不同配置植被过滤带坡面氮磷流失过程的人工降雨试验研究

由琴婧，张化永，黄头生，张非凡，郑宇阳，周文蛟

（华北电力大学工程生态学与非线性科学研究中心，北京 102206）

当今，中国水土流失问题仍比较突出［1］，许多水体因坡面水土流失而遭受了不同程度的污染［2］，对生态环境的破坏较为严重，制约着中国环境生态文明的发展，由此导致的氮磷等污染物产生的非点源污染已经成为当今水环境污染的首要问题［3］。若采取相应措施拦截地表径流中的氮、磷，降低其入流浓度，可使由坡面地表径流导致的水体污染问题得到缓解［4］。为保护中国水环境安全、推进生态文明建设，需着力解决水土流失及其衍生的环境污染问题［5］。

植被过滤带（Vegetative filter strip，VFS）是控制水土流失的一种有效工程措施。长期实践证明，植被过滤带是处理水土流失问题中最为环保、经济可行的方式［6，7］。

植被过滤带是设置在污染源与水体之间的由植物组成的带状区域，可通过沉降、下渗和吸收等物理、化学过程，减少坡面径流中污染物含量，能有效防治水体泥沙淤积和非点源污染的影响［8，9］。研究表明，VFS 对氮磷等污染物有良好的拦截和消减效果，对水环境保护有重要的作用［10，11］。

植被过滤带对于污染物的截留去除效果受到许多因素的影响，不仅受植被过滤带自身因素（带宽、带长、植物类型［12，13］、株间距）的影响，还受到土壤质地类型、降水条件［14］、坡度［15］、坡长、入流污染物浓度［16］、入流流量等外部因素的影响。国内学者就其中某单一因素研究较多，陶梅等［17］通过列举法总结了VFS 作用效果的最佳宽度；申小波等［18］研究表明，植被过滤带对总氮（TN）、总磷（TP）的拦截和削减效率与宽度呈正相关；李怀恩等［12］通过试验证明了过滤带对不同类型氮磷污染物的削减效率不同；佘冬立等［19］研究认为不同入流条件对植被过滤带的总氮和总磷拦截效果产生较大影响；路炳军等［20］分析了多个不同植被类型的径流小区观测数据发现在减少养分流失的效益方面，人工苜蓿草地＞天然草地和树盘/人工林＞石坎梯田/蔬菜＞平播农作物。但目前针对多重因素综合作用下植被过滤带的污染物去除效果和拦截效率研究较少，尤其是针对整个降雨过程中多重因素综合作用对植被过滤带总氮、总磷流失的拦截效果随时间变化的研究甚少。

本研究通过在径流槽设置植被过滤带进行人工降雨试验，测定比较了不同参数配置组合下（降雨强度、坡度、植被设置方式）植被过滤带坡面径流和沉积物中总氮、总磷的质量浓度，对比分析了降雨强度、坡度及植被设置方式等因素组合对总氮、总磷流失量随时间变化的影响，以探究降雨过程中植被过滤带水质净化功能作用过程，为侵蚀坡面水土流失治理及植被过滤带的优化设计提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用土壤采自河北省张家口市宣化区某侵蚀沟道坡面，土壤类型为二合黄土，土质颗粒粗糙，保水能力一般（质量分数27.8%～41.8%）。土壤稳定渗透率为16.2 mm/h，容重为1.28 g/cm3，表层土壤（0～10 cm）有机质含量为1.41%。构成植被过滤带的植物选取该侵蚀沟道坡面具有代表性的本土物种本氏针茅（Stipa capillataLinn.），运用草本样方法测定其分布密度、株高及株间距。试验用水取自试验站周边机井，试验前测定其各项基本指标。

1.2 试验方法

试验于河北省张家口市宣化区野外实验站进行，试验装置中所用二合一可变坡土槽长2 m、宽1 m、深50 cm，坡度变化范围为0°～45°，槽底部有渗流孔，下部设有地表径流收集口。土槽装土厚度为40 cm，按照10 cm 分层填装边填边压实，控制填土密度与实际土壤容重接近。采用人工降雨法进行试验，降雨采用侧喷式降雨器，降雨器的喷头垫片可调节，由压力表控制降雨强度，可控制降雨强度为20～200 mm/h，降雨均匀度在65%～95%，基本可满足试验要求。

本次试验设5°、20°、35°共3 种坡度，设30、60、90 mm/h 共3 种降雨强度，植被带设置总长度为0.8 m，宽度为0.5 m，第1 种设置方式为距离槽体上部40 cm 处开始连续铺设，命名为A1，第2 种设置方式与第1 种开始铺设位置相同，但分成2 块40 cm 长的小带间隔铺设，命名为B1，同时设置裸地坡面对照组，每场试验所需时间30 min（不含产流时间）。试验采用3 个径流槽同时开展，坡度依次调整为5°、20°和35°保持不变，因此结合降雨强度和植被带设置方式组合，共设计开展人工降雨试验9 场。

径流、泥沙样品的采集方法为坡面开始产流后，在出流口直接用100 mL 取样瓶接取第1、7、13、19、25 min 的出流混合物，之后进行相应指标的测定。样品经沉淀后取上清液测定总氮、总磷浓度，沉积物经烘干后同样测定其总氮、总磷浓度，按照国标方法进行测定。采用Microsoft Excel 软件进行数据的处理分析，用Origin 2017 软件进行图片绘制。

2 结果与分析

2.1 不同植被过滤带坡面径流总氮含量随时间变化

由图1 可知，降雨强度为30 mm/h 的裸地坡面，不同坡度径流中总氮含量随时间的变化趋势基本一致，这说明在降雨强度较小的裸地坡面上，坡度变化对径流量的影响并不明显，造成径流中的总氮含量时间变化对坡度因素也不敏感［21］。植被过滤带拦截氮主要是通过增加土壤入渗，而坡度增加导致坡面径流流速增加，在植被过滤带内的停留时间变短，使得入渗过程受到影响［22，23］。在设置植被过滤带B1 的情况下，降雨强度为30、60 mm/h 的35°坡面径流总氮含量在整个降雨过程中也没有明显变化。降雨强度为60 mm/h 时，裸地对照组的5°坡面与植被过滤带A1 的20°坡面径流总氮含量变化趋势相同，形状为微小的“U”型。在降雨强度为90 mm/h 条件下，只有20°的坡面径流总氮含量曲线保持稳定；裸地对照组5°的坡面与植被过滤带B1 的5°的坡面径流总氮含量曲线变化趋势相反。综合来看，整个降雨历程中径流总氮含量变化并不明显，这与邬燕虹等［24］的研究结果并不一致，可能与降雨过程中坡面产生的径流量差异有关，降雨初期土壤含水量并未达到饱和，因此径流量较少；随着降雨时间增加，土壤含水量达到饱和之后，径流产量变大，对总氮浓度产生了影响。

图1 不同雨强、坡度及植被过滤带设置方式下坡面径流总氮含量变化

2.2 不同植被过滤带坡面径流总磷含量随时间变化

由图2 可知，与径流中总氮含量相比，不同组合条件下坡面径流总磷含量差别更明显且浓度较低，这表明降雨强度、坡度及植被带设置方式的组合对径流中总磷含量的影响较大［25］。对于20°的裸地坡面，降雨强度为60、90 mm/h 时的总磷含量变化均呈扁“M”型。降雨强度为30 mm/h 的20°的裸地坡面与降雨强度为60 mm/h 的植被过滤带B1 的20°坡面径流的总磷变化趋势基本相同，而与降雨强度为30 mm/h 的植被过滤带B1 的20°坡面径流的变化趋势相反，推测植被过滤带的存在一定程度上抵消了降雨强度对径流量的影响，从而影响了径流中总磷的含量。在降雨强度为60、90 mm/h 的35°裸地坡面，总磷含量均为先下降后趋于稳定。在降雨强度为30 mm/h，坡面设置植被过滤带A1 的5°、35°坡面径流总磷含量随时间变化的趋势一致，可能是因为径流中的磷流失存在坡度临界值（范围为15°～25°）［26］。降雨强度为90 mm/h 时，35°裸露坡面与植被过滤带A1 的总磷含量变化趋势相反。总体来看，降雨强度及坡度变化导致植被过滤带对径流总磷去除效果的减弱作用可通过设置植被过滤带来抵消。

图2 不同雨强、坡度及植被过滤带设置方式下坡面径流总磷含量变化

2.3 不同植被过滤带坡面沉积物总氮含量随时间变化

由图3 可知，在整个降雨历程中总氮含量变化较为明显。在降雨强度为30 mm/h、坡度为5°时，裸地对照组与植被过滤带B1 的总氮含量均在第7 min后上升，后在第19 min 下降；当坡度为20°时，这2 种处理下径流携带泥沙中的总氮含量变化趋势一致。在降雨强度为30 mm/h 时，植被过滤带B1 的20°与35°坡面总氮含量变化趋势相反。植被过滤带的泥沙拦截能力随着坡度增大而变弱，使吸附在泥沙颗粒的污染物随之流出，但一段时间后由于泥沙结合态污染物发生解吸和溶解，导致总氮含量增大［5］。在相同降雨强度下，植被过滤带A1 的20°与35°坡面总氮含量变化趋势基本一致，这与降雨强度为90 mm/h、植被过滤带B1 的20°和35°坡面总氮含量变化趋势相反，推测不同降雨强度和植被设置方式的组合对坡度变化影响有差异，从而导致出流泥沙中总氮含量变化趋势的差异。此外还发现，当降雨强度为30 mm/h、植被过滤带B1 的35°坡面与90 mm/h雨强下裸露坡面的35°坡面总氮含量变化均在第7 min 上升，之后在第13 min 下降后再上升。Kuo［27］研究认为，降雨强度增加时坡面径流中沉积物含量增加，通过该趋势可推断降雨强度增加带来的影响可由设置植被过滤带来抵消。降雨强度为60 mm/h的植被过滤带A1 的20°、35°这2 个坡面的总氮含量变化呈一个近似的“W”型。当降雨强度为90 mm/h时，20°、35°两条裸地坡面的总氮变化曲线趋势相反，植被过滤带A1 20°、35°坡面的总氮变化曲线也相反。

图3 不同雨强、坡度及植被过滤带设置方式下坡面沉积物总氮含量变化

2.4 不同植被过滤带坡面沉积物总磷含量随时间变化

研究表明，超过70%的磷以颗粒态附着在土壤细颗粒上随地表径流迁移，且泥沙结合态磷浓度变化幅度在整个径流过程中较大［28，29］。由图4 可知，本研究沉积物中总磷变化幅度不大。当坡面无植被覆盖，降雨强度为30 mm/h 时，20°坡面沉积物中总磷含量在第7 min 有所上升，在第13 min 稍微下降后趋于稳定，这与35°的坡面沉积物中总磷含量变化趋势相反。降雨强度为30 mm/h 和90 mm/h 的5°裸地坡面总磷含量变化均呈倒“V”型，90 mm/h 的曲线最高点更高，这说明降雨强度的增加使得沉积物总磷流失量增加［27］。降雨强度为60 mm/h、无植被覆盖的5°坡面与植被过滤带B1 的5°坡面总磷变化趋势相反，而与降雨强度为90 mm/h、植被过滤带A1的5°坡面总磷变化趋势相同，说明当坡度较缓分2块设置的植被过滤带可有效减少坡面土壤总磷流失，但在强降雨条件下植被过滤带的效果有所减弱。当降雨强度为90 mm/h、坡面为植被过滤带A1 时，20°和35°坡面总磷变化曲线呈相反的形状；有植被过滤带B1 的20°和35°坡面总磷变化曲线也相反。这表明，随着坡度和降雨强度的增加，A1 和B1 对减少沉积物中总磷流失的作用更加明显，这与Abu-Zreig 等［30］的研究结果相反，说明多重因素协同作用与单一因素作用对植被过滤带的效果存在差异。

图4 不同雨强、坡度及植被过滤带设置方式下坡面沉积物总磷含量变化

3 小结与讨论

应用人工降雨试验探索防治水土流失和设计植被过滤带的相关研究在国内已得到广泛应用。例如，针对不同的土壤类型开展人工降雨试验来研究坡面及耕地区域水土流失规律［31-33］；针对不同坡度、坡长、雨强及植被覆盖度等单一影响因素下氮、磷流失量的研究［34，35］；针对不同生草带覆盖度对坡面降雨产流过程的响应规律研究［36］。本研究对3 种单一因素对植被过滤带坡面氮、磷流失效果的综合作用进行了分析，并针对整个降雨产沙过程进行动态监测，了解不同配置组合下植被过滤带减少养分流失的作用变化，为典型的侵蚀沟道坡面的水土流失防治及植被过滤带措施的设计应用提供参考。

本试验以降雨强度、坡度及植被带设置方式为变量，设计不同组合下的人工降雨试验。在径流产生后的第1、7、13、19、25 min 收集样品，分别对样品径流及沉积物中总氮、总磷的含量进行测定，对比分析不同配置的植被过滤带作用下总氮、总磷在降雨过程中含量随时间的变化，得出如下结论。

1）不同降雨强度、坡度及植被设置方式下植被过滤带的坡面径流和沉积物中的总氮、总磷含量随时间的变化趋势并不一致。

2）降雨强度、坡度及植被设置方式多重因素的共同作用会对植被过滤带的氮、磷去除效果和作用过程产生不同的影响，与单一因素影响作用的研究结论可能存在较大差异，表明降雨强度、坡度和植被设置方式综合作用对植被过滤带的影响可能互相叠加或抵消。

3）植被过滤带的作用效果与降雨条件及地形条件有关，当外部条件发生变化时原本处于优势的植被过滤带去除氮、磷的作用过程也会发生变化。

综上所述，在坡面应用植被过滤带的水土保护措施时，要根据当地具体的气候地形合理选择使用，以起到减少土壤侵蚀、保护生态和美化环境的作用。今后可以从更多植被带设置方式方面入手进行更为详细的坡面氮、磷流失规律研究，以更好地指导植被过滤带的规划设计，最大程度发挥其在水土流失和非点源污染方面的作用。