不同配置植被過濾帶坡面氮磷流失過程的人工降雨試驗(yàn)研究

由琴婧，張化永，黃頭生，張非凡，鄭宇陽，周文蛟

（華北電力大學(xué)工程生態(tài)學(xué)與非線性科學(xué)研究中心，北京 102206）

當(dāng)今，中國水土流失問題仍比較突出［1］，許多水體因坡面水土流失而遭受了不同程度的污染［2］，對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞較為嚴(yán)重，制約著中國環(huán)境生態(tài)文明的發(fā)展，由此導(dǎo)致的氮磷等污染物產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為當(dāng)今水環(huán)境污染的首要問題［3］。若采取相應(yīng)措施攔截地表徑流中的氮、磷，降低其入流濃度，可使由坡面地表徑流導(dǎo)致的水體污染問題得到緩解［4］。為保護(hù)中國水環(huán)境安全、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，需著力解決水土流失及其衍生的環(huán)境污染問題［5］。

植被過濾帶（Vegetative filter strip，VFS）是控制水土流失的一種有效工程措施。長期實(shí)踐證明，植被過濾帶是處理水土流失問題中最為環(huán)保、經(jīng)濟(jì)可行的方式［6，7］。

植被過濾帶是設(shè)置在污染源與水體之間的由植物組成的帶狀區(qū)域，可通過沉降、下滲和吸收等物理、化學(xué)過程，減少坡面徑流中污染物含量，能有效防治水體泥沙淤積和非點(diǎn)源污染的影響［8，9］。研究表明，VFS 對(duì)氮磷等污染物有良好的攔截和消減效果，對(duì)水環(huán)境保護(hù)有重要的作用［10，11］。

植被過濾帶對(duì)于污染物的截留去除效果受到許多因素的影響，不僅受植被過濾帶自身因素（帶寬、帶長、植物類型［12，13］、株間距）的影響，還受到土壤質(zhì)地類型、降水條件［14］、坡度［15］、坡長、入流污染物濃度［16］、入流流量等外部因素的影響。國內(nèi)學(xué)者就其中某單一因素研究較多，陶梅等［17］通過列舉法總結(jié)了VFS 作用效果的最佳寬度；申小波等［18］研究表明，植被過濾帶對(duì)總氮（TN）、總磷（TP）的攔截和削減效率與寬度呈正相關(guān)；李懷恩等［12］通過試驗(yàn)證明了過濾帶對(duì)不同類型氮磷污染物的削減效率不同；佘冬立等［19］研究認(rèn)為不同入流條件對(duì)植被過濾帶的總氮和總磷攔截效果產(chǎn)生較大影響；路炳軍等［20］分析了多個(gè)不同植被類型的徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在減少養(yǎng)分流失的效益方面，人工苜蓿草地＞天然草地和樹盤/人工林＞石坎梯田/蔬菜＞平播農(nóng)作物。但目前針對(duì)多重因素綜合作用下植被過濾帶的污染物去除效果和攔截效率研究較少，尤其是針對(duì)整個(gè)降雨過程中多重因素綜合作用對(duì)植被過濾帶總氮、總磷流失的攔截效果隨時(shí)間變化的研究甚少。

本研究通過在徑流槽設(shè)置植被過濾帶進(jìn)行人工降雨試驗(yàn)，測定比較了不同參數(shù)配置組合下（降雨強(qiáng)度、坡度、植被設(shè)置方式）植被過濾帶坡面徑流和沉積物中總氮、總磷的質(zhì)量濃度，對(duì)比分析了降雨強(qiáng)度、坡度及植被設(shè)置方式等因素組合對(duì)總氮、總磷流失量隨時(shí)間變化的影響，以探究降雨過程中植被過濾帶水質(zhì)凈化功能作用過程，為侵蝕坡面水土流失治理及植被過濾帶的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土壤采自河北省張家口市宣化區(qū)某侵蝕溝道坡面，土壤類型為二合黃土，土質(zhì)顆粒粗糙，保水能力一般（質(zhì)量分?jǐn)?shù)27.8%～41.8%）。土壤穩(wěn)定滲透率為16.2 mm/h，容重為1.28 g/cm3，表層土壤（0～10 cm）有機(jī)質(zhì)含量為1.41%。構(gòu)成植被過濾帶的植物選取該侵蝕溝道坡面具有代表性的本土物種本氏針茅（Stipa capillataLinn.），運(yùn)用草本樣方法測定其分布密度、株高及株間距。試驗(yàn)用水取自試驗(yàn)站周邊機(jī)井，試驗(yàn)前測定其各項(xiàng)基本指標(biāo)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于河北省張家口市宣化區(qū)野外實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)裝置中所用二合一可變坡土槽長2 m、寬1 m、深50 cm，坡度變化范圍為0°～45°，槽底部有滲流孔，下部設(shè)有地表徑流收集口。土槽裝土厚度為40 cm，按照10 cm 分層填裝邊填邊壓實(shí)，控制填土密度與實(shí)際土壤容重接近。采用人工降雨法進(jìn)行試驗(yàn)，降雨采用側(cè)噴式降雨器，降雨器的噴頭墊片可調(diào)節(jié)，由壓力表控制降雨強(qiáng)度，可控制降雨強(qiáng)度為20～200 mm/h，降雨均勻度在65%～95%，基本可滿足試驗(yàn)要求。

本次試驗(yàn)設(shè)5°、20°、35°共3 種坡度，設(shè)30、60、90 mm/h 共3 種降雨強(qiáng)度，植被帶設(shè)置總長度為0.8 m，寬度為0.5 m，第1 種設(shè)置方式為距離槽體上部40 cm 處開始連續(xù)鋪設(shè)，命名為A1，第2 種設(shè)置方式與第1 種開始鋪設(shè)位置相同，但分成2 塊40 cm 長的小帶間隔鋪設(shè)，命名為B1，同時(shí)設(shè)置裸地坡面對(duì)照組，每場試驗(yàn)所需時(shí)間30 min（不含產(chǎn)流時(shí)間）。試驗(yàn)采用3 個(gè)徑流槽同時(shí)開展，坡度依次調(diào)整為5°、20°和35°保持不變，因此結(jié)合降雨強(qiáng)度和植被帶設(shè)置方式組合，共設(shè)計(jì)開展人工降雨試驗(yàn)9 場。

徑流、泥沙樣品的采集方法為坡面開始產(chǎn)流后，在出流口直接用100 mL 取樣瓶接取第1、7、13、19、25 min 的出流混合物，之后進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)的測定。樣品經(jīng)沉淀后取上清液測定總氮、總磷濃度，沉積物經(jīng)烘干后同樣測定其總氮、總磷濃度，按照國標(biāo)方法進(jìn)行測定。采用Microsoft Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析，用Origin 2017 軟件進(jìn)行圖片繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被過濾帶坡面徑流總氮含量隨時(shí)間變化

由圖1 可知，降雨強(qiáng)度為30 mm/h 的裸地坡面，不同坡度徑流中總氮含量隨時(shí)間的變化趨勢基本一致，這說明在降雨強(qiáng)度較小的裸地坡面上，坡度變化對(duì)徑流量的影響并不明顯，造成徑流中的總氮含量時(shí)間變化對(duì)坡度因素也不敏感［21］。植被過濾帶攔截氮主要是通過增加土壤入滲，而坡度增加導(dǎo)致坡面徑流流速增加，在植被過濾帶內(nèi)的停留時(shí)間變短，使得入滲過程受到影響［22，23］。在設(shè)置植被過濾帶B1 的情況下，降雨強(qiáng)度為30、60 mm/h 的35°坡面徑流總氮含量在整個(gè)降雨過程中也沒有明顯變化。降雨強(qiáng)度為60 mm/h 時(shí)，裸地對(duì)照組的5°坡面與植被過濾帶A1 的20°坡面徑流總氮含量變化趨勢相同，形狀為微小的“U”型。在降雨強(qiáng)度為90 mm/h 條件下，只有20°的坡面徑流總氮含量曲線保持穩(wěn)定；裸地對(duì)照組5°的坡面與植被過濾帶B1 的5°的坡面徑流總氮含量曲線變化趨勢相反。綜合來看，整個(gè)降雨歷程中徑流總氮含量變化并不明顯，這與鄔燕虹等［24］的研究結(jié)果并不一致，可能與降雨過程中坡面產(chǎn)生的徑流量差異有關(guān)，降雨初期土壤含水量并未達(dá)到飽和，因此徑流量較少；隨著降雨時(shí)間增加，土壤含水量達(dá)到飽和之后，徑流產(chǎn)量變大，對(duì)總氮濃度產(chǎn)生了影響。

圖1 不同雨強(qiáng)、坡度及植被過濾帶設(shè)置方式下坡面徑流總氮含量變化

2.2 不同植被過濾帶坡面徑流總磷含量隨時(shí)間變化

由圖2 可知，與徑流中總氮含量相比，不同組合條件下坡面徑流總磷含量差別更明顯且濃度較低，這表明降雨強(qiáng)度、坡度及植被帶設(shè)置方式的組合對(duì)徑流中總磷含量的影響較大［25］。對(duì)于20°的裸地坡面，降雨強(qiáng)度為60、90 mm/h 時(shí)的總磷含量變化均呈扁“M”型。降雨強(qiáng)度為30 mm/h 的20°的裸地坡面與降雨強(qiáng)度為60 mm/h 的植被過濾帶B1 的20°坡面徑流的總磷變化趨勢基本相同，而與降雨強(qiáng)度為30 mm/h 的植被過濾帶B1 的20°坡面徑流的變化趨勢相反，推測植被過濾帶的存在一定程度上抵消了降雨強(qiáng)度對(duì)徑流量的影響，從而影響了徑流中總磷的含量。在降雨強(qiáng)度為60、90 mm/h 的35°裸地坡面，總磷含量均為先下降后趨于穩(wěn)定。在降雨強(qiáng)度為30 mm/h，坡面設(shè)置植被過濾帶A1 的5°、35°坡面徑流總磷含量隨時(shí)間變化的趨勢一致，可能是因?yàn)閺搅髦械牧琢魇Т嬖谄露扰R界值（范圍為15°～25°）［26］。降雨強(qiáng)度為90 mm/h 時(shí)，35°裸露坡面與植被過濾帶A1 的總磷含量變化趨勢相反?？傮w來看，降雨強(qiáng)度及坡度變化導(dǎo)致植被過濾帶對(duì)徑流總磷去除效果的減弱作用可通過設(shè)置植被過濾帶來抵消。

圖2 不同雨強(qiáng)、坡度及植被過濾帶設(shè)置方式下坡面徑流總磷含量變化

2.3 不同植被過濾帶坡面沉積物總氮含量隨時(shí)間變化

由圖3 可知，在整個(gè)降雨歷程中總氮含量變化較為明顯。在降雨強(qiáng)度為30 mm/h、坡度為5°時(shí)，裸地對(duì)照組與植被過濾帶B1 的總氮含量均在第7 min后上升，后在第19 min 下降；當(dāng)坡度為20°時(shí)，這2 種處理下徑流攜帶泥沙中的總氮含量變化趨勢一致。在降雨強(qiáng)度為30 mm/h 時(shí)，植被過濾帶B1 的20°與35°坡面總氮含量變化趨勢相反。植被過濾帶的泥沙攔截能力隨著坡度增大而變?nèi)?，使吸附在泥沙顆粒的污染物隨之流出，但一段時(shí)間后由于泥沙結(jié)合態(tài)污染物發(fā)生解吸和溶解，導(dǎo)致總氮含量增大［5］。在相同降雨強(qiáng)度下，植被過濾帶A1 的20°與35°坡面總氮含量變化趨勢基本一致，這與降雨強(qiáng)度為90 mm/h、植被過濾帶B1 的20°和35°坡面總氮含量變化趨勢相反，推測不同降雨強(qiáng)度和植被設(shè)置方式的組合對(duì)坡度變化影響有差異，從而導(dǎo)致出流泥沙中總氮含量變化趨勢的差異。此外還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨強(qiáng)度為30 mm/h、植被過濾帶B1 的35°坡面與90 mm/h雨強(qiáng)下裸露坡面的35°坡面總氮含量變化均在第7 min 上升，之后在第13 min 下降后再上升。Kuo［27］研究認(rèn)為，降雨強(qiáng)度增加時(shí)坡面徑流中沉積物含量增加，通過該趨勢可推斷降雨強(qiáng)度增加帶來的影響可由設(shè)置植被過濾帶來抵消。降雨強(qiáng)度為60 mm/h的植被過濾帶A1 的20°、35°這2 個(gè)坡面的總氮含量變化呈一個(gè)近似的“W”型。當(dāng)降雨強(qiáng)度為90 mm/h時(shí)，20°、35°兩條裸地坡面的總氮變化曲線趨勢相反，植被過濾帶A1 20°、35°坡面的總氮變化曲線也相反。

圖3 不同雨強(qiáng)、坡度及植被過濾帶設(shè)置方式下坡面沉積物總氮含量變化

2.4 不同植被過濾帶坡面沉積物總磷含量隨時(shí)間變化

研究表明，超過70%的磷以顆粒態(tài)附著在土壤細(xì)顆粒上隨地表徑流遷移，且泥沙結(jié)合態(tài)磷濃度變化幅度在整個(gè)徑流過程中較大［28，29］。由圖4 可知，本研究沉積物中總磷變化幅度不大。當(dāng)坡面無植被覆蓋，降雨強(qiáng)度為30 mm/h 時(shí)，20°坡面沉積物中總磷含量在第7 min 有所上升，在第13 min 稍微下降后趨于穩(wěn)定，這與35°的坡面沉積物中總磷含量變化趨勢相反。降雨強(qiáng)度為30 mm/h 和90 mm/h 的5°裸地坡面總磷含量變化均呈倒“V”型，90 mm/h 的曲線最高點(diǎn)更高，這說明降雨強(qiáng)度的增加使得沉積物總磷流失量增加［27］。降雨強(qiáng)度為60 mm/h、無植被覆蓋的5°坡面與植被過濾帶B1 的5°坡面總磷變化趨勢相反，而與降雨強(qiáng)度為90 mm/h、植被過濾帶A1的5°坡面總磷變化趨勢相同，說明當(dāng)坡度較緩分2塊設(shè)置的植被過濾帶可有效減少坡面土壤總磷流失，但在強(qiáng)降雨條件下植被過濾帶的效果有所減弱。當(dāng)降雨強(qiáng)度為90 mm/h、坡面為植被過濾帶A1 時(shí)，20°和35°坡面總磷變化曲線呈相反的形狀；有植被過濾帶B1 的20°和35°坡面總磷變化曲線也相反。這表明，隨著坡度和降雨強(qiáng)度的增加，A1 和B1 對(duì)減少沉積物中總磷流失的作用更加明顯，這與Abu-Zreig 等［30］的研究結(jié)果相反，說明多重因素協(xié)同作用與單一因素作用對(duì)植被過濾帶的效果存在差異。

圖4 不同雨強(qiáng)、坡度及植被過濾帶設(shè)置方式下坡面沉積物總磷含量變化

3 小結(jié)與討論

應(yīng)用人工降雨試驗(yàn)探索防治水土流失和設(shè)計(jì)植被過濾帶的相關(guān)研究在國內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用。例如，針對(duì)不同的土壤類型開展人工降雨試驗(yàn)來研究坡面及耕地區(qū)域水土流失規(guī)律［31-33］；針對(duì)不同坡度、坡長、雨強(qiáng)及植被覆蓋度等單一影響因素下氮、磷流失量的研究［34，35］；針對(duì)不同生草帶覆蓋度對(duì)坡面降雨產(chǎn)流過程的響應(yīng)規(guī)律研究［36］。本研究對(duì)3 種單一因素對(duì)植被過濾帶坡面氮、磷流失效果的綜合作用進(jìn)行了分析，并針對(duì)整個(gè)降雨產(chǎn)沙過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，了解不同配置組合下植被過濾帶減少養(yǎng)分流失的作用變化，為典型的侵蝕溝道坡面的水土流失防治及植被過濾帶措施的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

本試驗(yàn)以降雨強(qiáng)度、坡度及植被帶設(shè)置方式為變量，設(shè)計(jì)不同組合下的人工降雨試驗(yàn)。在徑流產(chǎn)生后的第1、7、13、19、25 min 收集樣品，分別對(duì)樣品徑流及沉積物中總氮、總磷的含量進(jìn)行測定，對(duì)比分析不同配置的植被過濾帶作用下總氮、總磷在降雨過程中含量隨時(shí)間的變化，得出如下結(jié)論。

1）不同降雨強(qiáng)度、坡度及植被設(shè)置方式下植被過濾帶的坡面徑流和沉積物中的總氮、總磷含量隨時(shí)間的變化趨勢并不一致。

2）降雨強(qiáng)度、坡度及植被設(shè)置方式多重因素的共同作用會(huì)對(duì)植被過濾帶的氮、磷去除效果和作用過程產(chǎn)生不同的影響，與單一因素影響作用的研究結(jié)論可能存在較大差異，表明降雨強(qiáng)度、坡度和植被設(shè)置方式綜合作用對(duì)植被過濾帶的影響可能互相疊加或抵消。

3）植被過濾帶的作用效果與降雨條件及地形條件有關(guān)，當(dāng)外部條件發(fā)生變化時(shí)原本處于優(yōu)勢的植被過濾帶去除氮、磷的作用過程也會(huì)發(fā)生變化。

綜上所述，在坡面應(yīng)用植被過濾帶的水土保護(hù)措施時(shí)，要根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w的氣候地形合理選擇使用，以起到減少土壤侵蝕、保護(hù)生態(tài)和美化環(huán)境的作用。今后可以從更多植被帶設(shè)置方式方面入手進(jìn)行更為詳細(xì)的坡面氮、磷流失規(guī)律研究，以更好地指導(dǎo)植被過濾帶的規(guī)劃設(shè)計(jì)，最大程度發(fā)揮其在水土流失和非點(diǎn)源污染方面的作用。