鄭瑞倫+龐卓+王慶海

摘要：除草劑等農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上作出了極大的貢獻(xiàn)，但未被利用的農(nóng)藥因雨水和灌溉隨地表徑流進(jìn)入水體，破壞了水生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)人類健康構(gòu)成威脅。本文對(duì)植被過濾帶阻控除草劑污染的作用進(jìn)行了闡述，綜述了植被過濾帶阻控除草劑污染的機(jī)理及影響其功能的主要因素，指出目前研究的局限和應(yīng)用中應(yīng)該考慮的問題，并對(duì)下一步研究方向進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：農(nóng)藥；植被過濾帶；阻控除草劑污染；機(jī)理；影響因素；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：S451；X52文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1003-935X（2017）01-0001-07

Research and Application Advances on the Control of Pesticide

Pollution with a Vegetative Filter Strip

ZHENG Ruilun，PANG Zhuo，WANG Qinghai

（Beijing Research & Development Center for Grasses and Environment，

Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Beijing 100097，China）

Abstract： Pesticides play an important role in agriculture. However，most of the applied pesticide easily flow into the aquatic environment through surface runoff caused by rain or irrigation. The entry of a pesticide into water may damage the aquatic ecosystem and constitute a potential risk to human health. This paper elaborates on the effect of a vegetative filter strip （VFS） on herbicide pollution control，analyzes the related mechanisms，and summarizes the factors influencing the function of VFS. Opinions and suggestions are provided regarding application. Gaps inresearch on the control of pesticide pollution via VFS are addressed.

Key words： pesticide；vegetative filter strip；mechanism；influencing factor；application

收稿日期：2017-01-20

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31370540）；國家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2012BAD14B02）；北京市農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng)（編號(hào)：KJCX20161502-1）。

作者簡介：鄭瑞倫（1982—），男，山西介休人，博士，副研究員，主要從事退化土地修復(fù)研究。E-mail：rlzheng@163.com。

通信作者：王慶海，研究員，主要從事植物生理生態(tài)學(xué)、退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建研究。E-mail：qinghaiw@sina.com。由于長期、大量和不合理的使用，且利用效率低，農(nóng)藥在發(fā)揮保障作物產(chǎn)量作用的同時(shí)，對(duì)環(huán)境也造成了污染。我國是農(nóng)藥使用大國之一，農(nóng)業(yè)部公布數(shù)據(jù)顯示，2015年我國水稻、玉米、小麥三大糧食作物農(nóng)藥利用率為36.6%，流失的農(nóng)藥直接進(jìn)入環(huán)境，大部分最終進(jìn)入水體，造成水體污染。據(jù)估算，2011年我國的農(nóng)藥流失量為 4 390 t[1]。我國重點(diǎn)流域水體包括長江流域、黃河流域、太湖流域、松花江流域、黑龍江流域、東江流域、南水北調(diào)中線和東線等，其檢出阿特拉津率為100%；其中在太湖流域、黑龍江流域和松花江流域具有潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[2]。有機(jī)磷農(nóng)藥（OPPs）在江漢平原地區(qū)地下水中普遍存在，但對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較小[3]。巢湖主要湖口水體中有機(jī)氯農(nóng)藥殘留濃度為40.1～87.7 μg/L，主要來自于早期農(nóng)藥蓄積殘留，污染處于中等偏低水平，但表層沉積物中有機(jī)氯農(nóng)藥存在一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[4]。

為了防止農(nóng)藥、化肥等污染水體，15—16世紀(jì)，植被過濾帶開始在歐洲國家應(yīng)用，到20世紀(jì)30年代美國發(fā)展了比較規(guī)范的植被過濾帶設(shè)計(jì)方案[5]。作為一種成本低廉且富有成效的生態(tài)工程措施，植被過濾帶一般設(shè)在農(nóng)田或養(yǎng)殖場的下部，位于污染源和水體之間，能夠過濾凈化地表徑流中的營養(yǎng)物、沉積物、病原體、重金屬和農(nóng)藥等，是一種有效阻控農(nóng)業(yè)面源污染的帶狀植被系統(tǒng)[6-7]。植被過濾帶別稱植被緩沖帶，根據(jù)植物類型的不同，植被過濾帶可分為草本過濾帶、灌木過濾帶、喬木過濾帶以及多種植被構(gòu)成的復(fù)合過濾帶。此外，在農(nóng)田和水體的過渡地帶曾有或現(xiàn)存濕地系統(tǒng)，則可恢復(fù)或建立濕地系統(tǒng)。濕地不僅能顯著減少農(nóng)藥進(jìn)入下游受納水體，而且作為生態(tài)景觀還能起美化環(huán)境的作用[8]。

本文旨在對(duì)植被過濾帶阻控農(nóng)藥污染的作用、機(jī)理與影響因素進(jìn)行總結(jié)和分析，指出目前研究中存在的問題和未來的研究方向，并對(duì)應(yīng)用中需要注意的問題提出建議，為植被過濾帶阻控農(nóng)藥污染的研究和應(yīng)用提供參考。

1 植被過濾帶對(duì)農(nóng)藥的阻控作用

植被過濾帶對(duì)土壤和水資源保護(hù)方面有很多益處。植被過濾帶可以穩(wěn)固河岸[9]、減少沉積物[10]、消除病原體和寄生蟲[11-12]、減少農(nóng)田營養(yǎng)元素的流失[12-14]，甚至為許多動(dòng)物提供適宜的棲息地[15]。并且植被過濾帶還可以減小地表徑流中農(nóng)藥的濃度[16-17]。

植被過濾帶主要通過物理、化學(xué)、生物等途徑使地表徑流以及徑流中的泥沙、氮、磷、農(nóng)藥等污染物減少，對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染具有較好的防治效果[18-20]。草本植被過濾帶能有效攔截徑流，攔截率可達(dá)88%，可攔截徑流中有95%的泥沙、80%的總氮以及78%的總磷[21]，能顯著降低泥沙和阿特拉津流失量[19]。據(jù)Popov等報(bào)道，植被過濾帶可減小徑流樣中40%～85%的阿特拉津[22]。通過在北京地區(qū)不同坡度的徑流小區(qū)上進(jìn)行人工模擬降雨試驗(yàn)，對(duì)草籬去除農(nóng)田徑流中氮、磷、阿特拉津3種典型農(nóng)業(yè)面源污染物的研究表明，草籬措施可減少68%的總氮、61%的總磷和90%的阿特拉津流失[23]。Patty等在法國的研究結(jié)果表明，植被過濾帶能有效降低農(nóng)藥阿特拉津及其代謝產(chǎn)物44%～100%、可溶性磷22%～89%、氮47%～100%[24]。在意大利北部，通過對(duì)6 m寬植被過濾帶5～6 年的監(jiān)測表明，無論在雨水多還是在雨水少的年份，植被過濾帶均能非常有效地減少徑流中異丙甲草胺和特丁津的總量和濃度[25]。通過對(duì)0、3、6、9 m不同長度的草地過濾帶對(duì)異丙甲草胺和阿特拉津的阻控研究表明，草地過濾帶可以阻擋90%以上的除草劑隨徑流流出。Sabbagh等綜述許多報(bào)道的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，0.5～20.1 m寬度的植被過濾帶對(duì)徑流中許多除草劑（包括賽克津、異丙隆、異丙甲草胺、阿特拉津、草凈津等）的減小量可達(dá)到11%～100%[26]。人工濕地對(duì)工業(yè)園區(qū)廢水中的煙嘧磺隆的去除率可以達(dá)到67%[27]。

2 植被過濾帶對(duì)農(nóng)藥的阻控機(jī)理

植被過濾帶阻控農(nóng)藥等污染物是多種途徑協(xié)同作用的結(jié)果，主要包括物理攔截、增加入滲、增加土壤吸附和降解能力及植物的吸收降解作用。

2.1 植被過濾帶的物理攔截作用

植被過濾帶通過自身的物理攔截作用可以有效減小含有農(nóng)藥的徑流的體積和顆粒物（如泥沙）含量，促進(jìn)吸附農(nóng)藥的顆粒物質(zhì)的沉積[28-29]。植被的存在可以有效滯緩地表徑流速度，過濾和攔截徑流中的泥沙等顆粒態(tài)污染物或懸浮物[30-31]，有效減小含農(nóng)藥的徑流達(dá)80%～86%[32]。連續(xù)4年的研究表明，在實(shí)際降雨條件下，草本植被過濾帶均可以有效減小徑流體積，減小農(nóng)藥流失90%以上[33]。草本植物過濾帶可以有效攔截徑流，顯著降低泥沙流失量，當(dāng)進(jìn)水泥沙濃度為20、40、60 g/L 時(shí)，植被過濾帶對(duì)泥沙的攔截率分別為95%、93%、85%[19]。

2.2 植被過濾帶增加土壤入滲

植被過濾帶可以通過增加土壤入滲水平有效延長農(nóng)藥的滯留和吸附時(shí)間。植物能顯著改善土壤結(jié)構(gòu)，并通過植物根系的穿插作用增加土壤滲透能力，從而使地表徑流以及可溶性污染物更多地隨水入滲。肖波等研究表明，種植5年的狼尾草（Pennisetum alopecuroides）草蘺可使土壤容重降低7.0%、穩(wěn)定入滲率和總孔隙度分別增加157.1%和11.0%，并使土壤細(xì)顆粒含量（<0.01 mm）增加10.8%，年均分別減少地表徑流與土壤流失達(dá)63.2%與77.7%[34]。王敏等也表示，植被種植可以改善土壤的滲透性，增加徑流的入滲[35]。Krutz等認(rèn)為，植被過濾帶減少阿特拉津的主要機(jī)制是增加土壤滲透[36]。

2.3 植被過濾帶能增強(qiáng)土壤吸附降解能力

植被過濾帶可以促使土壤累積更多的有機(jī)物質(zhì)，從而增強(qiáng)土壤對(duì)溶液中農(nóng)藥的吸附及降解能力[37-38]。如狼尾草草籬可使土壤有機(jī)質(zhì)顯著增加12.7%[34]，這些有機(jī)物質(zhì)可以增強(qiáng)土壤對(duì)農(nóng)藥的吸附，從而比對(duì)照土壤吸附更多的甲氧毒草安、伏草隆、異丙隆，而且更加不容易被解吸[38-40]。除了表現(xiàn)出對(duì)甲氧毒草安更強(qiáng)的吸附力以外，植被過濾帶使土壤中甲氧毒草安的半衰期縮短了一半多[39]。另外，有機(jī)質(zhì)能為微生物的活動(dòng)和生長提供其所需要的能量，從而促進(jìn)農(nóng)藥等污染物的降解。

2.4 植物的吸收與降解

植被過濾帶的植物本身可以吸收農(nóng)藥，并加速農(nóng)藥降解。許多禾木科草本植物如冰草（Agropyron desertorum）、黑麥草（Lolium perenne）、高羊茅（Festuca arundinacea）、蘇丹草（Sorghum vulgare）和柳枝稷（Panicum virgatum）等均對(duì)阿特拉津具有修復(fù)作用[41]。近年來，柳枝稷成為修復(fù)阿特拉津污染的候選植物，在包括柳枝稷在內(nèi)的多種草本植物的根和莖葉中均可以檢測到阿特拉津及其代謝物[42-43]，而且柳枝稷體內(nèi)的阿特拉津有94.3%被分解轉(zhuǎn)化為各種代謝物[44]，柳枝稷不僅可以吸收，還可以在滅菌的基質(zhì)中降解阿特拉津，特別是其葉片的降解能力較強(qiáng)。種植柳枝稷后阿特拉津的降解量顯著大于自然降解[45]。農(nóng)藥等污染物進(jìn)入植物體后，先被細(xì)胞溶質(zhì)結(jié)合并運(yùn)載及暫時(shí)儲(chǔ)存在液泡中，降解后進(jìn)入共質(zhì)體運(yùn)輸?shù)街参锲渌课?，或通過根外泌到根際，甚至通過植物葉片外排到大氣中[46-47]。此外，植物根際中農(nóng)藥的降解也是植被過濾帶去除農(nóng)藥的一個(gè)重要途徑。植物根系分泌物中含有多種酶，這些酶對(duì)含硝基等有機(jī)農(nóng)藥的降解起重要作用[48]，根際微生物可通過生物過程分解和降解污染物質(zhì)。通過比較14C標(biāo)記的阿特拉津在分別種植7種草本植物與不種植物土壤中的降解率表明，植物處理的根際土壤中阿特拉津的降解率與對(duì)照土相比增加了20%～45%[49]。這是由于根際土壤中微生物量、微生物活性及各種酶的活性均高于非根際土的緣故[39，45，49]。

3 影響植被過濾帶阻控效果的因素

植被過濾帶對(duì)農(nóng)藥的阻滯效果取決于水文條件（沉淀、滲透、地表徑流）、植被過濾帶設(shè)計(jì)（寬度、坡度、覆蓋植被的密度和高度）和農(nóng)藥的自身特征（Kd、Koc）等[26，50]。下面對(duì)研究較多的影響植被過濾帶阻控效果的主要因素分別進(jìn)行闡述。

3.1 植被過濾帶的設(shè)計(jì)

一般認(rèn)為，植被過濾帶的尺寸是影響其功能的主要因素[51]，過濾帶長度可以解釋其阻隔功能的60%[52]，過濾帶越寬效果越好。但考慮到植被過濾帶需要在保護(hù)地表水體的同時(shí)盡量小地占用耕地面積，創(chuàng)造更大的效益，許多田間研究使用了小于10 m長度的過濾帶[53]。但也有研究者認(rèn)為，植被過濾帶寬度不是減小徑流的最重要的影響因素之一[54]，而植被密度和入滲能力更加重要[55-56]。

3.2 氣候條件

氣候條件是影響植被過濾帶功能的另一個(gè)重要因素[13]。Klppel等通過人工模擬降雨研究表明，徑流強(qiáng)度越小，流出10 m草地過濾帶的徑流液中2，4-滴和異丙隆的濃度越小[56]。雨量和雨強(qiáng)越大，異丙甲草胺、二甲戊樂靈、特丁津的流失量越大[57]。許多研究也表明，阿特拉津流失量與徑流量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[19，23]。雨強(qiáng)和坡度均與地表徑流和土壤流失正相關(guān)[58]。

3.3 植物種類

植物種類對(duì)植被過濾帶的阻滯和去除效果有很大影響。生長迅速、分蘗密集且耐性強(qiáng)的草本植被過濾帶具有更強(qiáng)的攔截徑流和污染物的能力[26]。天然草種可形成大量的須根系，甚至深入土表3 m以下，從而形成比其他植被更大的表面積[59]。狼尾草的截留效果明顯好于野古草（Arundinella hirta），兩者相差2倍[58]。柳枝稷根際土壤中阿特拉津降解蟀達(dá)80%以上，顯著高于冰草、黑麥草、高羊茅和蘇丹草。羥基阿特拉津代謝物是阿特拉津在柳枝稷和高羊茅作用下的主要代謝產(chǎn)物，而其他草種中的代謝產(chǎn)物則以脫烷烴阿特拉津代謝物為主，這些也表明植物具有不同的代謝和解毒機(jī)制[44]。也有研究者認(rèn)為，草本植被更加適用于過濾阻控農(nóng)田徑流中的污染物[60]，而對(duì)于河濱帶，則應(yīng)用喬木或灌木[61]或喬、灌、草相結(jié)合的模式[62]。

3.4 其他因素

另外，植被過濾帶對(duì)農(nóng)藥的阻控效果還受農(nóng)田作物種類[63]、植被過濾帶使用時(shí)間[19]和土壤理化性質(zhì)（氧化還原潛勢、有機(jī)質(zhì)含量、土壤中粘土比例和分布等）[64]等的影響。植被過濾帶對(duì)泥沙和阿特拉津的攔截率隨時(shí)間延長呈逐漸降低的趨勢[19]。據(jù)報(bào)道，由于農(nóng)藥施用引起的2，4-二硝基酚污染物在土壤中的遷移行為受土壤類型和pH值的影響很大，黏粒含量高和pH值較低的土壤中2，4-二硝基酚更容易被吸附固定，其隨地表徑流向附近水體的遷移便減小了[65]。

4 應(yīng)用與建議

植被過濾帶作為一種成本低廉且富有成效的阻控農(nóng)業(yè)面源污染的生態(tài)工程措施，歐洲國家和美國將其作為一種流域管理的“最佳經(jīng)營措施”，美國農(nóng)業(yè)部還對(duì)植被過濾帶建設(shè)給予了部分資助[60]。我國以保持水土為目的的植被過濾帶已經(jīng)示范推廣并應(yīng)用在6個(gè)省份以上的坡耕地地區(qū)，西南丘陵區(qū)和黃土高原地區(qū)已成功推廣應(yīng)用近百萬公頃[66]。但將植被過濾帶作為控制農(nóng)業(yè)面源污染的技術(shù)研究還處于試驗(yàn)階段，實(shí)際應(yīng)用方面的工作開展得還很少。

綜合上述對(duì)植被過濾帶阻控農(nóng)藥污染的機(jī)理和影響因素，在植被過濾帶的實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：第一，植被過濾帶要選擇合適的寬度。在寬度設(shè)定時(shí)，要考慮實(shí)際土地坡度、當(dāng)?shù)赜陱?qiáng)、土壤質(zhì)地等因素以及投入成本。雖然植被過濾帶越寬，阻控效果越顯著，但占用的土地和投入的人力物力也越大。一般來講，坡度越大、降雨越強(qiáng)、土壤孔隙度越小，植被過濾帶寬度越大。第二，根據(jù)農(nóng)藥的特征和土壤的類型選擇合適的植物種類。草地過濾帶容易管理且投資較少，可以優(yōu)先考慮使用，并且優(yōu)先使用那些對(duì)農(nóng)藥吸收和降解能力較強(qiáng)的植物品種，如柳枝稷等。另外，對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量較低的沙質(zhì)土及Koc較小的農(nóng)藥，農(nóng)藥更加容易向下入滲，此時(shí)，最好用喬-灌-草的復(fù)合植被過濾帶。這是因?yàn)橐话悴莸刂脖桓递^淺，不能夠有效攔截地下側(cè)向流，而喬灌木可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。第三，植被過濾帶與合理的農(nóng)田耕作措施相結(jié)合。如少耕、免耕，減少對(duì)土壤的擾動(dòng)、降低土壤有機(jī)質(zhì)分解、保持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，從而減少地表徑流[23]。合理施用農(nóng)藥，施用時(shí)間與降雨間隔越長越好。第四，植被過濾帶與其他工程措施（如生態(tài)溝、人工濕地、排水渠等）搭配使用。

5 結(jié)論與展望

（1）植被過濾帶不僅可以保持水土、穩(wěn)固河岸、減少營養(yǎng)元素流失，還可以有效阻控農(nóng)藥面源污染，是一種經(jīng)濟(jì)、多贏的生態(tài)工程措施。（2）植被過濾帶阻控農(nóng)藥面源污染的機(jī)理是通過減小徑流和保持水土，減緩徑流流速、延長農(nóng)藥沉積與吸附時(shí)間，增加入滲，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物活性，加速農(nóng)藥降解及植物對(duì)農(nóng)藥的吸收與分解。（3）影響植被過濾帶阻控農(nóng)藥污染的因素有植被過濾帶寬度、氣候條件、植被密度和植物種類，以及農(nóng)田耕種的作物種類、土壤理化性質(zhì)和農(nóng)藥特征等。（4）應(yīng)用方面，植被過濾帶的寬度要首先考慮，因?yàn)檫^濾帶寬度直接影響到建設(shè)成本和經(jīng)濟(jì)收益。應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，綜合土地坡度、氣候、農(nóng)藥特征、土壤性質(zhì)等選擇合適的過濾帶寬度及植被類型或組合。并且與合理的農(nóng)田耕作措施（免耕、少耕）和其他生態(tài)工程（人工濕地等）相結(jié)合。

雖然已經(jīng)有許多報(bào)道表明，植被過濾帶可以通過植物吸收、降解和過濾等途徑有效阻控農(nóng)藥污染，但農(nóng)藥及代謝產(chǎn)物在植被過濾帶中的環(huán)境歸趨的研究仍然很少，以及農(nóng)藥在植物根際及體內(nèi)的代謝機(jī)制依然不清楚；植被過濾帶對(duì)農(nóng)藥污染的阻控研究主要集中于草地植被過濾帶，關(guān)于復(fù)合植被過濾帶的研究還鮮有報(bào)道。相關(guān)研究還須進(jìn)一步擴(kuò)展和深入。

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