蘇北平原河網(wǎng)區(qū)典型農(nóng)村中小河流水體氮磷賦存特征

陸海明，陳曉燕，趙海濤，鄒 鷹，錢曉晴

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029;2.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009)

近30a來，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展，單位面積上化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等農(nóng)用化學(xué)物品的投入持續(xù)增加，畜禽養(yǎng)殖業(yè)蓬勃發(fā)展。然而由于缺乏相應(yīng)的管理措施，在許多相對發(fā)達(dá)的區(qū)域農(nóng)村水環(huán)境已經(jīng)呈現(xiàn)持續(xù)惡化趨勢，嚴(yán)重影響到農(nóng)村居民身心健康、飲水安全和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[1-4]。與山區(qū)河流區(qū)不同的是，平原河網(wǎng)區(qū)河流比降小，水體流速小，水流不暢，河流自凈能力較差，污染物累積在河道中不易降解。目前，有關(guān)東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)農(nóng)村水環(huán)境研究報(bào)道較多，如太湖流域和杭嘉湖平原河網(wǎng)區(qū)[5-11];而同樣位于東部地區(qū)而經(jīng)濟(jì)相對欠發(fā)達(dá)的蘇北平原河網(wǎng)區(qū)農(nóng)村水環(huán)境的研究報(bào)道相對較少。筆者選擇位于蘇北平原河網(wǎng)區(qū)的鹽城市射陽縣一個典型圩區(qū)為代表性研究區(qū)域，通過對河流溝渠水質(zhì)進(jìn)行持續(xù)1 a多的監(jiān)測分析，期望得到農(nóng)村水體氮磷賦存特征，為農(nóng)村水環(huán)境保護(hù)和水資源管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蘇北平原河網(wǎng)區(qū)通常是指江蘇省長江以北、京杭大運(yùn)河以東地區(qū)，氣候濕潤，多年平均降雨量為1000mm左右，年內(nèi)分配不均，汛期降水集中，約占年降水量的65%。地面高程(廢黃河高程)在0.8～2.2 m之間，屬低平原區(qū)。2009年和2010年全年降水量分別為1239 mm和774 mm。

區(qū)域內(nèi)地勢平坦，河網(wǎng)密布，水流流向逆順不定，內(nèi)外水量交換頻繁，圩區(qū)產(chǎn)水和河網(wǎng)匯流情況十分復(fù)雜。水工建筑物眾多，涵閘調(diào)節(jié)，機(jī)電灌排，人類活動影響頻繁，水流情勢大多由人為控制，水位變化平緩，為江蘇主要的糧食、油料和商品棉生產(chǎn)基地。

本研究選擇在通榆運(yùn)河?xùn)|側(cè)、黃沙港和利民河之間屬于里下河沿海墾區(qū)的典型沿海平原河網(wǎng)區(qū)——崇鳳圩區(qū)為代表性研究區(qū)域(圖1)。研究區(qū)域北以黃沙港、南以利民河、東以中心河、西以川沙河為界，基本呈長方形，面積為12.73 km2。該圩區(qū)隸屬于鹽城市射陽縣長蕩鎮(zhèn)，主要包括勝利橋、甲侯和中河3個行政村的部分區(qū)域。研究區(qū)域北側(cè)的黃沙港是里下河上游洪水入海和當(dāng)?shù)嘏潘闹匾ǖ溃蟼?cè)的利民河則是當(dāng)?shù)嘏潘牒５闹饕ǖ?。黃沙港、利民河河底寬分別為50～90 m、10～60 m。中心河和川沙河是連接黃沙港河與利民河的支流，河底寬約為4 m。中溝是連接中心河與川沙河的次級支流，干渠則是連接中溝之間的骨干溝渠，圩區(qū)內(nèi)農(nóng)田排水首先進(jìn)入中溝與干渠。中溝與干渠河底寬約為2 m。圩區(qū)內(nèi)有東西向中溝10條，常年有水的南北向干渠12條;河道長度為38.59 km，密度為3.03 km/km2，圩區(qū)內(nèi)河道多為20世紀(jì)60—70年代人工開挖，形成“井”字形狀的河道格局。在汛期，降水是當(dāng)?shù)睾拥浪饕獊碓?在非汛期，河道水主要依賴于上游河流過境水資源補(bǔ)充。目前，溝渠河流因長期未及時清理，淤積嚴(yán)重，河道內(nèi)水花生、水葫蘆等雜草和居民生活垃圾等雜物叢生。當(dāng)干旱年份春季用水高峰時期，部分河流水位明顯下降，甚至出現(xiàn)河流斷流現(xiàn)象。

圖1 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)分布示意圖

圩區(qū)內(nèi)常住人口約為6500人，農(nóng)村居民主要分散居住在中溝兩側(cè)，少部分居民分布在干渠兩側(cè)，在建房時通常將房屋地基墊高，高于圩區(qū)中間的農(nóng)田，形成四周高中間低的格局。圩區(qū)內(nèi)主要土地利用類型為耕地和農(nóng)村住宅用地，在東北側(cè)有少數(shù)幾家小規(guī)模的紡織廠，基本沒有工業(yè)廢污水排放。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是當(dāng)?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè)，主要耕作方式為:棉花-大麥/小麥間套作和水稻-小麥/大麥/油菜輪作。水稻種植主要在部分靠近中溝和干渠、易于農(nóng)戶自行取水灌溉的少部分耕地進(jìn)行，其余大部分耕地主要種植棉花、玉米、黃豆等旱地作物。

全年農(nóng)田氮肥施用量約為600～800 kg/hm2(以N計(jì))，磷肥施用量約為225～300 kg/hm2(以P2O5計(jì))，屬于化肥施用量較大地區(qū)。近幾年來，在圩區(qū)西北側(cè)建有幾家大型蛋雞養(yǎng)殖場，全年存欄量約為10萬只，產(chǎn)生的雞糞和沖洗廢污水并沒有得到妥善的無害化處理，部分直接排入或在汛期降雨時沖刷進(jìn)入溝渠。多年持續(xù)高強(qiáng)度的化肥和農(nóng)藥投入以及畜禽養(yǎng)殖業(yè)的興起已經(jīng)成為影響當(dāng)?shù)厮h(huán)境質(zhì)量的主要因素。

1.2 采樣點(diǎn)布置和分析方法

如圖1所示，在圩區(qū)共設(shè)置18個地表水采樣點(diǎn)，其中川沙河3個，利民河2個，中心河2個，中溝5個，干渠5個，黃沙港1個。在2009年4月和2009年7月至2010年9月，每月15日前后，利用2.5L有機(jī)玻璃水質(zhì)采樣器采集水樣。除黃沙港外，每個采樣斷面采集1個水樣，黃沙港在河流左岸、中泓和右岸分別采集3個水樣混合為1個水樣，采樣深度均為水面下0.5m。在汛期適當(dāng)加密采樣。水樣的采集、存貯和運(yùn)輸按HJ 493—2009《水質(zhì)采樣樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》操作，及時送回實(shí)驗(yàn)室檢測分析。

地表水樣品分析指標(biāo)選取氮素和磷素。氮素分析指標(biāo)為總氮(TN)，溶解態(tài)總氮(TDN，用0.45 μm濾膜過濾后的水樣)，硝態(tài)氮(NO3－-N)和銨態(tài)氮(NH4+-N)。總氮和溶解態(tài)總氮采用過硫酸鉀消解(120℃，200 kPa，硝化30 min)，雙波長比色法。經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后的水樣用雙波長比色法測定硝態(tài)氮(NO3－-N)，用靛酚藍(lán)比色法測定銨態(tài)氮(NH4+-N)。顆粒態(tài)氮(PN)為TN與TDN之差，DON=TDN－(NO3－-N+NH4+-N)。DON為溶解態(tài)有機(jī)氮。磷素分析指標(biāo)為總磷(TP)、溶解態(tài)總磷(TDP，用0.45 μm濾膜過濾后的水樣)、溶解態(tài)活性磷(DRP)。TP和TDP采用過硫酸鉀消解(120℃，200 kPa，消解30 min)，采用鉬銻抗比色法檢測。經(jīng)0.45 μm的濾膜過濾后的水樣直接用鉬銻抗比色法測定DRP。顆粒態(tài)磷(PP)濃度為TP與TDP之差，溶解態(tài)非活性磷(DURP)為TDP與DRP之差。所有測定均按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行[12-13]。

為了研究河道地表水分層情況，在2010年8月中旬利用便攜式多參數(shù)水質(zhì)儀(DS5X，美國哈希公司生產(chǎn))現(xiàn)場分層測定地表水pH值、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)等水質(zhì)參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表水氮磷濃度和形態(tài)時間變化特征

圖2 河流溝渠地表水不同形態(tài)氮素質(zhì)量濃度隨時間變化規(guī)律

研究區(qū)域內(nèi)河流溝渠地表水不同形態(tài)氮素質(zhì)量濃度隨時間變化規(guī)律如圖2所示?？傮w來說，研究區(qū)域內(nèi)地表水氮素污染較為嚴(yán)重，所有地表水總氮濃度均超過GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(ρ=1.0 mg/L)，79%的地表水總氮濃度超過地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(ρ=2.0 mg/L)，23%的地表水總氮質(zhì)量濃度高于4.0 mg/L，地表水總氮質(zhì)量濃度最高達(dá)9.4 mg/L。春季枯水期和夏季汛期是地表水氮素濃度相對較高時期。2010年3月枯水季節(jié)河流地表水所有監(jiān)測點(diǎn)總氮質(zhì)量濃度均超過8.0 mg/L，2009年7月和8月中溝、中心河和川沙河總氮質(zhì)量濃度高于8.0 mg/L，2010年7月與8月汛期地表水總氮質(zhì)量濃度為4.0 mg/L左右。在2009年7月22—23日一次雨量達(dá)165.3mm的較大降雨過程前后，分別測得川沙河、中心河、利民河的地表水總氮質(zhì)量濃度分別為2.89mg/L、2.91mg/L、2.55mg/L和8.42 mg/L、8.39 mg/L、4.55 mg/L，地表水總氮質(zhì)量濃度普遍有所升高。

研究區(qū)地表水銨態(tài)氮質(zhì)量濃度總體較低，只有9%的監(jiān)測數(shù)據(jù)超過地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(ρ=1.0 mg/L)，只有3次監(jiān)測數(shù)據(jù)超過地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(ρ=2.0 mg/L)，超標(biāo)數(shù)據(jù)主要分布在2010年的汛期，以中溝采樣點(diǎn)發(fā)生次數(shù)最多?？赡芘c中溝兩側(cè)的居民生活污水排放有關(guān)。

研究區(qū)內(nèi)河流溝渠地表水不同形態(tài)磷素質(zhì)量濃度隨時間變化規(guī)律如圖3所示。研究區(qū)域內(nèi)地表水磷素污染同樣較為嚴(yán)重。所有監(jiān)測數(shù)據(jù)中，73%的地表水總磷質(zhì)量濃度超過地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(ρ=0.2 mg/L)，39%超過Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。研究區(qū)域地表水總磷濃度汛期高于非汛期。利民河地表水總磷含量在枯水季節(jié)低于Ⅲ類水體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，在汛期略高于Ⅴ類水體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。中心河37.5%的地表水總磷濃度超過地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，87.5%超過Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。在2010年汛期，干渠、中溝和川沙河地表水總磷質(zhì)量濃度顯著超過Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，中溝地表水總磷質(zhì)量濃度最高，部分采樣時間段甚至超過1.0 mg/L。2010年汛期地表水總磷質(zhì)量濃度超過2009年汛期，這可能與2010年汛期降雨偏少，對地表水磷素稀釋作用較弱有關(guān)。

圖4為研究區(qū)域內(nèi)地表水氮素和磷素形態(tài)組成總體情況。地表水氮素主要以溶解態(tài)形式存在，溶解態(tài)總氮占總氮的比例超過80%，溶解態(tài)總氮又以硝態(tài)氮為主，硝態(tài)氮占溶解態(tài)總氮的比例約為60%，亞硝態(tài)氮和溶解的有機(jī)氮含量次之，占溶解態(tài)總氮的比例約為30%，銨態(tài)氮比例最少，占溶解態(tài)總氮的比例約為10%。研究區(qū)域中地表水磷素主要以溶解態(tài)形式存在，顆粒態(tài)磷素占總磷的比例平均約為25%，溶解態(tài)磷素主要以溶解態(tài)活性磷形式存在，所占比例約為80%。

圖3 河流溝渠地表水不同形態(tài)磷素質(zhì)量濃度隨時間變化規(guī)律

圖4 蘇北河網(wǎng)區(qū)農(nóng)村中小河流地表水氮素和磷素形態(tài)組成

2.2 地表水氮磷質(zhì)量濃度空間分布特征

圖5為研究期間各個采樣點(diǎn)所有監(jiān)測數(shù)據(jù)地表水氮素和磷素平均質(zhì)量濃度空間分布圖。研究區(qū)域內(nèi)不同采樣點(diǎn)地表水總磷質(zhì)量濃度差異顯著大于總氮質(zhì)量濃度差異。地表水總氮平均質(zhì)量濃度最高為4.84 mg/L，最低為2.91 mg/L，前者為后者的1.66倍;地表水總磷平均質(zhì)量濃度最高為1.10 mg/L，最低為0.16mg/L，前者為后者的6.96倍?？傮w來說，北部畜禽養(yǎng)殖相對集中區(qū)域地表水氮素和磷素質(zhì)量濃度高于南部水產(chǎn)養(yǎng)殖相對集中的區(qū)域。在靠近養(yǎng)雞場的8號采樣點(diǎn)，地表水銨態(tài)氮比例最高，近30%，其他采樣點(diǎn)比例均未超過16%。

圖5 蘇北河網(wǎng)區(qū)農(nóng)村中小河流地表水氮素和磷素平均質(zhì)量濃度空間分布

圖6為2009年7月18日在中溝采集的離養(yǎng)雞場集中區(qū)域不同距離地表水氮素和磷素濃度。離養(yǎng)雞場越近，河流地表水氮素和磷素濃度越高，受畜禽養(yǎng)殖污染的地表水氮素銨態(tài)氮比例越高;地表水溶解態(tài)活性磷(DRP)占總磷的比例并未隨離開養(yǎng)雞場的距離增加而變小，相應(yīng)的比例基本不變。

圖6 地表水氮素和磷素質(zhì)量濃度與養(yǎng)雞場距離的關(guān)系

2.3 小型河流夏季地表水水質(zhì)分層現(xiàn)象

在夏季，部分污染嚴(yán)重、底泥長期未清淤的干渠和中溝等小型河流水體出現(xiàn)水質(zhì)分層現(xiàn)象(圖7)。以2010年8月10日在8號采樣點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)為例，在水深約為1.2 m的河道內(nèi)地表水DO質(zhì)量濃度從表層的0.3 mg/L迅速下降到不足0.05 mg/L，在水體底層DO質(zhì)量濃度近乎為零。ORP從表層到深層水體也幾乎直線下降。pH值從表層呈弱堿性到底層已經(jīng)成為弱酸性，河道底質(zhì)呈厭氧狀態(tài)導(dǎo)致許多酸性物質(zhì)累積，引起pH值下降。隨著溝渠地表水深度的增加，氮磷濃度也相應(yīng)地有所增加，特別是在溝渠底質(zhì)和上覆水交界處氮磷濃度顯著高于表層。由于河道長期未得到清理，河流已經(jīng)嚴(yán)重淤積，淤積深度超過0.5 m，部分河段甚至達(dá)到1 m，底泥呈黑色，有明顯的惡臭味。據(jù)調(diào)查，在蘇北平原河網(wǎng)區(qū)大部分干渠、中溝以及像中心河、川沙河屬于鄉(xiāng)、鎮(zhèn)地方管理的河道，通常要10～15 a才能夠清淤1次;相比而言，受農(nóng)田利用強(qiáng)度加大、垃圾填埋、入侵生物過度生長造成水體流動不暢等因素影響，河道淤積速度明顯加快，河道清淤速度趕不上淤積速度。厚積的淤泥含有高濃度的氮磷可以通過擴(kuò)散等途徑進(jìn)入上覆水體，水體下層還原性條件加劇了磷素的釋放。平原河網(wǎng)區(qū)水體流速很慢，水體交換能力差，也是造成下層水體氮磷含量高于表層、出現(xiàn)只有深水型水庫才具有的明顯營養(yǎng)鹽分層現(xiàn)象的重要原因。胡雪峰等[7]在對上海市郊區(qū)河流水質(zhì)研究時同樣發(fā)現(xiàn)夏季上海市郊中小河流存在水質(zhì)分層現(xiàn)象。

圖7 蘇北河網(wǎng)區(qū)農(nóng)村小型河流地表水水質(zhì)分層現(xiàn)象

3 結(jié)論

研究區(qū)域中小河流水體氮磷超標(biāo)嚴(yán)重，水體處于嚴(yán)重富營養(yǎng)化狀態(tài)。所有地表水總氮質(zhì)量濃度均超過Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(ρ=1.0 mg/L)，79%的總氮質(zhì)量濃度超過Ⅴ類水體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(ρ=2.0 mg/L)。地表水氮素主要為溶解態(tài)，溶解態(tài)總氮以硝態(tài)氮為主，銨態(tài)氮比例較少。監(jiān)測數(shù)據(jù)中，73%的總磷質(zhì)量濃度超過Ⅲ類水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(ρ=0.2 mg/L)，39%超過Ⅴ類水質(zhì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，地表水磷素主要為溶解態(tài)磷素，溶解態(tài)磷素主要為溶解態(tài)活性磷。畜禽養(yǎng)殖相對集中區(qū)域地表水氮素和磷素濃度高于其他區(qū)域;規(guī)模較小的河流地表水氮磷濃度總體高于規(guī)模較大的河流。中溝干渠等小型河流存在地表水水質(zhì)分層現(xiàn)象。

致謝:在樣品分析過程中得到揚(yáng)州大學(xué)狄霖同學(xué)和盛海君老師的大力幫助，文章初稿得到鹽城工學(xué)院付強(qiáng)老師的修改和潤色，在此表示感謝。

[1]沙魯生.農(nóng)村飲用水水源地安全保障與水污染防治[J].中國水利，2009(11):26-28.

[2]李貴寶，周懷東，王東勝.我國農(nóng)村水環(huán)境及其惡化成因[J].中國水利，2003(14):47-48.

[3]葉春.從太湖地區(qū)看中國農(nóng)村水污染[J].環(huán)境保護(hù)，2007(19):42-44.

[4]楊繼富，李久生.改善我國農(nóng)村水環(huán)境的總體思路和建議[J].中國水利，2006(5):21-23.

[5]何曉云，胡曄.太湖流域杭嘉湖地區(qū)地面水環(huán)境質(zhì)量分析[J].環(huán)境污染與防治，2000(6):33-35.

[6]胡雪峰，許世遠(yuǎn)，陳振樓，等.上海市郊中小河流水污染現(xiàn)狀及對策[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，2002(3):204-207，231.

[7]胡雪峰，許世遠(yuǎn)，陳振樓，等.上海市郊中小河流氮磷污染特征[J].環(huán)境科學(xué)，2001，22(6):66-71.

[8]胡雪峰，高效江，王少平，等.上海市郊中小河流夏季水污染特征研究[J].長江流域資源與環(huán)境，2001，10(5):448-453.

[9]沃飛，陳效民，吳華山，等.太湖流域典型地區(qū)農(nóng)村水環(huán)境氮、磷污染狀況的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26(3):819-825.

[10]周順，陶建國.蘇南農(nóng)村水環(huán)境改善初探[J].中國農(nóng)村水利水電，2005(7):24-25.

[11]ZHANG Q L，SHI X Z，HUANG B，et al.Surface water quality of factory-based and vegetable-based peri-urban areas in the Yangtze River delta region，China[J].Catena，2007，69(1):57-64.

[12]APHA，AWWA，WEF.Standard methodsforthe examination ofwaterand wastewater[M].18 ed.Washington D C:American Water Works Association，1985:373-412.

[13]金相燦，屠清瑛.湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，1990.