漓江上游金龜河試區(qū)氮磷濃度時空差異性分析

張振宇，代俊峰，謝曉琳，萬祖鵬，徐保利，代俊鴿，潘林艷

（1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541004；2.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；3.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；4.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西桂林541004）

面源污染與點(diǎn)源污染相比，具有隨機(jī)性、復(fù)雜性和不確定性等特點(diǎn)，是水環(huán)境研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)［1-3］。我國農(nóng)業(yè)面源污染主要由于農(nóng)藥、化肥的流失和畜禽養(yǎng)殖糞便排放等因素造成。目前，我國化肥過量使用現(xiàn)象比較普遍，其中氮磷化肥利用率分別只有10.8%～40.5%和15.0%～20.0%［4］。畜禽養(yǎng)殖在舒緩人口激增而帶來的畜禽產(chǎn)品供需矛盾的同時，也成為農(nóng)業(yè)面源污染的最主要來源之一［5］。

漓江是世界著名風(fēng)景游覽城市桂林的“母親河”，是“桂林山水”之魂，2013年被評為全球15 條最美河流之一［6］。漓江流域的面源污染逐漸引起了人們的關(guān)注，一些學(xué)者從土地利用類型［7］、土壤底泥［8］和水肥管理［9］等角度對漓江流域上游面源污染氮磷排放規(guī)律進(jìn)行了研究；楊麗雅等［10］基于SWAT 模型對漓江小流域的非點(diǎn)源污染進(jìn)行分析，并提出削減策略；謝曉琳等［11］分析了漓江中上游典型巖溶區(qū)會仙濕地的氮磷濃度時空特征。

金龜河是漓江上游青獅潭灌區(qū)西干渠的支渠，最終匯入漓江的支流桃花江。金龜河試區(qū)是漓江上游具有典型代表性的農(nóng)業(yè)區(qū)域，區(qū)域內(nèi)以水稻、柑橘等種植業(yè)以及禽畜和水產(chǎn)等養(yǎng)殖業(yè)為主，農(nóng)業(yè)面源污染排放形勢嚴(yán)峻，對桃花江的水質(zhì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響漓江的水質(zhì)?；谇叭搜芯康幕A(chǔ)上，本文選取漓江流域上游非巖溶區(qū)典型農(nóng)業(yè)區(qū)域-金龜河試區(qū)為研究區(qū)域，通過野外定點(diǎn)監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)分析的方法，對金龜河試區(qū)的總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、總磷（TP）等指標(biāo)進(jìn)行分析，根據(jù)2017-2018年的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析金龜河試區(qū)氮磷等污染物的空間分布特點(diǎn)和季節(jié)差異性規(guī)律，以期豐富漓江流域農(nóng)業(yè)面源污染的研究，為管理決策提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

金龜河試區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)桂林市臨桂區(qū)，經(jīng)緯度范圍在25°17'～25°22'N，110°09'～110°14'E 之間。金龜河上游連接金靈水庫和田邊水庫，下游匯入桃花江（圖1）。金龜河是青獅潭灌區(qū)西干渠的支渠，為灌區(qū)小型河流，河流總長13.8 km，河寬在3～10 m，水深在1 m 左右，流域面積為27.95 km2，范圍涉及天華村、下橋村和江頭村等。試區(qū)內(nèi)氣候溫和濕潤，雨量充沛，年降雨量約1 800 mm，雨季一般為每年4-9月，其降雨量約占全年降雨量的75%～80%；年平均氣溫在20 ℃左右，屬典型亞熱帶季風(fēng)氣候。該區(qū)域土壤主要為紅壤，偏酸性，富鋁化強(qiáng)烈。

圖1 金龜河試區(qū)區(qū)位圖Fig.1 Location of Jingui River pilot area

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)

在綜合考慮金龜河試區(qū)子流域劃分、支干流水力聯(lián)系以及不同土地利用類型等因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外實(shí)際情況和具體可操作性，布設(shè)了15 個采樣點(diǎn)（圖2）。包括金龜河干流、上游西側(cè)魚塘支流以及下游東側(cè)養(yǎng)殖場排水支流。

金龜河干流布設(shè)了7 個采樣點(diǎn)，上游至下游沿程編號為G1～G7（圖2）。以兩條支流的匯入斷面作為分界，將干流分為上游G1～G3，中游G4～G6，下游G7。其中，G1 為西干渠補(bǔ)給金龜河的入水口；G2和G3周邊主要為稻田；G4、G5周邊主要為以柑橘樹為主的果林；G6至下游周邊主要為稻田；G7為流域總出水口。上游西側(cè)魚塘排水支流的采樣點(diǎn)自上而下分別為魚塘進(jìn)水口Y1、魚塘水Y2 和魚塘出水口Y3。下游東側(cè)養(yǎng)殖場排水支流的采樣點(diǎn)編號為X1～X5，其中，X1 上游約200 m 處為以鴨子等為主的禽類養(yǎng)殖場；X2位于人工溝渠，右側(cè)為村莊，左側(cè)為農(nóng)田；X3 位于農(nóng)田間灌溉溝渠，兩側(cè)皆為農(nóng)田；X4 為水流匯合處，其下游約250 m 處為金龜河干流。X5 為養(yǎng)殖場西南側(cè)約200 m 處的居民飲用壓水井，地下水位埋深約3～4 m，考慮到養(yǎng)殖廢水排放可能影響到飲用水質(zhì)量，故設(shè)此監(jiān)測點(diǎn)。

圖2 金龜河試區(qū)土地利用及采樣點(diǎn)分布圖Fig.2 Distribution of land use and sampling points in Jingui River pilot area

1.3 水質(zhì)監(jiān)測和數(shù)據(jù)來源

本實(shí)驗(yàn)采用野外采樣和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法。采樣時間為2017年1月-2018年12月，共兩年，每月采樣一次。野外采樣方式參考《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 91-2002），并根據(jù)野外實(shí)際情況進(jìn)行操作。地表水采樣時用棕色玻璃瓶采取混合水樣，密封保存；地下水監(jiān)測點(diǎn)為居民飲水壓水井，直接壓取井水，密封保存。水樣帶回實(shí)驗(yàn)室冷藏，并在24 h 內(nèi)測定完畢，共4項(xiàng)指標(biāo)，分別為總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）和總磷（TP）?？偟捎脡A性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，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。

2 金龜河試區(qū)氮磷濃度空間差異性分析

2.1 氮素濃度空間分布和差異分析

（1）干流氮素濃度的空間變化。從兩年的數(shù)據(jù)（圖3）分析結(jié)果來看，總體上金龜河干流總氮的年平均濃度沿程呈現(xiàn)波動式上升的趨勢。硝態(tài)氮的平均濃度沿程變化平穩(wěn)，總氮的平均濃度主要隨氨氮平均濃度增加而增加。上游G1～G3 周圍主要為農(nóng)田，總氮的年平均濃度變化整體較為平穩(wěn)。隨著魚塘排水支流水的匯入，相比G3，G4 總氮的年平均濃度明顯升高，2017和2018年分別升高了25%和64%。中游G4～G6 周圍主要為果林，兩年的數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示中游的總氮的年平均濃度整體沿程變化平穩(wěn)，無明顯升高趨勢，甚至在2017年還出現(xiàn)了一定程度的降低。下游從G6 到G7，是整個干流總氮平均濃度上升幅度最大的河段，主要原因是下游養(yǎng)殖場排水支流的匯入。

圖3 金龜河干流兩年氮素濃度空間變化圖Fig.3 Spatial variation of nitrogen concentration in the main stream of Jingui River in two years

（2）支流氮素濃度的空間變化。金龜河支流兩年氮素平均濃度空間變化如見圖4。上游魚塘排水支流Y2 總氮的年平均濃度比Y1 升高了2.0 倍（2017年）和2.6 倍（2018年）。與Y2 相比，Y3總氮的年平均濃度在2017年無明顯變化，在2018年因魚塘水總氮年平均濃度較高，出現(xiàn)一定程度的消減。

圖4 金龜河支流兩年氮素平均濃度空間變化圖Fig.4 Spatial variation of nitrogen concentration in tributaries of Jingui River in two years

下游養(yǎng)殖場支流中，X1 點(diǎn)因位于養(yǎng)殖場出水口，為整個流域氮磷污染最嚴(yán)重的監(jiān)測點(diǎn)，2017年和2018年該點(diǎn)的總氮年平均濃度分別為24.20 和21.96 mg/L，是整個研究區(qū)內(nèi)所有監(jiān)測點(diǎn)平均濃度的近10 倍。從X1 到X3，總氮的年平均濃度整體呈消減的趨勢，2017年和2018年分別消減了72.0%和39.3%；消減程度的不同主要是受當(dāng)年降雨量以及支流流量的影響［12］。

（3）干流上中下游氮素濃度的空間差異性分析。采用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS 中的獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)的方法分析上中下游總氮、氨氮和硝態(tài)氮濃度的空間差異是否具有顯著性［13］，分析結(jié)果如表1所示。

表1 金龜河上中下游氮素濃度的差異性分析Tab.1 Difference analysis of nitrogen concentration in upper，middle and lower reaches of Jingui River

從均值來看，干流總氮的年平均濃度在上、中、下游都是沿程升高的，尤其在中游至下游河段上升更快；從顯著性差異來看，總氮和氨氮濃度在不同河段的差異性顯著水平都小于0.05，差異性顯著。硝態(tài)氮的年平均濃度在上、中、下游出現(xiàn)了沿程先降低，后增加的趨勢；從顯著性差異來看，硝態(tài)氮濃度只在中游與下游之間存在顯著性差異。

2.2 不同類型監(jiān)測點(diǎn)氮素形態(tài)特點(diǎn)分析

為進(jìn)一步分析氨氮和硝態(tài)氮的空間分布差異，選取四種不同土地利用類型控制下的監(jiān)測點(diǎn)G3、G6、X1和Y2，和地下水X5以及總出水口G7兩個特殊監(jiān)測點(diǎn)為研究對象，對這6個不同類型監(jiān)測點(diǎn)中氨氮與總氮以及硝態(tài)氮與總氮的相關(guān)性進(jìn)行分析［14］。分析結(jié)果見表2。

表2 不同類型監(jiān)測點(diǎn)氮素形態(tài)相關(guān)性分析Tab.2 Correlation Analysis of nitrogen forms in different monitoring sites

在G3（稻田）、G6（果林）、X1（養(yǎng)殖場）、Y2（魚塘）4 種不同土地利用類型下的監(jiān)測點(diǎn)，氨氮與總氮的相關(guān)性均顯著，總體表現(xiàn)為養(yǎng)殖場＞稻田＞魚塘＞果林。G3 硝態(tài)氮與總氮相關(guān)性極高，而果林、養(yǎng)殖場、魚塘下墊面下硝態(tài)氮與總氮相關(guān)性不顯著。說明在稻田控制區(qū)內(nèi)，氨氮與硝態(tài)氮共同影響著總氮濃度的變化［15］。而在另外3種下墊面下，氮素的形態(tài)以氨氮為主，硝態(tài)氮對總氮的影響較小，尤其在X1總氮和氨氮相關(guān)系數(shù)0.981，相關(guān)性極高。在地下水中，硝態(tài)氮與總氮相關(guān)系數(shù)為0.714，相關(guān)性極顯著，說明在地下水中，氮素主要以硝態(tài)氮的形式存在［16］。在流域總出水口，氨氮與總氮的相關(guān)性極顯著，說明在流域出水口仍受養(yǎng)殖場影響較大。養(yǎng)殖場禽類糞便中有機(jī)物極不穩(wěn)定，排放大量的氨氮，對下游地表水體產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，同時地表水中的氨氮在進(jìn)入地下水的過程中又容易氧化成硝態(tài)氮。

2.3 總磷濃度空間分布和差異性分析

金龜河試區(qū)干支流總磷濃度的時空變化如圖5所示。從兩年的數(shù)據(jù)分析來看，總體上金龜河干流總磷的年平均濃度沿程先上升后下降。兩個峰值點(diǎn)分別為G4 和G7，點(diǎn)也是兩條支流匯入后的監(jiān)測點(diǎn)。上游從G1到G3段，周圍主要為農(nóng)田，受到農(nóng)田施肥等面源污染，總磷濃度沿程穩(wěn)定、平緩地上升。在G4點(diǎn)，由于魚塘支流的匯入達(dá)到了一個峰值。在G4～G6 段，總磷濃度在兩年有不同程度的消減。下游G6～G7段，是整個干流中總磷濃度上升最高的區(qū)間，兩年分別上升了2倍和2.3倍。

圖5 金龜河試區(qū)總磷濃度空間變化圖Fig.5 Spatial variation of total phosphorus concentration in Jingui River pilot area

上游魚塘排水支流共有3 個點(diǎn)，從圖5 可見，魚塘排水支流的總磷濃度基本上呈直線上升的趨勢，且2018年魚塘支流的3個監(jiān)測點(diǎn)濃度均較2017年有上升。下游支流養(yǎng)殖場出水口X1點(diǎn)總磷濃度非常高，是整個流域內(nèi)平均水平的近10 倍。在X1～X3 區(qū)間，總磷的年平均濃度整體呈消減趨勢。與地表水相比，地下水X5 中的總磷含量明顯較低。不同土地利用附近監(jiān)測點(diǎn)總磷濃度表現(xiàn)為養(yǎng)殖場＞魚塘＞種植（稻田和果林濃度差異較小）。

采用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS 中的配對樣本T檢驗(yàn)的方法分析上中下游的總磷空間差異是否具有顯著性，分析結(jié)果如表3所示。

表3 金龜河上中下游總磷濃度空間差異性分析Tab.3 Spatial difference analysis of total phosphorus concentration in upper，middle and lower reaches of Jingui River

從均值來看，干流總磷的年平均濃度沿程都是升高的；但

從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來看，總磷濃度在上游與中游之間，中游與下游之間不存在顯著性差異；2017-2018年下游總磷的平均濃度是上游的2.78 倍，相關(guān)性顯著水平P值為0，存在顯著性差異，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3 金龜河試區(qū)氮磷濃度季節(jié)差異性分析

每年4月至9月是研究區(qū)的水稻種植期，在此期間青獅潭水庫西干渠向金龜河補(bǔ)水。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)水稻種植灌溉時間和多年降雨量分布特點(diǎn)，將每年的4月至9月劃分為雨季+灌溉季，將當(dāng)年的10月至第二年的3月劃分為干季+非灌溉季，具體劃分見表4。

表4 金龜河試區(qū)季節(jié)劃分Tab.4 Seasonal division of Jingui River pilot area

選取4種不同土地利用類型控制下的監(jiān)測點(diǎn)G3（稻田）、G6（果林）、X1（養(yǎng)殖場）、Y2（魚塘），和地下水X5以及總出水口G7兩個特殊監(jiān)測點(diǎn)為研究對象，分析這6 個不同類型監(jiān)測點(diǎn)中的總氮、氨氮、硝態(tài)氮和總磷4種指標(biāo)濃度在不同季節(jié)下的空間差異性。分析結(jié)果見圖6。

通常造成氮磷濃度季節(jié)變化的主要因素有降雨、灌溉和施肥等，雨季降雨量較大以及水庫補(bǔ)水灌溉，都會造成污染物濃度的稀釋和降低；雨季也是施肥的季節(jié)，農(nóng)田和果林的施肥會造成氮磷污染物濃度的升高。因此，在降雨、灌溉和施肥等因素的共同影響下，不同監(jiān)測點(diǎn)總氮、氨氮和總磷的季節(jié)規(guī)律并不完全一致（圖6）。

圖6 不同類型監(jiān)測點(diǎn)氮、磷濃度季節(jié)性變化Fig.6 Seasonal variation of nitrogen and phosphorus concentrations at different monitoring points

值得關(guān)注的是6個監(jiān)測點(diǎn)的硝態(tài)氮濃度季節(jié)變化表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即干季大于雨季。G3和G6受稻田和果林施肥影響，雨季氨氮濃度大于干季；同理，總磷濃度的季節(jié)變化規(guī)律和氨氮相似。以養(yǎng)殖場為主要控制的下墊面監(jiān)測點(diǎn)X1，氮磷排放量較大，由于干季河道水流量較小，稀釋能力較弱，氨氮和總磷濃度均表現(xiàn)為干季大于雨季。魚塘水Y2 的氨氮濃度表現(xiàn)為干季大于雨季，總磷濃度表現(xiàn)為干季大于雨季。

地下水X5 的氮素中硝態(tài)氮占比高于其余5 個地表水監(jiān)測點(diǎn)，而氨氮占比和磷濃度都極低。地下水中總氮的季節(jié)變化規(guī)律與硝態(tài)氮保持一致，表現(xiàn)為干季大于雨季。地下水流動緩慢，更新周期長，受養(yǎng)殖場的排污影響經(jīng)過長期的硝化反應(yīng)儲存了大量的硝態(tài)氮。硝酸鹽可還原成亞硝酸鹽，對人體造成的危害，影響周圍居民飲用水的質(zhì)量和安全。

4 結(jié) 論

（1）金龜河氮磷濃度總體上沿程波動式上升，上游魚塘排水支流和下游養(yǎng)殖場排水的支流匯入后，干流總氮、氨氮和總磷的濃度有明顯的升高，硝態(tài)氮沿程上升較為平緩。

（2）氨氮的濃度在不同土地利用類型附近差異較大。在四種下墊面下氨氮與總氮的相關(guān)性均顯著，相關(guān)性大小表現(xiàn)為養(yǎng)殖場＞稻田＞魚塘＞果林。硝態(tài)氮濃度在不同土地利用類型附近濃度差異較小。地下水中氨氮和總磷含量都很低，但硝態(tài)氮含量卻遠(yuǎn)高于其他地表水監(jiān)測點(diǎn)，年平均濃度是地表水監(jiān)測點(diǎn)的10倍左右。

（3）在選取的不同類型監(jiān)測點(diǎn)中硝態(tài)氮濃度均表現(xiàn)為干季大于雨季。農(nóng)田和果林下墊面監(jiān)測點(diǎn)G3 和G6 的總氮、總磷濃度表現(xiàn)為雨季大于干季（雨季也是農(nóng)作物生長期和施肥期）。養(yǎng)殖場附近監(jiān)測點(diǎn)X1氮磷濃度表現(xiàn)為干季大于雨季，干季河道水流量較小，稀釋能力較弱。魚塘水監(jiān)測點(diǎn)Y2的氮磷濃度也表現(xiàn)為干季大于雨季。

（4）金龜河試區(qū)不同土地利用下氮磷排放濃度總體表現(xiàn)為養(yǎng)殖場＞魚塘＞果林＞稻田?？刂屏饔虻霓r(nóng)業(yè)氮磷面源污染，一方面要合理施用化肥農(nóng)藥，改進(jìn)耕作技術(shù)減少水肥流失；另一方面更要加強(qiáng)畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水排放的管理和治理。