稻田集中退水期田面水質(zhì)特征其與土壤養(yǎng)分關(guān)系研究

朱載祥，趙朋曉，涂為民，林 梟，李 永，梁瑞峰

(1.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065； 2.中國電建集團 華東勘測設(shè)計院有限公司，杭州 310014； 3.四川省環(huán)境工程評估中心，成都 610031)

1 前 言

長江流域是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，也因此而面臨著農(nóng)作物生產(chǎn)所引起的大量水體污染問題。長江大保護戰(zhàn)略已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，全面了解長江流域農(nóng)業(yè)灌溉退水污染情況勢在必行。

農(nóng)業(yè)面源污染已成為影響我國農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的主要因素[1]。目前關(guān)于農(nóng)作物種植產(chǎn)生的灌溉退水水質(zhì)的研究主要集中在田面水中N、P濃度動態(tài)變化規(guī)律研究和農(nóng)田排水溝水質(zhì)研究兩個方面。田玉華[2]等人采用田間實驗的方法研究發(fā)現(xiàn)田面水中總氮(TN)、總磷(TP)和溶解態(tài)無機磷(DIP)的濃度在施肥后很快達到峰值，之后迅速下降，后趨于穩(wěn)定，其變化可以采用指數(shù)模型來描述。黃才洪[3]對成都平原砂壤土和重壤土兩種土質(zhì)類型田面水中N、P含量研究發(fā)現(xiàn)，砂壤土上，田面水中總氮(TN)質(zhì)量與施氮量成正相關(guān)，在重壤土上，田面水中總氮(TN)質(zhì)量與施氮量不成線性相關(guān)。張水銘[4]認為稻田降雨引起的排水濃度較低，高濃度的排水發(fā)生在田間長期積水或水稻生長需要的田間排水。農(nóng)田排水溝渠是農(nóng)田流失氮磷進入受納水體前的運輸通道[5]，部分學者對灌區(qū)排水溝的水質(zhì)開展研究。黃仲冬[6]等人對寧夏引黃灌區(qū)排水溝水質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，灌區(qū)各排水溝都受到了不同程度的污染，大部分排水溝為劣V類水質(zhì)。

影響農(nóng)業(yè)灌溉退水水質(zhì)的因素有很多，如自然地理條件、灌溉方式、農(nóng)藥化肥施用方式及數(shù)量、灌區(qū)水資源管理水平等[7]，其中化肥施用不當導致的土壤污染板結(jié)，是灌溉退水水質(zhì)惡化的主要原因之一[8-9]。眼下各方從不同的角度研究了灌溉退水的水質(zhì)現(xiàn)狀、時空變化規(guī)律與影響因素，證明了農(nóng)業(yè)灌溉退水會引起河流水體營養(yǎng)物質(zhì)濃度升高，水質(zhì)變差的事實，但是針對退水量大、退水時間集中的集中退水期的田面水質(zhì)情況及該時期田面水質(zhì)與田間土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系研究較少，亟待針對性研究以填補此部分內(nèi)容的不足。

長江流域主要糧食作物為水稻，所以本文以水稻集中退水期田面水及田間土壤為研究對象，于四川省內(nèi)的岷江流域、沱江流域與嘉陵江流域等幾大長江主要支流流域上布設(shè)采樣點位并在集中退水期采集田面水樣和土樣，進行了水質(zhì)分析并研究了水質(zhì)濃度與土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系，有助于全面了解集中退水期農(nóng)業(yè)灌溉回歸水的水質(zhì)特征，為長江流域生態(tài)環(huán)境保護相關(guān)研究與決策提供科學依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

沱江為長江上游一級支流，流域內(nèi)土壤肥沃, 農(nóng)業(yè)發(fā)達, 是四川省最主要的糧、油、糖產(chǎn)區(qū)。流域內(nèi)的灌區(qū)主要集中在上游的河谷地區(qū)、中游的平原地區(qū)、下游的丘陵地區(qū), 灌區(qū)主要包括成都市的都江堰和金堂、內(nèi)江市的隆昌、威遠等。

岷江為長江上游一級支流，岷江干流中游區(qū)土壤肥沃，灌溉條件優(yōu)越，是四川省糧食主產(chǎn)區(qū)之一。流域內(nèi)灌區(qū)主要分布在中游平原區(qū)，已建成大型灌區(qū)3個：都江堰灌區(qū)、通濟堰灌區(qū)、玉溪河灌區(qū)，中型灌區(qū)23個；丘陵區(qū)的灌區(qū)基本為中小型灌區(qū)。岷、沱江流域河流的主要超標污染物為總磷和氨氮[10]。

嘉陵江為長江上游一級支流，是匯入三峽水庫的最大支流，同時也是三峽庫區(qū)氮磷污染主要的輸入源之一，且嘉陵江由降雨-徑流產(chǎn)生的非點源污染比重較大，非點源污染十分嚴重，對三峽水庫水環(huán)境安全造成了一定的威脅[11]。

2.2 采樣點位布設(shè)

根據(jù)流域的不同進行劃分，在沱江流域及長江流域宜賓瀘州段設(shè)置了成都市白果鎮(zhèn)(C-BG)等14個采樣點，在岷江流域設(shè)置了眉山市崇仁鎮(zhèn)(M-CR)等8個采樣點，在嘉陵江流域設(shè)置了廣元市昭化鎮(zhèn)(G-ZH)等16個采樣點，共在上述三大流域內(nèi)布設(shè)38個田面水采樣點，并在其中的17個采樣點同時采集了田面水與土樣，采樣時均為多稻田多點采樣，具體點位見圖1。

2.3 監(jiān)測時間與項目

田面水與土樣均于集中退水期進行采樣，具體時間為2018年8月4日～8月12日。田面水監(jiān)測項目包括：化學需氧量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)，分析方法分別采用：化學需氧量(重鉻酸鹽法)、總磷(鋁酸銨分光光度法)、總氮(堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法)、氨氮(納氏試劑比色法)。

土樣監(jiān)測項目包括：全氮(TN)、全磷(TP)、有效磷(AP)。分析方法分別為：全氮(硒粉—硫酸銅—硫酸K消煮—蒸餾法)、全磷(氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法)、有效磷(0.05mol/L HCL-0.025 mol/L 1/2H2SO4浸提法)。

圖1 采樣點位置Fig.1 Location of the sampling sites

為避免混淆，后文進行分析時，對于田面水監(jiān)測項目統(tǒng)一采用英文縮寫：COD、TP、TN、NH3-N來表述，而土樣監(jiān)測項目統(tǒng)一采用中文名稱：全氮、全磷、有效磷來表述。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用EXCEL 2010軟件對所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析與計算，并分析了水質(zhì)濃度與土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分含量分析

通過對所采集土樣的全磷、全氮與有效磷含量進行測量，并根據(jù)全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準進行土壤養(yǎng)分分級(表1)。我們可以發(fā)現(xiàn)，17處采樣點中，全氮情況為：4處采樣點土壤全氮含量大于2g/kg，達到“極好”水平，占總數(shù)的23.53%；6處采樣點土壤全氮含量大于1.5g/kg，達到“好”的水平，占總數(shù)的35.29%；所有采樣點土壤全氮含量均大于1.0g/kg，達到“中上”水平。全磷情況為：5處采樣點土壤全磷含量大于0.6g/kg，達到“中上”水平，占總數(shù)的29.41%；14處采樣點土壤全磷含量大于0.4g/kg，達到“中下”的水平，占總數(shù)的82.35%。由此可見各采樣點土壤全磷含量大多處于“中下”，部分處于“缺”的水平。有效磷情況為：1處采樣點土壤有效磷含量大于40mg/kg，達到“極好”水平，占總數(shù)的5.88%；8處采樣點土壤有效磷含量大于20mg/kg，達到“好”的水平，占總數(shù)的47.06%；12處采樣點土壤有效磷含量大于10mg/kg，達到“中上”的水平，占總數(shù)的70.59%。由此可見各采樣點土壤有效磷含量大多處于“中上”，部分處于“缺”的水平，甚至達到“極缺”的水平。

表1 土樣N、P含量及養(yǎng)分分級Tab.1 Contents of N and P and nutrient classification of soil samples

注：I為極好，Ⅱ為好，Ⅲ為中上，Ⅳ為中下，V為缺，Ⅵ為極缺。

對土樣全磷、全氮與有效磷含量測量值做進一步分析(表2)，可以發(fā)現(xiàn)全氮的變異系數(shù)為23.01%，全磷的變異系數(shù)為25.22%，有效磷的變異系數(shù)為64.98%，3種土壤養(yǎng)分的變異系數(shù)均在10%～100%之間，屬于中等變異。其中有效磷的變異系數(shù)較高，原因可能是有效磷為速效態(tài)養(yǎng)分，而速效態(tài)養(yǎng)分由于具有較強的遷移性與較差的穩(wěn)定性，往往變異系數(shù)較大[12]。全氮與全磷變異系數(shù)較小，空間分布較為均勻，相對而言較為穩(wěn)定。

表2 土樣N、P含量分析Tab.2 Analysis of N and P contents in soil samples

3.2 田面水質(zhì)分析

通過對38個采樣點位集中退水期田面水的水質(zhì)進行分析(表3～表5)，可以知道沱江流域及長江流域宜賓瀘州段田面水采樣點中COD水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準濃度限值的有1個點位，占該流域總點位的7.14%，COD水質(zhì)濃度低于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值的點位有10個，占總數(shù)的71.43%，另有4個點位的COD水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值，占比28.57%；岷江流域田面水采樣點中COD水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準濃度限值的有1個點位，占該流域總點位的12.5%，COD水質(zhì)濃度低于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值的點位有3個，占總數(shù)的37.5%，另有5個點位的COD水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值，占比62.5%；嘉陵江流域田面水采樣點中COD水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準濃度限值的有2個點位，占該流域總點位的12.5%，COD水質(zhì)濃度低于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值的點位有10個，占總數(shù)的62.5%，另有6個點位的COD水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值，占比37.5%。就COD水質(zhì)濃度而言，沱江流域及長江流域宜賓瀘州段的田面水水質(zhì)最好，嘉陵江流域田面水水質(zhì)較好，岷江流域田面水水質(zhì)最差。三大流域的田面水COD水質(zhì)濃度普遍高于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準濃度限值，且嘉陵江與岷江流域有較多點位的田面水為COD水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值，COD污染情況較為嚴重，將對河流水環(huán)境安全造成一定威脅。

表3 田面水水質(zhì)濃度中值與均值分析Tab.3 Median and mean analysis of soil surface water quality (mg/L)

表4 田面水水質(zhì)濃度區(qū)間范圍Tab.4 Concentration range of soil surface water (mg/L)

表5 田面水質(zhì)濃度低于各類地表水質(zhì)濃度限值點位數(shù)統(tǒng)計Tab.5 Number of points where the water quality is below the water concentration limit

注：表內(nèi)數(shù)字含義為水質(zhì)濃度低于Ⅲ類水質(zhì)濃度限值的采樣點數(shù)，高于Ⅲ類但低于V類水質(zhì)濃度限值的采樣點數(shù)，高于V類類水質(zhì)濃度限值的采樣點數(shù)。

沱江流域及長江流域宜賓瀘州段田面水采樣點中TP水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準濃度限值的有11個點位，占該流域總點位的78.57%，所有點位的TP水質(zhì)濃度均低于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值；岷江流域所有田面水采樣點中TP水質(zhì)濃度均低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準濃度限值；嘉陵江流域田面水采樣點中TP水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準濃度限值的有15個點位，占該流域總點位的93.75%，所有點位的TP水質(zhì)濃度均低于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值。就TP水質(zhì)濃度而言，上述三大流域的水質(zhì)均較好，TP水質(zhì)濃度基本均低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準濃度限值，其中岷江流域田面水水質(zhì)最好，嘉陵江流域次之，沱江流域及長江流域宜賓瀘州段相對來說最差。

沱江流域及長江流域宜賓瀘州段田面水采樣點中沒有點位的TN水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準濃度限值，TN水質(zhì)濃度低于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值的點位有8個，占總數(shù)的57.14%，另有6個點位的TN水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值，占比42.86%；岷江流域田面水采樣點中TN水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準濃度限值的有1個點位，占該流域總點位的12.5%，TN水質(zhì)濃度低于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值的點位有4個，占總數(shù)的50%，另有4個點位TN水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值，占比50%；嘉陵江流域田面水采樣點中TN水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準濃度限值的有8個點位，占該流域總點位的50%，TN水質(zhì)濃度低于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值的點位有12個，占總數(shù)的75，另有4個點位TN水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值，占比25%。就TN水質(zhì)濃度而言，嘉陵江流域的田面水水質(zhì)最好，沱江流域及長江流域宜賓瀘州段田面水水質(zhì)較好，岷江流域田面水水質(zhì)最差。沱江流域及長江流域宜賓瀘州段與岷江流域的TN污染較為嚴重，所取田面水樣的TN水質(zhì)濃度基本均高于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準濃度限值，且有較多點位的TN水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值，嘉陵江流域也有一部分點位的TN水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值。

沱江流域及長江流域宜賓瀘州段田面水采樣點中NH3-N水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準濃度限值的有10個點位，占該流域總點位的71.43%，所有點位NH3-N水質(zhì)濃度均低于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值；岷江流域田面水采樣點中NH3-N水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準濃度限值的有7個點位，占該流域總點位的87.5%，所有點位NH3-N水質(zhì)濃度均低于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值；嘉陵江流域田面水采樣點中NH3-N水質(zhì)濃度低于地表水Ⅲ類水質(zhì)標準濃度限值的有13個點位，占該流域總點位的81.25%，NH3-N水質(zhì)濃度低于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值的點位有15個，占總數(shù)的93.75%，另有1個點位的NH3-N水質(zhì)濃度高于地表水V類水質(zhì)標準濃度限值，占比6.25%。就NH3-N水質(zhì)濃度而言，上述三大流域的水質(zhì)均較好，大多數(shù)點位的NH3-N水質(zhì)濃度低于或接近地表水Ⅲ類水質(zhì)標準濃度限值，其中岷江流域的田面水水質(zhì)最好，嘉陵江流域田面水水質(zhì)次之，沱江流域及長江流域宜賓瀘州段田面水水質(zhì)相對而言最差。

4 討 論

4.1 田面水質(zhì)濃度與土壤養(yǎng)分含量變化趨勢分析

通過對采樣點集中退水期的田面水水質(zhì)濃度與土壤養(yǎng)分含量變化趨勢進行分析(圖2)，可以發(fā)現(xiàn)集中退水期的田面水TP濃度隨該地區(qū)土壤有效磷含量的增大而增大，呈顯著的線性關(guān)系；田面水TN與NH3-N濃度隨該地區(qū)土壤全氮含量的增大而增大，均呈顯著的線性關(guān)系；而田面水TP濃度與該地區(qū)土壤全磷含量總體上呈正相關(guān)，但相關(guān)性較弱，規(guī)律不明顯，其原因可能是由于數(shù)據(jù)量的局限導致相應(yīng)規(guī)律未能明顯呈現(xiàn)。

圖2 水質(zhì)濃度與土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系Fig.2 Relationship between water quality concentration and soil nutrient content

4.2 影響土壤養(yǎng)分含量的因素分析

影響土壤養(yǎng)分含量的因素有許多，包括土地的侵蝕情況、施肥情況、擾動情況等，其中土地侵蝕與施肥情況的影響尤為突出[13]。土壤侵蝕的情況很大程度上受到土地坡度影響[14]。土地天然坡度的不同難以于后天進行大規(guī)模改造以達到控制土壤養(yǎng)分含量的目的，而施肥情況易于進行人為科學調(diào)控，且施肥情況的不合理是導致土壤污染問題進一步加劇的重要因素[15]，所以對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行科學的施肥方案研究與指導是解決土壤污染問題的一個重要方向。

4.3 灌溉退水污染控制討論

由上文的分析我們可以知道集中退水期時稻田田面水的TP、TN與NH3-N水質(zhì)濃度與土壤相應(yīng)養(yǎng)分含量呈顯著線性關(guān)系，而施肥情況的不合理是導致土壤污染問題進一步加劇的重要因素，所以制定科學的施肥方案并大力推廣，提高化肥利用率，有助于降低集中退水期田面水的水質(zhì)濃度，減少農(nóng)業(yè)面源污染的排放。做到源頭控制。同時通過建設(shè)生態(tài)攔截與濕地凈化工程，可以將灌區(qū)集中退水期的灌溉退水進行蓄滯凈化，使灌溉退水水質(zhì)得到恢復，用于再次灌溉或排入自然河流，達到節(jié)水與污染控制目的。

5 結(jié) 論

根據(jù)本文所取土樣與田面水樣分析結(jié)果，上述3大流域田間土壤全氮、全磷、有效磷的空間分布不均勻性均屬于中等變異，其中有效磷的變異系數(shù)最高全氮與全磷變異系數(shù)較小，空間分布較為均勻，相對而言較為穩(wěn)定。

以單因子進行評價，上述3大流域采樣點集中退水期稻田田面水的COD水質(zhì)濃度較高，水質(zhì)較差，相比而言岷江流域田面水COD水質(zhì)濃度最高，嘉陵江流域次之，沱江流域及長江流域宜賓瀘州段最低；TN水質(zhì)濃度較高，水質(zhì)較差，相對而言，岷江流域田面水TN水質(zhì)濃度最大，沱江流域及長江流域宜賓瀘州段次之，嘉陵江流域最??；TP與NH3-N水質(zhì)濃度較小，水質(zhì)較好，相比而言沱江流域及長江流域宜賓瀘州段田面水TP與NH3-N水質(zhì)濃度最大，嘉陵江流域次之，岷江流域最小。

稻田集中退水期田面水TP濃度與該地區(qū)土壤有效磷含量呈顯著的正向線性關(guān)系；田面水TN與NH3-N濃度均與該地區(qū)土壤全氮含量呈顯著的正向線性關(guān)系；而田面水TP濃度與該地區(qū)土壤全磷含量總體上呈正相關(guān)，但相關(guān)性較弱，規(guī)律不明顯，其原因可能是由于數(shù)據(jù)量的局限導致相應(yīng)規(guī)律未能明顯呈現(xiàn)。