不同宽度草皮缓冲带对农田径流氮磷去除效果研究

何 聪，刘璐嘉，王苏胜，周明耀

（扬州大学 水利科学与工程学院，江苏 扬州225009）

国内外许多研究已经证实，草皮缓冲带对农田地表径流中携带的营养物质、颗粒物、农药等污染物具有较高的截留、吸收作用，是改善河道水质的有效手段，且在维持生物多样性和生态平衡方面具有重要的作用，是控制农业面源污染的有效措施之一［1－2］。影响草皮缓冲带截留沉积物和滞留养分的因素很多，如植被类型、坡度、土壤、水文特征等［3－5］，其中一个重要的变量就是缓冲带的宽度。缓冲区域所能获得的功能效益与草皮缓冲带的宽度明显相关，缓冲带的宽度将直接影响其能否充分发挥生态服务功能［6］。然而，缓冲带的适宜宽度随区域而变化，受区域地理位置、植被类型、土壤特征、水体条件及管理目标等因素的综合影响［2，7－8］。近年来，国内外学者主要通过试验和数值模拟的方法针对以上影响因素等进行综合研究，从不同的角度分析影响缓冲带功能效益的因素以及缓冲带适宜宽度的确定，为条件相似区域的缓冲带研究提供借鉴［9－12］。

本文结合扬州市饮用水备用水源地的环境保护规划，将豆科与禾本科草皮混播技术运用到缓冲带的构建中，在研究混播草皮缓冲带对农田径流污染物去除效果的基础上，通过设置不同宽度的混播草皮缓冲带，研究其对农业面源污染改善程度的差异，评析缓冲带宽度对污染物去除效果的影响，同时以数值拟合的方法确定缓冲带的适宜宽度，以期为扬州市饮用水备用水源地域草皮缓冲带的营建提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验场地及植被选择

模拟试验于江苏省水利动力工程重点实验室人工栽培室内进行。试验模拟扬州市平原河网地区地势平坦的自然条件，设定缓冲带坡度为3%。经前期调查及试验研究，选择缓冲带植被为白花三叶草（Trifolium repens）和高羊茅（Festuca Arundinacea）混播，设定混播比例为1∶3。

1.2 试验装置

试验装置见图1所示，制作4种试验装置，试验槽分别长3，5，8，12m，宽0.3m，高0.35m，前端统一设置配水池，将人工配制的污水灌入注水槽中，经注水槽流出，进入中间的草皮缓冲带部分，经过缓冲带的吸收与去除之后汇入末端的集水槽，分别通过径流水收集管和渗流水收集管采集径流水、渗流水。

图1 试验装置示意图（X表示缓冲带的不同宽度）

1.3 试验设计

有研究表明，3m宽的草皮缓冲带对地表径流沉积物的去除效果显著，一般建议草皮缓冲带最小应为9m宽［10］，对于小型河流，岸边灌木、乔木和草地组成的缓冲带宽10.67m即可有效控制农业面源污染［13］。本试验构建4条不同宽度的草皮缓冲带，并设置相应空白对照组，即不种植任何植物。

1.4 试验方法

试验用土取自扬州郊区农田，土壤基本特性见表1所示，与扬州市饮用水备用水源地区域的农田土壤条件较为一致。试验槽装土容重为1 280kg／m3。的特征，人工配制供试农田径流水样，模拟扬州地区降雨产汇流过程开展试验研究。

表1 供试土壤基本特性

（1）试验配水量和配水时间：初步拟定产流系数取0.3，降雨量为30mm，降雨历时为30～45min，试验槽宽度为0.3m，计算出一次短历时降雨在100m长的农田形成的径流雨量为0.27m3（270L），配水时间按半小时计算。

（2）供试水样：采用尿素、磷酸二氢钾和泥土颗粒配制污水，模拟农田径流水样的氮、磷等污染物质的排放负荷，为地表劣Ⅴ类水质，其总氮TN，总磷TP，混土SS浓度分别为17.89±0.15，1.04±0.06，200.0±0.5mg／L。

（3）监测方法：空白组试验每隔三周取水样1次，重复3次；混播草皮缓冲带在牧草的分蘖期和抽穗期进行两次试验，水样采集时间同空白组，重复3次，试验结果取两次试验结果的平均值。水质分析方法参照《水和废水监测分析方法》［14］。

2 结果与分析

2.1 TN浓度变化及去除效果

进水TN浓度为17.89mg／L，草皮缓冲带宽度分别为3，5，8，12m。不同宽度混播草皮缓冲带的径流水及渗流水TN平均浓度变化见图2所示。从图2可以明显看出，4种缓冲带径流水和渗流水TN平均浓度变化表现出一定的规律，即随着缓冲带宽度的增加呈逐渐降低趋势。对照空白组，混播草皮缓冲带出水浓度明显降低，当混播草皮缓冲带的宽度增宽至12m，缓冲带径流水及渗流水TN平均浓度分别降至5.31，3.55mg／L。

图2 不同宽度混播草皮缓冲带的进出水TN浓度变化

图3为不同宽度混播草皮缓冲带的径流水及渗流水TN平均去除率变化情况。随着缓冲带宽度的增加，4种混播草皮缓冲带径流水和渗流水TN平均去除率逐渐提高，空白组TN平均去除率都较低，去除效果并不明显，但也呈总体逐渐上升趋势。对TN平均去除率最高的情况出现在12m宽的缓冲带上，混播草皮缓冲带径流水及渗流水TN平均去除率分别达到70.31%，80.15%。说明混播草皮缓冲带对进水TN具有明显的去除效果，并且随着混播草皮缓冲带宽度的增加，TN去除率也在不断提高。

图3 不同宽度混播草皮缓冲带的进出水TN去除率

2.2 TP浓度变化及去除效果

进水TP浓度为1.04mg／L，草皮缓冲带宽度分别为3，5，8，12m。不同宽度混播草皮缓冲带的径流水及渗流水TP平均浓度变化见图4所示。由图4可知，4种缓冲带径流水和渗流水TP平均浓度随着缓冲带宽度的增加呈逐渐降低趋势，且下降速率逐渐变缓，对照空白组，混播草皮缓冲带出水浓度明显降低。当混播草皮缓冲带的宽度增宽至12m，缓冲带径流水及渗流水TP平均浓度分别降至0.32，0.16 mg／L。图5为不同宽度混播草皮缓冲带的径流水及渗流水TP平均去除率变化情况。由图5可知，4种混播草皮缓冲带径流水和渗流水TP的去除规律与TN的去除规律大致相同。空白组TP平均去除率都较低，呈总体逐渐上升趋势。对TP平均去除率最高的情况出现在12m宽的缓冲带上，混播草皮缓冲带径流水及渗流水TP平均去除率分别达到68.93%、84.85%。说明混播草皮缓冲带对进水TP具有明显的去除效果，并且随着混播草皮缓冲带宽度的增加，TP去除率也在不断提高。

图4 不同宽度混播草皮缓冲带的进出水TP浓度变化

本试验的混播草皮是通过种植混播比例为1∶3白花三叶草与高羊茅牧草实现的，分别构建了长度从3m至12m不等的混播草皮缓冲带，缓冲带的宽度直接影响其去除氮磷等污染物的能力。试验结果表明，草皮缓冲带对TN、TP的去除效果与其宽度呈正相关，宽度越大，对氮磷污染物的去除效果越好。草皮缓冲带宽度为12m时，对农田径流中TN、TP的去除率达到80%左右。试验中还发现混播草皮缓冲带对渗流水TN、TP的去除效果明显好于径流水，主要原因是渗流水中的氮磷污染物的去除是植物根系吸收、土壤吸附、微生物分解等综合作用的结果。草皮缓冲带中氮的去除主要通过反硝化作用和植物根系的吸收，而大部分的磷是吸附在沉积物和有机物中随农田地表径流迁移而去除，因此，草皮缓冲带的宽度越大，地表径流流经缓冲带的时间越长，污染物停留的时间也越长，氮、磷的去除效果也越好。但是在实际的操作中，则不能一味通过建设足够宽的缓冲带来提高其氮磷污染物的去除效果，还需综合考虑土地、投入、效率等因素的影响。

图5 不同宽度混播草皮缓冲带的进出水TP去除率

2.3 混播草皮缓冲带最适宜宽度的确定

有研究表明，草皮缓冲带的宽度与农业面源污染物的拦截效果呈正相关，由于受土地资源的限制，草皮缓冲带的宽度不可能过大，同时缓冲带宽度增加到一定程度以后其拦截和去除径流污染物的效率非增反降［15］，所以关于缓冲带适宜宽度的确定一直是研究的重点和难点。本文以混播草皮缓冲带污染物去除率为变量，在入水TN浓度为17.89mg／L，TP浓度为1.04mg／L，坡度为3%等条件下，试验确定70%污染物指标去除率目标时的混播草皮缓冲带适宜宽度。对各污染指标去除率和混播草皮缓冲带宽度进行拟合，计算出各污染物指标去除率（y值）达到70%时混播草皮缓冲带所需的最适宜宽度（x值），拟合公式见表2所示。结果表明，4条拟合曲线和各自数据的相关性均在0.97以上，相关性显著。在本试验条件下当径流、渗流中氮磷污染物去除率同时达到70%的设定目标时，混播草皮缓冲带适宜宽度宜为12m左右。

表2 各项指标—混播草皮缓冲带的拟合函数及适宜宽度

因此，在草皮缓冲带防治农业面源污染的研究与实践中，土地资源的利用、经济的投入以及所能获得的环境效益都是需要进行综合考虑的关键因素，从环境、经济、社会等方面来确定缓冲带的适宜宽度，充分发挥其去除氮、磷等污染物的效率，在有限的可利用土地资源上，使其环境效益、经济效益、社会效益最大化。

3 结论

（1）随着草皮缓冲带宽度的增加，缓冲带对TN的去除效果表现出一定的提高，但并非一直呈现显著的上升趋势。由于草皮根系的疏通作用，大大增强了缓冲带土壤的渗透能力；缓冲带对渗流水TN去除效果远好于径流水。

（2）裸地与草皮缓冲带对TP的去除效果表现出与TN去除效果相似的规律，12m宽的草皮缓冲带对渗流水TP的去除率高达84.85%；缓冲带对渗流水TP去除效果远好于径流水。对比TN、TP去除效果，混播草皮缓冲带对TP的去除效果较TN去除效果好。

（3）在本次试验条件下，混播草皮生长状况良好，植物根系结合紧密，具有较强的适应性和恢复力，繁殖能力强。混播草皮缓冲带在12m宽度的条件下显示出对农田径流氮磷污染物有明显的去除效果。

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