，因地制宜地在山地獼猴桃試驗地相鄰下游區域建立了林下生態系統。林下生態系統類似于植物籬等生態攔截技術，依賴于系統內原位生長的植物的攔截和吸收功能，將雨水徑流中的氮磷污染物截留在林下生態系統內，減少氮磷污染物隨水流向下游的河流中，從而達到凈化水質和保護生態的目的[10]。

林下生態系統內的凹葉景天、鴨兒芹、毛蕨等植物在生長過程中具有對氮磷的吸收和固定能力。本研究監測發現，相比于進水集水區，流經林下生態系統降解區域后，出水集水區TN濃度顯著降低，實現了17.0%～34.9%去除效果；這與其他學者使用生態溝渠降低農田面源污染的結果相似[11]。說明林下生態系統與生態溝渠等技術的攔截機理相似。但相比于生態溝渠等生態攔截技術，林下生態系統具有非常好的經濟性；只需要在山地獼猴桃地田周圍構建好田坎和地表徑流流水路徑，即可以利用下游自然生長的林下生態植物完成氮污染物的較好去除。

在監測期間，本研究第3次降雨事件中，降雨歷時結束時的出水集水區TN濃度反而略高于進水集水區TN濃度，這與大部分降雨事件中平均27.5%的TN去除率明顯不同。這可能與降雨強度有關，也可能與蔬菜種植額外的施肥等因素有關，具體原因需要進一步探究。

4 結論

都江堰地區露地山地獼猴桃種植區的主要面源污染威脅是氮污染，林下生態系統對這種類型的面源污染具有較好的攔截效果，在大多數降雨事件中，氮磷污染物經過林下生態系統處理后，氮磷濃度均顯著降低。由此可見，林下生態系統是一個簡單、經濟、有效的山地獼猴桃種植區面源污染防控措施，值得進一步研究和推廣應用。

需要注意的是，本研究林下生態系統雖然實現了氮磷的快速攔截，但該系統的出水TN濃度并沒有達到地表水水環境質量Ⅴ類水標準，后續應重點關注相應串聯處理技術等方面的研究。