文章信息
- 吴林川, 王冬梅, 任远, 张丹丹, 黄端
- Wu Linchuan, Wang Dongmei, Ren Yuan, Zhang Dandan, Huang Duan
- 漓江水陆交错带4种草本覆盖对地表径流氮素的消减作用
- Effects of Four Herbaceous Plants Coverage on Reducing Surface Runoff Nitrogen in Lijiang River Aquatic-Terrestrial Ecotone
- 林业科学, 2018, 54(5): 168-176.
- Scientia Silvae Sinicae, 2018, 54(5): 168-176.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20180518
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文章历史
- 收稿日期:2016-07-08
- 修回日期:2018-03-26
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作者相关文章
2. 陕西省土地工程建设集团有限责任公司 西安 710075
2. Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co., Ltd. Xi'an 710075
随着经济发展和人口剧增,人类对自然的依赖和破坏也越来越大,致使环境日益恶化。水体污染被列为威胁人类生存的十大环境问题之一,目前已受到各国的高度重视。水体污染可分为化学毒素污染、石油污染、致病性微生物污染、富营养化污染及有机好氧性污染等众多类型,其中由N、P等营养元素大量输入导致的水体富营养化污染表现最为普遍和严重(王庆成等,2007)。漓江是我国著名的旅游风景观光河流,但受沿岸农民耕作习惯以及旅游业过度开发影响,氮素等营养物质迁移至水体,水体富营养化污染严重(全为民等,2002;杨永德等,2005;黄伟军等,2007;Dosskey et al., 2010)。
水陆交错带作为连接陆地生态系统和河流生态系统的缓冲带,对氮素的迁移有着至关重要的作用(Weller et al., 2011)。关于水陆交错带(又称植被缓冲带)的研究多集中于不同宽度水陆交错带对非点源污染的影响。Dillaha(1989)针对美国弗吉尼亚州河岸带的研究发现,9.1 m宽的草地河岸带可削减地表径流中73%的总氮,但宽带减小到4.6 m时仅削减54%的总氮。Vought(1994)的研究有类似的发现:水陆交错带宽带由16 m减小到8 m时,地表径流中NO3--N削减作用由50%减少到20%。对于不同植被类型水陆交错带对氮素削减能力的研究,多数学者认为森林水陆交错带较好(Lowrance et al., 1984; Haycock et al., 1993; Hefting et al., 2005),其中Haycock等(1993)的研究显示森林水陆交错带对径流中NO3--N的削减率高达99%,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,并非所有水陆交错带都具备种植大型乔木的立地条件,草本植物的过滤、渗透、吸收、滞留和沉积等作用也可以减少污染物直接汇入水体(王庆成等,2007),因此对于不同草本覆盖类型对氮素削减作用的研究十分必要,但目前尚未发现此类研究。
本研究选择漓江水陆交错带常见草本植物,分析不同类型草本覆盖对径流和泥沙的拦截效果,探究不同草地覆盖对随径流流失的可溶性氮素和随泥沙流失的颗粒态氮素的削减作用,进而针对氮素迁移的主要形式,筛选出对氮素削减作用较好的草本植物,以期为恢复漓江水陆交错带的生态功能、改善漓江水质、保护淡水资源提供科学依据。
1 研究区概况漓江属于珠江水系,是国家重点保护的13条江河之一,全长214 km,其中桂林至阳朔83 km长的河段为漓江旅游的精华。漓江流域属亚热带季风气候,气候温和,雨量充沛,光照充足,年均气温17.8~19.1 ℃,年降水量1 814~1 941 mm,年蒸发量1 482.5 mm。漓江水陆交错带土壤类型为山地黄壤土,土层较薄,砾石含量较高。漓江沿岸常见乔木树种有枫杨(Pterocarya stenoptera)、香樟(Cinnamomum camphora)和阴香(Cinnamomum burmanni)等,灌木有水杨梅(Geum aleppicum)、一叶萩(Flueggea suffruticosa)和黄荆(Vitex negundo)等,草本有狗牙根(Cynodon dactylon)、假俭草(Eremochloa ophiuroides)、空心莲子草(Alternanthera philoxeroides)、狗尾草(Setaria viridis)、水蓼(Polygonum hydropiper)和葎草(Humulus scandens)等。
试验地选择在大圩镇潜经村附近漓江左岸(110°25′34.78″—110°25′45.32″E,25°06′59.20″—25°07′13.17″N),属典型的农田-水陆交错带-河道地段,坡度约5°。该地农田耕作习惯与漓江流域其他地区相同,氮的主要污染源基本一致;水陆交错带的植物种类为漓江常见植物种,土层厚度约为30 cm,土壤砾石含量为10%~15%;该地段河道较直,无明显冲刷和淤积。试验小区土壤基本性质见表 1。
在试验地建设5个径流小区,长5 m,宽2 m,坡度5 °,方向垂直于河流。每个小区周围砖砌后石灰砂浆抹面作为防渗隔层,地下埋深1 m,地上35 cm。小区顶部外侧修建排水沟,防止暴雨时上部径流流入;小区上部20 cm宽度的范围作为施肥区以模拟农田氮素污染,施肥时挖10 cm深20 cm宽的土沟,将1 kg复合肥料(凯米兰15- 15-15,其中硝态氮含量2%,铵态氮含量13%,湖北中农中加国际贸易有限公司)与土壤混合均匀后回填、压实至自然状态;小区下部修建1 m×1m×1 m的集水池,通过PVC集流槽收集小区内地表径流。集水池用石棉瓦封顶,防止雨水直接落入。径流小区示意图见图 1。小区周围放置3个自记雨量计,用于记录次降雨量。
基于前期调查结果,筛选出优势草本植物为狗牙根、狗尾草、假俭草和空心莲子草。试验共5个处理,试验组Ⅰ~Ⅳ号于2014年4月14日分别播撒狗牙根、狗尾草、假俭草和空心莲子草种子,对照组Ⅴ为空白对照小区,内无植物。撒播前先将小区表层土壤疏松,然后将草种均匀撒播,播种量为20 g·m-2;建植后第一场降雨时间为2014年5月3日,自此记录每次降雨量、降雨历时, 最后一场降雨时间为2014年7月3日。
水样采集:2014年5月3日至2014年7月3日,每次降雨结束后将集水池的水混合均匀,用塑料瓶采集500 mL,并于4 ℃冰箱贮存,24 h内分析。
土样采集:2014年7月3日最后一场降雨结束后于各小区内进行土样采集。每个小区分上、中、下3个采样点,每个采样点按0~10,10~20和20~30 cm 3个土层采样,相同土层土样混合后分为2份装入自封袋,一份50 g于-18 ℃冷冻保存,一周内测定硝态氮(NO3--N)含量和氨态氮(NH4+-N)含量(陕红等, 2013);另一份300 g风干、研磨、过筛后,一周内测定pH值、有机质含量和土壤全氮含量(TN)。
2.2 测定方法土壤密度采用烘干称质量法测定;pH值采用pH酸度计法;有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法;土样中TN含量采用半微量凯氏法;土壤NO3--N和NH4+-N含量采用氯化钾溶液浸提-Smartchem全自动化学分析仪测量。水样中的TN含量采用过硫酸钾消化-紫外分光光度计法;水样中NO3--N含量采用双波长比色法;水样中NH4+-N含量采用靛粉蓝比色法(鲍士旦,2000;陈安磊等,2000)。
2.3 数据处理不同形态氮素削减率计算公式如下:
$ R = ({R_{\rm{b}}} - {R_{\rm{t}}})/{R_\text{b}}。$ | (1) |
式中:R为削减率;Rb和Rt分别为空白组和试验组径流中各形态氮素含量。
径流中可溶性有机氮含量(DON)计算公式如下:
$ {\rm{DON = TN - }}({\rm{N}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}^{\rm{ - }}{\rm{ - N}}){\rm{ - }}({\rm{N}}{{\rm{H}}_{\rm{4}}}^ + {\rm{ - N}})。$ | (2) |
数据分析处理及图表制作采用Microsoft Office Excel 2013,相关分析和差异性分析采用IBM SPSS Statistics 20。
3 结果与分析 3.1 观测期内次降雨特征及植被消减径流作用当降雨量使土壤饱和或降雨强度大于下渗速率时,即产生地表径流。观测期2014年5至7月共有7次降雨产生地表径流,记录每次降雨量、降雨历时及径流量。本研究采用我国气象部门采用的降雨强度划分标准:12 h内雨量30.0~69.9 mm为暴雨,15.0~29.9 mm为大雨,5.0~14.9 mm为中雨,小于5 mm为小雨。测期内出现1次暴雨、3次大雨、3次中雨(表 2)。
由图 2可知,地表总径流量表现为狗尾草(42.50 mm) < 假俭草(46.15 mm) < 空心莲子草(50.09 mm) < 狗牙根(54.45 mm) < 裸地(65.27 mm),4种草地分别比裸地减少了35%,29%,23%和17%,说明草本植物对地表径流有一定的削减作用。其中狗牙根对地表径流的削减率最小,并且相比于其他3种草本植物有一定的滞后性,原因在于狗牙根萌发及生长缓慢,短时间内无法形成较高的覆盖度,但其试验期前后对地表径流的削减作用差异明显,由最初6%增加到39%。
由表 3可知,地表径流中氮素以NO3--N为主,其含量是NH4+-N的4.90~7.46倍,其次是可溶性有机氮。不同草本覆盖下,硝态氮所占比例表现为空心莲子草(72%) > 狗牙根(63%) > 假俭草(60%) > 狗尾草(48%);氨态氮所占比例差别不大,空心莲子草略大于其他3中草本;可溶性有机态氮所占比例表现为狗尾草(42%) > 假俭草(30%) > 狗牙根(27%) > 空心莲子草(17%)。
测量各种植被条件下径流小区的次降雨地表径流中TN、NO3--N和NH4+-N的流失量,计算对TN、NO3--N和NH4+-N的削减率。单因素ANOVA分析发现(表 4),4种草本植物对地表径流中TN的削减作用均较好,削减率为37%~52%(P < 0.05),其中空心莲子草的削减作用最佳;狗尾草覆盖对NO3--N的削减作用最大(46%),显著高于其他3种草本覆盖对NO3--N的削减作用(P < 0.05);空心莲子草和假俭草覆盖对NO3--N的削减作用不存在显著差异;狗牙根覆盖对NO3--N的削减作用最低(22%),显著低于其他3中草本覆盖的削减作用(P < 0.05);NH4+-N是能被植物根系直接吸收利用的无机态氮,与植物的生长有密切关系。对NH4+-N的削减效果表现为空心莲子草>狗尾草>假俭草>狗牙根,其中空心莲子草、狗尾草和狗牙根间均差异显著(P < 0.05)。空心莲子草和狗尾草的削减作用显著高于狗牙根(P < 0.05),因为空心莲子草和狗尾草成年植株较高可达50 cm以上,生物量较大,其生长过程中吸收固定的NH4+-N较植株矮小的狗牙根多。
由图 3可知:草本植物对泥沙的拦截效果明显,拦截率为17%~32%,其中狗尾草小区对泥沙的拦截效果最好;狗尾草、假俭草和空心莲子草小区泥沙中的TN含量显著小于裸地(P < 0.05),狗牙根小区对泥沙中TN的净化效果不明显;4种草本植物的泥沙中NO3--N和NH4+-N含量均显著低于对照组(P < 0.05);综合分析得出空心莲子草小区对泥沙中氮素的削减作用最佳。
由表 5可知;狗尾草20~30 cm土层的NO3--N含量为2.91 mg·kg-1,显著高于空心莲子草和狗牙根(P < 0.05),这与径流中NO3--N的消减规律相吻合;不同草本覆盖20~30 cm土层土壤NO3--N含量均显著高于0~10和10~20 cm土层。狗尾草产生地表径流较少,即土壤入渗较多,NO3--N随着水分参与土壤入渗,并向深层土壤积累,因此深层土壤NO3--N含量最高。
不同草本覆盖0~10 cm土层土壤NH4+-N含量表现为狗牙根 > 狗尾草 > 空心莲子草 > 假俭草(表 5)。狗牙根0~10 cm土层土壤NH4+-N含量最高为8.24 mg·kg-1,是假俭草(0.62 mg·kg-1)的13.5倍,且差异显著(P < 0.05)。从径流和泥沙中消减的NH4+-N的量来看,假俭草覆盖削减了相当一部分的的NH4+-N,而在假俭草覆盖的10~20和20~30 cm土层中,NH4+-N含量也显著低于其他植物覆盖的NH4+-N含量,说明假俭草在试验期吸收了大量的土壤NH4+-N。
不同草本覆盖0~10 cm土层土壤TN含量表现为狗牙根 > 狗尾草 > 空心莲子草 > 裸地 > 假俭草,狗牙根0~10 cm土层土壤TN含量为0.92 g·kg-1,其中NO3--N和NH4+-N含量不足1%,表明种植狗牙根覆盖对氮素的削减以有机态氮为主,其表层土壤有机质(SOM)含量最高,可以证明该结果。
3.6 氮素削减率、径流量削减率和降雨强度的相关性由表 6可知:径流削减率与NO3--N、TN削减率极显著(P < 0.01)正相关,与NH4+-N削减率显著(P < 0.05)正相关;降雨强度与TN削减率极显著(P < 0.01)负相关,与NO3--N削减率显著(P < 0.05)负相关,但与NH4+-N削减率的相关性并不显著。由此可见,拦截地表径流可有效拦截氮素,防治漓江水体面源污染。
陈安磊等(2015)对红壤坡地的研究表明,地表径流中氮素以无机态氮为主,其中NO3--N的流失量高达32%~55%。宋娅丽等(2010)对滇中坡耕地农田生态系统研究表明,天然降雨径流的流失氮素主要形式是可溶性无机氮,NO3--N占总氮的27%~75%。本研究中,不同草本覆盖水陆交错带径流中NO3--N流失量占TN比例达48%~72%。沿小区坡面方向看,由于NO3--N为负离子,不易被带负电荷的土壤胶体粒子所吸附(赵允格等,2002),其流失途径主要是溶于水随地表径流流失。而狗尾草整个试验期内对地表径流削减量最大,因此对NO3--N的削减率最高。NO3--N随着水分参与土壤入渗,并向深层土壤积累,致使深层土壤NO3--N含量最高。氮素的迁移主要分为可溶性氮随径流迁移和颗粒态氮随泥沙流失两种形式(王超等,2013),本研究氮素的主要流失形式是可溶性态氮,因此为防治漓江水体污染,应以增加水陆交错带植被盖度,拦截地表径流为首要措施。
土壤中NH4+-N含量受多种因素影响(杨杉等,2016;殷士学,2000;罗如熠等,2015),草本植物快速生长时期的固持吸收对氮素削减的贡献率就可达78%(Hefting et al., 2005; Lowrance et al., 1986; 杨丹等, 2016),本研究所选植物种中,假俭草在水分充足的降雨季节,平均生根数、株平均根长、最大根长均逐渐增加(游鸿明等,2002),有利于大量吸收NH4+-N;在受到水分胁迫时,空心莲子草能够大量吸收土壤中的NH4+-N以合成自身的生物量(王海锋等,2008),快速伸长枝条并迅速长出新叶片;而狗尾草的氮素利用率虽然可达30%左右(黄勤楼,2008),其生根数随培养天数呈现先增后减的抛物线变化(黄刚等,2007);狗牙根在水分胁迫下根系各种酶活性显著降低,可溶性糖含量降低,根系处于低代谢状态,抑制了根系对氮的吸收(李彦杰等,2014a; 2014b)。
本研究仅在草本植物种植前模拟了单次施肥,而实际农业生产中会多种施肥(吴豪翔等,2011),因此5个小区地表径流中TN浓度均未高于水体富营养化的上限值(0.2~0.3 mg·L-1),但4个草本植物小区的地表径流中TN浓度均低于空白对照,说明种植草本的水陆交错带能够削减地表径流中的氮素,从而起到净化水质、防止农业非点源污染的作用,这与张兴昌等(2000)的研究结果一致。
综合考虑草本植物对不同形态氮素的削减作用,狗尾草和空心莲子草优于其他草本。狗尾草具有较大的根冠比,可以显著增加单位面积植株数量(贾美玉等,2015),其须根系主要分布在0~20 cm土层中,拥有良好的改良土壤结构、拦蓄地表径流的作用;空心莲子草作为生命力极强的宿根性草本植物,具有生长繁殖快、适应性强、生物产量高等特点,且空心莲子草对N和P均有良好的吸收效果(肖宇等,2013)。
本研究时间较短,研究期间草本植物未达到充分的发育,土壤性状之间的差异尚未形成,仅是重点研究了不同草本覆盖对氮素削减的研究,今后学者可以从整个草本植物生育期探究氮素的削减作用。
5 结论草本覆盖可以提高水陆交错带径流水中氮素削减率,且不同植物类型之间差异较大;在4种草本覆盖中,狗尾草和空心莲子草对径流水中氮素的消减作用较好;径流水中氮素以硝态氮为主要流失形式,防治漓江水体面源污染,应以拦截地表径流为首要措施。
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