太湖是我国第三大淡水湖，近年来随着太湖流域周边地区经济的快速发展，人们过多地注重经济效益而忽略了生态效益，直接导致了2007年5月底太湖暴发“蓝藻危机”^[1-4].其实，太湖水体污染问题由来已久，人们一直关注的是工业点源污染的整治，在点源污染得到有效治理后，太湖水体环境并未得到根治，进而人们认识到面源污染同时也是引起水污染的重要原因^[5-8].面源污染又称非点源污染，是指在非特定的地点从大气、地面或土壤中溶解的和固体的污染物在降水或融雪的冲刷下，通过径流过程而汇入受纳水体(包括河流、湖泊、水库和海湾等)并引起水体富营养化、有机污染或其他形式的污染^[9-10].面源污染一般来源于农业、森林砍伐、城市与矿业等，其中农业面源污染对水体的危害最大，影响范围也最为广泛^[11-12].农业面源污染主要来自于化肥和农药，其中的N、P等营养盐因水土流失给水体带来了大量的营养物质^[13-16].这些营养盐是水体产生富营养化的先决条件，太湖的主要入湖河道因不断输入高浓度营养盐使得太湖水体富营养化的程度不断加剧，所以农业面源污染的治理刻不容缓^{[15, 17]}.

吴永红等^[18]提出了通过“减源-拦截-修复”(3R)技术控制农业面源污染，在此基础上为了更好地治理农业面源污染，不仅要减少污染物的排放，而且要“增汇”，即通过种植防护林固定过剩的营养物质来达到生态修复的目的.防护林在保持水土、防止土壤侵蚀、涵养水源等方面发挥着重要的作用，但是通过防护林控制农业面源污染方面的研究较少^[19].其实防护林不仅能减缓地表径流，而且能加速径流中沉积物的沉淀，同时有效地吸附、吸收溶解于水体的营养物质，从而较好地改善地下水的水质^[20-21].

防护林对由农耕地流入湖泊中的N、P等营养物质有很好的固定作用，如Borin等^[22]调查得出N在岸边植被带的截留率为89 %，而在农田中的截留率仅为8 %.同时与单一的草地缓冲带相比，树木与草地相结合的防护林带对N的吸收量会增加20 % ^[23].不同植被及不同土地利用类型的土壤N、P收支决定了N、P在土壤中的固定作用，进一步影响N、P的流失强度^[24].有研究表明，竹林土壤全氮的平均含量最高，而经济林土壤全磷的平均含量较高^[25].可见，竹林固氮能力较强，而经济林能较好地固定土壤中的磷，从而减少N、P的流失，减缓湖泊富营养化的进程.韩莹等^[24]提出N、P利用率以竹林最高，马尾松林次之，茶园的N、P利用率最低，水田的N、P利用率要高于茶园.由此得出竹林比马尾松林更有利于水环境保护，而茶园对水环境的不利影响超过水田.可见，建设沿岸防护林带对控制农业面源污染起到积极的作用，为了探讨太湖防护林控制农业面源污染的具体效应，本研究将防护林土壤营养元素含量与周边农业生产施肥概况相结合，初步分析了该区域防护林对农业面源污染的减源-增汇效应.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

太湖流域总面积36500 km²，湖泊面积2427.8 km².太湖横跨苏州市、宜兴市、无锡市的滨湖区和常州市武进区，本研究实验地点选在了宜兴市(31°07′~31°37′N，119°31′~120°03′E).宜兴市位于太湖西岸，水域面积242.29 km².目前该市有河道215条，其中有沙塘港、师渡港、茭渡港、社渡港、洪港等14条省控、国控河道和12条市控河道共计26条入湖河道^[26].宜兴市于2004年开始规划生态公益林，2007年正式投入建设.目前已建设并长势良好的太湖宜兴段生态公益林主要集中在太湖大堤西侧250.0 m和主要入湖河道上溯3.0 km两侧30.0 m的范围内，以及滨湖公路两侧村庄、道路和农田防护林.本研究以太湖湖滨带防护林造林区为主要研究区域，开展防护林区林木和土壤调查.

1.2 研究方法 1.2.1 植被覆盖状况调查

根据植被类型所起的主导地位，以约300 m×300 m的方格网内各设置1个样方，乔木群落调查选用10 m×10 m、灌木群落5 m×5 m的样方，草本群落调查采用1 m×1 m的样方.记录内容包括：(1)乔木：样方面积，每株乔木的名称、胸径、树高；(2)灌木：样方面积，灌木名称、高度；(3)草本：样方面积，植物名称、株(丛)数、一般高度.

1.2.2 土壤样品采集

选择宜兴市生态公益林典型代表区作为实验区，分别于2009年10月、2011年5月和2013年8月进行调查、取样，以区域代表性植被以及与太湖开阔水体的距离为原则，选取女贞(Ligustrum lucidum Ait)和香樟(Cinnamomum camphora(L.) Presl.)等8个典型造林树种为研究对象.在每个林分设置了3个面积为20 m×30 m的调查、取样样地，共设置了24块样地.于每个样地内，按S形曲线选择5个取样点，每个取样点用直径为5 cm土钻取0~20 cm土壤，用布袋装好于4℃保温箱带回实验室，在室内自然风干2~3周后磨碎过筛，测定土壤C、N、P和K元素的含量.

1.2.3 元素含量测定

根据周斌等^[27]对土壤中元素C的测定方法，进行C元素含量的测定.将采集的土壤样品烘干，往其中加足量10 %的HCl，去除碳酸盐；加浓HF去除硅酸盐；加0.1 M K₂Cr₂O₇/2M H₂SO₄溶液去除有机碳，最后的残留物即为元素C.把残留物装入样品管，于800℃高温下通过催化剂(Cu²⁺)催化，在氧化炉中灼烧，定量转化为CO₂，冷阱收集纯化后的CO₂通过微压力计测定气体压力，进而计算出元素C的含量.总氮的测定采用半微量凯氏法，在采集的土壤样品中加入硫酸铜、硫酸钾与硒粉，用浓硫酸消煮，使其转变为硫酸铵，然后用氢氧化钠碱化，加热蒸馏出氨，经硼酸吸收，用标准酸滴定其含量(LY/T 1288-1999).总磷的测定采用碱熔-钼锑抗比色法，将采集的土壤样品在银坩埚中用氢氧化钠高温熔融，然后用水溶解熔融物后加入钼锑抗显色剂，使用分光光度计进行测定(LY/T 1232-1999).总钾的测定采用碱熔-火焰光度法，将样品在银坩埚中用氢氧化钠高温熔融，用水溶解熔融物，待测液用火焰光度计测定(LY/T 1234-1999).

2 结果与分析 2.1 宜兴防护林和草本调查 2.1.1 防护林建设状况

2009年初至2010年末，宜兴新增林地56.67 km²，其中太湖景观防护林40 km²，经济林(包括能源林)13.33 km²，用材林3.33 km²，森林覆盖率增加2.78 %，达到31.38 %，村庄绿化覆盖率为38 % (图 1).湖滨防护林建设包括：

1) 沿太湖200 m：2008年完成沿太湖40 km×200 m的太湖景观防护林建设，面积为8 km²，品种以乡土水源涵养落叶树种和常绿树种为主.其中，乡土水源涵养落叶树种有：银杏(Ginkgo biloba)、喜树(Camptotheca acuminata)、枫杨(Pterocarya stenoptera C.DC)、朴树(Celtis sinensis)、榆树(Ulmus pumila)、臭椿(Ailanthus altissima)、黄连木(Pistacia chinensis)、苦楝(Melia azedarach Linn.)、栾树(Koelreuteria paniculata)、槐树(Sophora japonica L.)、青桐(Firmiana simplex)、乌桕(Chinese tallow)、水杉(Metasequoia glyptostroboides)、池杉(Taxodium ascendens Brongn)、落羽杉(Taxodium distichum(L.) Rich.)、楸树(Catalpa bungei)、七叶树(Aesculus chinensis)、合欢(Albizia julibrissin Durazz.)等；常绿树种有冬青(Ilex chinensis Sims)、杜英(Elaeocarpus decipiens Hemsl.)、女贞、红豆杉(Taxus chinensis)、桂花(Osmanthus fragrans)、法国冬青(Viburnum awabuki K.Koch)、含笑(乔木)(Michelia figo)和木荷(Schima superba Gardn.et Champ.)等.混交比例：常绿树种/落叶树种为3/7；针叶林/阔叶林为3/7；上层落叶大乔木占70 %；营林树种达100个以上.采取胸径5 cm以上的苗木造林，株行距为3 m×4 m，其中杉科树种株行距为2 m×2 m，采取带状混交和块状混交.

2) 沿太湖1 km：2009年完成建设1 km地区太湖景观防护林建设，造林面积20 km²，利用上述品种进行带状或块状混交造林.

3) 沿太湖5 km：2010年完成5 km地区上述品种太湖景观防护林建设，重点是大四旁造林，造林面积12 km²，其中发展枇杷等经济林果3.33 km².

4) 沿太湖5 km以外地区：2008-2009两年内完成5 km以外地区上述品种的造林建设，重点是上溯10 km和50 km入湖河道防护林建设，面积16.67 km².

2.1.2 防护林带草本调查

研究区共有野生草本植物21科64种，其中优势科为禾本科17种、菊科17种，较优势科为蓼科6种、藜科和唇形科各3种、豆科和苋科各2种.与农田草本植物对比，防护林带内物种丰富，群落结构正逐步恢复和优化，在遮荫区域，群落结构以耐荫草本植物(小蓬草(Conyza canadensis(L.) Cronq.)、一年蓬(Erigeron annuus(L.) Pers.(Aster an-nuus L.))、三叶草(Trifolium)和艾草(Blumea aromatria))为绝对优势种，呈斑块状分布在防护林带内遮荫区域，其它物种为伴生种；在林窗、林缘和林带外侧等光照充足区域，为多物种混交群落结构.

2.2 防护林减源增汇作用

防护林带通过减少土壤养分的输入(减源)、增加土壤养分的输出(增汇)，实现对土壤养分的降低作用.减源途径主要是在生态防护区域彻底杜绝人工施肥，增汇途径主要是林木生长的吸收、自身养分的逐年累积.

2.2.1 防护林的减源作用

通过实地调查，调研了定溪村、双桥村、西望村等31个自然村，对自然村的耕地类型、种植作物、种植面积、轮作方式、氮肥和磷肥施用量等农业生产基本情况作详细记录，汇总于表 1.

防护林建成后，可有效减少研究区氮肥和磷肥的输入，每年可减少输入总氮41.23~64.47 g/m²，减少输入P₂O₅7.08~15.14 g/m².以示范区16 km²防护林面积计，共计每年可减少输入总氮6.6×10⁵~1.03×10⁶ kg，可减少输入P₂O₅1.13×10⁵~2.42×10⁵ kg(表 1).

2.2.2 防护林的增汇作用

对研究区主要造林树种的营养元素含量进行了分析，得到表 2.

在全球尺度上，郁闭森林的地上生物量与树高之比为一常数，即1.06 kg/m³，也就是说，单位森林空间的地上生物量密度恒定，为1.06 kg/m³(均以干物质量计)^[28].主要造林树种如柳树、香樟、女贞、栾树、杨树、重阳木、雪松和水杉的平均树高为4.26±1.03 m(2009年)、5.44±1.25 m(2011年)和8.25±0.85 m(2013年)，以此计算湖滨岸防护林地上生物量大概为4.52 kg/m²(2009年)、5.77 kg/m²(2011年)和8.75kg/m²(2013年)；根据表 2所示，上述主要造林树种C、N、P和K的平均含量分别为539.71±35.11、4.06±0.90、0.55±0.17和2.97±0.57 g/kg；利用地上生物量乘以C、N、P和K的平均含量即可估算出防护林每平方米地上部分固定的C、N、P和K的量.由此得出2009年10月份时，防护林地上部分固定的C、N、P和K分别为2439.48、18.34、2.48和13.42 g/m²(单位面积总量)；2011年5月份时，固定量分别为3114.12、23.42、3.16和17.13 g/m²；而2013年8月份时，固定量分别为4722.46、35.53、4.81和25.99 g/m²，相比2009年，分别增加了93.6 %、93.7 %、94.0 %和93.7 %.2009年10月份至2011年5月份，防护林新增养分固定量△C、△N、△P和△K分别为674.64、5.07、0.69和3.71 g/m²；而2011年5月份至2013年8月份，防护林新增养分固定量△C、△N、△P和△K分别为1608.34、12.11、1.65和8.86 g/m².每隔两年防护林地上部分固定的C、N、P和K的量增长趋势见图 2.

2.3 防护林对农业面源污染的效应分析

1) 太湖景观防护林建设面积逐年增加，基本于2010年建成.防护林建设除发展乡土水源涵养树种外，还营建了经济林果和用材林.同时在防护林林窗、林缘和林带内外侧等区域，都生长着丰富的草本植物.防护林的建设增加了太湖流域的物种丰富度，改善太湖生态环境的同时也给太湖带来了经济效益.

2) 防护林的建成，有效地减少了研究区氮肥和磷肥的输入，防护林地上部分固定的C、N、P和K的量也呈现逐年增长的趋势(图 2).至2011年底，生态恢复区土壤的总氮和总磷负荷分别减少了46.30~69.54 g/m²和3.78~7.30 g/m².与农田土壤相比，防护林土壤的有机质和有效钾含量降低率分别为29.06 %和26.33 %，总氮、总磷和有效磷的降低率分别为34.47 %、41.92 %和52.82 %.可见，防护林降低引起水体富营养化的营养盐含量效果显著，比种植农作物带来的生态价值高.

3) 防护林对控制农业面源污染有积极的作用，通过太湖防护林的建设可以有效地控制面源污染，净化太湖水质，同时营造健康的湖滨带植被缓冲带，严格控制滨岸带的开发强度和管控方式^[29-30]，同时也使我们认识到防护林建设具有巨大的生态价值和生产效益，应充分发挥其作用并加以推广.

3 讨论

根据张彪等^[31]提供的土壤侵蚀模数法和土壤养分含量估算了防护林控制土壤侵蚀及其减少N、P的养分流失量.太湖流域不同土地利用类型的土壤侵蚀速率是不同的，无林地(即耕作土土壤侵蚀速率)为1681.2 t/(km²·a)^[32]，混交林为186.6 t/(km²·a)^[33](太湖流域防护林以混交林为主).以无林地土壤侵蚀速率为对照，防护林控制土壤侵蚀量计算公式为：

$ S = ({S_{{\rm{non}}}} - {S_{\rm f}})A $

(1)

式中，S为森林年控制土壤侵蚀量(t/a)，S_non为非林地年土壤侵蚀速率(t/(km²·a))，S_f为不同林地类型年土壤侵蚀速率(t/(km²·a))，A为林地面积(km²).

由宜兴新增林地56.67 km²得出，防护林可控制8.47×10⁴ t土壤免于水土流失，即固持了8.47×10⁴ t土壤.防护林在控制土壤侵蚀发生的同时，也减少了土壤养分N、P的流失.防护林通过控制土壤侵蚀减少的养分流失量计算公式为：

$ N = S \cdot {\beta _i} $

(2)

式中，N为控制土壤侵蚀减少的总氮或总磷养分流失量(t/a)，β_i为林地土壤总氮或总磷养分含量(g/kg).

防护林主要造林树种N、P的平均含量分别为4.06和0.55 g/kg，故防护林因其土壤保持功能，可避免343.88 t总氮和46.59 t总磷发生流失.虽然本讨论所引用的参数来源于文献查找和实验数据，不能精准地反映太湖流域宜兴段防护林土壤侵蚀及养分流失量，但是可使人们充分认识到建设太湖流域防护林的重要性，为以后太湖流域面源污染的治理和保护指出新方向.从防护林控制土壤总氮、总磷流失量的效果来看，在宜兴市建设防护林体系逐步完善的过程中，防护林的减源-增汇效果会逐步提高，将更好地控制农业面源污染的排放以及改善太湖水体的水质.