滨岸缓冲带植物群落优化配置试验研究_吴健

生态与农村环境学报󰀁2008,24(4):42-45,52JournalofEcologyandRuralEnvironment

滨岸缓冲带植物群落优化配置试验研究

吴󰀁健

1,2

,王󰀁敏,吴建强,杨泽生,唐󰀁浩󰀁(1.上海市环境科学研究院,上海󰀁200233;2.华东师范大学环境

1󰀁111

科学系,上海󰀁200062)

摘要:选择上海地区常见土著植被,设置草、灌、乔不同配置模式,构建了上海市青浦区东风港滨岸缓冲带试验基地,以开展不同植物群落配置方式下滨岸缓冲带面源污染防治和土壤抗侵蚀能力的现场试验。结果表明,草皮缓冲带截留径流污染物能力最强,12m长的百慕大试验带对固体悬浮物(SS)的截留率达到70%左右,对径流水中TN、TP净化效果也基本达到20%以上;草皮和乔木组合栽种能显著提高缓冲带对径流水中SS、N、P等污染物质的净化效果,并能有效防止裸露地表因受径流冲刷而造成的水土流失;草皮根系有助于提高浅层土壤抗侵蚀能力,在0󰀁20cm土层,百慕大样地土壤平均抗剪切强度最高,为98.28kPa;灌木和乔木则对提高较深层土壤抗侵蚀能力效果较好,在20󰀁55cm土层,杞柳和女贞样地土壤平均抗剪切强度分别为103.10和122.08kPa,而百慕大样地则仅为77.88kPa;草、灌、乔的合理配置能有效提高滨岸缓冲带的面源污染防治和土壤抗侵蚀能力。关键词:滨岸缓冲带;植被配置;面源污染;土壤抗侵蚀能力;试验基地

中图分类号:X522;X173󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1673-4831(2008)04-0042-04

OptimizationofPlantsCommunityofRiparianBufferZones.WUJian1,2,WANGMin1,WUJian-qiang1,YANGZe-sheng1,TANGHao1(1.ShanghaiAcademyofEnvironmentalSciences,Shanghai200233,China;2.DepartmentofEnviron-ment,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China)

Abstract:DifferentvegetationsnativeandcommontoShanghaiwereselectedtoformplantcommunitiesdifferentinsod󰀁shrub󰀁arborratioforanexperimentlaidoutinariparianbufferzoneexperimentbase,DongfengPort,QingpuDistrict,Shangha,itodeterminetheireffectsoncontrolofnon-pointsourcepollutionandsoilerosion.Resultsindicatethatbufferstripsofsodwerethestrongestinabilitytointerceptpollutantsfromrunof,fa12m-longbufferstripofCynodondactylonarrestedaround70%ofthesuspendedsolid(SS),andover20%theTNandTPintherunof;fbufferstripsofthecomb-inationofsodandarbortreesnotonlyshowedhigheffectinremovingSS,NandPfromrunoffs,butalsoeffectivelycon-trolledrunof-ftriggeredsoilerosiononbarrenlandsurface.Sodrootshelpedimproveresistanceofthesurface/upperlayersoil(0-20cm)toerosion.TheaverageshearingstrengthofthebufferstripofCynodondactylonwasthehighest,reac-hingashighas98.28kPa;

thecombinationofshrubsandarborswasmuchbetterinimprovingresistanceofthesoilin

deeplayers(20-25cm)toerosion.TheaverageshearingstrengthofthebufferstripsofSalixintegraandLigustrumluci-dumwas103.10and122.08kPa,respectively,whilethatofthebufferstripofCynodondactylonwas77.88kPaonly.Itcould,therefore,beconcludedthatreasonableplantcombinationcanimprovethefunctionofriparianbufferzonesincon-trollingnon-pointsourcepollutionandsoilerosion.

Keywords:riparianbuffer;plantcombination;non-pointsourcepollution;

resistancetosoilerosion;experimentbase

󰀁󰀁滨岸缓冲带是指介于河溪和陆域之间的生态过渡带,是陆地生态系统与水生生态系统交错带的一种类型

[1]

建滨岸缓冲带是截留陆域面源污染物、减少地表径流和防止土壤侵蚀的有效手段。但是不同的植

物种类及其群落配置对面源污染防治和水土保持所

[7]

起的作用不同。因此,从植物群落稳定性的角度出发,在适用植物种类筛选基础上,以最接近自然的方式优化植物群落的配置将有助于发挥滨岸缓冲带

基金项目:上海市科学技术委员会科研计划项目(04DZ12032)收稿日期:2008-06-13󰀁通讯联系人

[6]

,具有明显的边缘效应。特殊的地理位置

决定了滨岸缓冲带具有水分多、土壤肥力较高、空气湿度高等特点,为不同植被的生存提供了良好条件。滨岸缓冲带独特的地理位置以及植被体系,使其具有防治面源污染、营造滨岸景观、提供生物栖息地、连接生态廊道、改良土壤生境、保持水土等多种功能

[2-5]

。国外的研究与实践表明,利用植物体系构

󰀁第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁吴󰀁健等:滨岸缓冲带植物群落优化配置试验研究󰀁43󰀁

的各项生态服务功能。

笔者选择上海市青浦区某自然河道滨岸区域构建滨岸缓冲带试验基地,对其面源污染防治和土壤抗侵蚀能力进行现场试验,以比较不同植物群落配置方式的优缺点,为上海及类似地区滨岸缓冲带建设提供技术支撑。

2006年3月栽种。1.2󰀁面源污染防治试验方法

根据上海地区农业面源污染特征

[8-9]

,人工配

置污水,模拟上海地区降雨时产生的汇流过程和雨量进行试验。降雨量为40mm,降雨历时为45~60min。

1.2.1󰀁污水配置

根据该区域汇水面积,计算出流经每个试验条带的污水量约为4.5m。采用碳酸氢铵、过磷酸钙和泥土颗粒配制污水,模拟面源污染中的N、P和固体悬浮物(SS)3种污染物,SS浓度约为550mg󰀁L,TN约为10mg󰀁L,TP约为1mg󰀁L。污水集中通过配水池进行配水。

1.2.2󰀁取样及监测方法

试验于2006年雨季进行,在降雨量、降雨历时和进水污染负荷等工况基本相同条件下,重复试验6次。采用径流分离器取径流水样,每次取样均在同一沿程距离取3个水样进行混合,取混合水样500mL即刻带回实验室分析。SS、TN和TP的测定方法参照󰀁水和废水监测分析方法󰀁1.3󰀁土壤抗侵蚀能力评估方法

[10]

-1

-1

-1

3

1󰀁材料与方法

1.1󰀁试验基地设计1.1.1󰀁基地选址

试验基地选址于上海市青浦区华新镇东风港,

地处上海市西部、苏州河上游区域,属青浦区镇级河道。该地年均降雨量1104.4mm,降雨天数130d左右,主要集中在5至10月的汛期。土壤类型为青紫泥和沟干泥,土质属黏壤土,质地略显黏重。1.1.2󰀁试验条带

利用东风港一侧坡岸构建3个滨岸缓冲带试验条带。各条带垂直于河流方向长度为19m,平行于河流方向长度为2m,坡度2%,条带之间均用防渗薄膜隔开,防止相互干扰。1.1.3󰀁植被选择及配置

全部选用土著植被:草皮为百慕大(Cynodondactylon),禾本科,多年生暖季型草本植物;灌木为杞柳(Salixintegra),杨柳科,多年生木本植物;乔木为女贞(Ligustrumlucidum),木犀科,多年生常绿乔木。各试验条带沿程不同距离配置不同植被,其配置方式为:条带A,草+灌;条带B,草+乔;条带C,草+灌+乔,在乔木林下播种喜阴草皮白花三叶草(Trifoliumrepens)(图1)。

。

植被生长稳定之后,采用荷兰Eijkelkamp公司的14.08现场剪力测量钻测定3种植被样地不同土壤深度剪切力强度,每个样点测定3次,取平均值,以此来比较和评估不同植被的固土护坡作用。

2󰀁结果与分析

2.1󰀁不同植物群落配置条带对面源污染的防治效果

2.1.1󰀁径流SS截留效果

不同植物群落配置条带对径流SS的截留效果见表1。由表1可知,在进水SS浓度基本相同条件下,在3个不同植物群落配置条带前端12m百慕大草皮段径流SS去除明显,平均截留率均在70%左右,流经后端灌木和乔木带后又有所下降,最低只有43.6%。由此可见,生长茂密且具有较高盖度的百慕大草皮对径流中SS的截留能力较强。而在灌木和乔木段,由于径流对林下裸露地表的冲刷,泥土颗粒物极易重新

图1󰀁试验基地设计示意Fig.1󰀁Layoutoftheexperimentbase

进入径流水中,导致SS含量有所增加。在后端乔木和草皮组合的情况下,SS截留率又有明显增加,由

56.5%升高到75.0%,可见草皮和乔木组合可以提高滨岸缓冲带对径流SS的截留能力。因此,在乔木群落下,合理配置一些耐阴草皮,既可以提高生物多样

󰀁󰀁在每个条带沿程不同距离(植被类型变化处)设置径流分离器用于收集径流水。所选植被均于

󰀁44󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁生󰀁态󰀁与󰀁农󰀁村󰀁环󰀁境󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第24卷

性,也可增强对径流SS的截留能力。

表1󰀁不同植物群落配置条带对径流SS的截留效果Table1󰀁EffectsofplantcommunitieswithdifferentplantcombinationontheinterceptingofSSfromrunoff

条带草+灌草+乔草+灌+乔

进水浓度/沿程距离/出水浓度/

m(mg󰀁L-1)(mg󰀁L-1)555󰀁34.9560󰀁33.5547󰀁57.5

12191219121619

180󰀁13.8279󰀁12.4168󰀁23.5316󰀁25.0156󰀁19.5238󰀁22.6136󰀁7.4

截留率/

%67.5󰀁1.349.8󰀁1.570.1󰀁2.543.6󰀁1.271.6󰀁1.456.5󰀁2.275.0󰀁1.6

中条带C末端出水TP平均去除率达到29󰀁3%,而条

带B则只有20.5%,说明条带C的植被组合方式更能提高缓冲带对径流TP的净化效果。

表3󰀁不同植物群落配置条带对径流TP的净化效果

Table3󰀁EffectsofplantcommunitieswithdifferentplantcombinationontheclearingofTPinrunoff

条带草+灌草+乔草+灌+乔

进水浓度/沿程距离/出水浓度/

m(mg󰀁L-1)(mg󰀁L-1)0.93󰀁0.241.10󰀁0.301.03󰀁0.23

12191219121619

0.69󰀁0.160.71󰀁0.160.84󰀁0.230.87󰀁0.240.76󰀁0.150.81󰀁0.190.72󰀁0.14

去除率/

%25.9󰀁1.923.0󰀁2.523.4󰀁1.120.5󰀁1.226.3󰀁2.721.1󰀁0.929.3󰀁2.7

2.1.2󰀁径流TN净化效果

不同植物群落配置条带对径流TN的净化效果见表2。由表2可知,在前端12m草皮段3个条带对径流TN的去除率都在20%左右,但到灌木和乔木段径流TN浓度又有所回升;其原因主要是随着径流水对土壤表层的冲刷,吸附在泥土颗粒上的营养物质又重新进入水中。在进水TN浓度基本相同条件下,3种植物群落配置缓冲带对末端出水TN的净化能力为C>A>B,条带C末端出水TN平均去除率达到25.1%,而条带B则只有16.7%。可见,条带C的植被组合方式更能提高缓冲带对径流TN的净化效果。

表2󰀁不同植物群落配置条带对径流TN的净化效果Table2󰀁EffectsofplantcommunitieswithdifferentplantcombinationontheclearingofTNinrunoff

条带草+灌草+乔草+灌+乔

进水浓度/沿程距离/出水浓度/

(mg󰀁L-1)m(mg󰀁L-1)10.5󰀁1.910.2󰀁1.410.9󰀁1.9

12191219121619

8.2󰀁1.18.3󰀁1.18.3󰀁1.48.8󰀁1.78.5󰀁1.38.9󰀁1.48.2󰀁1.4

去除率/

%19.0󰀁1.918.2󰀁1.621.3󰀁1.716.7󰀁1.222.3󰀁2.217.9󰀁2.225.1󰀁1.1

2.2󰀁土壤抗侵蚀能力评估

土壤抗剪切强度可用于表征植物根系在提高土

壤抗侵蚀能力、防止水土流失方面的作用。分8个土层深度对种植不同植被的滨岸缓冲带样地进行土壤抗剪切强度测定,结果见表4。由表4可知,在5󰀁20cm土层,百慕大样地抗剪切强度最大,其中10󰀁15cm深度达到最高,为112.5kPa;在>25cm土层,百慕大样地土壤抗剪切强度明显降低,杞柳和女贞+白花三叶草样地则显示出较强的抗侵蚀能力;而女贞+白花三叶草样地浅层和深层土壤都显示出较高抗剪切强度。说明在浅层(0󰀁20cm)土壤中,草皮根系占据优势,比灌木和乔木的固土能力强;而在较深层(>25cm)土壤中,灌木和乔木根系占据明显优势,呈现出比草皮更强的固土护坡作用。

表4󰀁不同植被样地土壤抗剪切强度比较

Table4󰀁Comparisonofshearingstrengthbetweensamplelandswithdifferentvegetation

土层深度/

cm0󰀁5󰀁10󰀁15󰀁20󰀁25󰀁35󰀁45󰀁

510152025304055

百慕大/kPa82.98.112.100.68.73..79.

0

6509358

杞柳/kPa58.71.70.98.98.103.118.91.

71044965

女贞+白花三叶草/

kPa

77.79.108.98.121.122.132.112.

55345350

2.1.3󰀁径流TP净化效果

不同植物群落配置条带对径流TP的净化效果见表3。由表3可知,缓冲带对径流TP的净化效果略好于TN,主要是因为表层土壤对磷的吸附效果好于氮。在进水TP浓度基本相同条件下,3种植物群落配置条带对末端出水TP的净化能力为C>A>B,其

3󰀁讨论

传统滨岸缓冲带从陆域到水域均采用先草后

󰀁第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁吴󰀁健等:滨岸缓冲带植物群落优化配置试验研究󰀁45󰀁

灌、乔的植被配置模式,这种配置模式对于滨岸缓冲带充分发挥截留污染物、提高生物多样性及防止河流水体对岸坡的冲刷等作用是切实有效的。其中,截留SS和削减其他污染物质作用主要发生在前端

[11]

草皮缓冲带;末端灌、乔发达的深层根系则能滞

[12-13]

水消能,保护滨水岸坡的稳定性;同时,乔、灌、草的合理搭配还能提高区域生物多样性,改善区域

[14]

整体生境条件。

本研究面源污染防治试验结果表明,草皮段缓冲带对径流SS的截留能力较强,12m长的百慕大草皮缓冲带对SS的截留率基本达到70%,而径流经过灌木和乔木段之后,末端出水SS浓度不降反升。究其原因,主要是百慕大草皮生长迅速、密集且根茎匍匐,试验期间盖度达到100%,流经此段的径流水中SS易被截留;而杞柳和女贞段地表裸露较多,受到径流冲刷后,土壤表层颗粒物易随径流流失,从而导致出水SS浓度又增高;在女贞林下撒播白花三叶草,使原本裸露的地表覆盖上密集的草皮,又增强了对SS的截留能力,致使末端出水SS截留率得以提高。同样,对于缓冲带地表径流水中污染物的净化效果也是草皮段较好,在乔木林下种植草本植物,其对污染物的净化效果明显优于未种植草皮缓冲带。

不同深度土壤抗剪切强度差异较大,主要是因为植物根系对土壤的牵引、盘结作用差异所致。草皮对浅层土壤的抗侵蚀能力明显高于乔木和灌木,而在较深层土壤中则相反,这与实际情况是相符的;因为草皮样地表层根系发达,而乔木和灌木样地深层根系较为发达。因此,可以根据不同需要合理配置植被:在陆域易产生地表径流区域,为防止水流对表层土壤的冲刷,可以草皮为主;而在滨水岸坡,为防止河道水流对深层土壤的冲刷,则可多栽种灌木和乔木。如此搭配不仅能有效防止水土流失,还能提高区域物种多样性,改善滨岸缓冲带的空间结构,提供多样的生物栖息地。

因此,对于滨岸缓冲带植被的配置模式,应根据其功能需要进行合理优化,在传统先草后灌、乔的配置模式下,在灌、乔区域配置耐阴草本植物,既能保证控制面源污染和稳定滨水岸坡的需要,还能避免径流水对灌、乔林下裸露土壤的冲刷导致悬浮颗粒物重新进入水体的现象。

本试验12m长百慕大试验带对SS的截留率在70%左右,对径流水中TN、TP净化效果也基本在20%以上;灌木和乔木区域裸露表土受到径流冲刷易造成水土流失,增加径流水中SS和N、P浓度,而草皮和乔木的混合栽种能有效解决此问题。

(2)植被能明显增强滨岸缓冲带的固土护坡作用。草皮植被根系能有效提高浅层土壤抗侵蚀能力,在0󰀁20cm土层,百慕大样地土壤平均抗剪切强度最高,为98.28kPa;灌木和乔木则对提高较深层土壤抗侵蚀能力效果较好。草、灌、乔的合理配置能够提高不同深度土壤的抗侵蚀能力。

(3)从面源污染防治和土壤抗侵蚀试验结果来看,选择的3种植被组合模式以草皮+灌木+乔木(林下种植草本植物)为最优。对于滨岸缓冲带而言,陆域缓冲区植被可以草皮为主,在保持表层水土的同时最大限度地削减面源污染物质入河量;而在滨水区域,可以灌木和乔木为主,再辅以耐阴草皮,这样既能有效防止河道水流对岸坡的冲刷,又能提高对面源污染物质的截留能力。

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4󰀁结论

(1)草皮缓冲带能有效防止面源污染物入河,

(下转第52页)

󰀁52󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁生󰀁态󰀁与󰀁农󰀁村󰀁环󰀁境󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第24卷

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作者简介:周晓红(1981󰀁),女,陕西凤翔人,博士生,主要研究方向为水环境生态修复。

(上接第45页)

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作者简介:吴健(1977󰀁),男,江西赣州人,工程师,博士生,主要从事生态修复及水土保持等方面的研究。