洱海農(nóng)田生產(chǎn)/生活景觀區(qū)交替分布及晝夜節(jié)律對(duì)豐水期溝渠水質(zhì)影響

謝 坤，吳 凡，羅 元 ，張克強(qiáng)，沈仕洲，王淑茹，王 風(fēng)*，吳國(guó)云,姚金玲

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大理農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，云南 大理 671004；4.大理市灣橋鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)站，云南 大理 671008）

洱海是云貴高原第二大淡水湖泊，位于大理白族自治州，是大理人民的母親湖。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，洱海也出現(xiàn)了氮磷污染負(fù)荷增加與水體污染問(wèn)題。在洱海水質(zhì)保護(hù)與污染防治工作強(qiáng)化推進(jìn)過(guò)程中，目前水質(zhì)常年處于Ⅱ至Ⅲ類之間[1]，處于初期富營(yíng)養(yǎng)化階段[2]。已有研究工作表明，流域內(nèi)農(nóng)田與農(nóng)村面源污染是洱海氮磷污染負(fù)荷的主要來(lái)源[3]。其中，氮污染負(fù)荷中農(nóng)田比重最大，約占總氮負(fù)荷的39%；農(nóng)村固體廢物約占38%；農(nóng)村生活廢水約占13%；水土流失約占10%。磷污染負(fù)荷中農(nóng)村固體廢物比重最大，約占總磷負(fù)荷的41%；農(nóng)田約占33%；農(nóng)村生活廢水約占10%；水土流失約占16%[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，洱海流域化肥利用率僅為24.50%，每年約有13.87萬(wàn)～27.88萬(wàn)t的N、P殘留在農(nóng)田土壤[5]。在豐水期降水產(chǎn)徑流作用下農(nóng)田成為水體N和P負(fù)荷的重要來(lái)源，降水強(qiáng)度也影響著農(nóng)村生活對(duì)N和P的負(fù)荷比重[6]。洱海流域豐水期（雨季）為每年5到10月，豐水期為洱海流域農(nóng)事耕作的集中期，促進(jìn)了N、P面源污染物發(fā)生；枯水期（旱季）為每年11月至次年4月，該時(shí)期因降水較少而N、P負(fù)荷相應(yīng)降低。

洱海海西是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活最集中的區(qū)域，該區(qū)域自西向東依次為蒼山山地-緩坡地過(guò)度帶-洱海，蒼山-洱海沿線建有多條溝渠用于農(nóng)業(yè)灌排水使用，溝渠流經(jīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活區(qū)域最為典型的就是“田-村”景觀單元交替分布模式。流域內(nèi)通常的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方式為人工取樣監(jiān)測(cè)，且多以單一監(jiān)測(cè)位點(diǎn)和單次監(jiān)測(cè)作為主要監(jiān)測(cè)方案，該種監(jiān)測(cè)方案不能有效區(qū)分農(nóng)田生產(chǎn)和農(nóng)村生活對(duì)溝渠水質(zhì)的影響，另外，村民生活作息周期與晝夜節(jié)律也導(dǎo)致水質(zhì)在一天內(nèi)的巨大變化。本研究擬通過(guò)對(duì)典型溝渠設(shè)置不同取樣斷面，進(jìn)行晝夜的連續(xù)取樣監(jiān)測(cè)分析，以揭示農(nóng)田生產(chǎn)/農(nóng)村生活以及晝夜節(jié)律對(duì)水質(zhì)的影響，為全面了解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村生活單元面源污染發(fā)生特征提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 研究區(qū)域和取樣位點(diǎn)布置圖Figure1 Study area and sampling site layout

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域介紹

選擇大理市大理鎮(zhèn)“官莊-呈莊”沿線農(nóng)田-村莊溝渠為對(duì)象（圖1），該溝渠經(jīng)由214國(guó)道-大麗路-沿線農(nóng)田和村莊后注入洱海，該區(qū)域?qū)儆诘途暩咴衼啛釒髂霞撅L(fēng)氣候類型，年均降水量約908.8 mm，豐水期降水量占全年85%～96%[7-8]，枯水期溝渠時(shí)常斷流。研究區(qū)域溝渠水源為蒼山自然流水，經(jīng)上游村莊和農(nóng)田匯集在取樣斷面1，斷面1至斷面6溝渠總長(zhǎng)約為2.72 km，溝渠寬度在0.25～0.75 m之間，溝渠功能為灌排一體，沿程農(nóng)田地表徑流匯集進(jìn)入溝渠，無(wú)其他支流溝渠匯入。溝渠構(gòu)造通常有自然植被生長(zhǎng)的生態(tài)溝渠和混凝土溝渠兩類。村莊段均為混凝土溝渠，如斷面2到斷面3溝渠寬0.50 m×深0.30 m，底泥約1～2 cm；斷面4到斷面5溝渠寬0.85 m×深0.40 m，底泥約3～10 cm。村莊雖然實(shí)施了生活污水管網(wǎng)化收集系統(tǒng)改造，但仍存在收集不完全現(xiàn)象。農(nóng)田段斷面1到斷面2與斷面3到斷面4同為生態(tài)溝渠，溝渠寬×深分別為0.4 m×0.2 m和0.35 m×0.1 m，溝渠植被都以當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)優(yōu)勢(shì)植物水芹[Oenanthe javanica（Blume）DC]、水芒稗（Echinochloa caudata Roshev.）和水蓼（Polygonum hydropiper L.）等為主。研究區(qū)域農(nóng)田以大蔥、茄子和青筍等一年生蔬菜作物為主，取樣期間作物多處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期或結(jié)果初期，此時(shí)期需肥量較大，平均7～10 d以復(fù)合肥追施1次，追施方式主要為穴施和表施，每次追施112～150 kg N·hm-2。兩段溝渠區(qū)域匯水面積分別為15.56 hm2和8.48 hm2，坡度分別為2.1°和1.3°；農(nóng)田段斷面5到斷面6為混凝土溝渠，渠寬0.45 m×深0.75 m，底泥深度小于0.50 cm，周邊農(nóng)田以種植大蔥、豆角和青筍等蔬菜作物為主，匯水面積約0.72 hm2，坡度約為0.97°。

1.2 樣品采集

2018年6月21—23日進(jìn)行連續(xù)采樣，以溝渠流經(jīng)的生產(chǎn)生活單元?jiǎng)澐譃?個(gè)單元和6個(gè)采樣監(jiān)測(cè)斷面，分別作為農(nóng)田和村莊的入水和出水。采樣時(shí)間為6：00—22：00，每隔2 h采樣1次，22：00到次日6：00每隔4 h采樣1次，每個(gè)斷面采樣時(shí)間控制在±10 min內(nèi)。取樣時(shí)使用經(jīng)pH＜2的硫酸浸泡并清洗的250 mL聚乙烯塑料瓶收集水深1/2處水樣，所采集樣品在4℃冰箱低溫保存，24 h內(nèi)送回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。

1.3 樣品分析方法

水樣中總氮（TN）采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，銨態(tài)氮（）采用納氏試劑比色法，硝態(tài)氮（）采用酚二磺酸分光光度法，總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法，可溶性總磷（DP）采用0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾預(yù)處理，測(cè)定方法同總磷，顆粒態(tài)磷（PP）通過(guò)TP與DP計(jì)算而來(lái)，COD采用酸性法重鉻酸鹽指數(shù)法。以上指標(biāo)均選用國(guó)標(biāo)測(cè)試方法[9]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示，采用SPASS 22軟件進(jìn)行ANOVA方差顯著性分析和LSD檢驗(yàn)，采用Excel制圖。圖1至圖4中每個(gè)數(shù)值為2 d所有水樣（n=20）測(cè)試平均值，圖5至圖7中每個(gè)數(shù)值為2 d中相同時(shí)段數(shù)據(jù)的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同生產(chǎn)生活單元溝渠斷面水質(zhì)特征

2.1.1 水質(zhì)氮素濃度變化特征

不同生產(chǎn)生活單元溝渠斷面氮素形態(tài)和濃度變化特征見(jiàn)圖2。溝渠水質(zhì)TN濃度變化特征相似，呈現(xiàn)出先快速增加，在斷面4濃度達(dá)到最大，隨后相對(duì)穩(wěn)定或略有降低。TN、濃度最大值和最小值均分別出現(xiàn)在斷面4和斷面1。以斷面4為分界點(diǎn)，前3個(gè)斷面TN濃度分別比前段增加47.45%、57.36%和16.44%。同TN相似，濃度分別比前段增加71.66%、41.75%和19.97%。農(nóng)田段濃度增加與周邊大面積的大蔥、茄子等蔬菜種植有關(guān)，該季節(jié)豐富的降水將農(nóng)田大量未利用化肥沖刷經(jīng)地表或淋溶側(cè)滲進(jìn)入溝渠[10]；生活段溝渠水質(zhì)TN和濃度升高，主要由于村污水管網(wǎng)未能完全收集所有污水，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查也發(fā)現(xiàn)部分污水管道存在“跑冒滴漏”現(xiàn)象。所有取樣斷面濃度變化比TN和平穩(wěn)，濃度范圍在0.34～0.90 mg·L-1之間。另外，溝渠水質(zhì)濃度呈現(xiàn)出田后降低，出村后增加的特征。一方面可能因?yàn)闇锨兴藓退さ戎参锿ㄟ^(guò)網(wǎng)狀根系對(duì)溝渠中有吸收和硝化作用[11-12]，以及混凝土溝渠粗糙內(nèi)壁和溝中碎石塊相應(yīng)的吸附-解吸作用[13]，這與王巖等[14]的研究結(jié)果一致。另一方面，由于村莊內(nèi)高含廢水直排入溝，造成溝渠濃度的升高。溝渠出田段水樣（斷面2、斷面4、斷面6）濃度分別比入田平均降低2.08%、53.42%和55.56%，溝渠出村段水樣（斷面3、斷面5）濃度分別比入村水樣平均增加了29.17%和37.78%。

圖2 不同生產(chǎn)生活單元溝渠斷面氮素濃度Figure2 N concentrations from ditch water

圖3 不同生產(chǎn)生活單元溝渠斷面磷素濃度Figure3 P concentrations from ditch water

2.1.2 水質(zhì)磷素濃度變化特征

不同生產(chǎn)生活單元溝渠斷面磷素形態(tài)和濃度變化特征見(jiàn)圖3。溝渠水質(zhì)TP和DP濃度變化特征相似，斷面1水質(zhì)濃度最小，且濃度逐漸積累增加，在斷面6水質(zhì)濃度達(dá)到最大。各斷面TP濃度增長(zhǎng)范圍在3.12%～45.45%之間，以斷面3為分界點(diǎn)，前2個(gè)斷面TP濃度增幅最大。DP濃度相對(duì)于TP變化幅度相對(duì)較平緩，各斷面DP濃度增長(zhǎng)率在3.23%～83.33%之間。上述結(jié)果說(shuō)明農(nóng)田溝渠徑流中磷含量趨勢(shì)變化與農(nóng)村生活污水排放、農(nóng)作物種植和農(nóng)田化肥施用量有直接的關(guān)系。因研究區(qū)以蔬菜為主要農(nóng)作物，且較高蔬菜復(fù)種指數(shù)、大量化肥及農(nóng)家肥施用，氮磷污染物在雨季大量被雨水沖刷進(jìn)入溝渠，使得濃度升高造成水體污染[15]，也有研究證實(shí)蔬菜氮磷流失比一般旱作耕地要高[16-17]。PP相對(duì)于TP和DP呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律，在斷面3處達(dá)到最大濃度，PP濃度范圍在0.05～0.16 mg·L-1之間。斷面2到段面3和斷面4到斷面5出村段PP濃度分別增加50.00%和14.29%。斷面3到段面4和斷面5到斷面6所處溝渠出田段PP濃度分別降低25.00%和14.29%。農(nóng)田自然生態(tài)溝渠在一定程度上可以被認(rèn)為是濕地形態(tài)的一種[18-19]，農(nóng)田生態(tài)溝中以水芒稗和水蓼等濕地植物生長(zhǎng)為主，這些植物對(duì)水質(zhì)中PP起到一定攔截作用[20]。水質(zhì)中PP和DP濃度共同作用決定了TP濃度的變化，6個(gè)斷面PP和DP占TP的范圍分別為36.36%～51.61%和48.39%～63.64%。

圖4 不同生產(chǎn)生活單元溝渠斷面COD濃度Figure4 COD concentrations from ditch water

2.1.3 水質(zhì)COD濃度變化特征

不同生產(chǎn)生活單元溝渠斷面COD濃度變化特征見(jiàn)圖4。溝渠水質(zhì)COD濃度范圍在30.74～85.51 mg·L-1之間，最小值和最大值分別在斷面2和斷面3。出田水質(zhì)COD濃度降低，出村濃度增加。出田水質(zhì)COD濃度比入田COD濃度降低了23.65%～38.19%，最大削減率出現(xiàn)在斷面5到斷面6，因?yàn)榛炷翜锨挾容^大、水流速度較小，流通用時(shí)較長(zhǎng)，溝渠壁較為粗糙，溝渠中存在較多碎石，溝渠壁和碎石表面附著微生物，使得對(duì)COD起到一定削減作用，降低水體中COD濃度[21]。溝渠經(jīng)村段對(duì)水質(zhì)COD濃度貢獻(xiàn)較大，比入村COD濃度增加24.70%～178.17%，最大增加率出現(xiàn)在斷面2到斷面3。

2.2 生活作息周期與晝夜節(jié)律溝渠斷面水質(zhì)動(dòng)態(tài)特征

2.2.1 水質(zhì)氮素濃度動(dòng)態(tài)變化特征

作息周期和晝夜節(jié)律溝渠斷面氮素濃度動(dòng)態(tài)特征見(jiàn)圖5。全天各時(shí)段溝渠斷面水質(zhì)TN和濃度在斷面1到斷面4之間逐漸增加，斷面5到斷面6變化不明顯甚至略有降低。各斷面從早晨6：00到凌晨2：00水質(zhì)TN和濃度總體呈降低趨勢(shì)，可能因豐水期當(dāng)?shù)卮迕裨缙疝r(nóng)作，早餐和炊事時(shí)間提前，農(nóng)事操作也主要集中在上午時(shí)段，下午隨氣溫升高紫外線增強(qiáng)，農(nóng)事活動(dòng)減弱。此外，部分?jǐn)嗝嬖谏罟?jié)律作用下氮素濃度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，如斷面3的濃度在12：00和接近8：00，因?yàn)槲绮秃屯聿投霈F(xiàn)突然升高。斷面2水質(zhì)TN濃度與斷面1濃度差與兩個(gè)斷面濃度差接近，表明斷面1和斷面2之間的農(nóng)田是的重要來(lái)源，同時(shí)的濃度變化也決定了TN濃度。同理，斷面2和斷面3之間的村莊也是的重要來(lái)源。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)斷面1和斷面2之間的農(nóng)田對(duì)或TN濃度貢獻(xiàn)大于斷面3和斷面4之間的農(nóng)田；斷面2和斷面3之間的村莊對(duì)N或TN濃度貢獻(xiàn)大于斷面4和斷面5之間的村莊。這個(gè)現(xiàn)象可能與地勢(shì)坡度有關(guān)，斷面1到斷面3之間臨近蒼山腳，斷面3到斷面5臨近洱海邊，因而斷面1到斷面3之間坡度更大，更加有利于徑流或沖刷流失[22]。濃度總體較低，但呈現(xiàn)出田消減與出村增加的趨勢(shì)[23]。

2.2.2 水質(zhì)磷素濃度動(dòng)態(tài)變化特征

作息周期和晝夜節(jié)律溝渠斷面磷素濃度動(dòng)態(tài)特征見(jiàn)圖5。溝渠6個(gè)采樣斷面中TP、DP和PP濃度晝夜變化幅度總體較小，不同斷面濃度均在0.1 mg·L-1范圍內(nèi)變動(dòng)。不同斷面間晝夜節(jié)律溝渠水質(zhì)TP濃度相比，斷面2和斷面3變化較大，斷面2水質(zhì)TP濃度與斷面1濃度差較大，表明斷面1和斷面2之間的農(nóng)田是水質(zhì)TP的重要來(lái)源，同理斷面2和斷面3之間的農(nóng)田是水質(zhì)TP的重要來(lái)源，同時(shí)DP和PP濃度及不同斷面變化趨勢(shì)接近，對(duì)TP的貢獻(xiàn)相當(dāng)?？傮w來(lái)看，水質(zhì)磷素濃度隨作息周期和晝夜節(jié)律變化不如氮素明顯，且全天濃度較低，可能與磷素比氮素更容易固定有關(guān)[24]。此外，斷面3夜晚20：00 DP和PP濃度高峰可能主要是由洗漱造成的，這也是導(dǎo)致此時(shí)段TP濃度高峰的原因。

2.2.3 水質(zhì)COD濃度動(dòng)態(tài)變化特征

作息周期和晝夜節(jié)律溝渠斷面COD濃度動(dòng)態(tài)特征見(jiàn)圖6?？傮w發(fā)現(xiàn)斷面1和斷面2之間的農(nóng)田以及斷面3和斷面4之間農(nóng)田均對(duì)COD有一定消減作用，斷面3和斷面4之間農(nóng)田去除作用更加明顯，表明農(nóng)田具有一定去除COD的能力，可能主要通過(guò)生物溝渠根系過(guò)濾攔截與底泥沉淀消減[25-26]。斷面2和斷面3之間的村落以及斷面4和斷面5之間村落均對(duì)COD有一定增加作用，斷面2和斷面3之間村落增加作用更加明顯，通過(guò)斷面3和斷面5可知村落白天COD濃度高峰基本出現(xiàn)在6：00—10：00之間，表明早晨為白天生活廢水排放高峰期，在斷面5中夜晚20：00后出現(xiàn)濃度升高，可能與睡前洗漱有關(guān)，且村落污水收集管網(wǎng)可能存在收水不完全的情況，使部分污水排放到溝渠中，并且斷面2和斷面3之間村落收水系統(tǒng)較斷面4和斷面5之間村落更差。

圖5 作息周期和晝夜節(jié)律溝渠斷面氮素和磷素濃度Figure5 Nitrogen and phosphorus concentrations from different section points

圖6 作息周期和晝夜節(jié)律溝渠斷面COD濃度Figure6 COD concentrations from different section points

3 結(jié)論

（2）溝渠水質(zhì)受取樣斷面和采樣時(shí)間影響較大，受農(nóng)田生產(chǎn)和農(nóng)村生活共同影響的區(qū)域應(yīng)盡力增加取樣位點(diǎn)和提高取樣頻率以提高水樣代表性。洱海流域農(nóng)田溝渠設(shè)置為自然生態(tài)溝渠能夠更加有利于污染物去除，農(nóng)村生活污水收集管道應(yīng)該進(jìn)一步完善，提高收水效率，減少生活污染排放。