徐國策,李占斌,2,李 鵬,趙賓華,王 琦,惠 波
1.西安理工大學西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室,西安 710048
2.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100
由于農業(yè)活動的廣泛性和普遍性,農業(yè)非點源污染已成為目前水環(huán)境惡化的一大問題,并受到了廣泛重視,近年來農業(yè)非點源污染逐漸成為國內非點源污染研究的熱點[1]。氮素是農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中重要的營養(yǎng)元素之一,也是農田生產力的主要限制因子,但施肥過量或施用不當會引起水體富營養(yǎng)化、地表水環(huán)境惡化和地下水硝酸鹽含量超標等非點源環(huán)境污染問題[2]。農田地表徑流和土壤侵蝕引起的氮素流失,是造成農業(yè)面源污染與地表水體富營養(yǎng)化的主要原因。小流域是一個較為理想的非點源污染監(jiān)測單元,很多學者從不同角度對小流域非點源氮素污染進行了研究,如形成機理、模型開發(fā)及應用、控制技術及措施[3-7]。研究小流域地表徑流氮磷流失規(guī)律,對提高化肥利用率、減輕農業(yè)非點源污染、緩解水資源危機具有重要的理論意義和實用價值[8]。
非點源污染是水環(huán)境的重要污染源,也成為威脅飲用水安全的主要因素,其中以湖泊、水庫的水質富營養(yǎng)化以及流域水質惡化問題尤為突出[9]。南水北調中線工程對水源區(qū)的水質要求較高,但水源區(qū)仍存在一定程度的水污染。其中,相當部分的污染物來自非點源污染,特別是農業(yè)非點源污染已經成為水體氮、磷的主要來源[10]。農業(yè)非點源污染負荷計算是研究、控制和治理流域農業(yè)非點源污染的關鍵[11-12]。筆者以丹江鸚鵡溝小流域為例,在長期野外監(jiān)測的基礎上進行農業(yè)非點源負荷研究,重點是對土壤氮素的流失進行估算與分析,以期為南水北調農業(yè)非點源污染控制和清潔小流域建設提供科學依據。
鸚鵡溝小流域位于陜西省商洛市商南縣城東南的城關鎮(zhèn)五里鋪村,位于東經110°52′16″—110°55′30″、北緯33°29′55″—33°33′50″。流域總面積1.86 km2,流域內主溝長3 232.90m,最大主溝道比降0.01,流域坡面比降0.33,屬于多邊形水系。流域 大部分為低山丘陵地貌,溝谷開闊,最高海拔600 m,最低海拔464m。年平均氣溫14.0℃,最高氣 溫40.9℃,最低-12.2℃,多年平均日照時數為1 974h,無霜期216d。年平均降水量803.2mm,其中7—9月份的降水量占全年降水量的50%左右。流域內土壤以黃棕壤、風化砂壤土為主,坡面有效土層厚度20~70cm,黃棕壤分布在河道兩岸,砂壤土分布于坡面上。土壤多呈微酸性,硼、錳、鋅等微量元素較缺乏。土地覆蓋類型以農地、林地和草地為主。喬木以櫟樹、松樹為主,灌木樹種較多且雜,草地以禾本科的草為主,農地以小麥、玉米和花生為主。
根據鸚鵡溝流域的溝道特征和土地利用情況,在流域內共設置了2個監(jiān)測斷面(圖1):斷面1控制流域是典型的農業(yè)小流域,耕地是控制流域內的主要景觀特征;把口站是鸚鵡溝流域出口控制斷面。斷面1和把口站之間是主要居民點,有農村生產生活污染物排放。
鸚鵡溝流域共建成28個小區(qū),其中磚砌小區(qū)20個,簡易小區(qū)8個。按土地利用類型劃分:2個為10.0m×4.0m喬木林小區(qū);3個為10.0m×2.0 m、3個為5.0m×2.0m草地徑流小區(qū);其他為農地小區(qū)。根據當地降雨產流情況,徑流小區(qū)修建1.0 m×1.0m×1.0m或者1.5m×1.5m×1.5m沉砂池,簡易小區(qū)采用普通大型塑料桶接收徑流和泥沙。徑流池頂部加蓋及底部開孔,安裝直徑50mm直管和直徑50mm的閘閥,以排放徑流和泥沙。沉砂池和量水池磚砌厚度為24cm,底部用混凝土鋪底,并做防滲處理,混凝土鋪底厚度為15cm。在小區(qū)上部及集流設施的下部布設排水溝、排洪溝以攔截和排放徑流。
在鸚鵡溝流域中部設置HOBO自動氣象站1臺,用于對大氣溫度、相對濕度、風向、風速、雨量、氣壓、太陽輻射等眾多氣象要素進行全天候現場監(jiān)測。流域監(jiān)測各斷面安放Global Water WL700+(USA)自記水位計,記錄各斷面的水位變化情況。每月實測1次基流水位、流速和水質指標。汛期降雨時,自降雨開始每隔2h監(jiān)測各個斷面的水位、流速和水質指標。針對坡面徑流小區(qū),設置不同作物、不同種植方式、不同管理方式等處理方法,在測定坡面徑流小區(qū)長、寬、坡度和坡長等的基礎上,監(jiān)測徑流小區(qū)的土壤理化性質和降雨徑流水質?;骱徒涤昶陂g水位用水尺測定,流速用浮標法測定。水樣用500mL玻璃瓶采集,樣品的保存依據國家環(huán)境保護標準(HJ 493-2009)[13],2d之內送回實驗室測定水質。水質指標中氨氮、硝氮和總氮用全自動間斷化學分析儀(CleverChem200,德國)測定。
降雨徑流的沖刷是產生非點源污染的原動力,降雨徑流又是非點源污染物的載體。如果沒有降雨徑流的產生,非點源污染物就很難進入受納水體。因此,可以認為非點源污染主要是由汛期地表徑流引起的,而枯水季節(jié)的水質污染主要是由點源污染引起的。點源污染負荷LP比較穩(wěn)定,LP=QfCf,汛期的總污染負荷L=QxCx,則汛期產生的非點源污染負荷Ln=L-Lp。其中:Qf為實測枯季流量(m3/s);Cf為實測枯季污染物質量濃度(mg/L);Qx為實測汛期流量(m3/s);Cx為實測汛期污染物質量濃度(mg/L)。
圖1 鸚鵡溝流域監(jiān)測斷面空間位置圖Fig.1 Location of monitoring sections in the Yingwugou watershed
基于暴雨徑流過程中的水質水量同步監(jiān)測資料,計算每場暴雨洪水過程的各種非點源污染物平均質量濃度,然后以各次暴雨的徑流量為權重,得出各次暴雨的加權平均質量濃度。單次暴雨徑流過程的非點源污染物平均質量濃度計算公式[14]為
其中:WL為該次暴雨攜帶的負荷量(g),
WA為該次暴雨產生的徑流量(m3),
式中:QTi為ti時刻的實測流量(m3/s);Ci為ti時刻的實測污染物質量濃度(mg/L);QBi為ti時刻的枯季流量(即非本次暴雨形成的流量)(m3/s);CBi為ti時刻的枯季質量濃度(基流質量濃度)(mg/L);i=1,2,…,n,為該次暴雨徑流過程中流量與水質濃度的同步監(jiān)測數;Δti為監(jiān)測QTi和Ci所用的時間(s),Δti=(ti+1-ti-1)/2 。
則多次(如m次)暴雨非點源污染物的加權平均質量濃度C為
按照我國氣象部門降雨強度分級標準,24h內的降雨量稱之為日降雨量,凡是日雨量在10.0mm以下稱為小雨,10.0~24.9mm 為中雨,25.0~49.9mm為大雨,暴雨為50.0~99.9mm,大暴雨為100.0~250.0mm,超過250.0mm的稱為特大暴雨。2010年7月2日—3日、2011年8月4日—5日和2012年7月4日的降雨量分別為51.8、25.2和44.8mm,三者分別為暴雨、大雨和大雨,涵蓋了商南縣降雨強度的2個主要類型。
鸚鵡溝流域降雨后林地、草地和主要農作物(玉米和花生)徑流小區(qū)的氮素變化特征見表1,由于玉米和花生徑流小區(qū)的氮素質量濃度變化不大,如總氮質量濃度基本在2.00mg/L左右,故主要列舉了3次降雨下的典型氮素質量濃度變化特征。由表1可以看出:不論是花生、玉米徑流小區(qū)還是林、草地徑流小區(qū),水質中硝氮質量濃度均大于氨氮質量濃度,這是由于土壤表層存在強烈的硝化作用,硝氮質量濃度較高,且?guī)ж撾姡灰妆煌亮N?;當徑流小區(qū)坡度大于25°時,玉米和花生徑流小區(qū)的氨氮和硝氮質量濃度均呈明顯增加,這是因為坡度增加徑流流速明顯增大,使徑流與土壤的作用強度增大,從而影響到坡地表層土壤顆粒啟動、侵蝕方式和徑流的攜沙能力,進而增大養(yǎng)分的流失量[15-16];花生徑流小區(qū)和玉米徑流小區(qū)的氨氮和硝氮質量濃度差異不大,但玉米地的總氮質量濃度往往較花生地大;另外,隨坡度的增大,花生徑流小區(qū)硝氮質量濃度呈增大趨勢;林地和草地徑流小區(qū)總氮含量也較高,為2.0mg/L左右,甚至大于一些農地徑流小區(qū)的總氮質量濃度。
表1 鸚鵡溝流域徑流小區(qū)氮素變化特征Table 1 Nitrogen variation of runoff plots in the Yingwugou watershed
根據地表水環(huán)境質量標準(GB3838-2002[17],以下簡稱為“標準”)中規(guī)定氮素項目標準限值,對表1進行分析可知:小于25°坡度的花生、玉米徑流小區(qū)氨氮質量濃度基本均小于0.50mg/L,屬于Ⅱ類水,硝氮質量濃度也小于標準限值10.00mg/L,但總氮質量濃度均大于1.50mg/L,水質屬于Ⅴ類水或更差水平,且在陡坡(坡度大于25°),總氮質量濃度遠大于Ⅴ類水標準限值2.00mg/L;林地和草地徑流小區(qū)的總氮質量濃度也多大于Ⅴ類水標準限值2.00mg/L。這說明徑流小區(qū)水質中氮素主要是總氮質量濃度超標。
3.2.1 斷面1氮素平均質量濃度計算
斷面1的枯季徑流由流經農地的地表徑流和壤中流匯聚而成,但與汛期降雨產生的地表徑流又有區(qū)別,故本研究仍將其作為點源污染。2011年和2012年10次降雨數據和4次基流監(jiān)測數據的平均值見表2。算出各次暴雨的徑流量和非點源污染負荷量后,由式(1)可得出各自的平均質量濃度,再以各次暴雨的徑流量為權重,由式(4)求得各種污染物多次暴雨洪水的非點源污染加權平均質量濃度。此外,由定期(特別是枯季)水質監(jiān)測資料可算出各種污染物的(算術)平均質量濃度,用來近似代表點源污染(枯季徑流)的平均質量濃度,由此計算得,斷面1非點源污染氨氮、硝氮和總氮的平均質量濃度分別為0.16、2.65和4.39mg/L,點源污染氨氮、硝氮和總氮的平均質量濃度分別為0.18、1.40和2.68 mg/L。從表2可以看出,斷面1總氮質量濃度全都超出Ⅴ類水水質標準,氨氮質量濃度始終小于標準[17]中規(guī)定的Ⅱ類水水質標準0.50mg/L,硝氮質量濃度也始終小于標準[17]中規(guī)定標準值10.00 mg/L,說明斷面1氮素主要是總氮污染,需要采取控制措施。
表2 鸚鵡溝流域斷面1水質水量同步監(jiān)測數據Table 2 Monitoring data of water quality and quantity of section 1in the Yingwugou watershed
3.2.2 把口站氮素平均質量濃度計算
把口站是鸚鵡溝流域的出口斷面,其和斷面1之間有大量居民點,存在生產生活污染物排放。2011年和2012年10場降雨數據和4次基流監(jiān)測數據的平均值見表3。從表3可以看出:把口站總氮質量濃度也都超出Ⅴ類水水質標準,氨氮質量濃度始終小于標準[17]中規(guī)定的Ⅱ類水水質標準0.50 mg/L,硝氮質量濃度也始終小于標準[17]中規(guī)定標準值10.00mg/L,說明把口站水質依然主要是總氮污染;另外,硝氮質量濃度約占總氮質量濃度的60%,表明硝氮在總氮中占主要部分,有機氮質量濃度也較大且不容忽視,這與斷面1相同。根據公式(1)和(4)計算得,把口站非點源污染氨氮、硝氮和總氮的平均質量濃度分別為0.17、4.71和7.55mg/L,點源污染氨氮、硝氮和總氮的平均質量濃度分別為0.20、2.12和4.08mg/L。由此可見,從斷面1到把口站,水中氨氮質量濃度變化不大,這主要是因為河水在流動過程中與O2有充分的接觸,NH+4與水中O2結合,在亞硝化細菌與硝化細菌的作用下最終生成NO-3,從而使氨氮穩(wěn)定在某一范圍;硝氮質量濃度和總氮質量濃度則有較大的增加,這與農村生產生活污染物排放有直接關系[18]。
表3 鸚鵡溝流域把口站水質水量同步監(jiān)測數據Table 3 Monitoring data of water quality and quantity of basin mouth station in the Yingwugou watershed
根據2010—2012年商南縣鸚鵡溝流域的小區(qū)監(jiān)測結果,選取2010年7月2日—3日、2011年8月4日—5日和2012年7月4日3場典型降雨,其降雨量分別為51.8、25.2和44.8mm,并依據徑流小區(qū)產流量和徑流小區(qū)面積分別計算了農地、林地和草地的徑流深以計算流域產流量,結果見表4。
由表4可知,3場典型降雨條件下,農地、草地和林地的平均徑流深分別為5.1、3.8和1.8mm,結合3場典型降雨的降雨量計算得農地、草地和林地的徑流系數分別為0.13、0.09和0.04。鸚鵡溝流域林地、草地和農地的面積分別為0.52、0.17和1.12km2,多年平均降水量803.2mm,由此可知,流域內林地、草地和農地的年均產流量分別為1.67、1.23和11.69萬m3。根據枯季水位計監(jiān)測數據,計算得到枯季徑流總量為12.44萬m3,則鸚鵡溝流域年徑流總量為27.04萬m3,年徑流模數為14.94萬 m3/(a·km2)。
根據鸚鵡溝流域2010—2012年的小區(qū)監(jiān)測數據,對不同土地利用類型主要降雨場次的水質氮素監(jiān)測指標進行分析,計算林地、草地和農地的氮素質量濃度平均值;在此基礎上,根據各自的年均產流量,計算得出隨徑流流失的氮素流失量和流失模數(表5)。由表5可以看出,徑流中農地、草地和林地的氨氮質量濃度相差不大,但硝氮和總氮的質量濃度有一定差異,從大到小為:農地、草地、林地,這是因為林草地產流量較小,但其土壤總氮質量濃度較高,致使徑流總氮質量濃度也較高,且超出了Ⅴ類水水質標準。另外,氨氮、硝氮和總氮的年均流失模數從大到小均為農地、草地、林地,總氮年均徑流流失模數分別為0.36、0.22和0.09t/(a·km2)。
表4 三場典型降雨下不同地類的徑流深Table 4 Runoff depths of different land use types under two typical rainfalls
表5 不同土地利用的氮素流失模數Table 5 Nitrogen loss moduluses of different land use types
根據鸚鵡溝流域把口站的監(jiān)測數據,對其主要水質監(jiān)測指標的年內變化規(guī)律進行分析,計算得出主要水質指標的年平均值。在此基礎上,根據年均徑流量計算得出隨徑流流失的氮素流失量和流失模數。
表6 徑流氮素年流失量Table 6 Annual nitrogen loss amount of the runoff
由表6可以看出,鸚鵡溝流域氨氮、硝氮和總氮的流失模數分別為0.03、0.53和0.89t/(a·km2)。根據標準[17]中的有關規(guī)定,鸚鵡溝流域非點源污染中氮素對于水環(huán)境質量的影響作用分別是:氨氮增加0.17mg/L,硝氮增加4.71mg/L,總氮增加7.55mg/L,其影響結果是氨氮超過Ⅰ類水水質標準限值13.3%,成為Ⅱ類水;總氮超過Ⅴ類水水質標準限值277.5%,直接成為劣Ⅴ類水;硝氮質量濃度則未超過10.00mg/L的標準限值。
1)總氮是鸚鵡溝流域水質污染的主要影響因素,降雨集中的7—9月份是氮素流失的集中時期。
2)林地、草地和農地的總氮濃度均較大,超過Ⅴ類水水質標準限值,但農地產流量和土壤侵蝕量大,致使農地的非點源污染最為嚴重,而林草地的水源涵養(yǎng)作用主要體現在蓄水及減輕洪災,使降水大部分以壤中流形式流出,從而降低了氮素濃度,凈化了水質。
3)丹江水源區(qū)環(huán)境保護和水質保障應當以生態(tài)清潔型小流域建設為主要途徑,由于流域內農村生活垃圾和養(yǎng)殖業(yè)污水隨意排放,對河流污染較大,建議對農村垃圾進行集中收集處理,對養(yǎng)殖業(yè)污水進行凈化,這樣可大大減輕水質污染。
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