華南地區草被過濾帶對菜地徑流、泥沙和磷阻控效果及影響因素

陳旭飛, 劉 通, 程 炯, 邵明安, 孫傳諄, 劉 平, 黃 斌

(1.廣東省土地開發儲備局, 廣州 510635;2.廣東省生態環境技術研究所 廣東省農業環境綜合治理重點實驗室, 廣州 510650;3.中國科學院 地理科學與資源研究所, 北京 100101; 4.華南農業大學 公共管理學院, 廣州 510642)

點源污染與非點源污染能夠對地表水產生嚴重危害，將威脅水生態系統和供水安全，近些年，非點源污染、農業作為地表水水質惡化的主要原因，已經引起了越來越多的關注[1-3]，改革開放以來，廣東省農業取得長足和持續發展，然而，隨著人口的膨脹增長和向土地不斷的索取，土地已經不能滿足人們對糧食的需求，過量的農藥和化肥持續、不合理施加，導致土壤結構變化，養分利用率低，從而產生大量的養分流失，造成江河、水庫、湖泊等水體富營養化，廣東化肥使用量遠高于國家平均水平和發達國家警戒線[4]，產生農業面源污染問題日益嚴峻，已對廣東省農業可持續發展形成嚴重制約。目前，國內外已開展了許多關于面源污染控制技術的研究和相關工程，可根據其產生、遷移、轉化特點分為防治產污的“源環節”(如保護性耕作、控制的肥料管理技術)和控制遷移的“匯環節”[5](如水體的生態護岸技術、浮床技術、濕地凈化技術等)。植被過濾帶(vegetative filter strip，VFS)是控制非點源污染的“最佳管理措施”(best management practices，BMPs)之一，它主要是由土壤—植物系統組成，通過對徑流中污染物阻攔、吸收、滯留、沉積等物理、化學、生物過程，達到控制水土流失、面源污染、改善水環境目的，因此，許多國家已開展了過濾帶對水土流失和面源污染控制的研究，效果良好。植被可以通過不同部位降低流速，增加入滲，增強土壤的抗沖性，從而降低高含沙水流流速并能促進產生回水區域泥沙沉積[6-7]，通常植被過濾帶能夠分別攔截22%～55%徑流、52%～95%泥沙，并有效控制養分流失[8-9]，在國內，李懷恩[10]、鄧娜[11]等在陜西地區研究了沙棘—草本不同配置植被過濾帶攔截污染物能力，表明植被過濾帶能有效削減地表徑流中的懸浮固體,植被條件(生物量、剛度)、入流流量和入流懸浮固體濃度對凈化效果影響顯著,植被過濾帶對懸浮固體的削減主要發生在前10 m，在一次降雨徑流過程中，不同流量對懸浮固體、總氮、總磷、顆粒態氮和顆粒態磷的凈化效果變化較大，隨著入流流量的減小，植被過濾帶的凈化效果更為顯著，其中草地過濾帶的凈化效果最好。肖波等[12]通過渾水沖刷試驗，研究了狼尾草、野古草對徑流、泥沙及除草劑阿特拉津的去除效果，并指出當進水泥沙濃度為20～60 g/L時，植被過濾帶對泥沙的攔截率分別為85%～95%；當進水阿特拉津濃度為0.3～0.9 mg/L時，植被過濾帶對阿特拉津的攔截率分別為91%～95%。申小波等[13]研究了不同寬度下模擬草被攔截效果，表明當寬度分別為1，2，3 m時，模擬植被過濾帶對徑流、泥沙、總氮、總磷的攔截率分別為32%～69%，78%～92%，65%～84%，80%～95%。李榮斌等[14]研究了浙江地區不同施肥措施和灌木緩沖帶對雷竹林徑流水中不同形態氮流失的影響,研究表明灌木緩沖帶可以減少雷竹林地表徑流量的32.62%，可以減少常規施肥雷竹林徑流水中總氮濃度的81.33%。由此可見，由于土壤性質、地形坡度、過濾帶帶寬、污染物種類等因子綜合作用于植被過濾帶，致使其對徑流、泥沙、養分攔截效果存在差異，往往制約了在不同區域生態推廣和應用，有必要開展進一步廣泛而深入研究。

華南地區特有的地理區位、氣候、種植結構、養殖結構以及人口構成等決定了其獨特的水土流失和面源污染特征，研究者們強調，為了理解過濾帶空間上的相異性和功能上的時效性，需要在更廣泛的自然地形和生產實踐地區來進行研究[15]。因此，研究華南地區植被過濾帶對于水土流失及面源污染具有重要意義。本研究采用華南地區常見紅壤及本地常見的香根草(Vetiveriazizanioides)構建草地過濾帶，通過人工模擬降雨試驗，研究植被過濾帶對徑流、泥沙及磷的攔截效果，探討不同因素如降雨強度、坡度、帶寬因素對攔截效率的影響，并分析影響因素的重要性，為草地過濾帶大規?？茖W應用提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗研究區位于廣州市黃埔區九龍鎮洋田村(23°19′16.56″N,113°34′56.82″E)，屬于亞熱帶季風性氣候，該區雨量充沛，年降雨量1 694 mm，4—9月為雨季，降雨量占全年82%，7—9月為臺風季節。地形地貌以沖積平原和侵蝕臺地低丘陵為主，土壤類型為赤紅壤。該區域大力發展蔬菜種植業，被確定為廣州市20個蔬菜專業村之一，不少農戶長期種植蔬菜，蔬菜種植面積約1.334 km2，為了追求產量和經濟效益，生產中普遍存在農藥、化肥不合理使用，造成嚴重環境污染。植被過濾帶人工降雨試驗在該地生態環境研究所所建試驗基地開展，基地主要研究在不同田間管理、景觀配置等影響下，土壤環境品質(結構與肥力)、地表及地下水質、土壤生態系統、農業區面源污染等的變化過程與機理。

1.2 試驗設計

本試驗設計2種種植模式(裸地、香根草)、2種坡度(2°和5°)，每個小區設置2次重復，隨機排列，共計8個小區。每個處理小區面積為1.5 m×8 m=12 m2，坡度設置為：每個小區設置一個徑流收集池。小區內填裝區域內典型赤紅壤，砂粒(>0.05 mm)、粉粒(2～0.05 mm)和黏粒(<0.002 mm)含量百分比分別為48.9%，29.97%，21.13%，屬于砂質壤土，有機質含量12.89 g/kg，全磷含量1.16 g/kg，土壤容重為1.30 g/cm3，每個小區上方4 m種植蔬菜，肥料施用量、施用方法、施肥時間一致，并按當地農民習慣進行，施肥量為：310 kg/hm2，有機肥6 000 kg/hm2，肥料品種為芭田硝硫基(N-P2O5-K2O)和有機肥(蚯蚓糞)，有機肥作為底肥在整地時一次性施入。在小區下方4 m種植植被過濾帶，研究所用草本為香根草，播種時間為2017年6月，播種行距為50 cm。播種完畢后定期澆水并置于自然條件下生長，觀察其發芽、出苗等情況，并每隔1個月測量株高、密度、株徑、生物量等指標(表1)。

表1 徑流小區草本植物基本生長情況

試驗采用便攜式人工模擬降雨裝置，該裝置由水泵、過濾器、分(回)水器、供水管(含立桿活接頭)、噴頭立桿組成。分(回)水器和噴頭立桿配有壓力表、調節閥和噴頭部件(圖1)。該裝置采用了先進的專用模擬雨滴噴頭，噴頭內可更換不同規格的雨滴調節片來控制雨強大小變化，從而形成從小到大的連續可調雨強，該系統采用側噴式降雨，可使雨滴落地能量與自然降雨相似，保證雨滴模擬效果。降雨均勻度達到85%以上。由于華南地區地處東亞大陸東南緣，常年受亞熱帶季風氣候影響，加上北依南嶺，成為全國多余省份之一，該區降雨多以歷時短，強度大暴雨和特大暴雨為主，根據華南地區最大1 h降雨強度[16]及沿海地區1 h最大暴雨強度[17]，試驗設置120，210mm/h兩個雨強，在珠三角地區具有典型代表意義。

圖1 人工模擬降雨設備示意圖

在蔬菜種植區邊界(0 m)，及距離邊界1，2，4 m的位置布設地表徑流采樣點，同一寬度上重復布設兩個采樣點，模擬徑流開始后，每隔10 min間隔釆集一次徑流樣，同時用染色劑法測定坡面流流速，重復3次，求其平均值，并在每個斷面測定水深，重復3次，求其平均值，坡面流流速測定染色劑為高錳酸鉀。每次采集500 ml徑流樣品后，震蕩混勻，模擬降雨結束后，立刻帶回放進實驗室冰箱冷凍保存，并在24 h內對監測指標進行分析測試。通過稱量獲得徑流量，水樣過濾后于105℃烘干至恒重，計算泥沙含量?？偭?TP)和溶解態全磷(DP)采用過硫酸鉀—鉬銻抗分光光度法測定，混合水樣用來測總磷，經過0.45 μm濾膜過濾后的水樣用來測定溶解態全磷，顆粒態磷(PP)含量為總磷和溶解態磷之差。

植被過濾帶凈化效果的定量評價可以用下式來表達：

(1)

式中：Rc為濃度削減率(%)；C進為入流物質濃度，C出為出流物質濃度。

1.3 數據分析

試驗數據使用SPSS(IBM Version 22)統計分析軟件分析，采用T檢驗，單因素方差分析(one way-AVOVA)和最小顯著參數法(LSD)，分析不同處理，徑流量、泥沙量、磷含量的差異(p=0.05)，用Pearson統計方法建立變量間相關關系，作圖采用Origin 8.0軟件。

2 結果與分析

2.1 植被過濾帶對徑流、泥沙的攔截能力

地表徑流是土壤泥沙及養分輸出的主要動力因素，南方紅壤區地表產流多為蓄滿產流，土壤含水量對產流時間有很大影響，試驗開始前，8個徑流小區土壤的平均含水量為28.9%，處于濕潤狀態，且各小區間土壤含水量無顯著性差異(p>0.05)，初始產流時間為3.0～4.5 min。

當徑流、泥沙經過植被過濾帶，由于植物的根系和桿莖系統以及枯枝落葉的作用，致使出流的物質含量都要比進入植被過濾帶前的低，與裸地對照相比，香根草過濾帶對坡面徑流量都具有一定的攔截作用，徑流減少范圍為12.18%～43.11%(圖2)。

總體上看，徑流量隨著坡度和降雨強度的增大呈現增加的趨勢，但不同處理間也是存在著一定的差別。在210 mm/h雨強下，增加比較顯著(p<0.05)，與120 mm/h雨強相比，210 mm/h雨強下，2種坡度下香根草過濾帶小區內，徑流流失量呈現出減少趨勢，并均達到顯著水平(p<0.05)。在不同寬度下，徑流量攔截效率也有所不同，1～4 m寬度下，平均攔截效率分別為10.81%，17.74%，25.28%，在不同寬度下，徑流量攔截效率差異顯著(p<0.05)。

圖2 不同降雨強度下植被過濾帶徑流流失量

小寫字母為與對照比較結果，相同的小寫字母表示沒有顯著性差異(p>0.05)，不同小寫字母為存在顯著差異(p<0.05)。不同處理下，土壤侵蝕模數隨著坡度和降雨強度的增大呈現增加的趨勢，與裸地對照相比，香根草過濾帶單位產沙量減少范圍為16.00%～70.38%(圖3)，在120 mm/h和210 mm/h雨強下，不同坡度香根草過濾帶小區內，侵蝕模數均呈現出減少趨勢，并均達到顯著水平(p<0.05)，香根草過濾帶對泥沙起到了一定攔截作用。

在1～4 m不同寬度下，香根草表現出不同的攔截效率，總體上隨著寬度的增加，攔截效率呈現增加的趨勢，當在1 m位置時，攔截效率為14.04%～27.62%，在2 m位置植物的攔截作用比較明顯，為26.12%～47.13%，在2～4 m間，攔截效率逐漸趨于穩定(圖3)，不同寬度下，泥沙量攔截效率差異顯著(p<0.05)。

圖3 不同降雨強度下植被過濾帶土壤侵蝕量

由此可見，植被根系、莖稈能夠降低地表徑流流速，本研究中，與裸坡對照相比，植被過濾帶出流流速都呈現減小趨勢，除了2°坡面在120 mm/h雨強下減小程度不顯著，其他處理，流速減小程度都達到了顯著水平(p<0.05)(表2)，這個結果與國內外一些研究相同，說明植被能夠增大土壤的孔隙度和連續性，增加徑流入滲量，降低土壤分離速率，提高土壤抗沖性[18-19]，同時地表覆蓋度的增加，提高了地表粗糙度，緩解徑流形態，消減水流動能，減緩土壤顆粒崩解下移，促進泥沙淤積，調控泥沙流失。

2.2 植被過濾帶對全磷、顆粒態磷的攔截能力

對照的小區之間相比較，全磷和溶解性磷流失量隨著坡度及雨強的增大而增加，但未表現出顯著性(p>0.05)，在210 mm/h雨強下，與裸坡對照相比，不同坡度處理下香根草過濾帶全磷、顆粒態磷流失量都呈現出減少趨勢，且二者減少程度達到顯著水平(p<0.05)(表3)，攔截效率為34.25%～49.35%，同時，不同坡度間香根草過濾帶處理下，全磷和顆粒態磷的流失量，存在顯著差異(p<0.05)。120 mm/h雨強下，不同坡度處理下，香根草過濾帶全磷的流失量為6.16，7.32 mg/L，顆粒態磷流失量為4.93～5.56 mg/L，與裸坡對照相比，全磷和顆粒態磷流失量減少程度達到顯著水平(p<0.05)，攔截效率27.53%～41.08%，但二者不同坡度間的流失量，差異不顯著(p>0.05)(表3)。

表2 不同坡面平均流速變化情況 m/s

注：同行相同的小寫字母表示沒有顯著性差異(p>0.05)，不同小寫字母表示存在顯著差異(p<0.05)，下表同。

表3 不同處理條件下磷的流失情況 mg/L

在不同的寬度下，香根草對全磷表現出不同的攔截效率，總體上隨著寬度的增加，攔截效率呈現增加的趨勢，當在1 m位置時，攔截效率為4.35%～10.36%，在2 m位置植物的攔截作用比較明顯，為16.22%～23.30%，在2～4 m間，攔截效率持續增加，在27.53%～49.35%，差異不顯著(圖4)。顆粒態磷與全磷的流失趨勢及攔截效率相似，這主要是全磷中溶解性磷只占15%～19%，大部分被土壤中的細顆粒所吸附，并在植被過濾帶內部發生富集，這與泥沙被過濾帶有效攔截具有一定的相關性。

圖4 不同帶寬下植被過濾帶對磷的攔截效率

2.3 植被過濾帶影響因素

為了進一步探討影響植被過濾帶攔截效率的主要因素，采用最優尺度回歸法，對不同處理間的水文條件、坡度、帶寬等影響因素進行相關性分析，由表4可知，各因子對徑流、泥沙、全磷流失量貢獻大小分別為雨強>帶寬>坡度，這表明華南地區降雨是徑流、泥沙、全磷流失的主要控制因子，同時，帶寬對徑流、泥沙、全磷的流失量也可以起到一定的積極作用(p<0.05)，而且，全磷的出流濃度和流失量也與徑流、泥沙呈現一定的相關性(圖5)(R2=0.6898,R2=0.8229)，植被過濾帶對徑流、泥沙攔截效果在一定程度上決定了其對全磷的攔截效果。

表4 徑流、泥沙、磷流失量主控因子貢獻率

圖5 磷流失量與徑流、泥沙侵蝕之間關系

3 討 論

在我國，由于地域遼闊，南北自然條件存在很大差異，華南地區降水多為短歷時，暴雨型，其產流特點多為蓄滿產流，產生的徑流對地表沖刷是地面物質發生遷移的主要驅動力[20]，容易發生強烈的水土及氮磷等養分流失，雨強增加能夠引起徑流和泥沙流失量增大，通常認為，在坡度較陡的研究中，植被過濾帶的阻控效果會受到影響，但是Meyer[21]和Rose[22]等認為，在緩坡條件下，即2°～5°，增加入流流量和雨強，對植被過濾帶的攔截效果影響并不明顯，在本研究中由于2 m寬度發生作用明顯，且坡度較緩，沒有超過5°，香根草植被根系仍然能夠起到減少泥沙遷移的作用，使過濾帶內部徑流速度變緩，攜帶泥沙出現一定的沉積，這可能是過濾帶在大雨強下仍然能發揮效用的原因之一。同時，本研究中植被過濾帶攔截效果，并沒有像其他研究那么明顯，這主要是由于種植密度，坡地上植被覆蓋度等因素沒有那么高所引起。

植被過濾帶寬度也是地表物質流失減少的重要因素，研究表明，2～15 m寬度能夠有效減少全磷40%～80%，徑流泥沙減少30%～90%[23]，本試驗所設計的草本過濾帶攔截作用，也在上述范圍之內，目前正常施肥情況下，暴雨雨強沖刷過程中，4 m的植被過濾帶雖然可以對磷起到攔截作用，但還很難達到水框架指引中約束的磷含量要求。此外，雖然隨著坡度的增加，植被過濾帶的攔截效率呈現增加的趨勢，其他研究一般認為，隨著坡度的增加，徑流速率增加，入滲量減少，從而會導致污染物質的去除效率下降，但在本研究中坡度并不是主要影響因素，這主要是珠三角地區地勢相對平坦，坡度設置的比較緩，這與Cooper[24]，Gharabaghi[25]等研究結果一致。在華南地區平原河網地帶種植經濟作物密集區，植被過濾帶除了要考慮寬度、雨強、植被類型外，還要考慮經濟效益、景觀格局構造等因素。由于本研究所用植被過濾帶只涉及到香根草，還不足以對比不同類型植被過濾帶的效果和功能，在今后的工作中，還要加強這方面研究，同時建議在珠三角農業面源污染嚴重區域，結合區域自然環境特征，盡快建立開展植被過濾帶研究示范基地，探索和完善具有我國特色的植被過濾帶的應用模式。

4 結 論

(1) 香根草過濾帶能夠有效攔截徑流、泥沙、磷，攔截率分別可達到12.18%～43.11%，16.00%～70.38%，27.53%～49.35%。在不同的寬度下，香根草表現出不同的攔截效率，總體上隨著寬度的增加，攔截效率呈現增加的趨勢。

(2) 通過對不同處理間的水文條件、坡度、帶寬等影響因素分析，可以發現影響植被過濾帶攔截效率的主要因素包括帶寬、坡度、雨強，各因子對徑流、泥沙、全磷流失量貢獻大小分別為雨強>帶寬>坡度，這表明華南地區降雨是徑流、泥沙、全磷流失的主要控制因子，同時，帶寬對徑流、泥沙、全磷的流失量也可以起到一定的積極作用(p<0.05)。