Effect of Vegetation Configuration in Riparian Buffer Strip on Phosphorus Retention in Runoff Water

研究区位于江苏省宜兴市周铁镇沙塘岗村东部（31°07′～31°37′ N，119°31′～120°03′ E），太湖西部沿岸，与太湖一堤之隔。研究区属亚热带季风气候，全年温暖湿润雨水充沛，四季分明。年均降雨时间136.6 d，年均降水量1 177 mm，春夏季雨水较集中，年平均气温 15.7 ℃，年均日照时数为1 924.2 h。地表和地下水丰富。研究区土壤类型为中性黄壤，土质均匀，土壤密度为 1.38 g·cm⁻³。周边居民主要以农业为主，主要种植水稻（Oryza sativa L.），小麦（Triticum aestivum L.）和油菜（Brassica napus L.）等农作物。林下为自然更新的草本植物，以芦苇（Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud）为主。

试验共设置 7个大小为 20 m × 40 m的小区，自西向东面临太湖垂直于地表径流方向，坡度比为 1∶250（图1）。各小区之间边缘均用厚 2 mm、高60 cm 的 PVC 板隔开（地下 40 cm，地上 20 cm）。样地乔木配置见表1。中山杉（Taxodium ‘Zhongshanshan’）和‘南林95’ 杨（Populus × euramericana ‘Nanlin 95’）生长状况良好，林龄均为6 a，平均树高分别为4.6 m和8.9 m，胸径分别为5.2 cm和8.8 cm。各小区设置 4个河岸植被缓冲带宽度（0 、15 、30 和40 m），在不同宽度处分别埋设3组 PVC 淋溶管，采集 20 cm 和40 cm深度的径流水（图2）。

Figure 1.  Sketch map of setting sampling sites

Figure 2.  Leaching pipe laying schematic setting in each experimental plot

于3月和12月各人工施肥一次，降雨前在各样地起始端 0～0.5 m处进行，施肥量参考当地农田施肥量（ 1 200 kg·hm⁻²），复合肥氮磷钾比例为16∶8∶16。施肥一周后采集水样，共采集水样 336个。用小型水泵抽取不同宽度处20和40 cm深淋溶管内径流水样，装入 100 mL 塑料瓶中，带回实验室后放入 4 ℃ 冰箱保存并尽快测定。采样期间前1周平均降雨量分别为81.5和52.4 mm。采用钼锑抗-紫外分光光度法测定水样中总磷和可溶性磷。其中待测可溶性磷的水样先经过0.45 μm 滤膜抽滤预处理。

径流水磷素截留效率 R_i=（C₀−C_i）/ C₀ × 100%，其中，R_i为缓冲带不同宽度处径流水中磷素截留率；C₀为缓冲带起始处径流水中磷素含量/(mg·L⁻¹)；C_i 为缓冲带不同宽度采样点处径流水中磷素含量/(mg·L⁻¹)；i为缓冲带不同宽度处理（i=15，30 和 40，单位m）。采用SPSS和Origin进行数据分析并作图。

图3是径流水中总磷和可溶性磷的截留率随时间变化的动态特征。由图3知，缓冲带对径流水中磷素的截留效果具有明显的季节变化，径流水中总磷和可溶性磷的截留率均在12月份达到峰值，分别达92.12%和98.55%，3月份缓冲带对总磷和可溶性磷的截留效果较差。12月径流水中总磷和可溶性磷的截留率均显著高于3月（P<0.05）。缓冲带对径流水中总磷和可溶性磷的截留效果出现较大差异，春季和冬季缓冲带对径流水中可溶性磷的截留效率均显著高于总磷（P<0.05）。

Figure 3.  Removal rates of TP and DP of different months by riparian buffer strips of Taihu Lake

如表2所示，在各林分密度下，前15 m径流水中总磷和可溶性磷含量下降趋势明显，15 m后下降趋势减缓。 400 株·hm⁻²条件下，总磷的R₁₅处达89.96%，R₃₀有所下降但差异不显著；可溶性磷的R₃₀和R₄₀显著高于R₁₅（P<0.05）。密度为1 000 株·hm⁻²情况下，随着宽度的增加，总磷和可溶性磷的R_i呈先下降后上升趋势；总磷R₁₅与其他R_i无显著差异，R₃₀显著低于R₄₀（P<0.05）；可溶性R₁₅显著高于R₃₀和R₄₀（P<0.05）。1 600 株·hm⁻²条件下，随着宽度的增加，缓冲带对总磷和可溶性磷的截留率呈上升趋势；总磷R_i随宽度的变化差异显著（P<0.05），总磷R₁₅仅为56.63%，R₄₀最高，可达76.85%；可溶性磷R₁₅显著低于R₃₀ 和R₄₀（P<0.05）。

由表2知，15～40 m宽度区间内随着密度的增加总磷C_i 呈上升趋势，总磷R_i呈下降趋势。总磷C₁₅和R₁₅在不同密度间均差异显著（P<0.05）。杨树林总磷C₃₀和C₄₀在400 株·hm⁻²下显著低于其他密度下（P<0.05），可溶性磷C₃₀和C₄₀在1 000 株·hm⁻²下显著高于其他密度下（P<0.05）；总磷R₃₀和R₄₀随密度的增加而降低且存在显著性差异（P<0.05）；溶性磷R₃₀和R₄₀在400 株·hm⁻²缓冲带下最高，与1 600 株·hm⁻²缓冲带无显著差异，二者显著高于1 000 株·hm⁻²缓冲带（P<0.05）。总体来看，杨树林对总磷和可溶性磷的截留效果分别表现为400 株·hm⁻²下好于1 000 株·hm⁻²下好于1 600 株·hm⁻²下和400 株·hm⁻²下好于1 600 株·hm⁻²下好于1 000 株·hm⁻²下。400 株·hm⁻²的杨树林缓冲带对磷素具有较好的拦截效果。

根据表3可以看出，同一密度下，径流水经过15 m宽的缓冲带后，径流水中总磷和可溶性磷含量大幅度降低，宽度大于 15 m后径流水中磷素含量无显著差异。总体上，随着宽度的增加，总磷和可溶性磷截留率总体呈先上升后下降的趋势。林分密度为400和1 000 株·hm⁻²时，总磷和可溶性磷截留率随宽度的变化均无显著差异（P>0.05）。林分密度为1 600 株·hm⁻²时，不同宽度缓冲带之间对总磷的截留率差异不显著，各宽度下总磷截留率表现为：R₁₅>R₄₀>R₃₀；可溶性磷的R₁₅和R₃₀显著高于R₄₀（P<0.05）。

由表3知，15～40 m宽度区间内中山杉林总磷和可溶性磷的C_i 随着密度的增加呈上升趋势，中山杉林总磷和可溶性磷的R_i 随着密度的增加呈下降趋势。中山杉林总磷C₁₅在不同密度间差异显著（P<0.05），总磷R₁₅在400 株·hm⁻²下显著大于1 600 株·hm⁻²下（P<0.05）。总磷C₃₀在各密度下差异显著（P<0.05），总磷R₃₀在400和1 000 株·hm⁻²下显著高于1 600 株·hm⁻²下。总磷和可溶性磷C₄₀在1 600 株·hm⁻²下显著大于其他密度下（P<0.05）；总磷的R₄₀变化规律与R₃₀大致相同；可溶性磷R₄₀在400 株·hm⁻²缓冲带显著高于在1 600 株·hm⁻²缓冲带（P<0.05）。总体上，随着林分密度的下降，中山杉林缓冲带对总磷和可溶性磷的截留率增大。400 株·hm⁻²的中山杉林缓冲带对总磷和可溶性磷的阻控效果最好。

林分密度1 000 株·hm⁻²的杨树-中山杉混交林对径流水中磷的截留率见表4。总磷和可溶性磷的C₁₅较对照大幅度下降，分别减少了94.16%和98.88%。混交林总磷和可溶性磷的C₁₅、C₃₀和C₄₀差异均不显著(P>0.05)。总磷的R₄₀较R₃₀略有下降。可溶性磷的R₁₅显著高于R₃₀（P<0.05）。各宽度下总磷和可溶性截留率由高到低分别表现为R₃₀>R₄₀>R₁₅和R₁₅>R₄₀>R₃₀。

各林分密度下，乔木林（中山杉林、杨树林和混交林）缓冲带对径流水中总磷和可溶性磷的截留效果不同。由图4（a）知，当密度为400和1 600 株·hm⁻²时，中山杉林对总磷的R_i最高且与杨树林差异显著（P<0.05）。密度为1 000 株·hm⁻²情况下，中山杉林和混交林对总磷的R_i显著高于杨树林（P<0.05），中山杉林与混交林间总磷的截留效果无显著差异（P>0.05），各植被类型缓冲带对总磷的R_i表现为中山杉林>混交林>杨树林。图4（b）中，密度为400 株·hm⁻²条件下，中山杉林对可溶性磷的R_i大于杨树林，但差异不显著。1 000 株·hm⁻²密度下，不同类型植被缓冲带对可溶性磷的R_i与总磷的R_i变化规律相似，中山杉林和混交林对可溶性磷的R_i显著高于杨树林（P<0.05），3种缓冲带对可溶性磷的R_i效率大小依次为：中山杉林>混交林>杨树林。1 600 株·hm⁻²条件下，杨树林对可溶性磷的R_i略高于中山杉林。综合可知，密度为1 000 株·hm⁻²情况下，混交林缓冲带对磷素的截留效率强于杨树林缓冲带，中山杉林缓冲带能有效降低径流水中的磷素，效果优于杨树林和混交林缓冲带。

Figure 4.  Removal rates TP and DP by riparian buffer strips with different plantations

本研究结果表明冬季缓冲带对总磷和可溶性磷的截留率（R_i）显著高于春季。在非生长季，缓冲带对磷素的截留效率较高，推其原因，一方面是可能是因为冬季太湖流域土壤微生物生物量磷和磷酸酶活性高于其他季节^[17]，秋季积累的凋落物为冬季微生物的代谢提供丰富的底物以促进土壤微生物固定活化磷素；另一方面可能是由于春季是施肥高峰期以及雨水多，缓冲带污染物运输负荷增多，导致截污效率下降^[18]。本论文研究对象中山杉和杨树均处在幼龄阶段，植物生长发育前期对磷素的吸收较快，但随着林龄的增加，缓冲带对污染物的去除效果将发生变化甚至出现饱和状态。此外，缓冲带仅能将截留吸附的磷素暂时储存在缓冲带中，为了最大程度保持缓冲带的可持续性，普遍的做法是对地上草本进行定期收割^[19]。周子尧等^[20]研究发现太湖流域春季乔木林缓冲带对磷素的截留效果较夏季差。结合本研究春季缓冲带对磷素的截留率低于冬季的结果，可选择在截磷效率较低的植被生长季节—春季对研究区的林下草本进行收割。

缓冲带对径流水中不同形态磷的削减能力不同。径流水中磷素主要以颗粒态和溶解态两种形态存在^[21]。颗粒态磷主要是通过植被的拦截和过滤作用吸附沉积在缓冲带中，入渗和土壤吸附是可溶性磷主要的去除机制，可溶态磷随径流入渗土壤后可被植物根系和微生物同化吸收^[22-23]。本研究发现缓冲带对径流水中可溶性磷的截留效果较总磷好，可溶性磷的截留效率显著高于总磷，此结论与其他学者的研究结果一致^[24-25]。缓冲带对总磷和可溶性磷的截留效果出现差异，这可能与样地坡度小有关，平缓的坡度可增加径流滞留的时间和降低径流速度^[26]，提高土壤水力渗透的能力，可溶态磷能充分入渗到土壤中。此外，也可能是受到样地林下植被状况的影响，缓冲带对颗粒态磷的阻截能力有限。

一般认为，缓冲带越宽对污染物的阻截效果越好^[27]。但影响污染物截留效率的因素有很多，当宽度足够宽时，这种趋势才明显^[28]。本研究结果表明，持续增加缓冲带的宽度并不能显著提升磷素截留率，甚至会出现截留率下降的结果，这与史中奇等^[29]的研究结果相符。这可能是由于地表植被对磷的固持能力相对较弱，被缓冲带阻截下的磷素可随着径流的冲刷再次进入缓冲带中；且前段缓冲带阻截了绝大部分径流水中的磷素，致使径流中磷素含量大幅度削减，当径流流经缓冲带时，土壤中磷可以通过淋溶和解吸进入径流中，这也可能导致磷素含量大多不降反升^[30]。缓冲带过宽会造成土地资源浪费和管护成本提高，实际应用中需考虑缓冲带截留效率与建设成本的最佳结合点，合理构建缓冲带的宽度是有效控制农业面源污染的重点。参考朱颖等^[31]的研究，将径流中磷素去除率达80%时的宽度定为缓冲带的最佳宽度。本研究发现，缓冲带径流水中磷素含量在15 m处明显下降，3种密度的中山杉林、1 000 株·hm⁻²的混交林、400和1 000 株·hm⁻²的杨树林缓冲带在15 m处总磷和可溶性磷截留率均达80%以上。这说明缓冲带对磷素的截留集中在前段的 15 m，15 m宽的河岸缓冲带能有效去除径流水中磷素。国内学者在研究植被缓冲带对面源污染影响时同样发现 ，缓冲带对径流污染物的截留能力在前段15 m 较强^[32-33]。对于密度1 600 株·hm⁻²的杨树林缓冲带而言，随着缓冲带宽度的增加，总磷截留率显著增长，但其在40 m处总磷截留率仍不足80%，这表明1 600 株·hm⁻²杨树林缓冲带对宽度的要求更高，至少需要40 m以上的宽度才能满足对磷的截留要求。可见，植被密度与缓冲带宽度的确定有密切关系。Yang 等^[34]也认为植被密度是确定缓冲带最佳去除效率和最佳宽度的关键因素。

在建造缓冲带的过程中相较于改变缓冲带的坡度、宽度以优化缓冲带的格局，合理调整林分密度的措施的可操作性和经济性也很强。植被的疏密程度影响缓冲带中磷的传输效率，适宜的林分密度会促进缓冲带对磷素的截留^[35]。本研究结果表明，对于杨树林和中山杉林而言，林分密度为400 株·hm⁻²的缓冲带对磷素的截留效果最佳，高密度缓冲带对磷素的拦截效果较差，这可能是因为密集生长的草本植被在延缓径流和降解、吸收和沉积磷素方面发挥着重要作用^[36]，随着林分密度的增加，林下草本覆盖度会减少^[37]，导致林下植被对磷素的拦截效率被削弱。有研究认为，草本截污效果显著且地面覆盖率远高于林木，在建立森林缓冲带时，林分密度应保持在足够低的水平，以促进草本的生长^[38]，本研究结果支持这一观点。郭蔚华等^[39]的研究也表明在乔灌草植被配置中，乔木覆盖率越高，其对磷污染物的去除效果越差，乔木覆盖率小于40%时，磷素削减效果较好，且乔木落叶易增加径流水中的磷含量。有研究发现，林分密度对缓冲带阻截效果的影响主要是由于冠层截留^[40]。林分密度对林木冠幅和树高的生长有显著影响^[41]，中山杉和杨树都属于喜光速生树种，对光照、水肥、空间需求更高，适当稀植不仅可以促进林木的自身生长，还能增加林下透光度，促使部分喜光先锋灌木和草本植物的入侵，增强的林分的自我更新能力和生态稳定性。

植被对养分的吸收主要取决于植被类型，总生物量高的植被对养分的吸收能力更强^[42]。植被根系越发达、生物量越高，越能促进植物根系吸收污染物。本研究发现，中山杉林对径流水中总磷和可溶性磷的拦截效果最好，杨树-中山杉混交林和杨树林对磷素的拦截能力相对较弱。张钰荣等^[43]的研究结果也证实中山杉林缓冲带对径流水中磷素的截留率高于杨树林。中山杉较杨树而言是深根系树种，其较深的根系不仅能改变土壤结构以此影响土壤入渗率^[44]，还能增强土壤抗冲刷能力。进一步分析发现1 000 株·hm⁻²的混交林对磷素的截留效果较400和1 000 株·hm⁻²的中山杉林差，可能是因为1 000 株·hm⁻²的林分密度对于混交林而言不适宜，不合理的林分密度会影响种间化感物质的释放^[45]，进而影响林内群落结构，降低了缓冲带对污染物的截留效果。下一步应增设对林分密度为400和1 600 株·hm⁻²的杨树-中山杉混交林缓冲带径流水中磷素的截留效率的研究。传统施化肥可增加土壤pH值和盐分含量^[46]，中山杉作为盐碱地治理的优良乔木，对当地较高强度施肥的环境有更强的适应能力。因此认为中山杉是太湖流域富营养化水体修复的首选植物，可将中山杉林植被缓冲带在太湖地区推广应用。

中山杉和杨树均属当地优势树种，可作为适宜的太湖流域缓冲林带树种。在构建乔木缓冲带过程中，合理的缓冲带植物配置应利用灌草植被覆盖率高、生长周期短和成本低的优势，同时结合乔木生物量大、根系深和长期截污能力强的特点，充分提高缓冲带对污染物的截留效果以及保持缓冲带的长期有效性。本研究选择了影响缓冲带截留磷素效率主要的3种因素：宽度、植被类型、密度，但土壤性质、地形、其他污染物类型、水位特征及径流强度等因素亦会影响缓冲带的截留效率^[47]，这可能导致各研究区域的缓冲带配置的截留效果不同。本研究结果可给同为坡度较平缓地区的缓冲带优化设计提供一定的参考，其他区域具体的植被缓冲带配置还需要根据实地的情况选择。

本研究探讨不同乔木林缓冲带配置对径流水中总磷和可溶性磷的截留效果的影响。结果表明冬季缓冲带对径流水中磷素的截留效果优于春季缓冲带。15 m宽的河岸缓冲带基本能满足截留磷素的需求，1 600 株·hm⁻²的杨树林缓冲带需要40 m以上的宽度才能满足对磷的截留要求。400 株·hm⁻²的林分密度是构建河岸缓冲带的最佳密度。中山杉林缓冲带对磷素的截留效果较混交林和杨树林缓冲带好。综合得出，15 m 宽400 株·hm⁻²的中山杉林河岸缓冲带能有效拦截磷素。