（森林培育专业论文）不同类型河岸带对溪流氮素输入的截留转化效率研究.pdf

摘要 摘要 随着农牧业的发展，农业非点源n 素污染已经成为水体污染的主要来源。河 岸带能通过一系列的物理、化学及生物过程降低来自农田径流中不同形态的n 素， 起到保护水质的作用。研究河岸带对来自土壤水和地下水中的n 素的截留转化作 用，能够为保护和治理国家的水环境提供理论依据，为河岸带的健康维护和科学 经营提供必要的基础数据。本研究以低级溪流边缘，农田和森林背景下不同类型 河岸带土壤水和地下水为对象，研究不同取样区中土壤水和地下水中不同形态n 素的浓度，推测不同类型河岸带对n 素输入溪流的截留转化效率及不同类型的河 岸带在维持水质方面的作用。研究结果表明： ( 1 ) 、施肥和耕作干扰，农田背景中土壤水和地下水中各形态n 素的浓度和森 林背景中有差异。在土壤水中，农田背景中硝态氮的浓度和森林背景中有显著差 异，浓度分别为2 5 8 p p m 和8 8 p p m ；铵态氮的浓度在两背景中没有明显差异，但 农田背景中的浓度( 3 1 p p m ) 略低于森林背景中的( 3 9 p p m ) ：全氮( 7 5 3 p p m ) 的浓度也高于森林背景值( 7 0 4 p p m ) 。在地下水中，农田背景中硝态氮、铵态氮 和全氮的浓度( o 6 p p m 、1 2 p p m 和4 5 2 p p m ) 均低于森林背景中的值( o 8 p p m 、1 4 p p m 和4 8 9 p p m ) 。 ( 2 ) 、在农田背景下，裸地河岸带上的土壤水和地下水的n 素的浓度和农田背 景中无显著差异；而草地和森林河岸带上硝态氮和全氮的浓度在土壤水中低于农 田背景中的值，在地下水中和背景值无明显差异，草地河岸带中氨态氮的浓度降 低，森林河岸带中其浓度升高。 ( 3 ) 、森林背景下，森林背景中各形态n 素的浓度由于取样区的位置差异，而 与裸地河岸带、森林河岸带上的值有很大差异，森林背景中的值高于河岸带中的 值；经采伐的裸地河岸带土壤水和地下水中的各形态n 素浓度和森林河岸带中没 有明显的差异。 ( 4 ) 、农田背景下，河岸带对土壤水中硝态氮的截留转化作用较强。裸地河岸带 对硝态氮的截留转化效率较低( 3 4 6 ) ，草地和森林河岸带较高( 8 8 5 ) ，森 林河岸带的截留转化效率最高，为9 4 4 。 ( 5 ) 、溪流相邻高地通过地下径流向溪流中n 素的输入，主要是以硝态氮的形 态通过土壤水的输入；经过有植被河岸带的土壤水对硝态氮具有最高的截留转化 作用，两种背景中，对n 素的最高截留转化效率因n 素形态的差异而不同。 ( 6 ) 、1 2 m 宽的草地河岸带或1 4 5 m 宽的森林河岸带能够有效的截留转化来自农 闲土壤水中的硝态氮，对溪流水质的起到很好的保护作用。 关键词河岸带n 素浓度土壤水地下水截留转化效率 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa g r i c u l t u r ea n ds t o c k b r e e d i n g ，a g r i c u l t u r a ln o n - p o i n t s o u r c ep o l l u t i o nh a v eb e e nt h em a i ns o u r c eo fw a t e rb o d yp o l l u t i o n t h e r i p a r i a n p l a y sav i t a lr o l eo nt h ep r o t e c t i o no fs u r f a c ew a t e rq u a l i t y ，t h e yc o u l dr e d u c et h e d i f f e r e n tf o r mnc o n c e n t r a t i o nf r o mt h ea g r i c u l t u r a ll a n dr u n o f ft h r o u g has e r i e so f p h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i c a lp r o c e s s e s s t u d y i n gt h ee f f e c to ft h er i p a r i a no nt h e n i t r o g e ni nt h es o i lw a t e ra n dg r o u n d w a t e ra t t e n u a t i o nc o u l do f f e rt h e o r yb a s i sf o rt h e p r o t e c t i n ga n df a t h e r i n gw a t e re n v i r o n m e n ta n dp r o v i d e dn e c e s s a r yd a t af o rt h e m a i n t e n a n c eo fr i p a r i a nh e a l t ha n ds c i e n t i f i cm a n a g e m e n t o u rs t u d ys i t el o c a t e da tt h e f r i n g eo fl o wo r d e rs t r e a mu n d e ra g r i c u l t u r a la n df o r e s t e db a c k g r o u n d ，w ea n a l y z e dt h e c o n c e n t r a t i o no fd i f f e r e n tf o r mni nt h es o i lw a t e ra n dt h eg r o u n d w a t e rf r o md i f f e r e n t t y p eo fr i p a r i a nz o n e s ，t h r o u g ht h e s ed a t aw ec o n f e r r e dt h ea t t e n u a t i o ne f f e c t i v e n e s so n n u t r i e n ta n dt h ee f f e c to nt h em a i n t e n a n c ew a t e rq u a l i t yo fd i f f e r e n tt y p eo fs t r e a m r i p a r i a nb u f f e rz o n e s t h er e s u l ts h o w e d ： ( 1 ) d u et ot h ed i s t u r b a n c eo fc u l t i v a t i o na n df e r t i l i z a t i o n ，t h ed i f f e r e n c eo fn u t r i e n t c o n c e n t r a t i o ni ns o i lw a t e ra n dg r o u n d w a t e rw a sf o u n db e t w e e na g r i c u l t u r a la n d f o r e s t e d b a c k g r o u n d i nt h es o i lw a t e r , t h ec o n c e n t r a t i o no fn o l 3 - nu n d e rt h e a g r i c u l t u r a lb a c k g r o u n dw a sd i f f e r e n ts i g n i f i c a n t l yf r o mt h a tu n d e rf o r e s t e d b a c k g r o u n d ，w i t ht h ec o n c e n t r a t i o nb e i n g2 5 8 p p ma n d8 8 p p mr e s p e c t i v e l y ；n o d i f f e r e n c ew a sf o u n di nt h ec o n c e n t r a t i o no fn h 4 + - n ，b u tt h ec o n c e n t r a t i o nf r o mt h e a g r i c u l t u r a lb a c k g r o u n d ( 3 1 p p m ) w a ss l i g h t l yl o w e rt h a nt h a tf r o mt h ef o r e s t e d b a c k g r o u n d ( 3 9 p p m ) t h ec o n c e n t r a t i o no ft o t a ln ( 7 5 3 p p m ) w a sh i g h e rt h a nt h a t f r o mt h ef o r e s t e db a c k g r o u n d ( 7 0 4 p p m ) i nt h eg r o u n dw a t e r , t h ec o n c e n t r a t i o no f n 0 3 n ，n h 4 + - n ，t o t a ln ( 0 6 p p m ，1 2 p p m ，a n d4 5 2 p p m ) u n d e r a g r i c u l t u r a l b a c k g r o u n dw e r el o w e rt h a nt h o s eu n d e rf o r e s t e db a c k g r o u n d ( 0 8 p p m ，1 4 p p m ，a n d 4 8 9 p p m ) ( 2 ) u n d e rt h ea g r i c u l t u r a lb a c k g r o u n d ，n os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ew a sf o u n di nt h e n u t r i e n tc o n c e n t r a t i o no ft h es o i lw a t e ra n dt h eg r o u n d w a t e rf r o mn o n v e g e t a t i o n r i p a r i a nw i t ht h ea g r i c u l t u r a lb a c k g r o u n dv a l u e ；w h i l et h ec o n c e n t r a t i o no fn 0 3 一n a n dt o t a lni nt h es o i lw a t e ro ng r a s sa n df o r e s tr i p a r i a nz o n ew e r el o w e rt h a nt h e a g r i c u l t u r a lb a c k g r o u n dv a l u e ，b u ti nt h eg r o u n d w a t e r ，t h ev a l u ew e r es a m i l e rw i t h a g r i c u l t u r a lb a c k g r o u n dv a l u e ；t h en h 4 + - nc o n c e n t r a t i o nw a ss l i g h tl o w e ri ng r a s s r i p a r i a na n dh i g h e ri nt h ef o r e s tr i p a r i a n ( 3 ) u n d e rt h ef o r e s t e db a c k g r o u n d ，d u et ot h ed i v e r s i t yo fs a m p l i n gs i t e st h e n u t r i e n tb a c k g r o u n dv a l u eh a dg r e a td i f f e r e n c ew i t ht h o s eo fn o n v e g e t a t i o na n df o r e s t r i p a r i a n ，t h ef o r e s tb a c k g r o u n dv a l u ew a sh i g h e rt h a nt h o s eo fr i p a r i a n ；t h e r ew a sn o t s i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nn u t r i e n tc o n c e n t f a t i o no ft h es o i lw a t e ra n du n d e r r o u n dw a t e r b e t w e e na f t e r - c u t t i n gn o n v e g e t a t i o nr i p a r i a na n dt h ef o r e s tr i p a r i a n ( 4 ) u n d e rt h ea g r i c u l t u r a lb a c k g r o u n d ，r i p a r i a n z o n e sh a dm o r eh i g h e rt h e a t t e n u a t i o ne f f e c t i v e n e s sf o rn i t r a t ei ns o i lw a t e r t h ea t t e n u a t i o ne f f e c t i v e n e s so f n o n v e g e t a t i o nr i p a r i a nw a sl o w e r ( 3 4 6 ) ，w h i l et h o s eo fg r a s sa n df o r e s tr i p a r i a n w e r eh i g h e r ( 8 8 5 ) ，f o r e s tr i p a r i a n sw a st h eh i g h e s t ，9 4 4 ( 5 ) ni nt h em a i nf o r mo fn i t r a t et h r o u g ht h es u b s u r f a c er u n o f fw a sp u ti n t ot h e s t r e a m ，t h ev e g e t a t i o n c o v e r e dr i p a r i a nh a dh i g ho nt h en u t r i e n ti nt h es o i lw a t e r u n d e r2t y p eb a c k g r o u n d ，t h em a xa t t e n u a t i o ne f f e c t i v e n e s so nn u t r i e n th a dd i f f e r e n c e w i t ht h ed i f f e r e n c eo fn u t r i e n tf o r i l l s ( 6 ) t h e1 2 mw i d eg r a s sr i p a r i a na n d1 4 5 mw i d ef o r e s tr i p a r i a nc o u l da t t e n u a t et h e n i t r a t ei nt h es o i lw a t e rf r o mt h ea g r i c u l t u r a ll a n dt op r o t e c tt h ew a t e rq u a l i t y k e y w o r d sr i p a r i a nb u f f e rz o n e s ，nc o n c e n t r a t i o n ，s o i lw a t e r ，g r o u n d w a t e r ， a t t e n u a t i o ne f f e c t i v e n e s s i i i 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 众所周知，世界范围内水体污染日益严重，导致水生生态系统的破坏和水生 生物多样性的下降，影响渔业和旅游业的发展及饮用水的质量，且对人类的健康 构成了直接的威胁1 1 ，zj 。 水体中n 素的大量累积是造成水污染的主要因素之一。在自然状态下，n 素 向溪流中的输入途径主要包括邻近高地土壤侵蚀的n 输入、河岸带植物凋落死亡 以有机质形式的n 输入，及大气沉降造成的n 输入1 3 1 。这三种输入方式普遍存在， 但输入量有限，一般不会造成溪流水体的n 污染，而人类活动的干扰( 农业活动、 放牧、工业及生活污水的排放) 使n 的输入量剧增，超过溪流生态系统的缓冲范 围，进而导致溪流n 污染【4 】。 工业和生活污水的排放通常在固定的地点进行，属于点源污染，通过污水处 理可以有效控制 5 , 6 l 。农牧活动范围广，污染物在全流域范围内输入，属于典型的 非点源污染。非点源污染是水体n 污染的主要来源，在美国，非点源污染造成的 n 输入占溪流n 输入总量的7 0 【”，我国东部地区的水体中也有约5 0 的n 来自 农业非点源污染l 引。因而，控制溪流水体的n 素污染应从控制非点源污染输入着 手【8 】。 河岸带作为高地和水体之间的过渡带，在控制n 素非点源输入方面发挥着重 要的作用，是溪流健康维护研究的重剧9 _ ”j 。自2 0 世纪8 0 年代初起，国外的许 多科学家开始了河岸带对溪流n 素输入控制方面的研究【n , 1 4 - 1 6 。经过2 0 多年的努 力，揭示了河岸带对n 素截留转化的机理及影响其截留转化效率的因素。我国在 溪流河岸带方面的研究起步较晚，目前对河岸带的功能，特别是河岸带作为n 素 缓冲带的功能方面少有研究【1 7 l 。因此，在国内开展河岸带对非点源n 素污染的截 留转化效率及机理的研究，为河岸带的科学管理、维护和恢复提供基础数据就显 得尤为重要。 1 2 河岸带及其功能 河岸带是陆地生态系统和水生生态系统的过渡带，具有独特的生物物理条件、 生态过程和生物区系梯度。河岸带中的地表水和浅层地下水通过水文学过程将水 体和相邻的高地联系起来。河岸带包括显著影响水生生态系统物质和能量交换的 陆地生态系统部分( 即能够对溪流产生影响的陆地区域1 。河岸带是永久的、间歇的、 短暂的溪流、湖泊和河口海岸的邻近区域【1 8 】。 河岸带生态系统具有明显的边缘效应，是地球生物圈中最复杂的生态系统之 一【，妈，2 们。它的功能主要包括廊道功能、缓冲功能和护岸功能2 ”。与溪流养分输 入直接相关的是河岸带的护岸功能和缓冲功能。 东北林业大学硕士学位论文 护岸功能主要指植被根系对河岸土壤的固持作用，这减少了水体对河岸带土 壤冲刷而造成的养分输入1 22 1 。缓冲功能是指河岸带在邻近高地和水体之间所起的 缓冲作用，河流两岸一定宽度的植物带，可以通过过滤、渗透、吸收、滞留和沉 积等作用减少或消除进入地表及地下水中的污染物，进而减少污染物向水体中输 入1 2 3j 。研究证实河岸带能有效阻止地表径流和地下径流中养分和沉积物进入水体 1 1 , 2 3 , 2 4 ，在景观层次上，相似的农田背景下，没有缓冲带或缓冲带过于狭窄的溪 流中硝态氮的浓度是有完整缓冲带溪流中的2 3 倍l z 。 1 3 河岸带n 素截留、转化机理 1 3 1n 素通过河岸带向溪流中输入的途径 来自相邻高地的n 素以溶解态( 硝态氮和铵态氮) 或与土壤颗粒的结合态通过 地表径流和地下径流进入溪流1 2 ”。 1 3 。1 1 地表径流 地表径流在很多情况下可以形成。降雨发生时，若表层的土壤水饱和，在地 形汇聚的作用下可发生地表径流；当降雨强度超过土壤的渗透能力时，会发生地 表径流；在排水性能差、粘粒较多的土壤上，更容易形成地表径流【2 们。地表径流 发生时，大量的有机态n ( 如牲畜粪便，植物枯枝落叶) 和土壤颗粒中的n 以总n 的形式，或者当溪流相邻高地农田施用肥料时，n 素以溶解态n h 4 + n 和n 0 3 n 的形态经过河岸带进入溪流m j 。 1 3 1 2 土壤水和地下水 一 降雨渗入地表，如表层土壤下部紧实度较高，则使下渗率降低，使表层土壤 的含水量首先达到饱和，后续渗入的雨量往往沿着该饱和层在土壤孔隙间流动， 形成土壤水( 壤中流) t 2 7 l 。由地表入渗的雨水，在降雨过程中以及停雨后一段时 间内，除补充土壤含水量外，逐步向下层渗透，如能到达地下岩石不透水层，就 在土壤和岩石的孔隙中储存并运移而形成地下水l ”】。在壤中流和地下水形成过程 中，伴随着不同形态n 素( n 0 3 n ，n h 4 + n ) 的淋失。土壤颗粒和土壤胶体对n h 4 + - n 具有很强的吸附作用，使得大部分可交换态铵得以保存在土壤中；但当土壤对 n h 4 + n 的吸附达到饱和时，在入渗水流的作用下n h 4 + - n 还是可能被淋失出土体。 而土壤胶体对n 0 3 - n 的吸附甚微，易于被雨水或灌溉水淋洗而进入地下水或通过 径流、侵蚀等汇入溪流，造成对水体的污染l z 。 1 3 2 河岸带对n 素截留转化机制 河岸带可以通过一系列的物理、生物及生物化学过程实现对n 素的截留转化 【10 1 。地表径流中的n 素，主要通过物理过程的沉积和渗透实现截留【2 9 , 3 0 】；渗透到 深层土壤中的n 素，可以通过一系列过程，如植物的吸收【1 1 , 3 1 , 3 2 l 、微生物的固定【3 州、 反硝化作用【2 4 - 3 2 州l 及土壤吸附【3 0 】等实现截留转化。 1 绪论 1 3 2 1 物理过程 当地表径流发生时，含有n 素的固体颗粒和溶解性n 素随水经过河岸带进入 溪流。在这一过程中，河岸带的植被增加了径流的阻力、降低了水流速度，致使 大多数颗粒态的n 素发生淀积【2 9 j ：同时，河岸带内深厚的枯落层和疏松的土壤结 构有利于溶解性n 素随水渗透到更深层的土壤中，从而降低了地表径流对可溶性 n 素的转运能力【2 巩 】。s m i t h 在新西兰的研究中发现，1 0 1 3m 宽的牧场河岸带截 获地表径流中的悬浮沉淀物和颗粒状养分达8 0 以上，溶解态n 的去除达6 7 1 3 6 1 。 1 3 2 2 生物和生物化学过程 渗透到壤中流和地下水中的n 素通过一系列的生物和生物化学过程得以清 除，包括植物吸收、反硝化作用、微生物固定及土壤吸附。植物吸收和反硝化作 用是公认的河岸带截留转化n 索的主要机理，在不同的河岸带上所表现的重要性 是不同的i ”。河岸带中的浅层地下水流接近土壤表层，土壤表层含有大量的可利 用的c 源，支持反硝化的进行；植物的大部分根系也存在于上层土壤中，区分反 硝化和植物吸收对河岸带n 素截留转化的作用存在一定的困难【3 引。 1 ) 植物吸收 植物吸收是河岸带n 素转化截留的主要机理之一。当携带着溶解性n 素的水 经过植物根区时，植物的根系吸收n 素，导致n 素在非术质生物量中的短期积累 和在术质生物量中的长期积累【3 9 1 。p e t e r j o h n 和c o r r e l l 估计河岸带植被每年每公 顷可以吸收7 7f k g 的n 素【1 1 】；但当植物衰老时，n 素又进入土壤【1 0 】。研究表明， 落叶林河岸带吸收的n 素有8 0 以落叶的形式返还到土壤中【1 1 】；b r i n s o n 等估计在 沼泽森林中，仅3 - 6 的n 储存在木质部中【1 9 】。虽然如此，植物吸收依然被认为是 河岸带生态系统截留转化n 0 3 。n 的重要机制，因为它改变了n ( 3 1 3 - n 的存在位置， 即从深层的地下水中吸收n 0 3 n ，转运到植物体内形成有机n 的形式，又通过凋 落、死亡等机制回落到地表，经过分解、矿化及硝化等作用产生大量的无机态n 及可利用的c ，为反硝化作用的进行提供条件【柏】。 2 ) 反硝化作用 目前，对河岸带n 素截留转化机理的研究主要集中在反硝化作用上，许多的 研究证实反硝化作用是河岸带n 素截留转化的主要机理【4 1 - 4 4 】。由于反硝化作用是 通过微生物将硝态氮转化为气态n 从系统中永久清除，因此，被认为是最佳的 n 0 3 n 去除途径1 4 “。 反硝化作用是活跃的反硝化细菌在n o 3 。n 和有机c 充足的厌氧状况下，将硝 酸盐或亚硝酸盐还原为气态n ( n 2 ，n 2 0 ) 的作用过程【4 “。河岸带是典型的高生产 力生态系统，含有大量不稳定的有机物质【4 7 】；其土壤中的分解作用消耗了大量的 可利用态氧，且河岸带处于溪流的边缘，经常处于水饱和状态，形成氧缺乏的环 境 4 s l ；邻近高地的不断输入和植物凋落物的分解也为反硝化作用的进行提供了充 足的无机态n 素 4 0 l ，河岸带的这些特点为反硝化作用提供了适宜条件。据估计， 河岸带上反硝化作用每年每公顷可以去除2 0 1 6 0 0k g 的n 素1 4 9 1 。 东北林业大学硕士学位论文 1 4 影响河岸带n 素截留转化作用的因素 许多的研究已经证实，河岸带能够降低n 素向溪流的输入，但不同河岸带之 间的截留转化效率存在着较大的差异。这主要受河岸带的水文学过程、土壤特征、 植被状况以及其它因素的影响。 1 4 一河岸带的水文学过程 在一定的立地条件下，水文学过程是决定土壤及植被各因子能否发挥作用及 河岸带能否有效的截留转化n 素的关键因子 3 4 , 3 9 , 5 0 , 5 1j 。研究中，人们根据径流和 不同层次土壤的特性及植物根系的存在范围，提出水位的高低是n 素截留转化的 限制因子p2 1 。当水位较高时，水可以直接通过浅层径流的途径经河岸带进入水体， 这满足反硝化作用发生的条件，反硝化速率很高；同时水流经过植物的根区，植 物吸收作用很强，对水体质量的保护也最为有效。深层的地下水径流很少经过或 不经过河岸带植被的根区，植物的吸收强度很弱；深层土壤中可利用的有机c 含 量较少，抑制了反硝化作用的进行，河岸带的截留转化接近无效。另外，当地表 径流集中并通过河岸带内固定的途径进入溪流。河岸带截留转化养分的能力将受 到限制；而在坡度很小，地表径流浅且均一的情况下，效率则很高【3 4 j 9 - 5 s 3 1 。 1 4 2 河岸带土壤特征 土壤特性影响着河岸带的截留转化效率，其中包括土壤的渗透性、土壤质地、 土壤化学性质和有机c 的含量【5 4 j ，它们影响着水流经过河岸带区域的途径和速度， 影响着地下径流与植物根系及土壤颗粒的接触程度，影响着土壤中氧气的含量。 美国中部近年的研究表明影响河岸带n 素截留转化效率的最关键的因子是有机c 的含量【5 5 】。有机质富集的河岸带土壤能有效的通过地表径流的过滤，吸收n 素， 提供反硝化作用所需要的c 源。l o w r a n c e 等6 j 发现在土壤的表层5 0c m 内，在n 、 c 贫瘠的河岸带反硝化的速率为1 4k gnh m 正y r ，而在n 、c 富集的情况下反硝 化速率可达2 9 5 1 4k g nh m 五v r l ，平均为3 1k gnh m 2 y r 一。可利用态有机c 的大 量存在，促进了反硝化作用的进行。s n y d e r 等【1 2 l 发现在腐殖质土壤( 有机质的含量 达1 6 ) 中反硝化的速率是有机质含量仅为1 5 的土壤的1 0 倍；c o o p e r “l 发现当 地下径流通过有机质的土壤进入溪流，n 0 3 n 的截留转化效率可达1 0 0 ，而矿质 土壤的n 索的截留转化能力很低；s c h n a b e l 等【5 l l 在添加额外的c 源后，发现草地 河岸带和森林河岸带中的反硝化速率均明显增加。 1 4 3 河岸带植被状况 河岸带植被通过截留径流及储备有机物质来实现对n 素的截留转化。河岸带 的植被增加了地表的粗糙度，降低了水流的速度，延长了水渗透到土壤中的时间； 同时，河岸带植被通过根系穿插疏松了士壤，也增加了径流的渗透1 5 7 , 5 8 】。此外， 1 绪论 河岸带植被自身的凋落分解也为反硝化作用及其它的生物化学过程提供了必需的 高水平有机c 及无机n 1 4 0 1 。 河岸带按植被类型可以分为草地河岸带和森林河岸带。许多的研究表明草地 河岸带和森林河岸带都能有效地截留转化农田径流的n 素1 1 1 , 1 6 , 3 1 , 5 9 】。一些研究表 明，森林河岸带和草地河岸带具有相似的截留转化效率d 2 , 5 6 5 8 1 。l o w r a n c e 等1 5 6 i 在佐治亚州的研究表明，森林河岸带能转化农业径流中n 素的6 8 ：弗吉尼亚的 研究中表明，森林河岸带能降低农田径流中n 0 3 n 浓度的4 8 【1 2 j 。d a n i e l s 和 g i l l i a m i s 7 l 的研究也证实草地河岸在n 素的截留转化方面具有较高的效率，北卡罗 来那州p i e d m o n t 流域的草地河岸带降低总n 的5 0 ：弗吉尼亚b l a c k s b u r g 的草地 河岸带降低农田径流总n 的7 6 e ”】。另一些研究则认为森林河岸带更为有效【1 0 3 1 ： h a y c o c k 和p i n a y ”】报道的由白杨组成的森林河岸带即使在体眠季节也能1 0 0 的 截留转化进入河岸带的n 0 3 n ，而多年生的黑麦草河岸带仅能截留转化8 4 。 o s b o r n e 和k o v a c i c 【”1 在伊利诺斯州的研究也同样发现混交阔叶林河岸带和芦苇 草河岸带对n 素截留转化效率的差异，二者的转化效率分别为4 0 1 0 0 和1 0 6 0 ， 森林河岸带效率相对更高。他们认为产生这种差异的原因有两点，第一，是由于 森林河岸带具有较多的可利用态有机c ，使得反硝化作用更为强烈；第二，森林 植被根系的分布范围更广，加大了吸收n 素的范围。 河岸带对n 素的截留转化效率还与河岸带植被的宽度有关。一般地，河岸带 越宽，对经过地表径流和浅表层径流的n 素转化截留效率越高，存在着正相关关 系1 3 1 , 5 8 1 。d i l l a h a 等【5 8 l 对多个河岸带宽度的研究表明，当河岸带的宽度从4 6 m 增 加到9 1 m 时，地表径流中总n 截留转化的百分比从5 4 增加到7 3 。而c l a u s e n 等【2 3 1 在恢复诃岸带的研究中发现河岸带的宽度和地下径流中n 0 3 n 浓度的之间 没有一个明确的相关性，认为是因为河岸缓冲带内树木恢复和截留转化作用的发 挥需要时间，但也同意河岸带越宽，地下径流中n 的截留转化效率越高。 河岸带对养分的截留转化效率也受河岸带植被年龄的影响。m a n d e r 等【60 l 研究 了美国e s t o n i a 不同年龄的河岸带上n 、p 的收支情况，发现尽管各种河岸带均能 有效清除n 、p ，但在输入浓度很高时，幼龄森林、灌丛和水湿草地表现最强的清 除效率，原因是处于旺盛生长阶段的植物养分吸收量大，其下土壤微生物活性强， 土壤的吸附能力也较强。为了使河岸带植被能长期有效地发挥截留转化的作用， 一些研究人员提出定期的收获河岸带植被【6 1 1 或果实等其它产品【6 2 】。 1 4 4 其它因素 河岸带对n 素的截留转化除了受水文学过程、土壤特性和河岸带植被状况的 影响外，还受人类活动及季节等的影响。 1 4 4 1 人类的活动 河岸带内和相邻高地的人类活动对河岸带的n 素截留转化效率有很大影响。 在河岸带内频繁或过度的人类活动( 如放牧1 导致河岸带的破坏和溪流水质的恶化。 在放牧的过程中，牲畜破坏了河岸带植物和土壤破坏了河岸的稳定，导致细小 东北林业大学硕士学位论文 淀积物的移动，进而导致河水浑浊 6 3 6 ”。另外，土壤的紧实度增加，导致地表径 流更容易发生 6 ”。这些都影响到和n 素清除机理相关的有效功能，从而降低截留 转化效率。l i n e 等1 6 6 】发现停止河岸带内的放牧干扰，3 年中向溪流内输入的总n ， 总p 和悬着淀积物分别下降了7 8 ，7 6 和8 2 。清楚表明，在解除牲畜干扰后，颗 粒状的养分和沉淀输入减少，使水体质量得到了明显快速的改善。 相邻高地的土地利用类型也影响着河岸带对n 素的截留转化效率。不同利用 类型，导致向河岸带内输入n 的数量不同，大量、迅速的输入，造成河岸带上的 n 饱和，导致效率下降。o m e r n i k 等【6 7 】对美国9 2 8 条溪流的富营养化调查结果显 示，当土地利用从9 0 森林变化到9 0 农田时，溪水中溶解n 和溶解p 平均浓度 分别自 o 2 3 p p m 。牟溥等f 1 7 l 对东北东部山地的 研究也表明，随着土地利用由森林变为农田，人类干扰的频度和强度增加，导致 溪流中的溶解n 、无机p 及混浊度增加，溪流水质下降。 1 4 4 2 季节 河岸带截留转化机理存在着高度的时间异质性 3 3 , 6 8 。植物的吸收主要发生在 夏季，而反硝化作用的高峰在春季和夏季1 6 叭。在夏季，反硝化作用和植物吸收作 用一起控制着n 的截留转化【4 2 l ：而在植物的休眠季节( 冬季和早春) ，反硝化作用 是n 素截留转化的主要过程，但土壤的低温限制了反硝化的进行。许多研究者f 7 0 , 7 1 1 报道了反硝化作用的临界最低温度为5 8 c ，当土壤温度低于5 c 时，整个流域生 态系统的自然缓冲能力将降低，引起水体中n g l 3 。n 浓度的高峰。 河岸带截留转化n 素是多个因子共同作用的结果，只要当植被和有机凋落物 充足，壤中流能通过植物的根区，土壤湿度，有机碳，通气状况和微生物种群能 满足植物吸收和反硝化作用及其他生物化学过程条件时，河岸带的截留转化才最 有效 5 2 1 。 1 5 河岸带n 素转化截留效率的研究方法 在河岸缓冲带的截留转化研究中，出现了许多的研究测定方法，包括直接测 量法( d i r e c tm e t h o d s ) ，传统的示踪方法( c o n s e r v a t i v et r a c em o t h e d s ) 和同位素示 踪法( 1 5 ni s o t o p i ct r a c em o t h e d s ) 。每一种方法都有其优缺点，下面就对河岸缓冲 带的截留转化研究方法进行简单的介绍和评述。 1 5 1 直接测量法( d i r e c tm e t h o d s ) 在垂直于溪流的上坡位土壤中每隔一定的距离安设p i e z o m e t e r 或l y s i m e t e r 和 水井，p i e z o m e t e r 或l y s i m e t e r 是用来取得壤中流中水样的仪器，而水井用来取深 层地下水中的水样。p i e z o m e t e r 或l y s i m c t e r 和水井每隔一定的时间( i 周或2 周) 取水样，对水样进行各理化性质的分析，以土壤水样中某种n 的形态的浓度的变 化作为n 的转化截留效率的参数，计算方法有以下两种： e f f n = ( n l - n 2 ) n i “+ 1 0 0( 1 ) qn = ( n i n 2 ) n i 。h “l o o m 。 ( 2 ) 1 绪论 公式中的n 可以指n 的不同的存在状态，如n 0 3 - n 、n h 4 + - n 、d i n 等，n 是输入的浓度，指在河岸带农田边缘的土壤水中n 的浓度；而n 2 是输出量，指河 岸带溪流边缘的土壤水中的n 的浓度。公式1 ) 中e f f n 是n 的转化截留效率，这 一公式最为常用，比较简单，但他并没有和河岸带的宽度建立联系；公式2 ) 中n n 是每米河岸带的n 截留转化百分数，h 。1 是输入和输出点之间的线性距离，公 式2 ) 虽然和宽度建立了一定的关系，但不能说明河岸带n 的截留转化发生的位 置及与n 的截留转化的量的关系。如果nn 或e f f n 的值小于0 ，n 的释放超过消 耗。为了避免地下径流和溪流水混合的影响，s e r g is a b a t e r 等1 7 2 1 提出n 2 的数据从 河岸带中间的地下径流取样器中获得，远离溪流的影响。 直接测量法是研究河岸带n 截留转化的最常用的方法，获得的数据可以很直 观地用河岸带地转化截留效率来表示。但所得的结果中地下水的稀释作用造成的n 的浓度的降低很可能含于其中，无法将河岸带的转化截留机理的生物化学过程和 水文学过程分离出来。 1 5 2 传统的示踪方法( c o n s e r v a t i o nt r a c em o t h e d s ) 采用添加传统示踪剂的测量方式是为了判定河岸带的截留转化过程中有无水 文学过程的干扰。添加示踪剂的浓度到背景值的1 0 倍，追踪示踪剂的浓度，若示 踪剂的浓度显著的增加是水文学过程中地下水蒸发浓缩的效果；若示踪剂的浓度 降低则是地下水的反渗的稀释作用 3 2 , 7 3 , 7 4 】：若输入和输出点示踪剂的浓度没有变 化，则说明水文学过程没有影响n 的动态。常用的传统示踪离子有c l 和b r 等。 示踪离子是阴离子，具有一些特殊的特性：在水中的移动效果好；对植物和微生 物的生长和生活无害；植物和微生物对他们的吸收量极少，因此在地下径流中的 浓度不受植物和微生物的影响。 估计排除水文学影响的某一输出点n 的平均浓度( e n 2 f ) ，用下面的公式计 算： e n u 2n 2 m a l a 2 1 这里a 指所用的示踪离子，a i 是添加的a 的浓度，a 2 是此输出点a 的浓度， n 2 。是此输出点测得的n 的浓度。 排除水文学的影响n 的截留转化率用下列公式进行表示： e f f n = ( n 1 - e n 2 f ) n 1 。1 + 1 0 0 在某一点n 浓度的降低的水文学的影响的效率e f f n h 为： e f f n h = ( n 2 f - e n 2 m ) e n 2 f 1 + 1 0 0 这种方法纠正了水文学过程的影响，但它没有考虑肥料的施入和大气沉降作 用中n 的输入，因此，可能低估了n 的转化截留效率。 1 5 3 同位素示踪方法( 1 5 ni s o t o p i ct r a c em o t h e d s ) 在河岸带截留转化机制的研究中，也应用了n 的稳定同位素1 5 n 。应用1 5 n 的主要原因是为了识别n 的柬源及其在各含水层中的动态行为，量化不同机理对 东北林业大学硕士学位论文 河岸带截留转化n 素的作用。在实验过程中将含有一定丰度的1 5 n 以灌溉的形式 注入河岸带，多次取样，分析1 5 n 的去向，存在状态，和在土壤、微生物、植物 及气体中的浓度。1 5 n 富集度的分析需要应用质谱或光谱仪，费用比较昂贵，因 此限制了他的应用。 在研究中，人们发现土壤和微生物的许多的理化性质和河岸带的转化截留效 率也有关，它们主要包括土壤的湿度，温度，有机质含量，可利用态c 的含量， 水位，氧化还原电位，土壤中各形态n 的含量，硝化作用和反硝化作用的强度， 土壤中各种酶的活性等。测定采用一般的土壤测定方法，取样深度根据土壤的结 构和类型以及硝酸盐的淋失深度确定，一般为0 2 0 c m 。 1 6 存在的问题 人们对河岸带的认识正在深入，在河岸缓冲带截留转化n 的研究中，也已经 取得了一定的进展，但仍然存在着很多的问题。主要如下： 1 6 1 控制因子复杂，各因素之间的相互作用了解较少 控制河岸带的截留转化的因子很多，由于生态系统本身的复杂性，对影响河 岸带n 素转化螽留的因子的了解还不全面，各因子对河岸带的n 素的转化截留机 制的影响不清楚，他们之间有什么样的相互关系来共同作用于河岸带了解很少。 1 。6 2 区分反硝化作用和植物吸收作用难 河岸带中浅层地下径流接近地表层，该层含有大量的可利用的c 源，支持反 硝化的进行，而植物的大部分根系也存在于上层的土壤中，因此，区分反硝化作 用或植物的吸收造成的河岸带中n 0 3 - n 截留的机理是困难的。 1 6 3 当河岸带中n 饱和时，反硝化作用的最大值没有确定 h a l i s o n 等1 4 4 1 发现在森林河岸带受长期的富集影响有明显的n 素饱和症状。这 些症状不仅包括土壤中n 过程即矿化作用、硝化作用和反硝化作用的速率增加， 还包括植物和微生物中总的n 库的富集。w a r w i c k 和h i l l 及b e n g t s s o n 和 b e r g w a l l ”7 6 】在研究中都发现，高浓度n 0 3 n 负载情况下，n 0 3 n 的截留转化效 率也是高的。当硝酸氮以很高的浓度( 大于5 m g n l ) 输入时，其截留转化效率和 它的输入量就没有显著的关系【7 2 l 。a b c f 【 】将长期n 索的积累使n 素浓度超过河岸 带的缓冲能力这一结果称为河岸带n 饱和效应，提出在饱和的河岸带内，反硝化 作用是硝态氮截留转化的主要机理。然而，没有确定反硝化作用速率的最大值 【4 2 ，7 7 l 1 6 4 反硝化作用的中间产物n 2 0 与温室效应 有机物富集的无氧环境的控制为反硝化作用提供了合适的条件，导致相当大 - 8 ， 1 绪论 的反硝化潜力，已经证明反硝化是河岸带n 截留转化的主要过程。然而，