不同植物配置模式坡耕地面源污染生態(tài)阻控特征

王 磊, 索琳娜, 魏 丹, 丁建莉, 鄭云霞, 蘇劉燕, 安志裝

(北京市農(nóng)林科學(xué)院 植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所, 北京 100097)

伴隨農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)藥、化肥的廣泛應(yīng)用，造成其面源污染日益加劇，從而導(dǎo)致一系列危害性問(wèn)題，例如水體水華現(xiàn)象、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等，給人們的身體健康形成了嚴(yán)重的危害。當(dāng)前得到廣泛認(rèn)可的生物防治方法之一是構(gòu)建植物籬。該方法不但能夠降低水流以及土壤養(yǎng)分的流失速度，而且還能夠使水穩(wěn)性土壤團(tuán)粒構(gòu)造得到改善[1]，尤其是應(yīng)用在陡坡地當(dāng)中，其成效更為顯著[2]。Zhao等研究不同植物在降水強(qiáng)度存在差異化，土壤水分含有量以及坡度差異化條件下的徑流特點(diǎn)，從而得出，植被能夠使產(chǎn)流時(shí)間得到延長(zhǎng)，使徑流系數(shù)得到縮減[3]。黃欠如等研究發(fā)現(xiàn)由香根草(Vetiveriazizanioides)植被所構(gòu)成的植物籬在我國(guó)南部區(qū)域應(yīng)用較多，尤其是在紅壤陡坡地區(qū)，其對(duì)徑流以及泥沙的阻攔率依次為29%～72%，56.25%～97.4%[4-5]。Donjadee等也對(duì)此展開(kāi)了相關(guān)探討，從而得出，當(dāng)土地坡度超過(guò)30%時(shí)，該植物籬所發(fā)揮出的徑流阻攔率能夠達(dá)到31%～69%，泥沙阻攔率能夠達(dá)到62%～86%[6]。李凱等也對(duì)此展開(kāi)相關(guān)探索，重點(diǎn)區(qū)域分析了密云水庫(kù)岸濱地區(qū)，從而得出在自然降水環(huán)境下，由柳樹(shù)(Salixmatsudana)+丁香(Syzygiumaromaticum)+蒿(Artemisia)組成的植被結(jié)構(gòu)可發(fā)揮最佳的減流效果，能夠降低62.9%，其中減沙效果最佳植被組合是毛白楊(Populustomentosa)+紫丁香(Syringaoblata)+葎草(Humulusscandens)，可減沙78.18%，另外，在面源污染防治方面成效最為顯著的植被組合為油松(Pinustabulaeformis)+金葉榆(Ulmuspumila)小區(qū)[7]。如今，全球各國(guó)關(guān)于面源污染所進(jìn)行的探索多數(shù)都是基于降水模擬或徑流沖刷的方式而實(shí)施的，未在實(shí)地進(jìn)行驗(yàn)證，在推廣應(yīng)用方面存在較多的問(wèn)題，因此開(kāi)展天然降雨條件下植物配置模式防控面源污染對(duì)于坡耕地氮磷流失生態(tài)阻控具有很大的實(shí)踐意義。

密云水庫(kù)坐落在北京地區(qū)，是該地最重要的地表飲用水來(lái)源，也是北京市生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，保證密云水庫(kù)水質(zhì)安全關(guān)乎北京市經(jīng)濟(jì)綠色可持續(xù)發(fā)展和首都的社會(huì)安全穩(wěn)定。該地區(qū)最大的面源污染源頭就是水源保護(hù)區(qū)陡坡地，要從根本上解決農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題，要注重農(nóng)業(yè)面源污染的“源頭控制”與“過(guò)程阻斷”，技術(shù)層面上要從優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)著手。利用植物籬的建立與應(yīng)用，來(lái)降低與防控面源污染給當(dāng)?shù)厮|(zhì)造成的污染，同時(shí)這也是進(jìn)行面源與水體污染治理與防控的良好手段與途徑，所以探討差異化植被配置給面源污染防控所產(chǎn)生的影響，從而構(gòu)建最佳植被配置的植被緩沖帶，從而為確保該水庫(kù)水質(zhì)發(fā)揮關(guān)鍵作用。為實(shí)現(xiàn)植被配置效果的最佳化，該文利用8個(gè)差異化植被配置野外規(guī)模化徑流小區(qū)的構(gòu)建，探索自然降水環(huán)境下差異化植被配置給面源污染所形成的制約作用，研究各種植被配置所產(chǎn)生的面源防控作用，從而為陡坡地區(qū)生態(tài)保護(hù)及防控植物配置方面發(fā)揮借鑒作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于密云縣一級(jí)水源保護(hù)區(qū)太師屯鎮(zhèn)太師莊村西南部(117°6′42.08″E，40°32′22.02″N)，其北邊分布著潮河，該河是最關(guān)鍵的進(jìn)庫(kù)河，南部為清水河，地處暖溫帶，氣候類型是大陸季風(fēng)氣候，其特點(diǎn)為半濕潤(rùn)半干旱，其年均氣溫約為13.5℃。氣溫最大均值出現(xiàn)在7月份，其數(shù)值為26.7℃，最大值為40℃；氣溫最小均值出現(xiàn)在1月份，其數(shù)值為-1.7℃，最小值為-20℃。海拔155 m。土壤以均質(zhì)壤型為主，面積比例高占89.8%，土壤主要以均質(zhì)砂壤為主，主要分布于南部地區(qū)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 野外徑流小區(qū)分布及植被配置情況 將密云水庫(kù)北側(cè)太師屯鎮(zhèn)坡耕地當(dāng)作研究對(duì)象，來(lái)開(kāi)展該研究。在此地區(qū)建立長(zhǎng)寬為10 m×5 m試驗(yàn)區(qū)，數(shù)量為8個(gè)，對(duì)其徑流開(kāi)展長(zhǎng)久的定位測(cè)量。徑流監(jiān)測(cè)小區(qū)底端留有徑流液出口，流入徑流液收集桶，徑流液收集桶安裝有自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)。試驗(yàn)地安裝有自動(dòng)雨量計(jì)。徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)時(shí)間開(kāi)始于2015年4月1日，徑流小區(qū)采樣時(shí)間于2019年5月28日至2019年9月30日。

徑流小區(qū)的選取通常基于合適的土壤、氣候、植被結(jié)構(gòu)等標(biāo)準(zhǔn)而確定，選取雀麥、野牛草、板藍(lán)根(Isatistinctoria)、苦參、薄荷、丹參和紫花苜蓿7種生態(tài)型且具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的植物與密云水庫(kù)水源保護(hù)區(qū)主要種植果樹(shù)板栗進(jìn)行間作或單獨(dú)種植。小區(qū)編號(hào)為1—8號(hào)，坡度均為10°，土地利用類型為林地、林草地(表1)。

表1 不同植被徑流小區(qū)配置情況

1.2.2 徑流小區(qū)取樣測(cè)定 在每次降雨后2～3 d內(nèi)，及時(shí)采集導(dǎo)出自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中Grant Squirrel 2010數(shù)據(jù)記錄儀所監(jiān)測(cè)記錄降雨和地表水徑流數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)集水桶內(nèi)清水的采樣與檢測(cè)，來(lái)獲得采樣的有關(guān)面源污染指標(biāo)。

1.2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定及計(jì)算 自然降水中所收集全部徑流水采樣均在市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所實(shí)驗(yàn)室測(cè)定上述5個(gè)污染參數(shù)(TN，TP，COD，BOD5，TOC)，檢測(cè)辦法詳情參考表2。

表2 試驗(yàn)小區(qū)土壤面源污染指標(biāo)測(cè)定方法

選取2019年的3次天然降雨，不同植物配置模式下TN，TP、化學(xué)需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、總有機(jī)碳(TOC)所引起的流失量M進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(1)

式中:Mki代表i標(biāo)記區(qū)域內(nèi)k數(shù)量的污染指標(biāo)所導(dǎo)致的流失量(kg/hm2);Ckx代表i標(biāo)記區(qū)域內(nèi)k數(shù)量的污染指標(biāo)于第x場(chǎng)降水條件下的質(zhì)量濃度(mg/L);Rix代表i標(biāo)記區(qū)域內(nèi)第x場(chǎng)降水條件下的地表徑流量(m3/hm2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被配置下產(chǎn)流狀況

根據(jù)2015—2018年水源保護(hù)區(qū)的降雨情況來(lái)看(圖1)，6—9月期間所產(chǎn)生的降雨頻率最高，此階段所產(chǎn)生的總體降雨量在全年內(nèi)所占的比例達(dá)到了70.75%～88.21%。其中2015年7月21日發(fā)生特大暴雨，19 h內(nèi)降雨量高達(dá)112.4 mm。

圖1 2015-2018年監(jiān)測(cè)基地降雨量變化

對(duì)2015—2018年坡耕地徑流流失監(jiān)測(cè)和測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(圖2)，其中2015年7月21日暴雨造成對(duì)照模式下徑流水量達(dá)到148 m3/hm2，全年的徑流水量達(dá)到300 m3/hm2，板栗與雀麥、野牛草、板藍(lán)根、苦參、薄荷、丹參和紫花苜蓿立體間作模式可減少?gòu)搅?6.67%～85.33%，其中板栗+苦參間作模式阻控效果最佳。2016年板栗與雀麥、野牛草、板藍(lán)根、苦參、薄荷、丹參和紫花苜蓿立體間作模式都不同程度上阻控坡耕地地表徑流量，降低幅度范圍為21.15%～58.85%，相比2015年阻控效果有些下降，這與降雨量下降有關(guān)。2017年板栗與野牛草、板藍(lán)根、苦參和紫花苜蓿效果較好，地表徑流分別下降57.50%，57.50%，72.50%和61.25%。2018年監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，板栗與野牛草、板藍(lán)根、苦參和紫花苜蓿效果仍達(dá)到最好，相對(duì)于對(duì)照處理地表徑流分別下降53.44%，63.74%，65.65%和61.83%。

圖2 2015-2018年天然降雨不同植物配置平均產(chǎn)流量

2.2 不同植被配置面源污染控制作用

在2015—2019年這段時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的天然降雨情況中，各種植被配置區(qū)域徑流內(nèi)所涉及的面源污染指標(biāo)具體數(shù)值與消減率均值(圖3—4)。對(duì)于總氮來(lái)說(shuō)，除板栗和紫花苜蓿間作模型外，其他間作模型處理與對(duì)照小區(qū)均無(wú)顯著性差異。其中，板栗和丹參間作處理小區(qū)徑流水中總氮消減率為12.30%。徑流小區(qū)徑流水中總磷含量各處理小區(qū)與對(duì)照間均無(wú)顯著性差異，其中苦參、薄荷、野牛草、紫花苜蓿、板藍(lán)根與板栗間作的處理小區(qū)經(jīng)流水中總磷消減率為88.04%～33.55%。綜上所述，苦參、野牛草、薄荷、紫花苜蓿和板栗的間作模式能有效的降低坡耕地的磷素流失，丹參和板栗間作模型可在一定程度上降低坡耕地的氮素流失。除雀麥和板栗間作小區(qū)外，其他間作模式小區(qū)，分別比對(duì)照小區(qū)徑流水中的COD，BOD5， TOC消減率為29.10%～95.04%，31.49%～93.60%和16.76%～62.17%。

圖3 不同植物配置3次天然降雨面源污染防控指標(biāo)含量變化

圖4 天然降雨不同植被配置小區(qū)徑流中面源污染指標(biāo)平均消減率

2.3 降雨對(duì)不同植被配置面源污染控制作用的影響

在此次分析過(guò)程中，主要選擇了3場(chǎng)極具代表性的天然降雨，時(shí)間分別是2019年的6月15日、7月23日以及8月6日，具體的雨強(qiáng)數(shù)據(jù)顯示為表3。首場(chǎng)的雨強(qiáng)均值為16.11 mm/h，總體的降雨量數(shù)據(jù)是96.7 mm，總計(jì)時(shí)間是6 h；第二場(chǎng)的雨強(qiáng)均值為14.05 mm/h，總體的降雨量數(shù)據(jù)是112.4 mm，總計(jì)時(shí)間是8 h；第三場(chǎng)的雨強(qiáng)均值數(shù)據(jù)是單位時(shí)間內(nèi)(h)5.66 mm，總體的降雨量數(shù)據(jù)是62.3 mm，總計(jì)時(shí)間是11 h。從這些數(shù)據(jù)可以看出，3次降雨的雨強(qiáng)均值數(shù)據(jù)明顯減少，總的降雨時(shí)間是第一場(chǎng)<第二場(chǎng)<第三場(chǎng)。同時(shí)伴隨雨強(qiáng)的降低，這3種環(huán)境寫的面源污染情況也呈現(xiàn)出逐漸減少的現(xiàn)象。對(duì)各種植被配置所處徑流小區(qū)內(nèi)含有的5種面源污染指標(biāo)數(shù)值(分別為TN，TP，COD，BOD5，TOC)展開(kāi)相應(yīng)的運(yùn)算，包括3次降雨所相差的數(shù)值與消減比進(jìn)行計(jì)算，具體數(shù)值可以作為重要指標(biāo)來(lái)評(píng)估降雨3和多種環(huán)境中，各種類型植被配置在面源污染限制與相應(yīng)消減效用上的實(shí)際效果(表3)。

表3 3次天然降雨參數(shù)

不同植物配置區(qū)域在總計(jì)3次的降雨環(huán)境中，植物伴隨時(shí)間的流逝、降雨量的逐漸縮減、整個(gè)降雨強(qiáng)度的逐步降低， TN的流失量也隨著減少，其中板栗+苦參、板栗+丹參顯著減小(p<0.05)，不同植物配置在TN上所產(chǎn)生的消減比都超過(guò)了30%；TP流失產(chǎn)生的改變相對(duì)偏大，不同植物配置區(qū)域中TP的流失模數(shù)都出現(xiàn)了非常明顯地縮小(p<0.05)，各個(gè)植物配置對(duì)TP的消減比均在50%以上，其中板栗+苦參小區(qū)呈極顯著減小(p<0.01)；有機(jī)污染指標(biāo)COD，BOD5，TOC的變化趨勢(shì)相似，不同植物配置區(qū)間內(nèi)所形成的流失模數(shù)都出現(xiàn)了非常明顯地縮小(p<0.05)，其中板栗+板藍(lán)根、板栗+苦參、板栗+薄荷、板栗+丹參與對(duì)照相比呈極顯著減小(p<0.01)，除板栗+雀麥小區(qū)以外，各個(gè)小區(qū)植物配置對(duì)有機(jī)污染指標(biāo)的消減均在70%以上，下降趨勢(shì)明顯(圖5—7)。

圖5 不同植物配置3次天然降雨對(duì)TN消減控制

3 討 論

植物籬植物需具備較強(qiáng)的抗蝕能力及改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和滲透性的能力。目前研究多為單一草種植的生態(tài)阻控效果，混播的試驗(yàn)也大部分從增加根系生物量方面論證水土保持效果變化，而本文是通過(guò)不同植物配置模式研究其對(duì)密云水庫(kù)坡耕地徑流流失的消減效果，結(jié)果表明：間作板栗+苦參>板栗+紫花苜蓿>板栗+薄荷>板栗+野牛草>板栗+丹參>板栗+板藍(lán)根>板栗+雀麥>板栗。這些成果有效表明了坡地上采取草帶種植的方式可以有效改善該類型土地的水土流失情況，從而保護(hù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，而不同植物配置模式對(duì)于徑流流失控制效果不同，這可能是由于植物間作體系中植物根系對(duì)養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)作用[12-13]、地上地下部生物量[14-16]和微生物分解、轉(zhuǎn)化等多方面因素造成[17-19]。而本文的研究結(jié)果表明板栗+苦參的徑流量比對(duì)照降低85.33%，對(duì)于徑流流失控制效果最佳。

依據(jù)黃生斌等學(xué)者就密云水庫(kù)地區(qū)相關(guān)面源污染荷載情況具體貢獻(xiàn)率的深入分析，可以得出在該區(qū)域內(nèi)徑流水紙當(dāng)中所含有的相關(guān)有機(jī)污染物質(zhì)的指標(biāo)分別是：COD含有量在70%左右，BOD5所占比例為70%左右，TOC約65%，有關(guān)養(yǎng)分流失的相應(yīng)指標(biāo)中：TN所占比重為70%左右，TP約90%[20]，大量研究表明，植物籬可以通過(guò)植物莖稈的攔截、根系的吸收、土壤的滲透及微生物的分解等多途徑實(shí)現(xiàn)降低和控制水土流失及污染物向水體的遷移[21]。在此次分析過(guò)程中，重點(diǎn)針對(duì)上述5種不同的面源污染指標(biāo)制定了嚴(yán)格的監(jiān)管措施，從相關(guān)數(shù)據(jù)能夠說(shuō)明植被配置的差異化可以在面源污染上發(fā)揮更加有效地控制效果，結(jié)果表明：植物間作的7個(gè)徑流小區(qū)對(duì)照板栗單種小區(qū)的面源污染指標(biāo)值更小，且消減比均為正值，表明植被在對(duì)面源污染生態(tài)阻控作用方面具有十分重要的意義。其中間作板栗+苦參徑流小區(qū)的徑流中總氮、總磷、COD，BOD5，TOC流失量分別降低78.49%，98.25%，97.43%，97.10%，89.04%，在3次降雨的時(shí)間推移過(guò)程中比較得到板栗+苦參配置在對(duì)面源污染的控制上有著更大的潛力，為最優(yōu)的面源污染生態(tài)阻控植物配置模式。

圖6 不同植物配置3次天然降雨對(duì)TP,COD消減控制

圖7 不同植物配置3次天然降雨對(duì)BOD5,TOC消減控制

4 結(jié) 論

(1) 天然降雨條件下，減流作用最好的是板栗+苦參小區(qū)，平均減流作用為70.58%，板栗+雀麥最差，但仍減流56%。

(2) 苦參、野牛草、薄荷、紫花苜蓿和板栗的間作模式能有效的降低坡耕地的磷素流失，丹參和板栗間作模型可在一定程度上降低坡耕地的氮素流失。除雀麥和板栗間作小區(qū)外，其他間作模式小區(qū)，分別比對(duì)照小區(qū)徑流水中的COD，BOD5， TOC消減率為29.10%～95.04%，31.49%～93.60%和16.76%～62.17%。

(3) 間作板栗+苦參徑流小區(qū)的徑流中總氮,總磷，COD，BOD5，TOC流失量分別降低78.49%，98.25%，97.43%，97.10%，89.04%，其消減作用最好，配置作用最優(yōu)，綜合評(píng)價(jià)其最適合大量推廣。