草林复合植被缓冲带结构功能及净化机理研究综述_王秋光

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中国水土保持 SWCC 2013 年第 6 期
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草林复合植被缓冲带结构功能 及净化机理研究综述
2 王秋光1, , 李永峰1 , 李春华2 , 叶
春2 , 陈小刚2
( 1. 东北林业大学, 黑龙江 哈尔滨 150040 ; 2. 中国环境科学研究院 湖泊工程技术中心 / 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012 )

草林复合系统的机械效应指植被通过其枝干和根 系与土壤的机械作用, 增加根际土层的机械强度, 加固 土壤, 稳固岸坡[10]。根系对土壤的增强作用是植被稳 固土壤最有效的机械途径, 草本及灌木的枝叶和根系 集中分布于土壤表面, 能够在较大程度上控制由水流 造成的岸坡表层物质迁移。 2. 2 过滤径流、 净化水质 草林复合植物缓冲带可以通过过滤、 滞留、 吸收、 渗透、 沉积等物理、 化学和生物效应降低农地径流、 废 水和地下水的污染物毒性及污染程度。 首先, 地表径 流到达草林复合植被缓冲带后, 密集的草本植物会增 减缓流速; 其次, 地表粗糙多孔、 植物根系 大水流阻力、 密集, 两者共同作用提高了表层土壤的透水性, 加速了 径流入渗, 从而减少了径流量, 径流中的泥沙也因此沉 积下来
[ 基金项目] 国家水体污染控制与治理科技重大专项( 2012ZX07101 - 009 )
稳固河岸 过滤沉淀物、 营养物质、 杀虫剂 过滤地表径流中营养物质、 杀虫剂和微生物 保护地下水和饮用水的供给 改善水生生物栖息地 遏制洪水
低 高 高 低 低 低
2. 1
保持水土、 稳固堤岸 草林复合植被缓冲带作为水土保持措施中的生物
措施, 对稳固堤岸和减少侵蚀起着积极的作用。 土壤 侵蚀是一个复杂的现象, 受多种因素的影响, 通常与流 域、 泥沙和堤岸性质( 物质组成与质地、 切向力和抗张 力、 地下水位、 渗透力、 底层、 堤岸几何形态及其上生长 的植物等) 有关。草林复合系统的水土保持、 生态护岸 功能主 要 是 通 过 植 被 的 水 文 效 应 和 机 械 效 应 实 现 的[10]。 草林复合系统的水文效应是指通过植被调节近地 面气候、 地表及地下水文状况, 使植物生长区域的水循
王秋光等: 草林复合植被缓冲带结构功能及净化机理研究综述
· Hale Waihona Puke Baidu1·
国农业部研究人员的研究结果表明, 河岸落叶林缓冲 带能减少农田地表径流中 68% 的 N, 85% 的 P 随着沉 积物中的细小土壤颗粒迁移。 Lee 等
[27 ]
小乔木层、 灌木层、 草本植物层和蔓生植物层等, 每种 植物都具有不同的生态位置, 占据不同的空间, 发挥着 不同的功能, 如草本植被能更好地吸附和拦截污染物 质, 而乔木林可以提供更多的物质资源和保护 。 因此, 缓冲带植被的选取及其有效的配置极其重要 。 缓冲带的宽度是缓冲带功能发挥的另一个重要因 素, 关于植被缓冲带适宜宽度的确定, 相关学者做了大 量的研究, 由于缓冲带所处的位置、 地形地貌、 水文情 况和周边土地利用等情况的不同, 得出的缓冲带适宜 宽度也有所差异。也有研究者发现草林复合植被缓冲 流域坡 带的有效宽度与相应时段内的地表径流强度、 长、 坡度呈正相关, 与流域地表的粗糙度系数、 缓冲带 内渗入的水流流速及缓冲带的吸附能力呈负相关[33]。 因此, 合理地确定缓冲带的宽度是有效控制非点源污 染所必需的。 构建一个简单的草林复合植被缓冲带并不能同时 起到净化水质、 稳固堤岸、 保护鱼类和野生动植物、 满 足当地人生活需求等作用, 因此在构建草林复合植被 缓冲带时要着重考虑所构建的缓冲带的主要功能 。 如 何能在不影响缓冲带功能的前提下, 利用最少的资源 发挥最高的环境效益还需深入探讨[34]。 近年来, 随着经济的迅猛发展、 城市化的快速推 进, 植被破坏严重, 水土流失加剧, 流域环境急剧恶化, 我国对草林复合 草林复合生态系统退化严重。 然而, 系统植被结构和功能以及管理的生态学研究还很少, 还有许多问题亟待解决。 因此, 今后要加强对流域草 林复合植被缓冲带重要性的认识, 制定切实可行的草 林复合植被缓冲带的保护政策和法规; 科学合理地制 定流域草林复合植被缓冲带规划, 加强对草林复合植 被缓冲带自然生态环境的保护和生态旅游资源的开发 利用; 尽可能恢复河流的自然过程, 减少人为因素的干 扰, 尽可能恢复与重建草林复合植被缓冲带, 保护和提 高生物多样性, 改善小气候, 美化环境; 维护生态系统 的动态平衡, 提高草林复合生态系统的自我调节 、 自我 修复能力。
[11 ]
带植物群落周围的空气状况、 地表温度、 相对湿度和太 阳辐射等的变化。 草林复合植被对小流域的微气候尤其是温度具有 重要影响。缓冲带的植被可以吸收太阳辐射的大部分 光线或使其反射回大气层, 起到遮阴效果。 在炎热夏 季, 林下温度可降低 1 ~ 3 ℃ , 湿度提高 5% 左右。研究 发现, 如果清除岸边的植被会导致水温上升 6 ~ 9 ℃ 。 在冬天草林复合系统会吸收反向辐射, 会提高水温, 同 时植被还会减少流域附近的蒸发和对流[21], 从而达到 调节小气候、 改善环境的作用。 2. 4 景观廊道、 生物栖息地功能 草林复合植被缓冲带具有廊道的连接、 传输、 交 换、 源、 汇等 功 能, 可 为 生 物 迁 移、 物 流、 能流提供通 道[22]。尤其是位于陆地生态系统和水生生态系统过 渡区域的植被缓冲带, 其丰富的植物资源可为动植物 爬行类 提供良好的生存栖息环境和迁徙通道, 使昆虫 、 动物以及小型哺乳动物可以自由活动于水域和陆地之 间。 2. 5 为生态系统提供养分和能量、 增加物种多样性 草林复合植被缓冲带每年都向水体中输入大量的 枯枝落叶、 果实和养分等有机物质, 随时间的流逝, 这 些营养物质逐渐破碎、 腐烂分解, 缓慢地向水体中释放 有机物质和各种营养元素, 成为河溪湖泊生态系统的 主要营养物质和能量来源, 为更多的生物提供生存条 草林复合系统所形成的垂直分布空间是众 件。另外, 多植物和动物的栖息地, 丰富了物种多样性, 目前已发 现许多动物属于湖滨缓冲带物种[23], 有研究表明, 位 于水陆交错带的植被缓冲带中动、 植物种类数量要明 显高于其他生态系统[24]。 3 草林复合植被缓冲带的净化机理 草林复合植被缓冲带对废水、 地表径流、 地下径流 及深层地下水流中携带的污染物质具有良好的吸收、 沉淀功能, 可起到净化、 过滤的缓冲作用, 是控制农业 面源污染的一种最为有效的形式[25]。 其净化污染物 的主要机理可以概括为以下几个方面: 颗粒污染物的 拦截作用, 植物吸收、 土壤吸附溶解态的污染物, 微生 物降解等。 3. 1 颗粒污染物的拦截作用 草林复合植被缓冲带中的草本植物增加了径流阻 力、 降低了水流速度, 使大多数固体颗粒发生淀积 。 同 时, 深厚的枯落物层和疏松的土壤结构有利于可溶解 性 N、 P 随水渗透到更深层的土壤中, 从而降低了地表 P 的转运能力。 一些研究显示, 缓冲 径流对可溶性 N、 带能够去除大约 90% 的沉积物和硝酸类污染物[26]; 美
[15 - 16 ]

一般情况 下, 植 被 缓 冲 带 对 N 的 截 留 率 可 达 3% ~ 50% , 对 P 的截留率可达 65% ~ 95% [5]。唐浩等[17]利 用自行设计的试验装置构建草皮缓冲带, 模拟上海地 区农业面源污染和降雨特征进行缓冲带污染物净化效 果试验研究, 得出百慕大草对径流中固体悬浮物的平 白花三叶草对 TN、 TP 的去除 均去除率可达 71. 86% , 效果分别达到 58. 27% 和 60. 49% , 水质净化效果明 显。 除此之外, 草林复合植被缓冲带还能去除地表径 流中其他污染物质, 如病原体、 农药、 除草剂及重金属 等[18 - 20]。草林复合植被缓冲带能有效过滤、 截留随地 表径流进入河流生态系统的各类营养物质和污染物 质, 起到拦截径流、 净化水体的作用。 2. 3 调节微气候、 改善环境 草林复合植被缓冲带对改善环境具有明显的作 用, 对局部小气候环境也可产生较强的影响, 比如缓冲
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中国水土保持 SWCC 2013 年第 6 期
环途径发生改变, 从而影响侵蚀过程, 减少水土流失的 功能。草林复合系统通过林冠降雨截留可以有效地减 小到达地面的降雨强度和雨量, 削减强降雨对地面的 击溅与冲刷侵蚀。 植被不仅能够改良土壤性质, 增加 土壤的渗透性, 一些草本植物的覆盖还能够增加地表 的粗糙度, 延长径流的停留时间, 有效地抑制地表径 流, 减少水土流失
[ 关键词] 草林复合缓冲带; 结构功能; 净化机理; 建设与管理 [ 摘 要] 草林复合植被缓冲带作为一个重要的生态治理 措 施, 广 泛 应 用 于 生 态 保 护、 环境改 善 领 域, 通过 植物 吸 收、 土 壤吸附、 微生物降解等作用而具有保持水土、 净化污染物、 调节微气候、 丰富物种多样性等功能。对国内外 关于 草 林 复 合 植被缓冲带的研究作了认真的归纳总结, 详细论述了草林复 合 植被 缓冲 带 的 结 构 功能、 净 化 机理, 并讨论了草林复合植 被缓冲带的建设和管理, 以期为草林复合植被缓冲带的建设提供依据。 [ 中图分类号] Q948 [ 文献标识码] A [ 文章编号] 1000 - 0941 ( 2013 ) 06 - 0039 - 04
[3 ]
不同植被类型的缓冲作用
能 不同植被类型的 作用效果 草地 灌木 高 低 低 中 中 中 乔木 中 中 中 高 高 高
, 因而常被用于
退耕还林还草、 林草缓冲带建设、 固岸护坡、 草牧场防 护林建设及防治风沙等生态工程建设中, 实现了生态 环境治理与经济效益的统一[4]。 草林复合植被缓冲带是指利用多种林草植物构建 不同配置模式而形成的具有一定缓冲功能的植被带。 草林复合植被缓冲带是湖滨生态系统的重要组成部 分, 其占地面积虽小, 却能促进地区生态、 经济和文化 的发展。对草林复合植被缓冲带的合理开发和利用将 有利于整个流域生态系统的稳定和安全 。 草林复合植 被缓冲带多分布于河湖滨岸, 因此又被称为河岸植被 缓冲带和湖滨植被缓冲带等[5 - 6]。国内外研究实践表 明, 利用不同植物体系构建的草林复合植被缓冲带, 是 截留面源污染、 改良土壤、 净化水质的有效手段, 是水 土保持综合治理的根本措施, 也是最为经济有效和长 久稳定的生物措施[7 - 8]。
[12 ]
。泥沙的截留效果与径流量、 植被种类及密
度、 微地形、 土壤特性等有关。径流量越小截留效果越 坚硬的草本植物比高大乔灌木的截留效果 好; 浓密的、 好, 复合植被比单一植被的效果好
[13 ]
; 自然状态下的
植被缓冲带比整平土地后的缓冲带效果好[14], 通常情 况下土壤的下渗能力越大对泥沙的截留效果越好 。 草林复合植被缓冲带不仅能有效地截留泥沙, 还 能有效地移除 N、 P、 Ca、 K、 S 和 Mg 等营养物质
表1

。 近年来, 随着生态环境综
合治理的需要, 作为一个重要的生态治理措施, 草林复 合系统日益受到人们的重视, 并被广泛应用于生态保 护、 环境改善领域。 草林复合系统加大了植被空间垂 直分布力度, 通过林冠截留、 林下灌草和枯枝落叶层的 拦蓄以及植物根系对土壤的固结作用而具有保持水 土、 涵养水源、 改良土壤肥力等功能
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草林复合植被缓冲带概述 草林复合系统泛指由草地和森林( 多年生木本植
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草林复合植被缓冲带的结构功能 草林复合植被缓冲带由于其所处位置的特殊性以
物, 如乔木、 灌木、 竹类等) 在空间上有机结合而形成的 复合型土地利用方式
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及该区域植被的独特结构和特点, 具有保持水土 、 减少 改善生境、 连接植被廊 农业废水对流域水体的污染、 道、 保护生物多样性等多种功能。 不同类型的植物, 因 其生长习性、 种植密度和生长周期不同, 对农田径流水 中营养物质、 颗粒物和农药等污染物的截留、 吸收效果 有较大的差异, 如表 1[9]。
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