黄土高原地区降雨径流引起剧烈的水土流失并纳入大量的泥沙和氮、磷等面源污染物，加剧水体的污染，使该地区的水资源更加紧缺，严重制约社会经济的可持续发展，引发了国家和社会的高度关注。植被过滤带是一种能沉降、过滤、稀释、下渗或吸收地表径流中污染物的植被区域系统^[1]，可从过程上减少面源污染物进入水体^[2]，从而显著减轻非点源污染，已在欧美国家得到广泛的应用，国内对此也做了大量的研究与探索。Giri等^[3]研究表明柳枝稷能有效拦截径流中污染物，李怀恩等^[4]在黄土高原地区放水试验表明，乡土物种沙棘等营造的植被过滤带对径流中的污染物具有良好的过滤拦截效果。然而，目前国内关于植被过滤带实际应用方面却鲜有报道^[5]。申小波等^[6]通过模拟实验研究了不同宽度植被过滤带对污染物的拦截作用，高建恩、王显文等采用能源型牧草柳枝稷植被过滤带，基于径流调控理论与水土资源高效利用的理念，设计了一种坡地高效农业用水滤清系统(CN201410036089.7)^{[7, 8, 9]}，可拦截净化降雨径流中的污染物并将过滤后的径流用于发展水土保持型高效农业。本文在该滤清系统的基础上，分析了不同雨强下坡地污染物输出特征，研究了不同宽度柳枝稷植被过滤带对污染物的拦截效果，初步探究了滤清系统的拦截作用对柳枝稷产量的提高和品质的提升，研究结果对滤清系统在黄土高原地区的进一步优化与应用推广具有重要的参考作用。

模拟降雨试验主要包括降雨系统、集流系统和柳枝稷植被过滤系统三个部分，试验系统的平面布设如图 1。不同强度的模拟降雨降落于集流系统的裸露坡面，对其进行冲刷，自然形成含沙量高、污染物浓度大的受污水流，而后进入柳枝稷植被过滤带。

图 1 试验系统平面布设示意图 Figure 1 Diagram of experimental system

图选项

人工模拟降雨通过降雨机实现，该降雨机高8 m，通过调节降雨机喷头中垫片的孔径大小来控制降雨雨强。在对垫片孔径大小与降雨强度之间的关系率定后，为装置选用的垫片孔径大小分别为6、8、9、10、11、12 mm，所对应的降雨强度分别为0.8、0.9、1.2、1.9、2.1、2.3 mm·min^-1。降雨组次随机安排，每次降雨试验前对雨强进行率定，保证降雨均匀度达到75%。各场降雨在第二次取样后停止，降雨历时在50~70 min之间。

集流系统是长6 m、宽1 m，坡度为15°的裸露坡面。试验用土为取自安塞县马家沟流域的黄绵土，有机质含量0.54%，全氮含量0.04%，全磷含量0.14%。在试验前3 d将肥料喷施于风干黄土并充分搅拌，配制肥土。每吨干土施用78.12 g磷酸二氢钾和195.32 g尿素，模拟667 m²平均施用13.3 kg磷酸二氢钾和33.3 kg尿素。每次降雨前更换集流系统表层的肥土，换土厚度为20 cm，分层充填并控制填土密度在1.30 g·cm^-2左右。

柳枝稷植被过滤系统长5 m、宽1 m，位于集流系统的下方。试验用柳枝稷播种于2013年5月，播种量为1.5 g·m^-2。试验开始前，柳枝稷平均株高约23 cm，单位面积上柳枝稷茎秆密度为4300~4400株·m^-2，盖度大于80%。

滤清试验系统设置在西北农林科技大学节水博览园内，具有两个平行的滤清系统作为重复。模拟降雨试验于2013年8—9月间进行，该实验每次降雨间隔时间一致，以保证试验系统内土壤含水量基本相同。植被过滤带内设置三个取样断面，分别位于入口(0 m)、距离入口3 m和5 m处。降雨开始，待出口处产流稳定后，采用注射器在各个断面第一次取样，首次取样30 min后进行第二次取样，各断面取4个径流样。在每次试验后，放水冲洗植被过滤带表层，尽量清除残留于过滤带内的污染物，以减轻对下次试验的影响。

水质样品于降雨试验取样当天进行测定，测定指标包括泥沙含量、总氮(TN)、总磷(TP)和化学需氧量(COD)。泥沙含量测定采用烘干法；总氮含量测定采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度计法；总磷含量采用硫酸钾氧化-钼酸铵分光光度计法；COD采用美国HACH公司生产的DR2800便携式水质分析仪进行测定。

通过将过滤带内与普通大田2014年柳枝稷产量和品质进行比较，初步评价柳枝稷植被过滤带的生产效益。取样样地设置在节水博览园滤清系统和安塞县马家沟流域，分别对应过滤带柳枝稷和普通大田种植柳枝稷。两处柳枝稷品种、种植时间和土壤条件一致，均无施肥灌水等抚育措施，过滤带柳枝稷样地为图 1所示的两个平行试验小区，并且在该年度未进行干扰性试验。测定指标包括株高、产量、植株蛋白质含量和淀粉含量。样方大小设置为1 m×1 m，过滤带柳枝稷进行分段取样，样方选定后各样方内选取10株测株高，而后刈割、烘干、测产。两处柳枝稷各取3个试样，对各试样分别测茎和叶中的蛋白质和淀粉含量，按比例计算全植株蛋白质和淀粉含量。柳枝稷植株蛋白质含量采用考马斯亮蓝法^[10]，淀粉含量采用蒽酮比色法测定^[10]。

采用SPSS18.0对数据进行方差分析、均值比较和拟合分析。采用Origin9.0软件绘制图表。

采用污染物质量浓度削减率^[11]定量评价柳枝稷植被过滤带对径流中污染物的净化效果，某一污染物质量浓度削减率越大，表明柳枝稷植被过滤带对该污染物的拦截效果越好。污染物质量浓度削减率R的计算方法为：

雨滴打击力和径流冲刷力是造成土壤侵蚀和养分流失的主要动力^[12]，雨强对坡面土壤和污染物流失有重要影响。当雨强增加时，一方面雨滴打击力增强，坡面上更多的土粒被溅散，为侵蚀提供了物质来源，同时，雨滴打击还能增强坡面薄层径流的紊动^[13]，从而影响径流对泥沙和污染物的挟带能力；另一方面，坡面径流量增大，径流对坡面的冲刷能力也就越强，从而导致径流中泥沙含量随雨强的增加而增大。根据王显文[8]、高建恩^[7]等对不同雨强径流中污染物输出特征的试验资料进行分析整理(图 2)，可以看出，径流中泥沙含量随雨强的增加而增加。当雨强从0.8 mm·min^-1增大1.9倍达到2.3 mm·min^-1后，径流中泥沙含量从11.4 g·L^-1剧增到103.1 g·L^-1，增加了8.1倍，泥沙含量随雨强增加的趋势可以较好地用幂函数描述(R²=0.98，P < 0.01)，与李浩宏等^[14]室内试验的结论一致。径流中的总磷含量随雨强增大也表现为增加的趋势，当雨强从0.8 mm·min^-1增大到2.3 mm·min^-1时，径流中总磷的含量则从9.9 mg·L^-1增加1.2倍达到21.9 mg·L^-1，其随雨强增加的趋势也可以较好地用幂函数描述(R²=0.99，P < 0.01)。径流中总氮含量随降雨强度的增加有减少的趋势，当雨强从0.8 mm·min^-1增大到2.3 mm·min^-1时，径流中的总氮含量从60.2 mg·L^-1降到46.0 mg·L^-1，减少23.5%，径流中总氮含量随雨强的增加以幂函数的形式减小(R²=0.86，P < 0.01)。径流中COD含量随雨强增加表现为先减小后增加的趋势，当雨强从0.8 mm·min^-1增大到2.1 mm·min^-1，径流中COD含量减少28.7%，为13.9 mg·L^-1，与总氮减少幅度相近，其减小趋势能用幂函数的形式描述(R²=0.76，拟合方程未计入雨强为2.3时的数值点)，当雨强为2.3 mm·min^-1时，径流中的COD含量则增加达到24.9 mg·L^-1。

图 2 不同雨强下径流中污染物含量 Figure 2 Concentrations of pollutants in overland runoff under different rainfall intensity

图选项

径流中污染物的含量并不能代表径流中污染物挟带量，污染物挟带量是污染物含量和径流量共同作用的结果，雨强增加时径流量会随之增加，从而影响径流中污染物挟带量。根据王占礼等^[15]试验得出的黄土坡面产流经验公式推算，本试验中，单位时间内坡面径流输出的泥沙、总磷、总氮和COD的输出量都随雨强的增加而增加。这与目前的主流结论一致^[16]。不同污染物在径流中含量随雨强的增加其变化趋势不同，径流中泥沙和总磷含量均随雨强的增加而增加，与陈玲等^[17]研究结论一致。总氮和COD含量则随雨强的增加而略微减小，与傅涛等^{[18, 19]}的研究结论相近。污染物在径流中输出特征随雨强的变化和污染物的迁移特征有关，泥沙和总磷在径流中以颗粒态的形式搬运，总氮和COD在径流中则主要以溶解态的形式搬运。坡面土壤侵蚀随雨强的增加而愈加剧烈，由此导致颗粒态的泥沙和总磷含量随雨强的增加而增加。溶解态物质在径流中含量随降雨历时和雨强的增加具有一定的稀释效应，从而引起径流中总氮和COD的输出含量随雨强的增加而减小。当雨强为2.3 mm·min^-1时，径流中COD含量的增加可能与有机质在土壤颗粒中的分布有关。黄土中有机质多集中于团聚体中，团聚体在雨强较大时才能流失^{[20, 21, 22]}。因此在实验条件下，当雨强达到2.3 mm·min^-1时，表土中团聚体流失，导致大雨强条件下径流中COD含量的增加。

植被过滤带可以有效地增加地表阻力，减小径流流速，降低径流的挟沙能力，增加泥沙的沉降，从而达到过滤拦截泥沙的效果^[23]。在对王显文[8]试验资料整理的基础上，分析了不同长度柳枝稷植被过滤带对污染物的拦截效果，结果见表 1。从表 1看出，柳枝稷植被过滤带能较好地削减径流中的泥沙含量。经3 m长柳枝稷植被过滤带作用后，径流中泥沙含量平均降低到1.6~6.2 g·L^-1，泥沙质量浓度削减率达到85%~97%，平均质量浓度削减率为92%；经5 m长的柳枝稷植被过滤带作用后，径流中的泥沙含量降低到0.5~1.4 g·L^-1，泥沙质量浓度削减率达到94%~99%，平均削减率为97%。3 m和5 m长植被过滤带均能显著削减径流中泥沙含量(P < 0.05)。在3 m长过滤带基础上，多数雨强条件下，5 m长植被过滤带对泥沙含量的进一步削减效果不明显(P>0.05)，仅当雨强较小(0.8 mm·min^-1)时，5 m长植被过滤带才对泥沙含量有进一步的削减效果(P < 0.05)。

表 1 不同宽度植被过滤带作用后径流中污染物含量 Table 1 Concentrations of pollutants in runoff water after passing through different widths of VFS

表选项

在降雨和径流的共同作用下，表层土壤中的磷既能通过淋溶和解析作用进入径流，也能随所附着的土粒进入径流，分别构成径流中溶解态和颗粒态的磷^[24]。大量的研究表明^{[25, 26]}，磷在径流中主要是通过泥沙等固态污染物吸附携带，以颗粒态的形式流失，因此径流中的磷素含量与泥沙含量密切相关。从表 1看出，柳枝稷植被过滤带对径流中的总磷含量削减效果较好。经3 m宽柳枝稷植被过滤带作用后，径流中总磷含量平均降低到2.0~5.0 mg·L^-1，总磷质量浓度削减率达到76%~84%，平均削减率为79%；经5 m长的柳枝稷植被过滤带作用后，径流中的总磷含量降低到0.9~1.6 mg·L^-1，总磷质量浓度削减率达到87%~94%，平均削减率为91%。方差分析表明，3 m和5 m长植被过滤带均能显著削减径流中总磷含量(P < 0.05)。试验条件下，相对于3 m长过滤带，5 m长植被过滤带对总磷含量的进一步削减效果不明显(P>0.05)。

坡面径流中的氮主要是以溶解态的形式存在，当施用尿素等速效氮肥时，氮素流失更加严重且更容易随径流流失^{[27, 28, 29]}。经3 m长的植被过滤带作用后，径流中的总氮含量为42.6~59.8 mg·L^-1，质量浓度削减率在0.54%~7.3%之间，平均削减率为4%；经5 m长的植被过滤带作用后，径流中的总氮含量为39.7~59.4 mg·L^-1，质量浓度削减率在1%~14%之间，平均削减率为6.3%。植被过滤带对径流中总氮含量削减效果不明显，伴随植被过滤带内土壤氮进入径流以及径流的入渗，经植被过滤带作用后，径流中总氮含量可能会增加，从而造成对总氮质量浓度削减率为负值^[24]。方差分析表明，3 m和5 m长的植被过滤带对径流中总氮含量的削减效果均不明显(P>0.05)。

坡面降雨径流不但将泥沙、氮、磷等带入水体，还把土壤中的一些有机物质带入水体，而土壤中天然有机质对径流中COD贡献很大^[30]，因而造成坡面径流的高COD含量。坡面径流中，COD主要以溶解态有机质的形式存在，其流失规律与总氮流失相关^[31]。经3 m长的植被过滤带作用后，径流中的COD含量减小到8.4~19.9 mg·L^-1，COD质量浓度削减率在-1%~51%之间，平均削减率为17%；经5 m长的植被过滤带作用后，径流中的COD含量为7.6~15.7 mg·L^-1，质量浓度削减率在15%~56%之间，平均削减率为31%。试验条件下，5 m宽的植被过滤带对径流中的COD含量具有显著的削减效果(P < 0.05)，部分雨强条件下，3 m长的植被过滤带也具有显著的削减效果(P < 0.05)。

不同长度柳枝稷植被过滤带对径流中不同的污染物含量削减效果不同。柳枝稷植被过滤带很大程度削减径流中泥沙含量和总磷含量，可部分削减径流中COD含量，而削减总氮的能力较差。这种结果与污染物在径流中搬运形式和植被过滤带对污染物拦截机理有关。过滤带一方面可以促进径流下渗，另一方面又能通过自身阻挡作用，增加地表阻力、降低径流流速，增加沉积，从而减少污染物的搬运量^[32]。径流中的泥沙经物理性拦截而沉积，总磷多数也伴随泥沙而沉积，因此植被过滤带对泥沙和总磷具有较高的削减效果；总氮和COD在径流中多以溶解态形式搬运，植被过滤带难以作用，因此削减效果不明显。针对径流中的污染物种类不同，所配置的柳枝稷植被过滤带的长度也应该有所不同。当径流中所需削减的污染物为泥沙和总磷时，3 m长的过滤带即可显著作用，当所需削减的污染物为总氮和COD时，过滤带的长度至少要达到5 m。因此，需要通过进一步的研究，以确定削减径流各类污染物所需过滤带的合理长度。

植被过滤带不但能拦截沉降径流中的污染物，减轻面源污染，还能吸收利用所拦截物质中的营养成分，促进过滤带内植被生长，提升其产量与品质。柳枝稷作为一种优质牧草，应具有较高的蛋白质含量和碳水化合物含量^[33]，两个小区内的过滤带柳枝稷与大田种植柳枝稷产量与品质的初步比较见表 2。过滤带柳枝稷蛋白质含量为12.9%，相较于大田种植柳枝稷显著提高18%(P < 0.05)；淀粉含量为13.3%，相较于大田种植柳枝稷降低5%(P>0.05)。与普通种植柳枝稷相比，过滤带柳枝稷干物质产量可达到16 500 kg·hm^-2，显著提高29%(P < 0.05)；单位面积蛋白质和淀粉产量分别为2 128.5、2 194.5 kg·hm^-2，分别提高53%和23%。过滤带柳枝稷的品质和产量都优于大田种植柳枝稷，其主要原因是植被过滤带能拦截利用径流及其中的氮、磷等面源污染物，相当于水肥条件的改善，从而提高了柳枝稷的产量与品质^[34]。

表 2 不同种植条件柳枝稷生产力比较 Table 2 Yield of switchgrass under two growing conditions

表选项

图 3反映了距径流入口不同距离处过滤带柳枝稷的平均株高与产量。距离径流入口越近，柳枝稷的平均株高越高，单位面积干物质产量也越大。距径流入口4~5 m处柳枝稷的平均株高为1.45 m，距入口0~1、1~2、2~3、3~4 m处柳枝稷的平均株高则分别为1.85、1.70、1.66、1.55 m，分别相对增加28%、17%、14%、6%，不同距离处柳枝稷株高间差异显著(P < 0.05)。距离径流入口2 m内的柳枝稷干物质产量明显高于3 m之外，3 m之外的平均干物质产量约为1.4 kg·m^-2，距离径流入口0~1 m和1~2 m处的则分别为2.23、1.79 kg·m^-2，分别提高57%和27%。因为距径流入口越近，柳枝稷所能拦截利用径流与营养物质越多，水肥条件越优，柳枝稷的长势也就越好。

图 3 距径流入口不同距离处柳枝稷株高与产量 Figure 3 Yield and plant height of switchgrass in VFS at different distance from runoff entrance

图选项

(1)坡面径流中泥沙和总磷含量随雨强的增加而增加，总氮含量随雨强的增加而减小，COD含量随雨强增加呈现出先减小后增加的趋势。

(2)柳枝稷植被过滤带对泥沙和总磷削减效果较好，对COD具有一定的削减效果，对总氮的拦截效果不明显。3 m与5 m长植被过滤带均能显著削减径流中的泥沙和总磷含量，且两者的削减效果无显著差异。5 m长的过滤带还能显著削减径流中的COD含量。两种长度的过滤带对径流中总氮含量的削减效果都不明显。在配置植被过滤带时，应根据径流中污染物种类，合理选择所需过滤带带长。

(3)柳枝稷植被过滤带对径流中污染物的拦截利用能提升过滤带柳枝稷的干物质产量与品质。在过滤带内部，距离径流入口越近，柳枝稷长势越好，干物质产量越大。