不同植物配置模式坡耕地面源污染生态阻控特征

王 磊, 索琳娜, 魏 丹, 丁建莉, 郑云霞, 苏刘燕, 安志装

(北京市农林科学院 植物营养与资源研究所, 北京 100097)

伴随农业生产过程中农药、化肥的广泛应用，造成其面源污染日益加剧，从而导致一系列危害性问题，例如水体水华现象、农产品质量不达标等，给人们的身体健康形成了严重的危害。当前得到广泛认可的生物防治方法之一是构建植物篱。该方法不但能够降低水流以及土壤养分的流失速度，而且还能够使水稳性土壤团粒构造得到改善[1]，尤其是应用在陡坡地当中，其成效更为显著[2]。Zhao等研究不同植物在降水强度存在差异化，土壤水分含有量以及坡度差异化条件下的径流特点，从而得出，植被能够使产流时间得到延长，使径流系数得到缩减[3]。黄欠如等研究发现由香根草(Vetiveriazizanioides)植被所构成的植物篱在我国南部区域应用较多，尤其是在红壤陡坡地区，其对径流以及泥沙的阻拦率依次为29%～72%，56.25%～97.4%[4-5]。Donjadee等也对此展开了相关探讨，从而得出，当土地坡度超过30%时，该植物篱所发挥出的径流阻拦率能够达到31%～69%，泥沙阻拦率能够达到62%～86%[6]。李凯等也对此展开相关探索，重点区域分析了密云水库岸滨地区，从而得出在自然降水环境下，由柳树(Salixmatsudana)+丁香(Syzygiumaromaticum)+蒿(Artemisia)组成的植被结构可发挥最佳的减流效果，能够降低62.9%，其中减沙效果最佳植被组合是毛白杨(Populustomentosa)+紫丁香(Syringaoblata)+葎草(Humulusscandens)，可减沙78.18%，另外，在面源污染防治方面成效最为显著的植被组合为油松(Pinustabulaeformis)+金叶榆(Ulmuspumila)小区[7]。如今，全球各国关于面源污染所进行的探索多数都是基于降水模拟或径流冲刷的方式而实施的，未在实地进行验证，在推广应用方面存在较多的问题，因此开展天然降雨条件下植物配置模式防控面源污染对于坡耕地氮磷流失生态阻控具有很大的实践意义。

密云水库坐落在北京地区，是该地最重要的地表饮用水来源，也是北京市生态涵养区，保证密云水库水质安全关乎北京市经济绿色可持续发展和首都的社会安全稳定。该地区最大的面源污染源头就是水源保护区陡坡地，要从根本上解决农业面源污染问题，要注重农业面源污染的“源头控制”与“过程阻断”，技术层面上要从优化生产技术着手。利用植物篱的建立与应用，来降低与防控面源污染给当地水质造成的污染，同时这也是进行面源与水体污染治理与防控的良好手段与途径，所以探讨差异化植被配置给面源污染防控所产生的影响，从而构建最佳植被配置的植被缓冲带，从而为确保该水库水质发挥关键作用。为实现植被配置效果的最佳化，该文利用8个差异化植被配置野外规模化径流小区的构建，探索自然降水环境下差异化植被配置给面源污染所形成的制约作用，研究各种植被配置所产生的面源防控作用，从而为陡坡地区生态保护及防控植物配置方面发挥借鉴作用。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于密云县一级水源保护区太师屯镇太师庄村西南部(117°6′42.08″E，40°32′22.02″N)，其北边分布着潮河，该河是最关键的进库河，南部为清水河，地处暖温带，气候类型是大陆季风气候，其特点为半湿润半干旱，其年均气温约为13.5℃。气温最大均值出现在7月份，其数值为26.7℃，最大值为40℃；气温最小均值出现在1月份，其数值为-1.7℃，最小值为-20℃。海拔155 m。土壤以均质壤型为主，面积比例高占89.8%，土壤主要以均质砂壤为主，主要分布于南部地区。

1.2 试验设计

1.2.1 野外径流小区分布及植被配置情况 将密云水库北侧太师屯镇坡耕地当作研究对象，来开展该研究。在此地区建立长宽为10 m×5 m试验区，数量为8个，对其径流开展长久的定位测量。径流监测小区底端留有径流液出口，流入径流液收集桶，径流液收集桶安装有自动计量系统。试验地安装有自动雨量计。径流小区监测时间开始于2015年4月1日，径流小区采样时间于2019年5月28日至2019年9月30日。

径流小区的选取通常基于合适的土壤、气候、植被结构等标准而确定，选取雀麦、野牛草、板蓝根(Isatistinctoria)、苦参、薄荷、丹参和紫花苜蓿7种生态型且具有一定经济价值的植物与密云水库水源保护区主要种植果树板栗进行间作或单独种植。小区编号为1—8号，坡度均为10°，土地利用类型为林地、林草地(表1)。

表1 不同植被径流小区配置情况

1.2.2 径流小区取样测定 在每次降雨后2～3 d内，及时采集导出自动监测系统中Grant Squirrel 2010数据记录仪所监测记录降雨和地表水径流数据，通过对集水桶内清水的采样与检测，来获得采样的有关面源污染指标。

1.2.3 试验数据测定及计算 自然降水中所收集全部径流水采样均在市农林科学院植物营养与资源研究所实验室测定上述5个污染参数(TN，TP，COD，BOD5，TOC)，检测办法详情参考表2。

表2 试验小区土壤面源污染指标测定方法

选取2019年的3次天然降雨，不同植物配置模式下TN，TP、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、总有机碳(TOC)所引起的流失量M进行计算，计算公式如下：

(1)

式中:Mki代表i标记区域内k数量的污染指标所导致的流失量(kg/hm2);Ckx代表i标记区域内k数量的污染指标于第x场降水条件下的质量浓度(mg/L);Rix代表i标记区域内第x场降水条件下的地表径流量(m3/hm2)。

2 结果与分析

2.1 不同植被配置下产流状况

根据2015—2018年水源保护区的降雨情况来看(图1)，6—9月期间所产生的降雨频率最高，此阶段所产生的总体降雨量在全年内所占的比例达到了70.75%～88.21%。其中2015年7月21日发生特大暴雨，19 h内降雨量高达112.4 mm。

图1 2015-2018年监测基地降雨量变化

对2015—2018年坡耕地径流流失监测和测定数据进行分析(图2)，其中2015年7月21日暴雨造成对照模式下径流水量达到148 m3/hm2，全年的径流水量达到300 m3/hm2，板栗与雀麦、野牛草、板蓝根、苦参、薄荷、丹参和紫花苜蓿立体间作模式可减少径流56.67%～85.33%，其中板栗+苦参间作模式阻控效果最佳。2016年板栗与雀麦、野牛草、板蓝根、苦参、薄荷、丹参和紫花苜蓿立体间作模式都不同程度上阻控坡耕地地表径流量，降低幅度范围为21.15%～58.85%，相比2015年阻控效果有些下降，这与降雨量下降有关。2017年板栗与野牛草、板蓝根、苦参和紫花苜蓿效果较好，地表径流分别下降57.50%，57.50%，72.50%和61.25%。2018年监测结果显示，板栗与野牛草、板蓝根、苦参和紫花苜蓿效果仍达到最好，相对于对照处理地表径流分别下降53.44%，63.74%，65.65%和61.83%。

图2 2015-2018年天然降雨不同植物配置平均产流量

2.2 不同植被配置面源污染控制作用

在2015—2019年这段时间内所产生的天然降雨情况中，各种植被配置区域径流内所涉及的面源污染指标具体数值与消减率均值(图3—4)。对于总氮来说，除板栗和紫花苜蓿间作模型外，其他间作模型处理与对照小区均无显著性差异。其中，板栗和丹参间作处理小区径流水中总氮消减率为12.30%。径流小区径流水中总磷含量各处理小区与对照间均无显著性差异，其中苦参、薄荷、野牛草、紫花苜蓿、板蓝根与板栗间作的处理小区经流水中总磷消减率为88.04%～33.55%。综上所述，苦参、野牛草、薄荷、紫花苜蓿和板栗的间作模式能有效的降低坡耕地的磷素流失，丹参和板栗间作模型可在一定程度上降低坡耕地的氮素流失。除雀麦和板栗间作小区外，其他间作模式小区，分别比对照小区径流水中的COD，BOD5， TOC消减率为29.10%～95.04%，31.49%～93.60%和16.76%～62.17%。

图3 不同植物配置3次天然降雨面源污染防控指标含量变化

图4 天然降雨不同植被配置小区径流中面源污染指标平均消减率

2.3 降雨对不同植被配置面源污染控制作用的影响

在此次分析过程中，主要选择了3场极具代表性的天然降雨，时间分别是2019年的6月15日、7月23日以及8月6日，具体的雨强数据显示为表3。首场的雨强均值为16.11 mm/h，总体的降雨量数据是96.7 mm，总计时间是6 h；第二场的雨强均值为14.05 mm/h，总体的降雨量数据是112.4 mm，总计时间是8 h；第三场的雨强均值数据是单位时间内(h)5.66 mm，总体的降雨量数据是62.3 mm，总计时间是11 h。从这些数据可以看出，3次降雨的雨强均值数据明显减少，总的降雨时间是第一场<第二场<第三场。同时伴随雨强的降低，这3种环境写的面源污染情况也呈现出逐渐减少的现象。对各种植被配置所处径流小区内含有的5种面源污染指标数值(分别为TN，TP，COD，BOD5，TOC)展开相应的运算，包括3次降雨所相差的数值与消减比进行计算，具体数值可以作为重要指标来评估降雨3和多种环境中，各种类型植被配置在面源污染限制与相应消减效用上的实际效果(表3)。

表3 3次天然降雨参数

不同植物配置区域在总计3次的降雨环境中，植物伴随时间的流逝、降雨量的逐渐缩减、整个降雨强度的逐步降低， TN的流失量也随着减少，其中板栗+苦参、板栗+丹参显著减小(p<0.05)，不同植物配置在TN上所产生的消减比都超过了30%；TP流失产生的改变相对偏大，不同植物配置区域中TP的流失模数都出现了非常明显地缩小(p<0.05)，各个植物配置对TP的消减比均在50%以上，其中板栗+苦参小区呈极显著减小(p<0.01)；有机污染指标COD，BOD5，TOC的变化趋势相似，不同植物配置区间内所形成的流失模数都出现了非常明显地缩小(p<0.05)，其中板栗+板蓝根、板栗+苦参、板栗+薄荷、板栗+丹参与对照相比呈极显著减小(p<0.01)，除板栗+雀麦小区以外，各个小区植物配置对有机污染指标的消减均在70%以上，下降趋势明显(图5—7)。

图5 不同植物配置3次天然降雨对TN消减控制

3 讨 论

植物篱植物需具备较强的抗蚀能力及改善土壤团粒结构和渗透性的能力。目前研究多为单一草种植的生态阻控效果，混播的试验也大部分从增加根系生物量方面论证水土保持效果变化，而本文是通过不同植物配置模式研究其对密云水库坡耕地径流流失的消减效果，结果表明：间作板栗+苦参>板栗+紫花苜蓿>板栗+薄荷>板栗+野牛草>板栗+丹参>板栗+板蓝根>板栗+雀麦>板栗。这些成果有效表明了坡地上采取草带种植的方式可以有效改善该类型土地的水土流失情况，从而保护当地的生态环境，而不同植物配置模式对于径流流失控制效果不同，这可能是由于植物间作体系中植物根系对养分的竞争作用[12-13]、地上地下部生物量[14-16]和微生物分解、转化等多方面因素造成[17-19]。而本文的研究结果表明板栗+苦参的径流量比对照降低85.33%，对于径流流失控制效果最佳。

依据黄生斌等学者就密云水库地区相关面源污染荷载情况具体贡献率的深入分析，可以得出在该区域内径流水纸当中所含有的相关有机污染物质的指标分别是：COD含有量在70%左右，BOD5所占比例为70%左右，TOC约65%，有关养分流失的相应指标中：TN所占比重为70%左右，TP约90%[20]，大量研究表明，植物篱可以通过植物茎秆的拦截、根系的吸收、土壤的渗透及微生物的分解等多途径实现降低和控制水土流失及污染物向水体的迁移[21]。在此次分析过程中，重点针对上述5种不同的面源污染指标制定了严格的监管措施，从相关数据能够说明植被配置的差异化可以在面源污染上发挥更加有效地控制效果，结果表明：植物间作的7个径流小区对照板栗单种小区的面源污染指标值更小，且消减比均为正值，表明植被在对面源污染生态阻控作用方面具有十分重要的意义。其中间作板栗+苦参径流小区的径流中总氮、总磷、COD，BOD5，TOC流失量分别降低78.49%，98.25%，97.43%，97.10%，89.04%，在3次降雨的时间推移过程中比较得到板栗+苦参配置在对面源污染的控制上有着更大的潜力，为最优的面源污染生态阻控植物配置模式。

图6 不同植物配置3次天然降雨对TP,COD消减控制

图7 不同植物配置3次天然降雨对BOD5,TOC消减控制

4 结 论

(1) 天然降雨条件下，减流作用最好的是板栗+苦参小区，平均减流作用为70.58%，板栗+雀麦最差，但仍减流56%。

(2) 苦参、野牛草、薄荷、紫花苜蓿和板栗的间作模式能有效的降低坡耕地的磷素流失，丹参和板栗间作模型可在一定程度上降低坡耕地的氮素流失。除雀麦和板栗间作小区外，其他间作模式小区，分别比对照小区径流水中的COD，BOD5， TOC消减率为29.10%～95.04%，31.49%～93.60%和16.76%～62.17%。

(3) 间作板栗+苦参径流小区的径流中总氮,总磷，COD，BOD5，TOC流失量分别降低78.49%，98.25%，97.43%，97.10%，89.04%，其消减作用最好，配置作用最优，综合评价其最适合大量推广。