生态缓冲带作为陆地生态系统和水生生态系统的交错地带,能够有效地拦截地表径流中氮、磷及除草剂等污染物质进入河流、湖泊.选取紫花苜蓿(Medicago sativa)、早熟禾(Poa annua)、高羊茅(Festuca ela-ta)、黑麦草(Lolium perenne)和白花三叶草(Trifolium repens)等5种草本植物构建生态缓冲带.通过野外模拟径流实验,探究植被类型及缓冲带长度对生态缓冲带阻控地表径流、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、总磷(TP)、溶解磷(DP)、颗粒磷(PP)、乙草胺(AC)、阿特拉津(AT)等污染物质效果的影响.结果表明:5种生态缓冲带均显著提高径流及面源污染物的阻控效率,且随缓冲带长度的增加,其对污染物阻控效率逐渐增大.不同植被生态缓冲带可有效消减地表径流量,大小依次为:黑麦草＞高羊茅＞早熟禾＞白花三叶草＞紫花苢蓿.其中,4 m长的黑麦草缓冲带对NO3--N、TP、DP、PP和AC的阻控效率最高,分别达72.2％、73.2％、68.8％、83.5％和70.8％;4 m长的高羊茅缓冲带对NH4+-N和AT的阻控效率最高,分别达88.0％和77.3％.

面源污染是海河流域面临的主要水生态环境问题,如何通过流域景观格局优化实现对面源污染的控制一直是研究的热点问题.通过最小累积阻力模型,以海河流域为研究对象,将流域景观要素及影响流域景观过程的外部因子相结合,对海河流域面源污染风险格局进行了识别,并将阻力格局与海河流域实测水环境指标进行相关性分析及验证,在此基础上对流域污染风险进行识别与优化模拟.结果表明海河流域有40％以上(130380 km2)区域面临高污染风险,集中分布在中南部平原地区以及山区河谷地带;对此设置河流植被缓冲带进行格局优化模拟分析,通过比较不同措施格局优化阻力值变化趋势表明,对于二级河流水系,加强河流两岸600-1600 m范围的人类活动管控,可以有效降低污染物输出,显著降低流域面源污染发生的风险.在面源污染风险等级较高的平原地区,设置300-400 m植被缓冲带,可将风险等级降低50％,设置700-800 m岸边植被缓冲带即可达到最佳效果;而在山区地区因风险较低,设置400-500 m的植被缓冲带即可达到最佳效果,能够将污染风险在现有基础上降低30％-40％.这一研究结果对海河流域景观格局优化和面源污染风险控制提供科学参考.

河岸缓冲带作为河流-陆地之间重要的生态过渡区,恢复以及优化其退化的植被系统对防止水土流失、改善生态环境及实现该区域生态系统的可持续发展具有重要的现实意义.本文基于植被格局情景模拟和汇流路径长度指数,分析不同植被盖度和坡度下坡面水文连通性对植被格局的响应,探讨黄河下游河岸缓冲带水土保持效应的最优植被格局.结果表明:坡中格局-粗粒度-集群分布的植被配置方式所产生的汇流路径长度最小、水文连通性最弱,是抑制坡面产流汇流效果最优的植被格局类型.对于最优植被格局,其汇流路径长度随坡长的增加而增加,坡长越长,坡度的作用越明显,水文连通性在各坡度之间的差异越显著;汇流路径长度随植被盖度增加而减小,低盖度时各坡度之间的汇流路径长度差异明显,当盖度达到45％时,各坡度之间的汇流路径长度趋于一致、水文连通性差异较小.实证坡面汇流路径长度随植被盖度增加其降低趋势无规律性,而最优植被格局汇流路径长度随植被盖度增加均呈现出一致的先急剧后平缓下降趋势.在设置的5°～20°坡度范围内,最优植被格局在一定程度上改变了盖度变化过程中不同坡度之间汇流路径长度的差异,突显了河岸缓冲带植被格局对水文连通性的影响.

通过设置多组实验,模拟不同暴雨径流及缓冲带条件,对城市滨水缓冲带在不同暴雨雨型、历时、重现期、缓冲带坡度、植被覆盖度、初期冲刷等条件下的径流削减和水质净化作用进行研究.得出在不同实验条件下,滨水缓冲带的雨量动态径流系数结果在0.29-0.55之间.分析实验结果发现缓冲带对峰型靠前、历时较短、重现期短的暴雨径流削减效果更好,同时更平缓与植被覆盖度更高的缓冲带对径流的削减效果更佳.模拟实验显示,径流中不同污染物去除率范围分别为:SS为66.41％-90.29％、TN为44.48％-64.90％、NH3-N为32.72％-63.68％、TP为89.83％-95.04％、COD为34.32％-66.23％.缓冲带的径流水质净化效果在应对不同暴雨雨型时未显示明显规律,而缓冲带对中高浓度径流污染物削减率更高能够应对较强的初期冲刷效应.同时更平缓与植被覆盖度更高缓冲带,即表流流速更缓慢时,显示出更好的径流净化效果.

滨水缓冲带在入河雨水径流消减及水质净化方面起着关键作用.以迁安三里河滨水缓冲带为研究对象,利用SCS-CN模型、地表径流人工模拟以及水体样品实地采集等方法,揭示了缓冲带的雨水径流消减及水质净化效果,并分析了地表特征对其的影响.研究结果:(1)对雨水径流的消减率可超过80％.前期土壤含水量越低、坡长越长、坡度越小,消减量越大.灌木比草坪、花卉、铺装的消减量大.(2)植被带对TP、TN、NH3-N、COD和SS的消减率可分别达到85.35％、13.41％、68.32％、87.76％和98.5％.径流时长为60 min比30 min的水质净化效果好.草坪、花卉、高草、灌木对污染物的消减率高,砾石的消减率低.坡度从10°降低到5°,消减率可提升50％以上.坡长的增加对净化作用增加不显著.

氮(N)是水体的重要污染物之一.河岸缓冲带作为连接陆域和水域的生态纽带对N素去除效果显著,是有效控制N素向水体输出的重要途径.本文介绍了河岸带N素的迁移过程,从物理、化学及生物角度阐述了河岸带对N素的去除机理,归纳总结了河岸带对N素的去除效率、影响因素和研究手段.指出不同N素去除途径下N素去除效率的主要影响因素不同,植被结构、土壤渗透和持水特征、河岸宽度和坡度是通过影响物理作用去除N素的主导因素,植被类型、季节动态、植物生长发育是通过影响植物吸收去除N素的主导因素,土壤温度、有机碳含量、pH、硝态氮含量、氧含量是通过影响反硝化作用去除N素的主导因素.最后分析了当前研究中存在的问题,并提出了研究展望及今后研究重点.

农田中氮向河流水体的迁移不但造成化肥利用率低,而且加重水体污染和富营养化.在河流水体与农田间构建合理的植被缓冲带对于水生态保护具有重要意义.本研究在辽河保护区干流近农田处设置了蒿草(CK)、黑麦草(LP)、紫穗槐+黑麦草(AL)和杞柳+黑麦草(SL)4种植被缓冲带.自然降雨后采集地表径流和土壤渗流液,对植被带阻控径流量、固体悬浮物及NO3--N、NH4+-N和TN效果进行了测定.结果 表明:随着河岸植被带宽度的增加,农田地表径流量、固体悬浮颗粒物(SS)和径流中氮阻控率逐渐增大;5m宽黑麦草植被带可有效阻控径流中69.1％的固体颗粒物,黑麦草+紫穗槐植被带可有效阻控56.7％的NO3--N;而13 m宽植被带则平均可阻控95.6％、91.3％、75.9％、82.9％的固体悬浮颗粒物、NH4+-N、NO3--N、TN;植被带对土壤渗流液中各形态氮的阻控率显著低于径流,其中渗流液中NO3--N和TN的阻控率在前5m甚至出现负值,说明植被带的存在加强了径流中氮的下渗作用;4种植被缓冲带中,紫穗槐与黑麦草组合带(AL)对农田径流和渗流液中氮的去除效果均最好.

丹江口库区是南水北调中线工程重要水源地,通过探究库区景观格局变化与氮磷净化能力,对未来景观规划和生态系统功能提升提供科学依据.在县域尺度上以丹江口市为研究区,运用景观格局指数和InVEST模型研究2003-2018年库区景观格局和氮磷净化能力,并利用Pearson相关分析和RDA分析法探讨二者之间的关系,分析引起氮磷净化能力变化的因素.结果 表明:在斑块类型上,水域面积和林地面积不断增加,耕地和园地面积逐渐减少,建设用地面积整体上呈增长趋势;在景观水平上,景观形状指数不断减少,蔓延度指数和聚集度指数整体呈增长趋势,形状复杂程度降低,景观聚集程度提升,散布与并列指数增加了5.58,香农多样性指数变幅较小,各斑块类型趋于规则,呈均衡趋势分布.2003年、2008年、2013年和2018年氮磷净化能力呈持续增强趋势,其中TN输出总量分别为899.224、801.481、776.979、672.149 t,TP输出总量分别为77.308、69.921、68.163、60.802 t,15年间TN、TP的净化能力分别增强了25.3％和21.4％;对氮磷净化能力重要性等级划分表明,极重要、高度重要区主要分布于库区、河流两岸和林地区域.利用Pearson相关分析和RDA分析法表明,在斑块类型上林地与氮磷的输出呈显著负相关,耕地、园地和建设用地与氮磷输出量呈正相关;在景观水平上氮磷输出量与景观形状指数呈显著正相关,和散布与并列指数表现出显著负相关,与蔓延度指数、聚集度指数呈负相关.因此,可在库区氮磷输出量较高的地区种植喜氮喜磷植物,通过调节景观格局结构,合理规划土地利用,增加林地面积,建设河岸植被缓冲带充分滞缓径流等一系列措施,充分保障库区水源水质安全.

滨水植被缓冲带能有效去除地表径流中的面源污染物.本文采用模拟地表径流的方式,探讨了丹江口库区坡度分别为11°、15°、17°和21°的4种马尾松人工林滨水植被缓冲带不同宽度条件下对径流污染物的截留效果及其影响因素.采用双环入渗试验测定土壤渗透性能,环刀法测土壤密度及最大持水量,同时测定了不同坡度下林下枯落物的厚度和生物量.结果表明:坡度、宽度、枯落物厚度和枯落物生物量是影响截留率的主要因素.4种坡度下,截留率均随宽度的增加而增加,随着坡度的增加而减小.当滨水植被缓冲带的坡度为11°时,4种面源污染物的截留率要达到80％,其宽度应为34 m左右;坡度为15°时,宽度为40 m左右;当坡度为17.时,宽度为45 m左右;当坡度为21°时,宽度为48 m左右.这些研究结果对库区马尾松人工林滨水植被缓冲带的营造和管理具有一定的参考价值.