鄱阳湖滨岸带对N素的净化及其影响因素

唐 丹，张展羽，夏继红，杨 洁，盛丽婷，陈晓安,

(1.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098; 2.江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029)

鄱阳湖流域是江西省重要农产品生产区，耕地面积占流域总土地面积的42.1%[10]，化肥和农药施用量的增加使水环境中的污染风险骤增[11]。近年来，鄱阳湖生态经济区的建设取得了显著成效[12]，但是关于应用滨岸带技术对农业面源污染进行治理的研究尚不完备。本研究以鄱阳湖周边土壤、水体为研究对象，在调查取样的基础上分析鄱阳湖滨岸带中N素的分布特征，并探讨滨岸带中N素运移净化的影响因素，以期为鄱阳湖滨岸带的建设提供参考。

1 样品采集与研究方法

1.1 研究区概况

鄱阳湖(28°22′N～29°45′N，115°47′E～116°45′E)位于长江中下游南岸，江西省北部，是我国第一大淡水湖。鄱阳湖流域面积达16.22×104km2，与赣江、抚河、信江、饶河、修水(以下称“五河”)尾闾相接，湖水调蓄后经湖口注入长江，是一过水性、吞吐型、季节性的浅水湖泊[13-14]。研究区内属温暖湿润的亚热带季风气候，年均气温16.5～17.8℃，年均降雨量为1 570 mm，具有降雨年际变化大的特点，入湖径流主要集中在6—9月，约占全年降雨的60.7%[15-16]。4—9月份因“五河”来水增多和长江干流洪水倒灌，水位上涨、湖面扩大，湖泊面积最大时可达4 000 km2，10月后稳定退水，湖面缩小成一线，湖泊面积最小时不足500 km2[17-18]。

1.2 样点布设

根据鄱阳湖周边地形、滨岸带结构与建设管理情况以及土地利用类型，围绕鄱阳湖共设置14个采样点，具体位置和基本情况见图1和表1。根据结构形式，鄱阳湖滨岸带主要分为两类：堤岸式滨岸带(D)，包括采样点S1、S6、S7、S8、S9、S10、S14；滩地式滨岸带区(T), 包括采样点S2、S3、S4、S5、S11、S12、S13。采样时间为2015—2016年，分别在鄱阳湖涨潮前后的5月份和10月份现场采样，利用GPS记录经纬度坐标，保证采样地点的一致。

图1 鄱阳湖滨岸带采样点位置

编号结构长度植被类型植被覆盖度代表性周边用地S1D较短b+c适中赣江中支入湖口水田S2T一般b+c适中修水入湖口旱地S3T较长b密集湖区滨岸水田S4T较长b+c适中湖区滨岸旱地S5T一般a无湖区滨岸沙场S6D一般b+c密集赣江南支入湖口水田S7D一般b适中赣江南支入湖口水田S8D短b适中抚河入湖口水田S9D较短b稀疏湖区滨岸水田S10D较短b密集饶河入湖口水田S11T较长b+c稀疏湖区滨岸旱地S12T较长a无湖区滨岸林地S13T一般b稀疏湖区滨岸城区S14D短a无湖区滨岸城区

注：滨岸带植被类型：a为无，b为草本，c为灌木；缓冲带长度：<5 m 为短，5～10 m为较短，10～30 m为一般，>30 m为较长；植被覆盖情况：<10%为无，10%～30%为稀疏，30%～70%为适中，>70%为密集。

1.3 样品采集

在所选滨岸带布设土壤采样点，对滩地式滨岸带分临水、中段、耕地3个地带取样，对堤岸式滨岸带按其结构分区分别在临水区、临水护坡、背水护坡、背岸用地取样。每个采样点取表层0～20 cm深度土壤装入自封袋中。所有土样带回室内，进行风干、过筛等预处理后采用凯氏定N法测定土壤全N质量比。同时，在所选勘测点采集近岸湖水和内陆周边田间、池塘水或灌渠水等，采集水样前对水样瓶进行3次以上润洗，加酸保存，带回室内，采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度计法测定水中TN质量浓度。

1.4 研究方法

1.4.1 N素净化规律的分析方法

N素从周边水体进入到近岸水体的过程中，滨岸带起到了良好的阻控作用。为了定量分析N素净化效果，采用净化率来表征，计算公式为

(1)

式中：E为滨岸带N素净化率，%；WTN-Z为周边水体TN质量浓度，mg/L；WTN-H为近岸湖水TN质量浓度，mg/L。

为研究堤岸式和滩地式两种滨岸带结构在N素运移规律上的差异，对两者采用了非参数K-S检验[19]，其检验统计量Dmn的计算式为

Dmn=max[|Sm(x)-Rn(x)|]

(2)

式中：Sm(x)、Rn(x)为两个样本的累计分布函数；m、n为两个样本的容量。根据Dmn和K-S统计量临界值Dmn,α的相对大小可判断研究样本之间的差异情况，α一般选为0.01或0.05，若Dmn≥Dmn,0.01，则差异性极显著，若Dmn≥Dmn,0.05则差异性显著，否则不存在显著性差异。

1.4.2 N素净化效果影响因素的分析方法

影响N素净化效果的因素包括滨岸带的结构、水文情况、土壤性质、土地利用格局、植被种类及覆盖度等，从可控性以及简易性的角度，本研究选取了滨岸带的结构、长度、植被类型、植被覆盖度、周边用地以及土壤性质6个因素。其中，土壤性质采用土壤K值来表征，计算公式为

(3)

式中：STN-L为临水区土壤TN质量比，mg/g；STN-Z为周边用地土壤TN质量比，mg/g。

表2 水体TN质量浓度空间分布统计

由于影响因素较多，故采用主成分分析法对其进行整理和排序。上述6个因素中滨岸带结构、植被类型、周边用地等属于分类变量，故需要对其进行赋值。按照赋值越高，越有利的原则，设滨岸带结构中滩地式为1，堤岸式为0；植被类型中，设无植被为0，草本植被为0.5，草本植被加木本植被为1；周边用地中，设林地为1，沙地为0.5，耕地、水田、城区为0。

2 鄱阳湖滨岸带中N素的分布特征

2.1 土壤中N素的分布特征

对采集的土样进行TN质量比的测定，并取均值进行分析，图2为滨岸带各采样点土壤TN质量比的空间分布。由图2可知，鄱阳湖滨岸带中土壤TN质量比平均值为(0.721±0.275)mg/g(共98个样本)，空间变异性较大。这主要与两方面因素有关：一是土地利用方式，二是土壤性质。土壤颗粒中砂含量较大时，可吸附的N营养盐会较少，土壤TN质量比较低，同时植被的配置、水文情况等也会对其造成一定的影响。

图2 鄱阳湖采样点土壤TN质量比分布

2.2 水体中N素的分布特征

鄱阳湖各采样点近岸及内陆周边水体TN质量浓度在汛期前后变化见表2和图3。水体TN质量浓度的变异系数范围为72.5%～87.2%，属于中等变异,说明空间分布不均，变异性较大。汛期前，近岸湖水TN质量浓度为(1.862±1.623)mg/L，内陆周边水体TN质量浓度为(2.780±2.107)mg/L；汛期后, 近岸湖水TN质量浓度为(1.630±1.396)mg/L，内陆周边水体TN质量浓度为(2.470±1.790)mg/L。对比汛期前后TN质量浓度可知，各采样点汛前5月水体TN质量浓度均高于汛后10月，这主要是由于春季是鄱阳湖地区农业活动的繁忙时节，人类活动导致外源输入N素较多[20]，而汛期大量降雨稀释并携带走了水体中累积的N素，导致水体TN质量浓度下降。从全年来看，鄱阳湖近岸湖水和内陆周边水体TN质量浓度都比较高，水体N素富营养化问题仍然存在。此外，对比各采样点内陆周边水体和近岸湖水发现，内陆周边水体TN质量浓度总要高于近岸湖水，这表明经过滨岸带的净化作用，水体中TN质量浓度有不同程度的削减。

(a) 5月份

(b) 10月份

3 鄱阳湖滨岸带N素的运移净化及影响因素

3.1 N素的运移净化

3.1.1 N素的运移

从本质上来讲，N素的产生、迁移与转化过程是其从土壤圈向其他圈层特别是水圈扩散的过程，因此用土壤TN质量比的分布情况来表征N素在滨岸带中的运移过程(图4)。由于滩地式和堤岸式两种滨岸带结构对N素的阻控机理不同，因此N素在两种结构下所表现出的运移规律具有较大差异。从总体上来说，周边用地中土壤TN质量比高于临水区，这主要是土壤吸附、植被吸收、微生物降解等物理-化学-生物作用降低了从周边用地迁移到临水区过程中水体的TN质量浓度[21]。在滩地式滨岸带中，耕地区土壤TN质量比为0.446～1.112 mg/g，并且随缓冲带宽度增加而降低；在堤岸式滨岸带中，背岸用地土壤TN质量比在0.757～1.886 mg/g，高于其他区的土壤TN质量比，但无明显的递减规律，其中S7、S14和S1样点临水区的土壤TN质量比高于背水护坡和临水护坡，这可能是水土流失将护坡中的N带入到堤坝两侧土壤并经过长期累积所致。研究表明，在淹水条件下，土壤中TN质量比越低，对水体中N的吸附能力就越强，释放N的能力越弱[22]，因此，在强降雨过程下，相比于堤岸式结构，滩地式滨岸带能够降低向水体中释放N营养盐的风险，有利于湖泊水体净化。

(a) 滩地式滨岸带采样点

(b) 堤岸式滨岸带采样点

3.1.2 N素的净化

周边水体和近岸湖水中的TN质量浓度受多种因素的影响，通过对二者进行Person相关性分析可知，相关系数为0.9，在0.01水平上相关，故采用二者的净化率E值来表征N素在滨岸带中的净化效果，E值的分布及变化趋势见图5。由图5可看出，各采样点5月和10月E值总体相差不大，但各个采样点之间具有明显不同。为检验这些差异是随机样点的差异还是结构不同所造成的差异，对两种滨岸带结构下的E值进行K-S检验，结果见表3。两者的K-S检验统计量Z值为1.604，渐近显著性水平值为0.012，均小于0.05，表明滩地式和堤岸式两种滨岸带结构对E值影响显著。汛期前，滩地式滨岸带和堤岸式滨岸带的E值分别为0.466±0.122和0.214±0.129，汛期后，两者E值分别为0.479±0.149和0.232±0.093，表明滩地式滨岸带的净化效果优于堤岸式且空间差异较小。这一方面是因为在堤岸式滨岸带中，地表对N素的阻控过程被弱化，且鄱阳湖堤岸带多为硬质护坡，隔绝了原土壤的物质交换作用[23]，导致对N素的吸附效果不佳，进一步降低了滨岸带的净化作用；另一方面鄱阳湖滨岸带的宽度多表现为滩地式大于堤岸式，而流经滨岸带的含N水体的净化效果与滨岸缓冲带的宽度正相关[24]，因此滩地式滨岸带净化效果明显。

图5 鄱阳湖5月和10月E值分布

采样月份滨岸结构样本数E平均值标准差Z显著性5T70.4660.122D70.2140.1291.6040.01210T70.4790.149D70.2320.0931.6040.012

3.2 N素净化效果的影响因素

将滨岸带的结构b1、长度b2、植被类型b3、植被覆盖度b4、周边用地b5以及土壤性质b6等因子所对应的原始数据进行标准化处理后，得到各影响因素的标准值b1z、b2z、b3z、b4z、b5z、b6z，并通过软件进行“降维”。将以上6个因子进行主成分分析，得出特征值和方差贡献的结果(表4)，一般选取特征值大于1的主成分，这表示该主成分的解释能力比直接引入原变量的平均解释能力大。在本研究中，特征值大于1的两个主成分的累计贡献率为79.293%，

表4 特征值和方差贡献表

故提取B1和B2作为新的因子。B为综合因子，计算公式为

B=0.476 28B1+0.316 65B2

(4)

计算出各采样点的B值见表5，其中，S12、S11的B值最高，S8的B值最低，这说明S12、S11处的净化能力最好，S8处最弱。进一步对比各样点的B值和E值，两者的趋势基本一致，个别样点的波动可能是由于此分析方法纯粹从数学角度出发，缺少考虑生态效应所致[25]。因此，用综合因子B能在一定程度上描述滨岸带的净化效果，由于B与B1、B2有关，故B1、B2为影响滨岸带净化效果的主要因素。

表5 各样点的E值与B值

为了进一步明确B1、B2与原因子之间的关系，用方差极大法对因子荷载矩阵进行旋转，得到结果见表6。从表6中可看出，B1在滨岸带结构、长度以及土壤K值3个因子上有较大荷载(荷载绝对值大于0.8)，反映了滨岸带净化效果与滨岸带构成的关系，故B1与滨岸带结构形式相关。B2在植被类型及覆盖度2个因子上有较大荷载，表现了净化效果与植被的关系，故B2与滨岸带的植被配置有关。另外，B1的贡献率大于B2的贡献率，说明滨岸带结构形式和植被配置对净化效果都能产生较大影响，但是在本次研究中，结构形式的影响大于植被配置，故改良滨岸带的结构能在一定程度上提高滨岸带的净化效果，改善入湖水体的水质状况。

表6 旋转后荷载矩阵

4 结 论

a. 鄱阳湖滨岸带中各样点土壤TN质量比平均值为(0.721±0.275)mg/g，空间差异性较大。汛期前，近岸湖水TN质量浓度为(1.862±1.623)mg/L，内陆周边水体TN质量浓度为(2.780±2.107)mg/L；汛期后,近岸湖水TN质量浓度为(1.630±1.396)mg/L，内陆周边水体TN质量浓度为(2.470±1.790)mg/L。各样点呈现汛前水体TN质量浓度均高于汛后、周边水体TN质量浓度高于近岸湖水的特征。

b. 鄱阳湖滨岸带中各样点周边用地土壤TN质量比均高于临水区。在滩地式滨岸带中，土壤TN质量比随缓冲带宽度增加而降低，且土壤TN质量比普遍低于堤岸式结构，表明滩地式滨岸带有利于降低向水体中排放N营养盐的风险。

c. 滨岸带的结构形式和植被配置都能对净化率产生较大影响，但是结构形式的影响大于植被配置，因此改良滨岸带的结构能在一定程度上改善入湖水体的水质状况。

参考文献：

[1]于文华,张展羽,迟艺侠,等.堤岸缓冲带土壤磷素时空分布及运移规律研究[J].南水北调与水利科技,2009,7(6):151-163.(YU Wenhua,ZHANG Zhanyu,CHI Yixia,et al.Experiment Study on Phosphorus Transport under improved bank buffer strips[J].South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology，2009,7(6):151-163.(in Chinese))

[2]汤家喜.河岸缓冲带对农业非点源污染的阻控作用研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2014.

[3]BERNHARDT E S,PALMER M A,ALLAN J D,et al.Ecology synthesizing U.S.river restoration efforts[J].Science,2005,308:636-637.

[4] SMITH C M.Riparian pasture retirement effects on sediment phosphorus and nitrogen in channelized surface runoff from pastures[J].New Zealand Journal of Marine & Freshwater Research,1989,23(1):139-146.

[5]ABUZREIG M,RUDRA R P,WHITELEY H R,et al.Phosphorus removal in vegetated filter strips[J].Journal of Environmental Quality,2003,32(2):613.

[6] MUSCUTT A D,HARRIS G L,BAILEY S W,et al.Buffer zones to improve water quality:a review of their potential use in UK agricultural[J].Agriculture Ecosystems & Environment,1993,45(1/2):59-77.

[7] SYVERSEN N.Effect and design of buffer zones in the Nordic climate:the influence of width,amount of surface runoff,seasonal variation and vegetation type on retention efficiency for nutrient and particle runoff[J].Ecological Engineering,2005,24(5):483-490.

[8]HEFTING M,BELTMAN B,KARSSENBERG D,et al.Water quality dynamics and hydrology in nitrate loaded riparian zones in the Netherlands[J].Environmental Pollution,2006,139(1):143-156.

[9]LOVELL S T,SULLIVAN W C.Environmental benefits of conservation buffers in the United States:evidence,promise,and open questions[J].Agriculture,Ecosystems & Environment,2006,112(4):249-260.

[10] 李荣芳，张颖.鄱阳湖水质时空变化及其影响因素分析[J].水资源保护，2011，27(6)：9-13.(LI Rongfang,ZHANG Ying.Analysis of spatial and temporal variation of water quality and its influencing factors in Poyang Lake[J].Water Resources Protection,2011,27(6)：9-13.(in Chinese))

[11] 梅涵一,刘云根,梁启斌，等.阳宗海流域冬季典型农村污水污染特征及水质评价[J].水资源保护,2017,33(2):67-73.(MEI Hanyi,LIU Yungen,LIANG Qibin,et al.Pollution characteristics and water quality evaluation of typical rural sewage in winter in Yangzonghai Lake Basin[J].Water Resources Protection,2017,33(2):67-73.(in Chinese))

[12] 熊新农.鄱阳湖生态经济区建设的全局思考与区域规划[J].人民长江,2016,47(7):14-17.(XIONG Xinnong.Global thinking and regional planning of construction of Poyang Lake Ecological Economic Zone[J].Yangtze River,2016,47(7):14-17(in Chinese))

[13] MA Dingguo,CHEN Jie,ZHANG Wenjiang,et al.Farmers’ vulnerability to flood risk：a case study in the Poyang Lake Region[J].Journal of Geographical Science,2007,17(3):269-284.

[14] 朱漫莉，高海鹰，徐力刚，等.基于系统动力学办法的鄱阳湖流域水量平衡过程模拟与分析[J].水资源保护，2015，31(3)：46-52.(ZHU Manli,GAO Haiying,XU Ligang,et al.Simulation and analysis of water balance process in Poang Lake Basin based on system dynamic approach[J].Water Resources Protection,2015,31(3)：46-52.(in Chinese)).

[15] 何宗健,吴志强,倪兆奎,等.江湖关系变化对鄱阳湖沉积物氨氮释放风险的影响[J].中国环境科学,2014,34(5):1277-1284.(HE Zongjian,WU Zhiqiang,NI Zhaokui,et al.The influence of the River-Lake relation changed on the sediments ammonia nitrogen release risk of Poyang Lake[J].China Environmental Science，2014,34 (5):1277-1284.(in Chinese))

[16] 万金保,蒋胜韬.鄱阳湖水环境分析及综合治理[J].水资源保护,2006,22(3):24-27.(WAN Jinbao,JIANG Shengtao.Analysis and comprehensive treatment of aquatic environment in Poyang Lake[J].Water Resources Protection，2006,22(3):24-27.(in Chinese))

[17] 胡春宏,阮本清.鄱阳湖水利枢纽工程的作用及其影响研究[J].水利水电技术,2011,42(1):1-6.(HU Chunhong， RUAN Benqing.Study on roles and impacts of Poyang Lake Water Control Project[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2011,42(1):1-6.(in Chinese))

[18] 陈建生,彭靖,詹泸成,等.鄱阳湖流域河水、湖水及地下水同位素特征分析[J].水资源保护，2015,31(4):1-7.(CHEN Jiansheng,PENG Jing,ZHAN Lucheng,et al.Analysis of isotopes characteristics of river water,lake water and groundwater in Poyang Lake Basin[J].Water Resources Protection，2015,31(4):1-7.(in Chinese).)

[19]阮云凯,陈剑平,曹琛，等.K-S检验在裂隙岩体统计均质区划分中的应用[J].东北大学学报(自然科学版)，2015,36(10):1471-1475.(RUAN Yunkai,CHEN Jianping,CAO Chen,et al.Application of K-S test in structural homogeneity dividing of fractured rock Mass[J].Journal of Northeastern University(Natural Science),2015,36(10):1471-1475.(in Chinese))

[20] 李淼,高海鹰,张奇，等.鄱阳湖乐安江流域非点源磷输移的时空变化[J].东南大学学报(自然科学版),2015,45(4):805-810.(LI Miao,GAO Haiyin,ZHANG Qi,et al.Spatial and temporal variations of non-point phosphorus leaching in Le’an River of Poyang Lake Basin[J].Journal of Southeast University(Natural Science),2015,45(4):805-810.(in Chinese))

[21]唐浩,熊丽君,鄢忠纯,等.缓冲带截除农业面源强污染的效果[J].农业工程学报，2012,28(2):186-190.(TANG Hao,XIONG Lijun,YAN Zhongchun,et al.Removal efficiency of buffer on agricultural non-point and intensive pollution[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2012,28(2):186-190.(in Chinese))

[22]郭松松,方芳,郭劲松,等.三峡库区消落带落干期间土壤有机质氮磷含量变化分析[J].三峡环境与生态,2012,34(2)：17-21．(GUO Songsong,FANG Fang,GUO Jinsong,et al.Content change of organic matter,nitrogen and phosphorus in the soil of water-level-fluctuating zone of three gorges reservoir area during the non-floodedperiod[J].Environment and Ecology in the Three Gorges,2012，34(2)：17-21.(in Chinese))

[23]迟艺侠,张展羽,李永顺,等.济平干渠堤岸带植物修复技术[J].水利水电科技进展,2009,29(5):67-70.(CHI Yixia,ZHANG Zhanyu,LI Yongshun,et al.Study on embankment phytoremediation technology in Ji-ping Channel[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources，2009,29(5):67-70.(in Chinese))

[24] YUAN Y P,BINGNER R L,LOCKE M A,et al.A review of effectiveness of vegetative buffers on sediment trapping in agricultural areas[J].Ecohydrology,2010,2(3):321-336.

[25]夏继红.河岸带综合评价理论与应用研究[D].南京：河海大学,2005.