廖偉
摘要:研究了贛撫平原灌區(qū)灌溉水渠、雙季稻高標(biāo)準(zhǔn)種植示范區(qū)排水、單季稻為主農(nóng)民種植區(qū)排水水質(zhì)氮、磷遷移時(shí)空變化規(guī)律。研究結(jié)果得出,灌溉期間灌溉用水、示范區(qū)溝、示范區(qū)塘、農(nóng)民種植區(qū)溝、農(nóng)民種植區(qū)塘總氮平均值分別為(1.35±0.33)、(1.21±0.67)、(0.62±0.25)、(2.62±1.57)、(2.52±1.43) mg/L,總磷平均值分別為(0.04±001)、(0.06±0.05)、(0.02±0.01)、(0.25±0.11)、(0.26±0.14) mg/L。灌溉水渠總氮峰值分別出現(xiàn)在5月和8月,總磷峰值分別出現(xiàn)在4月和8月;示范區(qū)總氮峰值分別出現(xiàn)在5月和8月,總磷峰值分別出現(xiàn)在4月和8月;農(nóng)民種植區(qū)總氮峰值出現(xiàn)在6月,總磷峰值出現(xiàn)在4月。稻田排水總氮、總磷與水稻種植農(nóng)事活動(dòng)相關(guān),排水中總氮遷移速度和消除速度高于總磷。研究結(jié)果可以為水稻種植區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染治理、湖泊富營(yíng)養(yǎng)化防治提供參考。
關(guān)鍵詞:面源污染;富營(yíng)養(yǎng)化;水稻種植;氮磷遷移
中圖分類(lèi)號(hào): X712文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號(hào):1002-1302(2021)05-0216-05
2010年環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、農(nóng)業(yè)部公布的全國(guó)污染物普查公報(bào)指出:農(nóng)業(yè)污染中種植業(yè)總氮流失量1.60×109 kg,總磷流失量1.09×108 kg,占農(nóng)業(yè)污染源的59.1%和38.2%[1]。水稻是我國(guó)種植最廣的糧食作物之一,雖然單產(chǎn)量高于玉米、小麥等糧食作物,但其耗水量也高于其他糧食作物。水稻生產(chǎn)過(guò)程中需要大量灌溉用水,同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量排水,化學(xué)肥料伴隨排水流入環(huán)境中,使得水稻種植業(yè)成為農(nóng)業(yè)面源污染氮磷排放的重要來(lái)源。
鄱陽(yáng)湖平原地區(qū)是我國(guó)重要的水稻產(chǎn)地之一[2]。根據(jù)江西省水資源公報(bào)提供的數(shù)據(jù),2017年全省總用水量2.48×1010 m3,其中農(nóng)田灌溉用水占59.5%,達(dá)1.48×1010 m3[3],稻田排水在鄱陽(yáng)湖水環(huán)境的改變中扮演了重要角色。隨著鄱陽(yáng)湖流域人口的增加和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中化肥用量和耕作強(qiáng)度的不斷增加,農(nóng)田土壤中的氮磷含量和農(nóng)田氮磷的流失量也在不斷增加,受納地表水體的富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)不斷加劇,地下水的硝酸鹽含量增加,給環(huán)境管理帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。面源污染成為全球水環(huán)境的重要污染源,是造成江河湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要推手。近期鄱陽(yáng)湖水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,鄱陽(yáng)湖水量持續(xù)減少,水質(zhì)狀況持續(xù)變差,鄱陽(yáng)湖環(huán)湖流域農(nóng)業(yè)面源污染越來(lái)越受到人們關(guān)注。
鄱陽(yáng)湖流域的水環(huán)境健康狀況將不僅關(guān)系到周?chē)貐^(qū)每一個(gè)老百姓的切身利益,還與鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的發(fā)展密不可分。選取南方鄱陽(yáng)湖平原典型水稻種植區(qū)——贛撫平原灌區(qū)作為研究區(qū)域,監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)灌溉用水、雙季稻高標(biāo)準(zhǔn)種植區(qū)(示范區(qū))稻田排水、單季稻為主農(nóng)民種植區(qū)(農(nóng)民種植區(qū))排水水質(zhì)氮、磷的時(shí)空變化,進(jìn)一步分析典型水稻種植區(qū)氮、磷排放規(guī)律,研究結(jié)果可以為水稻種植區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染治理、湖泊富營(yíng)養(yǎng)化防治提供參考。
1 研究區(qū)域概況
贛撫平原灌區(qū)位于江西省中部偏北的贛江和撫河下游三角洲平原地帶,為江南最大的引水灌區(qū),設(shè)計(jì)灌溉面積8.0萬(wàn)hm2,有效灌溉面積667萬(wàn)hm2。贛撫平原灌區(qū)以水稻種植為主,是江西省的糧食主要產(chǎn)區(qū)。研究區(qū)域多年平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、多年平均降水量、蒸發(fā)量等氣候特征見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。盡管南方地區(qū)降水量充沛,但受季風(fēng)氣候的影響,降雨的時(shí)間和空間分布并不均勻。因此,在南方水稻種植區(qū)域修筑了大量的灌溉水渠,用于水稻等需水作物灌溉,必要時(shí)還可以排澇,以保障農(nóng)業(yè)和農(nóng)村用水需求。
在贛撫平原灌區(qū)選取灌溉水渠、示范區(qū)和農(nóng)民種植區(qū)等3種不同灌(排)水為研究區(qū)域,監(jiān)測(cè)不同區(qū)域灌(排)水中氮、磷含量變化情況。
2 研究方法
2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置與取樣
選取贛撫平原灌區(qū)西總干渠為灌溉水渠代表,其水源為江西第二大河流撫河引水,其中灌溉期為3月至10月,水位較高,用以滿(mǎn)足灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水,11月至次年2月為非灌溉期,水位較低,僅維持適當(dāng)?shù)木坝^(guān)用水。灌溉水渠上游以雙季稻種植為主,接納部分農(nóng)業(yè)排水,根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)從上游往下游分別設(shè)置了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。雙季稻高標(biāo)準(zhǔn)種植示范區(qū)位于江西省灌溉試驗(yàn)中心站高田試驗(yàn)基地,其排水溝和水塘于2016年3月改造完畢,主要承接水肥高效利用雙季稻種植為主的排水,改造內(nèi)容有排水溝、水塘疏浚,種植濕地植物,構(gòu)成簡(jiǎn)單的生態(tài)溝和生態(tài)塘,設(shè)置9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),其中生態(tài)排水溝6個(gè)點(diǎn),生態(tài)塘3個(gè)點(diǎn)。農(nóng)民種植區(qū)位于江西省南昌市向塘鎮(zhèn)高田村委禮坊自然村,于2016年4月改造完畢,改造內(nèi)容有排水溝疏浚,部分護(hù)坡處理,在農(nóng)民種植區(qū)構(gòu)成簡(jiǎn)單的生態(tài)溝和生態(tài)塘。由于該區(qū)域農(nóng)民離縣城近,外出打工較多,務(wù)農(nóng)勞動(dòng)力缺乏,以單季稻種植為主,設(shè)置13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),其中排水生態(tài)溝7個(gè)點(diǎn),生態(tài)塘6個(gè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖1,命名見(jiàn)表1。
灌溉水渠取樣點(diǎn)每個(gè)斷面布置1條水樣垂線(xiàn),在垂線(xiàn)水面1/3處取樣,每個(gè)水樣1 000 mL;示范區(qū)取樣點(diǎn)為每個(gè)生態(tài)溝斷面中心位置和生態(tài)塘中心位置;農(nóng)民種植區(qū)取樣點(diǎn)為每個(gè)生態(tài)溝斷面中心位置和生態(tài)塘進(jìn)出口處中心位置。取樣時(shí)間均為2017年1—12月,每月中旬取樣1次。
2.2 樣品測(cè)試
總氮含量測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法[14],總磷含量測(cè)定采用過(guò)硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法[15],每個(gè)樣品測(cè)試2次,取平均值。
2.3 數(shù)據(jù)處理
使用谷歌地圖軟件對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行點(diǎn)位標(biāo)識(shí);利用SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并采用單因素方差分析兩兩比較對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性比較;應(yīng)用Origin 9.1 Pro軟件作圖。
3 結(jié)果與分析
3.1 灌溉水渠水質(zhì)氮磷含量變化規(guī)律
如圖2所示,灌溉水渠總氮、總磷的平均值分別為(1.35±0.33) mg/L和(0.04±0.01) mg/L。總氮在3月、4月持續(xù)升高,5月出現(xiàn)峰值后,6月、7月明顯降低,進(jìn)入8月再次出現(xiàn)峰值,9月、10月總氮達(dá)到較低水平;總磷在3、4月持續(xù)升高,并在4月達(dá)到峰值,隨后逐漸降低,降低速度慢于總氮,進(jìn)入8月再次出現(xiàn)峰值,9、10月逐漸降低,降低速度慢于總氮。綜合上看,灌溉期間灌溉水渠總氮峰值分別出現(xiàn)在5月和8月,而總磷為4月和8月,水質(zhì)總磷的遷移消減速度低于總氮。
3.2 示范區(qū)排水水質(zhì)氮磷含量變化規(guī)律
如圖3所示,示范區(qū)生態(tài)溝總氮、總磷分別為(1.21±0.67)、(0.06±0.05) mg/L;生態(tài)塘總氮、總磷分別為(0.62±0.25)、(0.02±001) mg/L。生態(tài)溝總氮在3、4月持續(xù)升高,5月出現(xiàn)峰值后,6、7月明顯降低,進(jìn)入8月再次出現(xiàn)峰值,9、10月再次到較低水平;總磷在4月達(dá)到峰值,隨后逐漸降低,進(jìn)入8月再次出現(xiàn)峰值,9、10月逐漸降低,降低速度慢于總氮。受生態(tài)溝來(lái)水的影響,生態(tài)塘氮、磷含量變化規(guī)律與生態(tài)溝接近,總氮峰值均出現(xiàn)在5月和8月,但總磷峰值出現(xiàn)在5月和8月;受水流速度的影響,水質(zhì)總磷、總氮變化范圍低于生態(tài)溝;受氮、磷遷移速度的影響,生態(tài)塘中總磷在4月迅速升高后,在5月達(dá)到峰值。
3.3 農(nóng)民種植區(qū)水質(zhì)氮磷含量變化規(guī)律研究
如圖4所示,農(nóng)民種植區(qū)生態(tài)溝總氮、總磷分別為(2.62±1.57)、(0.25±0.11) mg/L;生態(tài)塘總氮、總磷分別為(2.52±1.42)、(0.26±0.14) mg/L。生態(tài)溝總氮在3、4月持續(xù)降低后,6月出現(xiàn)峰值,7月后明顯降低,9月達(dá)到最低水平;總磷在4月達(dá)到峰值,隨后逐漸降低,6、7月稍微升高,但無(wú)明顯差異,總磷的遷移速度稍低于總氮。受生態(tài)溝來(lái)水的影響,生態(tài)塘氮、磷含量變化規(guī)律與生態(tài)溝接近,總氮峰值出現(xiàn)在6月,總磷峰值出現(xiàn)在4月,但是生態(tài)溝水質(zhì)總磷6月有1個(gè)小峰,而生態(tài)塘推遲到7月,說(shuō)明水體中總磷的遷移消減速度低于總氮。
4 討論與結(jié)論
化肥的施用在提高作物產(chǎn)量的同時(shí),也增加了種植區(qū)氮磷污染的風(fēng)險(xiǎn)。示范區(qū)2017年雙季稻早稻在3月20—22日播種,4月19—21日移栽,7月18—20日收割;晚稻在6月19—21日播種,7月21—22日移栽,10月24—26日收割。以示范區(qū)早稻為例,水稻種植期間氮肥不僅施用強(qiáng)度高于磷肥,施用時(shí)間跨度也大于磷肥。一般來(lái)說(shuō),磷肥全部在基肥,施肥時(shí)間約在4月中旬,氮肥則為基肥、移栽后 10 d 分蘗肥和移栽后35~40 d拔節(jié)孕穗肥,施肥時(shí)間為4月中旬至5月底。所以在4月施用基肥后,磷素隨著稻田排水,進(jìn)入生態(tài)溝和生態(tài)塘,導(dǎo)致總磷增加,而氮素雖然在施用基肥后有所升高,但是后面的追肥讓排水中總氮的含量進(jìn)一步增加,因此,水稻種植區(qū)排水中氮磷含量受水稻農(nóng)事活動(dòng)影響較大。示范區(qū)的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明排水中總氮、總磷同時(shí)升高,但時(shí)間上總氮峰值在5月,晚于總磷(峰值在4月)。稻田排水總氮和總磷遷移速度表現(xiàn)為總氮遷移和消除速度高于總磷。唐國(guó)華等研究指出氮磷污染物入湖后,鄱陽(yáng)湖湖區(qū)總氮消減速度快于總磷[16],與本研究結(jié)果一致。
目前農(nóng)業(yè)面源污染治理技術(shù)應(yīng)用較多的是排水溝和塘堰濕地凈化技術(shù)。潘樂(lè)等指出塘堰濕地能有效降低農(nóng)田面源污染的氮磷排放[17],吳永紅等也將攔截作為減少面源污染的重要措施[18]。本研究通過(guò)構(gòu)建生態(tài)溝,保證充分的塘堰濕地面積,監(jiān)測(cè)得到稻田排水氮磷含量可達(dá)到地表Ⅲ類(lèi)水,與多數(shù)研究結(jié)論一致。另外,研究發(fā)現(xiàn)冬季非灌溉期間灌溉水渠和農(nóng)村排水水系氮、磷含量較高,主要是由于灌溉水渠引水減少導(dǎo)致水量不足以及冬季水體自?xún)裟芰Σ钜?,適當(dāng)增加冬季非灌溉期間農(nóng)村灌溉水系流量,有利于提升冬季農(nóng)村水系水環(huán)境質(zhì)量。
控制水體中氮、磷含量是農(nóng)業(yè)面源污染研究的重點(diǎn),本研究以水稻種植區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,區(qū)分不同種植模式和不同過(guò)水方式,研究了排水中總氮、總磷在農(nóng)業(yè)溝塘中的隨時(shí)間變化的規(guī)律,得出以下結(jié)論和展望:(1)灌溉水渠和示范區(qū)總氮峰值分別出現(xiàn)在5月和8月,總磷峰值分別出現(xiàn)在4月和8月;單季稻農(nóng)民種植區(qū)總氮峰值出現(xiàn)在6月,總磷峰值出現(xiàn)在4月。排水中總氮、總磷含量同水稻種植農(nóng)事活動(dòng)(施肥時(shí)間)相關(guān),排水中總氮遷移速度和消除速度高于總磷。
(2)構(gòu)建生態(tài)溝,保證充分的塘堰濕地面積,可有效降低種植區(qū)排水氮磷的含量。
(3)進(jìn)一步研究排水氮磷差異規(guī)律的機(jī)理機(jī)制,充分利用氮磷遷移速度的差異,可為水體富營(yíng)養(yǎng)化治理提供新的發(fā)展思路。
參考文獻(xiàn):
[1]中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部,中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局,中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部. 第一次全國(guó)污染源普查公報(bào). 2010.
[2]胡振鵬. 鄱陽(yáng)湖流域生態(tài)修復(fù)的理論、方法及其應(yīng)用. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2012,21(3):259-267.
[3]江西省水利廳. 2017年江西省水資源公報(bào). . http://www.jxsl.gov.cn/slgb/szygb/index.html.
[4]彭 暢,朱 平,牛紅紅,等. 農(nóng)田氮磷流失與農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染及其防治. 土壤通報(bào),2010,41(2):508-512.
[5]陳曉玲,張 媛,張 琍,等. 豐水期鄱陽(yáng)湖水體中氮、磷含量分布特征. 湖泊科學(xué),2013,25(5):643-648.
[6]楊金玲,張甘霖,張 華,等. 丘陵地區(qū)流域土地利用對(duì)氮素徑流輸出的影響. 環(huán)境科學(xué),2003,24(1):16-23.
[7]陸宏鑫,呂偉婭,嚴(yán)成銀. 生態(tài)溝渠植物對(duì)農(nóng)田排水中氮磷的截留和去除效應(yīng). 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2013,29(4):791-795.
[8]Basnyat P,Teeter L D,Lockaby B G,et al. The use of remote sensing and GIS in watershed level analyses of non-point source pollution problems. Forest Ecology and Management,2000,128(1):65-73.
[9]Ning S K,Chang N B,Jeng K Y,et al. Soil erosion and non-point source pollution impacts assessment with the aid of multi-temporal remote sensing images. Journal of Environmental Management,2006,79(1):88-101.
[10]李 妍,席運(yùn)官,張紀(jì)兵,等. 太湖流域水稻生產(chǎn)的氮、磷投入閾值. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2015,31(5):1017-1023.
[11]陳曼雨,崔遠(yuǎn)來(lái),鄭世宗,等. 基于SWAT模型的農(nóng)業(yè)面源污染尺度效應(yīng)研究. 中國(guó)農(nóng)村水利水電,2016(9):187-191.
[12]王圣瑞,倪 棟,焦立新,等. 鄱陽(yáng)湖表層沉積物有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽分布特征. 環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2012,2(1):23-28.
[13]廖 偉,鄧海龍,謝亨旺,等. 鄱陽(yáng)湖平原區(qū)農(nóng)村水環(huán)境治理工程示范及應(yīng)用. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2018,30(9):103-107.
[14]中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部. 水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法:HJ 636—2012. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.
[15]中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)總局. 水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法:GB 11893—1989. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1990.
[16]唐國(guó)華,林玉茹,胡振鵬,等. 鄱陽(yáng)湖區(qū)氮磷污染物分布、轉(zhuǎn)移和削減特征. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2017,26(9):1436-1445.
[17]潘 樂(lè),茆 智,董 斌,等. 塘堰濕地減少農(nóng)田面源污染的試驗(yàn)研究. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(4):130-135.
[18]吳永紅,胡正義,楊林章. 農(nóng)業(yè)面源污染控制工程的“減源-攔截-修復(fù)”(3R)理論與實(shí)踐. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(5):1-6.