臨港新城河岸人工植被緩沖帶對(duì)氮、磷的去除效果

白瑩瑩，江 洪，饒應(yīng)福 ，蔡永立

（1.華東師范大學(xué) a.上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)試驗(yàn)室；b. 地理科學(xué)學(xué)院，上海 200241；2. 上海港城滴水湖建設(shè)管理有限公司，上海 201306）

臨港新城河岸人工植被緩沖帶對(duì)氮、磷的去除效果

白瑩瑩1a,1b，江 洪1a,1b，饒應(yīng)福2，蔡永立1a,1b

（1.華東師范大學(xué) a.上海市城市化生態(tài)過程與生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)試驗(yàn)室；b. 地理科學(xué)學(xué)院，上海 200241；2. 上海港城滴水湖建設(shè)管理有限公司，上海 201306）

為了充分了解河岸植被緩沖帶對(duì)地表、地下徑流中污染物的去除效果，選取了臨港新城河岸帶為研究對(duì)象，利用人工模擬徑流的方法，研究了不同植被配置在不同河岸帶寬度下對(duì)地表徑流、地下徑流中污染物的去除效果。結(jié)果表明：不同植被類型對(duì)污染物去除效果受到河岸帶寬度及污染物種類的影響，7 m寬河岸帶對(duì)污染物的去除效果明顯優(yōu)于1、2 m寬；4種不同配置類型的河岸帶對(duì)地表徑流及地下徑流中各污染物的去除率彼此之間存在顯著差異（P＜0.05）；其中配置類型Ⅰ對(duì)于地表徑流中污染物的去除效果最好，對(duì)TN、TP、NO3--N、NH4

+-N的平均去除率分別為27.66%、27.66%、26.53%、29.56%，4種配置類型對(duì)地表徑流中各污染物的平均去除效果大小順序?yàn)棰瘢劲簦劲螅劲?；配置類型Ⅲ?duì)地下徑流中污染物的去除效果最好，對(duì)TN、TP、NO3--N、NH4

+-N的平均去除率分別為31.34%、21.83%、26.97%、18.26%，4種配置類型對(duì)地下徑流中各污染物的平均去除效果大小順序?yàn)棰螅劲簦劲瘢劲颉?/p>

河岸植被帶；植被類型；污染物去除率

隨著人口的不斷增加，人類活動(dòng)范圍不斷地?cái)U(kuò)大，世界范圍內(nèi)對(duì)水體的污染化日趨嚴(yán)重，對(duì)整體的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的干擾和破壞[1-4]，特別是氮、磷等污染物對(duì)江河湖水質(zhì)產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害[5]。河岸帶是位于高地和水體間的過渡帶，河溪兩側(cè)及湖泊的周圍，又稱河岸植被帶或河岸緩沖帶，是陸生生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)的過渡帶[6-7]，對(duì)于氮、磷污染物的截留及河岸帶的穩(wěn)定、生物多樣性有著十分重要的意義。

近年來，有關(guān)地表徑流中氮、磷的輸出及不同河岸帶植被寬度與氮、磷的轉(zhuǎn)化關(guān)系國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的工作。如吳希媛等人[8-9]利用人工模擬降雨試驗(yàn)研究了在不同植被覆蓋條件下土壤侵蝕同氮、磷流失的關(guān)系；李恒鵬等人[10]通過特殊流域人工模擬降雨試驗(yàn)研究了該流域內(nèi)農(nóng)田匯流過程中地表徑流和土壤氮、磷流失的關(guān)系；Lowrance等[11]研究發(fā)現(xiàn)，森林河岸緩沖帶和草地河岸緩沖帶能轉(zhuǎn)化地表徑流中氮素的68%和48%；Dillaha等[12]于1989年在弗吉尼亞州研究發(fā)現(xiàn)，9.1 m寬的草地河岸帶能夠去除84%懸浮顆粒物，然而當(dāng)河岸帶寬度減小到4.6 m時(shí)，懸浮顆粒物的去除率則降低到70%，地表徑流中氮的截留轉(zhuǎn)化率由73%降低到54%；然而，Clausen等[13]在研究恢復(fù)河岸帶時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同河岸帶寬度與地表徑流中硝態(tài)氮濃度沒有明顯相關(guān)性，認(rèn)為河岸緩沖帶內(nèi)植物恢復(fù)與截留轉(zhuǎn)化發(fā)揮需要時(shí)間，但同時(shí)也同意當(dāng)河岸帶寬度越寬時(shí)，地表徑流中氮的截留轉(zhuǎn)化率越高。

目前，上海地區(qū)以平原、灘涂為主，河岸帶樹種單調(diào)，適宜植物種類缺乏，土壤鹽堿化，工、農(nóng)業(yè)污染嚴(yán)重，水污染負(fù)荷量與日俱增，生態(tài)環(huán)境遭受破壞[14]。因此，本研究選取上海市臨港新城圍墾地區(qū)不同植物配置、不同寬度情況下河岸帶植被作為研究對(duì)象，通過人工模擬地表徑流試驗(yàn)來研究不同植物配置、不同河岸帶寬度對(duì)氮、磷污染物的去除效果。

1 研究區(qū)概況

臨港新城地區(qū)位于東海之濱，上海東南長(zhǎng)江口與杭州灣交匯處，上海市版圖的最東端（N30°52′54″，E121°54′24″），距離上海市中心城區(qū)80 km。該地屬沿海季風(fēng)盛行區(qū)，春季溫暖多雨，秋季先濕后干，夏季炎熱濕潤(rùn)，冬季寒冷干燥。全年總?cè)照諡? 000～2 200 h，月平均蒸發(fā)量91.9 mm，年均氣溫15.7 ℃，最低氣溫在1月，月平均氣溫3.3～3.6 ℃，最高氣溫在8月，月平均氣溫26.8 ℃，年均降水量為1 111.4 mm[15]。由于該地區(qū)位于上海市域主導(dǎo)風(fēng)向東南沿海前沿的區(qū)位，決定了臨港新城地區(qū)是臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴經(jīng)常的登陸點(diǎn)[16]。

本試驗(yàn)林選址于上海臨港新城地區(qū)近上海海事大學(xué)段滬城環(huán)路與古棕路口的河岸帶上，其坡度在1∶1.25～1∶3之間，試驗(yàn)林自2011年開始營(yíng)造，總長(zhǎng)約500 m，寬約12 m，東面為住宅區(qū)，西面為農(nóng)田及綠化林帶，南面為海事大學(xué)，北面為蘆葦帶及農(nóng)田。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 試驗(yàn)地的選擇

在試驗(yàn)地范圍內(nèi)根據(jù)地形、植被情況等確定范圍。4個(gè)試驗(yàn)樣地分別為喬木+灌木+草本型、喬木+灌木型、灌木+草本型、草地（見圖1～圖4）及一個(gè)裸地對(duì)照。

圖1 喬木+灌木+草本型配置示意Fig.1 Con fi guration diagram of trees+ shrubs+ grass

圖2 喬木+灌木型配置示意Fig.2 Con fi guration diagram of trees+ shrubs

圖3 灌木+草本型配置示意Fig.3 Con fi guration diagram of shrubs+ grass

圖4 草地配置示意Fig.4 Con fi guration diagram of grass

2.1.2 化肥的選擇

化肥選擇當(dāng)?shù)鼐哂写硇缘牡剩ǚ肿邮綖镃O(NH2)2）、磷肥（分子式為Ca(H2PO4)2）。

2.1.3 測(cè)試指標(biāo)

測(cè)試徑流水中總氮（TN）、總磷（TP）、硝態(tài)氮（NO3--N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2014年5、7月進(jìn)行，采用典型人工模擬受污染水質(zhì)徑流，流經(jīng)不同樣地后進(jìn)行取樣。首先，在試驗(yàn)地內(nèi)選擇4個(gè)典型植被區(qū)域，每個(gè)典型植被區(qū)域內(nèi)設(shè)置1個(gè)樣地，Ⅰ為喬木+灌木+草本型，大葉女貞Ligustrum compactum、弗吉尼亞櫟Quercus virginiana、刺槐Robinia pseudoacacia、濱柃Eurya emarginata、狗尾草Setaria viridis；Ⅱ?yàn)閱棠?灌木型，中華紅葉楊Populus deltoidescv.zhonghuahongye、苦 楝Melia azedarach、刺 槐、濱柃；Ⅲ為灌木+草本型，小葉蚊母樹Distylium buxifolium、臭牡丹Clerodendrum bungei、濱柃、狗尾草、黑麥草Lolium perenne；Ⅳ為草地：沙打旺Astragalus adsurgens、黑麥草、狗尾草、白花三葉草Trifolium repens及裸地，樣地縱長(zhǎng)分別為1、2、4、7 m[17]，橫向?qū)? m，每個(gè)樣地垂直溪流方向沿坡向上，并置于河岸植被帶內(nèi)，同時(shí)在河岸帶上部邊緣人工開挖集水溝，長(zhǎng)7 m，溝底寬、面寬、深分別為30、40、30 cm。

利用河水作為對(duì)照，將河水抽至事先準(zhǔn)備好的水桶中，分別在水中施于氮肥、磷肥，作為試驗(yàn)用水。試驗(yàn)開始前，采用不間斷灌水，用水泵將河道內(nèi)的水抽到樣地內(nèi)，持續(xù)時(shí)間6 h，通過潛層滲流的方式流經(jīng)河岸帶，再將4個(gè)梯度水樣模擬地表徑流，使得事先準(zhǔn)備好的試驗(yàn)水緩慢流經(jīng)樣地內(nèi)1、2、4、7 m處，并在樣地下端出口斷面處截取流經(jīng)樣地內(nèi)的地表徑流，同時(shí)，在集水溝地下30 cm處通過負(fù)壓管采集水樣，設(shè)3個(gè)重復(fù)樣，裝入事先準(zhǔn)備好的干凈塑料自封袋中，于4 ℃條件下保存，編好號(hào)后帶回試驗(yàn)室測(cè)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被配置在對(duì)總氮（TN）的去除率

圖5為不同植被配置類型對(duì)地表徑流及地下徑流中污染物氮的去除率。當(dāng)河岸帶寬度為1 m時(shí)，配置類型Ⅰ對(duì)地表徑流及地下徑流中污染物氮的去除率均高于其它3種配置類型，平均去除率分別為19.28%、25.43%，配置類型Ⅰ、配置類型Ⅳ之間對(duì)地表徑流中污染物去除效果存在顯著差異（P＜0.05），而配置類型Ⅱ、配置類型Ⅲ、裸地之間對(duì)地表徑流中污染物的去除效果不存在顯著差異（P＞0.05），配置類型Ⅱ、配置類型Ⅲ、配置類型Ⅳ之間對(duì)地下徑流中污染物的去除效果不存在顯著差異（P＞0.05）；2 m時(shí)，4種配置類型對(duì)地下徑流中污染物氮的去除效果均存在顯著差異（P＜0.05），除配置類型Ⅳ外其它3種配置地表徑流與地下徑流之間均存在顯著差異（P＜0.05）；4 m時(shí)，配置類型Ⅲ對(duì)地下徑流中污染物的去除率最高，達(dá)47.99%，各配置類型對(duì)地表徑流與地下徑流間去除率除配置類型Ⅰ、配置類型Ⅱ、裸地外均存在顯著差異（P＜0.05）；7 m時(shí)，配置類型Ⅲ、配置類型Ⅳ對(duì)地表徑流中污染物去除率不存在顯著差異（P＞0.05），其它配置間均存在顯著差異（P＜0.05），4種配置類型對(duì)地表徑流中污染物去除效果與地下徑流間均存在顯著差異（P＜0.05）。

圖5 河岸植被緩沖帶對(duì)污染物氮的去除率Fig.5 Riparian vegetation buffer zones ruff on the removal rate of nitrogen

3.2 不同植被配置對(duì)總磷（TP）的去除率

圖6為不同植被配置類型對(duì)地表徑流及地下徑流中污染物磷的去除率。當(dāng)河岸帶寬度1 m時(shí)，配置類型Ⅰ對(duì)地下徑流中污染物去除率最高，達(dá)22.56%，各配置類型對(duì)地表徑流中污染物去除效果均存在顯著差異（P＜0.05），配置類型Ⅱ、配置類型Ⅲ及配置類型Ⅳ、裸地間對(duì)地下徑流中污染物去除效果不存在顯著差異（P＞0.05），對(duì)地表徑流中污染物去除效果與地下徑流中污染物去除效果間除裸地外均存在顯著差異（P＜0.05）；2 m時(shí)，4種配置對(duì)地下徑流中污染物的去除率均高于對(duì)地表徑流中污染物去除率，對(duì)地下徑流中污染物的平均去除率分別為31.44%、18.26%、23.22%、18.93%，各配置類型對(duì)地表徑流中污染物去除效果均存在顯著差異（P＜0.05），對(duì)地下徑流中污染物去除效果除配置類型Ⅱ、配置類型Ⅳ外均存在顯著差異（P＜0.05）；4 m時(shí)，各配置對(duì)地表徑流中污染物去除效果與地下徑流中污染物去除效果間除配置類型Ⅲ外均存在顯著差異（P＜0.05）；7 m時(shí)，配置類型Ⅰ、配置類型Ⅱ?qū)Φ乇韽搅髦形廴疚锶コ蔬h(yuǎn)高于其他配置，分別為44.78%、48.00%，同時(shí)配置類型Ⅰ對(duì)地下徑流中污染物去除效果優(yōu)于其它配置，平均去除率達(dá)49.31%，除配置類型Ⅲ外其它配置對(duì)地表徑流中污染物去除效果與地下徑流中污染物去除效果間均存在顯著差異（P＜0.05）。

圖6 河岸植被緩沖帶對(duì)污染物磷的去除率Fig.6 Riparian vegetation buffer zones ruff on the removal rate of phosphorus

3.3 不同植被配置對(duì)硝態(tài)氮（NO3--N）的去除率

圖7為不同植被配置類型對(duì)地表徑流及地下徑流中污染物硝態(tài)氮的去除率。當(dāng)河岸帶寬度1 m時(shí)，配置類型Ⅰ對(duì)地表徑流中污染物去除效果與地下徑流中污染物去除效果間存在顯著差異（P＜0.05），其余均不存在顯著差異（P＞0.05）；2 m時(shí)，配置類型Ⅲ對(duì)地下徑流中污染物去除率最高，為25.59%，除配置類型Ⅰ、配置類型Ⅳ外其它配置對(duì)地表徑流中污染物去除效果均存在顯著差異（P＜0.05），配置類型Ⅰ、配置類型Ⅳ對(duì)地下徑流中污染物去除效果不存在顯著差異（P＞0.05），其它配置對(duì)地下徑流中污染物去除效果均存在顯著差異（P＜0.05）；4 m時(shí)，配置類型Ⅲ對(duì)地下徑流中污染物去除率最高（31.79%），配置類型Ⅰ對(duì)地表徑流中污染物去除率最高（32.98%），配置類型Ⅰ、配置類型Ⅲ對(duì)地表徑流中污染物去除效果與地下徑流中污染物去除效果間均存在顯著差異（P＜0.05）；7 m時(shí)，配置類型Ⅰ對(duì)地表徑流、地下徑流中污染物去除率均最高，為34.61%、25.73%。

圖7 河岸植被緩沖帶對(duì)污染物硝態(tài)氮的去除率Fig.7 Riparian vegetation buffer zones ruff on the removal rate of nitrate nitrogen

3.4 不同植被配置對(duì)銨態(tài)氮（NH4+-N）的去除率

圖8為不同植被配置類型對(duì)地表徑流及地下徑流中污染物銨態(tài)氮的去除率。當(dāng)河岸帶寬度1 m時(shí)，配置類型Ⅳ對(duì)地表徑流中污染物去除效果與地下徑流中污染物去除效果間存在顯著差異（P＜0.05）；2 m時(shí)，配置類型Ⅰ對(duì)地表徑流中污染物去除率最高，為29.87%，3種配置對(duì)地表徑流中污染物去除效果與地下徑流中污染物去除效果間均存在顯著差異（P＜0.05）；4 m時(shí)，配置類型Ⅳ對(duì)地表徑流、地下徑流中污染物去除效果均較強(qiáng)，平均去除率分別為28.77%、33.00%，其中3種配置對(duì)地表徑流中污染物去除效果與地下徑流中污染物去除效果間均存在顯著差異（P＜0.05）；7 m時(shí)，各配置對(duì)地表徑流中污染物去除效果均存在顯著差異（P＜0.05），對(duì)地下徑流中污染物去除效果除配置類型Ⅱ、裸地配置外均不存在顯著差異（P＞0.05）。

4 結(jié)論與結(jié)論

通過野外模擬不同河岸植被配置類型對(duì)地表徑流及地下徑流中污染物去除效果試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

（1）隨著河岸帶寬度的增加，不同植被配置類型對(duì)地表徑流中污染物的去除效果逐漸增強(qiáng)，對(duì)總氮的平均去除率由11.84%增加到29.80%，總磷的平均去除率由8.62%增加到34.56%，硝態(tài)氮的平均去除率由13.30%增加到26.41%，銨態(tài)氮的平均去除率由3.10%增加到22.65%，此結(jié)論與Syversen等人[18-19]的研究結(jié)果一致。對(duì)地下徑流中污染物的去除效果也同樣呈增加趨勢(shì)，總氮的去除率由18.32%增加到31.61%，總磷的平均去除率由10.16%增加到32.76%，硝態(tài)氮的平均去除率由13.27%增加到31.33%，銨態(tài)氮的平均去除率由13.64%增加到25.08%，此結(jié)論與韓壯行等[20]的研究結(jié)果一致，這可能是當(dāng)河岸帶寬度逐漸增大時(shí)，植被緩沖帶與污染物作用時(shí)間變長(zhǎng)，與其中污染物反應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，促進(jìn)了污染物吸收、截留轉(zhuǎn)化等過程，因此，在河岸帶寬度的設(shè)計(jì)時(shí)一定要達(dá)到一定的值才能起到很好的作用。

（2）試驗(yàn)表明，4種配置類型與地表徑流中各污染物的去除效果均存在顯著相關(guān)性（P＜0.05），其中配置類型Ⅰ對(duì)地表徑流中污染物去除率最高，對(duì)總氮、總磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的平均去除率分別27.66%、27.66%、26.53%、29.56%，配置類型Ⅲ次之，然而李萍萍等[21]研究認(rèn)為配置類型Ⅲ（灌草型）對(duì)污染物去除效果最好，與本文研究結(jié)果不一致。造成這種原因可能在于李萍萍等人的研究對(duì)象是原生植被類型，而本研究的河岸帶植被均為人工種植，樹種相對(duì)自然植被較為單一；4種配置類型與地下徑流中各污染物的去除效果也均存在顯著相關(guān)性（P＜0.05），配置類型Ⅲ對(duì)地下徑流中污染物去除率最高，對(duì)總氮、總磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的平均去除率分別31.34%、21.83%、26.97%、18.26%，其次為配置類型Ⅰ。

圖8 河岸植被緩沖帶對(duì)污染物銨態(tài)氮的去除率Fig.8 Riparian vegetation buffer zones ruff on the removal rate of ammonium nitrogen

總之，4種配置類型對(duì)地表、地下徑流污染物的去除效果存在不同的差異，對(duì)地表徑流中污染物的平均去除效果影響的大小順序?yàn)棰瘢劲簦劲螅劲?，地下徑流中污染物的平均去除效果影響的大小順序?yàn)棰螅劲簦劲瘢劲?。另外本試?yàn)為野外試驗(yàn)，不可避免的受到一些其他因素影響，如人為踐踏、動(dòng)物的侵害等，因此或多或少對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有些影響。

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Elimination effects of riparian vegetation buffer zones on surface water nitrogen and phosphorus in Lingang

BAI Ying-ying1a,1b, JIANG Hong1a,1b, RAO Ying-fu2, CAI Yong-li1a,1b
(1a. Shanghai Key Lab Urban Ecological Processes and Eco-Restoration; 1b. School of Geographic Sciences, East China Normal University, Shanghai 200241, China; 2.Shanghai Harbour City Dishui Lake Construction Management Co., Ltd, Shanghai 201306, China)

In order to fully understand the elimination effects of riparian vegetation buffer zones on surface, underground run off pollutants, the author studied the different riparian vegetation buffer zones on nitrogen and phosphorus reduction of surface and underground runoff by the arti fi cial simulation method in Lingang River in different vegetation con fi guration type and riparian zone width. The results showed that: the different types of vegetation affected by changes in vegetation width and types of pollutants on the removal of pollutants. 7 m wide riparian buffer zone on the four kinds of pollutant removal ef fi ciency was better than 1 m, 2 m. Four kinds of riparian vegetation buffer zones of different con fi gurations for each pollutant removal surface runoff signi fi cantly different from each other (P＜0.05). Where the best for the removal of contaminants on surface was the vegetation con fi guration typeⅠ, the average removal rates for TN,TP, NO3--N, NH4+-N were 27.66%, 27.66%, 26.53%, 29.56%; the order of removal of pollutants for four con fi gurations of the average size was:Ⅰ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ. The best for the removal of contaminants on underground was the vegetation con fi guration typeⅢ, the average removal rates for TN,TP, NO3--N, NH4+-N were 31.34%, 21.83%, 26.97%, 18.26%; the order of removal of pollutants for four con fi gurations of the average size was: Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅰ＞Ⅱ.

riparian vegetation buffer zones; vegetation con fi guration type; removal pollutants

S727.28

A

1673-923X(2016)05-0108-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.05.020

2015-03-10

上海市重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（09DZ1200900）；浦東新區(qū)科科委承建環(huán)保類創(chuàng)新項(xiàng)目（pkj2013-c05）

白瑩瑩，碩士生 通訊作者：蔡永立，教授，博士；E-mail：ylcai@geo.ecnu.edu.cn

白瑩瑩，江 洪，饒應(yīng)福，等.臨港新城河岸人工植被緩沖帶對(duì)氮、磷的去除效果[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(5):108-113, 132.

[本文編校：謝榮秀]