水陆交错带生态功能及其氮素截留效果研究进展

吴林川+孙婴婴

摘 要：水陆交错带是指陆地和水域之间物质传输、能量转化和信息交换的过渡带，本文概述了水陆交错带的主要功能，其中主要包括截留污染物、固岸护坡、削减洪峰、生物廊道功能、促进生物多样性及休闲娱乐等社会功能。水陆交错带是防止农业面源污染的最后一道屏障，关于水陆交错带对氮素的截留、转化、吸收过程可以总结归纳物理途径和生物化学途径，影响氮素的截留效果主要因素可概括为土壤特性、水文特性、植被类型及水陆交错带宽度，在此基础上提出了未来水陆交错带的设计和管理等研究趋势。

关键词：水陆交错带 生态修复 氮素截留 面源污染

1.水陆交错带概述

1.1水陆交错带定义

水陆交错带是指陆地和水域之间物质传输、能量转化和信息交换的过渡带，又称河（滨）岸带、岸边带、缓冲带、消（涨）落带。特殊的位置决定了水陆交错带不仅具有陆地生态系统的特点，还包含水生生态系统的某些特点。水陆交错带的最初定义出现在最佳流域管理模式（BMP）中，学术界对水陆交错带的定义始于上70年代，定义为陆地上受到河水影响的植被区域。之后的研究中，不同的学者对水陆交错带的特点定义越来越多。依据位置特点，水陆交错带是陆地上同水发生相互作用的植被区域，在形态上一般呈带状分布于河道两边；依据功能特点，水陆交错带是陆地与水体之间具有固岸护坡、保持水土、保护水源、削减洪峰等功能的植被缓冲带；依据结构特点，水陆交错带是位于水陆交界处包括植物、动物、微生物、土壤等不同结构的完整生态系统。

1.2水陆交错带功能

水陆交错带是水生和陆地生态系统的过渡带，既具有陆地生态系统的土壤、植被特性，又会受到水生生态系统的强烈影响，这决定了其独特的功能。可将其功能归纳总結为以下6点：

1.2.1截留污染物，净化水质

河流水体通常汇集来自临近高地的径流，而径流中携带有固体污染物、泥沙以及可导致水体富营养化的氮、磷等物质以及污染水质的重金属元素。水陆交错带可通过物理滞纳、化学降解、生物吸收等不同途径来截留和转化这些有害物质，从而达到净化水质的功能。

1.2.2固岸护坡

水陆交错带一般通过植被来达到固岸护坡的功能。水陆交错带岸边的丛生草本植物可以增大水流阻力、减缓水流速度从而减缓水流对岸边的冲刷和侵蚀。植物的叶片、枝干极大地增加了地表的粗造度，从而减少地表径流和减轻侵蚀。另外水陆交错带水分充足、植物根系发达，土壤、砾石在根系的作用下，形成紧实的团聚结构，增加了根际土壤的抗冲性，从而增强了固岸功能。

1.2.3削减洪峰

当洪水季节水位上涨时，一方面水陆交错带的土壤可以渗蓄水分，从而起到削减洪峰流量的功能；另一方面水陆交错带的植物可以增加水流阻力，降低河流的水流速度，进而起到推迟峰现时刻的功能。

1.2.4生物廊道功能

水陆交错带错综复杂的植被类型为动物生存繁育、躲避天敌、季节迁徙形成了天然的保护屏障，例如鸟类季节性迁徙至水陆交错带，既可从水中寻求食物，又可在陆地栖息；一些两栖类动物选择在水陆交错带的卵石缝隙中产卵，可以提高天敌的能力；鱼类选择在水流速度较缓的河边年产卵可提高成活率。

1.2.5促进生物多样性

水陆交错带临近的水生生态系统的水位具有季节性变化的特点，即丰水期和枯水期交替出现。在丰水期水陆交错带可作为水生生态系统的源，为水生生态系统的生物提供物质和能量；在枯水期，水陆交错带可作为陆地生态系统的汇，汇集来自临近陆地生态系统的物质和能量，为自身的微生物、植物提供生长环境。水陆交错带的这种源、汇功能，既能丰富自身的生物多样性，又能为水生生态系统和陆地生态系统的生物多样性提供必要的物质和能量。水陆交错带土层深度差异性较大，因此可以满足多种植物的生长；另外因其土壤富氧和缺氧交替出现，为好氧微生物和厌氧微生物提供了生存的环境。因此水陆交错带可促进区域的动物、植物和微生物多样性。

1.2.6社会功能

水陆交错带在一定程度上可作为人类生命财产安全的一道防线，减轻洪水造成的危害。水陆交错带上乔灌植物可为当地居民提供薪材、木材等原料。另外经过合理经营与管理的水陆交错带还具有很高的生态、美学价值，为人类提供休闲、娱乐、旅游的场所，提高当地居民生活水平的同时还可以促进当地的旅游业发展。

2.水陆交错带对氮素截留效果研究进展

2.1水陆交错带对氮素截留效果国外研究进展

国外关于水陆交错对氮素截留效果的研究起步于20世纪60年代，研究表明水陆交错带草本植物对氮素具有一定的截留效果。草本水陆交错带可防止农田中的残留农药通过地表径流迁移至河流水体。因此水陆交错带具有减轻面源污染、减少地表径流、过滤农田地表、地下径流、减缓河流侵蚀、过滤河流污染物等多重功能。径流中污染物去除效果受到水陆交错带宽度、污染物种类及化学成分的影响。其中对NO3--N的拦截率达70%～95%。

基于良好的土壤水分、养分和较好的污染物去除效果，水陆交错带往往是树木、作物高产的区域，可作为水陆交错带种植方式为土地所有者提供较快的投资回报。研究者在爱荷华州基于筛选出的速生树种，建议在水陆交错带种植薪材林。林地水陆交错带的另一个特点是，植物和土壤具有固持大量的C的潜能。有利于C的积累。

国外学者关于水陆交错带对氮素的截留、转化、吸收的效果可以总结归纳为以下两个途径：

（1）物理途径

物理途径主要通过水陆交错带的土壤空隙、植物枝干和根系来增加地表地下径流阻力、降低水流速度，使得颗粒态氮素沉积。此外，水陆交错带草本植物和丛生的灌木可过滤径流中的颗粒态氮，并沉积在水陆交错带上。另外，牛毛草水陆交错带可以截留径流中60%以上的颗粒态氮。endprint

（2）生物化学途径

微生物的反硝化作用是水陆交错带截留转化氮素的重要生物途径之一。水陆交错带在丰水期呈缺氧状态，为厌氧的反硝化细菌提供了良好的环境，在C源充足的条件下经反硝化作用将氮素转化成气态N，永久地从水陆交错带中去除。另外水和土壤中的N素被植物根系吸收，合成自身生长所需物质，使得N素在植物的生物量中积累。有研究者得出，水陆交错带植物可以吸收77kg/（a·ha）的N素。

水陆交错带的截留对氮素的截留受到多种因素的影响，主要包括水陆交错带土壤特性、水文特征、植被类型及水陆交错带宽度：

（1）土壤特性

土壤有机碳和土壤孔隙度是影响水陆交错带对氮素截留的主要因素。土壤有机碳为反硝化作用提供营养。有机碳含量较高的饱和土壤中，水陆交错带对硝态氮的去除效率高达90%。土壤孔隙度影响地表含氮径流在土壤中的渗透和过滤，也影响着含氮壤中流在土层中的截留和淋溶。

（2）水文特性

地下水位高度是决定水陆交错带氮素截留的重要因素之一，较高地下水位的水陆交错带土壤含水量较大，表层处于厌氧状态，为反硝化提供基础。水陆交错带的径流汇聚方式也影响交错带氮素的截留效果，当地表径流和壤中流分布比较均匀时，交错带对氮素的截留转化效率高。相反，当径流通过特定排水管道、固定沟渠汇聚到水生生态系统时，大部分的水陆交错带无法得到充分利用，或对氮素的截留效率较低。另有学者研究发现30m宽的水陆交错带对表层地下水中硝态氮去除效果明显，最高可达到70%。

（3）植被类型及水陆交错带宽度

例如Dillaha等针对美国弗吉尼亚州的河岸带研究发现，9.1m宽的草地河岸带可截留地表径流中的总氮为73%，但宽带减小到4.6m时其截留总氮较少到54%。Vought等研究有类似的发现，水陆交错带宽带由16m减小到8m时，地表径流中硝态氮由50%减少到20%。對于不同植被类型的水陆交错带对氮素截留能力的研究，不同学者得出了不同的观点。Hefting等认为森林水陆交错带截留能力大于草地水陆交错带，原因在于森林植被根系分布范围广，吸收范围大，同时森林水陆交错带为反硝化作用提供了充足的有机碳。然而也有人认为森林和草地水陆交错带截留效果无显著差异。

2.2水陆交错带对氮素截留效果国内研究进展

国内对水陆交错带的研究始于上世纪90年代。由于我国人均土地资源匮乏，最初水陆交错带的研究目的仅仅是开发利用，以此满足生产需求。随着水生生态系的污染加重，国内学者才逐渐意识到水陆交错带对水生生态系的净化保护作用，从而开展关于陆交错带截留水泥沙、养分、污染物等生态功能的研究。

国内学者关于水陆交错带的研究最早见于白洋淀地区，针对白洋淀湖水营养物质含量过高、湖底泥沙含量增加。展开白洋淀水陆交错带对陆源营养物质的截留效果研究得出，白洋淀水陆交错带可以有效截留陆源铵态氮、正磷酸盐等营养物质。水陆交错带土壤对地表径流中总氮、总磷的截留率分别达60%、90%以上。其次，关于白洋淀水陆交错带土壤对有机污染物吸附的研究表明，土壤颗粒物对亲脂性有机污染物的截留效果明显，对污水的净化有一定的积极效果。另外，关于白洋淀水陆交错带对氮磷截留容量的研究表明，生物量中截留的氮磷总量分别为119kg/（a·ha）、5.6 kg/（a·ha），通过定期收割生物量可减轻水体富营养化的速度；氮被土壤截留后主要通过植物吸收、微生物反硝化等过程参与到氮循环中，土壤对磷的截留高达124 kg/（a·ha）。

随着我国重点江河水体富营养化日趋严重，国内逐渐重视水陆交错带对氮磷等营养物质及农业非点源污染的研究。不同类型的水陆交错带对氮素的截留效果差异显著，以水陆交错带三种不同河岸林为研究对象，研究表明灌木林对氮素的截留量最高，但针叶林对氮素的截留效率最高。百慕大、百花三叶草和高羊茅3种草本对农田径流污染物的去除效果明显，其中对全氮的去除率高达80%。

水陆交错带宽度是影响氮素截留的主要因素之一。申小波通过模拟不同植被宽度水陆交错带对氮素的拦截效果，研究表明，当宽度分别为1m、2m、3m时，对全氮的拦截率分别为65%、75%、84%。分析不同水陆交错带修复策略的效益和成本，研究表明水陆交错带对氮素净化效率随着修复宽度的增加而逐渐减小，得出污染程度严重的子流域为修复重点策略。

学者基于水文和土壤侵蚀模型评估水陆交错带净化氮磷的效果，研究表明，颗粒态N、P含量与泥沙量有显著相关性（P<0.05），据此建立泥沙和氮素截留的相关方程来估算水陆交错带对氮磷等污染物的截留效果。

3.水陆交错带氮素截留研究趋势

（1）根据水陆交错带的生态功能定位上差异及不同流域、不同水质要求的特点，并结合植物生理学、土壤生态过程及水文学知识，从微观上分析氮素的迁移、转化、截留机理。

（2）利用计算机仿真技术和数学模型，模拟水陆交错带最佳的氮素截留宽度，并进行实地示范，为水陆交错带的设计提供决策依据。

（3）利用“3S”技术，从流域和景观尺度上对水陆交错带进行面源污染进行实时、动态监测，并逐步建立水体富营养胡的预警机制，实现水陆交错带的科学高效管理。

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