南方地區(qū)水源塘壩保護(hù)的植被措施綜合評價

朱壽建

摘要 在野外實地建立了高羊茅+小葉女貞的植被組合條件下的3種不同過濾帶寬度（2、3、4 m）和過濾帶寬度為3 m條件下的5種不同植被組合（高羊茅+小葉女貞、三葉草+小葉女貞、高羊毛+火棘、三葉草+火棘、高羊茅+小葉女貞+碎石覆蓋）以及空白對照組共8組試驗小區(qū)，監(jiān)測了2017年6月—2018年3月共計5場不同強(qiáng)度的自然降雨（23.0～100.2 mm/h）條件下每次降雨后的出流水量、出流泥沙量、出流總氮濃度以及出流總磷濃度。結(jié)果表明，在過濾帶寬度一致時，高羊茅+小葉女貞的植被配置模式凈化效果最好。高羊茅+小葉女貞的植被組合過濾帶的寬度為4 m時，相比于寬度為2和3 m的情況下，出流水量、出流泥沙量、出流總氮濃度以及出流總磷濃度均為最低。通過建立塘壩復(fù)合植被過濾帶工程評價指標(biāo)體系，分別對不同植被組合配置模式進(jìn)行打分，結(jié)果表明，5種植被過濾帶不同植被組合配置模式中高羊茅+小葉女貞+碎石覆蓋（C5）總得分最高（91.5分），明顯高于其他類型的配置模式，說明在攔沙截污、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)等方面綜合效果作用最好，在該研究區(qū)復(fù)合植被過濾帶工程中值得優(yōu)選。該研究結(jié)果可為植被過濾帶技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 植被過濾帶;植物種類;寬度;綜合評價;定量計算

中圖分類號 S714.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 0517-6611（2020）11-0100-04

Abstract Three different filter bandwidth （2， 3， 4 m） of the tall fescue and ligustrum microphylla vegetation combination， and five different vegetation combinations （tall fescue + Ligustrum microphylla， clover +Ligustrum microphylla， tall fescue + pyracantha，clover + pyracantha，tall fescue + Ligustrum microphylla + gravel mulch） and control group were established in the field. The outflow water， outflow sediment， outflow total nitrogen concentration and outflow total phosphorus concentration after each rainfall were measured during five different intensities （23.0-100.2 mm/h） of natural rainfall ?from June 2017 to March 2018. The results showed that the tall fescue combined with Ligustrum lucidum was most effective among all the tested vegetation combinations at reducing soil loss and intercepting pollutants when the filter bandwidth was the same. When the width of the combined filter belt of tall fescue and Ligustrum lucidum was 4 m， the effluent water， sediment， nitrogen and phosphorus concentration were lower than the conditions that the width was 2 m or 3 m. Through establishing an evaluation index system of the vegetative filter strips of ponds and dams， the different vegetation filter strips were scored. The results showed that the score of tall fescue combined with Ligustrum microphylla and gravel cover was significantly higher than the other four different vegetation combination allocation modes in the filtered zone. The results indicated that this filter belt had the best comprehensive effects on soil interception， ecology and economy benefits， and it deserved to be optimized in the project of the composite vegetation filter zone in the study area. This study can provide a theoretical basis for the application and popularization of vegetation filter belt technology.

Key words Vegetative filter strips;Plant species;Width;Comprehensive evaluation;Quantitative design

我國南方地區(qū)塘壩是極為常見的貯存和攔蓄地表徑流的蓄水設(shè)施，其具有農(nóng)業(yè)灌溉、調(diào)蓄雨洪資源、防止水土侵蝕及攔截面源污染物等重要功能。隨著塘壩的上游農(nóng)業(yè)活動的發(fā)展，泥沙、氮磷污染物和生活垃圾隨徑流匯水進(jìn)入塘壩的污水而增長，引起塘壩淤塞、水體環(huán)境惡化乃至生態(tài)功能喪失等問題。植被過濾帶是位于污染源和水體之間的由喬木、灌木、草或農(nóng)作物構(gòu)成的帶狀植被[1]，它可促進(jìn)地表徑流中污染物的沉降、過濾、稀釋和吸收，在防治塘壩遭受泥沙淤積和水體面源污染等方面作用顯著[2-3]，目前已被歐美國家推薦為流域治理的一種有效措施[4-5]。不同植物種類的過濾帶對水土和養(yǎng)分流失防護(hù)和污染物的凈化效果差異極大，有的植被攔截效率不到30%，有的則可達(dá)90%以上[4-5]。草地過濾帶可以有效地減少徑流量和截留徑流沉積物，但由于草本植物生物量小且根系淺，其在攔截地下側(cè)向流及營養(yǎng)物方面的效果則低于林木過濾帶。林木過濾帶由于根莖系統(tǒng)深，能更好地吸收去除氮磷等營養(yǎng)物[6-11]。植被過濾帶的寬度對污染物去除效果具有顯著影響，一般而言，污染物攔截效果隨寬度的增加而增強(qiáng)[8-13]。因此確定最適寬度可以在增強(qiáng)去污效果與減少占地面積之間達(dá)到平衡，是設(shè)計植被過濾帶時首先考慮的問題，但目前相關(guān)研究存在較大爭議。Dhondt等[14]研究表明植被過濾帶寬度達(dá)到5～8 m即可去除徑流中的全部硝態(tài)氮，但Dosskey[15]認(rèn)為寬度至少應(yīng)增至30 m。分析已有研究可知，植被過濾帶最適寬度是目前研究最多、同時也是爭議最大的問題，相關(guān)研究結(jié)果存在數(shù)倍、甚至數(shù)十倍的差異，基本不具有可比性。這一狀況可能與不同研究區(qū)的氣候特征、土壤類型、所選植物種類、所需去除污染物等因素有關(guān)。因此在某一特定地區(qū)，應(yīng)綜合考慮上述因素，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?、土壤性質(zhì)等條件確定該區(qū)植被過濾帶的最適植被類型和最適寬度，同時完善植被過濾帶的綜合評價體系。該研究通過試驗研究，探索和評估不同植被種類組合與不同寬度的植被過濾帶對泥沙淤積和氮磷污染物的防治效果，為植被過濾帶技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗選在南京市江寧區(qū)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，地勢南北高而中間低，丘陵崗地面積最大。境內(nèi)有大小山丘400個，山體高度都在海拔400 m以下，屬典型的丘陵、平原地貌。江寧區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，年平均氣溫15.7 ℃;無霜期長，平均無霜期為224 d;雨水充沛，年平均降水量為1 072.9 mm。雨熱同季，天氣的變化比較復(fù)雜，常出現(xiàn)春秋季低溫冷害、雨澇、臺風(fēng)、寒潮、干旱、冰雹、雷雨大風(fēng)等災(zāi)害性天氣。年極端最低氣溫-13.3℃，年極端最高氣溫為40.4 ℃。

1.2 野外小區(qū)試驗

對復(fù)合植被過濾帶的植物配置模式與植被過濾帶的寬度進(jìn)行了相應(yīng)的選取與計算，配置模式包括高羊茅+小葉女貞、三葉草+小葉女貞、高羊毛+火棘、三葉草+火棘、高羊茅+小葉女貞+碎石覆蓋，在試驗區(qū)所選取坡地上設(shè)置相對應(yīng)的5種不同的植被過濾帶配置模式的徑流小區(qū)，對典型配置高羊茅+小葉女貞模式設(shè)置3個不同寬度，分別為2、3、4 m，其余配置模式寬度皆為3 m，每0.5 m設(shè)置一種植物，另外設(shè)置一個空白對照，共8個植被過濾帶。相鄰的2條植被過濾帶之間均鋪設(shè)了防滲膜，分隔為8個小區(qū)，每個小區(qū)水平方向的寬度皆為1.5 m，具體布置方式及配置模式編號如表1所示。在每條植被過濾帶出流處修建一個沉砂池，沉砂池（帶蓋以避免降雨落入產(chǎn)生水量）出口處設(shè)置閥門，連接水表，用以觀測每次降雨前后各個小區(qū)產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量及徑流污染物濃度比較。

每次降雨前對沉砂池進(jìn)行清理，保證沉砂池內(nèi)無干燥、無泥沙及污染物。在每次降雨過程中關(guān)閉所有沉砂池出口處閥門，降雨完成后，待沉砂池內(nèi)泥沙沉淀完成，按編號依次收集各沉砂池內(nèi)250 ?mL上層清液、過濾，用以測定總氮、總磷濃度。待取完待測液后，打開全部出流閥門，沉砂池內(nèi)液體全部經(jīng)閥門與水表流出，待全部流出后，依次記錄各水表示數(shù)，得到各沉砂池內(nèi)的水量。收集沉砂池內(nèi)沉淀下來的泥沙，烘干稱重，計算得到各個小區(qū)在一次降雨完成后所產(chǎn)生的泥沙量。

1.3 塘壩復(fù)合植被過濾帶配置模式綜合評價與優(yōu)選

1.3.1 塘壩復(fù)合植被過濾帶工程評價指標(biāo)體系的構(gòu)建。

為科學(xué)引導(dǎo)江寧區(qū)塘壩復(fù)合植被過濾帶的建設(shè)，科學(xué)評估復(fù)合植被過濾帶，建立江寧區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)相適宜的復(fù)合植被過濾帶評價指標(biāo)體系，其各層次指標(biāo)見下表2。

塘壩復(fù)合植被過濾帶工程評價指標(biāo)體系分為一級指標(biāo)和二級指標(biāo)。一級指標(biāo)分別為攔沙截污效益（B1）、經(jīng)濟(jì)效益（B2）和生態(tài)效益（B3）。一級指標(biāo)攔沙截污效益（B1）包括泥沙攔截率（C1）、總氮攔截率（C2）和總磷攔截率（C3）3個二級指標(biāo);一級指標(biāo)經(jīng)濟(jì)效益（B2）包含工程成本（C4）、環(huán)保經(jīng)濟(jì)效益（C5）和施工工藝（C6）3個二級指標(biāo);一級指標(biāo)生態(tài)效益（B3）包括生物多樣性（C7）和景觀效益（C8）2個二級指標(biāo)。根據(jù)已測得的數(shù)據(jù)，利用層次分析法（AHP）計算求得各一級指標(biāo)和二級指標(biāo)的權(quán)重值（表3）。根據(jù)專家和有關(guān)學(xué)者的意見，采用標(biāo)度法將同一層次中指標(biāo)之間進(jìn)行兩兩比較，各專家運(yùn)用1～9標(biāo)度法來構(gòu)建判斷矩陣。

1.3.2 塘壩復(fù)合植被過濾帶配置模式綜合評價與優(yōu)選。

將江寧區(qū)塘壩復(fù)合植被過濾帶工程評價指標(biāo)體系的各種指標(biāo)分為4個等級（很好、好、一般、差），而且這4個分別用100、80、60、40來代替。達(dá)到目標(biāo)值為很好，其余與參考值作比較求隸屬度，其指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。根據(jù)計算結(jié)果，植被過濾帶寬度在3 m比較適宜，為控制變量，所以以上復(fù)合植被過濾帶的寬度保持一致，均為3 m。通過Triangular Fuzzy（三角模糊）模型中模糊函數(shù)的方法確定具體每個指標(biāo)的隸屬度函數(shù)值。利用Matlab程序和指標(biāo)的最低值、基準(zhǔn)值分別求出每個指標(biāo)相對應(yīng)V={v1，v2，v3，v4，}={很好，好，一般，差}，指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值分別為{d1，d2，d3，d4}，實際值為X，此過程和結(jié)果由數(shù)值表示。然后按照Triangular Fuzzy模型求出每個指標(biāo)的隸屬度。

2 結(jié)果與分析

2.1 野外小區(qū)觀測試驗

在野外小區(qū)的試驗中，共進(jìn)行了5次降雨徑流觀測試驗。在2017年6月6日、2017年8月28日、2017年9月25日、2018年1月4日、2018年3月15日各次監(jiān)測的降雨強(qiáng)度分別為35.1、27.8、100.2、23.0、51.2 mm/h。各次監(jiān)測得到8個過濾帶在每次降雨后的出流水量、出流泥沙量、出流總氮濃度以及出流總磷濃度。按照降雨強(qiáng)度由大到小的排序，產(chǎn)沙量與總磷濃度隨過濾帶長度與植被組合的變化分別如圖1所示。

由5次降雨后的觀測結(jié)果，通過對8個小區(qū)出流結(jié)果的比較，可以發(fā)現(xiàn)不同植被配置模式及同一植被配置模式下不同寬度植被過濾帶對地表徑流、泥沙、總氮以及總磷的攔截效果皆有差異。在5次觀測試驗中，通過比較1#、2#、3#小區(qū)的出流情況發(fā)現(xiàn)，寬度為4 m的3#小區(qū)在5次觀測試驗中出流水量、泥沙量、泥沙濃度及總氮、總磷濃度都比寬度為2 m和3 m的小區(qū)小，說明寬度為4 m的3#植被過濾帶小區(qū)對地表徑流、泥沙及總氮、總磷的攔截效果要優(yōu)于另外2個寬度的小區(qū)。在2017年8月28日（降雨強(qiáng)度27.8 mm/h）的觀測試驗中，3#小區(qū)出流泥沙量非常微弱，不足以取樣，基本為0，可以證明在此次觀測試驗中長度為4 m的高羊茅+小葉女貞的配置模式過濾帶對泥沙的攔截效果非常好，接近于100%，原因可能在于此次觀測試驗中的降雨量較小，導(dǎo)致出流水量及其所攜泥沙含量都較小。此外，寬度為3 m的2#植被過濾帶小區(qū)對地表徑流、泥沙及總氮、總磷的攔截效果優(yōu)于寬度為2 m的1#小區(qū)。由此可見，在該研究野外小區(qū)降雨徑流觀測試驗中，植被過濾帶寬度越大，對徑流、泥沙及氮磷污染物的攔截效果越好。

比較8個徑流小區(qū)的攔截效果，出流水量、出流泥沙濃度、出流總氮、總磷濃度從大到小均依次為8#、1#、7#、6#、5#、4#、2#、3#，表明在該研究的野外小區(qū)徑流觀測試驗中，8個小區(qū)對于徑流、泥沙及氮磷污染物的攔截效果從大到小依次為3#、2#、4#、5#、6#、7#、1#、8#。在過濾帶寬度一致時，高羊茅+小葉女貞的植被配置模式凈化效果最好。對于同種配置模式，植被過濾帶寬度越大，凈化效果越好。但是，示范區(qū)的局限性只能確定在設(shè)置的3種寬度中，寬度與凈化效果呈正相關(guān)，并不能確定寬度大小是否存在一個閾值，還有待深入研究。

2.2 塘壩復(fù)合植被過濾帶配置模式綜合評價及優(yōu)選

通過上述所求的一級和二級模糊綜合評價值，分別對準(zhǔn)則層和目標(biāo)層進(jìn)行打分。塘壩復(fù)合植被過濾帶工程準(zhǔn)則層的隸屬度及得分情況如表5所示。從隸屬度及得分情況可以得出，5種不同的配置模式中高羊茅+小葉女貞+碎石覆蓋（7#）的攔沙截污效果最好，總得分為96分，而三葉草+火棘（6#）的攔沙截污效果最差，得分最低。其他3種不同的植被配置模式相較于無植被過濾帶則均有不同程度的攔沙截污效果。

借助模糊綜合評價法，建立二級模糊評價模型，綜合考慮三大因素（防滲效益、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益），從而進(jìn)行打分并優(yōu)選生態(tài)防滲渠道。對江寧區(qū)塘壩復(fù)合植被過濾帶實現(xiàn)目標(biāo)的程度進(jìn)行綜合評判，結(jié)果如表6所示。從表6可以得出，考慮綜合因素，統(tǒng)籌兼顧，5種不同配置模式中高羊茅+小葉女貞+碎石覆蓋（C5）總得分最高，總得分為91.5，相比其他類型的配置模式無疑處在優(yōu)級，這說明在攔沙截污、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)等方面綜合效果作用非常好，在復(fù)合植被過濾帶工程中值得優(yōu)選。此外，植被過濾帶的寬度也是影響其作用的一個因素，這里只是討論了配置模式的優(yōu)選，對于其寬度的優(yōu)選需要根據(jù)實際應(yīng)用情況來進(jìn)行選擇。

3 結(jié)論

（1）過濾帶寬度為3 m條件下的5種不同植被組合（高羊茅+小葉女貞、三葉草+小葉女貞、高羊毛+火棘、三葉草+火棘、高羊茅+小葉女貞+碎石覆蓋）條件下，高羊茅+小葉女貞的植被配置模式的出流水量、出流泥沙量、出流總氮濃度以及出流總磷濃度均為最低，凈化效果最好。高羊茅+小葉女貞的植被組合條件下的3種不同過濾帶寬度（2、3、4 m）條件下，出流水量、出流泥沙量、出流總氮濃度以及出流總磷濃度隨過濾帶寬度的增加而降低，過濾帶的寬度為4 m時，凈化效果最好。

（2）通過建立塘壩復(fù)合植被過濾帶工程評價指標(biāo)體系，分別對不同植被組合配置模式進(jìn)行打分。結(jié)果表明，5種植被過濾帶不同植被組合配置模式中高羊茅+小葉女貞+碎石覆蓋（C5）總得分最高，總得分為91.5，明顯高于其他類型的配置模式，說明在攔沙截污、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)等方面綜合效果作用最好，在本研究區(qū)復(fù)合植被過濾帶工程中值得優(yōu)選。

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