太子河小流域氮素輸出特征研究

杜立宇， 劉艷茹， 董淑萍， 吳 巖， 梁成華

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院， 遼寧 沈陽 110866； 2.遼寧省農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站， 遼寧 沈陽 110000)

目前，面源污染日益嚴(yán)重，其中農(nóng)業(yè)流域輸出的氮、磷已經(jīng)成為淡水生態(tài)系統(tǒng)富營(yíng)養(yǎng)化控制和治理的關(guān)鍵。受土地利用方式、降雨條件、人們活動(dòng)的影響，面源污染物的流失具有廣泛性、不確定性、隨機(jī)性、隱蔽性和難以監(jiān)測(cè)性。國(guó)外學(xué)者對(duì)小流域內(nèi)面源污染物氮、磷流失規(guī)律[1]及流失負(fù)荷進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[2-3]。中國(guó)學(xué)者在三峽庫區(qū)流域[4]、長(zhǎng)江上游流域[5]、南方紅壤小流域[6]等地區(qū)開展了非點(diǎn)源污染特征研究，結(jié)果表明，氮素是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素[7]，控制小流域氮素輸出成為防止水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵[8-10]。

觀音閣水庫是太子河上游以城市和工農(nóng)業(yè)供水，防洪，發(fā)電為主的大型綜合水利工程，它對(duì)解決太子河流域內(nèi)的工農(nóng)業(yè)供水和防洪安全問題起著極為重要的作用，保護(hù)好觀音閣水庫對(duì)本溪、遼陽、鞍山市至關(guān)重要。1995年觀音閣水庫在太子河源頭段蓄水，致使庫區(qū)水流流速變慢，水庫富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)凸顯[11]，掌握水庫面源污染負(fù)荷的來源及特征具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前雖有學(xué)者對(duì)建庫前后營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)狀況進(jìn)行了分析[12]，但有關(guān)上游入庫河流的污染狀況卻鮮有報(bào)道。本研究以觀音閣水庫上游太子河源頭河流系統(tǒng)為研究對(duì)象，在不同土地類型對(duì)應(yīng)河流處各設(shè)置相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)氮的質(zhì)量濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在5—9月主要降雨時(shí)期通過試驗(yàn)分析不同土地利用類型對(duì)應(yīng)河流系統(tǒng)中氮素的輸出特征及形態(tài)變化，以期為防止庫區(qū)及其上游面源污染，預(yù)防水體富營(yíng)養(yǎng)化提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于遼寧省觀音閣水庫上游太子河流域源頭，大地森林公園至小東溝村，呈狹長(zhǎng)的溝谷地形，山高坡陡，僅有一條河流作為所有降雨徑流向下游運(yùn)移的通道，自河流源地起依次貫穿林地、旱田、村莊。雞場(chǎng)獨(dú)立存在，位于河流邊緣。試驗(yàn)區(qū)附近及上游無工廠，僅受自然條件、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民生活的影響，因此，可以更好地了解不同土地利用類型及農(nóng)村日常生產(chǎn)生活面源污染物的輸出特征。

試驗(yàn)區(qū)主要地貌特征為山地丘陵，其中山地占80%。森林資源豐富，森林覆蓋率高達(dá)81%，流域內(nèi)的森林為以針葉、闊葉為主的水源涵養(yǎng)林；耕地占12.5%，主要作物為玉米；水域占1.8%，主要為河流和水庫；其余占4.7%。屬中溫帶氣候區(qū)，夏季降水多，冬季降水少，多年平均降雨量808.6 mm，降雨多集中在5—9月，占全年降雨量的73%。土壤主要為棕壤。采樣點(diǎn)概況見表1。

表1 采樣地點(diǎn)概況

2 材料與方法

2.1 樣品采集與分析

河流樣品采集。5—9月是太子河流域降雨及農(nóng)業(yè)活動(dòng)的頻繁時(shí)期，因此選擇該時(shí)段進(jìn)行試驗(yàn)。采樣歷時(shí)5個(gè)月，分為平時(shí)采樣和降雨采樣。

平時(shí)采樣。在試驗(yàn)期間每周在各采點(diǎn)采集河流水樣一次，分析河流系統(tǒng)中氮的變化趨勢(shì)。

降雨采樣。試驗(yàn)區(qū)具有一次降雨持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，因此當(dāng)出現(xiàn)較大降雨時(shí)在降雨結(jié)束后進(jìn)行采樣，分析降雨條件對(duì)河流系統(tǒng)中氮流失的影響。

每次取1 000 ml河流樣品，硫酸酸化，使pH<2，4 ℃保存，以供測(cè)定總氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度。測(cè)定方法按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》進(jìn)行?？偟眠^硫酸鉀氧化—紫外分光光度法；硝態(tài)氮，水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后，用紫外分光光度法測(cè)定；亞硝態(tài)氮，水樣經(jīng)過0.45 μm濾膜過濾后，N—(1—萘基)—乙二胺光度法測(cè)定。

在小流域內(nèi)設(shè)置一個(gè)自計(jì)雨量器，記錄流域的日降雨量。

2.2 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007，SPSS軟件進(jìn)行圖表制作和數(shù)據(jù)處理分析。

3 結(jié)果與討論

試驗(yàn)地點(diǎn)降雨比較集中，7，8月是降雨量最多的月份，雨強(qiáng)也較大，暴雨多發(fā)生在此時(shí)期。試驗(yàn)?zāi)甓?月降雨137.0 mm，8月降雨達(dá)275.2 mm，6月降雨量稍小為106.7 mm。5—9月的總降雨量為598.7 mm，占全年降雨量的76.4%。

3.1 河流系統(tǒng)總氮輸出特征及其影響因素

根據(jù)小流域監(jiān)測(cè)期間的植被生長(zhǎng)狀況、農(nóng)事活動(dòng)規(guī)律和降雨情況，將監(jiān)測(cè)時(shí)段分為3個(gè)階段，第1階段(5月7日至6月10日)，植被覆蓋度較低，玉米處于苗期，降雨量少；第2階段(6月10日至8月29日)，植被覆蓋度高，玉米處于生長(zhǎng)中期，暴雨發(fā)生時(shí)期；第3階段(8月29日至9月30日)，植被覆蓋度高，玉米進(jìn)入成熟期，無明顯降雨。采樣期間各斷面總氮濃度變化如圖1所示。

圖1 采樣期間不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)總氮濃度變化

在第1階段，4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面總氮濃度大小順序?yàn)殡u場(chǎng)>旱田>村莊>林地，前3個(gè)斷面總氮分別是林地?cái)嗝娴?.81，1.72和1.70倍。林地?cái)嗝婵偟獫舛茸畹停且驗(yàn)榱值爻Ｄ隉o人為干擾，地表覆蓋層枯枝落葉阻止了雨水對(duì)土壤的擊濺作用，減少了氮素的流失，而且林地土壤背景值也最低。旱田斷面總氮濃度較高可能是因?yàn)橛衩椎馗采w度低，同時(shí)，也正值除草、施藥和施肥的主要時(shí)期，土壤疏松，氮素易隨地表徑流進(jìn)入河流系統(tǒng)。村莊斷面總氮濃度較高可能因?yàn)榇迩f環(huán)境較為復(fù)雜，自留蔬菜地的多次翻耕和大量施肥、散養(yǎng)家禽和大型牲畜排泄的尿液和糞便隨意擱置、人類的生產(chǎn)生活的垃圾和污水肆意排放以及完全裸露的道路，造成大量氮素進(jìn)入河流系統(tǒng)。雞場(chǎng)土壤背景值較高，且裸露在外的雞糞更易隨地表徑流進(jìn)入水體，致使雞場(chǎng)斷面總氮濃度最高。

第2階段中，全年溫度最高、降雨量最大，暴雨主要出現(xiàn)在此階段，4個(gè)斷面的總氮濃度與第1階段明顯不同，表現(xiàn)為：雞場(chǎng)>村莊>林地>旱田。雞場(chǎng)總氮濃度最高，因?yàn)樵谶m宜的溫度和濕度條件下雞糞發(fā)酵分解，可溶性氮增加，隨降雨進(jìn)入水體。村莊斷面的總氮濃度高于林地和旱田斷面，僅次于雞場(chǎng)斷面，與上一階段的原因基本相同，此階段降雨量增大，加劇了村莊內(nèi)氮素向河流系統(tǒng)的輸入。旱田覆蓋度比林地低，且旱田土壤較林地土壤疏松，遇到強(qiáng)降雨時(shí)，易發(fā)生水土流失，污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率高于林地[13]。但本研究與相關(guān)研究的規(guī)律并不一致，這很可能是因?yàn)殡S溫度和濕度持續(xù)升高，林地中枯枝落葉加速腐爛分解，增加了土壤表層氮素含量，在強(qiáng)降雨的沖刷下進(jìn)入水體。同時(shí)也與研究區(qū)域內(nèi)地貌特征密切相關(guān)。林地為主要土地類型，且位于較陡的山坡上，在暴雨發(fā)生時(shí)期，易發(fā)生山體滑坡，造成水體氮素含量增加。旱田占地面積較小，位于相對(duì)平坦的谷底，橫坡種植，有效緩解了氮素的流失。同時(shí)此時(shí)期是植物生長(zhǎng)最旺盛時(shí)期，對(duì)肥料的需求量大，土壤中氮含量減少，因此旱田斷面總氮濃度低于林地。

第3階段中，河流系統(tǒng)中的總氮濃度表現(xiàn)為：村莊>雞場(chǎng)>林地>旱田。與前兩個(gè)階段相比，總氮濃度明顯降低，這是因?yàn)榇藭r(shí)期無明顯降雨事件發(fā)生，缺少了氮素流失的動(dòng)力因素；植被覆蓋度較高，枝葉和新枯枝落葉層阻止了降雨對(duì)地表的沖刷作用；無明顯的農(nóng)事活動(dòng)發(fā)生。

在5—9月期間，各斷面總氮平均濃度大小關(guān)系依次是：雞場(chǎng)>村莊>旱田>林地，與土壤背景值中速效氮含量大小關(guān)系一致，因?yàn)橥寥乐锌扇苄缘^易隨地表徑流流失。除林地?cái)嗝嫱猓渌?個(gè)斷面總氮濃度呈逐漸下降趨勢(shì)，即：第1階段>第2階段>第3階段，因?yàn)殡S降雨的不斷發(fā)生，土壤中氮素含量逐漸下降。由此可見，控制徑流流失是控制土壤氮素流失的關(guān)鍵。在整個(gè)采樣期間村莊和雞場(chǎng)斷面總氮濃度一直較高，但不能確定其就是主要的非點(diǎn)源，還與各斷面徑流量的大小有關(guān)。綜上所述，因地制宜地采取措施是減少氮素輸出最有效的辦法，合理布置村莊格局和加強(qiáng)村莊內(nèi)的綠化度、合理處置生活垃圾和生活污水、集中處理家禽及牲畜糞便、加強(qiáng)山體護(hù)坡工作、減少降雨期間農(nóng)用地的翻耕等都是防止研究區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源污染的有效措施。

3.2 降雨條件下氮素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律

3.2.1 降雨條件下河流系統(tǒng)中總氮的輸出特征 氮素主要在降雨條件下隨地表徑流流失，以可溶態(tài)氮流失為主[14]。土地類型、植被覆蓋度和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活活動(dòng)是導(dǎo)致氮素流失的本質(zhì)因素，降雨則是導(dǎo)致氮素流失的動(dòng)力因素。4個(gè)斷面的總氮濃度隨日降雨量變化特征如圖2所示。

圖2 降雨條件下不同斷面總氮濃度的變化情況

除林地?cái)嗝嫱猓涤瓿跗诤堤?、村莊和雞場(chǎng)斷面總氮濃度均較后期高，這與許其功等[15]的研究結(jié)果一致，長(zhǎng)期干旱后的初期降雨徑流中氮的濃度明顯高于雨季徑流中的濃度。6月16日至7月31日各斷面總氮濃度呈逐漸上升的趨勢(shì)，這與降雨量的持續(xù)增大有關(guān)，強(qiáng)降雨使土壤表面受到嚴(yán)重沖刷，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大量流失，同時(shí)浸提作用增強(qiáng)，使河流中總氮濃度升高。7月31日發(fā)生首次暴雨事件，4個(gè)斷面的總氮濃度出現(xiàn)峰值，分別達(dá)到5.97，5.44，5.33和6.22 mg/L。在7月31日至8月29日期間內(nèi)，林地、旱田、村莊和雞場(chǎng)斷面總氮濃度先降低，后趨于平穩(wěn)，分別下降了34.0%，28.3%，19.8%和33.5%，這是因?yàn)殚L(zhǎng)期的強(qiáng)降雨，土壤中氮含量下降，且徑流量持續(xù)增大，河水的稀釋作用起主導(dǎo)作用，從而導(dǎo)致氮濃度的降低，之后浸提作用和稀釋作用交互進(jìn)行，總氮濃度便趨于平穩(wěn)。

3.2.2 降雨條件下河流系統(tǒng)中硝態(tài)氮的輸出特征 一般土壤膠體帶負(fù)電，硝態(tài)氮也帶負(fù)電，不易被土壤吸附，且硝態(tài)氮屬可溶態(tài)氮，有降雨時(shí)硝態(tài)氮容易淋溶和流失[16-17]。林地、旱田、村莊和雞場(chǎng)斷面硝態(tài)氮的輸出特征如圖3所示，變化范圍分別為2.02～4.47,1.53～4.24,1.47～4.18和2.09～4.13 mg/L。各斷面輸出的硝態(tài)氮濃度與總氮呈顯著正相關(guān)。6月所采的兩次河流樣品中硝態(tài)氮濃度除雞場(chǎng)斷面較高外，林地、旱田和村莊斷面并無明顯差異。7月所采的兩次河流樣品中，4個(gè)斷面硝態(tài)氮的濃度明顯升高，這是因?yàn)殡S溫度的升高硝化作用增強(qiáng)。林地?cái)嗝孀罡撸驗(yàn)殡S著植被的生長(zhǎng)及林地地表的枯枝爛葉在微生物的作用下加速分解，硝化作用不斷增強(qiáng)[17]，也與此時(shí)總氮的流失濃度最大有關(guān)。 在7月31日到8月29日期間，硝態(tài)氮濃度大幅度下降，各斷面分別下降54.7%,56.2%,54.3%和46.0%，其原因與總氮濃度下降的原因相同。

圖3 降雨條件下不同斷面硝態(tài)氮濃度的變化情況

3.2.3 降雨條件下河流系統(tǒng)中亞硝態(tài)氮的輸出特征 圖4是各斷面亞硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間的變化特征，采樣期間各斷面亞硝態(tài)氮濃度變化分別是0.01～0.03,0.01～0.02,0.01～0.02和0.01～0.03 mg/L，從總體上看，亞硝態(tài)氮濃度隨降雨量呈先升高后下降趨勢(shì)，與總氮和硝態(tài)氮變化一致。在7月31日至8月29日下降的最為明顯，各斷面分別下降72.3%,53.3%,44.8%和57.1%，這可能是由于持續(xù)的強(qiáng)降雨使稀釋起主導(dǎo)作用。自6月3日到8月29日8次降雨中，雞場(chǎng)斷面亞硝態(tài)氮平均濃度最大，這是由雞場(chǎng)土壤背景值較大和雞糞中含氮量較高所致。

由圖4可知，林地、旱田、村莊和雞場(chǎng)斷面輸出的硝態(tài)氮濃度分別占總氮的69.2%，63.4%，61.4%和63.8%，可見，較高的植被覆蓋雖能有效地減少土壤侵蝕和總氮的流失,卻增加了土壤可溶性氮的流失[18]。亞硝態(tài)氮僅占總氮的0.4%，說明研究區(qū)域地表徑流輸出的可溶態(tài)氮主要以硝態(tài)氮為主。各斷面硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的濃度變化與降雨量呈顯著相關(guān)(p<0.05)。在輸出過程中,硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的濃度變化與總氮相似，呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，原因是在降雨初期,浸提作用占主導(dǎo)地位,從而濃度逐漸升高, 隨降雨次數(shù)和降雨量的增加，稀釋作用取代浸提作用占主導(dǎo)地位, 從而濃度降低，之后, 徑流中氮素含量便處于穩(wěn)定趨勢(shì)。

圖4 降雨條件下不同斷面亞硝態(tài)氮濃度的變化情況

4 結(jié) 論

(1)2011年5—9月是太子河小流域降雨的主要時(shí)期，也是非點(diǎn)源氮輸出的主要時(shí)期；降雨量占全年降雨總量的81.8%，此時(shí)是預(yù)防水土流失和非點(diǎn)源污染發(fā)生的主要時(shí)期。

(2)在研究時(shí)段內(nèi)，受降雨條件、土地利用類型、植被覆蓋度和人為活動(dòng)等因素的影響，4個(gè)斷面總氮的變化趨勢(shì)呈波浪式，河流系統(tǒng)中總氮平均濃度表現(xiàn)為雞場(chǎng)>村莊>旱田>林地。各斷面總氮的輸出與土壤背景值具有一致性。

(3)5月7日至6月10日，植被覆蓋度低，農(nóng)田的翻耕和肥料的大量施用以及長(zhǎng)期干旱后的初期降雨使得旱田、村莊和雞場(chǎng)斷面總氮濃度較雨季期間高。6月10日至9月30日，隨降雨量和降雨次數(shù)的增加，浸提作用與稀釋作用交互進(jìn)行，各斷面總氮濃度出現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象。

(4)林地、旱田、村莊和雞場(chǎng)斷面硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮輸出濃度與降雨量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，并且輸出特征與總氮基本保持一致，硝態(tài)氮是總氮的主要輸出形態(tài)，分別占總氮的69.2%，63.4%，61.4%和63.8%。植被覆蓋雖能有效地減少土壤侵蝕和總氮的流失, 卻增加了土壤可溶性氮的流失。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Pionke H B, Gburek W J, Sharpley A N. Critical source area controls on water quality in an agricultural watershed located in the Chesapeake Basin[J]. Ecological Engineering, 2000,14(4):325-335.

[2]Edwards A C, Withers P J A. Transport and delivery of suspended solids, nitrogen and phosphorus from various sources to freshwaters in the UK[J].Journal of Hydrology, 2008,350(3/4):144-153.

[3]Goolsby D A, Battaglin W A, Aulenbach B T, et al. Nitrogen flux and sources in the Mississippi River Basin[J]. The Science of the Total Environment, 2000,248(2):75-86.

[4]張少源,馮明磊,林杉,等.三峽庫區(qū)小流域河流可溶性硅、無機(jī)氮和磷的研究[J].環(huán)境科學(xué),2008,29(10):2716-2722.

[5]曹杰君,高揚(yáng),黃海波,等.長(zhǎng)三角典型村域次降雨條件下氮素非點(diǎn)源輸出特征[J].環(huán)境科學(xué),2010,31(11):2587-2593.

[6]王曉龍,李輝信,胡鋒,等.紅壤小流域不同土地利用方式下土壤N,P流失特征研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2005,19(5):31-34.

[7]Holliger E, Comish P S, Baginska B, et al. Farm-scale storm water losses of sediment and nutrients from a market garden near Sydney Australia[J].Agricultural water Management, 2001,47(3):227-241.

[8]Gburek W J, Sharply L, Healthwaite L, et al. Phosphorus management at the watershed scale modification of the phosphorus index[J].Journal of Environmental Quality, 2000,29(1):130-144.

[9]Lepisto A, Kenttamies K, Rekolainen S. Modeling combined effects of forestry, agriculture and deposition on nitrogen export in a northern river basin in Finland[J].AMBIO, 2001,30(6):338-348.

[10]Arhonditsis G, Tsirsis G, Angelidis M O, et al. Quantification of the effect of nonpoint nutrient sources to coastal marine eutrophication: Application to a semi-enclosed gulf in the Mediterranean Sea[J].Ecological Modelling, 2000,129(2):209-227.

[11]孟凡青.觀音閣水庫水體中氮、磷污染現(xiàn)狀及其防治對(duì)策[J].遼寧城鄉(xiāng)環(huán)境科技,2006,26(4):13-15.

[12]高旭,趙宏富,侯鍇.基于觀音閣水庫水環(huán)境質(zhì)量問題的分析與對(duì)策[J].黑龍江水利科技,2009,3(37):137-138.

[13]宋澤芬,王克勤,孫孝龍,等.澄江尖山河小流域不同土地利用類型地表徑流氮、磷的流失特征[J].環(huán)境科學(xué)研究,2008,21(4):109-113.

[14]黃云鳳,張珞平,洪華生,等.不同土地利用對(duì)流域土壤侵蝕和氮、磷流失的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2004,23(4):735-739.

[15]許其功,劉鴻亮,沈珍瑤,等.三峽庫區(qū)典型小流域氮磷流失特征[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2007,27(2):326-331.

[16]房孝鐸,王曉燕,竇培謙.密云水庫上游流域氮流失規(guī)律研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2007,26(3):852-856.

[17]張瑞國(guó),王克勤,陳奇伯,等.昆明市水源區(qū)不同利用類型坡地徑流氮和磷的輸出特征[J].環(huán)境科學(xué)研究,2009,22(5):607-611.

[18]張興昌,劉國(guó)彬,付會(huì)芳.不同植被覆蓋度對(duì)流域氮素徑流流失的影響[J].環(huán)境科學(xué),2000,21(6):16-19.