植被过滤带阻控除草剂污染的研究与应用进展

郑瑞伦+庞卓+王庆海

摘要：除草剂等农药在农业生产上作出了极大的贡献，但未被利用的农药因雨水和灌溉随地表径流进入水体，破坏了水生态系统，对人类健康构成威胁。本文对植被过滤带阻控除草剂污染的作用进行了阐述，综述了植被过滤带阻控除草剂污染的机理及影响其功能的主要因素，指出目前研究的局限和应用中应该考虑的问题，并对下一步研究方向进行展望。

关键词：农药；植被过滤带；阻控除草剂污染；机理；影响因素；应用

中图分类号：S451；X52文献标志碼：A文章编号：1003-935X（2017）01-0001-07

Research and Application Advances on the Control of Pesticide

Pollution with a Vegetative Filter Strip

ZHENG Ruilun，PANG Zhuo，WANG Qinghai

（Beijing Research & Development Center for Grasses and Environment，

Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Beijing 100097，China）

Abstract： Pesticides play an important role in agriculture. However，most of the applied pesticide easily flow into the aquatic environment through surface runoff caused by rain or irrigation. The entry of a pesticide into water may damage the aquatic ecosystem and constitute a potential risk to human health. This paper elaborates on the effect of a vegetative filter strip （VFS） on herbicide pollution control，analyzes the related mechanisms，and summarizes the factors influencing the function of VFS. Opinions and suggestions are provided regarding application. Gaps inresearch on the control of pesticide pollution via VFS are addressed.

Key words： pesticide；vegetative filter strip；mechanism；influencing factor；application

收稿日期：2017-01-20

基金项目：国家自然科学基金（编号：31370540）；国家科技支撑计划（编号：2012BAD14B02）；北京市农林科学院科技创新能力建设专项（编号：KJCX20161502-1）。

作者简介：郑瑞伦（1982—），男，山西介休人，博士，副研究员，主要从事退化土地修复研究。E-mail：rlzheng@163.com。

通信作者：王庆海，研究员，主要从事植物生理生态学、退化生态系统恢复与重建研究。E-mail：qinghaiw@sina.com。由于长期、大量和不合理的使用，且利用效率低，农药在发挥保障作物产量作用的同时，对环境也造成了污染。我国是农药使用大国之一，农业部公布数据显示，2015年我国水稻、玉米、小麦三大粮食作物农药利用率为36.6%，流失的农药直接进入环境，大部分最终进入水体，造成水体污染。据估算，2011年我国的农药流失量为 4 390 t[1]。我国重点流域水体包括长江流域、黄河流域、太湖流域、松花江流域、黑龙江流域、东江流域、南水北调中线和东线等，其检出阿特拉津率为100%；其中在太湖流域、黑龙江流域和松花江流域具有潜在生态风险[2]。有机磷农药（OPPs）在江汉平原地区地下水中普遍存在，但对生态环境影响较小[3]。巢湖主要湖口水体中有机氯农药残留浓度为40.1～87.7 μg/L，主要来自于早期农药蓄积残留，污染处于中等偏低水平，但表层沉积物中有机氯农药存在一定的生态风险[4]。

为了防止农药、化肥等污染水体，15—16世纪，植被过滤带开始在欧洲国家应用，到20世纪30年代美国发展了比较规范的植被过滤带设计方案[5]。作为一种成本低廉且富有成效的生态工程措施，植被过滤带一般设在农田或养殖场的下部，位于污染源和水体之间，能够过滤净化地表径流中的营养物、沉积物、病原体、重金属和农药等，是一种有效阻控农业面源污染的带状植被系统[6-7]。植被过滤带别称植被缓冲带，根据植物类型的不同，植被过滤带可分为草本过滤带、灌木过滤带、乔木过滤带以及多种植被构成的复合过滤带。此外，在农田和水体的过渡地带曾有或现存湿地系统，则可恢复或建立湿地系统。湿地不仅能显著减少农药进入下游受纳水体，而且作为生态景观还能起美化环境的作用[8]。

本文旨在对植被过滤带阻控农药污染的作用、机理与影响因素进行总结和分析，指出目前研究中存在的问题和未来的研究方向，并对应用中需要注意的问题提出建议，为植被过滤带阻控农药污染的研究和应用提供参考。

1 植被过滤带对农药的阻控作用

植被过滤带对土壤和水资源保护方面有很多益处。植被过滤带可以稳固河岸[9]、减少沉积物[10]、消除病原体和寄生虫[11-12]、减少农田营养元素的流失[12-14]，甚至为许多动物提供适宜的栖息地[15]。并且植被过滤带还可以减小地表径流中农药的浓度[16-17]。

植被过滤带主要通过物理、化学、生物等途径使地表径流以及径流中的泥沙、氮、磷、农药等污染物减少，对农业面源污染具有较好的防治效果[18-20]。草本植被过滤带能有效拦截径流，拦截率可达88%，可拦截径流中有95%的泥沙、80%的总氮以及78%的总磷[21]，能显著降低泥沙和阿特拉津流失量[19]。据Popov等报道，植被过滤带可减小径流样中40%～85%的阿特拉津[22]。通过在北京地区不同坡度的径流小区上进行人工模拟降雨试验，对草篱去除农田径流中氮、磷、阿特拉津3种典型农业面源污染物的研究表明，草篱措施可减少68%的总氮、61%的总磷和90%的阿特拉津流失[23]。Patty等在法国的研究结果表明，植被过滤带能有效降低农药阿特拉津及其代谢产物44%～100%、可溶性磷22%～89%、氮47%～100%[24]。在意大利北部，通过对6 m宽植被过滤带5～6 年的监测表明，无论在雨水多还是在雨水少的年份，植被过滤带均能非常有效地减少径流中异丙甲草胺和特丁津的总量和浓度[25]。通过对0、3、6、9 m不同长度的草地过滤带对异丙甲草胺和阿特拉津的阻控研究表明，草地过滤带可以阻挡90%以上的除草剂随径流流出。Sabbagh等综述许多报道的研究结果发现，0.5～20.1 m宽度的植被过滤带对径流中许多除草剂（包括赛克津、异丙隆、异丙甲草胺、阿特拉津、草净津等）的减小量可达到11%～100%[26]。人工湿地对工业园区废水中的烟嘧磺隆的去除率可以达到67%[27]。

2 植被过滤带对农药的阻控机理

植被过滤带阻控农药等污染物是多种途径协同作用的结果，主要包括物理拦截、增加入渗、增加土壤吸附和降解能力及植物的吸收降解作用。

2.1 植被过滤带的物理拦截作用

植被过滤带通过自身的物理拦截作用可以有效减小含有农药的径流的体积和颗粒物（如泥沙）含量，促进吸附农药的颗粒物质的沉积[28-29]。植被的存在可以有效滞缓地表径流速度，过滤和拦截径流中的泥沙等颗粒态污染物或悬浮物[30-31]，有效减小含农药的径流达80%～86%[32]。连续4年的研究表明，在实际降雨条件下，草本植被过滤带均可以有效减小径流体积，减小农药流失90%以上[33]。草本植物过滤带可以有效拦截径流，显著降低泥沙流失量，当进水泥沙浓度为20、40、60 g/L 时，植被过滤带对泥沙的拦截率分别为95%、93%、85%[19]。

2.2 植被过滤带增加土壤入渗

植被过滤带可以通过增加土壤入渗水平有效延长农药的滞留和吸附时间。植物能显著改善土壤结构，并通过植物根系的穿插作用增加土壤渗透能力，从而使地表径流以及可溶性污染物更多地随水入渗。肖波等研究表明，种植5年的狼尾草（Pennisetum alopecuroides）草蓠可使土壤容重降低7.0%、稳定入渗率和总孔隙度分别增加157.1%和11.0%，并使土壤细颗粒含量（<0.01 mm）增加10.8%，年均分别减少地表径流与土壤流失达63.2%与77.7%[34]。王敏等也表示，植被种植可以改善土壤的渗透性，增加径流的入渗[35]。Krutz等认为，植被过滤带减少阿特拉津的主要机制是增加土壤渗透[36]。

2.3 植被过滤带能增强土壤吸附降解能力

植被过滤带可以促使土壤累积更多的有机物质，从而增强土壤对溶液中农药的吸附及降解能力[37-38]。如狼尾草草篱可使土壤有机质显著增加12.7%[34]，这些有机物质可以增强土壤对农药的吸附，从而比对照土壤吸附更多的甲氧毒草安、伏草隆、异丙隆，而且更加不容易被解吸[38-40]。除了表现出对甲氧毒草安更强的吸附力以外，植被过滤带使土壤中甲氧毒草安的半衰期缩短了一半多[39]。另外，有机质能为微生物的活动和生长提供其所需要的能量，从而促进农药等污染物的降解。

2.4 植物的吸收与降解

植被过滤带的植物本身可以吸收农药，并加速农药降解。许多禾木科草本植物如冰草（Agropyron desertorum）、黑麦草（Lolium perenne）、高羊茅（Festuca arundinacea）、苏丹草（Sorghum vulgare）和柳枝稷（Panicum virgatum）等均对阿特拉津具有修复作用[41]。近年来，柳枝稷成为修复阿特拉津污染的候选植物，在包括柳枝稷在内的多种草本植物的根和茎叶中均可以检测到阿特拉津及其代谢物[42-43]，而且柳枝稷体内的阿特拉津有94.3%被分解转化为各种代谢物[44]，柳枝稷不仅可以吸收，还可以在灭菌的基质中降解阿特拉津，特别是其叶片的降解能力较强。种植柳枝稷后阿特拉津的降解量显著大于自然降解[45]。农药等污染物进入植物体后，先被细胞溶质结合并运载及暂时储存在液泡中，降解后进入共质体运输到植物其他部位，或通过根外泌到根际，甚至通过植物叶片外排到大气中[46-47]。此外，植物根际中农药的降解也是植被过滤带去除农药的一个重要途径。植物根系分泌物中含有多种酶，这些酶对含硝基等有机农药的降解起重要作用[48]，根际微生物可通过生物过程分解和降解污染物质。通过比较14C标记的阿特拉津在分别种植7种草本植物与不种植物土壤中的降解率表明，植物处理的根际土壤中阿特拉津的降解率与对照土相比增加了20%～45%[49]。这是由于根际土壤中微生物量、微生物活性及各种酶的活性均高于非根际土的缘故[39，45，49]。

3 影响植被过滤带阻控效果的因素

植被过滤带对农药的阻滞效果取决于水文条件（沉淀、渗透、地表径流）、植被过滤带设计（宽度、坡度、覆蓋植被的密度和高度）和农药的自身特征（Kd、Koc）等[26，50]。下面对研究较多的影响植被过滤带阻控效果的主要因素分别进行阐述。

3.1 植被过滤带的设计

一般认为，植被过滤带的尺寸是影响其功能的主要因素[51]，过滤带长度可以解释其阻隔功能的60%[52]，过滤带越宽效果越好。但考虑到植被过滤带需要在保护地表水体的同时尽量小地占用耕地面积，创造更大的效益，许多田间研究使用了小于10 m长度的过滤带[53]。但也有研究者认为，植被过滤带宽度不是减小径流的最重要的影响因素之一[54]，而植被密度和入渗能力更加重要[55-56]。

3.2 气候条件

气候条件是影响植被过滤带功能的另一个重要因素[13]。Klppel等通过人工模拟降雨研究表明，径流强度越小，流出10 m草地过滤带的径流液中2，4-滴和异丙隆的浓度越小[56]。雨量和雨强越大，异丙甲草胺、二甲戊乐灵、特丁津的流失量越大[57]。许多研究也表明，阿特拉津流失量与径流量呈显著的正相关关系[19，23]。雨强和坡度均与地表径流和土壤流失正相关[58]。

3.3 植物种类

植物种类对植被过滤带的阻滞和去除效果有很大影响。生长迅速、分蘖密集且耐性强的草本植被过滤带具有更强的拦截径流和污染物的能力[26]。天然草种可形成大量的须根系，甚至深入土表3 m以下，从而形成比其他植被更大的表面积[59]。狼尾草的截留效果明显好于野古草（Arundinella hirta），两者相差2倍[58]。柳枝稷根际土壤中阿特拉津降解蟀达80%以上，显著高于冰草、黑麦草、高羊茅和苏丹草。羟基阿特拉津代谢物是阿特拉津在柳枝稷和高羊茅作用下的主要代谢产物，而其他草种中的代谢产物则以脱烷烃阿特拉津代谢物为主，这些也表明植物具有不同的代谢和解毒机制[44]。也有研究者认为，草本植被更加适用于过滤阻控农田径流中的污染物[60]，而对于河滨带，则应用乔木或灌木[61]或乔、灌、草相结合的模式[62]。

3.4 其他因素

另外，植被过滤带对农药的阻控效果还受农田作物种类[63]、植被过滤带使用时间[19]和土壤理化性质（氧化还原潜势、有机质含量、土壤中粘土比例和分布等）[64]等的影响。植被过滤带对泥沙和阿特拉津的拦截率随时间延长呈逐渐降低的趋势[19]。据报道，由于农药施用引起的2，4-二硝基酚污染物在土壤中的迁移行为受土壤类型和pH值的影响很大，黏粒含量高和pH值较低的土壤中2，4-二硝基酚更容易被吸附固定，其随地表径流向附近水体的迁移便减小了[65]。

4 应用与建议

植被过滤带作为一种成本低廉且富有成效的阻控农业面源污染的生态工程措施，欧洲国家和美国将其作为一种流域管理的“最佳经营措施”，美国农业部还对植被过滤带建设给予了部分资助[60]。我国以保持水土为目的的植被过滤带已经示范推广并应用在6个省份以上的坡耕地地区，西南丘陵区和黄土高原地区已成功推广应用近百万公顷[66]。但将植被过滤带作为控制农业面源污染的技术研究还处于试验阶段，实际应用方面的工作开展得还很少。

综合上述对植被过滤带阻控农药污染的机理和影响因素，在植被过滤带的实际应用中应注意以下几个方面：第一，植被过滤带要选择合适的宽度。在宽度设定时，要考虑实际土地坡度、当地雨强、土壤质地等因素以及投入成本。虽然植被过滤带越宽，阻控效果越显著，但占用的土地和投入的人力物力也越大。一般来讲，坡度越大、降雨越强、土壤孔隙度越小，植被过滤带宽度越大。第二，根据农药的特征和土壤的类型选择合适的植物种类。草地过滤带容易管理且投资较少，可以优先考虑使用，并且优先使用那些对农药吸收和降解能力较强的植物品种，如柳枝稷等。另外，对于有机质含量较低的沙质土及Koc较小的农药，农药更加容易向下入渗，此时，最好用乔-灌-草的复合植被过滤带。这是因为一般草地植被根系较浅，不能够有效拦截地下侧向流，而乔灌木可以弥补这个缺陷。第三，植被过滤带与合理的农田耕作措施相结合。如少耕、免耕，减少对土壤的扰动、降低土壤有机质分解、保持土壤结构稳定，从而减少地表径流[23]。合理施用农药，施用时间与降雨间隔越长越好。第四，植被过滤带与其他工程措施（如生态沟、人工湿地、排水渠等）搭配使用。

5 结论与展望

（1）植被过滤带不仅可以保持水土、稳固河岸、减少营养元素流失，还可以有效阻控农药面源污染，是一种经济、多赢的生态工程措施。（2）植被过滤带阻控农药面源污染的机理是通过减小径流和保持水土，减缓径流流速、延长农药沉积与吸附时间，增加入渗，提高土壤有机质含量和微生物活性，加速农药降解及植物对农药的吸收与分解。（3）影响植被过滤带阻控农药污染的因素有植被过滤带宽度、气候条件、植被密度和植物种类，以及农田耕种的作物种类、土壤理化性质和农药特征等。（4）应用方面，植被过滤带的宽度要首先考虑，因为过滤带宽度直接影响到建设成本和经济收益。应根据当地实际情况，综合土地坡度、气候、农药特征、土壤性质等选择合适的过滤带宽度及植被类型或组合。并且与合理的农田耕作措施（免耕、少耕）和其他生态工程（人工湿地等）相结合。

虽然已经有许多报道表明，植被过滤带可以通过植物吸收、降解和过滤等途径有效阻控农药污染，但农药及代谢产物在植被过滤带中的环境归趋的研究仍然很少，以及农药在植物根际及体内的代谢机制依然不清楚；植被过滤带对农药污染的阻控研究主要集中于草地植被过滤带，关于复合植被过滤带的研究还鲜有报道。相关研究还须进一步扩展和深入。

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