内河滨岸缓冲带不同植被配置对面源污水中NH4+-N的去除效果

王诗乐，张 帅，王 贺，王珊珊 沈海龙 高大文

(东北林业大学林学院，哈尔滨，150040)

污染问题通常可分为点源污染和面源污染，点源污染是指具有固定排污口并集中排放，排放途径明确的污染物。面源污染是指污染物从非特定的地点，在降雨或融雪冲刷作用下，通过径流过程汇入收纳水体并造成水体的富营养化或其他形式的污染［1］。与点源污染相比，面源污染起源于分散、多样的地区，地理边界和发生位置难以识别和确定，随机性强、成因复杂、潜伏周期长，因而防治十分困难［2］。当前60%左右的水污染问题，是由于面源污染造成的。在我国由于生活污水造成的城市面源污染十分严重，城市面源污染是指在降水的条件下，雨水和城市径流冲刷城市地面，使溶解的固体污染物从非特定的地点汇入受纳水体，引起的水体污染［3］。在我国由于生活污水造成的城市面源污染十分严重［4］，城市面源污染将严重危害生态环境和人体健康，并对农业生产、牧业养殖、自然保护区建立、水源地开发与应用造成不利影响。因此城市面源污染的有效控制，将决定城市生态文明的建设和人民的生活质量，消除面源污染是当前改善水环境的重要任务［5］。

滨岸缓冲带(riparian buffers)是指建立在河湖、溪流和沟谷沿岸的各类植被带，包括林带、菜地或其他土地利用类型，属于生物软措施中的一种，适用于水土保持和控制面源污染［6-8］。其具有河岸景观营造、水土保持、河岸生物栖息地保护等功能［9-10］。通过对滨岸缓冲带植被进行合理配置，利用植物群落对地表径流和渗流中污染物质的吸收、微生物的分解、土壤吸附和反硝化作用，可以将潜在的污染物质与收纳水体阻断开，达到防治面源污染的目的。

国外对于滨岸缓冲带研究起步很早，研究与实践表明，滨岸缓冲带是控制面源污染、改善城市河道生态环境的有效途径［11］。国内对其研究起步较晚，近几年的研究多集中于草本植被的选择与配置，对多层次植被配置的研究报道较少。本研究选择哈尔滨市重要内河—何家沟设置滨岸缓冲试验带，开展面源污染防治现场试验，旨在对比不同乔木、灌木和草本植被配置对地表径流和土壤渗流中NH4+-N的去除效果，为东北地区滨岸缓冲带的构建及河流面源污染防治提供科学参考。

1 材料与方法

1．1 试验地设计

试验于哈尔滨市市区何家沟顾乡段河岸，垂直于构建3条河流的滨岸缓冲试验带，各条试验带平行于河流方向的长度为20 m，各条试验垂直于河流方向的长度为15 m，坡度5°，为防止相互干扰，各条试验带之间设置40 m的间隔区域。土壤类型为黑土。

1．2 植物选择与植被配置

选取东北地区常见的8种植物，其中，乔木为蒙古栎(Mongolian quercia)和五角枫(Acer mono);灌木为红瑞木(Swida alba)、丁香(Syringa oblata)和暴马丁香(Syring amurensis);草本层为紫花苜蓿(Medicago sativa)、早熟禾(Poa pretensis)与黑麦草(Lolium perenne)。对各试验带的不同区域的植被进行配置，试验带A的配置方式为灌木+草本，草本层为早熟禾+黑麦草;试验带B的配置方式为乔木+草本，草本层为紫花苜蓿;试验带C的配置方式为乔木+灌木+草本，草本层为早熟禾+黑麦草。各试验带乔木灌木配置方式为见表1，其中乔木种选用胸径4 cm左右的移栽苗，栽植的株距为3 m，行距为2 m，灌木层平均盖度为40%，草本层平均盖度达90%。

表1 试验带乔木、灌木配置Tab．1 Experiment with trees，shrubs configuration

1．3 实验方法

在各条试验带植被变化处及样带末端分别设置3个长宽为1．5 m，深1 m的采样坑，以收集径流及渗流水样，为提高渗流的收集效率分别在样坑内距表面20、40 cm处插入采样板。为模拟面源污水特征，利用小型自吸式水泵抽取何家沟河水为实验入水，从2013年8月初开始，试验每周进行1次，连续9次。每次对入水及各样坑中径流及渗流水样进行收集，测定水样中NH4+-N浓度。试验分析方法参照《水和废水监测分析方法》［12］。

2 结果与分析

2．1 不同沿程植物配置对NH4+-N的去除

2．1．1 灌木+草本试验带对NH4+-N去除

图1 试验带A对NH4+-N的去除Fig．1 The removal of NH4+-N in test A

如图1所示，为试验带A径流、经过土壤20 cm渗流、经过土壤40 cm渗流水中NH4+-N的浓度变化。由图可以看出，随着沿程距离的增加，污水中NH4+-N的出水浓度呈下降的趋势。径流NH4+-N浓度随沿程距离在5～10 m处下降的趋势较为缓慢，而经过土壤40 cm渗流NH4+-N浓度下降趋势最为明显。径流、经过土壤20 cm渗流、经过土壤40 cm渗流污水中NH4+-N浓度由入水的12．87 mg/L，经沿程5、10 m，最终到达15 m处时，分别降低至 7．1、6．31、5．81 mg/L，说明此时沿程植物缓冲带对径流面源污水中氨氮具有一定的去除效果，同时氨氮出水浓度随沿程距离的增加呈逐渐下降的趋势，并最终达到相应的稳定值，说明灌木+草本的植被配置能够稳定去除径流和渗流污水中NH4+-N。

2．1．2 乔木+草本试验带对NH4+-N去除

图2 试验带B对NH4+-N的去除Fig．2 The removal of NH4+-N in test B

试验带B对NH4+-N的去除如图2所示，在沿程距离相同的情况下，径流出水NH4+-N浓度高于经过土壤20 cm渗流出水NH4+-N浓度，经过土壤20 cm渗流出水NH4+-N浓度高于经过土壤40 cm渗流出水NH4+-N浓度。由此可以看出，植物的根系对土壤中的NH4+-N，具有一定的去除效果，并随着土壤深度的增加，去除效果逐渐升高。由图可以看出，当沿程距离到达5 m时，径流出水NH4+-N浓度、经过土壤20 cm渗流出水NH4+-N浓度、经过土壤40 cm渗流出水NH4+-N浓度，由入水浓度10．54 mg/L，分别下降到8．48、4．79、3．77 mg/L，经过10 m 后，到达15 m 处时，NH4+-N 浓度分别降低至 7．89、4．07、3．19 mg/L。由图分析得，沿程距离由5 m增加至15 m过程中，径流出水NH4+-N浓度、经过土壤20 cm渗流出水NH4+-N浓度和经过土壤40 cm渗流出水NH4+-N浓度下降幅度变缓，并最终达到相对的稳定值，说明随沿程距离增加乔木+草本的植被配置对径流和渗流污水中NH4+-N的去除幅度增长缓慢。

2．1．3 乔木+灌木+草本试验带对NH4+-N去除

如图3所示，随着沿程距离的增加径流、渗流NH4+-N出水浓度逐渐降低。沿程距离到达5 m处时，径流、经过土壤20、40 cm渗流出水NH4+-N浓度已由入水浓度11．28 mg/L，分别下降到7．17、5．24、4．32 mg/L，可以说明滨岸缓冲带通过较短的距离就可以对径流、渗流污水中NH4+-N达到较高的去除效果。试验带C随着沿程距离的继续增加，当到达10 m处时径流、20 cm渗流和40 cm渗流NH4+-N 出水浓度分别下降到 6．01、4．42、3．65 mg/L，最终到达15 m处时，径流、20 cm渗流和40 cm渗流NH4+-N出水浓度分别降低至4．11、3．1、2．2 mg/L，图中 NH4+-N 浓度随着沿程距离的增加具有明显的下降趋势，其中经过土壤20、40 cm渗流出水NH4+-N浓度的下降尤为显著，由此可以看出乔木+灌木+草本的试验带对面源污水中NH4+-N具有很强的去除能力。

图3 试验带C对NH4+-N的去除Fig．3 The removal of NH4+-N in test C

2．2 不同植被配置方式对NH4+-N的去除效果

2．2．1 径 流

不同植被配置试验带对地表径流的去除效果如图4所示。滨岸植被缓冲带对地表径流中NH4+-N的平均去除率可达到33．4%左右，说明植物群落对地表径流的面源污染有较好的去除效果［13］。其中，试验带C对地表径流中NH4+-N的去除率均高于另外两组植被配置，去除率为40．5%，分别是试验带A和试验带B的1．1倍和1．6倍。可见试验带C乔木+灌木+草本的植被配置方式能够有效提高滨岸缓冲带对地表径流中NH4+-N的净化效果［14］。

图4 不同植被配置对径流氨氮的去除效果Fig．4 The different vegetation configure runoff ammonia removal

2．2．2 渗流

不同植被配置试验带对经过土壤渗流的去除效果如图5所示。滨岸植被缓冲带对经土壤20 cm和40 cm渗流中NH4+-N的平均去除率为59．4%，说明植被缓冲带对渗流的去除效果好于地表径流。在同一样带中，经过土壤40 cm渗流NH4+-N的去除率较经过土壤20 cm渗流NH4+-N的去除率进一步升高，试验带A、B、C的经过土壤20 cm渗流出水中NH4+-N去除率分别为 46．5%、44．3%、58．3%，而经过土壤40 cm渗流出水中NH4+-N 去除 率 分 别达 到 54．6%、47．7% 和69．2%。说明随着深度的增大，植物根系对渗流中NH4+-N的去除率进一步升高。各试验带之间，试验带C对土壤中NH4+-N的去除率最高，其在试验带末端对经过土壤40 cm渗流出水中NH4+-N的最高去除率达到69．2%，分别是试验带A和试验带B经过土壤40 cm渗流出水中NH4+-N的最高去除率的1．7倍和1．4倍。可见试验带C乔木+灌木+草本的植被配置方式对出水中NH4+-N的具有最佳去除率，能够有效提高滨岸缓冲带对渗流NH4+-N 的净化效果［15］。

图5 不同植被配置对距地表20 cm、40 cm渗流氨氮的去除效果Fig．5 The different vegetation configure away from the earth's surface20 cm，40 cm seepage runoff ammonia removal

3 结论

本试验选用的植被配置中，红瑞木的根系生物量较大，根系集中于土壤10～20 cm处［16］，早熟禾与黑麦草为混合播种，种间簇状结合分布，有利于其根部的吸收作用，因此试验带A的灌木+草本的植被配置对NH4+-N有较好的吸收作用。蒙古栎与五角枫无乔木树种，地下根系发达，但根系的主要吸收部分位于深层土壤［17-18］，并且由于乔木冠层下存在土壤裸露区，试验带B的配置中又缺乏灌木对其的覆盖作用，因此试验带B的乔木+草本的植被配置对NH4+-N的吸收作用较弱。试验带C乔木+灌木+草本的植被配置中土壤浅层的细根产量高于灌木+草本的配置［19-20］，此种复杂多层的植被配置模式有利于提高河岸植物群落的生物多样性和微生物群落的活力［21］，因此其对径流和渗流中NH4+-N均有十分理想的去除效果。

滨岸植被缓冲带对面源污水中NH4+-N的去除，随着沿程距离的增加呈现逐步上升的趋势。土壤渗流污水中NH4+-N出水的浓度随着土壤深度的增加而下降。

滨岸缓冲带的不同植被配置方式，对面源污水中NH4+-N的去除效果明显不同。样带C对地表径流、经过土壤20 cm渗流、经过土壤40 cm渗流污水中 NH4+-N最高去除率分别达到 40．5%、58．3%、69．2%，即样带C中乔木+灌木+草本的植被配置对面源污染物NH4+-N的去除效果最佳。

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