楊 帆，劉贏(yíng)男，焉志遠(yuǎn)，黎叩晨，倪紅偉

緩沖帶在農(nóng)業(yè)面源污染防治上的應(yīng)用

楊 帆，劉贏(yíng)男，焉志遠(yuǎn)，黎叩晨，倪紅偉

（黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所，濕地與生態(tài)保育國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040）

農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)成為威脅水環(huán)境安全的一個(gè)重要因素，為了保證水質(zhì)安全，對(duì)進(jìn)入水體的農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行防治是十分必要的。緩沖帶在防治農(nóng)業(yè)面源污染上的功效已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，并在水污染治理上有一定的應(yīng)用前景。通過(guò)對(duì)緩沖帶的定義、宏觀(guān)和微觀(guān)結(jié)構(gòu)、氮磷元素流失機(jī)理以及不同國(guó)家和地區(qū)應(yīng)用緩沖帶去除農(nóng)業(yè)面源污染方面的研究，提出了我國(guó)緩沖帶在水環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用前景。

緩沖帶；農(nóng)業(yè)面源污染；防治

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)藥、化肥的濫用問(wèn)題比較突出，由此帶來(lái)的農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題也在進(jìn)一步加劇。緩沖帶是陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)間的過(guò)渡地帶，能有效防治由地表、地下徑流以及污水排放帶來(lái)的沉積物、懸浮固體、氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及其他污染物進(jìn)入水體而引起的污染。

1　緩沖帶的定義

緩沖帶，全稱(chēng)保護(hù)緩沖帶，是利用永久性植被帶阻斷污染物或有害物質(zhì)的受保護(hù)的土地［1］，緩沖帶是陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)地帶，直接影響著河流的小氣候，保護(hù)河流的水質(zhì)［2］。濱岸緩沖帶處在水生環(huán)境和陸生環(huán)境的交錯(cuò)地點(diǎn)，既受水體環(huán)境的影響，又受陸生環(huán)境的影響，具有明顯的邊緣效應(yīng)［3］。也有學(xué)者認(rèn)為，植被緩沖帶是指水體邊緣向岸坡爬升的植被帶。在20世紀(jì)70年代末，學(xué)術(shù)界首次出現(xiàn)了對(duì)河岸帶的定義。

2　緩沖帶的結(jié)構(gòu)

2.1緩沖帶植物分布

圖1　緩沖帶垂直結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Vertical structure of riparian buffer strip system

濱岸緩沖帶從河岸到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)如圖1［4］所示，可以分為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)三個(gè)區(qū)域：A區(qū)緊鄰河流的堤岸，該區(qū)植物的主要種類(lèi)以根系發(fā)達(dá)的喬、灌木速生樹(shù)種為主，對(duì)堤岸有較強(qiáng)的保護(hù)作用，起到了保土護(hù)坡的作用。B區(qū)是由高大落葉喬木、常綠喬木和小灌木組成，它們?yōu)橐恍﹦?dòng)物的棲息地，滿(mǎn)足水生食物鏈中重要的昆蟲(chóng)類(lèi)生物的生境需求。C區(qū)與農(nóng)田臨近，主要生長(zhǎng)著小灌木和草本，該區(qū)域通過(guò)小灌木和草本的過(guò)濾、吸收作用來(lái)去除和截留徑流中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及農(nóng)藥、殺蟲(chóng)劑等有害物質(zhì)，可適時(shí)適量收割，可有效移除徑流水中的污染物質(zhì)。

2.2緩沖帶植物組成

緩沖帶由不同生活型的植物組成如圖2［5］所示，它們是陸生植物、濕生植物和水生植物，是緩沖帶的重要組成部分，發(fā)揮著不同的作用。

圖2　緩沖帶全系列植被構(gòu)成圖Fig.2 Vegetation composition of riparian buffer strip system

緩沖帶的植物由本土的水生植物、濕生植物和陸生植物組成，水生植物又可分為挺水植物、浮游植物和沉水植物，它們起到過(guò)濾、截留和吸附作用，是污染物進(jìn)入水體的最后屏障。濕生植物是水生植物和陸生植物的過(guò)渡區(qū)域，大多分布于河流的堤岸邊。陸生植物中的喬木、灌木具有發(fā)達(dá)的根系，起到保護(hù)堤岸和防治水土流失的作用，草本植物通過(guò)對(duì)地表徑流的截留過(guò)濾，來(lái)降低污染物的含量。

3　緩沖帶防治農(nóng)業(yè)面源污染的機(jī)理

緩沖帶防治農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)鍵是通過(guò)減緩徑流的作用，沉降泥沙，增強(qiáng)過(guò)濾和吸附等功能，明顯降低氮、磷、病原體、懸浮物、有機(jī)質(zhì)和稀有金屬的濃度，在污染源和水體之間起到有效的屏障作用，防止污染物進(jìn)入水體。在這一過(guò)程中，包含了沉積、過(guò)濾、化學(xué)、吸附和微生物的相互作用等。

緩沖帶防治農(nóng)業(yè)面源污染主要機(jī)理有3個(gè)方面：第一，通過(guò)植物作用降低地表徑流流速，過(guò)濾和吸附顆粒態(tài)污染物。第二，植物吸收、土壤吸附溶解態(tài)污染物。第三，促進(jìn)氮的反硝化作用［6］。

農(nóng)業(yè)面源污染中的氮是通過(guò)物理、化學(xué)、生物化學(xué)過(guò)程對(duì)地表徑流、壤中流和地下徑流進(jìn)行轉(zhuǎn)移和凈化。許多學(xué)者研究顯示，植物的吸收和反硝化作用在緩沖帶去除氮的過(guò)程中是最主要的因素。土壤磷元素的流失主要是溶解態(tài)磷和固態(tài)磷，溶解性磷的流失主要通過(guò)地表徑流的溶解和解吸作用完成。

4　緩沖帶防治農(nóng)業(yè)面源污染的應(yīng)用

流經(jīng)緩沖帶的地表徑流流速降低，從而達(dá)到泥沙沉降、過(guò)濾、吸收和吸附污染物的作用。污染物的減少主要是通過(guò)沉積、過(guò)濾、吸附、微生物作用等過(guò)程來(lái)完成的。這樣能有效減少進(jìn)入河流、湖泊、水庫(kù)的氮磷營(yíng)養(yǎng)元素、農(nóng)藥化肥、除草劑等化學(xué)物質(zhì)。

挪威、瑞典和德國(guó)關(guān)于緩沖帶的相似研究發(fā)現(xiàn)：10m寬的緩沖帶可以去除75%的氮，但緩沖帶對(duì)磷的去除效率更高，一般情況下，緩沖帶可以截留3%～50%的氮，卻可截留65%～95%的磷［7，8］。Hawes和Smith的研究表明，寬度在4.8～49.2m的緩沖帶能夠去除來(lái)自農(nóng)業(yè)的面源污染，更寬的緩沖帶只能夠提供營(yíng)養(yǎng)元素的儲(chǔ)存空間，并不能提高緩沖帶吸收轉(zhuǎn)化營(yíng)養(yǎng)元素的效率［9］。Smith在新西蘭進(jìn)行的緩沖帶相關(guān)研究表明，10～13m寬的河邊牧場(chǎng)能截留地表徑流中的懸浮沉淀物和顆粒狀養(yǎng)分達(dá)80%以上，同時(shí)對(duì)溶解態(tài)N的去除率也達(dá)到了67%［10］。Delgado［11］和Heathwaite［12］的研究表明，草地河岸緩沖帶對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染治理具有很好的效果，對(duì)TN和TP的平均去除率分別為70%～95%和70%～98%。何聰?shù)韧ㄟ^(guò)不同結(jié)構(gòu)形式混播草本緩沖帶，含有生態(tài)草溝的混播草皮緩沖帶對(duì)TN、TP的去除能力最強(qiáng)，對(duì)徑流水TN和滲流水TN的質(zhì)量濃度消減達(dá)51.08%和58.75%，對(duì)徑流水TP和滲流水TP的質(zhì)量濃度削減率分別為51.31%和65.29%［13］。葉志敏、尹璇對(duì)深圳市水源地西麗水庫(kù)濱岸緩沖帶的研究發(fā)現(xiàn)，各種植物的種植方案對(duì)污染物（TP、TN、COD、SS）均有一定去除效果［14］。苗青等對(duì)百慕大、三葉草和高羊茅構(gòu)建的湖泊緩沖帶對(duì)污染物的凈化效果，百慕大對(duì)SS的去除率最大，3種草皮緩沖帶在試驗(yàn)槽前0.9m處的污染物去除效果最為明顯［15］。羅揚(yáng)、趙杭美等在蘇州河?xùn)|風(fēng)港選取高羊茅、百花三葉草和百慕大三種常見(jiàn)草種為研究對(duì)象，結(jié)果顯示，其中高羊茅固土能力突出，白花三葉草在土壤動(dòng)物多樣性維持上具有優(yōu)勢(shì)，而百慕大在土壤理化性質(zhì)調(diào)節(jié)方面具有顯著作用［16］。劉燕等利用白花三葉草、高羊茅、金葉女貞結(jié)合不同的配置模式研究，得出混合草本（高羊茅+白花三葉草）對(duì)TN、TP的去除效率分別為39.35%和50.89%，灌木+混合草本（白花三葉草+高羊茅+金葉女貞）對(duì)SS的截留效果最為明顯，去除率為86.71%［17］。

5　展望

農(nóng)業(yè)面源污染是水環(huán)境安全的重要威脅，緩沖帶

是由植物——水體——土壤構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)植物、土壤和微生物的截留、吸收和吸附作用來(lái)降低污染，防止農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)入水體。緩沖帶用來(lái)防治農(nóng)業(yè)面源污染具有自身的優(yōu)勢(shì)：第一，緩沖帶利用植物來(lái)降低地表徑流流速，從而使污染物得到凈化，同時(shí)植物的根系對(duì)堤岸也起到了保護(hù)作用，防止水土流失。緩沖帶能夠保護(hù)生物的多樣性，同時(shí)也為生物提供了棲息地，使周?chē)坝^(guān)得到了美化。第二，緩沖帶較工程水污染凈化設(shè)施方法簡(jiǎn)單，應(yīng)用成本低廉，節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力。因此，筆者建議，將緩沖帶工程廣泛地應(yīng)用到面源污染的防治上。緩沖帶的應(yīng)用具有以下前景：首先，農(nóng)業(yè)面源污染的防治需要多種措施共同完成，與其他水土保持措施結(jié)合來(lái)減少?gòu)搅骱统练e物的危害，防止水土流失。其次，應(yīng)用緩沖帶來(lái)防治農(nóng)業(yè)面源污染中的氮磷營(yíng)養(yǎng)元素、農(nóng)藥和殺蟲(chóng)劑等危害時(shí)，可以結(jié)合一些物理、化學(xué)和生物手段，使緩沖帶的效果更顯著。緩沖帶的研究在我國(guó)逐漸得到重視，我們應(yīng)加大緩沖帶的應(yīng)用研究，使緩沖帶的優(yōu)勢(shì)能得到更好的發(fā)揮。

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Study on pollution control of agricultural nonpoint source by means of buffer strips

YANGFan，LIUYing-nan，YANZhi-yuan，LI Kou-chen，NI Hong-wei
（National and Provincial Joint EngineeringLaboratoryofWetlands and Ecological Conservation，Institute ofNatural Resources and Ecology，HeilongjiangAcademyofSciences，Harbin 150040，China）

Agricultural nonpoint source pollution has become one of the m ost important threats to water environment safety.To ensure security of water environment，it is necessary to prevent and control agricultural non-point source pollution.Riparian buffer zone，which could effectively prevent and control agricultural non-point source pollution，has been widelyrecognized，and it alsohas a certain application on the source ofwater prevention. Based on the introduction of definition of buffer zone，structure of macro and microscopic，mechanism of nitrogen and phosphorus losing and research of different countries and regions of agricultural non-point pollution，the protection ofriparian buffer strips in the water environment was proposed.

Buffer strips；Agricultural nonpoint source pollution；Prevention and cure

X522

A

1674-8646（2015）04-0024-03

2015-01-13

黑龍江省院所基本應(yīng)用技術(shù)研究專(zhuān)項(xiàng)：松花江河岸濕地水質(zhì)凈化功能性植物篩選技術(shù)研究

黑龍江省科學(xué)院青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目：阿什河流域緩沖帶植物篩選及污染物去除效果研究

楊帆（1984-），女，黑龍江克山人，助理研究員，博士研究生，主要從事環(huán)境生態(tài)學(xué)研究。

倪紅偉（1964-），男，黑龍江雙城人，研究員，博士，主要從事濕地生態(tài)學(xué)、生物多樣性科學(xué)、恢復(fù)生態(tài)學(xué)等研究。