劉長(zhǎng)娥，付子軾，2*，周 勝，2，宋祥甫，2，劉婭琴，2，劉福興，2，鄒國(guó)燕，2，董家華

(1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，上海201403；2上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海201415；3南京信息工程大學(xué)雷丁學(xué)院，南京 210044)

大氣氮沉降是指大氣中的活性氮通過各種途徑，從大氣轉(zhuǎn)移到地表的過程。就全球范圍來(lái)看，目前大氣氮沉降的平均值為每年5 kghm2，其中歐洲為每年10 kghm2，北美為每年26 kghm2，亞洲為每年7 kghm2；我國(guó)大氣氮沉降量為每年5.1—25.6 kghm2，而太湖地區(qū)為每年27.6 kghm2[1-6]，遠(yuǎn)超我國(guó)及其他國(guó)家平均水平，已經(jīng)成為世界高氮沉降區(qū)之一。大氣氮沉降的增加，已造成了一些地區(qū)水域氮富積和陸地生態(tài)系統(tǒng)“氮飽和”，嚴(yán)重威脅著水體和陸地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展[7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，太湖水質(zhì)從20世紀(jì)70年代到90年代下降了2—3個(gè)級(jí)別，富營(yíng)養(yǎng)化水面達(dá)到40%。太湖水體富營(yíng)養(yǎng)化中，氮是主要因素[8-9]，因此減少氮的輸入是減輕太湖污染的關(guān)鍵。

太湖是蘇、浙、皖、滬等地區(qū)諸多大城市重要的供水水源地和淡水資源來(lái)源地，近幾十年來(lái)，隨著太湖流域人為活動(dòng)的日益加劇、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及農(nóng)村建設(shè)使太湖緩沖帶的生態(tài)功能和結(jié)構(gòu)受到干擾和破壞。Hill等[10]研究指出，湖岸帶生態(tài)系統(tǒng)退化直接導(dǎo)致其蓄藏和攔截過濾功能的喪失是造成河流和湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的一個(gè)重要原因。草林復(fù)合系統(tǒng)泛指由草地和森林(多年生木本植物，如喬木、灌木、竹類等)在空間上有機(jī)結(jié)合而形成的復(fù)合型土地利用方式。近年來(lái)，隨著生態(tài)環(huán)境綜合治理的需要，作為一個(gè)重要的生態(tài)治理措施，草林復(fù)合系統(tǒng)日益受到人們的重視，并被廣泛應(yīng)用于生態(tài)保護(hù)和環(huán)境改善領(lǐng)域。草林復(fù)合系統(tǒng)是太湖緩沖帶重要的組成部分，占整個(gè)緩沖帶長(zhǎng)度的15.9%，自然的草林系統(tǒng)多由林木與自然雜草構(gòu)成，年復(fù)一年堆積的大量枯枝落葉，形成了較大的污染源[11]，在降雨的脅迫下不但起不到應(yīng)有的凈化作用，還加速了流經(jīng)緩沖帶河流的污染，嚴(yán)重削弱了緩沖帶的污染攔截作用。

太湖的污染防治一直以來(lái)備受關(guān)注，鑒于緩沖帶草林復(fù)合系統(tǒng)植被生長(zhǎng)現(xiàn)狀以及自身污染情況，進(jìn)行緩沖帶污染控制和生態(tài)修復(fù)是污染防治的主要措施之一，而了解不同草林復(fù)合系統(tǒng)攔截與阻滯氮流失的特征，是進(jìn)行生態(tài)修復(fù)與污染防治的重要前提。

太湖是高氮沉降區(qū)，降雨沉降氮對(duì)加速緩沖帶草林復(fù)合系統(tǒng)氮飽和具有重要的作用。本研究選取幾種不同林分密度與林下草被種類組合的草林復(fù)合系統(tǒng)，通過分析不同草林復(fù)合系統(tǒng)對(duì)降雨沉降氮的阻滯特征，了解草林復(fù)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)功能的影響，進(jìn)而篩選出氮阻滯效能高的草林復(fù)合系統(tǒng)，為生態(tài)修復(fù)與污染防治提供支撐，以提升緩沖帶的生態(tài)功能，有效地將氮、磷滯留在陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)之中，降低氮、磷隨降雨徑流進(jìn)入湖泊水體的風(fēng)險(xiǎn)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于太湖西岸的周鐵地區(qū)，屬長(zhǎng)江三角洲太湖水網(wǎng)化平原，沿太湖有長(zhǎng)達(dá)22.3km的湖岸線。研究區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，季節(jié)鮮明，日照充足，無(wú)霜期長(zhǎng)。研究區(qū)域年平均降水量1 210.4mm，其中，春季降水量占全年的29%，夏季占36%，秋季占22.5%，冬季占12.5%；全年約49%的雨量集中在6—9月，以6月最多；年平均氣溫為15.6℃，受太湖水氣的影響，空氣平均濕度較大，晝夜溫差較小。

研究區(qū)域的土壤有3種類型，分別為水稻土、潮土和黃棕壤，試驗(yàn)區(qū)域主要為潮土。區(qū)域內(nèi)草林復(fù)合植被，樹木種類主要有香樟(Cinnamomumcamphora)、臭椿(Ailanthusaltissima)、楝樹(Meliaazedarach)；林下自然草被有葎草(Humulusscandens)、杠板歸(Polygonumperfoliatum)、小飛蓬(Comnyzacanadensis)、紫菀(Radixasteris)、看麥娘(AlopecurusaequalisSobol)。根據(jù)相關(guān)研究的需要，在部分林下清除雜草，種植白三葉(Trifoliumrepens)、紅花酢漿草(Oxaliscorymbosa)、麥冬(Ophiopogonjaponicus)和馬蹄金(DichondraerpensForst)草坪。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1 試驗(yàn)小區(qū)建立

在草坪種植的次年(2015年)，植物生長(zhǎng)穩(wěn)定后，根據(jù)林分密度和草被種類選取不同草林復(fù)合類型處理，分別為疏林麥冬、密林麥冬、疏林馬蹄金、密林雜草和密林裸地。每個(gè)處理分別以胸徑相近的樹木為中心，按2m×2m建立了徑流小區(qū)，重復(fù)3次，小區(qū)內(nèi)設(shè)置不同深度(20cm、40cm、80cm)土壤水收集器和有機(jī)質(zhì)層A0(0—5cm)滲透水采集器。

1.2.2 降雨試驗(yàn)準(zhǔn)備

利用天然降雨進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，采用上海氣象局生產(chǎn)的虹吸式雨量計(jì)進(jìn)行降水量與降雨強(qiáng)度的記錄。為取得完整可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在降雨前將徑流收集桶埋設(shè)在其相應(yīng)的收集裝置中，上覆塑料膜，將徑流管插入桶內(nèi)，同時(shí)徑流管也采取塑料膜覆蓋，防止降雨直接進(jìn)入。在試驗(yàn)區(qū)附近的屋頂放置虹吸式雨量計(jì)，在疏林和密林下分別放置3個(gè)與雨量計(jì)直徑相近的塑料桶，用于承接雨水。降雨停止后，對(duì)每個(gè)小區(qū)不同時(shí)段的大氣降水(所接收的雨水)、地表降雨徑流、地下徑流以及區(qū)域大氣降水進(jìn)行取樣，分析水中氮含量。

降雨強(qiáng)度采用氣象部門的等級(jí)劃分，根據(jù)降水量，劃分為小雨(≤2.5mmh)、中雨(2.6—8mmh)、大雨(8.1—15mmh)、暴雨(≥16mmh)。

1.2.3 取樣與分析

降雨結(jié)束后，對(duì)各區(qū)域設(shè)施中的水樣進(jìn)行抽取，分離漂浮物(植物殘?bào)w)和泥沙，對(duì)雨水和地表徑流水的量進(jìn)行測(cè)量記錄，然后混勻，取少量樣品按編號(hào)分類裝瓶，帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。

大氣氮濕沉降的計(jì)算公式為：TNps=P×A×Nps，式中，TNps為大氣氮濕沉降量(mg)，P為大氣降水量(mm)，A為小區(qū)面積(m2)，Nps為降水氮含量(mgL)，由虹吸式雨量計(jì)在林外收集的大氣降水。

草林復(fù)合系統(tǒng)氮沉降的計(jì)算公式為：TNgs=G×A×Ngs，式中，TNgs為草林復(fù)合系統(tǒng)氮沉降量(mg)，G為林內(nèi)降水量(mm)，A為小區(qū)面積(m2)，Ngs為林內(nèi)降水氮含量(mgL)，在疏林與密林內(nèi)收集的大氣降水。

林木沉積氮量(mg)=草林復(fù)合系統(tǒng)氮沉降量(mg)-大氣氮濕沉降量(mg)。

按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)進(jìn)行水樣中相關(guān)元素的分析，其中，氮含量采用過硫酸鉀消解紫外分光廣度法測(cè)定；硝態(tài)氮濃度采用飽和CaSO4溶液提取-雙波長(zhǎng)分光光度法測(cè)定；銨態(tài)氮濃度采用KCl浸提-比色法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，采用單因素方差分析不同草林系統(tǒng)的差異性(P<0.05)，利用Excel 2007進(jìn)行相關(guān)圖表的制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草林復(fù)合系統(tǒng)氮沉降特征

草林復(fù)合系統(tǒng)氮沉降主要指由降雨攜帶及林木沉積氮隨降雨一同進(jìn)入系統(tǒng)的氮含量，因降雨強(qiáng)度、大氣沉降攜帶氮含量和林分密度的不同，不同草林復(fù)合系統(tǒng)的氮沉降輸入量不同。由圖1可見，7月初草林復(fù)合系統(tǒng)氮的沉降輸入量較高，其次是4月，而6月下旬和9月初氮沉降輸入量較少。沉降的氮一部分進(jìn)入地下系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)，一部分隨地表徑流輸出，受不同草林復(fù)合系統(tǒng)植物生長(zhǎng)特征的影響，地表徑流氮輸出量不同?？傮w而言，密林草林復(fù)合系統(tǒng)氮輸出量較高，其中，以密林雜草地最高。

沉降輸入草林復(fù)合系統(tǒng)中的氮，一部分是大氣降雨中本身攜帶的氮，一部分是干沉降沉積于林木上的氮，在降雨的沖刷下隨雨水一同進(jìn)入系統(tǒng)。由圖2可見，不同時(shí)期林木沉積氮占的比例不同，初期大氣降雨沉積的氮含量占沉降輸入氮的50%以上，隨著降雨次數(shù)的增加，林木沉積的氮量趨于減少。9月份林木沉積氮含量的增加有待于進(jìn)一步考證。

2.2 草林復(fù)合系統(tǒng)氮沉降阻滯解析

2.2.1 不同草林復(fù)合系統(tǒng)降雨沉降氮含量隨地表徑流的變化

降雨攜帶氮進(jìn)入不同草林復(fù)合系統(tǒng)，受干沉降與植被生長(zhǎng)特征的影響，不同草林復(fù)合系統(tǒng)地表徑流氮含量普遍高于濕沉降氮含量，主要原因是受草林系統(tǒng)本身氮含量的影響。由圖3可見，6月下旬草林復(fù)合系統(tǒng)氮溶出量多，徑流中氮含量較高，尤其以密林雜草系統(tǒng)最為明顯，這一時(shí)期溫濕度較高，大量累積的落葉與枯死的早春植物在高溫高濕的環(huán)境下腐爛釋放養(yǎng)分，導(dǎo)致系統(tǒng)氮含量急劇增加，在降雨的沖刷下隨徑流流失。

由表1可見，降雨沉降與地表徑流氮的成分組成不同，降雨沉降中氮主要以NH+4形式存在，而地表徑流中氮主要以NO-3形式存在。植物在生長(zhǎng)過程中更傾向于利用NH+4作為氮源[12]，地表徑流在經(jīng)過草地的過程中NH+4被植物吸收利用，在某種程度削減了徑流水中NH+4含量。另外，植物的種類與密度對(duì)NH+4的吸收利用程度也有一定影響。

表1 沉降與地表徑流NH+4與 NO-3組成比例

2.2.2 不同草林復(fù)合系統(tǒng)降雨沉降氮含量隨地下徑流的變化

降雨攜帶氮進(jìn)入不同草林復(fù)合系統(tǒng)，大部分進(jìn)入地下系統(tǒng)，土壤表層在降雨的沖刷下，氮元素被溶出，其量的多少一方面受該層枯落物量、種類和土壤累積氮含量的影響，另一方面也受植被生長(zhǎng)吸收的影響[13-14]。

由圖4可見，疏林麥冬有機(jī)質(zhì)層(A0)氮含量普遍較密林麥冬低，主要是因?yàn)槊芰蛀湺孛娣e累的落葉較多；疏林馬蹄金較疏林麥冬有機(jī)質(zhì)層氮含量低，是因?yàn)轳R蹄金本身的凋落物較麥冬少，土壤表層積累的枯落物量少。密林裸地有機(jī)質(zhì)層氮含量普遍較密林麥冬和密林雜草高，主要是因?yàn)槿狈χ参锏纳L(zhǎng)吸收。而密林雜草在植物生長(zhǎng)初期有機(jī)質(zhì)層氮的析出低，是因?yàn)槌跗谠绱褐参锓N類豐富，生長(zhǎng)旺盛，養(yǎng)分被植物吸收利用；隨著早春植物的不斷死亡與積累，夏季形成較厚的枯落物層，在降雨的沖刷下腐爛釋放大量養(yǎng)分，導(dǎo)致表層滲透水中氮含量較高。

隨著土壤深度的增加，進(jìn)入土壤-植物系統(tǒng)的氮逐步減少，尤其以土層20cm效果最為明顯(圖4)。這是因?yàn)?0cm土壤深度是植物根系集中分布區(qū)域，植物根系的吸收與微生物的作用對(duì)氮含量的降低具有重要影響。由表2可見，相同類型的草林復(fù)合系統(tǒng)中，隨著土壤深度的變化，地下徑流中NH+4與NO-3的組成比例不同；不同類型的草林復(fù)合系統(tǒng)中，相同深度地下徑流水中NH+4與NO-3的組成比例亦不同，主要受不同種類植被的養(yǎng)分吸收與釋放特征以及土壤理化性質(zhì)的影響。 NO-3因不易被帶負(fù)電荷的土壤顆粒固定，密林裸地土壤的地下徑流中NO-3占的比例較大。

表2 不同草林復(fù)合系統(tǒng)地下徑流中NH+4與NO-3組成比例

2.2.3 不同草林復(fù)合系統(tǒng)對(duì)氮的消納效能

草林復(fù)合系統(tǒng)對(duì)徑流中氮的消納一方面是土壤-植物系統(tǒng)對(duì)氮的攔截與吸附作用，另一方面是系統(tǒng)對(duì)徑流水的入滲作用。小雨、中雨、大雨、暴雨情況下，草林復(fù)合系統(tǒng)對(duì)降雨的攔截率分別為64%、42%、29%、30%。降水量在50mm以內(nèi)，草林復(fù)合系統(tǒng)對(duì)徑流的入滲率平均達(dá)到90%以上，隨徑流進(jìn)入土壤-植物系統(tǒng)的氮，通過系統(tǒng)的消納，在地下80cm深處得到大幅度削減，除密林雜草外，基本達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)， 有效阻止了徑流攜帶氮的輸出。

如果僅按降雨沉降輸入計(jì)算各草林復(fù)合系統(tǒng)的氮磷平衡狀況，疏林麥冬、密林麥冬、疏林馬蹄金、密林雜草、密林裸地對(duì)氮的平均截留率分別為96.9%、91.9%、96.9%、77.0%和93.0%，草坪林木組合比雜草林木組合氮的截留率高16—20個(gè)百分點(diǎn)，其中以疏林麥冬與疏林馬蹄金對(duì)氮的截留效果較好。研究表明，適宜的草林結(jié)構(gòu)與種類選擇對(duì)徑流污染攔截具有重要的作用。

3 討論

3.1 草林復(fù)合系統(tǒng)對(duì)陸域面源污染物的截留作用

利用不同植物體系構(gòu)建的草林復(fù)合植被緩沖帶，是截留陸域面源污染物、改善水質(zhì)的有效手段，是水土保持綜合治理的根本措施，也是最為經(jīng)濟(jì)有效和長(zhǎng)久穩(wěn)定的措施。以往研究表明，不同類型、不同發(fā)育階段的草林復(fù)合系統(tǒng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攔截凈化效率差異較大，如對(duì)氮的截留率從3%—50%不等[15-17]。草林復(fù)合系統(tǒng)主要通過滲透過程、吸附過程和轉(zhuǎn)化過程實(shí)現(xiàn)對(duì)陸域面源污染物的截留作用，有研究發(fā)現(xiàn)緩沖帶對(duì)地表徑流中養(yǎng)分和污染物的清除主要發(fā)生在土壤中，滲透到土壤中的氮、磷主要通過植物吸收、土壤吸附、微生物轉(zhuǎn)化等方式實(shí)現(xiàn)截留凈化[18-22]。

本研究中林下種植草坪的地下根系分布有利于疏導(dǎo)徑流進(jìn)入地下系統(tǒng)，從而促使污染物在土壤-植物系統(tǒng)進(jìn)行消納，極大地減少了氮聚集地表隨地表徑流攜帶輸出的風(fēng)險(xiǎn)。植被過濾帶對(duì)污染物的吸附?jīng)Q定于水流與土壤、植被等吸附位點(diǎn)的接觸面。疏林草坪組合，草坪地表占有比例較大，能夠有效減緩和降低雨滴降落時(shí)對(duì)土壤的沖擊，增加徑流水中污染物質(zhì)與其他介質(zhì)間的相互作用，有效攔截地表徑流。土壤的下滲能力越大，緩沖帶截留污染的效果就越好，經(jīng)過濾帶截留下來(lái)的污染物再通過植物吸收、微生物代謝、光解、水解等一系列生物化學(xué)和化學(xué)過程完成進(jìn)一步的降解轉(zhuǎn)化[23-25]。

植物吸收是草林復(fù)合植被緩沖帶截留氮的主要機(jī)理之一。草坪為多年生植物，生長(zhǎng)期長(zhǎng)，根系較一年生雜草發(fā)達(dá)，根區(qū)微生物活性高，在生長(zhǎng)過程中，伴隨著一系列的生理生態(tài)過程，在水質(zhì)凈化與攔截污染物方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，能夠吸收更多的養(yǎng)分。

3.2 草林復(fù)合系統(tǒng)對(duì)沉降氮的阻滯作用

草林復(fù)合系統(tǒng)對(duì)沉降氮的阻滯包括植被空間結(jié)構(gòu)對(duì)降雨及氮的攔截與吸收以及土壤不同深度對(duì)降雨及氮的沉降與吸附，這種阻滯受植物的生長(zhǎng)、形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、物種組成、凋落物分解、土壤理化性質(zhì)等影響。

草林復(fù)合系統(tǒng)中林木茂盛枝葉的阻擋顯著減少了進(jìn)入地面的降水量，可以有效減少降雨對(duì)地表的沖擊而導(dǎo)致的水土流失量，其阻滯程度隨降雨強(qiáng)度而不同，雨量越大，阻滯作用越小。隨降雨沉降輸入草林系統(tǒng)中的氮，部分被林木濃密的枝葉承接與吸附，林木對(duì)氮的沉積有效減緩了大氣沉降污染物的循環(huán)進(jìn)程，促進(jìn)污染物在陸地系統(tǒng)進(jìn)行消納，減輕污染輸出進(jìn)入水體的風(fēng)險(xiǎn)，降低湖泊水體污染負(fù)荷。

降雨攜帶養(yǎng)分在穿透林木時(shí)，一部分被林木的枝葉與樹干吸收，一部分進(jìn)入地下系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)，剩余部分則隨地表徑流輸出。其中，沉降輸入的氮大部分是在地下系統(tǒng)被消納，主要原因是氮隨地下徑流在地下系統(tǒng)緩慢下滲的過程中，能夠有效接觸土壤與植物根系，延長(zhǎng)了氮與各組分的生物化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，土壤中的反硝化細(xì)菌可將硝酸鹽還原，釋放分子態(tài)氮或N2O，返回大氣，使氮吸附與去除更徹底，氮濃度得到大幅度削減。有研究認(rèn)為土壤的反硝化作用是去除氮的主要途徑，受土壤水勢(shì)、土壤pH、溫度以及不同氣候條件的影響[26]。

4 結(jié)論

湖泊緩沖帶草林復(fù)合系統(tǒng)能夠有效地將氮保留在陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)之中，降低氮隨降雨徑流進(jìn)入湖泊水體的風(fēng)險(xiǎn)，其主要作用在于草林復(fù)合系統(tǒng)對(duì)徑流的滲透作用及對(duì)氮的吸收與吸附作用，具體表現(xiàn)在以下幾方面：(1)適宜的林木與草被配置有利于降雨徑流的入滲，草林復(fù)合系統(tǒng)入滲率可達(dá)90%以上，有效減少?gòu)搅鲾y帶氮的輸出風(fēng)險(xiǎn)；(2)降雨攜帶氮進(jìn)入草林復(fù)合系統(tǒng),在土壤-植物系統(tǒng)各組分的作用下，氮含量得到大幅度削減，地下徑流水可達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)；(3)沉降氮進(jìn)入草林復(fù)合系統(tǒng),氮的截留率達(dá)到77%以上，其中，以疏林麥冬與疏林馬蹄金氮的截留率較高，達(dá)到96.9%，通過地表徑流輸出的氮大幅度減少。