植被过滤带防治农业面源污染研究进展

陶 梅，萨仁娜

（辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁阜新123000）

农业面源污染也称为农业非点源污染，是指在农业生产活动中，氮素和磷素等营养物质、农药以及其他有机或无机污染物质，通过农田的地表径流和农田渗漏形成的环境污染[1-2]。农业面源污染是引起水体富营养化的主要原因。据报道，我国湖泊50%以上的氮、磷来自于农业面源污染[3]。每年有超过1 500万t的氮从农田中流失并污染地下水，导致湖泊、池塘、河流等水域生态系统的富营养化[4]。尽管我国已加强了对农业面源污染的防治，但水体水质依然不断恶化。

农业面源污染的本质是农业生态系统的严重失调。生态工程措施可通过调控农业生态系统的物质平衡和物质流动来控制污染物的流失，是目前较为实用的农业面源污染防治方法[5]。其中，植被过滤带能去除来自农田径流的污染物，是成本低廉且富有成效的一种生态工程措施[6-7]。有关植被过滤带的研究，国内虽然起步较晚，但发展很快，目前湖滨带生态恢复研究已受到广泛重视，并从实验阶段转向应用阶段。

1 植被过滤带的概念

植被过滤带也称为植被缓冲带，在20世纪30年代美国就有了规范的植被过滤带设计和应用[8]。它作为陆地与河岸之间的过滤带，在控制氮磷等面源污染方面发挥着重要作用[9]，可以通过物理、化学和生物过程使进入水体的悬浮物、氮、磷、除草剂等污染物质减少[10]。随着我国农业面源污染问题的日趋严重，国内学者也进行了一些植被过滤带试验研究和实际应用方面的探索。

2 植被过滤带的功能

氮磷的大量投入带来了令人担忧的环境问题。植被过滤带对水陆生态系统的物流、能流、信息流和生物流发挥着生物廊道、缓冲和屏障作用。其主要功能包括减少农业废水对水体的污染、固结土壤、稳固河岸、保护生物多样性等。此外，植被过滤带还具备植被廊道连接功能，能调节河溪微气候及水温、降低洪水水位、过滤空气污染物和异味，具有一系列的环境、社会和经济功能[9，11-13]。

2.1 减少农业废水对水体的污染

植被过滤带可以拦截地表径流和地下水中的污染物质，防止其进入河溪湖泊，保护水质清洁。植物的存在可明显改善土壤理化性质，提高其渗透能力[14]。李怀恩等[15]研究表明，10～15 m宽的植被过滤带对地表径流中颗粒态氮、颗粒态磷的去除率分别达到82%，77%。

植被过滤带可以通过土壤起吸附降解作用，净化径流中的化肥、农药，从而防止其直接污染水体[16]。国外学者研究了植被过滤带对径流中除草剂的去除作用，提出植被过滤带对除草剂有稀释与吸收作用。20 m宽的植被过滤带可滞留径流中8%～100%的除草剂[17]。另有研究表明，植被过滤带可去除100%的阿特拉津和44%～100%的阿特拉津降解产物[18]。

2.2 固结土壤，稳固河岸

河岸侵蚀是一个复杂的现象，与水流、泥沙和河岸性质有关。河岸植被通过保护河岸，覆盖河谷和河床，从而降低河床中水流速度，减小径流对河岸的冲刷[19]。植物根系和土壤结合后形成生物凝聚力，提高土壤质量，从而有效地防止土壤侵蚀和滑坡[20]。泥沙会对河溪水质及河流生物产生重要影响，而植被过滤带能够有效移除地表径流中的泥沙[21]。研究表明，植被过滤带通常能够拦截径流中80%以上的泥沙[22]。

2.3 保护生物多样性

植被过滤带可为水陆动植物提供栖息地及迁徙通道，为水生生物提供能量及食物，从而成为许多鱼类、爬虫类、两栖类以及一些大型哺乳动物生活的场所[23]。植被过滤带是维持野生动物栖息环境、保持生物多样性及对人类和环境大有益处的重要工具。它可增加栖息地面积，保护脆弱栖息地，恢复景观连通性，提高资源重复利用的能力，能为河流遮阴并维持水体温度[24]。例如，在加利福尼亚州，25%的哺乳动物、80%的两栖类和40%的爬虫类生活在河溪附近的过滤带中，并且该过滤带也是140多种鸟类的栖息地[19]。

3 植被过滤带去除污染物质的机理

植被过滤带对农业面源污染的防治，主要是通过滞留径流中的泥沙及其携带的污染物、植被吸收养分，土壤中有机和无机成分对污染物的吸附及土壤微生物对污染物的降解、转化和固定等途径来实现的[25]。植被过滤带通过多方面的协同作用，可明显降低多种污染物的浓度[26]。

植被过滤带净化污染物主要包括4个方面的作用：（1）植被的拦截作用。植被的存在可以降低地表径流速度，过滤和拦截颗粒态污染物[27]。（2）土壤及地表枯落物的沉积作用。植被的存在可有效增加土壤有机质，而土壤中有机质的含量是影响营养盐、除草剂运移的主要因素[28]。茂盛的植被还可改善土壤的渗透性，从而增加径流的入渗[29]。（3）微生物的降解作用[25]。根际微生物通过分解作用削减污染物质。（4）植物的吸收同化作用[30]。

除氮机理：多数学者认为，反硝化作用与植物吸收是植被过滤带去除地表径流中氮的最主要机理。在植被过滤带中，微生物在好养条件下将有机氮转化为氨态氮，根系微生物将氨态氮转化为硝态氮，硝态氮在反硝化作用下转化为氮气释放到大气中去。氨态氮和硝态氮也可以被植物根系吸收而成为植物营养成分，被固定在植物体内。对植物进行适当的刈割可将氮素移出植被过滤带系统[31-33]。

除磷机理：植被过滤带对磷的去除机制取决于径流中磷的形态。可溶性磷进入植被过滤带主要是被植物和微生物同化吸收、土壤腐殖质吸收以及经过渗透作用进入地下水中[34]；而悬浮态磷则可以通过沉积作用与地表径流中其他悬浮态固体颗粒物沉积在河岸植被过滤带中[35]。有机磷的分解主要靠植物根系分泌物中的各种酶，利用酶来降解含硝基有机农药[36]。

国内外学者对植被过滤带净化机理进行了较多的研究，但相关研究大多是针对氮磷及泥沙等，而对农药等其他污染物的去除机理研究较少，相关研究还有待进一步深化。

4 植被过滤带最佳宽度

要设计一个合理的植被过滤带，其核心部分是确定最佳宽度[37]。Mander等[35]提出植被过滤带的有效宽度与地表径流强度、坡长和坡度成正比，而与地表的糙率系数、水流速度及土壤的吸附能力成反比。

大量研究证实，3 m宽的植被过滤带对地表径流沉积物的消减效果显著，但一般建议植被过滤带最小应为9 m宽[38]。植被过滤带在前10 m左右对氮磷的滞留效果显著[15]。径流中泥沙浓度在3 m处显著降低，可截留70%的径流泥沙，而超过9.1 m后泥沙浓度变化很小，仅可截留85%的泥沙。对于小型河流，岸边灌木、乔木和草地组成的植被过滤带宽10.67 m即可有效控制农业面源污染；对岸边侵蚀严重或者相对较大的河流，至少需要宽15.24 m以上的植被过滤带[39]。研究表明，30 m长的植被过滤带能使径流流出过滤带的时间滞后120 min，从而延长了径流的入渗时间，使植物和微生物有充分的时间吸收和分解污染物质[40-41]。

对于植被过滤带最佳宽度的确定，目前尚没有统一的方法。Budd等[42]提出，通过对河流进行简单的野外调查来得到合适的植被过滤带宽度，其调查的特性包括河流类型、河床的坡度、植被覆盖、土壤类型、沉积物控制、河流结构、温度控制以及野生动物栖息地等。

5 植被过滤带的长期有效性

植被过滤带建成后，随着时间的推移，植被演替逐渐增多，土壤结构改善与大孔隙增加能够加大地表径流入渗和污染物的溶解，促进泥沙沉积和可溶性污染物的降解[43]。

根据植被类型的不同，植被过滤带可分为草地过滤带、灌木过滤带、乔木过滤带以及2类以上植被构成的复合过滤带。通常认为，生长浓密、迅速且耐污能力强的草皮比其他植被拦截地表径流污染物质的能力要强[44]。但是，由于草地植被生物量小和根系浅，限制了其在拦截地下水流及其养分方面的功效，过滤带有可能达到一种物质平衡或饱和，从而导致过滤到的沉淀物和养分的重新释放[45]，这种情况在磷输入量较多时尤其会发生[46]。若要避免磷进入水体，需要对植物进行定期刈割。

相比之下，乔木过滤带是更复杂的生物环境系统，不仅具有较高的地上和地下生物量，寿命也很长，能更有效地防治面源污染[25]。但乔木过滤带在短时间内不能形成稳定的微生物群落，对氮、磷的去除作用简单依靠过滤、截留等物理作用，效果不佳[47]。国外研究表明，柳枝稷（Panicum virgatum）过滤带可拦截径流中95%的泥沙、80%的总氮和78%的总磷。柳枝稷与乔木复合植被过滤带可拦截径流中97%的泥沙、94%的总氮和91%的总磷。虽然单一的柳枝稷过滤带在拦截营养物质方面的效果较好，但柳枝稷加乔木之后的复合植被过滤带拦截可溶解营养物质的效力将增加20%[48]。因此，复合植被过滤带具有更好的污染物去除效果和长期有效性。乔、灌、草的合理搭配还能提高区域生物多样性[49]，改善区域的整体生境条件。运用浓密的、当地的草种与木本植物相结合的植被过滤带，拦截污染物质的效力将会更高。

6 结论

目前，针对植被过滤带已经进行了较多的研究，但以下几个方面仍需深入研究：（1）恢复植被过滤带的功能，对于控制湖泊水污染与富营养化具有十分重要的意义。但植被过滤带应该是截留沉积物的最后一道防线，应考虑与其他措施相结合，从而达到更好的防治效果。（2）植被过滤带净化污染物机理的相关研究大多是针对氮磷及泥沙等，而对农药等其他污染物的去除机理研究较少，相关研究应进一步细化。（3）确定最佳宽度是设计植被过滤带的首要问题。植被过滤带的最佳宽度应该通过详细的研究来获取，设计者应因地制宜，综合各种因素以确定某一特定地区植被过滤带的最佳宽度。（4）复合植被过滤带（乔木、灌木和草本植物）具有更好的污染物去除效果和长期有效性。目前，关于复合植被过滤带的研究较少，相关研究应进一步扩展和细化。

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