草本植被过滤带对农业面源污染物的削减效果研究

张子喆，刘伟，周晓林，周驰誉，邵莉，孙炳香，徐瑶，杨林军

(1.东南大学 能源与环境学院，江苏 南京 210018；2.江苏省水利科教中心，江苏 南京 210096)

农业面源污染正严重威胁着生态环境和水资源[1-2]。因此，控制农田径流流失和养分流失已成为改善中小河流水质的技术关键。植被过滤带通常被用作管理农业地区面源污染的重要手段之一[3-4]，主要是因为它们通常位于农田与近邻水体之间，能够以削减、吸附、吸收等方式减少地表径流中污染物向邻近水体的输送[5-8]。本研究采用南方丘陵区域本地常见草本植物黑麦草和麦冬草构建草被过滤带，并通过模拟径流冲刷实验，量化分析了植被类型、初始土壤含水率、入流流量、入流浓度等4个因素对农业面源污染物削减效果的影响，旨为植被过滤带的应用提供理论依据和设计支持。

1 实验部分

1.1 实验装置

模拟径流实验装置见图1，由模拟径流输入部分、土槽部分组成。模拟径流输入部分包括用于供水的带搅拌装置的PE桶、清水桶和用于控制模拟径流入流流量的蠕动泵。整个土槽由有机玻璃制成，土槽前端设置布水槽来保障入流均匀分布。土槽中间区域为模拟植被过滤带部分，其长宽高分别为120 cm，30 cm，10 cm，并填入10 cm深的砂壤土(黏粒14%，粉粒 39%，砂粒 47%)，装填容重为 1.26 g/cm3。土槽右侧设有出流口，用于模拟自然条件下边坡入渗水出流。土槽末端设有集水槽，用于收集地表径流水样。土槽置于坡度为 2.5°的可调节金属支架上，以模拟土坡坡度。

图1 模拟径流实验装置图Fig.1 Runoff experiment system

1.2 实验设计

实验共设三个土槽，其设置如下：1#裸地、2#黑麦草过滤带、3#麦冬草过滤带，于4月分别在2#土槽内进行撒播南方地区常见护坡草种黑麦草，播种密度分别为20 g/m2；3#土槽内栽种南方地区本地常见草被麦冬草苗，种植密度为80棵/m2。模拟径流冲刷实验于2021年7月进行，此时2#黑麦草过滤带覆盖度为90%，3#麦冬草过滤带覆盖度为80%。实验开始前取一定量泥沙、磷酸二氢钾、硝酸钾与自来水加入搅拌桶中配制一定浓度的地表径流模拟液，并采集滤带土样带回实验室测量土壤含水率。根据现场设施条件，实验设计不同浓度和不同流量，通过调节蠕动泵来调节流量，当有地表径流出流时，使用PP样品瓶在入口和出口开始采样，每次取水样250 mL，每次采样间隔5 min，每次模拟径流冲刷实验持续60 min。实验结束后将入流切换至清水并持续30 min，避免削减在滤带表面的污染物对下次实验产生影响。所采实验样品采用重量法测量样品中的悬浮固体颗粒(SS)；使用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测量样品中的总氮(TN)；钼酸铵分光光度法测量总磷(TP)含量。样品经0.45 μm滤膜过滤后使用与TN、TP相同测试方法测量样品中溶解态氮(DN)和溶解态磷(DP)，颗粒态氮和颗粒态磷分别由TN、DN和TP、DP差值求得。具体实验设计见表1。

表1 实验设计Table 1 Experimental design

1.3 数据处理

植被的存在不仅能够削减径流中的污染物，密集的根茎还能滞缓水流，增加入渗，从而使流入水体的污染物负荷减少。因此使用污染物浓度削减率和负荷削减率来评价植被过滤带对径流、悬浮物和氮磷的削减效果，计算公式见式(1)～式(3)[9]。

(1)

(2)

(3)

式中Rw——径流削减效率，%；

Rc——污染物浓度削减效率，%；

Rm——污染物负荷削减效率，%；

Cin——径流入流污染物浓度，mg/L；

Cout——径流出流污染物浓度，mg/L；

Vin——径流入流量，L/min；

Vout——径流出流量，L/min。

2 结果与讨论

2.1 植被条件对污染物削减效果的影响

由表2可知，与裸地相比，植被覆盖明显增加了滤带对污染物的拦截能力，经计算，两种植被过滤带对SS、DN、PN、DP、PP的平均浓度削减效率比裸地增加了57.51%，17.33%、56.1%，7.71%，59.17%。植被覆盖对颗粒态污染物(SS、PN、PP)削减效果的作用尤为明显，其次是溶解态污染物。其原因是：径流中SS、PN、PP的物理化学性质相对稳定，主要通过沉积的方式滞留。密集的植被茎秆可以提高地表阻力系数，降低地表径流迁移动力，减缓径流流速，而且密集的根茎可以使径流流经滤带时形成局部集中流，从而有利于颗粒物沉降。而溶解态污染物如DN、DP主要通过植物吸收及土壤颗粒吸附去除，效率相对较低[10]。此外，植被的存在还增加了入渗，不仅有利于颗粒态污染物在入渗过程中沉积，溶解态污染物在入渗过程中会被土壤和植被根系吸附和吸收，提高了污染物负荷削减效率。另外，由表2还可知，黑麦草过滤带和麦冬草过滤带对径流的削减效率分别为50.93%和47.41%，明显高于裸地状态下的25.93%；其原因是：一方面，植被覆盖增加了地表曼宁粗糙系数进而增加了水力停留时间；另一方面植被根系的穿插作用能够改善土壤孔隙结构增大土壤饱和导水率进而提高入渗速率[11]。

表2 不同植被条件对污染物的削减效果Table 2 Removal efficiency of pollution by VFS under various vegetation cover

由图2可知，植被类型对污染物的削减效果影响并不显著。黑麦草过滤带对SS、DN、PN、DP、PP的负荷削减效率分别为 90.82%，60.18%，86.24%，59.37%，88.80%；麦冬草过滤带对SS、DN、PN、DP、PP的负荷削减效率分别为 89.38%，59.77%，82.67%，57.67%，81.57%。对于颗粒态污染物，黑麦草过滤带对SS、PN、PP的浓度削减效率略高于麦冬草过滤带，该现象是黑麦草和麦冬草虽然都是丛生根茎可分蘖草被，但黑麦草生长周期短且种植密度大，实验时黑麦草过滤带地表覆盖度为90%，大于麦冬草80%的地表覆盖度，黑麦草过滤带的根茎密度更大。此实验结果进一步证明了根茎拦截是径流颗粒态污染物的主要拦截方式。而对于径流中溶解态污染物，麦冬草过滤带对DP、DN的浓度削减效果高于黑麦草过滤带，DN的浓度削减效率大于DP。其主要原因，一方面是由于DP和DN的削减方式不同，DP主要通过土壤颗粒吸附，而DN的拦截主要通过植物吸收；另一方面是由于植物生长状态不同，实验于7～8月进行，南京温度较高，黑麦草分蘖时受温度影响生长遭到抑制，对DP、DN的吸收能力减弱且部分茎叶枯黄，而麦冬草正处于根茎分蘖和根块膨大期，对DN、DP的吸收能力较强[12]。

图2 不同植被条件对污染物的削减效果Fig.2 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various vegetation cover a.污染物浓度削减效率；b.污染物负荷削减效率

基于上述分析，在植被类型的选择上，可以根据实际需求，选择生长于本地，生长周期合适，根系发达，覆盖度高，对氮磷吸收能力强的草本植被。

2.2 土壤初始含水率对污染物削减效果的影响

由于各地区植被覆盖度和降雨条件不同，其土壤初始含水率往往不同，而土壤的干湿程度会对径流的入渗速率和出流产生影响进而影响污染物的削减效果。因此需要考虑土壤初始含水率的影响。在进行模拟地表径流冲刷实验前，取表层土壤测量含水率，在土壤含水率分别为18%(干)和36%(湿)状态下对2#黑麦草、3#麦冬草被过滤带进行4次实验，其结果见表3。

表3 不同初始土壤含水率下两种植被过滤对污染物的削减效果Table 3 Removal efficiency of pollution by the VFSs under different vegetation cover

由表3可知，土壤初始含水率对径流削减效果影响显著，当土壤初始含水率为18%时，2#、3#草被过滤带径流削减率分别为58.33%，61.11%，明显高于含水率为36%时的50.93%，47.41%。其原因是地表径流流经低含水率土壤时入渗速率更高，且低含水率的土壤达到饱和所需水量更多。

由图3可知，土壤初始含水率较低时，污染物负荷削减效率相对较高；土壤初始含水率会对污染物浓度产生影响。对于颗粒态污染物，两种草被过滤带在土壤初始含水率为18%时SS、PN、PP的浓度削减效率分别为 78.41%，69.84%，71.24%；74.62%，57.26%，77.17%，低于36%时的 81.3%，71.97%，77.17%；79.8%，67.05%，64.96%，其主要原因可能是初始含水率低的土壤粘结力比含水率高的土壤小，因此其表面的细小颗粒相对较多。对于溶解态磷，两种草被过滤带在含水率为18%时的DP的浓度削减效率分别为20.13%，22.24% 略微高于36%时的17.21%，19.51%，其原因可能是当地表径流流经植被过滤带时，磷素会在静电力、某些化学吸附力及范德华力等作用下吸附在土壤颗粒表面沉积下来[13]。对于溶解态氮，土壤含水率的变化对于DN的削减效果几乎无影响，其原因可能是硝态氮的物理化学性质更稳定，不易于吸附在土壤小颗粒表面形成固体结合态氮沉积[14]。

图3 不同初始土壤含水率下两种植被 过滤带对污染物的削减效果Fig.3 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various initial soil water content a.污染物浓度削减效率；b.污染物负荷削减效率

基于上述分析，土壤含水率较低时虽然有利于径流削减，但也会增加植被过滤带自身产生的颗粒态污染物，降低对污染物的削减效率，在流速较高时甚至会形成二次污染。在实际的农业面源污染控制中，需结合当地的植被覆盖度和降雨条件来判断土壤初始含水率的大小。

2.3 入流浓度对污染物削减效果的影响

结合实验现场设施条件在小流量(0.9 L/min)、土壤初始含水率为36%下，设置了高、中、低三种进水浓度(具体污染物浓度见表1)，在2#黑麦草过滤带和3#麦冬草过滤带上进行6次模拟径流冲刷实验(处理为2、4、5、3、6、7)，6种处理污染物削减效果见表4。

由表4及图4可知，入流污染物浓度会对净化效果产生影响，两种草被过滤带对污染物负荷削减效果均随浓度增大而减小，说明当浓度增大时，污染物流失量也会增大。入流浓度变化时DN削减效率的变化最为显著，入流浓度从7.77～8.73 mg/L增加到17.67～18.95 mg/L时，2#黑麦草过滤带的DN浓度削减效率从18.85%降至5.08%，3#麦冬草过滤带的DN浓度削减效率从23.50%降至12.77%；当入流浓度为12.15 mg/L时麦冬草过滤带对DN浓度削减效率最大，而黑麦草过滤带则随入流中DN浓度增大，说明麦冬草过滤带能承受从低浓度至中浓度DN浓度变化。相比较于DN，入流浓度对DP削减效率影响较小，当入流DP浓度为0.69～0.72 mg/L 时，两种草被过滤带的DP浓度削减效率最高。其原因是对于溶解态氮磷，植被对氮磷的吸收能力和土壤对氮磷的吸附特性是其去除的主要影响因素，麦冬草对氮素的吸收能力大于黑麦草，而两种草被对磷素的吸收无显著差异。此外，土壤中可溶性氮磷的解析作用也会对削减效果产生影响，当入流浓度较小时，溶解性氮磷出流浓度会高于入流浓度，导致削减效率为负值[15]。

表4 不同浓度下两种植被过滤带对污染物削减效果Table 4 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various inflow concentrations

入流浓度会对SS、PN、PP削减效果产生影响，由表4可知，入流浓度从低浓度增大至高浓度时，2#过滤带SS、PN、PP浓度削减效率分别从81.30%降至76.89%、71.97%降至64.87%、77.17%降至 69.34%；3#过滤带SS、PN、PP浓度削减效率分别从79.8%降至68.89%、67.05%降至 61.84%、64.96% 降至60.49%。其主要原因是颗粒态污染物主要通过沉积的方式去除，当径流中的细颗粒物流经滤带时会堵塞孔隙，从而降低颗粒态污染物削减效率，入流浓度增加即负荷增大会加剧堵塞，尤其是在长期运行的情况下会使得植被过滤带对颗粒态污染物削减效果减小。

图4 不同浓度下两种植被过滤带对污染物削减效果Fig.4 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various inflow concentrations a、b.黑麦草过滤带；c、d.麦冬草过滤带

2.4 入流流量对污染物削减效果的影响

本实验根据现场设施条件，分别在2#黑麦草过滤带和3#麦冬草过滤带设计3种入流流量(0.9，1.2，1.5 L/min)共计6种不同处理下进行模拟径流冲刷实验(处理为2、8、9、3、10、11)，其对污染物的削减效果见表5。

由表5及图5可知，入流流量变化时，2#黑麦草过滤带和3#麦冬草过滤带对径流中SS、PN、PP的浓度和负荷削减率均有显著变化。当入流流量从 0.9 L/min 增加到1.5 L/min时，2#植被过滤带对SS、PN、PP的浓度削减效率分别从81.3%降至 64.37%、71.97% 降至 56.33%、77.17%降至 54.21%；对SS、PN、PP的负荷削减效率从90.82%降至75.06%、从86.24%降至69.43%、从88.80%降至67.95%。入流流量越大，颗粒态污染物削减效果越差。该主要原因是入流流量或流速增大导致颗粒态污染物的停留时间变短，入渗水量变小，颗粒态污染物难以沉降。此外，入流流量增大时，径流对地表冲刷作用更强，从而径流携沙能力变大，进而地表径流出流中颗粒态污染物浓度增大，最终导致污染物削减效果变差。邓娜等[16]得出的入流流量越小，植被过滤带净化效果越显著，与本文结果相同。

表5 不同入流流量下两种植被过滤带对污染物削减效果Table 5 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various inflow discharges

由图5可知，不同入流流量下，两种植被过滤带对径流中DN、DP浓度削减效率的变化不显著。其原因可能是相较于其他文献，本实验设定的入流流量范围较小。

图5 不同入流流量下两种植被 过滤带对污染物削减效果Fig.5 Removal efficiency of pollution by the VFSs under various inflow discharges a、b.黑麦草过滤带；c、d.麦冬草过滤带

由以上分析可知，入流流量对颗粒态和溶解态污染物的削减效果有显著影响，入流流量越小(水力负荷)，污染物削减效果越好。水力负荷变小等同于污染物植被过滤带面积变大，在设计过滤带时因充分考虑污染源区面积，对不同降雨事件下的产流进行量化分析并结合土地利用方式得到最佳设计方式。此外，草本植物相对于灌木、树木较矮，当入流流量过大时，草被过滤带内会形成淹没流从而导致过滤带削减效果变差[17]。因此在实际布置时还应充分考虑植被的生长周期和自身高度。

3 结论

本文通过室外地表径流模拟液冲刷实验，研究了不同条件下植被过滤带对径流中农业面源污染物的削减效果，可得出以下结论。

(1)与裸地相比较，草被过滤带净化效果显著；黑麦草和麦冬草过滤带削减污染物效果显著差异，黑麦草过滤带对颗粒态污染物削减效果更好，麦冬草过滤带对溶解态污染物削减效果更好。

(2)较低的土壤初始含水率有利于减少流于邻近水体的污染物负荷，土壤初始含水率对径流削减效果的影响尤为明显，含水率较低(18%)时，径流削减率达61.11%。

(3)入流浓度增大即污染物负荷增大时，污染物净化效果变差，负荷削减效率降低，污染物流失增大。入流浓度对污染物净化效果的影响与污染物性质有关，入流浓度对DN的影响最为显著，其次是颗粒态污染物。

(4)入流流量是影响污染物削减效果的重要因素，较小的入流流量有利于污染物削减，入流流量对地表径流的截留效果及颗粒态污染物的净化效果的影响尤为明显；入流流量对溶解态污染物无明显影响。

通过冲刷实验研究了黑麦草和麦冬草两种过滤带在不同处理下对农业面源污染物的削减效果，为南京等南方丘陵地区农业面源污染控制提供了理论依据；未来还应该在实验室和野外进行更多实验，研究植被过滤带在长期运行时对农业面源污染物的削减效果。