宜興梅林小流域磷素的遷移規(guī)律

盛海峰,閆明宇,王興平

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇南京 210098;2.河北省水利水電第二勘測設計研究院,河北石家莊 050021)

太湖流域是中國經濟最發(fā)達的地區(qū)之一,在太湖流域經濟高速發(fā)展的同時,太湖水質卻不斷惡化、富營養(yǎng)化程度逐年加劇。2007年太湖藍藻暴發(fā)導致無錫市飲用水被污染,給人民生活帶來極大不便,造成嚴重的經濟損失。

1998年太湖“零點達標”行動以來,點源污染已經被一定程度地控制,非點源污染已成為太湖水環(huán)境污染的主要來源。其中,農業(yè)化肥的大量施用,殘留在土壤中的氮、磷隨徑流流入湖體是造成氮、磷等超標的一個重要原因。磷作為太湖富營養(yǎng)化的限制性因子,加劇了太湖的富營養(yǎng)化程度。據統(tǒng)計,太湖流域來自于農田面源、農村畜禽養(yǎng)殖業(yè)、城鄉(xiāng)接合部城區(qū)面源 3大來源的總磷分別為 20%、32%和23%[1],可見農田面源是太湖磷素的一個重要來源,因此對太湖流域農田磷素流失特征的研究顯得非常重要。

筆者通過對宜興梅林小流域在自然降水條件下流量和水質的同步監(jiān)測,分析農田非點源污染物磷隨徑流的遷移輸出特征,為有效控制太湖流域丘陵地區(qū)非點源污染提供依據。

1 研究區(qū)概況

梅林小流域位于宜興市東南約5km,距離太湖約9km,屬典型的環(huán)太湖丘陵小流域,面積122hm2,流域邊界清晰,可進一步分為頭坳和二坳2個子流域,其中頭坳子流域面積為73.7hm2,實驗點就分布在頭坳內。該地區(qū)海拔最高處達60m,最低處約3m。流域地形及實驗點分布見圖1。

圖1 梅林小流域地形及實驗點分布

該區(qū)域為典型的農業(yè)區(qū),流域內土地利用類型多樣,除了海拔較高的山坡被大片的松林和竹林覆蓋外,其他以耕地為主(約占75%),主要有水稻田、旱地、茶園、竹園、板栗園、菜地和梨園等。竹林和板栗林主要分布于丘陵坡地,坡度較大,最大達7.5°,而旱地和菜地地勢相對平坦,介于2.5～5.0°之間。旱地主要種植玉米、油菜和花生,菜地種植大豆、絲瓜等。流域內主要土壤類型為紅黃壤(旱地)和水稻土。流域內只有幾戶承包果園的農戶,基本無工業(yè)和生活污水排放。

2 研究方法

徑流小區(qū)保持原有耕作方式,實驗期間記錄每次施肥的種類、數(shù)量及時間。

在流域出口斷面處設置2m寬的薄壁矩形堰,并在堰上安裝水位自動監(jiān)測儀,通過記錄出口斷面處水位過程來推求流量過程。水樣采集一般是在降雨開始后5～15min,每場暴雨采集24個水樣。前8個水樣間隔時間為15min,中間8個水樣間隔時間為30min,最后8個水樣間隔時間為60min。水樣取得后采用低溫保存,并在一周內完成水質分析。每次分析時先將水樣靜置3h,抽取上清液測定磷的質量濃度,包括濾前總磷(TP)、可溶性總磷(DTP)和可溶性正磷酸鹽(PO4-P)的質量濃度。其中PO4-P質量濃度作為無機磷質量濃度,DTP質量濃度與PO4-P質量濃度相減可得有機磷質量濃度,濾前TP質量濃度與DTP質量濃度相減可得懸浮態(tài)磷質量濃度。濾前水樣和濾后水樣用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法測定TP、DTP;濾后水樣直接采用鉬藍比色法測定PO4-P[2]。

3 實驗結果

3.1 降雨徑流對磷素輸出過程的影響

選取2005年5月14日和7月9～10日兩場降雨來分析磷素隨降雨徑流輸出的特征,兩場降雨的降雨量分別為2.46mm和3.46mm。

圖2、圖3顯示:在產流初期,TP與PO4-P質量濃度快速上升,后期徑流逐漸穩(wěn)定而其質量濃度呈緩慢下降的特點。結合其他場次降雨徑流量和濃度變化特點,可以得出如下結論:①PO4-P的流失量占TP流失量的大部分;②TP和PO4-P質量濃度的變化趨勢表現(xiàn)出隨徑流量變化的特征,并在徑流后期隨徑流量逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 2005 年5月14日流量和磷素流失過程

圖3 2005 年7月9～10日流量和磷素流失過程

5月14日降雨事件中,TP在23:35左右有一突漲點,分析其他場降雨沒有發(fā)現(xiàn)類似情況。

進一步將徑流量和磷素流失量進行相關關系分析,發(fā)現(xiàn)相關關系較好。徑流量與TP的相關系數(shù)為0.95,與PO4-P的相關系數(shù)為0.9537。這說明,在小流域出口處磷素的遷移主要和徑流有關。

3.2 有機磷與無機磷的遷移特征

以2005年4月30日降雨徑流事件來分析有機磷與無機磷(PO4-P)的遷移特征。降雨量和前期的施肥狀況如下:

降雨量為3.72mm,降雨歷時為13.75h,前期施肥P折純量為1.2kg/hm2,前期施肥經歷天數(shù)為89d。

根據圖4結合其他場降雨的分析發(fā)現(xiàn):磷的質量濃度與前期施肥量直接相關,磷主要以PO4-P的形態(tài)隨降雨徑流輸出,有機磷的輸出量明顯比PO4-P小,與PO4-P相比有機磷質量濃度隨徑流的波動更為劇烈。此外,觀察多場降雨數(shù)據發(fā)現(xiàn)PO4-P在產流開始時其質量濃度的變化趨勢與TP質量濃度變化有很好的相似性。

圖4 2005年4月30日有機磷與PO4-P隨徑流流失過程

3.3 DTP與懸浮態(tài)磷流失規(guī)律

圖5 2007年7月10日研究區(qū)DTP和懸浮態(tài)磷占TP百分率比較

圖5反映2007年7月10日降雨過程中楊家山、菜地及出口水樣的DTP和懸浮態(tài)磷占TP百分率情況。對出口的分析可以了解整個流域磷素遷移的規(guī)律;而楊家山和菜地是流域中兩個典型的點,楊家山坡度大,菜地受人類活動影響大,因此可以得出不同下墊面和人類活動條件下的遷移特點。

圖5(a)顯示楊家山地面產流水樣磷主要以懸浮態(tài)磷為主。楊家山徑流小區(qū)坡度很大,有一定的動力條件,且近地面植物較稀疏,貼地生長,因此有利于降雨侵蝕地面帶走泥沙,所以懸浮態(tài)磷濃度較高。

圖5(b)顯示菜地地面產流水樣磷主要以DTP為主。菜地受人類活動影響最大,經常翻耕和施肥,表層磷含量高,但地形平坦,因此產流帶走泥沙較少,所以DTP質量濃度較高。

圖5(c)顯示出口磷主要以DTP為主。由于菜地離出口最近,因此產流初期DTP占絕大部分;產流后期懸浮態(tài)磷質量濃度有所增加,是由于產生懸浮態(tài)磷的坡地離出口較遠,匯流的時間長,降雨徑流產生的泥沙在遷移過程中又逐漸沉積下來,最后由于靠近出口斷面的土地類型為水稻田,形成了一道攔截泥沙的天然屏障,有利于減少懸浮態(tài)磷的濃度,致使出現(xiàn)圖5(c)中的情況。DTP大于懸浮態(tài)磷這種情況與其他研究人員在小流域自然或人工降雨條件下的磷素遷移特征研究結果存在差異[3-4],這與試驗場地的空間尺度、地形特征和土地利用分布特征有關,一方面其他學者的試驗多在丘陵坡地上建立的徑流小區(qū)中進行,面積在數(shù)百平方米以內,而本次試驗所選擇的典型小流域面積為73.7 hm2。另一方面,設置試驗場地時為了便于收集徑流,徑流小區(qū)一般建立在丘陵坡地上,其地形特征相對比較簡單,而梅林小流域的地形特征則復雜得多,海拔較高的坡地分布在遠離出口斷面的流域上游,靠近出口斷面的地勢則相對平坦,這種地形特征有利于將被降雨徑流侵蝕的泥沙在靠近出口處的水稻田濕地中沉積下來,使得徑流中懸浮態(tài)磷的濃度有所降低。

3.4 磷素的淋溶遷移特征

磷素的淋溶遷移是磷進入地下水的唯一途徑。影響農田土壤磷素淋溶的因素很多,如降雨量、降雨強度、降水歷程、土壤結構、質地、導水率、容重、坡度等。本實驗選擇菜地徑流小區(qū)為實驗點,該小區(qū)位于出口處,坡度較小,相對其他小區(qū)徑流損失較小,也就是說從影響因素坡度講該小區(qū)容易發(fā)生淋溶遷移。2007年10～12月間10場降雨的降雨量統(tǒng)計結果見表1。

圖6顯示淋溶遷移磷素主要是DTP,懸浮態(tài)磷素只占小部分,其中 DTP占TP的62%,而PO4-P占DTP的69%。淋溶遷移主要是磷素借助于水流向下運動,在11月15～16日有兩場較大的降雨,從圖6中可以看出3種磷素的濃度并沒有升高,而是在11月27日前后出現(xiàn)了濃度峰值,說明濃度峰值明顯滯后于降雨。目前關于淋溶遷移的研究較少,要想控制磷素對地下水的影響就必須對各種土壤磷素淋溶的可能性、各種土壤的結構等進行研究[5-6]。

表1 2007年10～12月間的10場降雨降雨量統(tǒng)計

圖6 2007年菜地地下水水樣分析結果

4 結 語

4.1 結論

梅林小流域的實驗結果表明環(huán)太湖丘陵區(qū)小流域的磷素輸出具有如下特點。

a.TP和PO4-P的變化趨勢表現(xiàn)出隨徑流量變化的特征,徑流前期其濃度快速上升,徑流后期其濃度隨徑流量逐漸趨于穩(wěn)定。

b.磷素主要以PO4-P的形態(tài)隨降雨徑流輸出,在產流開始時PO4-P質量濃度的變化趨勢與TP有著很好的相似性;有機磷的輸出量只占TP的一小部分,與PO4-P相比有機磷濃度的波動較為劇烈。

c.出口產流初期,磷素大部分是DTP,后期懸浮態(tài)磷質量濃度有上升趨勢;而對于各徑流小區(qū)產流,懸浮態(tài)磷與DTP的質量濃度與小區(qū)的下墊面條件、植被、人類活動影響等因素有關。

d.產流前期土壤中磷素的含量越高則隨徑流輸出磷素的量越大。

e.磷素淋溶遷移主要是DTP,且濃度峰值滯后于降雨。影響磷素淋溶遷移的因素較多,有待進一步研究。

4.2 建議措施

為有效控制太湖流域丘陵區(qū)農業(yè)非點源污染,根據國內外理論與實踐經驗,結合實驗結論提出以下建議。

a.科學區(qū)劃、合理利用土壤資源,宜林則林,宜農則農,減少水土流失量,增加肥料的利用效率。

b.政府應該盡量減少、禁止靠近河湖以及水源地的耕作,或者建立相應規(guī)模的終端水處理工廠,保證進河、湖水的水質。

c.積極研究推廣科學、合理、經濟的耕作和施肥方式與適當時間[1],盡量避免雨前施肥,嚴格控制肥料、農藥的使用量。

d.加強水管理,合理灌溉,避免大水漫灌,減少農田排水量。水分是磷素淋溶的介質,減少多余的水分向土壤下部及土體外的滲透,是減少磷素淋溶的根本舉措,要大力推行節(jié)水灌溉。

e.參考國內外流域生態(tài)補償?shù)某晒Π咐齕7-8],探索太湖流域生態(tài)補償機制,建立農村專項生態(tài)補償基金,對農民因保護環(huán)境、減少非點源污染產生的損失進行補償,保證其保護環(huán)境行為的積極性與長效性。

致謝:非常感謝河海大學水文水資源學院博士生劉宏偉在本實驗過程中給予的幫助。

[1] 張維理,徐愛國,KOLBE H.中國農業(yè)面源污染形勢估計及控制對策(Ⅲ):中國農業(yè)面源污染控制中存在問題分析[J].中國農業(yè)科學,2004,37(7):1026-1033.

[2] 國家環(huán)?？偩?水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版.北京:中國環(huán)境科學出版社,2002:243-249.

[3] 王鵬,高超,姚琪,等.環(huán)太湖丘陵地區(qū)農田磷素隨地表徑流輸出特征[J].農業(yè)環(huán)境科學學報,2006,25(1):165-169.

[4] 單保慶,尹澄清,白穎,等.小流域磷污染物非點源輸出的人工降雨模擬研究[J].環(huán)境科學學報,2000,20(1):33-37.

[5] 呂家瓏.農田土壤磷素淋溶及其預測[J].生態(tài)學報,2003,23(12):2689-2701.

[6] 陳子聰,張明清,吳啟堂,等.菜園土壤磷素解析模型與淋溶流失預測[J].中國環(huán)境科學,2007,27(5):686-692.

[7] 李文華,IMURA H,MCNEELY J A,等.中國生態(tài)補償機制與政策研究[M].北京:科學出版社,2007:95-127.

[8] 王位中,郭日生,周海林,等.生態(tài)補償:國際經驗與中國實踐[M].北京:社會科學文獻出版社,2007:53-112.