沱江流域位于三峡库区的上游, 其水质对三峡库区甚至整个长江流域水环境都有至关重要的作用.但是近年来, 三峡库区的水环境问题日益频发, 部分支流富营养化问题、水华现象频繁发生^[1~3].沱江流域位于四川省中部, 流域内的土壤主要为紫色土, 质地松软, 极易造成水土流失^{[2, 4]}.此外, 沱江流域人口密度高、人均耕地面积少和土地利用强度大, 再加上森林覆盖率比较低、养殖规模大养殖方式粗放、农田肥料农药用量高, 导致流域周边非点源污染问题非常突出^[5~7].因此准确监测流域内的非点源污染对区域氮磷排放的防控, 保证区域和周边水环境安全具有重要意义.

地表养分流失是促成小流域污染的主要原因, 而且土壤物理性质、降雨强度、地形地貌、植被覆盖以及管理方式等影响地表养分流失^{[3, 4, 8~12]}.降雨是促成地表养分流失最主要的外部动力条件, 一般而言, 降雨量越大、降雨强度、雨滴直径越大, 地表径流量、径流总量和泥沙流失量越多, 地表养分流失也越多^[13].但是不同类型的降雨对氮、磷流失浓度以及流失风险期的影响是不相同的.陈成龙等^[10]研究了三峡库区小流域稻田空间格局对氮磷流失的影响, 发现小到中雨事件TN流失浓度明显升高, 中到大雨事件TP浓度极易呈现跳跃性浮动.除降雨之外, 田间施肥模式、灌溉量、种植模式等对氮和磷的影响也不同^{[2, 14~17]}.例如, 叶祖鑫等^[17]对洪泽湖支流流域非点源颗粒态磷的研究发现, 蔬菜种植相比于玉米种植能够增加田间颗粒态磷的含量.因此, 全面认识降雨、地形和土地利用等对小流域氮磷流失特征的影响, 有助于揭示小流域面源污染形成机制, 明确养分流失途径与载体, 这对防治农业面源污染具有重要的理论与实际意义.

花椒沟小流域位于四川盆地紫色丘陵区, 是沱江水系非常有代表性的一个小流域.该流域降水量较大且集中, 水力冲蚀作用强烈, 农田水土流失严重^{[4, 18]}.华玲玲等^[3]的研究指出相比于模型模拟流域氮磷流失, 模拟结果与实际监测存在比较大的差异, 需要通过实际监测研究进行进一步验证.因此, 本文以长江上游沱江水系花椒沟小流域为研究对象, 通过连续监测的方法查明小流域氮和磷养分流失量及流失特征, 以期为三峡库区甚至长江水系面源污染防治和水环境治理提供决策依据.

本试验布设在长江上游沱江水系花椒沟小支流的响水滩上段, 属于四川省资阳市雁江区松涛镇的响水村、花椒村, 是一个比较典型的农业小流域.花椒沟小流域地处东经104°34′12″~104°35′19″、北纬30°05′12″~30°06′44″, 海拔395 m, 该区多年平均降雨量为965.8 mm, 降雨最大1 290.7 mm, 最小725.2 mm, 全年70%降雨分布于6~9月, 年均温16.8℃, 季节性干旱比较频繁, 是典型的雨养农业区.花椒沟小流域土壤为遂宁组母质发育的紫色红砂土, 质地较轻, pH值为7.28, 土壤肥力不高.

花椒沟小流域面积0.96 km², 具有唯一的进水口和出水口, 封闭性比较好.该流域耕地面积为350亩, 主要有林地、耕地和园地, 主要作物有水稻、油菜、玉米、牧草和柑橘; 总人口为188人, 养殖猪120头.通过农村生活、畜禽和农田这3个方面调查, 发现农村生活污水、生活垃圾、畜禽粪便、农药及作物化肥过量施用是小流域内主要的污染源.

监测期间, 降雨量和流域出口日径流量采用试验站水文站的自动监测数据进行采集.流域监测位置如图 1所示, 监测时段为2012年和2013年.

图 1

Fig. 1

图 1 花椒沟小流域土地利用现状 Fig. 1 Land use in Huajiaogou small watershed

河流水质采样于花椒沟小流域出口, 采样频率为每周1次采集水样, 如遇到降雨则在降雨当天临时采集水样.水样采集后现场加酸保存, 并于24 h内进行室内分析.水质测定指标包括总氮、铵态氮、硝态氮、总磷和可溶性总磷.总氮采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定(GB 11894-89), 硝态氮使用酚二磺酸分光光度法测定(GB 7480-87), 铵态氮使用纳氏试剂分光光度法测定(GB 7479-87), 总氮减去硝态氮和铵态氮即为颗粒态氮.总磷和可溶性总磷采用钼酸铵分光光度法测定(GB 11893-89), 总磷与可溶性总磷的差值为颗粒态磷^[19].

污染量计算如公式(2)：

(2)

式中, P为监测时段河流径流污染物的排放量(kg), Q_i为监测时段河流径流量(m³), c_j为河流检测水质氮磷养分浓度(mg ·L^-1).

本试验数据采用Excel 2007分析软件分析, 图表制作采用SigmaPlot 8.0制图软件.

图 2表示的是2012年和2013年全年的降雨与径流.2012全年的降雨量为844.4 mm, 其中7~9月雨季降雨为691.75 mm, 占全年降雨量的81.92%; 2013年全年的降雨量为937.35 mm, 其中7~9月雨季降雨为562.5 mm, 占全年降雨量的60%.因此, 2012年和2013年几乎全年的降雨量都集中于7~9月.对于径流量而言, 2012年花椒沟小流域全年的径流量高达14.04×10⁵ m³ ·a^-1, 其中7~9月径流量为10.05×10⁵ m³, 占全年径流量71.58%;而2013年全年的径流量为5.91×10⁵ m³ ·a^-1, 其中7~9月径流量为3.34×10⁵ m³, 占全年径流量56.51%.可以发现径流量与降雨量呈现正相关关系. 2012年7~9月降雨量比2013年高, 导致全年径流量比2013年高.另外, 2012年降雨量比2013年分散, 也是导致2012年径流量比2013年高的原因.2012年和2013年4月中下旬开始降雨增多, 因而径流量也开始增多, 直到7月日径流量出现比较大的增多, 并且出现最大径流量, 分别为0.74×10⁵ m³ ·d^-1和0.27×10⁵ m³ ·d^-1. 2012年和2013年10月之后, 降雨量减少, 因此径流量也趋于平缓, 基本上分别接近于1 004.5 m³ ·d^-1和1 208.13 m³ ·d^-1.

图 2

Fig. 2

图 2 花椒沟小流域年度径流量和降雨量变化 Fig. 2 Annual rainfall and runoff in Huajiaogou small watershed

2012年和2013年花椒沟小流域监测端氮素污染物浓度变化见图 3.从中可以看出, 从4月开始降雨量增多, 总氮、铵态氮和可溶性总氮流失浓度增大, 特别是铵态氮.2012年和2013年4和5月铵态氮浓度都出现了全年最大, 分别为11.51 mg ·L^-1和4.44 mg ·L^-1, 5月之后铵态氮浓度逐渐降低.硝态氮相比铵态氮而言, 流失浓度从6月开始增大直到7月达到最大流出浓度, 2012年和2013年硝态氮流出最大浓度分别为6.06和11.43 mg ·L^-1.结合铵态氮和硝态氮浓度的变化, 总氮流出浓度从5月开始升高直到7月出现最大浓度峰值, 2012年和2013年总氮流出浓度峰值为18.16 mg ·L^-1和31.63 mg ·L^-1.因此, 根据流失浓度得到, 花椒沟小流域铵态氮流失风险期在7月之前, 大概在4~6月; 总氮和硝态氮流失风险期在7月之后, 大概在7~9月.

图 3

Fig. 3

图 3 花椒沟小流域不同氮污染物浓度变化 Fig. 3 Concentration variation of nitrogen discharge in Huajiaogou small watershed

2012年和2013年总氮、铵态氮、硝态氮流失量及流失情况见表 1.从中可以看出, 2012年和2013年总氮、铵态氮和硝态氮全年流失总量分别是11 172.61 kg和3 869.71 kg、415.37 kg和271.31 kg、4 590.46 kg和2 668.65 kg, 2012年氮污染物的流失量大于2013年可能是因为2012年的7~9月的降雨比2013年大的原因.对于总氮而言, 7~9月流失量分别占2012年和2013年全年流失的86.78%和59.29%, 占全国总氮流失量一半以上, 属于流失风险期.对于铵态氮而言, 4~7月流失量分别占2012年和2013年全年流失的78.45%和62.24%.硝态氮相比于铵态氮流失风险期比较延后, 主要发生在2012年和2013年的7~9月, 流失量分别为88.74%和65.55%.通过铵态氮、硝态氮与总氮比例分析, 发现2012年和2013年1~12月硝态氮所占的比例都是最多的, 而且在7~9月的时候, 硝态氮占总氮的比例在全年几乎是最高的, 说明花椒沟小流域总氮的流失形式主要以硝态氮形式流失, 特别是在7~9月的时候; 而花椒沟小流域总氮中铵态氮的流失比较小, 而且主要集中在4~7月.此外, 除硝态氮和铵态氮之外, 总氮的流失还有一部分以颗粒态流失, 2012年和2013年颗粒态氮的流失比例分别为51.9%和31.13%. 2012年比2013年颗粒态流失比例高, 可能是因为2012年降雨分散、降雨强度比较大, 导致颗粒态氮流失量比较大.

表 1 (Table 1)

表 1 花椒沟小流域氮污染物流失量及流失情况 Table 1 Change in different forms of nitrogen discharge in Huajiaogou small watershed 月份 TN/kg·d-1 NH4+-N/kg·d-1 NH4+-N/TN/% NO3--N/kg·d-1 NO3--N/TN/% 2012年 2013年 2012年 2013年 2012年 2013年 2012年 2013年 2012年 2013年 1 85.00 25.92 1.66 1.22 1.95 4.71 39.29 13.63 46.22 52.60 2 38.40 9.43 2.37 0.26 6.16 2.79 17.15 3.73 44.65 39.50 3 44.40 21.23 2.88 0.25 6.48 1.17 18.23 8.74 41.05 41.18 4 283.32 400.11 75.93 40.19 26.80 10.04 69.21 180.46 24.43 45.10 5 305.15 252.10 117.56 25.69 38.52 10.19 40.31 153.61 13.21 60.93 6 270.97 463.03 29.01 26.93 10.71 5.82 62.10 308.63 22.92 66.65 7 8 305.60 1 740.67 103.38 76.06 1.24 4.37 3 474.45 1377.76 41.83 79.15 8 876.84 307.42 14.76 28.69 1.68 9.33 341.75 223.92 38.98 72.84 9 511.75 246.29 28.32 28.98 5.53 11.77 257.47 147.60 50.31 59.93 10 225.32 93.57 5.14 11.94 2.28 12.76 124.22 64.36 55.13 68.78 11 138.08 145.04 19.10 26.96 13.84 18.59 82.61 78.73 59.83 54.28 12 87.78 164.89 15.27 4.14 17.40 2.51 63.67 107.48 72.54 65.19 全年 11 172.61 3 869.71 415.37 271.31 7.01 0.18 4 590.46 2 668.65 41.09 68.96

表 1 花椒沟小流域氮污染物流失量及流失情况 Table 1 Change in different forms of nitrogen discharge in Huajiaogou small watershed

2012年和2013年花椒沟小流域径流磷污染物浓度变化见图 4.从中可以看出, 2012年总磷最高浓度分别出现在1、2、3和5月, 最高浓度分别为3.43、1.28、1.41和1.29 mg ·L^-1, 而在6~12月时小流域总磷流出浓度变化比较稳定.与2012年相同, 2013年总磷浓度变化也比较剧烈.2013年总磷污染物排放最高浓度分别出现在3、5、6和9月, 最高浓度分别为2.67、1.86、2.54和3.04 mg ·L^-1.对于可溶性总磷而言, 2012年花椒沟小流域可溶性总磷流出的浓度都比较低, 只在3和8月流出浓度比较高, 分别为0.48 mg ·L^-1和0.75 mg ·L^-1.2013年花椒沟小流域可溶性总磷流出浓度相比2012年而言都比较高, 特别是在5和9月的时候, 流出浓度分别为1.83 mg ·L^-1和1.28 mg ·L^-1.2012年颗粒态磷流出最高浓度出现在1月, 为3.27 mg ·L^-1; 2013年颗粒态磷在3、6、8和9月都比较高, 浓度分别为2.46、1.96、1.30和2.61 mg ·L^-1.因此, 小流域总磷、可溶性总磷、颗粒态磷流出浓度与降雨量并没有呈现比较明显的正相关关系, 而且与可溶性总磷相比, 颗粒态磷的流出浓度比较大.

图 4

Fig. 4

图 4 花椒沟小流域不同磷污染物变化 Fig. 4 Concentration variation of phosphorus discharge in Huajiaogou small watershed

2012年和2013年花椒沟小流域磷污染物流失量及流失特征情况见表 2.从中可以看出, 2012年的总磷、可溶性总磷和颗粒态磷的流出量都比2013年多, 这可能是2012年径流量比2013年高引起的.2012年和2013年的1~4月, 总磷、可溶性总磷和颗粒态磷流出量都比较偏低, 特别是在2013年前3个月流出量更少.主要原因可能是在产流初期径流量较少, 携带养分的能力有限, 从而导致径流中磷素污染物流出量比较低^[20].总磷、可溶性总磷和颗粒态磷流出量最多的时间主要集中在2012年和2013年的7~9月, 分别占全年流出量的53%和56%、73%和52%、36%和68%.2012年和2013年的10~12月, 总磷、可溶性总磷和颗粒态磷流出量减少, 变化也比较平缓.通过可溶性总磷、颗粒态磷和总磷的对比分析, 得到总磷的流出形式中, 颗粒态磷占主要比例, 特别是在2012年的时候, 1月颗粒态磷的流出比例能够达到92.12%.此外, 2012和2013年的1~4月颗粒态磷的流出比例都是非常高的, 反而在7~9月时颗粒态磷的流出比例有所降低, 可能是因为降雨强度会对颗粒态磷的流失特征有影响^{[20, 21]}.

表 2 (Table 2)

表 2 花椒沟小流域磷污染物流失量及流失情况 Table 2 Change in different forms of phosphorus discharge in Huajiaogou small watershed 月份 TP/kg·d-1 DP/kg·d-1 DP/TP/% PP/kg·d-1 PP/TP/% 2012年 2013年 2012年 2013年 2012年 2013年 2012年 2013年 2012年 2013年 1 39.88 1.27 3.14 0.67 7.88 52.66 36.74 0.60 92.12 47.34 2 16.08 0.41 1.86 0.31 11.58 74.08 14.22 0.11 88.42 25.92 3 17.65 4.92 4.10 0.76 23.25 15.44 13.55 4.16 76.75 84.56 4 42.88 20.22 16.19 16.66 37.76 82.38 26.69 3.56 62.24 17.62 5 38.19 17.68 8.33 16.13 21.81 91.22 29.86 1.55 78.19 8.78 6 28.69 22.39 6.63 20.44 23.10 91.27 22.07 1.95 76.90 8.73 7 179.60 74.00 110.12 55.19 61.32 74.58 69.47 18.81 38.68 25.42 8 39.15 20.77 28.66 16.75 73.21 80.66 10.49 4.02 26.79 19.34 9 29.31 31.79 18.12 20.89 61.83 65.71 11.19 10.90 38.17 34.29 10 13.03 9.07 7.27 7.60 55.77 83.76 5.76 1.47 44.23 16.24 11 14.60 12.79 7.92 11.85 54.24 92.69 6.68 0.93 45.76 7.31 12 11.33 12.00 3.91 10.68 34.49 89.00 7.42 1.32 65.51 11.00 全年 470.39 227.32 216.26 177.92 45.97 78.27 254.13 49.40 54.03 21.73

表 2 花椒沟小流域磷污染物流失量及流失情况 Table 2 Change in different forms of phosphorus discharge in Huajiaogou small watershed

2012年和2013年的1~4月降雨量比较少, 因而径流量也比较少; 而7~9月降雨频繁, 径流量随之增大, 几乎全年一半以上的径流发生在7~9月.此外, 与2013年相比, 虽然2012年全年降雨量小于2013年, 但是2012年7~9月的降雨量远远大于2013年7~9月的降雨量, 因此导致2012年径流量大于2013年径流量.林超文等^[22]分别对比2007、2008和2009年这3 a的径流系数与降雨之间的关系, 发现2007年和2009年径流系数显著高于2008年是因为降雨比较集中而且降雨强度比较大.梁斐斐等^[8]着重研究了大雨、中雨和小雨对径流量的影响, 发现大雨时的径流量分别为中雨和小雨时的2.34倍和7.59倍.因此, 对于花椒沟小流域而言, 重点关注7~9月降雨对径流的影响, 对防治水土流失具有比较重要的意义.

花椒沟小流域铵态氮最大排放浓度发生在4~6月, 并没有与降雨呈现比较明显的正相关关系, 而4~7月铵态氮排放量占全年70%以上.这可能是因为花椒沟小流域是pH值比较高的石灰性紫色土壤, 4~6月夏季作物播种施肥之后, 很快转化为铵态氮一部分随着氨挥发损失另一部分随径流进入到小流域中^[23~25].此外, 花椒沟小流域生活污水、畜禽粪便、生活垃圾等都是露天排放, 春季温度升高, 遇到降雨也会导致铵态氮进入到小流域中^{[2, 16, 24]}.花椒沟小流域硝态氮最高排放浓度、流失风险期集中于7~9月, 晚于铵态氮.这可能是因为硝态氮带负电荷, 不容易被土壤胶体吸附, 容易随着径流进入到流域中^[3].花椒沟小流总氮最高排放浓度是发生在7~9月, 与流失风险期是同步的, 而且与降雨量有直接的正相关关系.这是因为总氮中的大部分是有溶解态存在, 而且主要是硝态氮^{[6, 14]}.此外, 通过对总氮、铵态氮和硝态氮流失量差值分析, 发现存在较多的氮以颗粒态的形式流出, 而且与降雨呈现比较明显的正相关关系.梁斐斐等^[8]的研究发现, 中雨产生径流中颗粒态氮占全氮的比例为74.9% ~75.9%, 而大雨产生径流中颗粒态氮占全氮比例更高, 能够达到85.0% ~92.6%.

花椒沟小流域中磷素污染物排放浓度的变化与氮素污染物不同, 并没有表现出与季节有较大的相关性.这可能是因为由于雨滴与土壤的相互作用, 使得土壤颗粒与磷素之间不断发生吸附和解吸的关系, 导致径流中磷素的变化始终处于动态变化^[26~28].王彦等^[27]的研究发现, 石灰性紫色土由于缺少羟基聚合物或较强的静电排斥作用, 对磷的吸附能力较弱, 解吸量增加, 解吸率增大, 而且在降雨后淹水条件下土壤中的磷素更加容易解吸释放.磷素污染物排放量与季节呈现比较大的相关性, 排放高峰期主要是发生在7~9月, 而且总磷排放形式主要是以颗粒态磷为主, 特别是在2012年.这可能是因为土壤中存在的铁铝氧化物对磷具有较强的吸附作用, 当降雨发生时, 土壤颗粒携带磷随着地表径流流入到小流域中从而增加了小流域颗粒态磷的含量^{[8, 14]}.通过分析颗粒态磷流失比例发现, 在7~9月降雨比较显著时, 流域中颗粒态磷的含量反而小于其他月份, 特别是1~4月颗粒态磷的比例, 特别是2013年.这可能是因为冲刷效应的影响即过量频繁地降雨、干湿交替等过程导致土壤颗粒态磷部分转化为胶体磷, 而胶体磷根据目前的测定方法是归属为溶解态的部分, 从而增加了溶解态磷的含量^{[20, 21, 29]}.因此, 花椒沟小流域磷污染防治应该重点关注7~9月, 而且在防治颗粒态磷污染的同时, 还应该重点关注径流中胶体磷的迁移、转化, 这对防治水体富营养化具有重要的意义.

(1) 花椒沟小流域径流量与降雨量呈正相关关系, 7~9月为小流域径流暴发高峰期, 而且这个时期降雨强度较大时会导致全年径流量增大.

(2) 花椒沟小流域铵态氮最大排放浓度出现在4~6月, 流失风险期为4~7月; 总氮、硝态氮最大排放浓度、流失风险期都为7~9月, 与降雨量呈正相关关系, 硝态氮为总氮最主要排放形式; 颗粒态氮流失风险也比较高, 而且与降雨量呈正相关关系.

(3) 花椒沟小流域总磷、可溶性总磷、颗粒态磷最大排放浓度受降雨量的影响比较小, 流失风险期都为7~9月.颗粒态磷为总磷最主要的流失形式, 但降雨量比较大、干湿交替比较频繁时, 部分颗粒态磷会通过胶体磷的形式转化为溶解态磷.

致谢: 感谢四川省农业科学院土壤肥料研究所资阳水土保持试验站对本研究的支持.