滨岸缓冲带控制农田氮磷流失的作用和机理研究_卜晓莉

第 38 卷第 7 期 2013 年 7 月
卜晓莉等·滨岸缓冲带控制农田氮磷流失的百度文库用和机理研究
Vol. 38 No. 7 July 2013
助硝态氮的彻底清除。Hefting 等［7］研究发现荷兰 东部地区缓冲带对地下水硝态氮的去除在冬季和夏 季没有明显差异，这也间接证明了硝态氮的主要去 除机理不是植物吸收，而是反硝化作用。 3． 2 滨岸缓冲带对磷的截留转化机理
Abstract： Losses of nitrogen and phosphorus from agricultural fields is one of the major factors responsible for eutrophication of lakes and rivers，brining a series of problems in environment，economy and society． In recent years，the interception efficiency and mechanism of pollutants by riparian buffer strip have become research focus． In this paper，the function and role of the riparian buffer zone in agricultural non － point source pollution prevention are introduced． The retention mechanism of nitrogen and phosphorus in riparian buffer zone and the application of stable isotope technique in the study of mechanism are discussed． The control factors of riparian buffer zone interception transformation of nitrogen and phosphorus are analyzed． Future research frontiers are also proposed based on the summary and analysis．
近年来，国内湖泊水域污染日益严重，直接影响 到环境质量与人类健康，引起各级政府和学术界的 广泛关注。湖泊水体主要污染物为氮磷等营养盐和 耗氧有机物，农业面源污染是造成湖泊水质恶化的 主要原因之一。因而从控制农业面源污染物流失的
收稿日期： 2013 － 04 － 07 基金项目：“十一五”国家科技支撑计划（ 2008BAJ10B04 ） ； 林业公益
（ 4） 植物吸收。滞留在土壤中的氮素扩散到植 物根区时，植 物 根 系 吸 收 氮，将 其 同 化 为 自 身 的 组 织，但大部分氮会随着植物组织的衰老和凋落回归 土壤［12，15］。虽然如此，植物吸收依然被认为是缓冲 带截留转化氮素的重要机理，因为它改变了氮素的 存在位置，从土壤和地下水中吸收氮素养分，转运 到植物体内形成有机氮，通过凋落、死亡等输送到地 表，经过矿化分解产生大量无机氮及可利用碳，为 反硝 化 作 用 创 造 条 件［9］。 另 外，植 物 优 先 吸 收 NH4+ ，这归因于 NH4+ 同化较 NO3－ 同化需要较少的 能量［11，37］。
Key words： losses of nitrogen and phosphorus from agricultural fields； riparian buffer strip； retention mechanism； stable isotope technique； control factors
（ 5） 微生物硝化 /反硝化作用。滨岸缓冲带地 下水位的波动导致缓冲带土壤内部干湿交替，从而 形成大量好氧 － 缺氧 － 厌氧土水微界面，有利于土 壤中的各种细菌生长，使铵态氮氧化成硝酸盐或亚 硝酸盐，然 后 在 反 硝 化 菌 的 作 用 下 还 原 为 气 态 氮 （ N2 ，N2 O） 溢出。反硝化作用是将氮素从地下水中 永久清除的最佳途径［17］。Vidon 和 Hill 研 ［22］ 究表 明，缓冲带地下水反硝化反应发生需要具备的条件 为： 溶氧浓度低于 2 ～ 3 mg·L － 1 ，溶解性有机碳含 量大于 5 mg·L － 1 ，氧化还原电位在 + 100 ～ + 400 mv 之间。Balestrini 等［1］研究了意大利北部地区，宽 度为 5 ～ 8 m 的植被缓冲带，结果发现反硝化作用 是地下水硝态氮去除的主要机理，植物吸收可以帮
性行业 科 研 专 项 （ 201104002 ） ； 国 家 科 技 支 撑 计 划 课 题 （ 2011BAD38B404） 作者简介： 卜晓莉（ 1980 － ） ，女，博士，实验师，主要从事土壤生态学 和污染生态学研究。 通讯联系人： 薛建辉
途径入手，最大限度地拦截其在农田径流和地下水 中的迁移对防止农业面源污染具有重要意义。作为 最佳管理措施之一，植被缓冲带在控制农业面源污 染方面的作用和功能，已得到广泛认可［2］。
（ 1． 南京林业大学 理学院，江苏 南京 210037； 2． 南京林业大学 江苏省林业生态工程重点实验室，江苏 南京 210037）
摘 要： 农田面源氮磷的流失是导致河流湖泊等水体产生富营养化的主要原因之一，其带来的环境、经济及社
会问题已引起国内外广泛关注。近年来，关于滨岸缓冲带截留污染物的效率和机理已成为研究热点。文章介
绍了滨岸缓冲带在农业面源污染防治上的功能和作用，论述了滨岸缓冲带对氮磷养分的截留转化机理以及稳
定同位素技术在机理研究中的应用，讨论了影响滨岸缓冲带截留转化氮磷养分的调控因子，在此基础上就目前
滨岸缓冲带控制农田氮磷流失研究中存在的问题提出了未来的研究展望。
关键词： 农田面源氮磷流失; 滨岸缓冲带; 截留转化机理; 稳定同位素技术; 调控因子
·31·
第 38 卷第 7 期 2013 年 7 月
卜晓莉等·滨岸缓冲带控制农田氮磷流失的作用和机理研究
Vol. 38 No. 7 July 2013
关［33］。焦平金等［35］研究了淮北平原不同作物类型 下（ 玉米、棉花、黄豆） 农田地表径流氮磷的流失规 律。结果表明，对具有较高植被覆盖度的黄豆和棉 花地而言，可溶性氮磷是农田氮磷径流流失的主要 形式，可 溶 性 氮 中 又 以 NO3－ － N 为 主，占 总 氮 的 44. 1% ～ 46. 3% ； 而玉米地中颗粒态氮和可溶性磷 分别 是 农 田 氮 磷 径 流 流 失 的 主 要 形 式。王 朝 辉 等［27］和陈晓 群 等［30］ 调 查 发 现，菜 地 土 壤 经 过 多 年 的蔬菜种植出现了明显的 NO3－ － N 累积特征，由于 NO3－ － N 不易被土壤胶体吸附，当遇到较大的降雨 或灌溉时，土壤中累积的 NO3－ － N 极易随着地表径 流和地 下 渗 漏 流 失，从 而 导 致 水 体 的 富 营 养 化。 Van 等［23］研究表明，由于土壤基质的吸附作用，荷 兰东南部农业区，地下水中检测到的总磷（ Pt ） 和正 磷酸盐（ PO34 － － P） 的浓度分别低于检测下线 0. 06 mg·L － 1 和 0. 055 mg·L － 1 ，因此磷对这一地区地下 水污染的影响可以忽略不计。
第 38 卷第 7 期 2013 年 7 月
环境科学与管理 ENVIＲONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENT
文章编号： 1674 － 6139（ 2013） 07 － 0031 － 05
Vol. 38 No. 7 July 2013
滨岸缓冲带控制农田氮磷流失的作用和机理研究
卜晓莉1 ，薛建辉2
（ 2） 渗透。Mankin 等［14］研究发现地表径流中 氮的去除效率跟地表径流渗透率密切相关。缓冲带 内深厚的枯落层和疏松的土壤结构有利于地表水下 渗，并促进溶解性氮随水渗透到更深层土壤，降低 地表径流对可溶性氮的转运能力，可为植物吸收、 土壤吸附、反硝化作用创造条件［18］。
（ 3） 土壤吸附。缓冲带土壤中植物根孔的形成 有利于土壤过滤作用的增强和吸附容量的扩大［25］。 土壤颗粒和土壤胶体对 NH4+ － N 具有很强的吸附 作用，使得大部 NH4+ － N 吸附于表面，成为不易移 动的结合态氮，从而保存在土壤中，而土壤胶体对 NO3－ － N 的吸附能力很低。因此，硝酸盐容易被淋 溶到 地 下 水 中，是 造 成 地 下 水 氮 污 染 的 主 要 原因［28］。
1 农田氮磷流失的形式与途径
由于农业生产活动中过量施用化肥，造成氮磷 等营养物通过农田地表径流和地下渗漏污染水环 境［32］。农田土壤 氮 磷 流 失 的 形 式 与 通 量 与 当 地 的 降雨情况（ 雨量、雨强、降雨时间分布等） 、施肥状况 （ 肥料种类、数 量 等） 、地 形 地 貌 特 点、植 被 覆 盖 条 件、土壤条 件 及 人 为 管 理 措 施 等 多 种 因 素 密 切 相
磷在缓冲带内的截留机理与氮的不同之处在于 磷元素没有发生化合价的变化，磷的截留转化主要 是通过物理过程（ 包括沉淀、渗透和土壤吸附） 和植 物吸收来实现的，其中沉淀与土壤吸附被认为是磷 去除的主要方式［11，16］。
4 影响滨岸缓冲带截留转化氮磷养分的调 控因子
（ 1） 植被状况 许多研究表明，草地和森林缓冲带均能有效地 截留转化来自农田径流和地下水中的氮磷营养元 素。Schoonover 等［18］研究表明，森林缓冲带能够去 除地表径流中 97% 的硝态氮（ NO3－ － N） 、74% 的氨 态氮（ NH4+ － N） 和 78% 的 正 磷 酸 盐 （ PO34 － － P） 。 Mankin 等［14］研究表明，灌木 － 草复合缓冲带能够 去除地 表 径 流 中 99. 7% 的 总 悬 浮 固 体 颗 粒 物、 91. 8% 的 总 磷 和 92. 1% 的 总 氮。 Duchemin 和 Hogue［5］研 究 表 明，草 地 和 林 草 复 合 缓 冲 带 对 污 染 物的去除 效 率 没 有 明 显 差 异，减 少 径 流 量 35% ～ 40% ，总悬浮固体 85% ～ 87% ，总磷 85% ～ 86% ，可 溶性 磷 57% ～ 64% ，铵 态 氮 47% ～ 57% ，硝 态 氮 30% ～ 33% ； 然而，研究也发现林草复合缓冲带对地 下水中 硝 态 氮 和 铵 态 氮 的 去 除 率 分 别 为 68% 和 11% ，均高于草地缓冲带。这主要归因于两点： 第 一，森林缓冲带具有较多的可利用有机碳，使得反 硝化作用更为强烈； 第二，森林植被根系分布范围更 广，增加了植物吸收范围。 缓冲带对氮磷的截留转化效率还与植被带宽度 密切相关。缓 冲 带 越 宽，对 泥 沙、污 染 物 的 截 留 效 果越 好，但 随 着 宽 度 增 加，截 留 效 果 的 增 速 减 缓［20，34］； 同时增大宽度就要占用更多土地、投入更 多人力物力，所以如何根据具体立地条件，确定一 个合适 的 宽 度 很 重 要。陈 金 林 等［30］ 的 研 究 表 明， 杨树适于太湖地区营造水环境保护林，且农田与林 带宽度比例（ 10 ～ 15） ∶ 4 或（ 15 ～ 20） ∶ 6 较为合 理，这种模 型 既 能 少 占 耕 地，又 能 有 效 地 净 化 水 质。Syversen［20］的研 究 也 发 现，无 论 是 森 林 还 是 草
3 滨岸缓冲带对氮磷养分的截留转化机理
3． 1 滨岸缓冲带对氮的截留转化机理 （ 1） 沉淀。当地表径流发生时，吸附在土壤颗
粒物表面的氮随径流发生迁移，颗粒吸附态氮随地 ·32·
表径流进入滨岸缓冲带后，缓冲带植被使径流阻力 增加，水流速度降低，径流中的颗粒物发生沉淀，颗 粒态氮也随之固持在缓冲带上［4］。
中图分类号： X592
文献标识码： A
Effect and Mechanism of Nitrogen and Phosphorous Losses
from Agricultural Fields in Ｒiparian Buffer Strips
Bu Xiaoli1 ，Xue Jianhui2
（ 1． Faculty of Science，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China； 2． Jiangsu Key Laboratory of Forestry Ecological Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）
2 滨岸缓冲带在农业面源污染防治上的 应用
国外的研究与实践表明，利用植物体系构建滨 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［19］，其主要功能是拦截由 坡地地表径流和地下水所携带的沉积物、养分、有机 质、杀虫剂及其它污染物进入河湖系统［31］。近年来 国外在滨岸缓冲带植被结构、功能和管理研究方面 开展了许多工作，相比之下，国内才刚刚起步。Lee 等［10］研究发现，6 m 宽的草地缓冲带能够去除径流 中 77% 的沉积物、46% 的总氮、42% 的硝态氮、52% 的总磷和 34% 的溶解性磷。Vidon 和 Hill［22］在加拿 大南部地区温带气候条件下的研究证明，森林和草 地缓冲带对地下水中硝态氮的去除率均大于 90% 。 李国栋等［36］的研究表明，太湖滨岸 10 m 宽生态草 带对径 流 总 氮 和 总 磷 的 拦 截 效 率 分 别 为 42% ～ 91% 和 30% ～ 92% ，且对颗粒态氮磷的拦截效率大 于可溶态氮磷。