河岸缓冲区对化肥的拦截作用

　　摘 要：测定了4个河岸缓冲区立地类型（30 °草坡、18 °草坡、乔灌草植被带、灌草植被带）对研究区常用化肥尿素、硫酸钾、复合肥中NO2-、NO3-、NH4+、PO43- 4种离子的拦截率。结果表明：18°草坡对不同化肥溶液中各离子的拦截作用均强于30°草坡；乔灌草搭配对各化肥溶液中NO3-、NO2-、PO43-、NH4+离子的拦截率在1 ，2 ，3 m处均大于灌草搭配。建议河岸缓冲区设计时，结合其它实际条件，坡度设计越缓越能起到进化水质的作用；在河岸植被构建时，优先考虑乔灌草植被带搭配。 　　关键词：河岸缓冲区；拦截率；水质；化肥 　　中图分类号：TQ440 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006－6500.2012.02.043 　　 　　Riparian Buffer Zone on the Interception Effect of Fertilizer 　　WANG Yi-qin 　　(Shanxi Forestry Technical School,Taiyuan,Shanxi 030009,China) 　　Ａｂｓｔｒａｃｔ: In this paper, through the determination of the four site types of riparian buffer zones, 30 degrees, 18 degrees and grass slope, trees, shrubs, herbs vegetation belt, shrub-grass vegetation in the study area with common urea, potassium sulfate compound fertilizer, NO2-、NO3-、NH4+、PO43- four ion interception rate. The results showed that 18 degree grass slope on different fertilizer solutions of various ions in the interceptor role were strong in the 30 degreegrass slope; trees, shrubs, herbs match on the fertilizer solution NO2-、NO3-、NH4+、PO43- ion interception rate in 1, 2, 3 m were greater than shrubs, herbs match, trees, shrubs, herbs match on 4 kinds of ion blocking effect was stronger in shrub and grass mix.Recommendations for riparian buffer design, in combination with other conditions, the slope design of slower and more can play a role in the evolution of water quality; riparian vegetation construction, give priority to with trees,shrubs,herbs vegetation zones. 　　Key words: riparian buffers；interception rate；water quality ;fertilizer 　　 　　我国年化肥施用量折纯达4 300多万t，占世界总用量的1/3，成为世界化肥生产和消费第一大国[1]。化肥的过量、不均衡使用不仅降低了农产品质量[2]，还给环境带来严重污染[3]，比如水源污染造成水质下降，使用化肥过量或不当造成水体富营养化和赤潮等[4]。许多研究和实践表明，河岸缓冲区在防治农业非点源污染、保护和改善河流生境方面有着极其重要的作用[5]。农业流域河岸缓冲区的功能之一就是净化、过滤地表和地下径流中各种农业污染物，其中NO3-和NH4+对人类和水生生物有毒性，是缓冲区要去除的主要目标污染物。在农牧地区，河岸植被通过对N,P等元素的过滤、吸收、硝化、反硝化等，降低这些物质在河水中的含量，改变其状态，进而提高河水水质质量[6]。Low Rance等[7]发现，经过河岸带植被的过滤和被林地滞留的N量是输出到河流中的6倍，河岸带植被的过滤功能可以显著减少P的含量。 　　沁河是黄河中游三门峡以下左岸的一条大支流，也是山西省的第二大河流。沁河山西段污染物种类比较单一，沁河干流的污染物一般为油类、氨氮和总磷。沁河干流的污染受降水径流和生活污水的影响较大。本研究通过测定4个立地类型，30 °草坡、18 °草坡、乔灌草植被带、灌草植被带对研究区农民使用的尿素、硫酸钾、复合肥3种主要化肥中NO2-、NO3-、NH4+、PO43- 4种离子的拦截率，确定最佳拦截离子立地类型，为今后建设沁河河岸植被缓冲区建设提供理论基础依据。 　　1 试验地概况 　　研究地区设在将台林场，将台林场位于山西省沁源县郭道镇境内（111 °45 ′~112 °33 ' E， 　　36 °18 ′~36°37' N）。研究区域属于太行山系的一部分，海拔在598.0 ~ 256 6.6 m之间，地形西部陡峭，东部平缓，基岩以花岗岩和石灰岩为主，暖温带半干早大陆性季风气候，年平均气温8.6 ℃，雨量集中在7─9月份，占全年降雨量的60%以上，相对湿度60% ~ 65%，年均日照2 500 ~ 2 700 h，年平均无霜期179 d，年平均降水量662 mm。沁河源头起源于林场的西北部，流经林场全境，流至郭道镇与其它源头汇合，流经区域内天然次生林和农田镶嵌分布。 　　试验地自然植被较好，植被呈垂直分布，侵蚀规模较小，林区以天然次生林为主。河岸带植被主要为：丹参（Salvia miltiorrhiza Bge.）、碱草（Elymus dahuricus Turcz.）、防风（Saposhnikovia divaricata（Turca．）Schis-chk．）、小叶山毛柳（Salix pseudopermollis C.Y.Yu et CH.Y.Y ang）、野胡萝卜（Daucus carota Linn.）、绣线菊（Spiraea salicifolia L.）、蒲公英（Herba taraxaci.）、老鹳草（Geranium wilfordii Maxim.）、小唐松草（Thalictrum aquilegifolium L. var. sibiricum Regel.）、熟禾（Poa annua L.）、艾蒿（Artemisia argyi.）、萎陵菜（Potentilla anserina L.）、扁蓿豆（Melissitus ruthenica (L.)Peschkova）、车前草（Plantago asiatica L.）、野草莓（Fragaria ananassa spp.）、羊胡子草（Eriophorum L.）、野菊花（Chrysanthemum indicum L.）、兰花（Orchidaceae spp.）、大戟科（Euphorbiaceae spp.）、灰荀子（Cotoneaster horizontalis Turcz）、益母草（Leonurus heterophyllus Sweet.）、铁杆蒿（Artemisia sacrorum Ledeb.）和胡枝子（Lespedeza bicolor Turcz.）等。海拔1 200 m以下为灌丛及农垦带；海拔1 200~ 1 800 m为针阔林带，主要乔木树种有：油松(Pinus tabulaeformos Carr.)、辽东栎(Quercus liaotungesis Koidz.)、山杨(Populus davidiana Dode.)、白桦(Betula platyphylla Suk.)；灌丛主要有：胡柏子(Lespedeza bicolon Turcz.)、榛子（Corylus heterophylla Fisch. ex Trautv.）、猬实（Kolkwitzia amabilis）、沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）、连翘（Forsythia suspensa（Thunb.）Vah.）及荆条（Vitex chinensis Mill.）、酸枣（Ziziphus jujuba var.spinosa(Bunge)Hu.）等；草本植物以白茅草（Imperata cylindrica (Linn.) Beauv.）、铁杆蒿（Artemisia gmelinii Veb.ex Stechm）、蓟草(Cirsium setosum (Willd.)MB.)、针茅(Stipa capillata Linn.)等群落为多。海拔1 900 ~ 2 200 m为针叶林带，主要树种为华北落叶松(Larix principis-rupprechii Mayr.)；海拔2 200 m为山地灌丛草甸，主要植物是苔草(Cares spp.)；主要灌丛有沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)、黄刺梅(Rosa xanthina Lindl.)、绣线菊(Spiraea salicifolia L.)、胡枝子。

　　2 研究方法 　　2.1 试验设计 　　2.2.1 试验立地的选择 在研究地范围内根据地貌、植被情况确定为草坡和林带；4个试验立地分别为30 °草坡、18 °草坡、乔灌草植被带、灌草植被带。 　　2.2.2 化肥及浓度的选择 选择当地典型化肥代表：尿素、硫酸钾、复合肥；各化肥的浓度均为0.25 g・L-1，体积为20 L。 　　2.2.3 测试指标 NO2-、NO3-、NH4+、PO43-。 　　2.2 试验方法 　　将化肥溶液缓慢倒在试验点植被上，在0，1，2，3 m处采集样品，测出溶液中NO2-、NO3-、NH4+、PO43-的浓度值，计算拦截率P（%）： 　　P=（P0-Pi）/P0×100% 　　式中：P（%）为离子拦截率；Pi（mg・L-1）为离子测量浓度；Po（mg・L-1）为0 m处离子浓度；i为取样距离，i=1，2，3（m）。 　　2.3 数据处理 　　利用Excel对数据处理、分析并辅助作图。 　　3 结果与分析 　　3.1 不同坡度草坡对各离子的拦截作用 　　3.3.1 不同坡度草坡对尿素各离子的拦截作用 不同坡度草坡对尿素溶液中各离子的拦截率如图1所示，18 °草坡对尿素溶液中NO2-、NO3-、NH4+、PO43-离子的拦截率除NO2-、PO43-在1 m处拦截率相同外，均大于30 °草坡。坡度越小，离子溶液的入渗时间长，进而草坡对离子的拦截率就大。 　　3.1.2 不同坡度草坡对硫酸钾各离子的拦截作用 不同坡度草坡对硫酸钾溶液中各离子的拦截率如图2所示，18 °草坡对硫酸钾溶液中NO2-、NO3-、NH4+、PO43-离子的拦截率均大于30 °草坡。 　　3.1.3 不同坡度草坡对复合肥各离子的拦截作用 不同坡度草坡对复合肥溶液中各离子的拦截率如图3所示， 4种离子在1 m处坡度相同拦截率不同；到2 m处时NO2-、NO3-、NH4+坡度相同拦截率相同；在3 m处时，18 °草坡拦截率大于30 °草坡拦截率。PO43-在2，3 m处时18 °草坡拦截率大于30 °草坡拦截率。可见，在相同草种的草坡上，坡度越小，离子溶液的入渗时间越长，草坡对离子的拦截率也就大。因此，在河岸建设中，其坡度宜建设成18 °缓坡。 　　3.2 同一坡度对不同化肥离子拦截作用 　　3.2.1 30 °草坡对不同化肥各离子的拦截作用 由图4可知，30 °草坡对NO2-的拦截作用表现为：复合肥>尿素>硫酸钾，复合肥溶液中NO2-在1～2 m处时已经完全被拦截，导致了试验中2，3 m时拦截率相同；对NO3-的拦截作用表现为：硫酸钾>复合肥>尿素；对NH4+的拦截作用表现为：尿素> 硫酸钾>复合肥，所有处理对尿素中NH4+的拦截率最强；对PO43-的拦截作用表现为：尿素>复合肥>硫酸钾。4种离子在不同化肥中的浓度不同，离子浓度大相对的拦截率就要小些。 　　3.2.2 18 °草坡对不同化肥溶液中各离子的拦截作用 从图5可以看出，18 °草坡对NO2-的拦截作用表现为：复合肥=尿素>硫酸钾，在复合肥和尿素中NO2-的含量不同，但是在1，2，3 m处的拦截率相同。造成这种结果的原因可能性是溶液完全渗入到了草坡，草坡对离子的拦截已到达饱和；对NO3-的拦截作用表现为：硫酸钾>尿素>复合肥，复合肥中的NO3-在1～2 m时已被完全拦截；对NH4+的拦截作用表现为：尿素> 硫酸钾>复合肥；对PO43-的拦截作用表现为：尿素>复合肥>硫酸钾，尿素中的PO43-在0～1 m时没有被拦截，但在3 m处的拦截率达80%，这种现象说明0 m处和1 m处土样中的PO43-浓度相同。 　　3.3 不同植被搭配对不同化肥各离子的拦截作用 　　3.3.1 不同植被搭配对尿素各离子的拦截作用 从图6看出，乔灌草搭配对尿素化肥溶液中NO3-、NO2-、PO43-、NH4+的拦截率在1，2，3 m处均大于灌草搭配，NO3- 、NH4+的拦截率是100%，明显强于灌草搭配及两个坡度的草坡拦截能力。乔灌草搭配改善了土壤结构，增强了化肥溶液的渗透能力，增强了其拦截作用。 　　3.3.2 不同植被搭配对硫酸钾各离子的拦截作用 从图7看出，在小于1 m时乔灌草搭配对NO2-、NH4+的拦截率小于灌草搭配，但在2 m和3 m处时，乔灌草搭配强于灌草搭配，总体而言，乔灌草搭配对硫酸钾各离子的拦截作用强于灌草搭配。 　　3.3.3 不同植被搭配对复合肥各离子的拦截作用 从图8可以看出，乔灌草搭配对复合肥溶液中NO3-、NO2-、PO43-、NH4+的拦截率在1，2，3 m处均大于灌草搭配，乔灌草搭配对4种离子的拦截作用强于灌草搭配。3种化肥的离子拦截效果乔灌草搭配均强于灌草搭配，在建设河岸植被构建时宜优先考虑。 　　3. 4 相同植被搭配对不同化肥各离子的拦截作用 　　3.4.1 乔灌草搭配对不同化肥各离子的拦截作用 乔灌草搭配对3种化肥各离子的拦截作用见图9，乔灌草搭配对NO2-的拦截率：硫酸钾>尿素>复合肥，经过3 m的拦截距离，对硫酸钾中的NO2-拦截率为90%；对NO3-拦截率：尿素=硫酸钾>复合肥，经过3 m的拦截距离，最大拦截率为100%，对尿素和硫酸钾中的NO3-完全拦截；对NH4+的拦截能力：尿素>硫酸钾>复合肥，在3 m处时，尿素中的NO3-完全拦截；对PO43-的拦截率：尿素>硫酸钾>复合肥。乔灌草对化肥离子的拦截率在80%～100%，没有完全全部拦截，因此，拦截距离还是应大于3 m。 　　3.4.2 灌草搭配对不同化肥各离子的拦截作用 灌草搭配对3种化肥各离子的拦截作用见图10，灌草搭配对复合肥中的拦截率>尿素>硫酸钾，经过3 m的拦截距离，拦截了80%NO2-；对尿素中NO3-的拦截率>硫酸钾>复合肥，到3 m处时，拦截率达到90%；对尿素中NH4+的拦截率>硫酸钾>复合肥，最大拦截率为97%；对尿素中PO43-的拦截率在3 m处的拦截距离中尿素>复合肥>硫酸钾，拦截率为92%。灌草搭配对所有化肥离子的拦截率在60%～97%之间。 　　4 结论与讨论 　　在河岸缓冲区设计当中，主要考虑其过滤化肥离子时涉及到西河岸坡度与植被两个部分。本次试验中，18 °草坡对不同化肥溶液中各离子的拦截作用均强于30 °草坡。在植被相同的条件下，坡度越小，离子溶液的渗入时间越长，进而草坡对离子的拦截率就大。建议河岸缓冲区设计时，结合其它实际条件，坡度设计越缓越能起到进化水质的作用；乔灌草搭配对各化肥溶液中NO3-、NO2-、PO43-、NH4+离子的拦截率在1，2，3 m处均大于灌草搭配，乔灌草搭配对4种离子的拦截作用强于灌草搭配。在建设河岸植被构建时宜优先考虑。 　　从本次试验结果看，4种立地类型上，0～3 m处没有一种立地类型完全拦截所有的化肥离子，虽然乔灌草搭配对各化肥离子的拦截率在80%～100%，拦截效果最好，但拦截距离还是应大于3 m。如果考虑上坡度，大量的含有化肥离子的溶液增加等问题时，拦截距离又有了新的变化，建设可变宽度河岸缓冲区就有了重大意义[8]，农业流域河岸缓冲区是过滤净化地表及地下径流中沉积物、氮、磷和农药等农业非点源污染的一种有效系统。建议在进一步开发可变宽度缓冲区模型的基础上在所有农业流域河流全程按重要性等级建立河岸缓冲区网络，尽可能设置多区缓冲区系统，并实现优化管理[8]。 　　 　　参考文献： 　　[1] 杨青林，桑利民，孙吉茹，等.我国肥料利用现状及提高化肥利用率的方法[J].山西农业科学，2011,39（7）：690-692. 　　[2] 王芬棠. 内蒙古地区化肥污染与缓解途径[J]. 内蒙古农业科技，2002（1）：20-21. 　　[3] 黄振刚，黄复民，孙昱. 农药、化肥残留污染问题分析及综合治理对策[J]. 内蒙古农业科技，2010（2）：135. 　　[4] 李兴.化肥污染知多少[J].百科知识，2007(1):27-28. 　　[5] 吉国强，韩伟宏，赵国斌.不同缓冲带植物在滨岸缓冲带中的作用[J].山西农业科学，2011,39（8）：850-852. 　　[6] 潘响亮,邓伟.农业流域河岸缓冲区研究综述[J]. 农业环境科学学报，2003,22(2):244-247. 　　[7] 郭会哲,樊巍,宋绪忠.河岸带植被结构功及修复技术研究进展[J].河南林业科技,2005(4):1-3. 　　[8] 潘响亮,邓伟.农业流域河岸缓冲区研究综述[J].农业环境科学学报,2003,22(2):244-247.