降雨和施肥對秦嶺北麓俞家河水質(zhì)的影響

郭澤慧,劉 洋,黃懿梅,晏江濤,騰 飛,王永斌

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

降雨和施肥對秦嶺北麓俞家河水質(zhì)的影響

郭澤慧,劉 洋,黃懿梅*,晏江濤,騰 飛,王永斌

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

為了探討小流域內(nèi)種植業(yè)的施肥措施對流域內(nèi)地面水質(zhì)的影響機制，選取秦嶺北麓的俞家河小流域為研究對象，設(shè)置8個覆蓋整個流域特征的監(jiān)測斷面，并于該流域主要經(jīng)濟作物獼猴桃的3個典型施肥時期的不同降雨條件下對河流水質(zhì)進行監(jiān)測，分析水體中氮、磷和有機污染物含量的時空分布特征以及降雨和施肥對其產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明：俞家河流域總氮濃度的變化范圍是4.53～11.45 mg·L-1，平均值為6.51 mg·L-1；總磷平均濃度的變化范圍是0.004～1.377 mg·L-1，平均值為0.312 mg·L-1；CODMn濃度的變化范圍為0.89～11.23 mg·L-1，平均值為3.15 mg·L-1。早春基肥期總氮平均負(fù)荷為227.03 g·d-1，流域負(fù)荷增加了73.34%；盛夏追肥期總磷平均負(fù)荷為11.36 g·d-1，流域負(fù)荷增加了117.36%。大雨時期總氮、總磷、CODMn負(fù)荷分別為228.10、9.94、174.53 g·d-1，對應(yīng)增加的百分比為35.93%、84.31%、69.65%。水體總氮、總磷濃度與降雨密切相關(guān)，雨強越大，濃度和負(fù)荷增加越顯著，雨強是造成該流域氮素流失的主要氣象參數(shù)。早春基肥期果園施加氮肥是水體總氮的主要來源，盛夏追施肥會增加水體磷素污染風(fēng)險，早春施肥期大雨后存在較高的CODMn污染風(fēng)險，降雨和施肥的疊加效應(yīng)是導(dǎo)致面源污染發(fā)生的主要因素。河流污染負(fù)荷較高的區(qū)域集中于中部，主要由兩岸獼猴桃園施肥引起，居民的生活污染也有一定貢獻。

降雨；施肥；氮；磷；有機物；空間分布

秦嶺北麓素有“七十二峪”之稱，是關(guān)中地區(qū)最大的水源地與水源涵養(yǎng)地。流域內(nèi)河流的水質(zhì)狀況直接或間接影響當(dāng)?shù)丶爸苓叧鞘芯用竦娘嬎吧眢w健康狀況。近年來，獼猴桃產(chǎn)業(yè)對秦嶺北麓的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟和農(nóng)民增收發(fā)揮著舉足輕重的作用[1]。獼猴桃園過量施用化肥的現(xiàn)象非常嚴(yán)重，平均用量是推薦量的2倍以上，過量施氮果園的比例高達(dá)80%以上[2-3]，再加之該區(qū)域土壤多發(fā)育于山前洪積扇，土質(zhì)疏松，夏季降雨充沛，使得土壤表面養(yǎng)分更容易隨降雨而流失，從而增加水體富營養(yǎng)化風(fēng)險。導(dǎo)致面源污染發(fā)生的土壤營養(yǎng)元素有多種，其流失過程受多種因素影響[4]，其中降雨是營養(yǎng)元素流失的先決條件，地表污染物的累積情況為其提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[5]。目前，一些學(xué)者通過實地監(jiān)測[6-7]和人工模擬[8-10]等方法對人口密度高、經(jīng)濟較為發(fā)達(dá)地區(qū)[11-13]一年中的首場降雨或雨季典型降雨所引起的污染流失特征進行了研究分析，但對我國西北地區(qū)不同降雨條件下，施肥狀況對流域內(nèi)地面水質(zhì)的影響并不清楚。本文擬通過對秦嶺北麓俞家河流域主要施肥期不同雨量和雨強條件下俞家河的水質(zhì)、水量進行監(jiān)測和分析，旨在揭示俞家河流域水體碳、氮、磷營養(yǎng)物的時空分布特征及降雨和施肥對面源污染負(fù)荷輸出的影響，為從源頭上減少營養(yǎng)元素的流失和面源污染的發(fā)生以及水環(huán)境的改善提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 流域概況

秦嶺北麓俞家河小流域位于陜西省周至縣竹峪鄉(xiāng)(107°39′～108°37′E，33°42′～34°14′N)，海拔487～672 m，年平均氣溫13.2℃，年均光照時數(shù)2 154.7 h，無霜期225 d，1956—2013年的年平均降雨量664.9 mm，集中在每年的7—9月，屬典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候。流域面積4.12 km2，其中耕地1.17 km2，園地1.60 km2，林地0.29 km2，居民區(qū)及工礦用地0.82 km2，其他0.24 km2。區(qū)域內(nèi)主要的糧食作物為小麥、玉米；林果類作物為獼猴桃，獼猴桃果園較多分布在河流兩岸，其面積約占園地面積的83.82%，且比例在逐年擴大[18]。流域土壤類型主要是塿土中的立茬土，質(zhì)地黏重。表層土壤(0～20 cm)有機質(zhì)含量8.57～17.32 mg·kg-1，全氮含量0.62～1.27 g·kg-1，全磷含量0～0.60 g·kg-1，pH值介于5.79～7.52之間[19]。

1.2 監(jiān)測斷面和采樣點的確定

依據(jù)俞家河流域的地理位置，結(jié)合周圍的土地利用情況以及民居的分布狀況，從河流上游至下游(從南至北)，選擇河道順直、水流平緩的河段共布設(shè)8個監(jiān)測斷面(圖1)，由于河寬小于50 m，每個監(jiān)測斷面只布設(shè)一個樣點，各樣點的具體信息見表1。降雨過程中在各樣點采集兩次瞬時水樣，間隔時間為5 min，然后將其均勻混合。常規(guī)月份進行兩次監(jiān)測，雨季適當(dāng)增加采樣次數(shù)和頻率。

1.3 監(jiān)測時間的確定

要據(jù)以往降雨信息和雨量計的測定值，再考慮獼猴桃的生長習(xí)性和需肥特點，監(jiān)測時間分布于全年的三個時段，分別選取獼猴桃生長季中三個施肥階段的晴天、小雨以及首次大雨作為水質(zhì)監(jiān)測的時間，具體分配及相應(yīng)降雨情況見表2。2015年1月25日(晴天)的水樣作為對照，4月1日降雨為早春施基肥后的首次大雨，6月23日降雨為盛夏追肥后的首次大雨，10月24日降雨為果實收獲后越冬肥的首次大雨。

圖1 采樣點位置介紹Figure 1 Sampling site and land use of watershed

表1 俞家河流域水樣采樣斷面地理位置與土地利用狀況[19]Table 1 Introduction of water samples and land use types in Yujia River

1.4 監(jiān)測指標(biāo)及其分析方法

在每個采樣點用淺層采水器采集的表層水樣2.5 L，裝入聚乙烯塑料瓶帶回實驗室，靜置后在48 h內(nèi)分析?？偟?TN)采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894—1989)測定；總磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法(GB/T 8538—1995)測定；高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)采用草酸鈉滴定酸性高錳酸鉀法(GB 11892—1989)測定。流量是采用浮標(biāo)法測定流速，同時測定河寬和河深后計算得到。采用區(qū)段法，用污染物濃度與對應(yīng)河段流量的乘積來計算污染負(fù)荷。流量及相應(yīng)污染負(fù)荷的計算公式為：

式中：L為測量間距，m；vˉ為浮標(biāo)平均流速，m·s-1；Aˉ為平均斷面面積，m2；K為浮標(biāo)系數(shù)；Φ為污染負(fù)荷，g· d-1。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)處理，利用SPSS 20.0進行統(tǒng)計分析。相同天氣狀況下不同施肥期以及相同施肥期不同天氣狀況下的水體氮、磷、有機物濃度采用S-N-K檢驗法進行多重比較分析。雨強與污染物濃度的相關(guān)性分析采用Pearson系數(shù)法。采用Origin 8.0軟件作圖。

表2 水樣采集時間及相應(yīng)降雨指標(biāo)Table 2 Time of water sample collection and corresponding rainfall indexes

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征及施肥狀況

當(dāng)?shù)氐慕涤晷畔⒑陀峒液恿髁康娜曜兓鐖D2所示。2015年俞家河小流域降雨總量為633.7 mm，3—6月降雨329.75 mm，占全年降雨量的52%，7—9月干旱少雨，降雨量與往年同期相比有所下降，僅為全年降雨量的30%。俞家河流量隨月份和降雨特性而變化，全年平均流量0.097 m3·s-1。

流域內(nèi)獼猴桃果園通常情況下每年共施肥3次：第一次為早春2—3月，以氮肥為主，并配施少量磷肥、鉀肥的基肥，氮肥用量約為全年的40%；第二次是6月初，盛夏追施肥以磷肥為主，磷肥施加比例為全年磷肥施加量的三分之二，并輔助進行葉面噴施氮肥；第三次是采果后，即10月上旬，施以人畜糞肥為主的有機肥。路永莉等[2]、高晶波等[3]對流域獼猴桃園的肥料投入量的調(diào)查結(jié)果如表3所示。流域果園氮肥、磷肥施用過量情況嚴(yán)重，而有機肥投入明顯不足，2012年和2013年分別有46.6%和26.1%的果園不施有機肥，有機肥提供果園總養(yǎng)分的27.3%。

2.2 俞家河水體氮、磷與CODMn濃度的時間變化特征

圖2 2015年降雨量和流量特征Figure 2 Rainfall characteristics and monthly mean flux

如圖3a所示，在所選的監(jiān)測時段里總氮濃度的變化范圍是4.53～11.45 mg·L-1，平均值為6.51 mg· L-1，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)均超標(biāo)(TN>2 mg·L-1)，處于地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)劣V類水質(zhì)，表明俞家河流域受氮素污染較為嚴(yán)重。早春施基肥期和盛夏追肥期，河水中總氮的平均濃度在大雨時極顯著高于晴天和小雨，晴天和小雨差異不顯著；秋冬越冬肥期，河水總氮的平均濃度在晴天、小雨、大雨時期差異不顯著。河水中總氮的平均濃度在三個施肥期的同一天氣狀況下沒有顯著差異。可見，俞家河流域水體總氮濃度受大雨的影響較大。

總磷平均濃度的變化范圍是0.004～1.377 mg·L-1，平均值為0.312 mg·L-1(圖3b)。晴天水樣總磷平均濃度的變化范圍是0.056～0.152 mg·L-1，在地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。除3月22日(小雨)的監(jiān)測數(shù)據(jù)外，小雨時期總磷平均濃度的變化范圍是0.179～0.460 mg· L-1，高于晴天水樣總磷的平均濃度，但差異不顯著。三個施肥時期，水體總磷平均濃度在大雨條件下都顯著高于晴天和小雨。在三種天氣狀況下，盛夏追肥期水體總磷的平均濃度(0.663 mg·L-1)均顯著高于早春基肥期(0.101 mg·L-1)和秋冬越冬肥期(0.295 mg·L-1)?？梢姡w磷素的高低與降雨和施肥期有關(guān)，盛夏追肥期的大雨后，流域水體總磷的平均濃度增加顯著。

高錳酸鹽指數(shù)反映河水中有機物的污染狀況，常用CODMn來表示。流域內(nèi)河水中CODMn濃度在監(jiān)測期間的變化范圍為0.89～11.23 mg·L-1，平均值為3.15 mg·L-1(圖3c)，除早春基肥和秋冬越冬肥后兩次大雨超過Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，其余時段水質(zhì)較好，符合Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。早春施基肥期，大雨后(11.23 mg·L-1)顯著高于晴天(2.38 mg·L-1)和小雨(1.05 mg· L-1)，晴天和小雨差異顯著；盛夏追肥期，晴天(1.91 mg·L-1)高于大雨(1.82 mg·L-1)和小雨(1.73 mg·L-1)，但三者無顯著差異。秋冬追施肥期，大雨(4.04 mg·L-1)顯著高于晴天(3.10 mg·L-1)和小雨(1.20 mg·L-1)，晴天和小雨無顯著差異。流域CODMn濃度在不同施肥期差異明顯。早春施基肥期CODMn平均濃度高達(dá)7.16 mg·L-1，顯著高于盛夏追肥期(1.82 mg·L-1)和秋冬越冬肥期(3.03 mg·L-1)?？梢?，流域水體在早春施肥期大雨后存在較高的CODMn污染風(fēng)險，應(yīng)注重監(jiān)管。

表3 俞家河流域獼猴桃果園施肥情況統(tǒng)計[2-3]Table 3 Statistics of fertilization in kiwifruit orchards of Yujia River watershed

2.3 俞家河水體氮、磷、CODMn負(fù)荷的空間分布特征

2.3.1 不同河段在不同施肥時期氮、磷、CODMn負(fù)荷的空間分布特征

圖3 2015年不同時期俞家河河水污染物平均濃度變化特征Figure 3 Characteristics of average pollution variation in different periods of Yujia River in 2015

污染負(fù)荷與地區(qū)的地理環(huán)境、水文、氣象等因素有關(guān)，可以較全面地顯示面源污染情況。俞家河流域地形狹長，由西南向東北傾斜，河水從海拔較高的白仙溝上面的天然集水區(qū)流經(jīng)白仙溝、丹陽(上游)、嶺梅(中游)和楊家莊(下游)等行政村域，匯入最低點仰天河西水庫，污染物質(zhì)也隨水體的遷移向下游輸送和累積。不同施肥期流域內(nèi)水體負(fù)荷結(jié)果如圖4所示。早春基肥期總氮平均負(fù)荷為227.03 g·d-1，分別是盛夏追肥期和秋冬越冬肥期水體總氮負(fù)荷的2.3倍和6.0倍。早春基肥期CODMn平均負(fù)荷為222.30 g·d-1，分別是盛夏追肥期和秋冬越冬肥期水體總氮負(fù)荷的8.1倍和11.7倍。盛夏追肥期總磷平均負(fù)荷為11.36 g·d-1，分別是早春基肥期和秋冬越冬肥期水體總氮負(fù)荷的2.3倍和5.1倍。

總氮負(fù)荷的高峰段為丹陽和嶺梅段，白仙溝和楊家莊的總氮負(fù)荷較低(圖4a)。早春施基肥期，丹陽和嶺梅的總氮負(fù)荷分別高達(dá)188.4、373.2 g·d-1，是楊家莊的2.4倍和4.8倍。盛夏追肥期，丹陽總氮負(fù)荷最高，其值達(dá)到頂峰，為121.92 g·d-1，嶺梅略低，為107.14 g·d-1，仍為楊家莊的2倍。秋冬越冬肥期，丹陽和嶺梅的總氮負(fù)荷較前兩個施肥期有所下降，其均值僅為42.34 g·d-1，但仍高于楊家莊。三個主要施肥期，流域從源頭到出口總氮負(fù)荷分別增加了73.34%、-14.96%和45.30%。可見早春施肥是流域水體氮素超標(biāo)的一個重要來源。

俞家河流域總磷負(fù)荷空間分布特征與總氮大致相同(圖4b)，丹陽和嶺梅仍為主要的污染輸入?yún)^(qū)域。早春施基肥期，丹陽和嶺梅的總磷負(fù)荷分別高達(dá)3.46、8.64 g·d-1，是楊家莊的3.1倍和8.1倍。盛夏追肥期，嶺梅總磷負(fù)荷最高，為17.28 g·d-1，丹陽略低，為10.37 g·d-1，分別是楊家莊的2.6倍和4.3倍。秋冬越冬肥期，嶺梅總磷負(fù)荷(3.46 g·d-1)高于其他地區(qū)。三個主要施肥期，流域總磷負(fù)荷從源頭到出口分別增加了95.06%、117.36%和36.88%。與總氮負(fù)荷的時間分布不同，總磷平均負(fù)荷在各施肥期差異顯著，表現(xiàn)為盛夏追肥期(8.64 g·d-1)顯著高于早春基肥期(3.46 g·d-1)和秋冬越冬肥期(1.73 g·d-1)。雖然總磷負(fù)荷增加量較小，但磷素環(huán)境臨界值低，超過臨界值會引起嚴(yán)重的環(huán)境問題，因此盛夏追施肥會增加水體磷素污染風(fēng)險。

俞家河流域CODMn負(fù)荷空間分布特征與總氮、總磷一致(圖4c)，嶺梅段污染尤為突出。早春施基肥期，丹陽和嶺梅的CODMn負(fù)荷分別高達(dá)184.90、382.75 g·d-1，是楊家莊的13.4倍和27.7倍。盛夏追肥期與秋冬越冬肥期CODMn在空間分布差異不顯著，盛夏追肥期CODMn平均負(fù)荷(26.78 g·d-1)略高于秋冬越冬肥期(16.42 g·d-1)。三個主要施肥期，流域CODMn負(fù)荷從源頭到出口分別增加了77.54%、37.95%和20.52%。早春施基肥期CODMn遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩個時期，污染較重。

2.3.2 不同河段在不同天氣狀況氮、磷、CODMn負(fù)荷的空間分布特征

不同天氣狀況下流域水體污染負(fù)荷結(jié)果(圖5)顯示，降雨將增加河流的污染負(fù)荷，大雨的增加程度最為顯著，但不同污染物被降雨攜帶進入水體的程度有所差別，流域大雨時期水體總氮平均負(fù)荷為228.10 g·d-1，分別為晴天(19.87 g·d-1)和小雨(65.66 g·d-1)的11.5倍和3.5倍；總磷平均負(fù)荷為9.94 g·d-1，分別為晴天(0.432 g·d-1)和小雨(3.72 g·d-1)的23倍和2.67倍；CODMn平均負(fù)荷為174.53 g·d-1，分別為晴天(6.91 g·d-1)和小雨(20.74 g·d-1)的24.5倍和8.2倍。流域整體污染負(fù)荷增加量在晴天和小雨時差異不顯著，大雨對流域水體污染負(fù)荷的增加作用顯著。

不同天氣狀況下，水體污染負(fù)荷空間分布差異顯著?？偟?、總磷負(fù)荷的高污染區(qū)集中在嶺梅段。總氮負(fù)荷(圖5a)在大雨時，嶺梅段最高(412.08 g·d-1)、丹陽段次之(236.32 g·d-1)，顯著高于白仙溝和楊家莊，分別是后二者的4.1倍和2.4倍；小雨時，嶺梅段最高，達(dá)88.14 g·d-1、丹陽段次之，為77.92 g·d-1，分別是楊家莊總氮負(fù)荷的1.8倍和1.6倍。晴天時，嶺梅段仍為最高(31.22 g·d-1)，是楊家莊的2.4倍。流域在大雨、小雨、晴天的總氮負(fù)荷從源頭到出口分別增加了35.93%、8.41%和30.39%。俞家河流域總磷負(fù)荷空間分布特征與總氮大致相同(圖5b)，丹陽和嶺梅仍為主要的污染輸入?yún)^(qū)域。大雨時，嶺梅總磷負(fù)荷最高，為21.90 g·d-1，丹陽略低，為11.60 g·d-1，分別是楊家莊的2.9倍和5.4倍。小雨時，丹陽和嶺梅的總磷負(fù)荷分別高達(dá)3.51 g·d-1和7.30 g·d-1，分別是楊家莊的1.5倍和3倍。晴天時，流域總磷負(fù)荷顯著低于降雨時期，嶺梅總磷最高僅為0.61 g·d-1。流域在大雨、小雨、晴天的總磷負(fù)荷從源頭到出口分別增加了84.31%、45.42%和-27.42%。大雨時期嶺梅段的CODMn負(fù)荷較大，高達(dá)393.43 g·d-1，是楊家莊的15.5倍。小雨和晴天時期，丹陽和嶺梅的負(fù)荷相差不多，分別為楊家莊的2.7倍和0.86倍。流域在大雨、小雨、晴天的CODMn負(fù)荷從源頭到出口分別增加了69.65%、65.30%和23.32%。

3 討論

3.1 降雨和施肥對污染物流失的影響

俞家河流域水體來源主要有三部分，上游天然集水區(qū)向下游的輸送、農(nóng)業(yè)灌溉用水的匯集，以及降雨徑流和壤中流的匯入。降雨是除人為因素干擾外導(dǎo)致污染物流失進入水體的主要自然因素，是污染物流失的先決條件[5]，降雨特征(降雨量、降雨強度和雨前晴天天數(shù)等)對污染物的流失存在顯著影響[20]。

圖4 各樣點不同施肥期總氮、總磷和CODMn負(fù)荷Figure 4 Load of total nitrogen,total phosphorus and CODMnat different points in different fertilization periods

流域水體氮、磷、CODMn的濃度以及不同天氣狀況下的空間分布特征均表現(xiàn)出大雨顯著增加了水體的污染程度，說明降雨量的大小與水體的污染程度密切相關(guān)。但降雨量并不是唯一的影響因素，盛夏追肥時期的大雨(6月23日)與早春施基肥后的大雨(4月1日)降雨量雖接近，但前者總氮濃度為7.26 mg·L-1，顯著低于后者(11.45 mg·L-1)。這是由于4月1日的大雨歷時短、強度大，破壞了較大顆粒的土壤團聚體，使得團聚體分散，污染物流失量大為增加[21]。分析平均雨強與水體總氮、總磷、CODMn濃度的相關(guān)關(guān)系可知，總氮、CODMn與雨強顯著相關(guān)(表4)，與潘忠成等[10]的研究一致，說明雨強是造成俞家河流域氮素流失的主要氣象參數(shù)。另一個原因是雨前的晴天天數(shù)不同(表2)。李立青等[20]分析降雨時間間隔對城市徑流污染負(fù)荷的影響指出，隨著晴天天數(shù)的累積，降雨徑流污染負(fù)荷存在增加的趨勢。2015年秦嶺地區(qū)的雨季分布與往年不同，主要集中在4—6月，早春施基期降雨頻率小，降雨間隔時間長，大量含氮污染物在地表富集；盛夏追肥期恰逢雨季，降雨頻繁，土壤表面氮素大多已被沖刷進入水體，含量較低，導(dǎo)致兩個時間段地表污染物累積程度存在差異，進而影響到可被降雨徑流沖刷、攜帶污染物的數(shù)量。秋冬越冬施肥期晴天間隔天數(shù)雖與早春期較為接近，但降雨量以及雨強明顯低于早春期和盛夏期，可見雨前晴天天數(shù)并非影響污染產(chǎn)生的主要因素。因此，秦嶺北麓俞家河流域污染物濃度在大雨期顯著高于晴天和小雨期，且差異較大，表明污染物濃度受降雨量和雨強影響較大。

圖5 各樣點不同天氣狀況總氮、總磷和CODMn負(fù)荷Figure 5 Load of total nitrogen、total phosphorus and CODMnat different points in different weather

為了滿足獼猴桃的生長需求，三次主要施肥期的施肥量、施肥種類以及施肥比例均有差別。不同施肥期水體中總氮、總磷、CODMn濃度和負(fù)荷顯示早春施基肥期主要污染物是總氮，盛夏追肥期的主要污染物是總磷，這也是導(dǎo)致早春施基肥后的首場大雨后水體總氮濃度很高的主要原因。這與汪麗婷等[22]和謝真越等[23]分別在稻田和菜地得出增施肥料加大了污染物隨地表徑流流失風(fēng)險的結(jié)果一致。且王莉[19]研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖數(shù)目較少，畜禽糞便不是氮素和有機物的主要來源。因此果園施加氮肥是水體總氮污染的主要來源。盛夏追肥，水體總氮濃度雖仍為主要污染物，但與早春期相比濃度下降，總磷污染顯著，流域整體上總磷負(fù)荷高于其他兩個時期。夏季正值獼猴桃樹磷素營養(yǎng)吸收的最大效率期[24-25]，果農(nóng)追求利益最大化，集中施加磷肥，導(dǎo)致盛夏俞家河水體總磷污染。而總氮濃度降低是由于夏季氮肥主要采用葉面噴施的方式，植物通過葉面氣孔吸收氮素的方式進行生長，間接說明不同的施肥方式對水體氮素濃度也存在影響，肥料直接施于土壤表面易在降雨集中期流失。秋冬越冬肥期，以施用人畜糞肥為主，部分施用油渣、菌肥等有機肥，氮、磷、CODMn負(fù)荷均低于前兩個施肥期，由于果園地表的枯枝落葉大大減少了雨滴的濺蝕性能[26]，加之氣溫較低，降雨較少，河流長期枯竭，使土壤顆粒及其附著污染物的流失量降低，在一定程度上阻礙攔截了進入水體的污染物數(shù)量。

表4 降雨平均雨強與污染物濃度的相關(guān)性分析(n=6，P<0.05)Table 4 Relation analysis between average raininess and pollution concentration during rainfalls(n=6，P<0.05)

3.2 流域污染負(fù)荷空間差異分析

流域通過水循環(huán)構(gòu)成自然連接，污染物的輸出與流域環(huán)境內(nèi)的土地利用結(jié)構(gòu)、地表植被類型、整地措施以及地形、地勢等有著密切聯(lián)系。

俞家河流域的土地利用結(jié)構(gòu)以耕地、居住地、林地為主，通過遙感圖像識別獲得流域內(nèi)各樣地的土地利用結(jié)構(gòu)面積比(表1)。從白仙溝至楊家莊，耕地、林地比例逐漸減少，耕地和林地面積分別減少19.3%和3.8%，而以種植獼猴桃為主產(chǎn)的園地面積比例逐漸增加，幅度達(dá)17.8%。不同施肥期和不同天氣狀況下的污染負(fù)荷輸出情況均顯示，丹陽和嶺梅段是流域污染物的集中輸出區(qū)域。這是由于：一方面，流域的中游遍布著大大小小、不同年齡層次、不同品種的獼猴桃園。果農(nóng)為最大化追求經(jīng)濟利益，過量施用化肥，施用量是推薦量的3倍之多[27-29]，肥料使用后并不能馬上被植物所吸收，肥料的低利用效率導(dǎo)致大量養(yǎng)分殘留在土壤表面，也為面源污染的發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。另一方面，嶺梅段是俞家河流經(jīng)的主要區(qū)域，也是當(dāng)?shù)剜l(xiāng)鎮(zhèn)政府所在地，人口密度較大，農(nóng)戶居住地大多分布在河流兩側(cè)，居民在河流兩側(cè)肆意傾倒生活垃圾。當(dāng)?shù)剞r(nóng)家有機肥還田率低，且經(jīng)濟基礎(chǔ)相對落后，缺乏處理生活垃圾和污水的基礎(chǔ)設(shè)備，這種空間布局以及缺乏人為管理可能加重了污染物的輸出。因此，俞家河流域污染負(fù)荷較高的區(qū)域集中于中部的嶺梅段，污染主要是由這一段獼猴桃園施肥所致，同時，居民的生活污染也有一定貢獻。

4 結(jié)論

(1)俞家河流域的主要污染物是總氮和總磷。早春基肥期果園施加氮肥是水體總氮污染的主要來源。盛夏追施肥可能增加俞家河流域水體磷素污染風(fēng)險，早春施肥期大雨后存在較高的CODMn污染風(fēng)險。俞家河流域水體污染是降雨和施肥的疊加效應(yīng)導(dǎo)致的。

(2)俞家河流域水體總氮、總磷濃度與降雨密切相關(guān)，雨強越大，濃度和負(fù)荷增加越顯著。雨強是造成俞家河流域氮素、有機物流失的重要氣象參數(shù)。

(3)俞家河流域的主要污染區(qū)域集中在流域中游，污染主要由獼猴桃園的施肥導(dǎo)致，居民生活污染也有一定貢獻。

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Effects of rainfall and fertilization on water quality of the Yujia River watershed in the northern Qinling Mountains

GUO Ze-hui,LIU Yang,HUANG Yi-mei*,YAN Jiang-tao,TENG Fei,WANG Yong-bin
(Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri-environment in Northwest China,Ministry of Agriculture,College of Natural Resource and Environment,Northwest A&F University,Yangling 712100,China)

With the purpose of investigating the mechanisms of how rainfall and fertilization affected the quality of ground water,we selected a typical Yujia River watershed in which eight water-sampling sections representing the watershed characteristics.Water quality(N,P and CODMn)was monitored after various rainfall intensities on Kiwifruit plots(main economical crop for the local)with three key fertilization time-points in early-spring,summer and late autumn.The results show that in Yujia River watershed the concentration of total N averages 6.51 mg·L-1(range：4.53～11.45 mg·L-1),the mean values for the concentrations of total P and CODMnare 0.312 mg·L-1(range：0.004～ 1.377 mg·L-1)and 3.15 mg·L-1(range：0.89～11.23 mg·L-1)respectively.As for the load of fertilization applications to water quality,the mean load of total N during early-spring fertilization is 227.03 g·d-1,with an increase of 73.34%to the whole watershed,the average load of total P during the summer fertilization is 11.36 g·d-1,with an increase of 117.36%.With regard to rainfall,the loads of the total N,total P and CODMn,during heavy rainfall period are 228.10 g·d-1,9.94 g·d-1and 174.53 g·d-1,with an increase of 35.93%,84.31%and 69.65%, correspondingly.The concentration of total nitrogen and total phosphorus show a positive relationship with rainfall intensity.Therefore,as revealed by our data,rainfall is a main meteorological parameter to cause nitrogen loss in this region.Fertilization during early-spring con-tributes substantially to the increased N concentration,and the risk of water P pollution becomes stronger especially in summer fertilization. There is higher CODMncontamination after heavy rain in early-spring.The combined effect of the rainfall and fertilization is the main factor causing the non-point pollution in Yujia River watershed.The main polluting area of the watershed was middle-part concentrated,which was mainly caused by kiwifruit fertilization,additionally,pollution from local living-residents may also be a reason to the total pollution.

rainfall;fertilization;nitrogen;phosphorus;organic matter;spatial distribution

X522

A

1672-2043(2017)01-0158-09

10.11654/jaes.2016-0893

2016-07-06

郭澤慧(1992—)，女，山西山陰人，碩士研究生，從事生態(tài)環(huán)境工程研究。E-mail：guozehui_123@163.com

*通信作者：黃懿梅 E-mail：ymhuang1971@nwsuaf.edu.cn

國家科技支撐計劃項目“秦嶺山地農(nóng)業(yè)面源污染防控關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(2012BAD15B04)

Project supported：T卜e National Key Tec卜nology Researc卜and Development Program of t卜e Ministry Science and Tec卜nology of C卜ina(2012BAD15B04)

郭澤慧，劉 洋，黃懿梅，等.降雨和施肥對秦嶺北麓俞家河水質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2017,36(1)：158-166.

GUO Ze-hui,LIU Yang,HUANG Yi-mei,et al.Effects of rainfall and fertilization on water quality of the Yujia River watershed in the northern Qinling Mountains[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36(1)：158-166.