不同植物配置模式坡耕地面源污染生態阻控特征

王 磊, 索琳娜, 魏 丹, 丁建莉, 鄭云霞, 蘇劉燕, 安志裝

(北京市農林科學院 植物營養與資源研究所, 北京 100097)

伴隨農業生產過程中農藥、化肥的廣泛應用，造成其面源污染日益加劇，從而導致一系列危害性問題，例如水體水華現象、農產品質量不達標等，給人們的身體健康形成了嚴重的危害。當前得到廣泛認可的生物防治方法之一是構建植物籬。該方法不但能夠降低水流以及土壤養分的流失速度，而且還能夠使水穩性土壤團粒構造得到改善[1]，尤其是應用在陡坡地當中，其成效更為顯著[2]。Zhao等研究不同植物在降水強度存在差異化，土壤水分含有量以及坡度差異化條件下的徑流特點，從而得出，植被能夠使產流時間得到延長，使徑流系數得到縮減[3]。黃欠如等研究發現由香根草(Vetiveriazizanioides)植被所構成的植物籬在我國南部區域應用較多，尤其是在紅壤陡坡地區，其對徑流以及泥沙的阻攔率依次為29%～72%，56.25%～97.4%[4-5]。Donjadee等也對此展開了相關探討，從而得出，當土地坡度超過30%時，該植物籬所發揮出的徑流阻攔率能夠達到31%～69%，泥沙阻攔率能夠達到62%～86%[6]。李凱等也對此展開相關探索，重點區域分析了密云水庫岸濱地區，從而得出在自然降水環境下，由柳樹(Salixmatsudana)+丁香(Syzygiumaromaticum)+蒿(Artemisia)組成的植被結構可發揮最佳的減流效果，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[7]。如今，全球各國關于面源污染所進行的探索多數都是基于降水模擬或徑流沖刷的方式而實施的，未在實地進行驗證，在推廣應用方面存在較多的問題，因此開展天然降雨條件下植物配置模式防控面源污染對于坡耕地氮磷流失生態阻控具有很大的實踐意義。

密云水庫坐落在北京地區，是該地最重要的地表飲用水來源，也是北京市生態涵養區，保證密云水庫水質安全關乎北京市經濟綠色可持續發展和首都的社會安全穩定。該地區最大的面源污染源頭就是水源保護區陡坡地，要從根本上解決農業面源污染問題，要注重農業面源污染的“源頭控制”與“過程阻斷”，技術層面上要從優化生產技術著手。利用植物籬的建立與應用，來降低與防控面源污染給當地水質造成的污染，同時這也是進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生的影響，從而構建最佳植被配置的植被緩沖帶，從而為確保該水庫水質發揮關鍵作用。為實現植被配置效果的最佳化，該文利用8個差異化植被配置野外規模化徑流小區的構建，探索自然降水環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生的面源防控作用，從而為陡坡地區生態保護及防控植物配置方面發揮借鑒作用。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于密云縣一級水源保護區太師屯鎮太師莊村西南部(117°6′42.08″E，40°32′22.02″N)，其北邊分布著潮河，該河是最關鍵的進庫河，南部為清水河，地處暖溫帶，氣候類型是大陸季風氣候，其特點為半濕潤半干旱，其年均氣溫約為13.5℃。氣溫最大均值出現在7月份，其數值為26.7℃，最大值為40℃；氣溫最小均值出現在1月份，其數值為-1.7℃，最小值為-20℃。海拔155 m。土壤以均質壤型為主，面積比例高占89.8%，土壤主要以均質砂壤為主，主要分布于南部地區。

1.2 試驗設計

1.2.1 野外徑流小區分布及植被配置情況 將密云水庫北側太師屯鎮坡耕地當作研究對象，來開展該研究。在此地區建立長寬為10 m×5 m試驗區，數量為8個，對其徑流開展長久的定位測量。徑流監測小區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計量系統。試驗地安裝有自動雨量計。徑流小區監測時間開始于2015年4月1日，徑流小區采樣時間于2019年5月28日至2019年9月30日。

徑流小區的選取通常基于合適的土壤、氣候、植被結構等標準而確定，選取雀麥、野牛草、板藍根(Isatistinctoria)、苦參、薄荷、丹參和紫花苜蓿7種生態型且具有一定經濟價值的植物與密云水庫水源保護區主要種植果樹板栗進行間作或單獨種植。小區編號為1—8號，坡度均為10°，土地利用類型為林地、林草地(表1)。

表1 不同植被徑流小區配置情況

1.2.2 徑流小區取樣測定 在每次降雨后2～3 d內，及時采集導出自動監測系統中Grant Squirrel 2010數據記錄儀所監測記錄降雨和地表水徑流數據，通過對集水桶內清水的采樣與檢測，來獲得采樣的有關面源污染指標。

1.2.3 試驗數據測定及計算 自然降水中所收集全部徑流水采樣均在市農林科學院植物營養與資源研究所實驗室測定上述5個污染參數(TN，TP，COD，BOD5，TOC)，檢測辦法詳情參考表2。

表2 試驗小區土壤面源污染指標測定方法

選取2019年的3次天然降雨，不同植物配置模式下TN，TP、化學需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、總有機碳(TOC)所引起的流失量M進行計算，計算公式如下：

(1)

式中:Mki代表i標記區域內k數量的污染指標所導致的流失量(kg/hm2);Ckx代表i標記區域內k數量的污染指標于第x場降水條件下的質量濃度(mg/L);Rix代表i標記區域內第x場降水條件下的地表徑流量(m3/hm2)。

2 結果與分析

2.1 不同植被配置下產流狀況

根據2015—2018年水源保護區的降雨情況來看(圖1)，6—9月期間所產生的降雨頻率最高，此階段所產生的總體降雨量在全年內所占的比例達到了70.75%～88.21%。其中2015年7月21日發生特大暴雨，19 h內降雨量高達112.4 mm。

圖1 2015-2018年監測基地降雨量變化

對2015—2018年坡耕地徑流流失監測和測定數據進行分析(圖2)，其中2015年7月21日暴雨造成對照模式下徑流水量達到148 m3/hm2，全年的徑流水量達到300 m3/hm2，板栗與雀麥、野牛草、板藍根、苦參、薄荷、丹參和紫花苜蓿立體間作模式可減少徑流56.67%～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。2017年板栗與野牛草、板藍根、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年監測結果顯示，板栗與野牛草、板藍根、苦參和紫花苜蓿效果仍達到最好，相對于對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年這段時間內所產生的天然降雨情況中，各種植被配置區域徑流內所涉及的面源污染指標具體數值與消減率均值(圖3—4)。對于總氮來說，除板栗和紫花苜蓿間作模型外，其他間作模型處理與對照小區均無顯著性差異。其中，板栗和丹參間作處理小區徑流水中總氮消減率為12.30%。徑流小區徑流水中總磷含量各處理小區與對照間均無顯著性差異，其中苦參、薄荷、野牛草、紫花苜蓿、板藍根與板栗間作的處理小區經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外，其他間作模式小區，分別比對照小區徑流水中的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含量變化

圖4 天然降雨不同植被配置小區徑流中面源污染指標平均消減率

2.3 降雨對不同植被配置面源污染控制作用的影響

在此次分析過程中，主要選擇了3場極具代表性的天然降雨，時間分別是2019年的6月15日、7月23日以及8月6日，具體的雨強數據顯示為表3。首場的雨強均值為16.11 mm/h，總體的降雨量數據是96.7 mm，總計時間是6 h；第二場的雨強均值為14.05 mm/h，總體的降雨量數據是112.4 mm，總計時間是8 h；第三場的雨強均值數據是單位時間內(h)5.66 mm，總體的降雨量數據是62.3 mm，總計時間是11 h。從這些數據可以看出，3次降雨的雨強均值數據明顯減少，總的降雨時間是第一場<第二場<第三場。同時伴隨雨強的降低，這3種環境寫的面源污染情況也呈現出逐漸減少的現象。對各種植被配置所處徑流小區內含有的5種面源污染指標數值(分別為TN，TP，COD，BOD5，TOC)展開相應的運算，包括3次降雨所相差的數值與消減比進行計算，具體數值可以作為重要指標來評估降雨3和多種環境中，各種類型植被配置在面源污染限制與相應消減效用上的實際效果(表3)。

表3 3次天然降雨參數

不同植物配置區域在總計3次的降雨環境中，植物伴隨時間的流逝、降雨量的逐漸縮減、整個降雨強度的逐步降低， 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上所產生的消減比都超過了30%；TP流失產生的改變相對偏大，不同植物配置區域中TP的流失模數都出現了非常明顯地縮小(p<0.05)，各個植物配置對TP的消減比均在50%以上，其中板栗+苦參小區呈極顯著減小(p<0.01)；有機污染指標COD，BOD5，TOC的變化趨勢相似，不同植物配置區間內所形成的流失模數都出現了非常明顯地縮小(p<0.05)，其中板栗+板藍根、板栗+苦參、板栗+薄荷、板栗+丹參與對照相比呈極顯著減小(p<0.01)，除板栗+雀麥小區以外，各個小區植物配置對有機污染指標的消減均在70%以上，下降趨勢明顯(圖5—7)。

圖5 不同植物配置3次天然降雨對TN消減控制

3 討 論

植物籬植物需具備較強的抗蝕能力及改善土壤團粒結構和滲透性的能力。目前研究多為單一草種植的生態阻控效果，混播的試驗也大部分從增加根系生物量方面論證水土保持效果變化，而本文是通過不同植物配置模式研究其對密云水庫坡耕地徑流流失的消減效果，結果表明：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，從而保護當地的生態環境，而不同植物配置模式對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養分的競爭作用[12-13]、地上地下部生物量[14-16]和微生物分解、轉化等多方面因素造成[17-19]。而本文的研究結果表明板栗+苦參的徑流量比對照降低85.33%，對于徑流流失控制效果最佳。

依據黃生斌等學者就密云水庫地區相關面源污染荷載情況具體貢獻率的深入分析，可以得出在該區域內徑流水紙當中所含有的相關有機污染物質的指標分別是：COD含有量在70%左右，BOD5所占比例為70%左右，TOC約65%，有關養分流失的相應指標中：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現降低和控制水土流失及污染物向水體的遷移[21]。在此次分析過程中，重點針對上述5種不同的面源污染指標制定了嚴格的監管措施，從相關數據能夠說明植被配置的差異化可以在面源污染上發揮更加有效地控制效果，結果表明：植物間作的7個徑流小區對照板栗單種小區的面源污染指標值更小，且消減比均為正值，表明植被在對面源污染生態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次降雨的時間推移過程中比較得到板栗+苦參配置在對面源污染的控制上有著更大的潛力，為最優的面源污染生態阻控植物配置模式。

圖6 不同植物配置3次天然降雨對TP,COD消減控制

圖7 不同植物配置3次天然降雨對BOD5,TOC消減控制

4 結 論

(1) 天然降雨條件下，減流作用最好的是板栗+苦參小區，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外，其他間作模式小區，分別比對照小區徑流水中的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，綜合評價其最適合大量推廣。