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竹林河岸带对氮磷截留转化作用的研究

黄玲玲  
【摘要】: 氮和磷是陆地水体的重要污染物,相邻农田中的氮和磷经非点源途径通过河岸带进入水体。河岸带是高地和水体之间的过渡带,健康的河岸带系统能够通过物理的、生物的和生物化学的过程,实现对氮磷的截留和转化。本文以四川省长宁县淯江河流域竹林河岸带为研究对象,对相邻的农田和竹林河岸带进行了系统观测,从河岸带的植被、土壤特征、水文过程以及河岸带宽度等四个方面,探讨了竹林河岸带对氮磷的截留转化作用。主要结论如下: (1)竹林河岸带的植物隶属于30科44属45种,主要竹种为硬头黄竹。其中:蕨类植物4科4属4种,被子植物26科40属41种。植物科属组成以单属科为主(20科),占总科数的66.67%。群落垂直结构分化较明显,群落乔木层、灌木层及草本层共有40个种群,其分布格局有聚集分布、均匀分布、聚集/随机和随机/均匀分布四种类型,且以聚集分布为主要格局类型。 (2)在竹林河岸带中,每公顷硬头黄竹林总生物量为96.559t;其中秆为75.788t,占78.49%;枝为7.533t,占7.80%;叶为4.989t,占5.17%;根为1.460t,占1.51%;蔸为6.789t,占7.03%。各个器官N、P元素密度分别由大到小排序:叶根蔸枝秆,叶根枝蔸秆。5m宽的竹林河岸带林分N储存量为982.4 kg·hm-2,高于40m宽的竹林河岸缓冲带林分N储存量的30.86%。5m宽的竹林河岸带硬头黄竹林分磷元素储存量为190.1 kg·hm-2,高于40m宽的竹林河岸带林分磷元素储存量的30.83%。5m宽的硬头黄竹林每公顷N、P储存最大,10m、20m、30m、40m宽的硬头黄竹林每公顷N、P储存量分别为5m宽的88.65%、83.85%、79.04%、76.42%。 (3)竹林河岸带土壤的理化性质。在土壤剖面0~100cm土层中,土壤容重的变化范围为0.959~1.669g/cm3,土壤越深,土壤容重越大。土壤的机械组成变化很大,农田处的粘粒超过20.41%,而竹林河岸带沿河边的土壤已表现出砂土特征。土壤pH值均以接近农田的最高为6.12,宽度超过20m后,土壤pH值就明显降低。不同宽度不同层次的土壤有机质含量为14.45~36.13g/kg。土壤全氮浓度变化范围为821.20~1900.20mg/kg,土壤表层的土壤全氮浓度最高,为1900.2mg/kg,土层越深土壤全氮浓度越低。土壤碱解氮浓度为58.00~118.82mg/kg。土壤速效磷浓度为6.83~28.86mg/kg,土壤表层的速效磷浓度最高,为28.86mg/kg。 (4)不同宽度的竹林河岸带土壤水的TN、TP浓度均以接近农田的最高,20m宽的硬头黄竹林河岸带,土壤水的TN浓度降低40.53%、TP浓度降低85.07%。从竹林河岸带土壤对N、P的吸附储存转化效率来看,20m宽的硬头黄竹林土壤水全N、碱解N和速效P的截留率达到了11.16%、56.93%和41.33%,30m宽的硬头黄竹林对土壤水全N、碱解N和速效P截留率达到了58.30%、69.67%和43.75%,40m宽的硬头黄竹林土壤水全N、碱解N和速效P截留率达到了37.20%、61.82%和69.45%。 (5)该研究区域雨季不是十分明显。在竹林河岸带的林内,2008年全年林内穿透雨为702.2mm,林冠截留为229.6mm,分别占全年降雨量的72.14%、23.59%。竹林河岸带年树干茎流为41.5mm,占全年降水量的4.26%。农田对竹林河岸带的水量输入较大,且不同季节变化幅度较大,并以地表水和20cm深的土壤径流为主,一年100m长的农田剖面四个层次共流出水量6221L。每年通过穿透雨输入林地的TN和TP分别是53.2kg·hm-2和0.420 kg·hm-2。其中,NH4+-N 28.3 kg·hm-2,占总氮量的53%;NO3--N 23.1 kg·hm-2,占总氮量的43.4%;PO43--P的输入量是0.219 kg·hm-2,占总磷的52%,;每年通过树干茎流输入林地的TN和TP分别是3.32 kg·hm-2和0.101 kg·hm-2,其中NH4+-N为1.76 kg·hm-2,NO3--N为1.41 kg/hm2,PO43--P是0.042 kg·hm-2。竹林河岸带穿透雨输入林地的氮约为树干茎流输入氮的16倍,穿透雨输入林地的磷约为树干茎流输入磷的4倍。由于农田的施肥,100米长的农田土壤剖面一年从土壤四个层次共输入竹林河岸带的TN 108.66g,NO3--N 76.62g,NO2--N 5.42g,NH4+-N 22.58g;TP 0.459g,PO43--P 0.263g,是河流和河岸带氮磷的主要输入源。 (6)以100m长的土壤剖面计算,农田每年通过径流流入河流和竹林河岸带的水量6221L,其中土壤表层流入3340L,占输入量的53.69%。5m宽的竹林河岸带通过土壤径流流入河流的水量4485L,比农田减少了27.91%,其中土壤表层输入2580L,占输入量的57.53%。10m宽的竹林河岸缓冲带通过土壤径流流入河流的水量3772L,比农田减少了39.37%,其中土壤表层输入2145L,占输入量的56.87%。20m宽的竹林河岸带土壤径流水量减少了40.72%,30m、40m宽的土壤径流水量分别减少了39.75%和46.39%。以上可以看出,10m宽竹林河岸带就可以有效截留土壤水。除此之外,土壤水TN、TP、NO3--N、NO2--N、NH4+-N、PO43--P的浓度也显著受河岸带宽度影响,10m宽的竹林河岸带土壤水TN、TP、NO3--N、NO2--N、NH4+-N、PO43--P的浓度比农田分别降低了17.90%、82.32%、16.29%、33.07%、33.67%和69.49%;20m宽的竹林河岸带土壤水TN、TP、NO3--N、NO2--N、NH4+-N、PO43--P的浓度分别降低了40.53%、84.53%、43.15%、51.39%、47.82%和75.14%;30m宽的竹林河岸缓冲带土壤水TN、TP、NO3--N、NO2--N、NH4+-N、PO43--P的浓度降低了40.85%、88.95%、34.94%、67.20%、73.23%和78.81%;40m宽的竹林河岸带土壤水TN、TP、NO3--N、NO2--N、NH4+-N、PO43--P的浓度变化与30m宽的差别不大 综上所述,通过植物吸收转化、土壤截留、减少土壤水输出等物理的、生物的和生物化学的过程,20~30m的竹林河岸带可以有效降低相邻农田氮磷等营养元素通过非点源途径向河流的输入,从而达到减轻河流非点源污染的目的。在此基础上,对目前我国河岸带研究中存在的问题进行了讨论,并对我国开展河岸带的研究提出了建议。


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