环境科学  2017, Vol. 38 Issue (1): 138-146   PDF    
三峡库区古夫河小流域氮磷排放特征
华玲玲1 , 李文超1 , 翟丽梅1 , 崔超1 , 刘宏斌1 , 任天志2 , 张富林3 , 雷秋良1     
1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所, 农业部面源污染控制重点实验室, 北京 100081;
2. 农业部环境保护科研监测所, 天津 300191;
3. 湖北省农业科学院植保土肥研究所, 武汉 430064
摘要: 本文以三峡库区古夫河小流域为研究对象,在自然降雨条件下,自2014年1月至2014年12月对古夫河小流域出水口断面水质水量进行了连续监测,分析了流域出水口断面污染物氮磷输出浓度、排放负荷随降雨的季节变化特征及其形态组成.结果表明,古夫河小流域年度水流量为0.6×108 m3,7~9月丰水期径流量占全年的63.9%,流域出口径流流量与年降雨量间存在极显著(P<0.01)的线性相关关系.小流域总氮的年排放负荷为1432 t·a-1,溶解态氮是氮的主要排放形态,各月份溶解态氮排放负荷占总氮比例的变化范围为55.4%~91.3%,7~9月丰水期总氮排放负荷达853 t·a-1,占全年的59.6%;硝态氮输出浓度与降雨量间存在显著(P<0.05)线性相关关系,其他形态氮浓度与降雨量、泥沙量间线性相关关系均不显著.总磷的年排放负荷为563.1 t·a-1,颗粒态是磷的主要排放形态,各月份颗粒态磷排放负荷占总磷比例的变化范围为41.9%~79.5%,丰水期总磷的排放负荷占全年的71.2%,总磷、可溶性总磷和颗粒态磷与降雨量和泥沙流失量之间均存在显著(P<0.05)线性相关关系.
关键词: 三峡库区      小流域      面源污染               
Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Emissions in the Gufu River Small Watershed of the Three Georges Reservoir Area
HUA Ling-ling1 , LI Wen-chao1 , ZHAI Li-mei1 , CUI Chao1 , LIU Hong-bin1 , REN Tian-zhi2 , ZHANG Fu-lin3 , LEI Qiu-liang1     
1. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
2. Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China;
3. Institute of Plant Protection, Soil and Fertilizer Sciences, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China
Abstract: To study the seasonal change characteristics and form composition of nitrogen and phosphorus output concentration and pollutant discharge load with rainfall characteristics at the outlet of Gufu river small watershed,the quality and quantity of water combined with natural rainfall events were monitored from January to December 2014.The results showed that the annual runoff volume of the Gufu river small watershed was 0.6×108 m3.The runoff was concentrated in raining season (from July to September),accounting for 63.9%.There was significant (P<0.01) positive correlation between the runoff flow and the annual rainfall.The annual emission of total nitrogen (TN) was 1432 t·a-1,and the emission was 853 t·a-1 during the raining season,accounting for 59.6% of annual TN emission content.The dissolved nitrogen was the main form of nitrogen emission,and the emission load of each month accounted for 55.4%-91.3% of TN.The positive correlation between the nitrate nitrogen concentration and rainfall was significant (P<0.05).The annual emission of total phosphorus (TP) was 563.1 t·a-1,and the content during the raining season accounted for 78.6% of TP annual emission content.The particle phosphorus (PP) was the main form of phosphorus emission,and the emission load of each month accounted for 41.9%-79.5% of TP.There was significant (P<0.01) positive correlation between the annual rainfall,sediment and TP,PP.The correlation between the total dissolved phosphorus concentration and rainfall was significant (P<0.05).
Key words: Three Georges Reservoir Area      small watershed      non-point pollution      nitrogen      phosphorus     

三峡库区是长江流域水质、 水量保障的关键区域,对于保障流域水环境安全具有不可替代的作用[1, 2]. 自蓄水后,水环境问题备受关注[3, 4],部分支流富营养化问题严重,水华现象频繁暴发[5]. 香溪河位于湖北省境内,是三峡大坝库首的第一大支流,蓄水后库湾水体TN年均值1.41mg·L-1,TP年均值0.17mg·L-1,处于重度富营养化状态,面源污染物氮磷的输入是引起香溪河流域水体污染的主要原因之一[6]. 古夫河作为香溪河三大水系之一,其所在的古夫河流域是香溪河流域面源污染控制的重点支流之一[7].

相对于点源污染而言,面源污染负荷的定量化研究存在较大难度,其主要原因在于降雨径流发生的不确定性[8]. 目前,针对流域尺度面源污染负荷的产生量及流失规律的研究多采用模型模拟的方法[9, 10]. 相关研究已运用输出系数模型[11]、 分布式水文模型SDSM[12]和SWAT模型[7]等对三峡库区氮磷排放负荷、 污染负荷对不同降水量变化的响应情况和氮磷负荷分布规律进行了研究,研究结果表明,库区总氮和总磷负荷均与降水量呈正相关,且降水主要对三峡库区4~8月的污染负荷量影响较大,4~9月丰水期,TN和TP贡献率均占到80%以上.

模型模拟虽然可以从大的时空尺度上预测面源污染物负荷的产生量,但由于各种条件的差异,计算结果与流域出口实际监测结果还存在一定差异[13]. 因此,在不同的时空尺度下进行大量的实际监测研究是十分必要的[14],其监测结果可用于模型的校准验证,从而提高模型在流域使用的精确性. 本文选择三峡库区香溪河流域一个地形相对封闭的古夫河小流域为研究对象,对流域断面出水口水质进行连续定位监测,明确流域氮磷污染物浓度随降雨径流的季节变化特征,量化流域氮磷污染物的流失负荷,以期为三峡库区流域面源污染的防控提供基础性支撑资料.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

香溪河是长江三峡库区坝首第一大支流,古夫河小流域位于香溪河流域北部,流域面积1 178 km2,地形为典型山地丘陵区. 气候属于亚热带季风性湿润气候,春季冷暖交替多变,雨水颇丰; 夏季炎热多伏旱,雨量集中; 秋季多阴雨; 冬季多雨雪、 早霜. 山峦起伏,气候垂直变化明显,多年平均气温15.3℃. 降雨季节分布不均,年均降水量为800~1 200 mm. 流域土壤类型繁多,有黄壤、 黄棕壤、 棕色石灰土、 紫色土、 水稻土和潮土等,其中黄壤和棕色石灰土在整个流域内占78.6%.

古夫河小流域是香溪河流域内典型的农林复合小流域,其土地利用模式和小流域农业结构极具代表性,土地利用类型多样,主要有林地、 耕地和园地,主要作物有水稻、 玉米、 油菜和柑橘等. 该流域三面环山,集水区径流汇聚于唯一出口,具有较好的封闭性.

1.2 样品采集及测试 1.2.1 降雨、 流量数据采集

监测期间,降雨量和流域出口日流量均来自兴山水文站自动监测数据,流域断面监测位置如图 1所示.

图 1 古夫河小流域地理位置示意 Fig. 1 Geographical location of Gufu Basin

1.2.2 断面水样采集

2014年1~12月进行水质采样,采样点位于古夫河小流域出口断面(图 1),采样频率为5~9月每天采集1次,其他月份每6 d采集一次. 每次采集时间为上午10:00,分别在河流断面的左、 中、 右取样并混合,取混合样500 mL,分装在两个干净矿泉水瓶中. 水样在4℃条件下保存,8~24 h内进行测定,测定指标为总氮(TN)、 硝态氮(NO3--N)、 氨氮(NH4+-N)、 颗粒态氮(PN),总磷(TP)、 可溶性总磷(TDP)、 颗粒态磷(PP)和泥沙含量. TN使用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定(GB 11894-89),NO3--N使用酚二磺酸分光光度法测定(GB 7480-87),NH4+-N使用纳氏试剂分光光度法测定(GB 7479-87),TN与溶解态氮(NO3--N和NH4+-N)的差值为PN; TP、 TDP使用钼酸铵分光光度法测定(GB 11893-89),TP与TDP的差值为PP[15],泥沙含量采用传统的烘干法测量,即通过采取一定量的水样,经烘干、 称量出泥沙的质量,该质量与所取的水样的体积的比值,即为水样中泥沙的含量[16].

1.3 数据处理与分析

试验数据采用Excel 2013软件进行作图分析. 运用SAS 9.0对数据进行相关性分析. 其中,污染物年均排放浓度为流域出口污染物年监测浓度的平均值; 月均排放浓度为流域出口污染物月监测浓度的平均值; 污染物浓度峰值即为浓度最高值;污染物年排放负荷=Σ年监测浓度×流量.

2 结果与分析 2.1 降雨-流量变化特征

2014年1~12月古夫河小流域降雨量为1 289.5 mm,降雨天数170 d,7~9月降雨量824.1 mm,占全年降雨量的63.9%,为该流域的丰水期(在这期间发生了两次大的降雨事件,分别发生在7月12日和8月7日,降雨量分别为104.2 mm和104.7 mm) (图 2); 1~3月、 11月、 12月降雨量较小,仅占全年降雨量的7.4%,为该流域的枯水期. 流域出水口断面日平均流量为16.5×105 m3·d-1,全年总流量达6.02×108 m3; 9月日平均流量最大,1月最小,其值分别为68.1×105 m3·d-1和1.34×105 m3·d-1; 7~9月监测断面出口流量达3.57×108 m3,占全年流量的59.3%; 11月开始,降雨持续减少,流量缓慢降低. 流域出口流量与降雨量之间的相关性分析表明,流域出口流量与降雨量之间存在极显著(P<0.01)的线性正相关关系(图 3).

图 2 古夫河小流域年度降雨量、 流域出口流量变化 Fig. 2 Variation of rainfall and runoff in Gufu River watershed

图 3 古夫河小流域降雨量与流域出口流量之间的相关性 Fig. 3 Correlation between annual rainfall and runoff in Gufu River watershed

2.2 氮污染物的排放特征

2014年1~12月流域出口监测断面总氮、 硝态氮和氨氮的年均排放浓度分别为2.34、 1.90和0.09 mg·L-1(图 4). 氨氮浓度峰值的出现早于硝态氮和总氮,集中出现在6月,月均排放浓度为0.12 mg·L-1,比年均排放浓度高出33.3%,最大排放浓度达0.53 mg·L-1; 最低月均排放浓度出现在3月和4月,其值为0.05mg·L-1,仅为年均排放浓度的55.6%. 硝态氮排放浓度峰值出现在7月13日,比7月最大降雨日期(7月12日)延后1 d,浓度为3.53mg·L-1; 8月28日硝态氮排放浓度再次出现一个小峰值,当日的降雨量达73.2 mm,是本月的第二个降雨高峰. 7~9月丰水期,总氮排放浓度峰值随降雨量的变化而上下波动,7~9月浓度均值分别为2.20、 2.49和2.30mg·L-1,根据《地表水环境质量标准GB 3838-2002》,以总氮浓度为水质评判指标,属于地表水水质劣Ⅴ类.

图 4 流域出口不同形态氮污染物浓度的变化特征 Fig. 4 Change of different forms of nitrogen concentrations in Gufu River watershed

对流域出口不同形态氮浓度与降雨量、 泥沙含量之间的线性相关分析结果表明(表 1),降雨量与泥沙含量之间存在极显著(P<0.01)线性相关关系,降雨量与硝态氮浓度存在显著(P<0.05)线性相关关系,与总氮、 氨氮浓度相关性不显著; 泥沙含量和不同形态氮浓度间相关关系均不显著(P<0.05).

表 1 流域出口不同形态氮浓度与降雨、 泥沙之间的相关性 Table 1 Correlation between different forms of nitrogen concentrations and rainfall and sediment in Gufu River watershed

小流域监测断面出口总氮、 硝态氮、 颗粒态氮和氨氮的年排放负荷分别为1 432、 1 126、 251和55 t·a-1(图 5),7~9月丰水期排放负荷分别达853、 666、 157和30 t,分别占其年排放负荷的59.6%、 59.1%、 62.5%和54.5%; 枯水期总氮、 硝态氮、颗粒态氮和氨氮的排放负荷分别占其年排放负荷的14.0%、 14.7%、 11.2%和12.7%,其中1~3月总排放负荷最小,不同形态氮的排放负荷分别仅占其年排放负荷的2.6%、 2.5%、 2.8%和1.5%. 不同形态氮排放峰值均出现在9月上旬,排放负荷分别达241.8、 185.3、 47.8和8.7 t. 4月下旬、 7月中旬和10月下旬不同形态氮污染物排放负荷出现小的峰值,可能与这几个时期的降雨量增加有关. 硝态氮是6~9月流域氮的主要排放形态(图 6),月排放负荷占总氮排放负荷的55.4%~91.3%,颗粒态氮和氨氮月排放负荷占总氮排放的比例分别为4.8%~41.2%和0.6%~9.1%,且随着雨季的延长,颗粒态氮流失比例增加,9月颗粒态氮流失比例比6月高出13.9%.

图 5 流域出口不同形态氮负荷输出变化 Fig. 5 Change of different forms of nitrogen discharge in Gufu River watershed

图 6 6~9月流域出口不同形态氮负荷输出比例 Fig. 6 Percentage change of different forms of nitrogen discharge in Gufu River watershed

2.3 磷污染物的排放特征

2014年1~12月小流域监测断面出口总磷、 可溶性总磷和颗粒态磷的年均排放浓度分别为0.056、 0.021和0.035 mg·L-1(图 7). 颗粒态磷月均排放浓度最高出现在9月,为0.086 mg·L-1,比年均排放浓度高出2.5倍,排放浓度峰值出现在8月31日,最大排放浓度达0.353 mg·L-1. 最低月平均排放浓度出现在3月,其值为0.019 mg·L-1,仅为年均排放浓度的54.3%. 可溶性总磷排放浓度在5~9月波动较大,峰值出现在9月2日,最大排放浓度为0.09 mg·L-1. 最高月平均排放浓度出现在7月和8月,月均排放浓度为0.031 mg·L-1,比年均排放浓度高出47.6%. 7~9月丰水期,总磷月均排放浓度分别为0.068、 0.079和0.108 mg·L-1,按《地表水环境质量标准GB 3838-2002》,7~8月水质属于地表水水质Ⅱ类,9月达到地表水水质Ⅲ类,最大排放浓度峰值出现在8月31日,为0.4 mg·L-1.

图 7 流域出口不同形态磷浓度的变化特征 Fig. 7 Change of different forms of phosphorus concentrations in Gufu River watershed

对流域出口不同形态磷浓度与降雨量、 泥沙含量之间的线性相关分析结果表明(表 2),降雨量与可溶性总磷浓度存在显著(P<0.05)线性相关关系,与总磷、 颗粒态磷浓度极显著(P<0.01)线性相关; 泥沙含量和不同形态磷浓度间相关关系均达极显著水平(P<0.01).

表 2 流域出口不同形态磷浓度与降雨、 泥沙之间的相关性 Table 2 Correlation between different forms of phosphorus concentrations and rainfall and sediment in Gufu River watershed

小流域监测断面出口总磷、 可溶性总磷和颗粒态磷的年排放负荷分别为563.1、 162.1和401 t·a-1(图 8),7~9月丰水期排放负荷分别达442.4、 115.0和327.4 t,分别占其年排放负荷的78.6%、 70.9%和81.6%; 枯水期总磷、 可溶性总磷和颗粒态磷的排放负荷分别占其年排放负荷的7.1%、 8.3%和6.7%,其中1~3月总排放负荷最小,分别仅占其年排放负荷的1.2%、 1.9%和0.97%. 不同形态磷负荷排放峰值与氮相同均出现在9月上旬,排放负荷分别达210.7、 44.6和166.1 t. 4月下旬和7月中旬不同形态磷排放负荷出现小的峰值,可能与这几个时期的降雨量增加有关,且据调研,4月底和7月中旬是流域的主要施肥期. 颗粒态是6~9月流域磷的主要排放形态(图 9),月排放负荷占总磷的41.9%~79.5%,可溶性总磷月排放负荷占总磷的20.5%~58.1%,随着雨季的延长,9月颗粒态磷的日流失比例高达74.1%~79.5%.

图 8 流域出口不同形态磷负荷输出变化 Fig. 8 Change of different forms of phosphorus discharge in Gufu River watershed

图 9 6~9月流域出口不同形态磷负荷输出比例 Fig. 9 Percentage change of different forms of phosphorus discharge in Gufu River watershed from June to September

3 讨论

古夫河小流域年内降雨分配极度不均,7~9月降雨量占全年降雨量63.9%,且日降雨量超过60 mm的降雨发生4次,流域出口流量占全年流量的59.3%,贡献了全年总氮、 总磷负荷的59.6%和78.6%,是古夫河小流域氮磷流失的关键期,降雨较少的10月至次年6月,总氮和总磷的贡献比例不足50%. 宋林旭等[7]应用SWAT模型对整个香溪河流域不同时空尺度非点源氮磷分布式模拟和分析结果也表明,在4~9月丰水期,TN和TP贡献率分别为84.1%和89.4%,且径流和营养盐负荷受降雨影响并呈正相关关系. 由此得出,降雨是面源污染发生的主要驱动力,降雨的季节特征、 降雨量和降雨强度等均对土壤养分的流失及流失形态均产生影响[17~19]. 小流域氮磷的输出规律除了受降雨影响,还与流域氮磷的来源有关. 已有研究表明,畜禽养殖业源和种植业源对流域氮磷排放贡献最大[20]. 据本研究流域内农村统计年鉴统计显示,流域内的养殖畜禽主要为猪、 牛、 鸡,但以生猪养殖为主,已有研究指出猪粪中氮磷养分含量明显高于牛粪和鸡粪[21],研究流域内生猪养殖多以农户散养为主,粪便无处理设施临时堆放较常见,遇降雨天气粪便极易被冲刷造成大量氮磷流失. 尹琴等[22]通过人工降雨和模拟降雨相结合方式分析发现,降雨冲刷可导致畜禽粪便中65%的氮和55%的磷流失. 整个三峡库区山地丘陵面积占97.3%,耕地大部分分布在坡地,属于中度侵蚀以上流失区[23]. 根据已有研究表明,不同土地利用类型中坡耕地氮磷流失负荷最大,其次是坡地园地[24~26],6月初到7月中旬,古夫小流域内主要种植作物玉米和柑橘追施大量氮磷肥,且两种作物主要分布在沿河道两侧的低山、 半高山区坡地上,加上降雨集中,水土流失严重,流域内氮磷的流失潜力增加. 朱波等[3]在石盘丘小流域的研究也表明,坡地园地和坡耕地是三峡库区农村非点源氮磷污染的主要来源,两者累积贡献了51%以上的小流域氮磷污染负荷. 由此可以看出,在丘陵小流域中的分散养殖和坡地种植是流域面源污染的两个主要来源.

本研究小流域溶解态氮和颗粒态磷是氮、 磷流失的主要形态. 其中,溶解态氮中硝态氮的比例占到了90%以上(图 6),这与吴东等[27]的研究结果一致,分析原因可能与氮素的存在形态及输出迁移驱动力有关,土壤胶体带负电荷,与铵态氮结合稳定,在没有降雨径流驱动作用下很难流失,硝态氮带负电,且易溶于水,迁移能力强,即使在没有降雨地表径流作用下,同样会随浅层地下水进入河道[7]. 据调查流域内畜禽粪便最终全部以有机肥形式还田,但在非施肥期产生的粪便大量随意露天堆置,在降雨的冲刷下养分直接进入河道,这部分氮主要溶解于径流中或吸附于泥沙中流失; 以有机肥形式进入农田的这部分畜禽粪便主要以硝态氮形态随农田渗漏和径流流失[20, 24],因此,流域氮主要输出形态为溶解态氮[28]. 流域内磷的流失主要以颗粒态为主,占到了流失总磷的41.9%~79.5%(图 9),颗粒态磷的损失载体主要是泥沙[29~31],流域内8月降雨径流集中,降雨强度大,对土壤的侵蚀增加,泥沙含量与降雨量呈极显著正相关,因此,从8月开始,颗粒态磷逐渐成为流域磷输出的主要形态,6、 7月可溶态和颗粒态磷输出比例各占总磷输出的50%左右. 这主要由于种植业源是流域内磷流失的主要来源[20],流域内以坡耕地为主,坡耕地农田总磷流失负荷大,并且主要是以颗粒态磷流失[32]. 由此可见,为减少流域内面源污染流失负荷,建议流域内粪便集中处理或堆腐后及时还田,且在降雨集中的7~9月,尽量避免畜禽粪便的露天放置. 为减少流域内坡耕地面源污染流失,尽量选择横坡垄作的种植方式[32],免中耕[33]或辅助等高植物篱[4]、 秸秆覆盖[34]等不同耕作和覆盖方式来降低坡地土壤侵蚀和肥料流失引起的面源污染风险.

4 结论

(1) 7~9月是古夫河小流域面源污染的主要发生时期,降雨量占全年降雨量63.9%,总氮、 总磷的排放负荷分别占年排放负荷的59.6%和78.6%,平均排放浓度分别为总氮2.33 mg·L-1和总磷0.085 mg·L-1,溶解态氮和颗粒态磷成为流域氮磷主要流失形态,水质为劣Ⅴ类水,对三峡库区水体富营养化存在一定风险,建议将7~9月作为流域面源污染防控关键期.

(2) 坡耕地和分散养殖是流域面源污染两大主要贡献源,为降低流域种植业面源污染流失应在流失关键期尽量减少翻耕、 肥料表施等农业措施,并且采取流域坡耕地横坡垄作、 等高植物篱等措施加强面源污染防控; 山地丘陵小流域散养为主的畜禽粪便全部以有机肥形式还田,因此,在避免雨季表施还田的同时,应建设畜禽粪便储存设施,避免由于畜禽粪便随意露天堆放而遭降雨冲刷带来的面源污染流失负荷增加.

致谢: 本研究在水质采样过程中,得到了湖北省农业科学院植保土肥研究所范先鹏老师课题组人员的帮助,在此表示感谢.
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