太湖湖泊緩沖帶草林復合系統(tǒng)氮沉降阻滯解析

劉長娥，付子軾，2*，周 勝，2，宋祥甫，2，劉婭琴，2，劉福興，2，鄒國燕，2，董家華

(1上海市農業(yè)科學院，上海201403；2上海低碳農業(yè)工程技術研究中心，上海201415；3南京信息工程大學雷丁學院，南京 210044)

大氣氮沉降是指大氣中的活性氮通過各種途徑，從大氣轉移到地表的過程。就全球范圍來看，目前大氣氮沉降的平均值為每年5 kghm2，其中歐洲為每年10 kghm2，北美為每年26 kghm2，亞洲為每年7 kghm2；我國大氣氮沉降量為每年5.1—25.6 kghm2，而太湖地區(qū)為每年27.6 kghm2[1-6]，遠超我國及其他國家平均水平，已經成為世界高氮沉降區(qū)之一。大氣氮沉降的增加，已造成了一些地區(qū)水域氮富積和陸地生態(tài)系統(tǒng)“氮飽和”，嚴重威脅著水體和陸地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展[7]。據統(tǒng)計，太湖水質從20世紀70年代到90年代下降了2—3個級別，富營養(yǎng)化水面達到40%。太湖水體富營養(yǎng)化中，氮是主要因素[8-9]，因此減少氮的輸入是減輕太湖污染的關鍵。

太湖是蘇、浙、皖、滬等地區(qū)諸多大城市重要的供水水源地和淡水資源來源地，近幾十年來，隨著太湖流域人為活動的日益加劇、經濟發(fā)展及農村建設使太湖緩沖帶的生態(tài)功能和結構受到干擾和破壞。Hill等[10]研究指出，湖岸帶生態(tài)系統(tǒng)退化直接導致其蓄藏和攔截過濾功能的喪失是造成河流和湖泊富營養(yǎng)化的一個重要原因。草林復合系統(tǒng)泛指由草地和森林(多年生木本植物，如喬木、灌木、竹類等)在空間上有機結合而形成的復合型土地利用方式。近年來，隨著生態(tài)環(huán)境綜合治理的需要，作為一個重要的生態(tài)治理措施，草林復合系統(tǒng)日益受到人們的重視，并被廣泛應用于生態(tài)保護和環(huán)境改善領域。草林復合系統(tǒng)是太湖緩沖帶重要的組成部分，占整個緩沖帶長度的15.9%，自然的草林系統(tǒng)多由林木與自然雜草構成，年復一年堆積的大量枯枝落葉，形成了較大的污染源[11]，在降雨的脅迫下不但起不到應有的凈化作用，還加速了流經緩沖帶河流的污染，嚴重削弱了緩沖帶的污染攔截作用。

太湖的污染防治一直以來備受關注，鑒于緩沖帶草林復合系統(tǒng)植被生長現狀以及自身污染情況，進行緩沖帶污染控制和生態(tài)修復是污染防治的主要措施之一，而了解不同草林復合系統(tǒng)攔截與阻滯氮流失的特征，是進行生態(tài)修復與污染防治的重要前提。

太湖是高氮沉降區(qū)，降雨沉降氮對加速緩沖帶草林復合系統(tǒng)氮飽和具有重要的作用。本研究選取幾種不同林分密度與林下草被種類組合的草林復合系統(tǒng)，通過分析不同草林復合系統(tǒng)對降雨沉降氮的阻滯特征，了解草林復合系統(tǒng)的結構對功能的影響，進而篩選出氮阻滯效能高的草林復合系統(tǒng)，為生態(tài)修復與污染防治提供支撐，以提升緩沖帶的生態(tài)功能，有效地將氮、磷滯留在陸地生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)之中，降低氮、磷隨降雨徑流進入湖泊水體的風險。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于太湖西岸的周鐵地區(qū)，屬長江三角洲太湖水網化平原，沿太湖有長達22.3km的湖岸線。研究區(qū)屬北亞熱帶季風氣候，季節(jié)鮮明，日照充足，無霜期長。研究區(qū)域年平均降水量1 210.4mm，其中，春季降水量占全年的29%，夏季占36%，秋季占22.5%，冬季占12.5%；全年約49%的雨量集中在6—9月，以6月最多；年平均氣溫為15.6℃，受太湖水氣的影響，空氣平均濕度較大，晝夜溫差較小。

研究區(qū)域的土壤有3種類型，分別為水稻土、潮土和黃棕壤，試驗區(qū)域主要為潮土。區(qū)域內草林復合植被，樹木種類主要有香樟(Cinnamomumcamphora)、臭椿(Ailanthusaltissima)、楝樹(Meliaazedarach)；林下自然草被有葎草(Humulusscandens)、杠板歸(Polygonumperfoliatum)、小飛蓬(Comnyzacanadensis)、紫菀(Radixasteris)、看麥娘(AlopecurusaequalisSobol)。根據相關研究的需要，在部分林下清除雜草，種植白三葉(Trifoliumrepens)、紅花酢漿草(Oxaliscorymbosa)、麥冬(Ophiopogonjaponicus)和馬蹄金(DichondraerpensForst)草坪。

1.2 試驗設計與方法

1.2.1 試驗小區(qū)建立

在草坪種植的次年(2015年)，植物生長穩(wěn)定后，根據林分密度和草被種類選取不同草林復合類型處理，分別為疏林麥冬、密林麥冬、疏林馬蹄金、密林雜草和密林裸地。每個處理分別以胸徑相近的樹木為中心，按2m×2m建立了徑流小區(qū)，重復3次，小區(qū)內設置不同深度(20cm、40cm、80cm)土壤水收集器和有機質層A0(0—5cm)滲透水采集器。

1.2.2 降雨試驗準備

利用天然降雨進行相關試驗，采用上海氣象局生產的虹吸式雨量計進行降水量與降雨強度的記錄。為取得完整可靠的試驗數據，在降雨前將徑流收集桶埋設在其相應的收集裝置中，上覆塑料膜，將徑流管插入桶內，同時徑流管也采取塑料膜覆蓋，防止降雨直接進入。在試驗區(qū)附近的屋頂放置虹吸式雨量計，在疏林和密林下分別放置3個與雨量計直徑相近的塑料桶，用于承接雨水。降雨停止后，對每個小區(qū)不同時段的大氣降水(所接收的雨水)、地表降雨徑流、地下徑流以及區(qū)域大氣降水進行取樣，分析水中氮含量。

降雨強度采用氣象部門的等級劃分，根據降水量，劃分為小雨(≤2.5mmh)、中雨(2.6—8mmh)、大雨(8.1—15mmh)、暴雨(≥16mmh)。

1.2.3 取樣與分析

降雨結束后，對各區(qū)域設施中的水樣進行抽取，分離漂浮物(植物殘體)和泥沙，對雨水和地表徑流水的量進行測量記錄，然后混勻，取少量樣品按編號分類裝瓶，帶回實驗室，進行相關指標的測定。

大氣氮濕沉降的計算公式為：TNps=P×A×Nps，式中，TNps為大氣氮濕沉降量(mg)，P為大氣降水量(mm)，A為小區(qū)面積(m2)，Nps為降水氮含量(mgL)，由虹吸式雨量計在林外收集的大氣降水。

草林復合系統(tǒng)氮沉降的計算公式為：TNgs=G×A×Ngs，式中，TNgs為草林復合系統(tǒng)氮沉降量(mg)，G為林內降水量(mm)，A為小區(qū)面積(m2)，Ngs為林內降水氮含量(mgL)，在疏林與密林內收集的大氣降水。

林木沉積氮量(mg)=草林復合系統(tǒng)氮沉降量(mg)-大氣氮濕沉降量(mg)。

按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)進行水樣中相關元素的分析，其中，氮含量采用過硫酸鉀消解紫外分光廣度法測定；硝態(tài)氮濃度采用飽和CaSO4溶液提取-雙波長分光光度法測定；銨態(tài)氮濃度采用KCl浸提-比色法測定。

1.3 數據分析與處理

試驗數據使用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行分析，采用單因素方差分析不同草林系統(tǒng)的差異性(P<0.05)，利用Excel 2007進行相關圖表的制作。

2 結果與分析

2.1 不同草林復合系統(tǒng)氮沉降特征

草林復合系統(tǒng)氮沉降主要指由降雨攜帶及林木沉積氮隨降雨一同進入系統(tǒng)的氮含量，因降雨強度、大氣沉降攜帶氮含量和林分密度的不同，不同草林復合系統(tǒng)的氮沉降輸入量不同。由圖1可見，7月初草林復合系統(tǒng)氮的沉降輸入量較高，其次是4月，而6月下旬和9月初氮沉降輸入量較少。沉降的氮一部分進入地下系統(tǒng)進行循環(huán)，一部分隨地表徑流輸出，受不同草林復合系統(tǒng)植物生長特征的影響，地表徑流氮輸出量不同?？傮w而言，密林草林復合系統(tǒng)氮輸出量較高，其中，以密林雜草地最高。

沉降輸入草林復合系統(tǒng)中的氮，一部分是大氣降雨中本身攜帶的氮，一部分是干沉降沉積于林木上的氮，在降雨的沖刷下隨雨水一同進入系統(tǒng)。由圖2可見，不同時期林木沉積氮占的比例不同，初期大氣降雨沉積的氮含量占沉降輸入氮的50%以上，隨著降雨次數的增加，林木沉積的氮量趨于減少。9月份林木沉積氮含量的增加有待于進一步考證。

2.2 草林復合系統(tǒng)氮沉降阻滯解析

2.2.1 不同草林復合系統(tǒng)降雨沉降氮含量隨地表徑流的變化

降雨攜帶氮進入不同草林復合系統(tǒng)，受干沉降與植被生長特征的影響，不同草林復合系統(tǒng)地表徑流氮含量普遍高于濕沉降氮含量，主要原因是受草林系統(tǒng)本身氮含量的影響。由圖3可見，6月下旬草林復合系統(tǒng)氮溶出量多，徑流中氮含量較高，尤其以密林雜草系統(tǒng)最為明顯，這一時期溫濕度較高，大量累積的落葉與枯死的早春植物在高溫高濕的環(huán)境下腐爛釋放養(yǎng)分，導致系統(tǒng)氮含量急劇增加，在降雨的沖刷下隨徑流流失。

由表1可見，降雨沉降與地表徑流氮的成分組成不同，降雨沉降中氮主要以NH+4形式存在，而地表徑流中氮主要以NO-3形式存在。植物在生長過程中更傾向于利用NH+4作為氮源[12]，地表徑流在經過草地的過程中NH+4被植物吸收利用，在某種程度削減了徑流水中NH+4含量。另外，植物的種類與密度對NH+4的吸收利用程度也有一定影響。

表1 沉降與地表徑流NH+4與 NO-3組成比例

2.2.2 不同草林復合系統(tǒng)降雨沉降氮含量隨地下徑流的變化

降雨攜帶氮進入不同草林復合系統(tǒng)，大部分進入地下系統(tǒng)，土壤表層在降雨的沖刷下，氮元素被溶出，其量的多少一方面受該層枯落物量、種類和土壤累積氮含量的影響，另一方面也受植被生長吸收的影響[13-14]。

由圖4可見，疏林麥冬有機質層(A0)氮含量普遍較密林麥冬低，主要是因為密林麥冬地面積累的落葉較多；疏林馬蹄金較疏林麥冬有機質層氮含量低，是因為馬蹄金本身的凋落物較麥冬少，土壤表層積累的枯落物量少。密林裸地有機質層氮含量普遍較密林麥冬和密林雜草高，主要是因為缺乏植物的生長吸收。而密林雜草在植物生長初期有機質層氮的析出低，是因為初期早春植物種類豐富，生長旺盛，養(yǎng)分被植物吸收利用；隨著早春植物的不斷死亡與積累，夏季形成較厚的枯落物層，在降雨的沖刷下腐爛釋放大量養(yǎng)分，導致表層滲透水中氮含量較高。

隨著土壤深度的增加，進入土壤-植物系統(tǒng)的氮逐步減少，尤其以土層20cm效果最為明顯(圖4)。這是因為20cm土壤深度是植物根系集中分布區(qū)域，植物根系的吸收與微生物的作用對氮含量的降低具有重要影響。由表2可見，相同類型的草林復合系統(tǒng)中，隨著土壤深度的變化，地下徑流中NH+4與NO-3的組成比例不同；不同類型的草林復合系統(tǒng)中，相同深度地下徑流水中NH+4與NO-3的組成比例亦不同，主要受不同種類植被的養(yǎng)分吸收與釋放特征以及土壤理化性質的影響。 NO-3因不易被帶負電荷的土壤顆粒固定，密林裸地土壤的地下徑流中NO-3占的比例較大。

表2 不同草林復合系統(tǒng)地下徑流中NH+4與NO-3組成比例

2.2.3 不同草林復合系統(tǒng)對氮的消納效能

草林復合系統(tǒng)對徑流中氮的消納一方面是土壤-植物系統(tǒng)對氮的攔截與吸附作用，另一方面是系統(tǒng)對徑流水的入滲作用。小雨、中雨、大雨、暴雨情況下，草林復合系統(tǒng)對降雨的攔截率分別為64%、42%、29%、30%。降水量在50mm以內，草林復合系統(tǒng)對徑流的入滲率平均達到90%以上，隨徑流進入土壤-植物系統(tǒng)的氮，通過系統(tǒng)的消納，在地下80cm深處得到大幅度削減，除密林雜草外，基本達到地表水環(huán)境質量標準(GB 3838—2002)Ⅴ類水標準， 有效阻止了徑流攜帶氮的輸出。

如果僅按降雨沉降輸入計算各草林復合系統(tǒng)的氮磷平衡狀況，疏林麥冬、密林麥冬、疏林馬蹄金、密林雜草、密林裸地對氮的平均截留率分別為96.9%、91.9%、96.9%、77.0%和93.0%，草坪林木組合比雜草林木組合氮的截留率高16—20個百分點，其中以疏林麥冬與疏林馬蹄金對氮的截留效果較好。研究表明，適宜的草林結構與種類選擇對徑流污染攔截具有重要的作用。

3 討論

3.1 草林復合系統(tǒng)對陸域面源污染物的截留作用

利用不同植物體系構建的草林復合植被緩沖帶，是截留陸域面源污染物、改善水質的有效手段，是水土保持綜合治理的根本措施，也是最為經濟有效和長久穩(wěn)定的措施。以往研究表明，不同類型、不同發(fā)育階段的草林復合系統(tǒng)對營養(yǎng)物質的攔截凈化效率差異較大，如對氮的截留率從3%—50%不等[15-17]。草林復合系統(tǒng)主要通過滲透過程、吸附過程和轉化過程實現對陸域面源污染物的截留作用，有研究發(fā)現緩沖帶對地表徑流中養(yǎng)分和污染物的清除主要發(fā)生在土壤中，滲透到土壤中的氮、磷主要通過植物吸收、土壤吸附、微生物轉化等方式實現截留凈化[18-22]。

本研究中林下種植草坪的地下根系分布有利于疏導徑流進入地下系統(tǒng)，從而促使污染物在土壤-植物系統(tǒng)進行消納，極大地減少了氮聚集地表隨地表徑流攜帶輸出的風險。植被過濾帶對污染物的吸附決定于水流與土壤、植被等吸附位點的接觸面。疏林草坪組合，草坪地表占有比例較大，能夠有效減緩和降低雨滴降落時對土壤的沖擊，增加徑流水中污染物質與其他介質間的相互作用，有效攔截地表徑流。土壤的下滲能力越大，緩沖帶截留污染的效果就越好，經過濾帶截留下來的污染物再通過植物吸收、微生物代謝、光解、水解等一系列生物化學和化學過程完成進一步的降解轉化[23-25]。

植物吸收是草林復合植被緩沖帶截留氮的主要機理之一。草坪為多年生植物，生長期長，根系較一年生雜草發(fā)達，根區(qū)微生物活性高，在生長過程中，伴隨著一系列的生理生態(tài)過程，在水質凈化與攔截污染物方面具有較大的優(yōu)勢，能夠吸收更多的養(yǎng)分。

3.2 草林復合系統(tǒng)對沉降氮的阻滯作用

草林復合系統(tǒng)對沉降氮的阻滯包括植被空間結構對降雨及氮的攔截與吸收以及土壤不同深度對降雨及氮的沉降與吸附，這種阻滯受植物的生長、形態(tài)結構特征、物種組成、凋落物分解、土壤理化性質等影響。

草林復合系統(tǒng)中林木茂盛枝葉的阻擋顯著減少了進入地面的降水量，可以有效減少降雨對地表的沖擊而導致的水土流失量，其阻滯程度隨降雨強度而不同，雨量越大，阻滯作用越小。隨降雨沉降輸入草林系統(tǒng)中的氮，部分被林木濃密的枝葉承接與吸附，林木對氮的沉積有效減緩了大氣沉降污染物的循環(huán)進程，促進污染物在陸地系統(tǒng)進行消納，減輕污染輸出進入水體的風險，降低湖泊水體污染負荷。

降雨攜帶養(yǎng)分在穿透林木時，一部分被林木的枝葉與樹干吸收，一部分進入地下系統(tǒng)進行循環(huán)，剩余部分則隨地表徑流輸出。其中，沉降輸入的氮大部分是在地下系統(tǒng)被消納，主要原因是氮隨地下徑流在地下系統(tǒng)緩慢下滲的過程中，能夠有效接觸土壤與植物根系，延長了氮與各組分的生物化學反應時間，土壤中的反硝化細菌可將硝酸鹽還原，釋放分子態(tài)氮或N2O，返回大氣，使氮吸附與去除更徹底，氮濃度得到大幅度削減。有研究認為土壤的反硝化作用是去除氮的主要途徑，受土壤水勢、土壤pH、溫度以及不同氣候條件的影響[26]。

4 結論

湖泊緩沖帶草林復合系統(tǒng)能夠有效地將氮保留在陸地生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)之中，降低氮隨降雨徑流進入湖泊水體的風險，其主要作用在于草林復合系統(tǒng)對徑流的滲透作用及對氮的吸收與吸附作用，具體表現在以下幾方面：(1)適宜的林木與草被配置有利于降雨徑流的入滲，草林復合系統(tǒng)入滲率可達90%以上，有效減少徑流攜帶氮的輸出風險；(2)降雨攜帶氮進入草林復合系統(tǒng),在土壤-植物系統(tǒng)各組分的作用下，氮含量得到大幅度削減，地下徑流水可達到地表水環(huán)境質量標準(GB 3838—2002)Ⅴ類水標準；(3)沉降氮進入草林復合系統(tǒng),氮的截留率達到77%以上，其中，以疏林麥冬與疏林馬蹄金氮的截留率較高，達到96.9%，通過地表徑流輸出的氮大幅度減少。