下墊面對漓江上游小流域氮磷污染排放的影響

張麗華，代俊峰,2，莫磊鑫，蘇毅捷，曾鴻鵠,2

(1. 桂林理工大學(xué)，廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2. 桂林理工大學(xué)，巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004)

氮磷隨徑流流失導(dǎo)致的水環(huán)境問題日益突出，造成的面源污染備受關(guān)注。不同下墊面下氮磷流失存在較大差異[1]，農(nóng)業(yè)化肥的大量投入，水產(chǎn)養(yǎng)殖的棄物排放，對區(qū)域水水質(zhì)變化產(chǎn)生了一定影響。近年來，諸多學(xué)者對降雨徑流[2-4]、不同土地利用結(jié)構(gòu)[5-7]、不同的施肥和灌溉方式[8-10]等方面，對氮磷遷移影響做了相關(guān)的研究，但對漓江流域上游不同下墊面(稻田、果樹、水產(chǎn)及養(yǎng)殖)條件下氮磷的污染排放影響研究較少。

2013 年CNN 評選15 條全球最美河流，漓江是中國河流唯一入選者。但是，漓江的水環(huán)境現(xiàn)狀卻不容樂觀，漓江流域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉面積416 萬hm2[11]，農(nóng)田施用的農(nóng)藥、化肥，農(nóng)村水產(chǎn)、家禽養(yǎng)殖和生活污水，通過徑流排水匯入漓江，導(dǎo)致漓江氮、磷污染。本文通過對漓江流域上游青獅潭灌區(qū)金龜河試區(qū)農(nóng)田、果樹、魚塘、養(yǎng)殖等4個(gè)不同下墊面情況下的氮磷排放進(jìn)行研究，分析不同下墊面條件下污染物對河流水質(zhì)的影響，為漓江流域的面源污染防治提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 區(qū)域概況

金龜河試驗(yàn)區(qū)地處廣西桂林市臨桂縣廟嶺鄉(xiāng)境內(nèi)，是漓江流域上游青獅潭灌區(qū)西干渠的一條支渠，位于北緯25°17′～25°22′，東經(jīng)110°09′～110°14′之間，氣候溫和濕潤，雨量充沛，雨季一般為每年3-8月，其年降雨量為1 853.7 mm，雨季降雨量占全年降雨量的75%～77%；年平均蒸發(fā)量為1 300 mm左右，年平均氣溫在20°左右，屬于典型亞熱帶季風(fēng)氣候[12]。該區(qū)域土壤主要為紅壤，偏酸性，富鋁化強(qiáng)烈。金龜河試區(qū)是青獅潭灌區(qū)比較有代表性的灌區(qū)小流域，多為水稻種植。

1.2 灌區(qū)下墊面分類

通過對金龜河試區(qū)的資料收集，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)研，利用ArcGIS的水文分析模塊和流域DEM圖(中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心提供30 m分辨率數(shù)據(jù))，生成金龜河試區(qū)子流域劃分圖(見圖1)。

圖1 金龜河試區(qū)子流域劃分圖

對劃分的子流域模塊進(jìn)行實(shí)地考察后，選取農(nóng)田、果樹、魚塘、養(yǎng)殖等4種不同的下墊面。其中，在子流域1里選取農(nóng)田下墊面；子流域2內(nèi)有成片的魚塘，選取魚塘下墊面；子流域3內(nèi)為果樹培養(yǎng)基地，選取果樹下墊面；子流域7內(nèi)有大量的養(yǎng)殖業(yè)(養(yǎng)豬、養(yǎng)鴨)，選取養(yǎng)殖下墊面。由此，選取子流域1、2、3、7進(jìn)行不同下墊面條件下氮磷排放野外原位試驗(yàn)研究。子流域下墊面情況見表1。

表1 子流域內(nèi)不同下墊面下情況

1.3 采樣點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)金龜河試區(qū)子流域劃分圖和實(shí)地調(diào)查情況，在各子流域出水口斷面的水樣進(jìn)行采集。對子流域1、2、3、7的下墊面進(jìn)行深入分析后，分別在選定下墊面的支渠(河流)斷面的前后進(jìn)行水樣采集，以便評估下墊面氮磷排放對支渠水質(zhì)的影響。圖1顯示，子流域1中1-2和1-3分別為農(nóng)田的進(jìn)出水口，子流域2中2-2和2-3分別為魚塘的進(jìn)出水口，子流域3中3-1和3-2分別為果樹的進(jìn)出水口，子流域7中7-1和7-2分別為養(yǎng)殖的進(jìn)出水口。分別在選定下墊面的溝渠進(jìn)出水口設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，以每月單次采集水樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中包括雨季暴雨，冬季枯水等多種情況。分析進(jìn)出水口的水質(zhì)變化，并估算下墊面污染物對水質(zhì)的貢獻(xiàn)量。

1.4 水質(zhì)分析

不同下墊面進(jìn)出水口流域斷面水樣的分析指標(biāo)包括pH、溫度、化學(xué)需氧量、溶解氧、電導(dǎo)率、鈣離子、氯離子、氨氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷等指標(biāo)。其中pH、溫度、電導(dǎo)率、化學(xué)需氧量、鈣離子、氯離子是用多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)HORIBA W-233XD現(xiàn)場監(jiān)測記錄，溶解氧是用便攜式溶氧儀測得并記錄。現(xiàn)場采集水樣，密封冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室，24 h內(nèi)測定其氨氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷指標(biāo)。氨氮采用納氏試劑分光光度法測定，硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測定，總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，總磷采用過硫酸鉀消解-鉬藍(lán)比色-紫外可見分光光度法測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)

單個(gè)污染物的月污染負(fù)荷量Q(kg)為單月降雨產(chǎn)生徑流量qiα加上青獅潭西干渠的灌水補(bǔ)給量qjβ(每年的4-11月為灌水補(bǔ)給)之和，乘以單月平均污染物含量[13]，即：

Q=(∑ni=1qiα+qjβ)C

(1)

Q=(∑ni=1qiα)C

(2)

式中：C為統(tǒng)計(jì)月度內(nèi)徑流平均污染物的含量，每月進(jìn)行3次監(jiān)測，取其平均值代表當(dāng)月污染物平均含量，mg/L；qi為統(tǒng)計(jì)月度內(nèi)每次降雨的降雨總量，m3；α為降雨徑流系數(shù)；β為灌溉系數(shù)，根據(jù)桂林水文資料，研究區(qū)域位于臨桂地區(qū)，選取降雨徑流系數(shù)0.65，灌溉系數(shù)0.35。

對于子流域1，因其有青獅潭灌區(qū)西干渠直接的灌溉水量補(bǔ)給，可利用公式(1)計(jì)算得到單個(gè)污染物的月污染負(fù)荷量；對于其他沒有直接水量補(bǔ)給的子流域，利用公式(2)計(jì)算單個(gè)污染物的月污染負(fù)荷量。

2 不同下墊面氮磷輸出特征

2.1 不同下墊面氮磷輸出主要形式及水質(zhì)影響主成分

根據(jù)實(shí)際采樣的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對4種下墊面下氨氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷進(jìn)行分析。根據(jù)國家環(huán)保部發(fā)布的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值，以及桂林市桃花江水環(huán)境功能區(qū)劃，金龜河流域?yàn)榈冖躅愃骩14]，其排放氨氮、總氮、總磷的標(biāo)準(zhǔn)分別2.0、2.0、0.4 mg/L，而根據(jù)集中式生活飲用地表水水源硝態(tài)氮標(biāo)準(zhǔn)限值為10 mg/L[15]。金龜河試區(qū)不同下墊面下污染物排放濃度如圖3所示，養(yǎng)殖下墊面是氨氮、總氮、總磷污染物排放量最高的下墊面，其平均濃度分別為12.68、19.39、0.89 mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了第Ⅴ類水的標(biāo)準(zhǔn)限值；其次是魚塘下墊面，其氨氮、總氮、總磷排放平均濃度分別為1.13、2.62、0.26 mg/L，除了總氮超出第Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)限值之外，其余均在標(biāo)準(zhǔn)限值之下；農(nóng)田和果樹兩個(gè)下墊面的氨氮、總氮、總磷排放均在標(biāo)準(zhǔn)限值之內(nèi)，而硝態(tài)氮含量最高一次為3.25 mg/L，其對水質(zhì)沒有影響。

圖2 不同下墊面下氨氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷實(shí)測值

運(yùn)用主成分分析法，根據(jù)實(shí)際需求以具有一定相關(guān)性的污染物(如：氨氮、硝態(tài)氮、總氮、總磷)變量重新組合確定流域水質(zhì)影響的主要成分[16]，應(yīng)用SPSS23對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后得到相關(guān)矩陣、特征值和方差貢獻(xiàn)率，從而確定不同下墊面的污染物的主要貢獻(xiàn)因子，通過主成分分析表2可知，影響金龜河試區(qū)水質(zhì)的主要因子為2類，累積為全部水質(zhì)影響因子的97.56%。第一類主成分為氨氮、總氮、總磷，其累積貢獻(xiàn)率為70.43%，說明金龜河水質(zhì)受氨氮、總氮、總磷影響較大。第二類主成分貢獻(xiàn)率為27.13%，與硝態(tài)氮相關(guān)。第一類主成分貢獻(xiàn)率比第二類主成分貢獻(xiàn)率高43.3%，所以金龜河水質(zhì)主要受第一主成分的影響，即氨氮、總氮、總磷為金龜河水質(zhì)的主要污染物的一部分。因此，以下選取氨氮、總氮、總磷為不同下墊面污染的主要評價(jià)指標(biāo)。

2.2 不同下墊面氮磷貢獻(xiàn)量

表2 主成分分析

根據(jù)主成分分析，選取不同下墊面條件的氨氮、總氮、總磷等3個(gè)主要污染物進(jìn)行分析，揭示不同下墊面的污染物進(jìn)入金龜河支渠后對金龜河水質(zhì)的影響。根據(jù)單個(gè)污染物負(fù)荷計(jì)算得到不同下墊面的氮磷貢獻(xiàn)量，如圖3所示，養(yǎng)殖業(yè)氨氮和總氮貢獻(xiàn)量最大，月平均排放量達(dá)到215.39和298.23 kg。在春季(3-5月)，養(yǎng)殖業(yè)氨氮和總氮排量相對于冬季(11-1月)有明顯的加大，這是由于冬季枯水養(yǎng)殖密度降低，為保證居民生活和河流水質(zhì)，對流域周邊的養(yǎng)豬場廢液排放進(jìn)行限制，春季降雨較多，河流水量增大，養(yǎng)殖活動(dòng)活躍，養(yǎng)殖廢液排量增大，因此造成養(yǎng)殖業(yè)氨氮和總氮排量春季比冬季高；而農(nóng)田和魚塘面積相對變化不大，但在春季農(nóng)田播種施肥時(shí)，致使氨氮、總氮、總磷污染物排放有所提高，再加上雨水的擾動(dòng)加大對顆粒肽氮、磷的排量[17]。農(nóng)田氨氮、總氮、總磷的月平均排量為9.94、35.65、2.42 kg，其在3-5月氮磷排量均有大幅度增加，這是由于農(nóng)田翻動(dòng)及部分早稻種植影響。魚塘氨氮、總氮、總磷的月平均排量為18.61、32.63、2.69 kg，其相對養(yǎng)殖業(yè)排量增加較小。果樹是坡地種植，一般抽水灌溉灌水量較小，污染物排放較少，降雨對氨氮、總氮、總磷排量影響較大。所以對河流水質(zhì)影響相對較小。綜上，不同下墊面下氮磷污染物排量呈現(xiàn)養(yǎng)殖>魚塘>農(nóng)田>果樹。

圖3 不同下墊面污染物月排量統(tǒng)計(jì)值

2.3 不同下墊面間污染物輸出差異

為了探討不同下墊面下氨氮、總氮、總磷的污染特性差異，選取這3種污染物指標(biāo)為因變量，4種不同下墊面為因子，取不同種下墊面的氨氮、總氮、總磷的月排量進(jìn)行單因素方差分析，單因素方差分析(ANOVA)是用于兩個(gè)及以上樣本均數(shù)差別的顯著性檢驗(yàn)[18]，分析結(jié)果見表3。在ANOVA分析結(jié)果中，氨氮和總氮的顯著性水平最高，其顯著性水平值為0，而不同下墊面總磷的差異水平較小，其顯著性水平值為0.019。分析得到不同下墊面之間差異顯著的因子大于設(shè)定的0.05。結(jié)果表明，不同下墊面對同一種污染物的輸出存在著差異，因此對河流污染的貢獻(xiàn)也存在一定的差異。

表3 不同下墊面下ANOVA分析

注：差異性顯著水平大于0.05為不顯著。

由單因素方差分析得知，在不同下墊面下同種污染物排放存在顯著差異。那對于兩兩下墊面間污染物排放的差異關(guān)系，通過LSD法分析對不同下墊面兩兩之間的污染物排放差異進(jìn)行比較?；谙聣|面的氨氮、總氮、總磷污染物月排量，對選定的4種下墊面進(jìn)行兩兩比較，結(jié)果如表4所示。對比于顯著性設(shè)定值0.05，養(yǎng)殖下墊面與其他3種下墊面差異性最大，其氨氮、總氮、總磷顯著性水平均為0，而其他下墊面的污染物排放雖然存在差異，但兩兩下墊面之間顯著性水平不高，農(nóng)田和果樹的氨氮顯著性水平最小為0.914；農(nóng)田和魚塘的總氮及總磷顯著最小，分別為0.960，0.973。由此可知，養(yǎng)殖下墊面對比于其他3種下墊面差異性最大，污染物月排量對河流水質(zhì)影響最為嚴(yán)重。

表4 不同下墊面下 LSD 分析

注：差異性顯著水平大于0.05為不顯著。

3 結(jié) 語

2016年10月至2017年5月在漓江流域上游青獅潭灌區(qū)金龜河(支渠)試區(qū)開展野外原位試驗(yàn)，選取4種典型的下墊面進(jìn)行徑流排水和水質(zhì)的監(jiān)測，分析結(jié)果表明，金龜河試區(qū)水質(zhì)主要受2種主成分影響，其第一主成分貢獻(xiàn)率為70.43%，與氨氮、總氮、總磷3種主要因子有密切聯(lián)系；第二主成分貢獻(xiàn)率為27.13%，與硝態(tài)氮相關(guān)；由此可確定金龜河流域水質(zhì)的污染指標(biāo)主要為氨氮、總氮、總磷。

總氮是金龜河流域污染較嚴(yán)重的指標(biāo)，其中養(yǎng)殖下墊面和魚塘下墊面均超過國家環(huán)保部發(fā)布的第V類地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值，總磷和氨氮指標(biāo)只有養(yǎng)殖下墊面超過標(biāo)準(zhǔn)限值，其余均在標(biāo)準(zhǔn)限值以內(nèi)。對于這4種不同下墊面下，污染物輸出存在很大差異，其養(yǎng)殖業(yè)對水質(zhì)污染貢獻(xiàn)最大，其氨氮、總氮、總磷均超出標(biāo)準(zhǔn)限值6倍、9倍和2倍，對河流水質(zhì)影響最嚴(yán)重。

在金龜河試區(qū)，雨季降雨量大時(shí)，對污染物輸出影響較大，其中養(yǎng)殖業(yè)氨氮在雨季每月排量為350～430 kg，是冬季最小排量的12倍左右；總氮排量為400～510 kg，是冬季最小排量的15倍左右；而總磷影響最大，其雨季最大月排量為69 kg，相當(dāng)于冬季最小排量的170倍左右。因此，應(yīng)采取有效的措施，控制金龜河試區(qū)養(yǎng)殖業(yè)污水排放。

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