尹述政，許峰，王文薈，霍雯蓉，黃運新

(湖北大學資源環(huán)境學院，湖北 武漢 430062)

0 引言

水環(huán)境污染主要由點源污染和非點源污染構成，其中點源污染源產(chǎn)生途徑為固定排放點的污染源；非點源污染源產(chǎn)生途徑為土壤中污染物在降雨和灌溉所產(chǎn)生的地表徑流驅動作用下進入水體[1-2].2017年第二次中國污染源普查公報指出，水污染排放中非點源污染源排放比重在30%以上，化學需氧量、總氮、總磷排放量分別高達49.77%、46.52%、67.40%，其中氮磷污染來源于化肥使用量過多.土壤中化肥少部分被農(nóng)作物吸收，絕大部分在地表徑流驅動下流入水體，并且各種作物對肥料中總磷利用率最低，僅為10%～20%[3].與點源污染相比，非點源污染具有難監(jiān)測、分布范圍廣、隨機性大、隱蔽性強、滯后性等特點[4]，從而導致非點源污染的監(jiān)測、評價以及管理難度大大增加，難以識別和評估有效的管理防控措施.

為了解農(nóng)村非點源污染特征，輸出系數(shù)法、SWAT模型等方法已被廣泛應用于非點源污染評估[5]，用于調查和評估研究區(qū)域污染負荷、提供污染負荷監(jiān)管和生態(tài)服務評價等多方面問題[6].唐肖陽等[7]利用輸出系數(shù)法對漢江流域農(nóng)村面源污染進行估算發(fā)現(xiàn)總氮貢獻率最大的污染源是農(nóng)田化肥，總磷貢獻率最大的污染源是畜禽養(yǎng)殖；許策等[8]利用輸出系數(shù)法對漢江流域荊門段農(nóng)村面源污染進行估算發(fā)現(xiàn)總氮貢獻率最大的污染源是農(nóng)村生活污水，總磷貢獻率最大的污染源是畜禽養(yǎng)殖；王蘭蕙等[9]對湖北種植業(yè)面源污染分析發(fā)現(xiàn)種植業(yè)源防控主要污染物是總氮和總磷，重點區(qū)域為荊州市和襄陽市.由于輸出系數(shù)法、SWAT模型等方法多以估算污染負荷和分析空間分布特征為主，對農(nóng)村溝渠水質分析具有一定局限性，難以分析小范圍內農(nóng)村面源污染時空分布特征.為此，本研究以湖北省洪湖市白楊村為例，抽樣調查了解居民區(qū)和農(nóng)田區(qū)溝渠氨氮、總氮和總磷指標水平，分析其時空差異性，為進一步分析農(nóng)村面源污染狀況奠定基礎.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況洪湖市位于長江中下游平原，流域河網(wǎng)復雜交錯，屬于亞熱帶季風濕潤區(qū)，四季分明，雨量充沛，年均降雨量約1 200 mm，汛期一般發(fā)生在5—9月；土壤類型主要有水稻土和潮土；地下水資源資源豐富，但大部分為淺層潛水水質，不符合飲用水衛(wèi)生標準，受污染的地表水與地下水直接水力聯(lián)系；是湖北省重要的糧、棉、油生產(chǎn)基地，主要作物為水稻、棉花、油菜.近年來，隨著鄉(xiāng)村振興政策實施和土地生產(chǎn)方式轉變，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中耕作方式、化肥使用方式和強度都發(fā)生著巨大變化，對生態(tài)環(huán)境造成一定影響，促使洪湖流域成為了非點源污染的重災區(qū).白楊村位于洪湖流域，居民區(qū)與農(nóng)田區(qū)鑲嵌分布，具有典型的農(nóng)村分布特征，并且由于涵洞和排水閘攔隔作用，定期抽排，溝渠水體基本無明顯流動，不同空間類型的溝渠水質與其污染排放具有關聯(lián)性，通過白楊村溝渠水質時空差異分析可了解平原地區(qū)農(nóng)村生活污水與土壤養(yǎng)分流失對溝渠水質的影響.

1.2 樣品采集與測定本文中以白楊村為采樣區(qū)，采樣時間分為夏、冬兩季，采樣點類型分“居民區(qū)”和“農(nóng)田區(qū)”，以避免水體本底對兩者的影響，“居民區(qū)”采樣點為生活污染污水排放渠道，共采樣點14個，采樣點間距為400 m；“農(nóng)田區(qū)”采樣點為居民區(qū)附近農(nóng)田灌溉溝渠，采樣點如圖1.為避免農(nóng)田區(qū)采樣點特殊性，采樣點分為兩組，分別為5個和9個，采樣點間距分別為400 m和200 m.水樣采集、運輸、采樣容器、水樣體積及水樣預處理方法均按照《水和廢水檢測分析方法》進行[10].檢測指標有氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)，檢測方法為納氏試劑分光光度法(GB/T 7479—1987)、堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度計法(GB/T 11894—1989)和鉬酸銨分光光度法(GB/T 11893—1989)，所有樣品均設置2個平行樣，測量分析相對平均誤差保持在5%以內.

圖1 采樣點分布

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 箱線圖 采用箱線圖分析氨氮、總氮和總磷3個指標觀測數(shù)據(jù)分布以及變異情況.箱線圖由上邊緣、上四分位數(shù)、中位數(shù)、下四分位數(shù)、下邊緣及異常值構成，顯示一組數(shù)據(jù)的最大值、上四分位數(shù)、中位數(shù)、下四分位數(shù)和最小值，異常值分為異常值和高度異常的異常值，分別代表與平均值的偏差超過兩倍標準差的測定值和與平均值的偏差超過三倍標準差的測定值，異常值直接參與計算分析過程，可能對結果造成影響.

1.3.2 方差分析 采用常用單因素方差分析和雙因素方差分析對氨氮、總氮和總磷3個指標的空間和季節(jié)差異進行了分析，其中空間因子包括農(nóng)田區(qū)和居民區(qū)兩個水平，季節(jié)因子包括夏季和冬季兩個水平.

2 結果與分析

2.1 氨氮由圖2可知，居民區(qū)在夏季和冬季氨氮指標濃度平均值分別為0.78、0.76 mg/L，中位數(shù)分別為0.70、0.84 mg/L，標準差分別為0.10、0.09，夏季異常值為1.63、1.11，位于上邊緣以上部分，冬季無異常值；農(nóng)田區(qū)在夏季和冬季氨氮指標濃度平均值分別為1.39、0.86 mg/L，中位數(shù)分別為1.00、0.87 mg/L，標準差分別為1.00、0.24，夏季異常值為4.16、3.30，位于上邊緣以上部分，冬季異常值為1.34、0.55、0.31，分布隨機.居民區(qū)兩季氨氮指標濃度和離散程度相當，而農(nóng)田區(qū)氨氮指標濃度在夏季高于冬季，且夏季離散程度相對較高；夏季農(nóng)田區(qū)氨氮指標濃度和離散程度高于居民區(qū)，而冬季兩區(qū)域氨氮指標濃度相當，農(nóng)田區(qū)離散程度仍高于居民區(qū).

圖2 氨氮指標濃度箱線圖

2.1.1 空間差異 由表1可知，異常值去除后方差分析顯示，氨氮指標整體上存在顯著差異(P=0.00)，夏季存在顯著差異(P=0.00),冬季不存在顯著差異(P=0.11)，表明農(nóng)田區(qū)夏季對氨氮指標影響相對居民區(qū)較高，冬季有所降低.農(nóng)田區(qū)夏季氨氮指標濃度相比于居民區(qū)較高，對氨氮指標影響較大；農(nóng)田區(qū)和居民區(qū)冬季氨氮指標濃度相當.

2.1.2 季節(jié)差異 由表1可知，異常值去掉后方差分析顯示，氨氮指標整體上不存在顯著差異(P=0.58),居民區(qū)和農(nóng)田區(qū)不存在顯著差異，P值分別為0.24、0.21，表明居民區(qū)對氨氮指標影響在冬季和夏季相當，農(nóng)田區(qū)夏季相比冬季對氨氮指標影響較大.

2.1.3 交互作用 由表1可知，異常值去掉后方差分析顯示，氨氮指標在空間類型和季節(jié)差異存在顯著差異(P=0.05)，表明空間類型和季節(jié)差異交互影響對氨氮指標影響較大.

表1 氨氮指標方差分析結果

2.2 總氮由圖3可知，居民區(qū)在夏季和冬季總氮指標濃度平均值分別為1.41、1.17 mg/L，中位數(shù)分別為1.39、1.16 mg/L，標準差分別為0.17、0.32，夏季無異常值，冬季異常值為2.00，位于上邊緣以上部分；農(nóng)田區(qū)在夏季和冬季總氮指標濃度平均值分別為1.48、1.35 mg/L，中位數(shù)分別為1.35、1.45 mg/L，標準差分別為0.54、0.26，夏季異常值為3.42、4.30，位于上邊緣以上部分，冬季無異常值.由于總氮指標濃度包含氨氮指標濃度，氨氮指標對總氮指標具有一定影響.居民區(qū)夏季總氮指標濃度高于冬季，冬季總氮指標濃度離散程度高于夏季，農(nóng)田區(qū)夏季總氮指標濃度和離散程度均高于冬季；夏季兩區(qū)域總氮濃度相當，農(nóng)田區(qū)離散程度高于居民區(qū)，而冬季農(nóng)田區(qū)總氮指標濃度相對較高，兩區(qū)域離散程度相當.

圖3 總氮指標濃度箱線圖

2.2.1 空間差異 由表2可知，異常值去除后方差分析顯示，總氮指標整體上不存在顯著差異(P=0.27)，夏季不存在顯著差異(P=0.54)，冬季存在顯著差異(P=0.02)，表明農(nóng)田區(qū)和居民區(qū)夏季對總氮指標影響相當，共同作用于總氮指標；農(nóng)田區(qū)冬季對總氮指標具有較大影響，農(nóng)田區(qū)總氮濃度相比于居民區(qū)較大，對總氮指標影響貢獻較大.

2.2.2 季節(jié)差異 由表2可知，異常值去除后方差分析顯示，總氮指標整體上存在顯著差異(P=0.05)，居民區(qū)存在顯著差異(P=0.00)，農(nóng)田區(qū)不存在顯著差異(P=0.98)，表明居民區(qū)夏季對總氮指標影響較大，農(nóng)田區(qū)夏季和冬季對總氮指標影響相當.

2.2.3 交互作用 由表2可知，異常值去除后方差分析顯示，總氮指標在空間類型和季節(jié)差異存在顯著差異(P=0.01)，空間類型和季節(jié)差異交互影響對總氮指標影響較大.

表2 總氮指標方差分析結果

2.3 總磷由圖4可知，居民區(qū)在夏季和冬季總磷指標濃度平均值分別為0.07、0.09 mg/L，中位數(shù)分別為0.06、0.09 mg/L，標準差分別為0.01、0.06，夏季異常值為0.09、0.04，分布分散，冬季無異常值；農(nóng)田區(qū)在夏季和冬季總磷指標濃度平均值分別為0.09、0.13 mg/L，中位數(shù)分別為0.05、0.11 mg/L，標準差分別為0.10、0.09，夏季異常值為0.41、0.23，位于上邊緣以上部分，冬季異常值為0.40，位于上邊緣以上部分.居民區(qū)冬季總磷指標濃度高于夏季，冬季離散程度相對較高，農(nóng)田區(qū)冬季總磷指標濃度也高于夏季，但農(nóng)田區(qū)兩季離散程度相當；夏季兩區(qū)域總磷指標濃度相當，農(nóng)田區(qū)離散程度高于居民區(qū)，但冬季兩區(qū)域總磷指標濃度和離散程度相當.

圖4 總磷指標濃度箱線圖

2.3.1 空間差異 由表3可知，異常值去除后方差分析顯示，總磷指標整體上不存在顯著差異(P=0.68),夏季和冬季均不存在顯著差異，P值分別為0.21、0.39，表明農(nóng)田區(qū)和居民區(qū)在夏季和冬季對總磷指標影響相當，農(nóng)田區(qū)總磷指標濃度相比于居民區(qū)較高，農(nóng)田區(qū)對總磷指標影響較大.

2.3.2 季節(jié)差異 由表3可知，異常值去掉后方差分析顯示，總磷指標整體上存在顯著差異(P=0.00)，居民區(qū)不存在顯著差異(P=0.09),農(nóng)田區(qū)存在顯著差異(P=0.00)，表明居民區(qū)夏季和冬季對總磷指標影響相當，農(nóng)田區(qū)冬季相比于夏季對總磷指標影響相對較大.

表3 總磷指標方差分析結果

2.3.3 交互作用 由表3可知，異常值去掉后方差分析顯示，總磷指標在空間類型和季節(jié)差異存在顯著差異(P=0.25)，表明空間類型和季節(jié)差異交互影響對總磷指標影響較小.

3 結論與討論

農(nóng)田區(qū)非點源污染的主要來源于過量灌溉和降雨造成的土壤養(yǎng)分流失，而居民區(qū)非點源污染主要來源于畜禽養(yǎng)殖和生活污水排放[1]，其中土壤養(yǎng)分流失和農(nóng)村生活污水對氨氮指標和總氮指標影響較大，土壤養(yǎng)分流失和畜禽養(yǎng)殖對總磷指標影響較大[7].

農(nóng)田區(qū)氨氮和總氮指標在冬季相比于夏季呈現(xiàn)下降趨勢，并且夏季異常值相對于冬季較多，夏季離散程度相比于冬季增加，主要原因是洪湖流域夏季為豐水期，降雨量增加，農(nóng)田處于耕種時期，土壤養(yǎng)分流失加劇，而冬季為枯水期，降雨量較少，農(nóng)田大部分處于休田期，土壤養(yǎng)分流失減緩.已有研究表明農(nóng)田管理方式和季節(jié)影響是農(nóng)業(yè)面源污染的主要影響因素，施入農(nóng)田的化肥只有一部分被作物吸收，大量化肥隨地表徑流流失，部分與土壤成分結合而殘留在土壤中，部分氮肥通過化學反應揮發(fā)到大氣中[12]，其中地表徑流造成的土壤養(yǎng)分流失中氮和磷均有3/4來自農(nóng)田土壤本底，1/4來自當年施肥，農(nóng)田土壤本身氮磷累積量決定了地表徑流氮磷排放量，當年施肥對農(nóng)田地表徑流的貢獻有限[13].而總磷指標濃度呈現(xiàn)上升趨勢，與氨氮、總氮呈現(xiàn)相反變化趨勢，并且冬季離散程度與夏季相當，其產(chǎn)生原因可能為不同土壤類型對氮磷吸附性具有一定差異性，降雨對養(yǎng)分流失驅動性不同[14]，后續(xù)有必要從機理方面確定土壤養(yǎng)分流失特征.

居民區(qū)冬季氨氮和總氮指標相對于夏季呈現(xiàn)下降趨勢，而總磷指標呈現(xiàn)上升趨勢，并且3個指標夏季異常值相對于冬季較多，冬季離散程度相比于夏季增加，與現(xiàn)階段農(nóng)村居民用水以及畜禽養(yǎng)殖情況相符，冬季相對于夏季排放量有所降低，畜禽養(yǎng)殖多以規(guī)模化養(yǎng)殖為主[15]，畜禽養(yǎng)殖對農(nóng)村渠道水質影響較小，并且冬季溝渠水量顯著少于夏季，冬季溝渠水體自凈能力顯著降低.

農(nóng)田區(qū)和居民區(qū)的氨氮指標在夏季存在顯著差異，總氮指標在冬季存在顯著差異，造成這種現(xiàn)象是由于夏季農(nóng)田區(qū)化肥使用存在不合理現(xiàn)象，導致農(nóng)田區(qū)土壤中游離氨氮較多，夏季養(yǎng)分流失嚴重，而冬季農(nóng)田區(qū)處于休田狀態(tài)，土壤氮源以硝態(tài)氮形式吸附在土壤中，降雨徑流所攜帶的土壤養(yǎng)分流失與生活污水排放造成了差異性產(chǎn)生.農(nóng)田區(qū)和居民區(qū)的總磷指標不存在顯著差異，表明畜禽養(yǎng)殖和土壤養(yǎng)分流失對溝渠總磷指標影響相當，受降雨徑流影響較大.

夏季和冬季的總氮在居民區(qū)存在顯著差異，總磷在農(nóng)田區(qū)存在顯著差異，根據(jù)野外調查現(xiàn)狀初步斷定是由于居民區(qū)水質受溝渠水量影響較大，溝渠水量季節(jié)存在顯著差異，導致居民區(qū)季節(jié)存在顯著差異性；不同農(nóng)田之間的施肥頻率、施肥強度以及作物吸收能力之間存在一定差異[16]，受土壤類型和種植密度的影響，土壤養(yǎng)分流失具有較大的差異性，季節(jié)差異所導致不同水文狀況對土壤養(yǎng)分流失影響較大，造成總磷指標夏季與冬季在農(nóng)田區(qū)呈現(xiàn)顯著差異，而氨氮和總氮指標受季節(jié)差異影響與總磷指標類似，但并無存在顯著差異，后續(xù)有必要對農(nóng)田氮磷遷移特征加以研究.

本研究通過不同季節(jié)的居民區(qū)和農(nóng)田區(qū)溝渠水質進行采樣，分析居民區(qū)和農(nóng)田區(qū)的水質時空變化，有助于對農(nóng)村面源污染遷移過程進行分析，為進一步估算研究區(qū)土壤養(yǎng)分流失和生活污水負荷奠定基礎.后期擬定利用機理模型和輸出系數(shù)法對生活污水、農(nóng)田徑流污染、畜禽養(yǎng)殖等面源污染源進行量化，考慮降雨、灌溉方式和施肥特征等因素對農(nóng)業(yè)面源污染的影響[17-18]，從面源污染產(chǎn)生機理方面對農(nóng)村面源污染對溝渠水質的影響進行定量分析.