2018, Vol. 39
2. 南京林业大学, 南方现代林业协同创新中心, 南京 210037;
3. 秭归县林业局, 宜昌 443600
2. Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;
3. Forestry Bureau of Zigui Country, Yichang 443600, China
长江三峡水库蓄水后, 库区水质一直保持在Ⅲ类水质为主, 有些月份水质甚至可以达到Ⅴ类[1, 2].次级河流污染严重, 水华现象频发, 面源污染物输入是水体富营养化主要来源[3], 给库区社会、经济和环境的可持续发展造成严重影响[4].目前对于面源污染的研究涵盖了从土地利用/覆被变化以及多尺度的监测、评估、管理和技术研发[5, 6], 许多学者在流域尺度上开展了监测实验[7~10]、模型开发及应用[11~14]和控制技术措施等方面研究[15].其中关于三峡库区生态屏障区农林复合系统的面源污染控制, 前期研究多是监测研究土地利用类型/覆被分异的土壤养分氮、磷流失负荷分异, 对降雨径流过程中养分输出形态、浓度和负荷变化并不十分确定.面源污染输出具有明显的季节变化特征, 其中夏季丰水期是面源污染物输出的高发季节[16].基于此, 本文选择三峡库区典型农林复合小流域(兰陵溪)为研究对象, 对小流域出水口的氮、磷输出质量浓度及径流量连续监测, 针对雨季降雨径流过程, 开展小流域径流过程中养分输出形态、浓度和负荷变化过程的监测与分析, 研究土壤养分氮磷输出过程及其影响因素, 揭示小流域雨季氮、磷输出特征及其对典型降雨径流过程的响应特征, 以期为小流域面源污染控制和水环境治理提供基础的决策依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于湖北省秭归县兰陵溪小流域, 东经110°53′27″~ 110°54′50″, 北纬30°51′21″~30°51′34″, 面积约144.4 hm2, 属亚热带大陆性季风区, 近50年平均降雨量为991.90 mm, 年内降雨分布不均, 5~9月降雨量约占全年的70%.研究区土壤为花岗岩母质出露发育的石英砂土, 土质疏松.
小流域地势西高东低, 西部为生态公益林带(海拔500 m以上), 以马尾松(Pinus massoniana)次生林和松栎混交林为主; 中部为生态经济林带(海拔200~ 500 m), 地势趋于平缓, 土地利用多样, 多以经济作物为主, 包括茶(Camellia sinensis)、板栗(Castanea mollissima)、柑橘(Citrus reticulate Blanco)等, 少量耕地以花生(Aeachis hypogaea)、玉米(Zea mays)、红薯(Moniato)等为主, 居民区多居于此; 东部低丘陵区(海拔200 m以下)为沿江景观防护林带, 多以刺槐(Robinia pseudoacacia)、杉木(Cunninghamia lanceolata)等为基本树种, 低缓坡地种植茶树.
小流域分布柑橘园、茶园和耕地等, 在管理和耕作过程施用化肥和农药, 以及居民区生活污水和家禽、家畜养殖等排放是小流域氮磷主要来源.图 1是研究区兰陵溪小流域监测点布设情况, S2~S7为流域各支流出水口, S1、S8、S9位于流域干流, S9为监测点, 处于小流域出水口控制整个流域.
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图 1 兰陵溪小流域地理位置示意 Fig. 1 Location of Lanlingxi watershed |
湖北秭归三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站位于研究区小流域内, 布设自动记录雨量计, 实时记录降雨量及降雨过程.小流域出水口处设置有直角三角堰, 配备水位自动监测仪, 实时记录水位及其变化过程.出水口流量可根据水位-流量关系曲线图计算求得.
1.3 样品采集与分析小流域出口断面, 水样采集分为降雨径流过程监测和常规监测, 其方法如下.
(1) 降雨径流过程监测 降雨产流后, 根据降雨特征设置采样间隔期分别为20 min(短时强降雨)和30 min(长时轻量降雨).采样时间从降雨径流开始直至降雨结束后径流水位回复到基本水位时结束.
(2) 常规监测 采样时间为次降雨径流结束后到下次降雨径流开始.采样频率为每天08:00和18:00各采集一次, 每次使用聚乙烯瓶(500 mL)采集3瓶.
水样采集后记录时间并带回实验室于4℃恒温冰箱内进行保存, 并在24 h内进行实验分析.水样分析的指标有总氮(TN)、硝态氮(NN)、氨氮(AN)、颗粒态氮(PN)、总磷(TP), 分析测试全部在秭归定位站实验室完成.
TN和TP分别采用紫外分光光度法(GB 11894-89)和钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)[17], NN和AN经0.45 μm滤膜过滤后, 用意大利产的SmartChem140型全自动间断化学分析仪测定, PN用TN与溶解态氮(NN和AN)的差值表示.
1.4 氮、磷排放负荷在降雨径流过程中的分布特征研究区汛期降雨经常出现强降雨, 强降雨前期径流养分流失有时可达整场降雨冲刷量的90%[18].为探究土壤养分氮、磷排放负荷在降雨径流过程中的分布特征, 以污染物累积污染负荷与累积径流量的无量纲累积曲线M(V)为表征初期效应, 以初期冲刷比值描述初期冲刷程度强弱, 其计算公式为：
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(1) |
式中, n为径流百分比, 0~100%; M为累积污染总负荷, g; V为累积径流总量, m3; t为时间, s; ct为t时刻污染物质量浓度, mg ·L-1; Qt为t时刻径流流量, m3 ·s-1.
1.5 次降雨养分流失负荷计算单场降雨径流氮磷排放负荷由流域出口断面同步流量和浓度监测值进行计算, 公式如下：
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(2) |
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(3) |
式中, Q为单场降雨地表径流累积量, m3; M为单场降雨养分输出负荷, g; Qi为第次取样时的降雨径流量, m3 ·s-1; Qi+1为第i+1次取样时的降雨径流量, m3 ·s-1; Δt为两场采样时间间隔, s; Ci为第i次取样时该养分在径流中的质量浓度, mg ·L-1; Ci+1为第i+1次取样时该养分在径流中的质量浓度, mg ·L-1.
1.6 数据处理与分析实验数据采用Excel 2016和SPSS 21.0进行数据分析和作图.
2 结果与分析 2.1 小流域监测期间养分流失特征 2.1.1 小流域雨季降雨-径流特征兰陵溪小流域降雨集中在6、7月和8月上旬, 雨季(6~9月)总降雨量为729.60 mm.日降雨量峰值达107.20 mm(图 2, 07月10日).小流域雨季总流量达50.92×104 m3, 最大日流量为4.15×104m3 ·d-1, 其中5次最大降雨产生的径流量占总径流量的23.9%.对小流域日径流量和降雨量相关分析, 结果表明日径流量与降雨显著相关(r=0.762, P < 0.01).小流域降雨径流日平均流量值为0.89×104 m3 ·d-1(41 d), 非降雨期间径流日平均流量为0.24×104 m3 ·d-1(63 d), 降雨径流流量占雨季总径流的71.7%.小流域径流输出主要分布在6月下旬至8月上旬, 为径流量高输出期, 随后降雨减少而径流量趋于平稳.
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图 2 小流域雨季降雨量和流量分布 Fig. 2 Rainfall and runoff in watershed during rainy season |
丰水期主要集中在6月下旬到8月上旬, 是降雨量较多时间段(图 3).流域雨季TN、NN、PN、TP养分最大日流失量为766.73、388.10、372.21、1.98 kg(07月10日), AN最大日流失量为9.41 kg(06月25日).对各养分日流失量和降雨量相关分析, 各养分流失均与降雨量显著相关(P < 0.01), 降雨期间的各养分流失量约占雨季养分总流失的64.7%~71.4%.最大5场降雨TN、NN、PN、AN和TP流失分别贡献了雨季养分总流失量的25.1%、21.1%、30.7%、20.3%和28.6%, 流域土壤养分流失是由强降雨径流过程输出.
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图 3 小流域雨季养分流失量分布 Fig. 3 Nutrient loss in watershed during rainy season |
分析小流域养分输出过程, 养分输出累积曲线(图 4)具有明显的阶段性特征.大致可分为3个时段, 时段Ⅰ(06月23日之前)和Ⅲ(08月10日之后)是土壤养分输出变化较为平稳的时期.时段Ⅱ(06月23日~08月10日)也就是雨季丰水期, 是养分输出的高速增长阶段, 贡献了雨季88.0%的总氮和90.0%的总磷.可以看出, 养分流失过程中, AN的累积速率增长最快, 其次是TP. PN前期累积较慢, 7月中旬之后, 累积速率急速上升, 这是由于强降雨或大雨出现.
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图 4 小流域雨季养分输出累积曲线 Fig. 4 Cumulative curve of nutrient output in watershed during rainy season |
小流域雨季土壤养分TN、NN、PN、AN、TP输出总量分别为52.43、30.26、21.61、0.059和0.10 kg ·hm-2(图 5).氮磷输出时间分布上, 7月贡献了雨季各养分流失的63.8%、57.6%、72.7%、56.1%和63.0%. 9月养分输出最少, 约占总输出的0.6%~3.1%.
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图 5 小流域雨季养分输出负荷 Fig. 5 Nutrient output in watershed during rainy season |
对小流域雨季土壤养分流失负荷分析, 硝态氮和颗粒态氮是小流域氮素输出的主要形式.其中, 各月份NN占TN输出的变化范围是52.0%~75.4%;其次是PN, 各月份输出占TN的变化范围是24.1%~47.0%.
小流域出口断面降雨径流过程监测(41 d), 土壤养分TN、TP流失量分别为5 301.25 kg和10.75 kg; 常规监测(63 d), 土壤养分TN、TP流失量分别为2 502.20 kg和3.78 kg.降水径流过程监测时段, TN和TP养分流失量占雨季总流失量的67.9%和74.0%;而非降雨径流时段, 常规监测的径流土壤养分输出, 其TN和TP流失占总流失的32.1%和26.0%, 土壤养分氮磷输出主要贡献是降雨径流过程.
2.1.4 小流域雨季水质特征小流域雨季径流中TN除8月浓度较低外(平均浓度13.18 mg ·L-1), 其余月相差不大(图 6); AN浓度呈递减趋势, 水体中6月浓度最大(平均浓度0.06 mg ·L-1); TP浓度变化幅度较小, 平均浓度为0.03 mg ·L-1.
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图 6 小流域雨季养分浓度季节特征 Fig. 6 Characteristics of seasonal nutrient concentrations in watershed |
根据国家地表水环境质量标准(GB 3838-2002)[19], 小流域径流的氨氮、总磷浓度均未超过Ⅲ类标准限值, 总氮最低浓度已超过Ⅴ类标准.小流域水体的主要超标项目是总氮, 属劣Ⅴ类水质, 6、7月水质状况更差.
小流域雨季降雨期间和非降雨期间养分浓度如图 7所示.对其进行多重比较(LSD), 降雨径流和非降雨期间, NN和PN养分浓度差异性显著(P < 0.05).其中, AN、PN在降雨期间浓度较大, 而NN在非降雨期间浓度较大.氨氮、总磷浓度在降雨和非降雨期间均未超过地表水水质Ⅲ类标准, 而总氮在两个时段均超地表水Ⅴ类标准.降雨和非降雨期间, 小流域水体在均为劣Ⅴ类水质.
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图 7 小流域雨季不同时期养分浓度特征 Fig. 7 Characteristics of nutrient concentrations in different periods in watershed during rainy season |
选取两场典型降雨养分输出过程分析, 其一为短时强阵雨, 其二降雨历时较长, 平均雨强较小, 两场降雨特征见表 1.两场降雨径流养分输出过程分别为径流Ⅰ和径流Ⅱ.
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表 1 典型降雨特征 Table 1 Characteristics of rainfalls under different conditions |
两场降水径流过程养分浓度特征如图 8所示.其中, 径流Ⅰ和Ⅱ的累积径流量为3 054 m3和10 338 m3.径流Ⅰ中各养分浓度均与径流Ⅱ差异显著(P < 0.01).其中, 总氮和总磷养分浓度(平均值)比较, 径流Ⅰ比径流Ⅱ提高了60%和66%, 降雨强度影响水体养分浓度大小, 且降雨强度越大, 水体养分浓度越大.两场径流过程硝态氮浓度与径流量表现为负相关, 其中径流Ⅱ表现显著(P < 0.01), 氨氮、总磷输出浓度与降雨量显著相关(径流ⅠP < 0.01;径流ⅡP < 0.05).
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图 8 两场降水径流养分浓度特征 Fig. 8 Characteristics of nutrient concentrations in runoff in two rainfall events |
两场降水径流过程养分输出载荷见表 2.径流Ⅰ、Ⅱ过程总氮载荷分别为49.98 kg和111.19 kg, 硝态氮、颗粒态氮占氮素输出50%左右, 是氮素输出的主要形式.径流Ⅰ中, 颗粒态氮占氮素输出的比例更高甚至超过了硝态氮, 说明降雨强度影响颗粒态氮输出水平.降水径流过程中磷素输出较少, 主要是溶解态磷随径流输出.
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表 2 典型降雨径流养分流失负荷 Table 2 Nutrient loss load in two rainfall events |
2.2.2 典型降雨径流的氮磷输出过程
以累积污染负荷和累积径流量绘制的M(V)无量纲累积曲线可以直观表征各养分随径流输出过程(图 9).径流Ⅰ, 氨氮、颗粒态氮和总磷的输出累积比例均大于其对应的径流量比例, 表明这些养分输出主要在降雨径流前期; 硝态氮、总氮的负荷累积比例小于对应的径流量比例, 说明硝态氮、总氮输出主要分布在降雨径流后期.径流Ⅱ中, 氮、磷在降水径流初期输出不明显, 中期随雨强增大, 氨氮和总磷径流输出效应逐渐显现.
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图 9 两场降雨M(V)曲线图 Fig. 9 The M(V) curves of two rainfall events |
进一步对比分析两场降雨径流, 径流Ⅰ中MEF30值, TP>AN>PN>TN>NN, 体现径流Ⅰ养分输出初期效应, 养分中流失顺序为TP>AN>PN; 径流Ⅱ中MEF30值, AN>NN>TP>TN>PN.而径流Ⅱ中, 累积径流比为30%时, 各养分初期效应均不明显, 约在径流比为40%时, 氨氮、总磷才体现出显著的初期效应, 土壤养分的冲刷程度顺序为TP>AN>PN.养分总磷是降水过程中受初期冲刷程度最大的养分, 氨氮次之.
3 讨论养分流失量与降雨量的显著相关性表明降水是氮磷流失的主要动力, 且降雨条件(降雨量、降雨强度及降雨历时等)影响土壤养分流失及流失形态[20].兰陵溪小流域雨季降雨多分布在6月下旬到8月上旬, 该段时间内降雨量和径流量占雨季降雨量和总径流量的近90%.也是土壤养分氮磷的高输出期, 输出载荷占雨季总氮和总磷总流失的90%.降雨期间, 小流域径流土壤养分浓度普遍高于非降雨期间, 且养分浓度与降雨强度呈正相关.小流域雨季氮素流失的主要形式是硝态氮和颗粒态氮, 大致占氮总流失量60%和40%.总磷受降水初期冲刷程度最强, 其流失量却很小, 负荷流失受降雨强度影响, 这符合前期兰陵溪小流域监测研究结果, 磷素主要流失形式是颗粒态磷经由地表径流携带[21].实施退耕还林工程以来, 兰陵溪小流域耕地面积比例减少至1.2%[22], 且茶园、果园种植大量实施坡改梯等高种植措施[12], 耕地采用免耕、覆盖耕作、垄耕等保护性耕作措施, 有效减少了泥沙以及易吸附在泥沙上被携带的颗粒态磷的流失.
小流域基流和地表径流是总径流的主要组成部分.兰陵溪小流域氮、磷流失均以降雨地表径流为主, 且6、7月地表径流量显著高于9月.小流域降雨径流监测和常规监测中, 总氮流失所占比例分别为65%和35%, 总磷流失的比例接近70%和30%, 养分输出主要经由降雨形成的地表径流流失.前期也有研究发现流域氮、磷输出途径以地表径流为主, 且输出负荷季节性规律显著[23].此外, 基流对小流域氮、磷流失也有重要贡献.有研究指出, 亚热带地区旱季基流对总径流的贡献可达48.0%~96.0%[24], 基流水质和水量直接影响流域的生态水文环境[25].基于小流域单元长期定位监测, 开展三峡库区关于地表径流和基流过程的氮磷迁移贡献的研究, 将有助于提高对流域农业面源污染物输出及其生态水文过程的认知.
三峡水库支流回水区水体TN和TP浓度比在10 :1~25 :1时, 藻类生长与氮、磷浓度存在线性相关关系[26].小流域水体TN/TP比值在9月达到最低, 平均值为455.17, 远超三峡水库入库支流TN/TP比值适合藻类生长的标准[27], 初步判定小流域水体属氮限制性水体.兰陵溪小流域径流水体中氨氮、总磷满足地表水Ⅲ类标准要求, 而总氮浓度长期严重超标, 无论是按月份还是降雨状况分析, 流域水体均属劣Ⅴ类水体.氮素尤其是颗粒态氮和硝态氮通过河道径流途径进入库区湖泊的风险较大, 因氮素渗透引起水体富营养化的风险较高[28].
4 结论(1) 小流域养分流失随降雨量分布具有阶段性特征, 表现为初期(6月下旬之前)和末期(8月上旬之后)养分输出平稳, 而丰水期(6月下旬到8月上旬)输出迅猛增长, 贡献雨季88.0%的总氮和89.9%的总磷流失.
(2) 硝态氮对降雨的响应程度小于氨氮、总磷和颗粒态氮, 氮、磷流失主要是通过降雨造成的地表径流过程.
(3) 降雨径流过程中, 硝态氮浓度与径流量表现负相关, 初期效应不显著; 氨氮和总磷与降雨量显著正相关, 初期效应显著.
(4) 本流域水体初步判定为氮限制性水体, 雨季降雨或非降雨期间属于劣Ⅴ类地表水水质, 增加了库区缓流水体富营养化的风险.
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