林下生态系统拦截猕猴桃种植区氮磷径流污染效果研究

李森胡家帅梁洁张可刘晓玲李朝均罗鸿兵，卿静林源茂张笑笑安晓婵张小洪

(1.四川省自然资源科学研究院，四川 成都 610015；2.四川农业大学环境学院，四川 成都 611130；3.四川水利职业技术学院，四川 成都 611231；4.四川农业大学土木工程学院，四川 成都 611830；5.村镇建设防灾减灾四川省高等学校工程研究中心，四川 成都 611830；6.都江堰惠农生物技术有限责任公司，四川 都江堰 611830)

联合国粮食及农业组织数据显示，截至2020年，全世界已有20多个国家种植猕猴桃，收获面积从2000年的12.7万hm2增加至2020年的27.1万hm2，20年间收获面积增长了113.4%。2020年中国猕猴桃收获面积为18.5万hm2，占到世界总收获面积的68.3%，中国已成为全球范围内最大的猕猴桃种植国家(FAO 2020)。

猕猴桃种植不同于其它多年生果树种植，其对上一年度贮存氮的依赖性很小，生长发育初期的氮元素主要依靠外源氮素供给[1]；而在坐果前后的阶段既是猕猴桃的氮素吸收高峰期，也是猕猴桃的磷素需求高峰期[2]；这些生长特性决定了在猕猴桃在整个生育年需要施入很多的外源性氮磷肥料。为了保证猕猴桃的正常生长和果实丰收，实际管理中农民的多施肥高产出的传统观念依然普遍存在，如秦岭北麓猕猴桃种植区氮肥和磷肥过量施入比例高达82%和52%[3]。过量施肥导致氮磷元素大量盈余累积于土壤之中，在有天然降水和进行灌溉形成地表径流时，会产生极大的农业面源污染威胁[4，5]。在陕西秦岭北麓集约化猕猴桃生产地区的研究中，已经明确了猕猴桃产业的发展显著增加了当地水质恶化状况，地表水和地下水中的硝酸盐含量均显著超标[6]。

四川省已成为我国第2大猕猴桃产区，其2018年猕猴桃种植面积和产量分别为4.6万hm2、40.5万t，种植面积位列全国第2名，产量位列第4名[7]。龙门山脉沿线的都江堰已经成为世界闻名的猕猴桃产地[8]，该区域存在大量分散的、耕地坡度大的山地猕猴桃种植园，加之多雨的气候特征，使得该地正在遭受严重的猕猴桃种植面源污染威胁，而关于该地区猕猴桃种植区的氮磷污染及其防控方法研究尚鲜见报道。因此，本研究选择位于都江堰市东岳庙附近的山地猕猴桃种植区为研究对象，在自然降雨形成径流条件下对研究区氮磷污染物进行监测，分析林下生态系统对山地猕猴桃种植区氮磷的径流污染拦截情况，旨在为猕猴桃种植的绿色发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究在四川省成都市都江堰市蒲虹路东岳庙附近进行(E103°39′15″，N31°4′38″)。该区域属中亚热带湿润季风气候区，雨量充沛，降水主要发生在5—10月。2021年总降雨量为973mm。试验地点主要种植露地猕猴桃，坡度较大，污染物主要由田间径流产生。

1.2 试验设计

山地猕猴桃农田地势复杂，坡陡而急，且没有固定的田坎和沟渠，这为降雨时面源污染的发生提供了有利条件。山地猕猴桃农田周围土壤结构复杂，加大了面源污染治理技术的实施难度。但山地猕猴桃农田周围的树林和林下自然生长的植物，如凹叶景天、鸭儿芹、毛蕨、柔毛路边青、小叶桑、欧洲凤尾蕨、求米草、山苋菜、菖蒲等，对氮磷污染物有一定的拦截作用，这在一定程度上为山地猕猴桃种植面源污染治理提供了基础。因此，本研究针对猕猴桃种植山地农田构筑了林下生态系统来进行氮磷污染物的防控处理，依据山地猕猴桃农田所在区域的地形修筑田埂，使得降雨时形成的地表径流按照指定路线流入林下生态系统区域；同时根据周边实际环境情况，构建包含进水集水区、污染降解区和出水集水区的林下生态系统。整个降解区域面积约15m2，处理上游约150m2的猕猴桃田内径流，实际建设效果图见图1。

图1 林下生态系统的实地建设效果图

1.3 样品采集与指标测定

2021年共监测了4次降雨事件，分别是7月17日、7月26日、8月26日和9月14日。在每次降雨期间，分别采集进水集水区和出水集水区中的水样约500mL，带回实验室并测定其中的总氮(TN)和总磷(TN)浓度。TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定(HJ 636-2012)，TP的测定采样钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)。

1.4 数据统计与分析

使用IBM SPSS Statistics(v 27.0)专业版软件对数据进行处理，使用R(V3.3.1)软件对数据进行可视化处理。

2 结果与分析

2.1 林下生态系统降雨径流水体中TN的浓度和去除率

林下生态系统降雨径流水体中TN浓度变化见图2。由图2可知，不同降雨事件中，林下生态系统进水集水区TN的浓度范围变化较大，为1.43～16.26mg·L-1。除第3次降雨事件外，其余降雨事件中，在降雨结束时均是进水集水区TN浓度高于出水集水区TN浓度。第1次、第2次和第3次降雨事件中，降雨历时结束时的出水集水区浓度分别为13.5mg·L-1、7.13mg·L-1和7.68mg·L-1；相比各次降雨事件出水集水区TN浓度分别降低了17.0%、30.7%和34.9%，平均去除率为27.5%。雨水径流从进水集水区经过凹叶景天、鸭儿芹、毛蕨等草类植物到达出水集水区时，TN浓度显著降低，说明林下生态系统对氮污染物有较好的去除效果，起到了快速拦截的作用。

图2 林下生态系统降雨径流水体中TN浓度变化

2.2 林下生态系统降雨径流水体中TP的浓度和去除率

林下生态系统降雨径流水体中TP浓度变化见图3。由图3可知，不同降雨事件中，林下生态系统进水集水区TP的浓度整体偏低，且范围变化较小，为0.01～0.23mg·L-1。所有降雨事件中，在降雨结束时均是进水集水区TP浓度高于出水集水区TP浓度。第1次、第2次、第3次和第4次降雨事件中，降雨历时结束时的出水集水区浓度分别为0.01mg·L-1、0.01mg·L-1、0.06mg·L-1和0.06mg·L-1；相比各次降雨事件出水集水区TP浓度分别降低了83.9%、66.7%、66.7%和60.0%，平均去除率为69.3%。降雨期间，雨水径流从进水集水区经过草类植物降解区到达出水集水区时，TP浓度显著降低，说明林下生态系统对磷污染物同样具有较好的去除效果，可以起到快速拦截的作用。

图3 林下生态系统降雨径流水体中TP浓度变化

3 讨论

在坡度较大的山地猕猴桃种植区内，所有降雨事件中进水集水区TN浓度在绝大多数降雨时间内均显著超过了地表水水环境质量Ⅴ类标准限值2mg·L-1，而进水集水区TP浓度在所有降雨时间内均未超过地表水水环境质量Ⅴ类标准限值0.4mg·L-1；由此可见，都江堰地区露地山地猕猴桃种植区的主要面源污染威胁是氮污染。当林地或草地被转化为猕猴桃种植地后，由于常年过度人工施肥和过度利用(猕猴桃地内同步养殖和种菜)等，极易出现面源污染。加之山地猕猴桃种植区坡度较大的特点，极降雨时易形成雨水径流将氮磷污染物携带到下游水体，导致一系列的水生态问题；因此，必须采取经济可行的措施来控制山地猕猴桃的面源污染。

已有研究证实，在水体周围建设人工草坪或人工林等，可以有效截留面源污染物[9]。受此启发，在山地猕猴桃相邻下游地区建立生态保护区或功能区，似乎是减少山地猕猴桃种植区地表径流面源污染的可行手段；因此，因地制宜地在山地猕猴桃试验地相邻下游区域建立了林下生态系统。林下生态系统类似于植物篱等生态拦截技术，依赖于系统内原位生长的植物的拦截和吸收功能，将雨水径流中的氮磷污染物截留在林下生态系统内，减少氮磷污染物随水流向下游的河流中，从而达到净化水质和保护生态的目的[10]。

林下生态系统内的凹叶景天、鸭儿芹、毛蕨等植物在生长过程中具有对氮磷的吸收和固定能力。本研究监测发现，相比于进水集水区，流经林下生态系统降解区域后，出水集水区TN浓度显著降低，实现了17.0%～34.9%去除效果；这与其他学者使用生态沟渠降低农田面源污染的结果相似[11]。说明林下生态系统与生态沟渠等技术的拦截机理相似。但相比于生态沟渠等生态拦截技术，林下生态系统具有非常好的经济性；只需要在山地猕猴桃地田周围构建好田坎和地表径流流水路径，即可以利用下游自然生长的林下生态植物完成氮污染物的较好去除。

在监测期间，本研究第3次降雨事件中，降雨历时结束时的出水集水区TN浓度反而略高于进水集水区TN浓度，这与大部分降雨事件中平均27.5%的TN去除率明显不同。这可能与降雨强度有关，也可能与蔬菜种植额外的施肥等因素有关，具体原因需要进一步探究。

4 结论

都江堰地区露地山地猕猴桃种植区的主要面源污染威胁是氮污染，林下生态系统对这种类型的面源污染具有较好的拦截效果，在大多数降雨事件中，氮磷污染物经过林下生态系统处理后，氮磷浓度均显著降低。由此可见，林下生态系统是一个简单、经济、有效的山地猕猴桃种植区面源污染防控措施，值得进一步研究和推广应用。

需要注意的是，本研究林下生态系统虽然实现了氮磷的快速拦截，但该系统的出水TN浓度并没有达到地表水水环境质量Ⅴ类水标准，后续应重点关注相应串联处理技术等方面的研究。