第12卷 第5期2014年10月中国水土保持科学Science of Soil and Water ConservationVol.12 No.5Oct.2014河岸缓冲带净污机制及其效果影响因子研究进展周思思,王冬梅†(北京林业大学水土保持学院,100083,北京)摘要:随着经济社会的飞速发展,农业面源污染已成为导致河流㊁湖泊㊁水库等水体水质恶化㊁营养化的重要原因㊂居于水陆交界处的河岸缓冲带对净化河流水质具有重要作用,被认为是控制面源污染的 最佳管理措施”(BMPs)之一㊂在系统地总结国内外河岸缓冲带净污机制及其净污效果影响因子所取得的主要研究成果的基础上,针对目前研究中存在的不足,提出净污机制研究不局限于氮㊁磷等营养元素以及地表径流去污的机制研究,除考虑自然因素外,还应综合考虑人为因素对河岸带净污效果的影响㊂关键词:河岸缓冲带;面源污染;净污机制;影响因子中图分类号:X 522;X 173文献标志码:A文章编号:1672⁃3007(2014)05⁃0114⁃07收稿日期:20131022 修回日期:20140701项目名称:国家科技支撑计划课题 漓江流域水陆交错带生态修复关键技术与示范”(2012BAC16B03)第一作者简介:周思思(1990 ),女,硕士研究生㊂主要研究方向:工程绿化技术㊂E⁃mail:443291870@†通信作者简介:王冬梅(1963 ),女,博士,教授,博士生导师㊂主要研究方向:水土保持㊁工程绿化㊂E⁃mail:dmwang@126.comThe review on purification mechanism and its influencingfactors of riparian buffersZhou Sisi,Wang Dongmei(College of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China)Abstract :With the rapid development of social economy,the agricultural non⁃point source pollution has become one of the main contributors to the deterioration of water quality and eutrophication of water bodies.The riparian buffers play an important role in purifying water quality,which are considered as one of best management practices (BMPs).The main results of research on the purification mechanism ofthe riparian buffers,as well as on the influencing factors for the effectiveness of purification,are systematically summarized in this paper.Based on the defects of previous studies,some suggestions are proposed,including broadening the range of research on purification mechanism of the riparian buffers,not limited to the nutrients and surface runoff.Besides,not merely natural factors,but also human factorsshould be taken into account when it turns to the influencing factors for the effectiveness of purification.Keywords :riparian buffers;non⁃point source pollution;purification mechanism;influencing factors 人类活动引起的水体污染是全球最重要的环境问题之一,不仅直接影响水资源的利用,还极大地威胁着人类的饮水安全㊁环境安全和生命安全㊂当前,点源污染由于其排放集中的特点已能够得到有效的治理和控制,而面源污染成为了水体污染治理的难题㊂农业面源污染是面源污染的最大来源,也是导致水体水质恶化的重要原因㊂据报道,每年有超过1500万t 的氮从农田中流失并污染地下水,导致河流㊁湖泊㊁池塘等水域生态系统的富营养化[1]㊂这些污染物主要来源于农药㊁化肥㊁畜禽及水产养殖和当地农村居民生活㊂农业面源污染由于其污染物的广域性㊁分散性㊁相对微量性和污染物运移途径的无 第5期周思思等:河岸缓冲带净污机制及其效果影响因子研究进展序性,而具有机制模糊㊁潜伏周期长㊁危害大等特点,所以,如何治理农业面源污染成为了目前国内外环境治理研究的重难点问题[23]㊂河岸缓冲带,亦称为河岸带或植被过滤带,是指位于污染源和水体之间的植被区域,是水生生态系统和陆地生态系统的过渡带,可有效地拦截㊁滞留泥沙和削减氮㊁磷等污染物进入受纳水体的负荷量,降低非点源污染的影响[4]㊂自20世纪80年代初起,国外学者便开始了河岸带对河溪养分输入控制方面的研究[5]㊂已有的研究表明,不论是天然的还是人工的河岸缓冲带都能显著降低地下水和地表水中的污染物进入水生生态系统[6];因此,河岸缓冲带被认为是控制非点源污染的 最佳管理措施”(Best Management Practices,BMPs)之一[7],在美欧国家得到了广泛的应用,效果良好[8]㊂笔者通过将国内外关于河岸缓冲带净污机制及其净污效果研究所取得的主要成果进行系统的梳理和总结,认为净污机制研究不应局限于氮㊁磷等单一营养元素以及地表径流去污的机制研究,河岸带净污效果的影响因子除了应考虑自然因素外,还应综合考虑人为因素的影响,旨在为今后在该领域开展深入研究提供参考㊂1 河岸缓冲带净污机制1.1 河岸缓冲带净污功能河岸缓冲带面源污染(主要指氮㊁磷)防治是通过一定宽度的水土壤植物系统的过滤㊁渗透㊁吸收㊁滞留㊁沉积等物理㊁化学和生物功能效应,控制㊁减少面源污染物排入水体的总量,减弱其毒性,从而达到降解环境污染㊁净化水质㊁保护河湖水体的目的㊂物理功能效应主要体现在植被的过滤拦截和促渗作用方面,是指在污染物流经河岸缓冲带时,缓冲带的植被以自身的阻挡作用降低了水流速度,致使大多数固体颗粒发生沉积,起到过滤拦截的作用,以及由于植被的存在,有效增加了土壤有机质,而土壤中有机质的含量又是影响营养盐㊁除草剂运移的主要因素[9],同时植被还可通过改善土壤的渗透性增加径流的入渗[10]㊂此外,河岸缓冲带内一定厚度的枯落层和疏松的土壤结构也有助于可溶解性氮㊁磷渗透到更深层的土壤层中,降低了地表径流对可溶性氮㊁磷的转运能力,为植物吸收㊁土壤吸附㊁反硝化作用创造了条件㊂化学功能效应主要体现在植物的吸收转化作用以及土壤的吸附作用方面㊂植物的吸收转化作用是指径流中含有的植物生长或生命过程所需的营养元素流经缓冲带时,植物根系对其进行吸收并转化贮存在植物体内;而土壤吸附作用是指径流流经的被浸湿的土壤颗粒表面通常带负电荷,径流中含有大量的离子,如钾离子(K+)㊁钠离子(Na+)㊁铵根离子(NH-4)㊁硝根离子(NO-3)等㊂由于这种带电性,土壤能够吸附大量离子,所以,当径流流经河岸缓冲带时能起到净化水质的作用,吸附其中大量的氮㊁磷等营养元素,避免其流入水体㊂生物功能效应则主要体现在微生物的硝化作用和反硝化作用方面㊂反硝化作用在河岸缓冲带净化污染物的贡献更为突出㊂硝化作用是指硝化细菌将氨氧化为硝酸的过程,通常发生在通气良好的土壤㊁厩肥㊁堆肥和活性污泥中;而反硝化作用,也称脱氮作用,是指反硝化细菌在缺氧条件下,还原硝酸盐,释放出分子态氮(N2)或一氧化二氮(N2O)的过程,可降低径流中氮素的含量从而达到河岸缓冲带去污的目的㊂1.2 主要元素的去除机制及其效果氮㊁磷是农业面源污染中最主要的2种元素,过去的研究多集中在对于氮和磷的去除机制[8,1124]方面,其他元素或化合物㊁有机污染物等的去除机制研究鲜有报道㊂1)氮的去除机制及其效果㊂河岸带地表径流中的氮素,主要通过沉积和渗透等物理过程实现截留[11],W.L.Magette等[12]在美国马里兰州海岸带地区的研究发现,15英尺宽牛毛草(Festuca longifolia thuill)河岸带可截获地表径流中66%的颗粒物,而渗透到壤中流和地下水中的氮素则是通过植物吸收㊁微生物固定㊁反硝化作用及土壤吸附等过程实现截留转化的[13]㊂其中,植物吸收和反硝化作用是河岸带截留转化氮素最主要的2个机制[1415]㊂农业污水中的氮通常以有机氮㊁氨和铵离子的形式存在[16]㊂在河岸缓冲带中,当携带着溶解性氮的径流经过植物根区时,植物根系吸收硝态氮,经过转化以有机氮的形式贮存在植物体内[17]㊂有研究表明,落叶林河岸带吸收的氮素有80%以落叶形式返还到土壤中[18]㊂枯落物中的有机氮在微生物的作用下转化为氨态氮,即氨化作用,其产生的铵可被植物和微生物吸收利用㊂未被吸收利用的铵可被土壤胶体吸收保存,由于土壤颗粒带有负电荷,铵离子很容易被吸附㊂土壤微生物通过硝化作用将氨态氮转化为硝态氮,土壤又可恢复对铵离子的吸附功能㊂硝态氮(NO3--N)除了可以被植物根系吸收成为511中国水土保持科学2014年植物营养成分外,还可被微生物(反硝化细菌)利用发生反硝化作用,将硝态氮最终转化为气态氮,从系统中永久清除,因此被认为是去除NO-3⁃N的最佳途径[8]㊂2)磷的去除机制及其效果㊂农业面源污染中磷元素的主要污染源是磷肥施用和动物的排泄物㊂大多数的磷吸附在沉积物或有机质中随地表径流移动,因此,拦截㊁过滤作用成为了河岸缓冲带去除磷(尤其是颗粒态磷)的重要机制㊂据美国农业林业部(USDA)1991年调查,缓冲带植被的过滤功能可以显著减少径流中磷的含量,因为85%的磷是随着包含在沉积物中的细小土壤颗粒迁移的[19]㊂相对于颗粒态磷,河岸缓冲带净化径流中的可溶性磷主要是依靠土壤吸附和植物吸收溶解态的无机磷实现的㊂然而,存在着局限性:缓冲带只能通过植被吸收和土壤吸附作用把磷储存在缓冲区,而并不能像去除氮一样将其转化为气态释放到大气中;因此一段时间后,缓冲带去除磷的效率会下降,时间长了可能会被磷饱和,随后缓冲带逐渐将磷释放到河流中去[20];因此,要想避免磷进入水体,需要对植物进行定期的收割[21]㊂在大多数研究中均采用总磷和可溶性磷2个指标来衡量河岸缓冲带去除磷的效果㊂一般来说,总磷的净化效果随缓冲带的宽度增加而增加[22],而可溶性磷的去除率比总磷的去除率低,如R.B.Daniels 等[23]发现,河岸缓冲带一定的宽度内,总磷的去除率为50%,而可溶性磷的去除率仅为20%㊂但21m 宽的河岸缓冲带去除可溶性磷和总磷的效果并没多大差别,分别为67%和69%[20]㊂不仅如此,还有研究发现,虽然河岸缓冲带能够显著降低地表径流中总磷和颗粒态磷的含量,却增加了可溶性磷的含量[24]㊂就河岸缓冲带对于可溶性磷的净化效果来说,目前的研究结论不相一致㊂2 河岸缓冲带净污效果的影响因子居于水陆交界处的河岸缓冲带对净化河流水质具有重要作用,同时对水体面污染有较强的控制作用[25],是截留陆域面源污染物㊁改善河道水质的有效手段[20,2629],尤其对于氮㊁磷等营养物质的截留具有较高的效率[30]㊂径流从农业面源污染源流经河岸缓冲带,最终流入水体的整个过程,是由污染物㊁河岸缓冲带以及径流3大要素构成,污染物是导致泥沙流失和养分流失的原材料,河岸缓冲带是阻碍泥沙流失和养分流失的绿色屏障,而径流是导致泥沙流失和养分流失的原动力[31];因此,河岸缓冲带截污效果影响因素也应当从这3个方面进行考虑㊂当然,也少不了外界大环境因素的影响,如气候㊁地质地貌等;所以,河岸缓冲带实现农业面源污染防治效果是多个因子共同作用的结果㊂2.1 污染物种类农业面源污染主要来源于农药㊁化肥㊁畜禽及水产养殖和当地农村居民㊂J.D.Phillips[32]发现,当径流中的主要污染物是以水流带来的碎石㊁泥沙等为主的固相污染物时,坡度是最主要的影响因子,其次是土壤水力传导系数,而当径流中的主要污染物种类是以溶解态污染物为主时,缓冲带的宽度则成为了最主要的影响因子,土壤蓄水能力也起着重要作用㊂可见,污染物的种类㊁形态的不同将导致影响缓冲带净污效果的主导因子也不同㊂2.2 土壤影响河岸缓冲带截留转化污染物效率的土壤特性主要包括土壤质地㊁土壤结构㊁土壤水分状况和有机碳含量等㊂土壤质地决定着土壤的渗透性,从而影响截留能力㊂有研究结果表明,沙壤土质地的缓冲带比淤泥质黏土的缓冲带能截留更多的磷,同时沙壤土的截留能力更强[33],这是因为沙壤土的渗透能力最好㊂土壤结构影响土壤的吸附性,土壤中黏粒含量越多,黏粒比表面积越大,土壤的吸附性就越强,达到截留的效果越好㊂水力传导系数㊁土壤蓄水能力㊁饱和导水率等指标所反映的土壤水分状况,直接影响着土壤的渗透性和吸附性,因此,也常被学者作为重要的影响河岸缓冲带截留效果的因素来考虑[32,34]㊂而且,充足的土壤水分状况还可以为微生物进行硝化作用提供厌氧场所[35]㊂反硝化作用是河岸缓冲带截留氮素的主要机制之一,其依赖于3个条件:厌氧环境㊁NO-3-N水平及有效有机碳的含量㊂土壤中有机碳的含量直接影响反硝化的进行[13],R.Lowrance[15]发现,在土壤表层至50cm范围内,在氮㊁碳元素贫瘠的河岸带土壤中,反硝化效率为114kg/(hm2㊃a),氮㊁碳元素富集时,则达2 951.4kg/(hm2㊃a)㊂2.3 缓冲带坡度坡度的变化对缓冲带去除农业面源污染物效果的影响显著,坡度越小,地表径流流速越小,下渗量越大,其对泥沙㊁氮磷等污染物的总去除率和单位面积去除负荷也越高㊂黄沈发等[36]㊁王敏等[37]的研究结果表明:19m长的2%坡度缓冲带泥沙截留率达84%,而5%坡度的泥沙截流率仅为70%;4个不611 第5期周思思等:河岸缓冲带净污机制及其效果影响因子研究进展同坡度试验带渗流水中总氮(TN)㊁总磷(TP)浓度都是2%坡度试验带最低,5%坡度试验带最高,不同坡度对渗流水TN的降解能力差异较大㊂吴建强[38]研究发现,2%坡度的河岸缓冲带对TN㊁铵态氮(NH3-N)㊁TP的总去除率均比5%坡度缓冲带高15%以上,而TN㊁NH3⁃N㊁TP3种污染物的单位面积平均去除负荷也比5%坡度缓冲带高出了68.42%㊂N.Syversen[39]认为,坡度越大,所需要的缓冲带也越宽㊂王敏等[10]通过模拟计算也得到了相同的结论,2%坡度需要的缓冲带最佳宽度为16.1m,5%坡度则为24.7m,二者相差达8.6m㊂2.4 缓冲带宽度在其他条件相同或类似的前提下,一般认为,河岸带植被越宽,去污效果越明显㊂K.H.Lee等[40]在美国爱荷华中部进行了实验,结果表明,6和3m的植被过滤带对沉积物和营养元素的去除效果有着明显的差异,6m宽的过滤带对地表径流中沉积物㊁总氮㊁硝态氮㊁总磷和溶解磷的去除率分别为77%㊁46%㊁42%㊁52%和43%,而3m宽的过滤带对5项指标的去除率分别只有66%㊁28%㊁25%㊁37%和34%㊂但河岸缓冲带的去污效果与其宽度不呈线性关系,W.Joshua等[34]发现,缓冲带对多数沉积物的截留发生在前2.5~5m之间,而当增加到10m时,其截留效果只出现了微小的升高㊂ A.Z.Majed 等[41]则认为,2和5m的缓冲带对磷的去除效果影响较小,而对泥沙的运移影响较大,但随着缓冲带宽度的增加,超过15m的缓冲带对泥沙的削减作用没有明显增加,而对磷的削减作用却大大增加㊂还有学者认为,随着河岸缓冲带宽度的增加,单位宽度的河岸带截留效率不断降低[42],而且需要占用更多土地㊁投入更多人力物力;因此,如何确定一个缓冲带的最佳宽度成了研究的热点,既要保持河岸带一定截留污染物的能力,又要尽量对社会经济系统产生较少的干扰㊂王敏等[37]依据现场试验数据,探索性提出以坡度和植被类型为控制变量,根据污染物浓度降解和截留率沿程变化来确定缓冲带最佳宽度的方法,并用此方法确定了不同坡度百慕大(Cynodon dactylon)缓冲带的最佳宽度㊂此研究对河道生态环境的保护以及土地资源的节约都具有重要意义;但试验研究结果都是在选定的上海地区典型降雨期㊁降雨量和农业面源污染工况条件下得出的,且仅以百慕大为例,具有较强的地域性和局限性㊂实际条件下降雨量变化㊁季节变化引起的草皮生长变化,以及植被种类配置等因素都会影响缓冲带最佳宽度的确定;因此,还需要开展长期㊁深入的研究,更全面地考虑其他主要的影响因子,确定缓冲带的最佳宽度㊂2.5 缓冲带植被1)植被类型与配置㊂植被类型对河岸缓冲带截污能力的影响研究中常使用草本㊁灌木㊁乔木中的一种或几种相组合㊂草本植物因生长周期较短㊁容易管理且投资较少而应用最为普遍[4344]㊂以往的研究中,不少学者对草本植物和木本植物的缓冲效果进行了对比,但得到的结论并不一致㊂M.M.Hef⁃ting等[45]对氮元素在森林㊁草地2种不同类型的河岸缓冲带中的循环规律进行了研究,结果表明:森林类型的河岸带可以很好地吸收氮元素,草本植被对氮的吸收滞留量小,并对此现象进行了解释,原因在于森林河岸带具有较多的可利用态有机碳,使得反硝化作用更为强烈,同时森林植被根系分布范围更广,加大了植物的吸收范围㊂而另外一些学者认为,森林和草地河岸带的截污能力基本一致[23,39]㊂赵警卫等[46]选取草地和人工林地河岸带开展了试验,结果表明,人工林地和草地河岸带对氮元素的截留效应基本相同,但草地河岸带对固体颗粒物和地表径流TP的截留效果明显优于人工林地河岸带,是由于人工林地常为了使乔木尽快成材,草本植物经常遭到人为的清除所致㊂这也说明,河岸缓冲带植被的人工化是造成河岸带生态功能弱化的重要因素㊂而对于河岸带的植被配置,学者的观点也不尽相同㊂T.J.Schmitt等[42]认为,多年生草本植物对泥沙㊁总磷㊁溶解磷的截留效果较其他形式,如乔灌草结合的效果更好㊂M.Duchemin等[47]的研究结果表明,单独种草和草㊁乔木混种的缓冲带对径流㊁泥沙㊁总磷㊁氨氮和硝氮的截留效果相近㊂吴健等[48]对比了草㊁灌㊁乔的不同配置模式下的面源污染防治效果,结果显示,草皮和乔木组合栽种能显著提高缓冲带对径流水中固体悬浮物(SS)㊁氮㊁磷等污染物质的净化效果,而且能有效防止裸露地表因受径流冲刷而造成的水土流失㊂2)植被种类㊁生物量㊁树龄㊂不同的植被种类对河岸缓冲带截污效果的影响也不同㊂黄沈发等[49]对百慕大㊁白花三叶草(Trifolium repens)和高羊茅(Festuca aruudinacea)3种草皮缓冲带对农田径流污染物的净化效果进行了研究,结果表明,百慕大草皮缓冲带的SS平均去除率最高,其次为白花三叶草㊁高羊茅㊂K.H.Lee等[40]通过实验发现,柳枝稷(Panicum virgatum)比冷季型草的截留效果好㊂吴711中国水土保持科学2014年建强等[50]还发现,草本植被生物量的变化与缓冲带径流污染物质去除效果具有明显的正相关关系,生物量越大,净化效果越好㊂研究以SS监测结果为例,生物量与SS去除率呈显著线性相关,线性拟合结果为E=4.468W+39.948(n=14,R2=0.83,P<0.04)㊂式中:E为SS去除率,%;W为生物量鲜质量,kg/ m2;n为样本数㊂除此之外,Ü.Mander等[51]和N.J.Snyder等[52]经过调查研究发现,由树龄较小的树木组成的缓冲带去除氮污染物的能力更强,说明缓冲带的树龄也会对截污效果产生影响㊂2.6 其他因素河岸带截留转化机制存在着高度的时间异质性[53]㊂C.B.Schwer等[54]进行了2年的连续观测,发现一年当中,生长季节河岸带的截留量最大,而融雪时期的截留量最小;这是因为植物的吸收作用主要发生在夏季,而反硝化作用高峰发生在春季和夏季[55]㊂夏季,反硝化作用和植物吸收作用一同控制着氮素的截留转化[56],因而截留量最大;而在融雪㊁植物休眠季节(冬季和早春),反硝化作用是氮素截留转化的主要过程,但土壤低温限制了反硝化的进行,所以截留效果最差㊂笔者认为,这可能还与农耕活动有关㊂一般来说,在春季或夏季施肥,生长季施肥理应比植物休眠期施得多,导致污染源中含有的氮㊁磷等营养元素比休眠期多;因而植物生长季节的截留量比融雪季节的大是必然的㊂因此,还需要对季节的影响机制进行更进一步的探究㊂邓娜等[57]提出径流流量也会影响河岸缓冲带的净化效果,并通过野外小区试验进行了验证,结果表明,在1场暴雨径流过程中的不同时间段,即不同入流流量条件下,植被过滤带对悬浮固体㊁总氮㊁总磷㊁颗粒态氮和颗粒态磷的净化效果变化较大,随着入流流量的减小,河岸缓冲带的净化效果更为显著㊂3 展望目前国内外学者对河岸缓冲带对泥沙和氮磷等营养元素的迁移及截留转化的机制,以及河岸缓冲带截污效果影响因子等方面进行了大量的研究,取得了良好的成果,为河岸带的生态恢复重建提供了科学指导意义;然而,由于河岸带生态系统结构复杂,内外影响因素较多,要想实现河岸缓冲带生态系统的健康发展,需从以下几方面开展深入的理论与实践研究㊂1)目前国内外学者对河岸缓冲带净化机制的研究中,绝大多数均围绕泥沙沉积及氮㊁磷截留转化等机制进行研究,尚缺乏对其他化合㊁有机污染物的去除机制研究㊂随着我国化肥㊁农药的大量施用,造成的其他污染问题逐渐凸显,需要拓宽研究对象㊂即使就目前研究较多的磷元素来说,河岸缓冲带对于可溶性磷的净化效果的研究结论不相一致[20,2324],有待深入探讨㊂2)以往的研究大多只考虑了地表径流的截留机制,对于地下径流的研究仅停留在与地表径流的对比观测上,鲜有地下径流机制方面的研究㊂地表径流土壤地下水作为径流过程的一个子系统,综合考虑污染物在其中的运移和转化,可进一步明确污染物被河岸缓冲带截留后的去向,为地表㊁地下水污染综合防治提供依据㊂3)对于缓冲带最佳宽度范围确定的研究很多,但迄今为止仍没有一致的结论[46,47,5860]㊂在结合河岸缓冲带地情的基础上进行最佳宽度设计时,既要满足河岸带一定的截污能力,还要尽量避免对社会经济系统产生干扰㊂4)研究发现,季节也会对河岸带缓冲带的净污效果产生影响,生长季的净污效果要优于融雪期的净污效果,反硝化作用是导致这种结果的关键[5356]㊂笔者认为,可能还与农耕作业有关,一般生长季施肥量本身就比融雪期大,因此,就人类活动的干扰对净污效果的影响还可以做进一步的探究㊂4 参考文献[1] 顾晓君,刘刚,闫其涛,等.安全型农业初探[J].中国农学通报,2010,26(14):429432[2] 李秀芬,朱金兆,顾晓君,等.农业面源污染现状与防治进展[J].中国人口㊃资源与环境,2010,20(4):8184[3] 黄绍平,姚月华,吴常青,等.我国农业面源污染研究进展[J].现代农业科技,2011(11):264265 [4] 李怀恩,张亚平,蔡明,等.植被过滤带的定量计算方法[J].生态学杂志,2006,25(1):108112 [5] 陈吉泉.河岸植被特征及其在生态系统和景观中的作用[J].应用生态学报,1996,7(4):439448 [6] 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