河岸緩沖帶植被布局對(duì)氮流失的影響

韓 旭，杜 崇，陳嘉碩，唐思玉

河岸緩沖帶植被布局對(duì)氮流失的影響

韓 旭，杜 崇※，陳嘉碩，唐思玉

（黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱 150006）

河岸緩沖帶（Rriver Buffer Strips，RBSs）已被證明能有效攔截水流并去除氮，該研究旨在揭示不同配置緩沖帶對(duì)脫氮效果的影響。實(shí)地布置河岸植被緩沖帶，開(kāi)展地下徑流試驗(yàn)。緩沖帶設(shè)置3種不同植物種類（水曲柳，五葉楓，楊樹(shù)），和不同寬度（0、5、10、20、30 m），河岸坡度為3%，樹(shù)木密度為540株/hm2。在此條件下，研究各類河岸植被緩沖帶對(duì)地下徑流銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮的截留效果。結(jié)果表明：20 m寬度河岸植被緩沖帶能很好地截留各形態(tài)氮素。30 m寬度下，河岸植被緩沖帶徑流水中的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮的截留率最高，分別為70.4%、67.7%和69.1%。在不同植物種類緩沖帶比較中，楊樹(shù)可顯著降低徑流銨態(tài)氮和總氮濃度，水曲柳可顯著降低徑流硝態(tài)氮濃度。在寬度與不同植物種類的交互關(guān)系中，20 m寬度楊樹(shù)緩沖帶對(duì)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的截留率最高，30 m寬度楊樹(shù)緩沖帶對(duì)總氮的截留率最高，為62.1%。研究結(jié)果可為東北地區(qū)中小型河流河岸緩沖設(shè)計(jì)最大化截留徑流氮污染物提供參考。

氮；植被；坡度；河岸；緩沖帶；截留率；寬度；地下徑流深度

0 引 言

由化肥和農(nóng)藥的過(guò)量施用引起的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染是全世界河流水質(zhì)退化的主要原因之一[1]。河岸緩沖系統(tǒng)是用來(lái)控制農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染和保護(hù)河流環(huán)境的主要措施之一。河岸生態(tài)森林系統(tǒng)具有重要的生態(tài)意義，因?yàn)榕c非河岸生態(tài)森林系統(tǒng)相比，河岸森林具有更加豐富的植物，可以更加有效地保護(hù)河流水質(zhì)和水生動(dòng)物[2]。在各種非點(diǎn)源污染中，農(nóng)田排放的氮污染物已成為當(dāng)前水環(huán)境治理部門(mén)需要解決的一個(gè)基本難題。河岸植被緩沖帶作為陸地生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)的連接，可有效地?cái)r截農(nóng)田地表徑流的輸入，并通過(guò)河岸緩沖帶的物理截留作用或微生物轉(zhuǎn)化作用有效地截留徑流中的氮污染物[3-5]。河岸植被緩沖帶寬度是決定河岸緩沖帶氮素截留效率的一個(gè)重要因素。王芳等[6]發(fā)現(xiàn)河岸緩沖帶的寬度決定了緩沖帶是否能夠充分發(fā)揮生態(tài)服務(wù)的功能。一般認(rèn)為河岸緩沖帶攔截氮的能力與寬度成正相關(guān)[7]。一個(gè)5 m寬的河岸緩沖帶從地表徑流中截留總氮和硝態(tài)氮的速率分別為40.2%和37.2%[8]。9.1 m和13 m寬的林草河岸緩沖帶可分別截留78%和85%地表徑流中的懸浮顆粒物[9]。中國(guó)巢湖流域23 m的草本和木本混合的河岸緩沖帶對(duì)總氮的截留率達(dá)到50%[10]。有研究表明[11]，12～15 m寬的河岸植被緩沖帶是截留農(nóng)田地表徑流中氮素的最佳寬度。目前，許多研究就河岸緩沖帶最佳寬度問(wèn)題并未達(dá)成一致意見(jiàn)。在農(nóng)田地表徑流輸入河岸緩沖帶的過(guò)程中，河岸植被緩沖帶主要通過(guò)滲透、過(guò)濾、吸收、滯留和沉積等[12]作用來(lái)有效地截留農(nóng)田地表徑流中的氮污染物，具體包括土壤和植物的吸附[13]，反硝化和微生物固化等[14]。而最重要的截留機(jī)制之一就是植物攔截截留。河岸緩沖帶的大型植物可以從地表徑流中吸收氮污染物[15]。其中河岸緩沖帶截留污染物的效果很大程度上取決于植物種類，因此如何確定河岸緩沖帶的最佳植被類型尤為重要[16]。研究發(fā)現(xiàn)河岸落葉林緩沖區(qū)可以使地表徑流中的氮含量降低68%[17]。然而，適當(dāng)?shù)闹脖慌渲茖?duì)于有效減少污染物也很重要。

本文在松花江一級(jí)支流何家溝設(shè)計(jì)5種不同寬度、3種東北常見(jiàn)闊葉林樹(shù)木類型的河岸植被緩沖帶，在恒定的河岸坡度和植被密度下，研究農(nóng)田徑流中氮素截留情況，以獲得使河岸帶對(duì)氮素截留效果最佳的植被配置，以期為東北中小型河流選擇最佳氮素截留的植被河岸緩沖帶模式提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)在黑龍江省哈爾濱市西南部何家溝靠山屯段進(jìn)行（126°15E′～126°34′E，45°42N′～45°44′N），研究地?zé)o霜期為168 d，年平均氣溫4.2 ℃，年均日照數(shù)為2 714.4 h，作物生長(zhǎng)季積溫為2 845.1 ℃。研究區(qū)內(nèi)降水集中在夏秋兩季，夏季為雨季，該地區(qū)平均降水天數(shù)為70.2 d，年平均降水量為524.7 mm。受河道保護(hù)政策影響以及隨著河長(zhǎng)制的全面推廣，2015年春季在試驗(yàn)地先后人工種植了3種不同類型的樹(shù)木，同時(shí)還留有1塊裸地。3個(gè)地塊的樹(shù)木密度相同，為540株/hm2，試驗(yàn)地土壤為黑鈣土，土壤糙度為1.14，在植樹(shù)后立即測(cè)量4個(gè)地塊40 cm深處土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮的本底值，測(cè)量結(jié)果分別為1.15 mg/kg、2.84 mg/kg和2.68 g/kg。

1.2 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)地點(diǎn)共有4塊長(zhǎng)15 m×寬30 m的人工林河岸地塊，如圖1所示。從左往右依次為裸地、水曲柳林、五葉楓林和楊樹(shù)林，其基本特征見(jiàn)表1。4種河岸植被緩沖帶地塊各設(shè)置5個(gè)寬度（0、5、10、20、30 m），各個(gè)寬度與農(nóng)田徑流流入方向平行。淋溶水收集裝置是利用內(nèi)徑為10 cm的聚氯乙烯三通管和60目（0.25 mm）濾網(wǎng)制成的試驗(yàn)淋溶管（圖2），將聚氯乙烯三通管分別截成高35 cm和高55 cm，左側(cè)淋溶水收集管道距離底部15 cm，左側(cè)管出口和底部管出口用蓋子封死，水孔的直徑為4 mm，且水孔用濾網(wǎng)包裹緊密，淋溶管在鋪設(shè)河岸種植樹(shù)木的過(guò)程中進(jìn)行埋設(shè)，在每個(gè)地塊不同寬度處分別交叉埋設(shè)2組聚氯乙烯淋溶管，每組2個(gè)，每組淋濾管的深度分別為20和40 cm，用于地下徑流水樣的采集。每個(gè)淋濾管之間的距離為3 m，且各組之間用PVC擋水板隔開(kāi)，擋水板插入深度為50 cm（圖3）。利用施肥機(jī)在每個(gè)地塊前0～0.5 m處均勻施肥，依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田施肥量61 kg/hm2，所施氮磷鉀復(fù)合肥比率為24∶6∶35，在降雨前施肥，降雨產(chǎn)流后采樣，施肥與采樣間隔8 d。試驗(yàn)樣品在當(dāng)?shù)赜昙? —9月采集，3次采樣時(shí)間分別為2021年6月23日—6月25日，2021年8月6日—8月7日，2021年9月19日—21日。采樣前8天平均降水量分別為63.1、85.3和76.5 mm。

圖1 試驗(yàn)地示意圖

1.3 樣本采集和測(cè)定方法

1.3.1 徑流收集方法

使用小型抽水器抽取淋濾管中的徑流水清液，并將其裝入300 mL的塑料瓶中，將樣本帶回實(shí)驗(yàn)室存儲(chǔ)在-4～0 ℃的冰箱內(nèi)，快速測(cè)定水樣中不同形態(tài)的氮，在每次取樣后，將淋濾管中的水排干，并在遠(yuǎn)離采樣區(qū)的地方排空。

表1 林型基本特征

圖2 PVC淋溶管

圖3 各地塊試驗(yàn)布置圖

1.3.2 水樣中氮素分析方法

水樣先經(jīng)過(guò)0.45m濾膜抽濾預(yù)處理，然后，利用納氏試劑分光光度法[18]測(cè)量水樣銨態(tài)氮（NH4+-N），利用紫外分光光度法[19]測(cè)量水樣硝態(tài)氮（NO3--N），利用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法[20]測(cè)量水樣總氮（Total N，TN）。759MC型號(hào)紫外分光光度計(jì)生產(chǎn)廠家為上海高致精密公司，精度±5 nm，EFD-NH型精密銨態(tài)氮測(cè)定儀生產(chǎn)廠家合肥恩帆儀器設(shè)備公司，精度≤±5%。

氮截留率采用式（1）計(jì)算：

R=(0-C)/0×100% （1）

式中是河岸植被緩沖帶寬度，m；R是寬度下的氮累積截留率，%；C是寬度下的氮濃度，mg/L；0是寬度為0處徑流水的氮濃度，mg/L。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

取3次數(shù)據(jù)采樣平均值進(jìn)行分析。 Origin2018對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)繪圖，利用SPSS23.0版軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（One way ANOVA）并利用最小二乘（Least Significant Difference，LSD）、鄧肯（Duncan’s Multiple Range Test）多重比較方法對(duì)平均值進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，差異在小于0.05時(shí)具有統(tǒng)計(jì)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被類型對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2015年開(kāi)始試驗(yàn)布置，2021年采樣測(cè)定各小區(qū)土壤理化性質(zhì)如表2。由表可知，種植6 a不同植被后，4個(gè)緩沖帶地塊40cm深土壤的pH差異不顯著（0.05）。水曲柳、五葉楓和楊樹(shù)緩沖帶土壤的容重小于裸地土壤的容重（0.05）。水曲柳、五葉楓和楊樹(shù)緩沖帶土壤的總孔隙度和土壤貯水量大于裸地土壤的總孔隙度和土壤貯水量（0.05）。在裸地緩沖帶中，土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮質(zhì)量分別為5.47和7.86 mg/kg，總氮的質(zhì)量為4.73 g/kg，高于銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮的本底值，這可能是因?yàn)? a中在施有過(guò)量氮肥的農(nóng)田在多次降雨形成下形成農(nóng)田徑流，含有氮素的農(nóng)田地表徑流在流經(jīng)裸地緩沖帶后，使得裸地緩沖帶土壤中氮素質(zhì)量升高。由于植被類型的不同，植被在吸收氮素方面存在差異。水曲柳、五葉楓和楊樹(shù)河岸緩沖帶土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮質(zhì)量與裸地緩沖帶差異顯著（<0.05），這說(shuō)明在裸地上種植植被可有效降低氮素含量。而楊樹(shù)河岸緩沖帶銨態(tài)氮含量顯著低于水曲柳和五葉楓河岸緩沖帶（<0.05），這可能是由于楊樹(shù)的林齡相較于水曲柳和五葉楓的林齡要小，需要更多銨態(tài)氮含量來(lái)維持自身生長(zhǎng)造成的。

表2 2021年土壤理化性質(zhì)

注：同行不同小寫(xiě)字母表示各林型間氮素差異顯著（<0.05）。

Note: Different lowercase letters in the same row indicate significant differences among forest types (<0.05).

2.2 植被類型、土壤深度與緩沖帶寬度對(duì)徑流氮的交互影響

對(duì)植被類型、土壤深度和緩沖帶寬度因素進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。植被類型、緩沖帶寬度對(duì)銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮影響顯著；而各因素交互影響不顯著。又從表中看出，地下徑流深度與河岸緩沖帶寬度和植被類型無(wú)顯著交互影響，因而接下來(lái)的分析中將20和40 cm土壤深度的氮素值進(jìn)行平均處理，重點(diǎn)分析不同寬度、不同植被類型和不同寬度×不同植被類型對(duì)氮素截留影響。

表3 不同因素對(duì)徑流氮影響的方差分析P值結(jié)果

注：<0.05，顯著。

Note: Significance (< 0.05).

2.3 不同寬度河岸緩沖帶對(duì)氮素截留的差異

2.3.1 不同寬度河岸帶對(duì)NH4+-N截留的影響

如圖4所示，銨態(tài)氮濃度隨著河岸植被緩沖帶寬度的增加而降低。寬度0、5、10 、20 m河岸植被緩沖帶徑流銨態(tài)氮濃度分別為0.681、0.375、0.270和0.214 mg/L，差異顯著（<0.05）；寬度30 m河岸植被緩沖帶的徑流銨態(tài)氮截留率為70.4%，與20 m河岸植被緩沖帶截留率無(wú)顯著差異（>0.05），二者顯著高于5和10 m寬河岸植被緩沖帶銨態(tài)氮截留效率（<0.05）。5、10和20 m寬度河岸植被緩沖帶銨態(tài)氮截留率分別為48.9%、63.3%和69.6%，差異顯著（<0.05），而在20～30 m寬度河岸緩沖帶中，對(duì)銨態(tài)氮截留率相較于5～20 m來(lái)說(shuō)截留效率放緩。

a. 銨態(tài)氮濃度a. Ammonium nitrogen concentrationb. 銨態(tài)氮截留率b. Ammonium nitrogen retention rate

注：不同字母代表差異顯著（<0.05）。下同。

Note: Different letters represent significant differences (< 0.05). Same as below.

圖4 不同緩沖帶寬度對(duì)徑流中銨態(tài)氮的影響

Fig.4 Effects of different buffer zone widths on ammonium nitrogen in runoff

2.3.2 不同寬度河岸帶對(duì)NO3--N截留的影響

由圖5所示，寬度0、5、10和20 m的徑流硝態(tài)氮濃度分別為0.792、0.546、0.371和0.290 mg/L，差異顯著（<0.05），寬度5、10、20和30 m河岸植被緩沖帶的硝態(tài)氮截留率分別為34.7%、53.7%、64.2%和67.7%，30 m與20 m河岸植被緩沖帶硝態(tài)氮截留率無(wú)顯著差異（>0.05），但顯著高于5 和10 m寬河岸植被緩沖帶硝態(tài)氮截留效率（<0.05）。隨著寬度的增加，硝態(tài)氮的濃度降低，截留率上升[21-22]，寬度30 m的河岸植被緩沖帶具有最高的地下徑流硝態(tài)氮截留率，這樣的結(jié)果與銨態(tài)氮類似。

a. 硝態(tài)氮濃度a. Nitrate nitrogen concentrationb. 硝態(tài)氮截留率b. Nitrate nitrogen retention rate

2.3.3 不同寬度河岸帶對(duì)總氮（TN）截留的影響

如圖6所示，在徑流水中，總氮濃度隨著河岸植被緩沖帶寬的增加而降低，這說(shuō)明土壤在農(nóng)田徑流水下滲的過(guò)程中截留吸附了徑流中的部分氮污染物，這與黃玲玲[23]研究中的土壤的吸附作用使得徑流中氮濃度降低相一致。寬度0、5、10、20和30 m緩沖帶徑流總氮濃度分別為4.137、2.581、2.343、1.486和1.371 mg/L，其中寬度20和30 m緩沖帶徑流總氮濃度與寬度0、5和10 m緩沖帶徑流總氮濃度差異顯著（<0.05）。寬度5、10、20 和30 m緩沖帶徑流總氮截留率分別為39.8%、42.1%、64.7%和69.1%，并且20和30 m緩沖帶徑流總氮截留率與10和20 m緩沖帶徑流截留率差異顯著（<0.05）。

a. 總氮濃度a. Total nitrogen concentrationb. 總氮截留率b. Total nitrogen retention rate

結(jié)合河岸植被緩沖帶3種氮素分析表明：徑流中銨態(tài)氮，硝態(tài)氮和總氮的濃度隨著河岸植被緩沖帶寬度的增加而逐漸減少，這與朱曉成等[24-25]研究的結(jié)果基本一致，這可能是當(dāng)河岸緩沖帶的寬度逐漸增大時(shí)，使得徑流氮污染物與植被緩沖帶的作用時(shí)間邊長(zhǎng)，促進(jìn)了地表徑流下滲，進(jìn)而促進(jìn)土壤和植物對(duì)氮素的截留和吸收。在氮素的截留率方面，20和30 m寬的河岸植被緩沖帶的銨態(tài)氮，硝態(tài)氮和總氮的截留率差異不顯著（>0.05），可見(jiàn)，寬度20 m的河岸植被緩沖帶就能夠?qū)?種氮素進(jìn)行很好截留。

2.4 不同植被類型對(duì)河岸緩沖帶氮素截留的差異

如圖7所示，以裸地緩沖帶地塊為對(duì)照，來(lái)分析水曲柳、五葉楓和楊樹(shù)植被緩沖帶地塊在銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮截留差異。裸地、水曲柳、五葉楓和楊樹(shù)緩沖帶的銨態(tài)氮濃度分別為0.428、0.372、0.364和0.269 mg/L。水曲柳、五葉楓和楊樹(shù)緩沖帶的銨態(tài)氮濃度與裸地植被緩沖帶差異顯著（<0.05），其中楊樹(shù)緩沖帶的銨態(tài)氮濃度顯著低于水曲柳和五葉楓緩沖帶（<0.05），這可能是因?yàn)橄鄬?duì)于水曲柳與五葉楓來(lái)說(shuō)，楊樹(shù)的樹(shù)齡更小，維持自身生長(zhǎng)所需吸收的銨態(tài)氮更多造成的。

由圖7b可知，裸地、水曲柳、五葉楓和楊樹(shù)緩沖帶的硝態(tài)氮濃度分別為0.476、0.322、0.414和0.392 mg/L。各植被緩沖帶硝態(tài)氮濃度與裸地緩沖帶硝態(tài)氮濃度差異顯著（<0.05），而水曲柳緩沖帶硝態(tài)氮濃度顯著低于五葉楓和楊樹(shù)緩沖帶（<0.05），這說(shuō)明相對(duì)于五葉楓和楊樹(shù)緩沖帶，水曲柳緩沖帶具有吸收更多硝態(tài)氮的特性。

由圖7c可知，裸地、水曲柳、五葉楓和楊樹(shù)緩沖帶的總氮濃度分別為2.588、1.352、1.896和1.117 mg/L，水曲柳和楊樹(shù)緩沖帶總氮濃度顯著低于五葉楓河岸緩沖帶（<0.05），且水曲柳與楊樹(shù)緩沖帶總氮濃度差異不顯著（>0.05），這說(shuō)明水曲柳與楊樹(shù)緩沖帶相比于五葉楓緩沖帶具有降低徑流總氮濃度的特性。

結(jié)合上述分析可知，水曲柳、五葉楓和楊樹(shù)河岸植被緩沖帶可有效降低徑流氮素濃度，楊樹(shù)緩沖帶在降低徑流銨態(tài)氮濃度方面效果最好，水曲柳緩沖帶在降低硝態(tài)氮濃度方面效果最好，水曲柳與楊樹(shù)緩沖帶相較于五葉楓緩沖帶在降低徑流總氮濃度方面效果更好，且水曲柳與楊樹(shù)緩沖帶在降低徑流總氮濃度方面效果類似。

2.5 緩沖帶寬度和植被類型對(duì)河岸緩沖帶氮素截留的差異

圖8顯示了植被類型（水曲柳，五葉楓，楊樹(shù)）的河岸緩沖帶對(duì)地下徑流中銨態(tài)氮的截留效果。當(dāng)徑流經(jīng)過(guò)河岸緩沖區(qū)后，徑流中銨態(tài)氮濃度顯著降低，在不同植被類型的河岸緩沖帶對(duì)銨態(tài)氮截留率存在明顯差異。在寬度5、10和20 m河岸植被緩沖帶下，楊樹(shù)河岸緩沖帶的銨態(tài)氮截留率分別為62.3%、75.7%和78.1%，與水曲柳、五葉楓和裸地河岸緩沖帶的銨態(tài)氮截留率差異顯著（<0.05）。而在30 m寬度的河岸植被緩沖帶下，楊樹(shù)與水曲柳河岸緩沖帶的銨態(tài)氮截留率差異不顯著（>0.05）。在各寬度河岸植被緩沖帶中，楊樹(shù)河岸緩沖帶是銨態(tài)氮截留效率最高的緩沖帶，這主要由于試驗(yàn)樣地的楊樹(shù)處于幼年期，相較于五葉楓林和水曲柳林來(lái)說(shuō)，幼年楊樹(shù)林需要吸收更多養(yǎng)分，可能對(duì)徑流水中的銨態(tài)氮有較高的截留率。20 m寬度的楊樹(shù)河岸緩沖帶銨態(tài)氮截留率最大為78.1%，比水曲柳，五葉楓和裸地河岸緩沖帶截留率分別高17.9%，26.8%和29.4%。

a. 銨態(tài)氮濃度a. Ammonium nitrogen concentrationb. 硝態(tài)氮濃度b. Nitrate nitrogen concentrationc. 總氮濃度c. Total nitrogen concentration

注：BL為裸地、AT為水曲柳、FLM為五葉楓、PL為楊樹(shù)。

Note: BL is bare land, AT is ashtree, FLM is five-leaf maple, PL is poplar.

圖7 不同緩沖帶植被類型對(duì)徑流中氮素濃度的影響

Fig.7 Effect of different buffer zone vegetation types on nitrogen concentration in runoff

a. 銨態(tài)氮a. Ammonium nitrogenb. 硝態(tài)氮b. Nitrate nitrogenc. 總氮c. Total nitrogen

不同植被類型的河岸緩沖帶對(duì)徑流中硝態(tài)氮的截留效果如圖8b所示，在寬度5和30 m的河岸緩沖帶中，水曲柳河岸緩沖帶對(duì)徑流硝態(tài)氮的截留率最高，分別為45%和65.3%，寬度10和20 m的楊樹(shù)河岸緩沖帶對(duì)徑流硝態(tài)氮的截留率分別為58.6%和64.2%，寬度20 m的五葉楓河岸緩沖帶的徑流硝態(tài)氮截留率為52.1%，相較于寬度10 m的五葉楓河岸緩沖帶的硝態(tài)氮截留率53.6%略有下降。楊樹(shù)河岸緩沖帶在20 m寬度時(shí)，徑流硝態(tài)氮截留率最大，為64.2%，與五葉楓和裸地河岸緩沖帶截留率差異顯著（<0.05），但與水曲柳差異不顯著（>0.05），其中楊樹(shù)河岸緩沖帶比水曲柳、五葉楓和裸地河岸緩沖帶硝態(tài)氮截留率分別高2.1%、12.1%和23.6%，截留率從高到低依次為楊樹(shù)林、水曲柳林、五葉楓林、裸地。30 m寬度下，水曲柳河岸緩沖帶與五葉楓河岸緩沖帶徑流硝態(tài)氮截留率分別為65.3%和54.1%，差異顯著（<0.05），而在其他寬度下，二者徑流硝態(tài)氮平均截留率并沒(méi)有顯著差異（>0.05）。在5和10 m寬的河岸緩沖帶上，水曲柳緩沖帶與五葉楓緩沖帶的徑流硝態(tài)氮平均截留率差異不顯著（>0.05）。

對(duì)于總氮來(lái)說(shuō)，如圖8c所示，在寬度5 m河岸植被緩沖帶下，水曲柳、五葉楓和楊樹(shù)河岸緩沖帶的總氮截留率分別為39.7%、41.2%和47.6%，與裸地河岸緩沖帶差異顯著（<0.05）。在寬度5、20和30 m河岸植被緩沖帶中，楊樹(shù)河岸緩沖帶有著最高的徑流總氮截留率，分別為47.6%、60.5%和62.1%。在寬度10 m河岸植被緩沖帶下，楊樹(shù)河岸緩沖帶與水曲柳河岸緩沖帶的徑流總氮截留率相近，分別為54.6%和54.3%，并且差異不顯著（>0.05）。在30 m處，水曲柳、五葉楓和楊樹(shù)河岸緩沖帶的總氮截留率與裸地河岸緩沖帶總氮截留率存在顯著差異（<0.05）。在寬度10和20 m的河岸植被緩沖帶中，水曲柳林徑流總氮截留率與五葉楓林差異不顯著（>0.05）。

王金亮等[26]研究表明，在較緩坡度上，林地坡地相比于旱坡地來(lái)說(shuō)，林地坡地阻力較大。所以，在一定坡度下，河岸緩沖帶的植被通過(guò)輸送和吸收溶解氧為微生物提供棲息地，降低徑流流速，疏松土壤等機(jī)制來(lái)預(yù)防和控制非點(diǎn)源污染[27-28]。這種機(jī)制在每個(gè)反應(yīng)中可能會(huì)因河岸植被緩沖帶的條件不同而有所不同，某種機(jī)制可能對(duì)某種的氮污染物非常有效[29]。不同類型的植被造成植物組織組成，根系類型和活動(dòng)強(qiáng)度的差異，導(dǎo)致不同植被類型的河岸緩沖帶對(duì)氮污染物的吸收和轉(zhuǎn)化存在差異[30]。本研究中，3種河岸植被緩沖帶對(duì)銨態(tài)氮，硝態(tài)氮和總氮的截留能力均高于裸地，這表明不同植被類型的緩沖帶對(duì)徑流水中氮污染物有著很好的截留效果。楊樹(shù)林河岸緩沖帶對(duì)徑流水中銨態(tài)氮和總氮的平均截留率較高，除寬度30 m外，在其他寬度下，楊樹(shù)林河岸緩沖帶銨態(tài)氮的平均截留率與水曲柳林和五葉楓林河岸緩沖帶銨態(tài)氮平均截留率差異顯著（<0.05），對(duì)于總氮來(lái)說(shuō)，各寬度下楊樹(shù)林總氮平均截留率與水曲柳林總氮平均截留率差異不顯著（>0.05）。各寬度楊樹(shù)林緩沖帶對(duì)徑流水中硝態(tài)氮平均截留率的總和略高于各寬度水曲柳林緩沖帶對(duì)徑流水中硝態(tài)氮平均截留率的總和，這可能是因?yàn)闂顦?shù)的根系比水曲柳的更深，能夠吸收更多淋溶到深層土壤中的硝態(tài)氮，且試驗(yàn)點(diǎn)的樹(shù)種處于幼年期，對(duì)養(yǎng)分的需求量大。

3 結(jié) 論

布置3種不同植物種類（水曲柳，五葉楓，楊樹(shù)）和不同河岸植被緩沖帶寬度（5、10、20、30 m），開(kāi)展地下徑流試驗(yàn)，研究各類河岸植被緩沖帶對(duì)地下徑流銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮的截留效果，結(jié)果表明：有植被覆蓋的河岸緩沖帶截留氮素效果顯著高于無(wú)植被覆蓋的河岸緩沖帶（裸地），寬度20 m的河岸緩沖帶對(duì)由模擬農(nóng)田輸入徑流氮的污染物的截留效果顯著，滿足脫氮的預(yù)期目標(biāo)。在3種不同河岸植被緩沖帶中，楊樹(shù)林對(duì)銨態(tài)氮的截留率最高，且與五葉楓林，水曲柳林截留差異顯著（<0.05）。對(duì)于硝態(tài)氮來(lái)說(shuō)，寬度10和20 m的楊樹(shù)河岸緩沖帶對(duì)徑流硝態(tài)氮的平均截留效率與五葉楓林于水曲柳林的徑流硝態(tài)氮的平均截留效率差異顯著（<0.05），但在寬度5和30 m下，徑流硝態(tài)氮的平均截留效率差異不顯著（>0.05）。在總氮的情況下，除寬度10 m楊樹(shù)河岸緩沖帶徑流總氮的截留率略低于水曲柳河岸緩沖帶徑流總氮的截留率，其他寬度下，楊樹(shù)河岸緩沖帶徑流總氮的截留率均最高。綜合以上結(jié)果，結(jié)合東北地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)條件來(lái)說(shuō)，20 m寬度楊樹(shù)林河岸緩沖帶對(duì)于氮污染物的截留達(dá)到最大化的效果。

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Effects of riparian buffer zone vegetation layout on nitrogen loss

Han Xu, Du Chong※, Chen Jiashuo, Tang Siyu

(,,150006,)

To study the nitrogen retention efficiency of riparian vegetation buffers of small and medium-sized rivers, the common broad-leaved species in Northeast China were slected on the slope of Hejiagou, Harbin in Northeast China. Four riparian planted woodlots of 15 m long by 30 m wide were prepared for the different species experiment, namely bare ground, water willow or ash, five-leaf maple, and poplar riparian vegetation buffers. The bare ground riparian buffers served as controls. The effects of different riparian buffer widths (0, 5, 10, 20, and 30 m) and different plant species above on nitrogen retention in subsurface runoff at 20 and 40 cm depth were analyzed under the condition of riparian slope (3%) and tree density (540 trees/hm2). At the test sites, PVC pipes with a diameter of 10 cm and a 4-mm partial subsurface runoff intake hole on the left side were used to collect subsurface runoff at soil depths of 20 cm and 40 cm. The PVC pipes were buried when the trees were planted. At the four riparian buffer plots from 0 to 0.5 m, the compound fertilizer was evenly applied using a small fertilizer spreader to simulate nitrogen loss conditions. The fertilizer was applied before rainfall, and the ratio of flow-producing compound fertilizer collected after rainfall was 24:6:35 for nitrogen: phosphorus: potassium, with fertilizer application rate of 61 kg/hm2. When sampling, the upper clear liquid in the tube was pumped out with a small pump, and then all the turbid liquid in the tube was pumped out and drained at the far end of the test site to avoid affecting the experimental results, the clear liquid was sampled into 300 mL plastic bottles and stored in a -4-0 ℃ refrigerator for determination of the nitrogen content of the water samples. The ammonium nitrogen in the runoff was determined spectrophotometrically by the nano reagent, the nitrate nitrogen was determined by a UV spectrophotometry, and the total nitrogen was determined by a UV spectrophotometry using the alkaline potassium persulfate elimination method. The statistical analysis results showed that the depth of subsurface runoff did not significantly interact with riparian buffer width and vegetation type. Therefore, the nitrogen values at 20 and 40 cm soil depth were averaged for the followed analysis on the effects of different widths, different vegetation types and different widths × different vegetation types on nitrogen retention. The results showed that the concentrations of runoff ammonium and nitrate nitrogen gradually decreased in riparian vegetation buffers of 0, 5, 10, and 20 m in width. Thus, the riparian vegetation buffer with a width of 20 m could retain all forms of nitrogen well. The 30 m width riparian vegetation buffer had the highest retention of ammonium nitrogen, nitrate nitrogen, and total nitrogen in runoff with 70.4%, 67.7%, and 69.1%, respectively. in the comparison of different plant species buffer zones, poplar could significantly reduce the runoff ammonium nitrogen and total nitrogen concentrations, and water willow could significantly reduce the runoff, the poplar significantly reduced runoff ammonium and total nitrogen concentrations, and ash significantly reduced runoff nitrate-nitrogen concentrations. In the interaction between width and plant species, poplar buffer strips of 20 m width had the highest retention rate of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen, and the poplar buffer strips of 30 m width had the highest retention rate of 62.1% for total nitrogen. The results of the study can provide valuable information for the design of riparian buffers to maximize the retention of runoff nitrogen pollutants in small and medium-sized rivers in Northeast China.

nitrogen; vegetation; slope; streambank; buffer zone; retention rate; width; depth of subsurface runoff

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.019

S153.6

A

1002-6819(2022)-16-0172-08

韓旭，杜崇，陳嘉碩，等. 河岸緩沖帶植被布局對(duì)氮流失的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(16)：172-179.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.019 http://www.tcsae.org

Han Xu, Du Chong, Chen Jiashuo, et al. Effects of riparian buffer zone vegetation layout on nitrogen loss[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(16): 172-179. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.019 http://www.tcsae.org

2022-03-16

2022-07-26

黑龍江省高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2018-KYYWF-1570）；國(guó)家自然科學(xué)基金（52109055）

韓旭，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)水文。Email：1329626798@qq.com

杜崇，博士，副教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土資源與環(huán)境保護(hù)。Email：duchong@hlju.edu.cn