稻田種植對地表徑流污染狀況調(diào)查研究

張 雷，張 崢，柴 寧，趙麗娟，韓 凌，劉 雅，朱魏偉

1.遼寧省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,遼寧 沈陽 110161 2.遼寧省營口生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,遼寧 營口 115000 3.遼寧省鐵嶺水文局,遼寧 鐵嶺 112000

隨著固定源污染治理的成效日益顯現(xiàn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活所導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)面源污染已成為水環(huán)境質(zhì)量改善的主要影響因素[1]，農(nóng)藥和化肥的不合理使用、農(nóng)業(yè)廢棄物無害化處理以及資源化利用不足而產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)面源污染，加大了對土壤、水體和空氣的環(huán)境壓力，威脅著我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境安全[2-3]。農(nóng)業(yè)是生態(tài)文明建設(shè)的重要領(lǐng)域，抓緊做好農(nóng)業(yè)面源污染防控工作，有效改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境是促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4-5]。因此，農(nóng)業(yè)面源污染不容忽視。農(nóng)田面源污染地表徑流主要指借助灌溉、降水、退水等將農(nóng)田土壤表面或土體中的氮、磷等水污染物向地表水體徑向遷移的過程，是農(nóng)田面源污染產(chǎn)生的重要途徑之一[6]。

水稻作為遼寧省的重要農(nóng)作物，對遼寧省農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義，遼寧省水稻種植技術(shù)整體處于全國先進(jìn)地位，率先采用水稻早育稀植拋秧、水稻無紡布覆蓋育苗、水稻旱直播等節(jié)水栽培技術(shù)，稻田養(yǎng)蟹、養(yǎng)魚等水田綜合開發(fā)節(jié)本增效技術(shù)也得到普遍應(yīng)用[7]。國內(nèi)對稻田面源污染方面的研究，著重于理論方面的現(xiàn)狀和對策研究，缺少能夠確定污染程度的相關(guān)數(shù)據(jù)支撐[8-10]。本研究對作物整個生長周期的各個農(nóng)耕環(huán)節(jié)開展監(jiān)測，通過大量數(shù)據(jù)分析遼寧省典型區(qū)域農(nóng)田面源污染地表水基本情況，了解農(nóng)業(yè)面源對水環(huán)境的影響程度，為環(huán)境管理提供科學(xué)的依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 監(jiān)測區(qū)塊基本情況

結(jié)合監(jiān)測區(qū)塊的典型性(監(jiān)測地塊應(yīng)位于糧食作物主產(chǎn)區(qū))、代表性(監(jiān)測地塊的地形、土壤類型、肥力水平、耕作方式、灌排方式、種植方式應(yīng)具有較強(qiáng)代表性)、抗干擾性(監(jiān)測地塊應(yīng)相對獨立，灌溉量、退水量、施肥量可計量)，最終確定了營口五公司水稻種植區(qū)塊作為研究對象。

營口市位于東北水稻產(chǎn)區(qū)的最南端，遼河的下游，營口水稻種植面積約4.7萬hm2。營口五公司區(qū)塊隸屬于營口市站前區(qū)新建街道，地理位置東臨大石橋市旗口鎮(zhèn)，南鄰高坎鎮(zhèn)，西鄰石佛鎮(zhèn)，北鄰鞍山海城市，地勢平坦，東部略高，占地面積約800 hm2。其中，耕地面積約667 hm2，包括：綠色種植(占地347 hm2，采用正常的施肥、施藥模式)、有機(jī)種植(占地325 hm2，采用正常的施肥模式，施藥量少，主要通過膜技術(shù)除雜草、蟲害)、有機(jī)試驗田(占地15 hm2，肥料為微生物菌劑及生物有機(jī)肥)；其他占地面積共計約127 hm2，包括魚蝦塘(獨立模式)、進(jìn)排水渠、農(nóng)田工作單位等。區(qū)塊灌溉、退水系統(tǒng)獨立且完善，進(jìn)出水有泵站可控制，具有良好的監(jiān)測條件。

1.2 監(jiān)測點布設(shè)與樣品采集情況

本研究的農(nóng)田排水通過總閘口匯入黑魚河，在總閘口的上游、下游分別設(shè)置采樣點位，每逢農(nóng)田排水時，開展上游、下游水質(zhì)監(jiān)測，共采集39次樣品，采樣點位上游、下游之間除農(nóng)田排水總閘口外，無其他排水口；研究選擇3種不同種植模式下的農(nóng)田單元各約0.5 hm2，對各農(nóng)田單元在施肥、施藥期進(jìn)行監(jiān)測，每0.5 hm2農(nóng)田由4個小地塊構(gòu)成，每次采集混合水樣；在農(nóng)作物的整個生長周期，完成降雨背景值監(jiān)測13次，降雨量約228.3萬m3，降雨過程未形成溢流情況；魚蝦塘監(jiān)測在注水期和清塘期各1次；地塊單元完成6次排水監(jiān)測。

1.3 監(jiān)測項目及分析方法

本研究的監(jiān)測項目為總磷、總氮，分析方法為《水質(zhì) 總磷的測定鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—1989)和《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)。

1.4 監(jiān)測方案

調(diào)查研究從2020年4月中旬開始，截至10月初，覆蓋農(nóng)作物的整個生長周期。開展了河流監(jiān)測、降雨監(jiān)測、地塊單元監(jiān)測和魚蝦塘監(jiān)測，具體監(jiān)測方案見表1。

表1 監(jiān)測方案Table 1 The monitoring scheme

1.5 化肥農(nóng)藥施加

農(nóng)藥、化肥施加情況：在農(nóng)作物的整個生長周期，共完成了綠色種植地塊農(nóng)藥施加5次、化肥施加2次，有機(jī)種植地塊農(nóng)藥施加2次、化肥施加2次，有機(jī)試驗田農(nóng)藥施加2次、化肥施加1次，具體見表2。

表2 農(nóng)藥及化肥施加情況Table 2 Application of pesticides and chemical fertilizers

2 結(jié)果與討論

2.1 農(nóng)田單元監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

農(nóng)田單元污染物質(zhì)量濃度統(tǒng)計了在施肥或施藥后質(zhì)量濃度出現(xiàn)的最大值，結(jié)果見表3；表4統(tǒng)計了整個作物生長周期農(nóng)田單元排水情況。

表3 農(nóng)田單元污染物濃度最大值(扣除背景值后)統(tǒng)計表Table 3 Statistics of maximum concentration of pollutants in farmland unit(after deducting background concentration) mg/L

表4 農(nóng)田單元排水污染物濃度統(tǒng)計表Table 4 Statistics of pollutant concentration in farmland unit drainage mg/L

由表3可知，農(nóng)田施肥、施藥均使水質(zhì)總磷、總氮質(zhì)量濃度出現(xiàn)不同程度的提高，以綠色種植、有機(jī)種植施肥后總氮質(zhì)量濃度上升最為顯著，依次為37.7 mg/L、19.1 mg/L，總體表現(xiàn)為綠色種植受施肥影響最大，有機(jī)種植次之，有機(jī)試驗田受影響最小；在整個作物生長期，綠色種植農(nóng)田單元排水2次，有機(jī)種植農(nóng)田單元排水4次，有機(jī)試驗田單元排水0次。由表4可知，綠色種植在5月26日出現(xiàn)排水，總氮質(zhì)量濃度為23.5 mg/L，有機(jī)種植分別在5月26日和6月2日、4日出現(xiàn)排水，總氮質(zhì)量濃度分別為6.05、11.9、13.0 mg/L，表現(xiàn)為地塊單元在施肥后排水對外環(huán)境造成一定污染，其他時段影響不大。

2.2 魚蝦塘監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

與注水期相比，蝦塘總氮質(zhì)量濃度顯著升高，由注水期的2.44 mg/L上升為清塘期的3.15 mg/L；魚塘總磷、總氮質(zhì)量濃度均顯著升高，總氮由注水期的1.64 mg/L上升為清塘期的5.16 mg/L，總磷由注水期的0.10 mg/L變?yōu)榍逄疗诘?.16 mg/L，由Ⅱ類水質(zhì)變?yōu)棰箢愃|(zhì)[11]。結(jié)果表明：魚蝦的養(yǎng)殖均會污染水質(zhì)，蝦塘外排水對水質(zhì)影響較小，魚塘外排水對水質(zhì)影響較大，詳見表5。

表5 蝦塘、魚塘污染物監(jiān)測結(jié)果Table 5 The monitoring results of pollutants inshrimp ponds and fish ponds

2.3 降雨監(jiān)測

13次降雨水質(zhì)總氮質(zhì)量濃度較大，降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)不可忽略，需作為背景值參與計算(見表6)。

表6 降雨監(jiān)測結(jié)果Table 6 The rainfall monitoring results

2.4 河流監(jiān)測

2.4.1 數(shù)據(jù)整體分析

對數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析可以看出：下游污染物質(zhì)量濃度均值都較上游污染物質(zhì)量濃度均值有上升趨勢，總磷質(zhì)量濃度下游較上游上升34.1%，總氮質(zhì)量濃度下游較上游上升19.7%，上、下游污染物監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計見表7。

2.4.2 各項監(jiān)測指標(biāo)

2.4.2.1 總磷數(shù)據(jù)分析

下游較上游質(zhì)量濃度上升32次、占比82.0%，持平4次、占比10.2%，下降3次、占比7.7%。下游總磷質(zhì)量濃度較上游上升趨勢較明顯，詳見圖1。

表7 上下游污染物監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計表Table 7 Statistics of monitoring results ofupstream and downstream pollutants

圖1 上游、下游總磷監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計圖Fig.1 Statistics of monitoring results of upstream and downstream total phosphorus

2.4.2.2 總氮數(shù)據(jù)分析

下游較上游質(zhì)量濃度上升31次、占比79.5%，下降8次、占比20.5%，下游總氮質(zhì)量濃度較上游上升趨勢明顯，詳見圖2。

6月6—12日、8月22日至9月1日期間總氮、總磷污染物質(zhì)量濃度下游較上游出現(xiàn)不同程度的明顯上升趨勢，分析原因認(rèn)為：農(nóng)田在5月末和6月初進(jìn)行了施肥，該時間段農(nóng)田進(jìn)行了排水，引發(fā)黑魚河下游污染物質(zhì)量濃度上升；8月末到9月初，該時間段為魚蝦塘清塘排水，引發(fā)黑魚河下游污染物質(zhì)量濃度上升。8月1—21日期間總磷污染物質(zhì)量濃度下游較上游呈上升趨勢，因為在7月末及8月中旬對無機(jī)農(nóng)田完成了2次農(nóng)藥的施加，農(nóng)藥成分含磷，引發(fā)黑魚河下游污染物質(zhì)量濃度上升。結(jié)果表明：農(nóng)田外排水會對地表水造成污染，尤其在農(nóng)藥化肥施加后及區(qū)塊魚蝦塘清塘期排水較為明顯。

2.5 進(jìn)排水污染物總量情況

在農(nóng)作物的整個生長周期，進(jìn)水及降雨污染物總量大于排水污染物總量(21 377.52 kg >9 843.70 kg),結(jié)果見表8。

表8 進(jìn)排水污染物總量情況比較Table 8 Comparison of total amount of pollutantsin water intake and drainage

通過表8數(shù)據(jù)可知，總磷排出比例為34.7%，總氮排出比例為46.4%，污染物總量排出比例為46.0%，總排水中總磷、總氮含量對整個外界環(huán)境存在一定的影響。

3 結(jié)論

本研究以氮磷濃度監(jiān)測值推斷結(jié)論，未考慮稻田流失水量的影響，即目前本文僅考慮了流失濃度，未考慮流失負(fù)荷總量，結(jié)論如下：

1)農(nóng)田施肥、施藥均使水質(zhì)總磷、總氮質(zhì)量濃度出現(xiàn)不同程度的提高，以綠色種植、有機(jī)種植施肥后總氮質(zhì)量濃度上升最為顯著，依次為37.7、19.1 mg/L，總體表現(xiàn)為綠色種植受施肥影響最大，有機(jī)種植次之，有機(jī)試驗田受影響最?。坏貕K單元在施肥后排水對外環(huán)境造成一定污染，其他時段影響不大，以總氮最為顯著，綠色種植施肥后外排水質(zhì)量濃度最大值為23.5 mg/L，有機(jī)種植為13.0 mg/L。建議多采用有機(jī)試驗田種植方式，實現(xiàn)污染物產(chǎn)生量最小化。

2) 蝦塘注水期與清塘期水質(zhì)比較，總氮質(zhì)量濃度有小幅度上升，由2.44 mg/L升高為3.15 mg/L；魚塘總磷、總氮質(zhì)量濃度均有顯著升高趨勢，總氮由注水期的1.64 mg/L變?yōu)榍逄疗诘?.16 mg/L，總磷由注水期的0.10 mg/L變?yōu)榍逄疗诘?.16 mg/L。結(jié)果表明：魚蝦的養(yǎng)殖均會污染水質(zhì)，蝦塘外排水對水質(zhì)影響較小，魚塘外排水對水質(zhì)影響較大。

3)在農(nóng)作物整個生長周期，從污染物總量分析，總磷排出比例為34.7%，總氮排出比例為46.4%，污染物總量排出比例為46.0%，總排水污染物含量對整個外界環(huán)境存在一定的影響；從污染物質(zhì)量濃度均值分析，黑魚河下游污染物質(zhì)量濃度均值較上游有上升趨勢，總磷質(zhì)量濃度下游較上游上升34.1%，總氮質(zhì)量濃度下游較上游上升19.7%；總體表現(xiàn)為受納水體受施肥、施藥及魚蝦塘清塘期排水影響較大，其他時間段影響不大。