生物過濾帶在農(nóng)業(yè)面源污染防治中的應(yīng)用

胡雪琴

(重慶醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校 醫(yī)學(xué)技術(shù)系，重慶 401331)

生物過濾帶在農(nóng)業(yè)面源污染防治中的應(yīng)用

胡雪琴

(重慶醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校 醫(yī)學(xué)技術(shù)系，重慶 401331)

生物過濾帶；防護(hù)功能；農(nóng)業(yè)面源污染；最佳寬度；布置模式

生物過濾帶是位于污染源和水體之間的帶狀植被區(qū)域，具備有效控制面源污染、提高河岸穩(wěn)定性、減少水土流失、凈化水質(zhì)和增加生物多樣性等多種功能。介紹了生物過濾帶的概念、防護(hù)功能和最佳寬度，并以重慶合川小安溪小流域為例，分析了小流域生物過濾帶的布置模式，提出應(yīng)用生物過濾帶治理農(nóng)業(yè)面源污染應(yīng)重點關(guān)注生物過濾帶植物字典建立、生物過濾帶技術(shù)示范基地建立、生物過濾帶的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)體系探索三個問題。

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，由于坡耕地分布范圍廣[1]和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的廣泛性[2]，造成農(nóng)業(yè)面源污染具有形式多樣、發(fā)生隨機(jī)、危害隱蔽、監(jiān)測量化難、控制難度高的特點。農(nóng)業(yè)面源污染已成為導(dǎo)致耕地退化、農(nóng)村和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境惡化，影響江河及飲用水源地水質(zhì)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素，并嚴(yán)重影響著人們的食品安全和身體健康。因此，加強農(nóng)業(yè)面源污染治理不僅直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)重建，也關(guān)系到區(qū)域性農(nóng)村社會經(jīng)濟(jì)和人居環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[3]。生物過濾帶作為一種成本低廉、功能多樣、效果穩(wěn)定持久的生態(tài)工程措施，受到了國內(nèi)外學(xué)者及應(yīng)用行業(yè)的廣泛關(guān)注。Dickey等[4]研究了四種不同生物過濾帶對地表徑流中污染物的過濾、沉降、吸收和稀釋等作用。Phillips[5]研究發(fā)現(xiàn)生物過濾帶控制面源污染有效性受到坡長、坡度、地表粗糙度和土壤水文特性等綜合因素影響。筆者擬在全面介紹生物過濾帶概念、防護(hù)功能和最佳寬度基礎(chǔ)上，分析重慶合川區(qū)(原合川市，下同)小安溪小流域的生物過濾帶布置模式，并提出在重慶市農(nóng)業(yè)面源污染治理中應(yīng)用生物過濾帶措施應(yīng)密切關(guān)注的問題。

1 生物過濾帶的概念

生物過濾帶又稱植被過濾帶，是位于污染源和水體之間的帶狀植被區(qū)域[6]。它是進(jìn)行河岸帶生態(tài)系統(tǒng)管理時最常用的一種模式，可以有效地控制面源污染、提高河岸穩(wěn)定性、減少水土流失、凈化水質(zhì)、增加生物多樣性等。目前雖然對生物過濾帶的說法并不完全統(tǒng)一，有過濾帶[4]、緩沖帶[7]、植被過濾帶[8]、河岸植被緩沖帶[9]等不同說法，但其內(nèi)涵相同或相似。根據(jù)植物種類不同，生物過濾帶可分為草本過濾帶、灌木過濾帶、喬木過濾帶和復(fù)合過濾帶。

20世紀(jì)60年代中期，Wilson[10]最早提出生物過濾帶概念并通過試驗研究了其防治效果，結(jié)果表明生物過濾帶寬度與泥沙質(zhì)量和泥沙顆粒大小存在反比關(guān)系。Lee等[11]認(rèn)為草本植被過濾帶可以攔截徑流中95%的泥沙、80%的總氮和78%的總磷。Phillips[5]通過建立數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)過濾帶的有效性主要取決于坡度和飽和水力傳導(dǎo)性。王敏等[12]研究了不同坡度條件下緩沖帶對污染物的凈化效果及其最佳寬度，結(jié)果表明坡度2%時緩沖帶的最佳寬度為16.1 m，而坡度5%時則需24.7 m。肖波等[13]分析了禾本科草本植被緩沖帶對徑流、泥沙和除草劑的攔截效果，證明植被緩沖帶在防治農(nóng)業(yè)面源污染方面具有良好效果。目前國內(nèi)各地也有多種應(yīng)用實例[14-15]。

2 生物過濾帶的防護(hù)功能

2.1 削減面源污染

一定寬度的生物過濾帶可以有效地過濾、沉降、吸收和稀釋徑流中的泥沙、氮、磷、鉀、除草劑等污染物，防止其進(jìn)入河流、水庫和湖泊等，從而可有效地保證水質(zhì)清潔。過濾帶在防治面源污染方面的作用主要體現(xiàn)在對氮和磷等化學(xué)元素的削減上。李懷恩等[8]認(rèn)為植被過濾帶對地表徑流中顆粒態(tài)氮、顆粒態(tài)磷、總氮和總磷的削減效果分別可達(dá)82.02%、77.13%、46.05%和73.28%以上。生物過濾帶通過反硝化作用和植被吸收等途徑稀釋了徑流中的氮素，而有機(jī)氮在微生物的作用下轉(zhuǎn)換為銨態(tài)氮，經(jīng)過根系微生物和反硝化作用轉(zhuǎn)化為氮氣并排放到空氣中[16]。徑流中各種形態(tài)的磷元素主要是通過植物根系和微生物吸收、酶的催化作用和沉積作用等不同方式得到稀釋或吸收，從而降低磷含量的。相關(guān)研究表明，增加生物過濾帶的寬度可以吸收更多的含磷微粒[17]。

2.2 固結(jié)土壤，提高河岸穩(wěn)定性

生物過濾帶的植物根系可以顯著提高河岸的抗侵蝕性，減輕水流對河岸的沖刷[18]。研究表明，生物過濾帶能夠攔截徑流中53%～96%的泥沙[19]。因此，在布設(shè)生物過濾帶時，應(yīng)盡量選擇根系發(fā)達(dá)的鄉(xiāng)土樹種，以提高河岸穩(wěn)定性。

2.3 凈化水質(zhì)，涵養(yǎng)水源

生物過濾帶可以有效地減少水流對河岸及岸邊地表的沖蝕，同時植物根系還可攔截和沉降侵蝕泥沙，減少其進(jìn)入下游水庫。生物過濾帶也可以有效地攔截和過濾其他顆粒狀污染物和牲畜排泄物中的細(xì)菌，降低河流渾濁度和懸浮顆粒物等。研究表明，6.1 m寬的酥油草過濾帶可移除100%的大腸桿菌[20]。

2.4 增加生物多樣性

生物過濾帶不僅可為陸生動植物提供良好的棲息地和生境條件，還可為水生生物提供食物和能量。通過布設(shè)一定寬度的生物過濾帶既可以增加生物棲息地面積，保護(hù)脆弱環(huán)境，也可以恢復(fù)景觀效果，改善生態(tài)環(huán)境，為增加區(qū)域性生物多樣性和豐富物種資源提供必要的環(huán)境和空間。在澳大利亞Jugiong Creek小流域內(nèi)，有40%的爬蟲類、80%的兩棲類、25%的哺乳類動物和140多種鳥類生活在過濾帶內(nèi)[18]。

3 生物過濾帶的最佳寬度

生物過濾帶的構(gòu)建要素包括植物種、模式配置、過濾帶性質(zhì)和寬度等多種參數(shù)，其中過濾帶寬度較其他因素更為敏感，直接影響其防護(hù)功能發(fā)揮。研究表明，3 m寬的過濾帶對地表徑流沉積物的削減效果顯著[21]，但一般建議過濾帶最小應(yīng)為9 m寬。美國農(nóng)業(yè)部林務(wù)局(USDA-FS)1991年制定的《河岸植被緩沖帶區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，在三區(qū)緩沖帶中，第一個緩沖帶寬度為4.5 m，第二個為18 m，第三個為6 m[22]。Budd等[23]認(rèn)為生物過濾帶的寬度應(yīng)通過實地調(diào)查確定，野外調(diào)查內(nèi)容包括河流類型、河岸坡度、土壤類型、植被覆蓋度、河流結(jié)構(gòu)、沉積物控制和野生動物棲息地等綜合因素。在實踐中，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)各種生物過濾帶主要防護(hù)功能的不同，對于生物過濾帶最佳寬度、防護(hù)效果進(jìn)行了廣泛分析和深入研究，具體見表1。

由以上國內(nèi)外研究結(jié)果可見：當(dāng)生物過濾帶寬度大于30 m時，能夠有效地控制養(yǎng)分流失、過濾污染物；當(dāng)過濾帶寬度為3～30 m時，能夠有效地防治面源污染。根據(jù)重慶市水系分布和河道形態(tài)特點，生物過濾帶的適宜寬度為15～30 m，以30 m最佳，但實踐中各種河岸、水體的生物過濾帶布置的具體寬度仍需根據(jù)實地調(diào)查的坡度大小、污染物特點、土壤類型、過濾帶類型、水質(zhì)要求進(jìn)行適度調(diào)整。

表1 生物過濾帶的最佳寬度及其主要作用

4 生物過濾帶在三峽庫區(qū)的應(yīng)用

重慶市是三峽庫區(qū)的主體，其紫色丘陵區(qū)坡耕地面積為118.9萬hm2，占全市耕地面積的47.14%，丘陵、低山和高山的復(fù)種指數(shù)分別為190%～230 %、180%和80%，土壤侵蝕模數(shù)在3 798～9 831 t/(km2·a)之間[2]，農(nóng)業(yè)面源污染程度隨著水土流失的發(fā)生而加劇，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和水質(zhì)安全造成了嚴(yán)重危脅。重慶合川區(qū)在小安溪小流域綜合治理中，將水土流失治理與生物過濾帶建設(shè)、溪河水質(zhì)保護(hù)、生態(tài)觀光旅游有機(jī)地結(jié)合起來，取得了較好的效果。小安溪屬涪江支流，河長170 km，其中合川境內(nèi)流域面積33.46 km2。當(dāng)?shù)厮２块T在布設(shè)生物過濾帶時，以小安溪為主軸線，由下至上逐步展開，交錯布設(shè)，實現(xiàn)了“少則蓄、多則排、層層攔蓄”的水土流失面源污染防治效果。其生物過濾帶具體布設(shè)見圖1。

圖1 小安溪小流域生物過濾帶示意

由圖1可知，小安溪小流域生物過濾帶的主體為以行狀混交方式營造的20～30 m寬的人工混交林，選擇了垂柳、水杉和楊樹三種防護(hù)效能較高、適應(yīng)性好、根系發(fā)達(dá)、耐水濕性強的樹種，根據(jù)生物過濾帶和林木品種的特點確定株行距為3 m×3 m或3 m×4 m，不僅可以有效地攔截和過濾河道兩岸徑流中的泥沙和污染物，而且還可以提高河岸穩(wěn)定性。同時，在過濾帶以上修建2～3級梯田，梯田以上的山坡中下部栽植經(jīng)濟(jì)林，這樣既能防治水土流失又能增加群眾的經(jīng)濟(jì)收入。

經(jīng)過3年的綜合治理，小安溪小流域營造水土保持林280 hm2、經(jīng)果林166.7 hm2，水質(zhì)明顯改善，坡面徑流中97%的泥沙、95%的總氮和92%的總磷得到了有效攔截[15]；同時也增加了農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入，改善和美化了當(dāng)?shù)剞r(nóng)村生產(chǎn)、生活環(huán)境，有效提高了人們的水土保持生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識。

5 建 議

鑒于生物過濾帶兼具景觀美學(xué)觀賞性、防護(hù)功能多樣性和防護(hù)作用穩(wěn)定性、持續(xù)性等多重優(yōu)勢，在重慶市農(nóng)業(yè)面源污染治理中應(yīng)廣泛應(yīng)用，但需要關(guān)注以下三個問題：

(1)建立生物過濾帶植物字典。綜合現(xiàn)有研究成果，根據(jù)重慶市農(nóng)業(yè)面源污染物來源及其在土壤、水體中的遷移轉(zhuǎn)化特征，應(yīng)及早建立包括植物種類、生活型、立地條件、污染物質(zhì)吸附特性、喬灌草配置模式在內(nèi)的植物字典，為生物過濾帶應(yīng)用提供豐富的植物資源庫。

(2)建立生物過濾帶技術(shù)示范基地。全面分析重慶市所劃分的都市功能核心區(qū)、都市功能拓展區(qū)、城市發(fā)展新區(qū)、渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)、渝東南生態(tài)保護(hù)發(fā)展區(qū)五個功能區(qū)域所面臨的農(nóng)業(yè)面源污染特征，結(jié)合農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)項目、小流域治理工程與環(huán)境保護(hù)專項工程的實施，布置適宜的生物過濾帶類型，建立多種集試驗、監(jiān)測、示范、推廣于一體的生物過濾帶實體模型。

(3)探索生物過濾帶的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用技術(shù)體系，包括植物種快速繁育技術(shù)、植物功能持續(xù)維護(hù)技術(shù)、植物污染物吸附快速監(jiān)測技術(shù)、生物工程綠化技術(shù)等。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

重慶市科委攻關(guān)項目(應(yīng)用技術(shù)研發(fā)類I重點)(CSTC2013gg-yyjsb20002)；重慶醫(yī)藥高等專科學(xué)?？蒲许椖?2013-215)

S157.2；X171

A

1000-0941(2015)08-0035-04

胡雪琴(1973—)，女，四川南充市人，副教授，博士，研究方向為環(huán)境衛(wèi)生與檢測。

2014-10-10