河岸带是水域生态系统与陆域生态系统的过渡带，是维护河流生态系统健康的重要屏障，具有调蓄洪水、环境净化、生物栖息、休闲娱乐等功能^[1-2]。已有研究^[3-5]表明，河岸带宽度是有效发挥河岸带功能的关键因素。目前，国内外学者开发出多个河岸带模拟、管理模型，如河岸带生态系统管理模型、植被过滤带模型等，此外美国、英国和加拿大等国制定河岸带建设与管理相关条例，为河岸带管理提供了有效的定量模拟计算方法^[6-9]。国内以往的河岸带保护、建设和管理大多针对大中型河流，而在我国一些乡村地区，由于土地资源有限，河岸带宽度不能满足其功能要求，对乡村河道河岸带建设未引起足够重视^[10-11]；因此，提出合理的河岸带宽度补偿优化方法已成为当前我国乡村河岸带管理中迫切需要解决的问题。笔者以浙江省桐乡市石门镇白马塘村为研究对象，基于REMM分析河岸带宽度适宜性，研究不同的人工生态材料对河岸带宽度的补偿效果，以期为河岸带宽度确定和河道建设管理提供参考。

本研究以桐乡市石门镇白马塘村为研究区，研究区地处浙北杭嘉湖平原腹地，位于E 120.442°~120.464°，N 30.631°~0.651°之间，平均海拔6 m，区域面积约为3.28 km²，属于典型的亚热带季风气候。研究区内土地利用方式以菊花田、稻田和果园等农业用地为主，区域内主要有油车桥港、曹家笕港、秀才桥港、京杭大运河和白马塘河5条河流，按土地利用方式和断面划分为5个河段，如表 1和图 1所示。

表 1(Tab. 1)

表 1 区域内河岸带基本特征 Tab. 1 Basic characteristic of riparian zones in the region 河段编号 Reach No. 断面结构 Section structure 河道 Reach 长度 Length/m 河岸带宽度 Width/m 河岸带外土地利用方式 Land use patterns outside the riparian zone T1 斜坡+垂直挡墙 Slope+vertical retaining wall 油车桥港 Youcheqiao River 1, 175.91 15.62±0.28 稻田、桑田 Rice filed and mulberry field T2 纯斜坡Only slope 油车桥港 Youcheqiao River 1, 484.64 20.07±0.30 苗木地、菊花地 Seedling field and chrysanthemum field T3 斜坡+垂直挡墙 Slope+vertical retaining wall 油车桥港 Youcheqiao River 1, 211.99 31.08±0.24 果园、菊花地、稻田 Orchard, chrysanthemum field, and rice field T4 斜坡+垂直挡墙 Slope+vertical retaining wall 曹家笕港 Caojiajian River 1, 655.51 25.21±0.26 苗木地、稻田、菊花地 Seedling field, rice field, and chrysanthemum field T5 纯斜坡Only slope 油车桥港 Youcheqiao River 1, 595.61 26.35±0.33 菊花地、稻田、果园 Chrysanthemum field, rice field, and orchard T6 纯斜坡Only slope 秀才桥港 Xiucaiqiao Rriver 1, 935.61 30.16±0.27 菊花地、稻田 Chrysanthemum field and rice field

表 1 区域内河岸带基本特征 Tab. 1 Basic characteristic of riparian zones in the region

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区水系分布及监测点布置图 Fig. 1 Water distribution and layout of monitoring points in the study area

研究区农田总面积为135.41 hm²，农田产生的面源污染通过地表、地下渗漏和农田排水等汇入河岸带区域。以2016年为监测期，根据当地部门提供的统计资料，研究区年内流失总氮量8 939.23 kg，其中菊花田流失的总氮量最少，水稻田流失的总氮量最大，麦田和油菜地、桑田、果园的全年流失总氮量大致相同。研究区监测期年内各种农作物田间年施肥和流失总氮量见表 2。

表 2(Tab. 2)

表 2 研究区农田施肥年流失总氮量 Tab. 2 Annual total nitrogen loss from farmland in the study area 种植作物 Crop 种植时间 Planting time 面积 Area/hm2 单位年施肥量 Amount of fertilizer applied per year/(kg·hm-2) 肥料总氮量 Total nitrogen (TN) in fertilizer/kg 年流失总氮量 Annual loss of TN/kg 菊花 Chrysanthemum 5—10月 May to October 64.51 复合肥Compound fertilizer 300 2 902.96 725.74 水稻Rice 6—10月 June to October 35.21 碳酸氢铵Ammonium bicarbonate 825 尿素Urea 270 复合肥Compound fertilizer 825 13 571.99 3 393.00 小麦和油菜 Wheat and rape 11—5月 November to May 35.21 碳酸氢铵Ammonium bicarbonate 750 复合肥Compound fertilizer 270 5 914.64 1 478.66 桑树Mulberry 3—6月 March to June 13.51 尿素Urea 450 碳酸氢铵Ammonium bicarbonate 1500 6 180.83 1 545.21 果园Orchard 全年 Throughout the year 22.18 碳酸氢铵Ammonium bicarbonate 900 尿素Urea 300 复合肥Compound fertilizer 90 7 186.50 1 796.62 合计 Total 135.41 35 756.92 8 939.23

表 2 研究区农田施肥年流失总氮量 Tab. 2 Annual total nitrogen loss from farmland in the study area

试验区河岸带监测期年内月平均地下水位及日降雨量变化如图 2所示。全年日最大降雨量为96 mm，由于受台风影响，该年份的8月21日、9月14日和15日24 h降雨量超过50 mm，为暴雨等级。由图 2可知，河岸带不同分区地下水位存在较大差异，地下水位变化从Ⅰ区到Ⅲ区依次降低。各分区最高与最低水位差值也存在较大差异，Ⅲ区内地下水位差为102 cm，Ⅱ区内地下水位差为54 cm，Ⅰ区内地下水位差为53 cm。地下水位受当地降雨影响较大，水位的季节性变化较大，且水位的变化与降雨量的变化相比有滞后性。

图 2(Fig. 2)

图 2 降雨量及河岸带各分区水位变化 Fig. 2 Rainfall and river level changes in the riparian zones

REMM由美国农业部农业研究所(USDA-ARS)Lowrance等于1998年开发完成，该模型将河岸带分为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区，如图 3所示^[6]。Ⅰ区抵御河流地表径流冲刷，Ⅱ区阻止岸外沉积物和化学元素运输到相邻水生系统；Ⅲ区减缓来流速度，减轻降雨径流^[11]。模型以反映河岸带水文、植被、土壤、泥沙等特性的指标为基本参数，首先计算河岸带内水文过程，再耦合农田面源污染量，然后计算河岸带内土壤、植被和径流中氮含量，其中地下水总氮含量的公式如式(1)。该模型目前已在美国、加拿大等国得到很好应用 ^{[6, 7, 12-14]}。笔者以河岸带地下水中总氮去除率为指标，探讨不同措施河岸带适宜宽度。

图 3(Fig. 3)

图 3 河岸带监测断面监测井布置图 Fig. 3 Layout of monitoring wells for riparian monitoring section

式中：C_Average为地下水中总氮浓度，mg/L；C_i为氮浓度，mg/L；D_i为土层水位深度，m；P_i为孔隙度，%。

在不同河段分别布置1个监测断面，根据离水边缘的距离大小，在各监测断面分别布置4个监测井，监测井1布置于迎水面坡脚，监测井2布置于建设方式上边缘，监测井3布置于坡顶，监测井4布置于田间，各监测井布置与模型对河岸带分区要求对应，如图 3所示。监测取样自2016年1月开始，历时1年，每月中旬左右进行地下水样采集，地下水总氮含量采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定。

以河岸带地下水月均总氮去除率为指标，计算河岸带目标宽度，总氮去除率计算公式如下：

式中：C₁为河岸带-农田交界处地下水总氮浓度，mg/L；C₂为河岸带-河道交界处地下水总氮浓度，mg/L；η为地下水总氮去除率，%。

相关研究和数据结果表明，总氮去除率达到75%后，随着河岸带宽度的增加，总氮去除率增长缓慢，故本文选定河岸带目标月均总氮去除率为75%^[13]。利用REMM得到自然措施河岸带的宽度(w)-总氮去除率(η)拟合函数，计算总氮去除率为75%时的目标宽度，分析自然措施河岸带现有宽度满足与否。用宽度指数W_TN反映自然措施河岸带宽度所需增加值与总氮去除率提高幅度的关系^[15]：

式中：w₁为自然措施河岸带宽度，m；w₂为总氮去除率达到75%时自然措施河岸带目标宽度，m；η₁为现有宽度下自然措施河岸带总氮去除率，%；W_TN为每增加1%的总氮去除率，自然河岸带宽度增加值，m/%。

用补偿宽度指数C_TN作为指标衡量复合措施河岸带对宽度的补偿效果，反映复合措施河岸带宽度增加与总氮去除率提高的关系。

式中：w为河岸带宽度，m；η为河岸带总氮去除率，%；C_TN表示某一总氮去除率下宽度对总氮去除率的变化率，m/%。

应用REMM分析自然措施河岸带对地下水总氮去除率和宽度对总氮去除率需求的满足程度，地下水总氮去除率季节变化较大，故采用月均地下水总氮去除率进行计算，结果见表 3。以往研究中，只考虑宽度因素时，15 m宽的缓冲带可以去除径流水中50%以上的总氮^[16]。由表 3可知，在现有宽度下，仅河段T6河岸带总氮去除率高于目标总氮去除率，而其他河岸带均＜75%，多数在60%~ 70%之间，略高于以往研究数据，与研究区常年水位较高，植被类型丰富，土壤有机质含量较高等有关^[17]。若要达到75%的总氮去除率，T1、T2、T3、T4、T5河段河岸带宽度分别需增加13.04、9.69、3.68、5.69和9.01 m。其中，T3所需拓宽宽度最小，W_TN值最小，拓宽河岸带宽度来达到75%的目标总氮去除率较为经济。而实际可用土地资源有限，拓宽河岸带存在较大困难，可建设人工生态材料补偿宽度差。

表 3(Tab. 3)

表 3 自然措施河岸带宽度满足程度分析表 Tab. 3 Analysis of riparian width satisfaction degree in different river sections 河段编号 Reach No. 岸外年流失总氮量 Annual loss of total nitrogen off-shore/ (kg·hm-2) 现有宽度均值 Average width w1/m 总氮去除率 Total nitrogen removal rate η1/% 宽度与总氮去除率拟合函数 Fitting function of width and total nitrogen removal rate 目标宽度 Target width w2/m 宽度差 Width difference (w1-w2)/m 宽度指数WTN/ (m·%-1) T1 55.83 15.62 58.77 w=e(η-20.921 14)/17.574 3+6.955 2 28.66 -13.04 0.80 T2 18.14 20.07 60.98 w=e(η+30.423 1)/31.843 8+2.360 03 29.76 -9.69 0.69 T3 39.61 31.08 69.32 w=e(η+152.702 1)/60.205 9-9.142 31 34.76 -3.68 0.65 T4 47.98 25.21 66.18 w=e(η+41.653 96)/35.249 8+3.530 13 30.90 -5.69 0.65 T5 70.58 26.35 68.46 w=e(η-9.855 53)/19.798 2+8.508 89 35.36 -9.01 1.38 T6 32.55 31.16 76.03 w=e(η-13.605 89)/19.862 2+7.000 49 30.00 1.16 — Note: w: correction function of width, m; η: nitrogen reduction rate, %. The same below.

表 3 自然措施河岸带宽度满足程度分析表 Tab. 3 Analysis of riparian width satisfaction degree in different river sections

针对研究区减氮效果不理想的河岸带，进行生态建设，如表 4所示。可见，不同河岸带生态建设后总氮去除率均有提升，与以往研究中生态护岸建设可提高截污效率的结论一致，而不同材料提高总氮去除率效果存在差异^[18]。混凝土扇形砖、混凝土砌块、五丰砌块对总氮去除率增加值＜15%，生态混凝土球、生态袋对总氮去除率增加值＞15%，总氮去除率分别达到76.07%和79.71%，且生态混凝土球对河岸带单位宽度总氮去除率增加值最大，为0.751 9 m/%。生态混凝土球和生态袋对总氮去除率提升效果优于其他材料。

表 4(Tab. 4)

表 4 复合措施河岸带总氮去除率 Tab. 4 Total nitrogen removal rate of composite measures in riparian zone 河段编号 Reach No. 人工生态材料 Artificial ecological material 布置方式 Arrangement 复合措施总氮去除率 Total nitrogen removal rate by combined measures η2/% 单位宽度总氮去除率增加值 Increased value of total nitrogen removal rate per width ((η2-η1)/w1)/(%·m-1) T1 混凝土扇形砖 Concrete sector bricks 垂直河面 Vertical to the river 58.83 0.003 8 T2 生态混凝土球 Ecological concrete balls 堆叠于河岸坡脚Paved at the foot of the bank slope 76.07 0.751 9 T3 混凝土砌块 Concrete bricks 垂直河面 Vertical to the river 70.41 0.035 1 T4 五丰砌块 Ecological Wufeng bricks 垂直河面 Vertical to the river 73.92 0.307 0 T5 生态袋Ecological bags 堆叠于河岸坡脚Paved at the foot of the bank slope 79.71 0.426 9

表 4 复合措施河岸带总氮去除率 Tab. 4 Total nitrogen removal rate of composite measures in riparian zone

不同河段河岸带2016年每月地下水总氮质量浓度变化如图 4所示，曲线为REMM对自然措施河岸带计算值的连线，数据点为复合措施河岸带监测井实测值。与其他月份相比，2、3、11、12月各监测井间数值差异较小，枯水期农田土壤氮素随潜流迁移量小，河岸带对氮素消减效果不显著。5月到7月，地下水总氮含量升高，随降雨量增多，土壤入渗量增加，农田氮素随土壤流横向迁移量增大。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同河段河岸带地下水总氮质量浓度变化 Fig. 4 Variation of total nitrogen concentration in the riparian zones of different river reaches

经计算，T6河岸带的计算值与实测值误差小于±1%，说明模型对研究区纯植被河岸带地下水氮质量浓度的模拟结果较好。其余河段监测井1的计算值与实测值数据差异明显，说明不同人工材料对河岸带地下水总氮质量浓度的影响程度不同，且对监测井1质量浓度值影响最大。如图 5所示，不同河段河岸带监测井1的实测值和计算值的线性相关系数R²均＞0.95。

图 5(Fig. 5)

图 5 监测井1总氮质量浓度实测值与计算值相关关系图 Fig. 5 Correlation between measured and calculated total nitrogen concentration in the monitoring well 1

根据监测井1地下水总氮质量浓度计算值与实测值间存在线性相关关系，可根据自然措施河岸带w-η函数得到复合措施河岸带的w-η函数。不同复合建设措施对河岸带总氮去除率的提升及宽度补偿效果如表 5所示。可见，建设人工生态材料可减小河岸带目标宽度，人工生态材料对宽度的补偿值在0.08~11.64 m之间，其中生态混凝土球与生态袋补偿宽度值＞10 m，不增加河岸带宽度可满足减氮需求。由表中补偿效果曲线可知，总氮去除率为75%时，生态混凝土球、五丰砌块、生态袋、混凝土砌块、混凝土扇形砖的C_TN分别为0.55、0.62、0.71、0.79和1.28，而C_TN越大，河岸带补偿效率越低，因此生态混凝土球补偿效率最高。

表 5(Tab. 5)

表 5 复合措施河岸带对宽度的补偿效果 Tab. 5 Compensation effect of combined measures on riparian zone width 河段编号 Reach No. 宽度与总氮去除率修正函数 Correction function of width and total nitrogen removal rate 复合目标宽度 Composite target width w3/m 补偿宽度 Compensated width (w2-w3)/m 宽度差 Difference of width (w1-w3)/m 补偿效果曲线 Compensation effect curve T1 w=e(η-20.981 14)/17.574 3+6.955 2 28.58 0.08 -12.96 T2 w=e(η+15.333 1)/31.843 8+2.360 03 19.42 10.34 0.65 T3 w=e(η+151.612 1)/60.205 9-9.142 31 33.98 0.78 -2.9 T4 w=e(η+33.913 96)/35.249 8+3.530 13 25.50 5.40 -0.29 T5 w=e(η-21.105 53)/19.798 2+8.508 89 23.72 11.64 2.63

表 5 复合措施河岸带对宽度的补偿效果 Tab. 5 Compensation effect of combined measures on riparian zone width

生态混凝土球对单位宽度总氮去除率的提升值最大，补偿宽度＞10 m，且宽度补偿效率最高，在5种建设方式中对宽度补偿效果最好。究其原因，相比于其他建设方式，生态混凝土球形式的多孔结构更利于反硝化细菌等微生物的附着，同时为低矮植物生长提供必要空间^[18]。在布置方式上，生态混凝土球平行于河道顺坡布置，有效减缓径流流速，促进水流下渗，增强土壤吸附、植被吸收等减氮反应；而混凝土砌块、扇形砖和五丰砌块采用砖砌墙的垂直布置方式，坡脚土壤遭到破坏难以发挥减氮作用，也不利于植被的生长，总氮去除率提升较小。综上，针对研究区未达到75%总氮去除率的河岸带，可在河岸带内增加布置生态混凝土球，优化河岸带建设措施。

1) 白马塘村不同河段的自然河岸带减氮效果有差异，河段T6的河岸带总氮去除率达到75%，其他河段总氮去除率在58.77%~68.46%之间。若要达到75%的总氮去除率，T1、T2、T3、T4、T5河段河岸带宽度分别需增加13.04、9.69、3.68、5.69和9.01 m。

2) 合理建设人工生态材料可以提高河岸带总氮去除率，其中，混凝土扇形砖、混凝土砌块、五丰砌块对总氮去除率提升＜15%，生态混凝土球、生态袋对总氮去除率提升＞15%，总氮去除率分别达到76.07%和79.71%。

3) 在5种人工生态材料中，生态混凝土球对单位宽度总氮去除率的提升值最大，为0.751 9%/m，补偿宽度＞10 m，且宽度补偿效率最高，对宽度补偿效果最好。为进一步提高研究区河岸带对宽度补偿效果，可以在河岸带范围内增加布置生态混凝土球，优化河岸带建设措施。