太湖流域典型平原圩區(qū)氮污染分析

徐責(zé)茗， 耿建萍， 蔣 詠， 崔 楨， 高俊峰， 李國柱

(1.吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院， 吉林 四平 136000；2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所， 中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210008；3.江蘇省水文水資源勘測局， 江蘇 南京 210029； 4.江蘇省水資源服務(wù)中心， 江蘇 南京 210029)

圩區(qū)是我國平原河網(wǎng)區(qū)的主要地理單元，分布十分廣泛。如我國長江中下游的太湖流域，圩區(qū)占平原區(qū)總面積的50%以上[1]。針對圩區(qū)的研究多以防洪排澇為主[2-3]，近些年隨著圩區(qū)農(nóng)業(yè)活動的增強(qiáng)，化肥大量使用，圩區(qū)已成為面源污染的主要來源[4-5]。面源污染造成太湖流域大面積水體富營養(yǎng)化，進(jìn)而引發(fā)藍(lán)藻水華、水體缺氧、魚類死亡等突出水環(huán)境問題[6-7]。如，2007年5月太湖藍(lán)藻水華事件造成無錫自來水污染，威脅近200萬人的飲用水安全。

農(nóng)業(yè)面源污染造成了嚴(yán)重氮流失[8-11]，而N是水體藻類生長的重要元素之一；其中溶解態(tài)氮(DN)占TN的比重大，是水體富營養(yǎng)化的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，顆粒態(tài)氮(PN)占TN的比重較小。圩區(qū)氮污染往往存在明顯的季節(jié)變化，與季節(jié)性施肥有關(guān)，同時不同季節(jié)溫度、降雨等氣象要素的差異對氮輸移過程中的理化及生物反應(yīng)也產(chǎn)生不同程度的影響[12-14]。可見，圩區(qū)氮污染規(guī)律是水環(huán)境管理與研究的熱點(diǎn)問題。而目前關(guān)于圩區(qū)氮污染的研究較少，過去多從流域尺度分析水質(zhì)特征，而平原圩區(qū)的氮輸移過程因受自然條件和人工控制水文過程的雙重影響，準(zhǔn)確解析氮污染變化規(guī)律十分困難，有待進(jìn)一步深入研究。本研究選擇太湖流域典型圩區(qū)，基于歷史監(jiān)測的氣象與水質(zhì)數(shù)據(jù)，分析平原圩區(qū)氮污染的季節(jié)變化及關(guān)鍵影響因子，有望為平原圩區(qū)氮污染防控提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域的典型性

本研究選擇的典型圩區(qū)為尖圩(31°29′2″～31°29′13″N，119°25′17″～119° 25′37″E)，位于常州市溧陽西北處約9 km處，面積1.06×105m2，見圖1。圩區(qū)海拔較低，地勢平坦，田地成塊，主要土地利用類型為水田(50.1%)、旱地(21.7%)、建設(shè)用地(19.2%)、水域(坑塘與溝渠，9.0%)；圩內(nèi)溝渠呈網(wǎng)狀分布，是農(nóng)田與建設(shè)用地的排水通道，且水力梯度低；圩區(qū)四周均為河道，強(qiáng)降雨期間，圩外河道水位通常高于圩內(nèi)水位，圩內(nèi)水體通過圩區(qū)北部的排澇泵站排出；圩內(nèi)有一自然村(尖圩村)，人口約為100人，無工業(yè)污染源。尖圩的上述地形、水文與土地利用特征與太湖流域其他平原河網(wǎng)區(qū)極其相似，具有代表性[15]。

圖1 尖圩及其土地利用

1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

本研究包括2014—2017年的氣象與水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中氣象數(shù)據(jù)為來自國家氣象中心溧陽站(編號：58345)的逐日數(shù)據(jù)，包括8項(xiàng)氣象指標(biāo)：日平均風(fēng)速、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日照時數(shù)、日降水量、日平均氣壓。水質(zhì)監(jiān)測采樣點(diǎn)為圩區(qū)內(nèi)的坑塘，采樣頻率為1月2次；依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB11894-89，采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定TN濃度，用0.45 μm微孔濾膜過濾后測定DN，PN為TN與DN質(zhì)量濃度之差。

2 結(jié)果與分析

2.1 圩區(qū)氮污染的季節(jié)變化

根據(jù)太湖流域的降水規(guī)律，將每年分為3個時段：豐水期(6—9月)、平水期(4—5月、10—11月)、枯水期(12月、1—3月)[16-18]，分析結(jié)果(表1)表明：2014—2017年期間，氮濃度變化大致呈現(xiàn)出枯水期>豐水期>平水期的規(guī)律，TN的最高值為8.871 mg/L，最低值為1.232 mg/L?？菟诘獫舛茸罡?，是由于降水量較少，導(dǎo)致池塘水位下降，再加上枯水期正值冬小麥的播種與施肥，化肥與農(nóng)藥的使用促使池塘氮濃度升高。PN占TN在枯水期中的比例最小，最小為2017年枯水期的比例5.24%，這是由于枯水期降水較少，農(nóng)田等土地利用的顆粒物流失較少。

表1 不同水期太湖流域平原圩區(qū)氮濃度變化

圖2為圩區(qū)2014—2017年氮濃度的季節(jié)變化，其中2014—2015年的氮濃度峰值較高，并在2015年秋季峰值最大，2016—2017年的氮濃峰值逐漸下降，相較2014—2015年氮濃度變化相對平緩，圩區(qū)內(nèi)氮污染得到有效緩解。TN質(zhì)量濃度在歷年2月、7月和11月相對較高，與調(diào)研結(jié)果總結(jié)一致：11月為小麥或油菜的施肥期，因此氮濃度較高；2月的峰值是由于降水較少，池塘水位下降，導(dǎo)致氮濃度較高，同時2月也是小麥的施肥期。5月小麥剛完成收割，但水稻未種植，因此氮濃度極低；至6月份氮素濃度有所升高，這是因?yàn)?月份田地翻整大量施用氮肥作為水稻的基肥，氮肥大量流失導(dǎo)致池塘氮濃度增高；而7月的氮素濃度高于6月，是因?yàn)?月水稻拔節(jié)期會追施含氮肥料[19]。

圖2 太湖流域平原圩區(qū)氮濃度季節(jié)變化

2.2 圩區(qū)氮污染的影響因子

圩區(qū)氮循環(huán)主要包括源過程、去除過程和內(nèi)部轉(zhuǎn)化過程。源過程包括點(diǎn)源、面源及大氣沉降、固氮等；去除過程包括水體出流、反硝化等；內(nèi)部轉(zhuǎn)化過程包括生物吸收和排泄、微生物分解、硝化作用等，其中影響氮濃度占主導(dǎo)作用的是反硝化過程[20-21]。上述過程極其復(fù)雜，很多機(jī)理過程尚未明晰，因此采用Pearson相關(guān)分析方法，分析氣象指標(biāo)(8個)與氮(DTN、PN、TN以及DTN占TN比例和PN占TN的比例)的相關(guān)性分析結(jié)果(表2)表明：DN、TN和DN/TN與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，PN/TN與溫度呈顯著正相關(guān)，DN/TN與日平均氣壓呈顯著正相關(guān)，PN/TN與日平均氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)(圖3～5)。

表2 圩區(qū)水體氮濃度與氣象因子的相關(guān)關(guān)系(樣本總例數(shù)=95)

圖3 圩區(qū)不同形態(tài)氮與氣溫的相關(guān)關(guān)系

圖4 圩區(qū)不同形態(tài)氮占TN比例與氣溫的相關(guān)關(guān)系

圖5 圩區(qū)不同形態(tài)氮占TN比例與日平均氣壓的相關(guān)關(guān)系

結(jié)合已有研究成果可知：影響圩區(qū)氮循環(huán)過程的因素有氧化還原條件、溫度、pH、降水、風(fēng)力等。其中溫度對反硝化作用速率的提高對N2O的釋放有促進(jìn)作用，從而促進(jìn)NH3-N轉(zhuǎn)化為N2O釋放[22-23]，造成圩區(qū)DN濃度下降，而圩區(qū)中TN主要由DN組成，所以圩區(qū)中TN也與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而TN中少部分的PN因DN濃度下降，使得PN占TN比例升高，與溫度呈正相關(guān)關(guān)系。從圖5可知DN占TN比例與日平均氣壓呈正相關(guān)，PN占TN比例與日平均氣壓呈負(fù)相關(guān)，由此可推測：氣壓升高對DN轉(zhuǎn)化為N2O和N2有抑制作用，降低了水體反硝化速率，DN占TN比例升高。

3 結(jié)論與討論

本研究選擇太湖流域典型圩區(qū)(尖圩)，基于歷史監(jiān)測的氣象與水質(zhì)數(shù)據(jù)，分析了圩區(qū)氮污染的季節(jié)變化規(guī)律及主要影響因子，得到以下結(jié)論：

(1)尖圩水體氮污染季節(jié)變化明顯，與農(nóng)田施肥、降水等要素密切相關(guān)。2月、7月和11月的圩區(qū)水體氮濃度較高，與農(nóng)田施肥、降水有關(guān)；枯水期氮污染比豐水期和平水期嚴(yán)重，與農(nóng)田施肥、水量少、水生高等植物腐爛等要素有關(guān)。

(2)尖圩水體氮污染與氣象因子相關(guān)分析結(jié)果表明：DN、TN與溫度呈顯著負(fù)相關(guān)，PN占TN比例與溫度呈顯著正相關(guān)，與日平均氣壓呈顯著負(fù)相關(guān)，DN占TN比例與日平均氣壓呈顯著正相關(guān)。其中氣溫影響了水體反硝化、N2O氣體釋放等過程，氣壓影響了N2O氣體釋放等過程。

(3)圩區(qū)氮循環(huán)過程機(jī)理有待進(jìn)一步解析：本研究初步討論了圩區(qū)氮污染的季節(jié)變化規(guī)律及主要影響因子，但尚缺乏針對氮循環(huán)過程的深入研究，有待依托機(jī)理過程模型進(jìn)一步解析氮排放與遷移轉(zhuǎn)化過程機(jī)制，從機(jī)理角度揭示氮污染的關(guān)鍵源區(qū)、主控過程與因子。