朱載祥，趙朋曉，涂為民，林 梟，李 永，梁瑞峰

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065； 2.中國電建集團(tuán) 華東勘測設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310014； 3.四川省環(huán)境工程評估中心，成都 610031)

1 前 言

長江流域是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，也因此而面臨著農(nóng)作物生產(chǎn)所引起的大量水體污染問題。長江大保護(hù)戰(zhàn)略已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，全面了解長江流域農(nóng)業(yè)灌溉退水污染情況勢在必行。

農(nóng)業(yè)面源污染已成為影響我國農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的主要因素[1]。目前關(guān)于農(nóng)作物種植產(chǎn)生的灌溉退水水質(zhì)的研究主要集中在田面水中N、P濃度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律研究和農(nóng)田排水溝水質(zhì)研究兩個(gè)方面。田玉華[2]等人采用田間實(shí)驗(yàn)的方法研究發(fā)現(xiàn)田面水中總氮(TN)、總磷(TP)和溶解態(tài)無機(jī)磷(DIP)的濃度在施肥后很快達(dá)到峰值，之后迅速下降，后趨于穩(wěn)定，其變化可以采用指數(shù)模型來描述。黃才洪[3]對成都平原砂壤土和重壤土兩種土質(zhì)類型田面水中N、P含量研究發(fā)現(xiàn)，砂壤土上，田面水中總氮(TN)質(zhì)量與施氮量成正相關(guān)，在重壤土上，田面水中總氮(TN)質(zhì)量與施氮量不成線性相關(guān)。張水銘[4]認(rèn)為稻田降雨引起的排水濃度較低，高濃度的排水發(fā)生在田間長期積水或水稻生長需要的田間排水。農(nóng)田排水溝渠是農(nóng)田流失氮磷進(jìn)入受納水體前的運(yùn)輸通道[5]，部分學(xué)者對灌區(qū)排水溝的水質(zhì)開展研究。黃仲冬[6]等人對寧夏引黃灌區(qū)排水溝水質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，灌區(qū)各排水溝都受到了不同程度的污染，大部分排水溝為劣V類水質(zhì)。

影響農(nóng)業(yè)灌溉退水水質(zhì)的因素有很多，如自然地理?xiàng)l件、灌溉方式、農(nóng)藥化肥施用方式及數(shù)量、灌區(qū)水資源管理水平等[7]，其中化肥施用不當(dāng)導(dǎo)致的土壤污染板結(jié)，是灌溉退水水質(zhì)惡化的主要原因之一[8-9]。眼下各方從不同的角度研究了灌溉退水的水質(zhì)現(xiàn)狀、時(shí)空變化規(guī)律與影響因素，證明了農(nóng)業(yè)灌溉退水會(huì)引起河流水體營養(yǎng)物質(zhì)濃度升高，水質(zhì)變差的事實(shí)，但是針對退水量大、退水時(shí)間集中的集中退水期的田面水質(zhì)情況及該時(shí)期田面水質(zhì)與田間土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系研究較少，亟待針對性研究以填補(bǔ)此部分內(nèi)容的不足。

長江流域主要糧食作物為水稻，所以本文以水稻集中退水期田面水及田間土壤為研究對象，于四川省內(nèi)的岷江流域、沱江流域與嘉陵江流域等幾大長江主要支流流域上布設(shè)采樣點(diǎn)位并在集中退水期采集田面水樣和土樣，進(jìn)行了水質(zhì)分析并研究了水質(zhì)濃度與土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系，有助于全面了解集中退水期農(nóng)業(yè)灌溉回歸水的水質(zhì)特征，為長江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)研究與決策提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

沱江為長江上游一級支流，流域內(nèi)土壤肥沃, 農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá), 是四川省最主要的糧、油、糖產(chǎn)區(qū)。流域內(nèi)的灌區(qū)主要集中在上游的河谷地區(qū)、中游的平原地區(qū)、下游的丘陵地區(qū), 灌區(qū)主要包括成都市的都江堰和金堂、內(nèi)江市的隆昌、威遠(yuǎn)等。

岷江為長江上游一級支流，岷江干流中游區(qū)土壤肥沃，灌溉條件優(yōu)越，是四川省糧食主產(chǎn)區(qū)之一。流域內(nèi)灌區(qū)主要分布在中游平原區(qū)，已建成大型灌區(qū)3個(gè)：都江堰灌區(qū)、通濟(jì)堰灌區(qū)、玉溪河灌區(qū)，中型灌區(qū)23個(gè)；丘陵區(qū)的灌區(qū)基本為中小型灌區(qū)。岷、沱江流域河流的主要超標(biāo)污染物為總磷和氨氮[10]。

嘉陵江為長江上游一級支流，是匯入三峽水庫的最大支流，同時(shí)也是三峽庫區(qū)氮磷污染主要的輸入源之一，且嘉陵江由降雨-徑流產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染比重較大，非點(diǎn)源污染十分嚴(yán)重，對三峽水庫水環(huán)境安全造成了一定的威脅[11]。

2.2 采樣點(diǎn)位布設(shè)

根據(jù)流域的不同進(jìn)行劃分，在沱江流域及長江流域宜賓瀘州段設(shè)置了成都市白果鎮(zhèn)(C-BG)等14個(gè)采樣點(diǎn)，在岷江流域設(shè)置了眉山市崇仁鎮(zhèn)(M-CR)等8個(gè)采樣點(diǎn)，在嘉陵江流域設(shè)置了廣元市昭化鎮(zhèn)(G-ZH)等16個(gè)采樣點(diǎn)，共在上述三大流域內(nèi)布設(shè)38個(gè)田面水采樣點(diǎn)，并在其中的17個(gè)采樣點(diǎn)同時(shí)采集了田面水與土樣，采樣時(shí)均為多稻田多點(diǎn)采樣，具體點(diǎn)位見圖1。

2.3 監(jiān)測時(shí)間與項(xiàng)目

田面水與土樣均于集中退水期進(jìn)行采樣，具體時(shí)間為2018年8月4日～8月12日。田面水監(jiān)測項(xiàng)目包括：化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，分析方法分別采用：化學(xué)需氧量(重鉻酸鹽法)、總磷(鋁酸銨分光光度法)、總氮(堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法)、氨氮(納氏試劑比色法)。

土樣監(jiān)測項(xiàng)目包括：全氮(TN)、全磷(TP)、有效磷(AP)。分析方法分別為：全氮(硒粉—硫酸銅—硫酸K消煮—蒸餾法)、全磷(氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法)、有效磷(0.05mol/L HCL-0.025 mol/L 1/2H2SO4浸提法)。

圖1 采樣點(diǎn)位置Fig.1 Location of the sampling sites

為避免混淆，后文進(jìn)行分析時(shí)，對于田面水監(jiān)測項(xiàng)目統(tǒng)一采用英文縮寫：COD、TP、TN、NH3-N來表述，而土樣監(jiān)測項(xiàng)目統(tǒng)一采用中文名稱：全氮、全磷、有效磷來表述。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用EXCEL 2010軟件對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與計(jì)算，并分析了水質(zhì)濃度與土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分含量分析

通過對所采集土樣的全磷、全氮與有效磷含量進(jìn)行測量，并根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行土壤養(yǎng)分分級(表1)。我們可以發(fā)現(xiàn)，17處采樣點(diǎn)中，全氮情況為：4處采樣點(diǎn)土壤全氮含量大于2g/kg，達(dá)到“極好”水平，占總數(shù)的23.53%；6處采樣點(diǎn)土壤全氮含量大于1.5g/kg，達(dá)到“好”的水平，占總數(shù)的35.29%；所有采樣點(diǎn)土壤全氮含量均大于1.0g/kg，達(dá)到“中上”水平。全磷情況為：5處采樣點(diǎn)土壤全磷含量大于0.6g/kg，達(dá)到“中上”水平，占總數(shù)的29.41%；14處采樣點(diǎn)土壤全磷含量大于0.4g/kg，達(dá)到“中下”的水平，占總數(shù)的82.35%。由此可見各采樣點(diǎn)土壤全磷含量大多處于“中下”，部分處于“缺”的水平。有效磷情況為：1處采樣點(diǎn)土壤有效磷含量大于40mg/kg，達(dá)到“極好”水平，占總數(shù)的5.88%；8處采樣點(diǎn)土壤有效磷含量大于20mg/kg，達(dá)到“好”的水平，占總數(shù)的47.06%；12處采樣點(diǎn)土壤有效磷含量大于10mg/kg，達(dá)到“中上”的水平，占總數(shù)的70.59%。由此可見各采樣點(diǎn)土壤有效磷含量大多處于“中上”，部分處于“缺”的水平，甚至達(dá)到“極缺”的水平。

表1 土樣N、P含量及養(yǎng)分分級Tab.1 Contents of N and P and nutrient classification of soil samples

注：I為極好，Ⅱ?yàn)楹?，Ⅲ為中上，Ⅳ為中下，V為缺，Ⅵ為極缺。

對土樣全磷、全氮與有效磷含量測量值做進(jìn)一步分析(表2)，可以發(fā)現(xiàn)全氮的變異系數(shù)為23.01%，全磷的變異系數(shù)為25.22%，有效磷的變異系數(shù)為64.98%，3種土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)均在10%～100%之間，屬于中等變異。其中有效磷的變異系數(shù)較高，原因可能是有效磷為速效態(tài)養(yǎng)分，而速效態(tài)養(yǎng)分由于具有較強(qiáng)的遷移性與較差的穩(wěn)定性，往往變異系數(shù)較大[12]。全氮與全磷變異系數(shù)較小，空間分布較為均勻，相對而言較為穩(wěn)定。

表2 土樣N、P含量分析Tab.2 Analysis of N and P contents in soil samples

3.2 田面水質(zhì)分析

通過對38個(gè)采樣點(diǎn)位集中退水期田面水的水質(zhì)進(jìn)行分析(表3～表5)，可以知道沱江流域及長江流域宜賓瀘州段田面水采樣點(diǎn)中COD水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的有1個(gè)點(diǎn)位，占該流域總點(diǎn)位的7.14%，COD水質(zhì)濃度低于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的點(diǎn)位有10個(gè)，占總數(shù)的71.43%，另有4個(gè)點(diǎn)位的COD水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，占比28.57%；岷江流域田面水采樣點(diǎn)中COD水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的有1個(gè)點(diǎn)位，占該流域總點(diǎn)位的12.5%，COD水質(zhì)濃度低于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的點(diǎn)位有3個(gè)，占總數(shù)的37.5%，另有5個(gè)點(diǎn)位的COD水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，占比62.5%；嘉陵江流域田面水采樣點(diǎn)中COD水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的有2個(gè)點(diǎn)位，占該流域總點(diǎn)位的12.5%，COD水質(zhì)濃度低于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的點(diǎn)位有10個(gè)，占總數(shù)的62.5%，另有6個(gè)點(diǎn)位的COD水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，占比37.5%。就COD水質(zhì)濃度而言，沱江流域及長江流域宜賓瀘州段的田面水水質(zhì)最好，嘉陵江流域田面水水質(zhì)較好，岷江流域田面水水質(zhì)最差。三大流域的田面水COD水質(zhì)濃度普遍高于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，且嘉陵江與岷江流域有較多點(diǎn)位的田面水為COD水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，COD污染情況較為嚴(yán)重，將對河流水環(huán)境安全造成一定威脅。

表3 田面水水質(zhì)濃度中值與均值分析Tab.3 Median and mean analysis of soil surface water quality (mg/L)

表4 田面水水質(zhì)濃度區(qū)間范圍Tab.4 Concentration range of soil surface water (mg/L)

表5 田面水質(zhì)濃度低于各類地表水質(zhì)濃度限值點(diǎn)位數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.5 Number of points where the water quality is below the water concentration limit

注：表內(nèi)數(shù)字含義為水質(zhì)濃度低于Ⅲ類水質(zhì)濃度限值的采樣點(diǎn)數(shù)，高于Ⅲ類但低于V類水質(zhì)濃度限值的采樣點(diǎn)數(shù)，高于V類類水質(zhì)濃度限值的采樣點(diǎn)數(shù)。

沱江流域及長江流域宜賓瀘州段田面水采樣點(diǎn)中TP水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的有11個(gè)點(diǎn)位，占該流域總點(diǎn)位的78.57%，所有點(diǎn)位的TP水質(zhì)濃度均低于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值；岷江流域所有田面水采樣點(diǎn)中TP水質(zhì)濃度均低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值；嘉陵江流域田面水采樣點(diǎn)中TP水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的有15個(gè)點(diǎn)位，占該流域總點(diǎn)位的93.75%，所有點(diǎn)位的TP水質(zhì)濃度均低于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值。就TP水質(zhì)濃度而言，上述三大流域的水質(zhì)均較好，TP水質(zhì)濃度基本均低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，其中岷江流域田面水水質(zhì)最好，嘉陵江流域次之，沱江流域及長江流域宜賓瀘州段相對來說最差。

沱江流域及長江流域宜賓瀘州段田面水采樣點(diǎn)中沒有點(diǎn)位的TN水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，TN水質(zhì)濃度低于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的點(diǎn)位有8個(gè)，占總數(shù)的57.14%，另有6個(gè)點(diǎn)位的TN水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，占比42.86%；岷江流域田面水采樣點(diǎn)中TN水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的有1個(gè)點(diǎn)位，占該流域總點(diǎn)位的12.5%，TN水質(zhì)濃度低于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的點(diǎn)位有4個(gè)，占總數(shù)的50%，另有4個(gè)點(diǎn)位TN水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，占比50%；嘉陵江流域田面水采樣點(diǎn)中TN水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的有8個(gè)點(diǎn)位，占該流域總點(diǎn)位的50%，TN水質(zhì)濃度低于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的點(diǎn)位有12個(gè)，占總數(shù)的75，另有4個(gè)點(diǎn)位TN水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，占比25%。就TN水質(zhì)濃度而言，嘉陵江流域的田面水水質(zhì)最好，沱江流域及長江流域宜賓瀘州段田面水水質(zhì)較好，岷江流域田面水水質(zhì)最差。沱江流域及長江流域宜賓瀘州段與岷江流域的TN污染較為嚴(yán)重，所取田面水樣的TN水質(zhì)濃度基本均高于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，且有較多點(diǎn)位的TN水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，嘉陵江流域也有一部分點(diǎn)位的TN水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值。

沱江流域及長江流域宜賓瀘州段田面水采樣點(diǎn)中NH3-N水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的有10個(gè)點(diǎn)位，占該流域總點(diǎn)位的71.43%，所有點(diǎn)位NH3-N水質(zhì)濃度均低于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值；岷江流域田面水采樣點(diǎn)中NH3-N水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的有7個(gè)點(diǎn)位，占該流域總點(diǎn)位的87.5%，所有點(diǎn)位NH3-N水質(zhì)濃度均低于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值；嘉陵江流域田面水采樣點(diǎn)中NH3-N水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的有13個(gè)點(diǎn)位，占該流域總點(diǎn)位的81.25%，NH3-N水質(zhì)濃度低于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的點(diǎn)位有15個(gè)，占總數(shù)的93.75%，另有1個(gè)點(diǎn)位的NH3-N水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，占比6.25%。就NH3-N水質(zhì)濃度而言，上述三大流域的水質(zhì)均較好，大多數(shù)點(diǎn)位的NH3-N水質(zhì)濃度低于或接近地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，其中岷江流域的田面水水質(zhì)最好，嘉陵江流域田面水水質(zhì)次之，沱江流域及長江流域宜賓瀘州段田面水水質(zhì)相對而言最差。

4 討 論

4.1 田面水質(zhì)濃度與土壤養(yǎng)分含量變化趨勢分析

通過對采樣點(diǎn)集中退水期的田面水水質(zhì)濃度與土壤養(yǎng)分含量變化趨勢進(jìn)行分析(圖2)，可以發(fā)現(xiàn)集中退水期的田面水TP濃度隨該地區(qū)土壤有效磷含量的增大而增大，呈顯著的線性關(guān)系；田面水TN與NH3-N濃度隨該地區(qū)土壤全氮含量的增大而增大，均呈顯著的線性關(guān)系；而田面水TP濃度與該地區(qū)土壤全磷含量總體上呈正相關(guān)，但相關(guān)性較弱，規(guī)律不明顯，其原因可能是由于數(shù)據(jù)量的局限導(dǎo)致相應(yīng)規(guī)律未能明顯呈現(xiàn)。

圖2 水質(zhì)濃度與土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系Fig.2 Relationship between water quality concentration and soil nutrient content

4.2 影響土壤養(yǎng)分含量的因素分析

影響土壤養(yǎng)分含量的因素有許多，包括土地的侵蝕情況、施肥情況、擾動(dòng)情況等，其中土地侵蝕與施肥情況的影響尤為突出[13]。土壤侵蝕的情況很大程度上受到土地坡度影響[14]。土地天然坡度的不同難以于后天進(jìn)行大規(guī)模改造以達(dá)到控制土壤養(yǎng)分含量的目的，而施肥情況易于進(jìn)行人為科學(xué)調(diào)控，且施肥情況的不合理是導(dǎo)致土壤污染問題進(jìn)一步加劇的重要因素[15]，所以對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行科學(xué)的施肥方案研究與指導(dǎo)是解決土壤污染問題的一個(gè)重要方向。

4.3 灌溉退水污染控制討論

由上文的分析我們可以知道集中退水期時(shí)稻田田面水的TP、TN與NH3-N水質(zhì)濃度與土壤相應(yīng)養(yǎng)分含量呈顯著線性關(guān)系，而施肥情況的不合理是導(dǎo)致土壤污染問題進(jìn)一步加劇的重要因素，所以制定科學(xué)的施肥方案并大力推廣，提高化肥利用率，有助于降低集中退水期田面水的水質(zhì)濃度，減少農(nóng)業(yè)面源污染的排放。做到源頭控制。同時(shí)通過建設(shè)生態(tài)攔截與濕地凈化工程，可以將灌區(qū)集中退水期的灌溉退水進(jìn)行蓄滯凈化，使灌溉退水水質(zhì)得到恢復(fù)，用于再次灌溉或排入自然河流，達(dá)到節(jié)水與污染控制目的。

5 結(jié) 論

根據(jù)本文所取土樣與田面水樣分析結(jié)果，上述3大流域田間土壤全氮、全磷、有效磷的空間分布不均勻性均屬于中等變異，其中有效磷的變異系數(shù)最高全氮與全磷變異系數(shù)較小，空間分布較為均勻，相對而言較為穩(wěn)定。

以單因子進(jìn)行評價(jià)，上述3大流域采樣點(diǎn)集中退水期稻田田面水的COD水質(zhì)濃度較高，水質(zhì)較差，相比而言岷江流域田面水COD水質(zhì)濃度最高，嘉陵江流域次之，沱江流域及長江流域宜賓瀘州段最低；TN水質(zhì)濃度較高，水質(zhì)較差，相對而言，岷江流域田面水TN水質(zhì)濃度最大，沱江流域及長江流域宜賓瀘州段次之，嘉陵江流域最?。籘P與NH3-N水質(zhì)濃度較小，水質(zhì)較好，相比而言沱江流域及長江流域宜賓瀘州段田面水TP與NH3-N水質(zhì)濃度最大，嘉陵江流域次之，岷江流域最小。

稻田集中退水期田面水TP濃度與該地區(qū)土壤有效磷含量呈顯著的正向線性關(guān)系；田面水TN與NH3-N濃度均與該地區(qū)土壤全氮含量呈顯著的正向線性關(guān)系；而田面水TP濃度與該地區(qū)土壤全磷含量總體上呈正相關(guān)，但相關(guān)性較弱，規(guī)律不明顯，其原因可能是由于數(shù)據(jù)量的局限導(dǎo)致相應(yīng)規(guī)律未能明顯呈現(xiàn)。