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(fā)儲備局, 廣州 510635;2.廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所 廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510650;3.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101; 4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院, 廣州 510642)

點(diǎn)源污染與非點(diǎn)源污染能夠?qū)Φ乇硭a(chǎn)生嚴(yán)重危害，將威脅水生態(tài)系統(tǒng)和供水安全，近些年，非點(diǎn)源污染、農(nóng)業(yè)作為地表水水質(zhì)惡化的主要原因，已經(jīng)引起了越來越多的關(guān)注[1-3]，改革開放以來，廣東省農(nóng)業(yè)取得長足和持續(xù)發(fā)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(jīng)不能滿足人們對糧食的需求，過量的農(nóng)藥和化肥持續(xù)、不合理施加，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變化，養(yǎng)分利用率低，從而產(chǎn)生大量的養(yǎng)分流失，造成江河、水庫、湖泊等水體富營養(yǎng)化，廣東化肥使用量遠(yuǎn)高于國家平均水平和發(fā)達(dá)國家警戒線[4]，產(chǎn)生農(nóng)業(yè)面源污染問題日益嚴(yán)峻，已對廣東省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展形成嚴(yán)重制約。目前，國內(nèi)外已開展了許多關(guān)于面源污染控制技術(shù)的研究和相關(guān)工程，可根據(jù)其產(chǎn)生、遷移、轉(zhuǎn)化特點(diǎn)分為防治產(chǎn)污的“源環(huán)節(jié)”(如保護(hù)性耕作、控制的肥料管理技術(shù))和控制遷移的“匯環(huán)節(jié)”[5](如水體的生態(tài)護(hù)岸技術(shù)、浮床技術(shù)、濕地凈化技術(shù)等)。植被過濾帶(vegetative filter strip，VFS)是控制非點(diǎn)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(tǒng)組成，通過對徑流中污染物阻攔、吸收、滯留、沉積等物理、化學(xué)、生物過程，達(dá)到控制水土流失、面源污染、改善水環(huán)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(qiáng)土壤的抗沖性，從而降低高含沙水流流速并能促進(jìn)產(chǎn)生回水區(qū)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(yǎng)分流失[8-9]，在國內(nèi)，李懷恩[10]、鄧娜[11]等在陜西地區(qū)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(fā)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(tài)氮和顆粒態(tài)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(yàn)，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(dāng)進(jìn)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(dāng)進(jìn)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(dāng)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(qū)不同施肥措施和灌木緩沖帶對雷竹林徑流水中不同形態(tài)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(guī)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(zhì)、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(yǎng)分?jǐn)r截效果存在差異，往往制約了在不同區(qū)域生態(tài)推廣和應(yīng)用，有必要開展進(jìn)一步廣泛而深入研究。

華南地區(qū)特有的地理區(qū)位、氣候、種植結(jié)構(gòu)、養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)以及人口構(gòu)成等決定了其獨(dú)特的水土流失和面源污染特征，研究者們強(qiáng)調(diào)，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(chǎn)實(shí)踐地區(qū)來進(jìn)行研究[15]。因此，研究華南地區(qū)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(qū)常見紅壤及本地常見的香根草(Vetiveriazizanioides)構(gòu)建草地過濾帶，通過人工模擬降雨試驗(yàn)，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(qiáng)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(guī)?？茖W(xué)應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)研究區(qū)位于廣州市黃埔區(qū)九龍鎮(zhèn)洋田村(23°19′16.56″N,113°34′56.82″E)，屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，該區(qū)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(fēng)季節(jié)。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(qū)域大力發(fā)展蔬菜種植業(yè)，被確定為廣州市20個蔬菜專業(yè)村之一，不少農(nóng)戶長期種植蔬菜，蔬菜種植面積約1.334 km2，為了追求產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，生產(chǎn)中普遍存在農(nóng)藥、化肥不合理使用，造成嚴(yán)重環(huán)境污染。植被過濾帶人工降雨試驗(yàn)在該地生態(tài)環(huán)境研究所所建試驗(yàn)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(huán)境品質(zhì)(結(jié)構(gòu)與肥力)、地表及地下水質(zhì)、土壤生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)區(qū)面源污染等的變化過程與機(jī)理。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)設(shè)計2種種植模式(裸地、香根草)、2種坡度(2°和5°)，每個小區(qū)設(shè)置2次重復(fù)，隨機(jī)排列，共計8個小區(qū)。每個處理小區(qū)面積為1.5 m×8 m=12 m2，坡度設(shè)置為：每個小區(qū)設(shè)置一個徑流收集池。小區(qū)內(nèi)填裝區(qū)域內(nèi)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(zhì)壤土，有機(jī)質(zhì)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(qū)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(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行，施肥量為：310 kg/hm2，有機(jī)肥6 000 kg/hm2，肥料品種為芭田硝硫基(N-P2O5-K2O)和有機(jī)肥(蚯蚓糞)，有機(jī)肥作為底肥在整地時一次性施入。在小區(qū)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(fā)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(biāo)(表1)。

表1 徑流小區(qū)草本植物基本生長情況

試驗(yàn)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(diào)節(jié)閥和噴頭部件(圖1)。該裝置采用了先進(jìn)的專用模擬雨滴噴頭，噴頭內(nèi)可更換不同規(guī)格的雨滴調(diào)節(jié)片來控制雨強(qiáng)大小變化，從而形成從小到大的連續(xù)可調(diào)雨強(qiáng)，該系統(tǒng)采用側(cè)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(dá)到85%以上。由于華南地區(qū)地處東亞大陸東南緣，常年受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，加上北依南嶺，成為全國多余省份之一，該區(qū)降雨多以歷時短，強(qiáng)度大暴雨和特大暴雨為主，根據(jù)華南地區(qū)最大1 h降雨強(qiáng)度[16]及沿海地區(qū)1 h最大暴雨強(qiáng)度[17]，試驗(yàn)設(shè)置120，210mm/h兩個雨強(qiáng)，在珠三角地區(qū)具有典型代表意義。

圖1 人工模擬降雨設(shè)備示意圖

在蔬菜種植區(qū)邊界(0 m)，及距離邊界1，2，4 m的位置布設(shè)地表徑流采樣點(diǎn)，同一寬度上重復(fù)布設(shè)兩個采樣點(diǎn)，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(fù)3次，求其平均值，并在每個斷面測定水深，重復(fù)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(jié)束后，立刻帶回放進(jìn)實(shí)驗(yàn)室冰箱冷凍保存，并在24 h內(nèi)對監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)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(tài)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(jīng)過0.45 μm濾膜過濾后的水樣用來測定溶解態(tài)全磷，顆粒態(tài)磷(PP)含量為總磷和溶解態(tài)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(dá)：

(1)

式中：Rc為濃度削減率(%)；C進(jìn)為入流物質(zhì)濃度，C出為出流物質(zhì)濃度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS(IBM Version 22)統(tǒng)計分析軟件分析，采用T檢驗(yàn)，單因素方差分析(one way-AVOVA)和最小顯著參數(shù)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(tǒng)計方法建立變量間相關(guān)關(guān)系，作圖采用Origin 8.0軟件。

2 結(jié)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(yǎng)分輸出的主要動力因素，南方紅壤區(qū)地表產(chǎn)流多為蓄滿產(chǎn)流，土壤含水量對產(chǎn)流時間有很大影響，試驗(yàn)開始前，8個徑流小區(qū)土壤的平均含水量為28.9%，處于濕潤狀態(tài)，且各小區(qū)間土壤含水量無顯著性差異(p>0.05)，初始產(chǎn)流時間為3.0～4.5 min。

當(dāng)徑流、泥沙經(jīng)過植被過濾帶，由于植物的根系和桿莖系統(tǒng)以及枯枝落葉的作用，致使出流的物質(zhì)含量都要比進(jìn)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(qiáng)度的增大呈現(xiàn)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(qiáng)下，增加比較顯著(p<0.05)，與120 mm/h雨強(qiáng)相比，210 mm/h雨強(qiáng)下，2種坡度下香根草過濾帶小區(qū)內(nèi)，徑流流失量呈現(xiàn)出減少趨勢，并均達(dá)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(qiáng)度下植被過濾帶徑流流失量

小寫字母為與對照比較結(jié)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(shù)隨著坡度和降雨強(qiáng)度的增大呈現(xiàn)增加的趨勢，與裸地對照相比，香根草過濾帶單位產(chǎn)沙量減少范圍為16.00%～70.38%(圖3)，在120 mm/h和210 mm/h雨強(qiáng)下，不同坡度香根草過濾帶小區(qū)內(nèi)，侵蝕模數(shù)均呈現(xiàn)出減少趨勢，并均達(dá)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(xiàn)出不同的攔截效率，總體上隨著寬度的增加，攔截效率呈現(xiàn)增加的趨勢，當(dāng)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(wěn)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(qiáng)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(xiàn)減小趨勢，除了2°坡面在120 mm/h雨強(qiáng)下減小程度不顯著，其他處理，流速減小程度都達(dá)到了顯著水平(p<0.05)(表2)，這個結(jié)果與國內(nèi)外一些研究相同，說明植被能夠增大土壤的孔隙度和連續(xù)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(tài)，消減水流動能，減緩?fù)寥李w粒崩解下移，促進(jìn)泥沙淤積，調(diào)控泥沙流失。

2.2 植被過濾帶對全磷、顆粒態(tài)磷的攔截能力

對照的小區(qū)之間相比較，全磷和溶解性磷流失量隨著坡度及雨強(qiáng)的增大而增加，但未表現(xiàn)出顯著性(p>0.05)，在210 mm/h雨強(qiáng)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(tài)磷流失量都呈現(xiàn)出減少趨勢，且二者減少程度達(dá)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(tài)磷的流失量，存在顯著差異(p<0.05)。120 mm/h雨強(qiáng)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(tài)磷流失量為4.93～5.56 mg/L，與裸坡對照相比，全磷和顆粒態(tài)磷流失量減少程度達(dá)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(xiàn)出不同的攔截效率，總體上隨著寬度的增加，攔截效率呈現(xiàn)增加的趨勢，當(dāng)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(xù)增加，在27.53%～49.35%，差異不顯著(圖4)。顆粒態(tài)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(xì)顆粒所吸附，并在植被過濾帶內(nèi)部發(fā)生富集，這與泥沙被過濾帶有效攔截具有一定的相關(guān)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(jìn)一步探討影響植被過濾帶攔截效率的主要因素，采用最優(yōu)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(jìn)行相關(guān)性分析，由表4可知，各因子對徑流、泥沙、全磷流失量貢獻(xiàn)大小分別為雨強(qiáng)>帶寬>坡度，這表明華南地區(qū)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(xiàn)一定的相關(guān)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(xiàn)率

圖5 磷流失量與徑流、泥沙侵蝕之間關(guān)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(qū)降水多為短歷時，暴雨型，其產(chǎn)流特點(diǎn)多為蓄滿產(chǎn)流，產(chǎn)生的徑流對地表沖刷是地面物質(zhì)發(fā)生遷移的主要驅(qū)動力[20]，容易發(fā)生強(qiáng)烈的水土及氮磷等養(yǎng)分流失，雨強(qiáng)增加能夠引起徑流和泥沙流失量增大，通常認(rèn)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(rèn)為，在緩坡條件下，即2°～5°，增加入流流量和雨強(qiáng)，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(fā)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(nèi)部徑流速度變緩，攜帶泥沙出現(xiàn)一定的沉積，這可能是過濾帶在大雨強(qiáng)下仍然能發(fā)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(zhì)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(yàn)所設(shè)計的草本過濾帶攔截作用，也在上述范圍之內(nèi)，目前正常施肥情況下，暴雨雨強(qiáng)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(dá)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(xiàn)增加的趨勢，其他研究一般認(rèn)為，隨著坡度的增加，徑流速率增加，入滲量減少，從而會導(dǎo)致污染物質(zhì)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(qū)地勢相對平坦，坡度設(shè)置的比較緩，這與Cooper[24]，Gharabaghi[25]等研究結(jié)果一致。在華南地區(qū)平原河網(wǎng)地帶種植經(jīng)濟(jì)作物密集區(qū)，植被過濾帶除了要考慮寬度、雨強(qiáng)、植被類型外，還要考慮經(jīng)濟(jì)效益、景觀格局構(gòu)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(qiáng)這方面研究，同時建議在珠三角農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重區(qū)域，結(jié)合區(qū)域自然環(huán)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(yīng)用模式。

4 結(jié) 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(dá)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(xiàn)出不同的攔截效率，總體上隨著寬度的增加，攔截效率呈現(xiàn)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(fā)現(xiàn)影響植被過濾帶攔截效率的主要因素包括帶寬、坡度、雨強(qiáng)，各因子對徑流、泥沙、全磷流失量貢獻(xiàn)大小分別為雨強(qiáng)>帶寬>坡度，這表明華南地區(qū)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)。