長江三角洲河網(wǎng)平原地區(qū)集約化種植面源污染監(jiān)測指標(biāo)篩選研究

謝文明,閔 炬,施衛(wèi)明

(1.南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210023;2.中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室,江蘇 南京 210008)

第一次全國污染源普查資料顯示,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放的COD、氮、磷等主要污染物量已遠超過工業(yè)與生活源,成為污染源之首,其中,COD排放量占總量的46%以上,氮、磷排放量分別占各自總量的比例均在50%以上[1]。由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的污染已成為影響我國水環(huán)境的首要因素。

長江三角洲河網(wǎng)平原地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展使得該地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化,大量農(nóng)業(yè)用地被轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)用地或城市擴張用地,人均耕地面積急劇下降。與此同時,為了保證農(nóng)產(chǎn)品總產(chǎn)出相對穩(wěn)定,需要施用更多的肥料,從而導(dǎo)致化肥利用率低,肥料流失嚴(yán)重,水體環(huán)境嚴(yán)重污染[2-4]?？刂圃摰貐^(qū)農(nóng)業(yè)污染、削減農(nóng)業(yè)污染物排放量已經(jīng)成為該地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟、社會、生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展的重要任務(wù)[5]。

然而,農(nóng)業(yè)污染的產(chǎn)生和排放除了與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中肥料施用有關(guān)以外,還受到降水、地形、土壤和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式等諸多自然或人為因素的影響,具有分散性和不確定性等特點[6]。雖然前期我國已對農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)排污系數(shù)進行了初步研究,取得了一定成果,但由于基礎(chǔ)薄弱,時間短促,產(chǎn)排污系數(shù)研究不夠充分,影響了結(jié)果的科學(xué)性和可靠性。同時,我國不同地區(qū)、不同種植類型和不同規(guī)模農(nóng)業(yè)區(qū)或基地,農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生強度、污染物總量和監(jiān)測方法都存在較大差異,往往不能照搬或參考其他模式。因此,筆者針對長江三角洲河網(wǎng)平原地區(qū)集約化種植業(yè)面源污染開展監(jiān)測工作,同時構(gòu)建面源污染監(jiān)測技術(shù)方法,以期為該地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染控制提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)域

試驗在江蘇省宜興市丁蜀鎮(zhèn)渭瀆村的中國科學(xué)院南京土壤研究所宜興面源污染治理技術(shù)研發(fā)中心宜興基地(31°16′ N, 119°54′ E)內(nèi)開展。該基地位于長江三角洲太湖西部之濱,距太湖大堤僅5 km[7-8]。

試驗地土壤為當(dāng)?shù)氐湫偷狞S泥土,其0～15 cm 耕作層土壤w(有機碳)為12.6 g·kg-1,w(全氮)為0.64 g·kg-1,w(全磷)(以P2O5計)為0.39 g·kg-1,w(全鉀)(以K2O計)為13.9 g·kg-1,w(速效磷)為42.6 mg·kg-1,w(速效鉀)為49.6 mg·kg-1,土壤pH值為6.2。

1.2 試驗設(shè)計

稻季試驗設(shè)N0(不施氮肥)、N220(施氮量為220 kg·hm-2,減量20%)和N270(施氮量為270 kg·hm-2,當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量)3 個施氮肥處理,每個處理設(shè)4 次重復(fù),共計12個小區(qū),各小區(qū)隨機排列,面積均為44 m2。尿素按質(zhì)量比4∶3∶3分別作為基肥、分蘗肥和穗肥施入?；什捎没焓┓绞?分蘗肥和穗肥均采用表施方式。磷肥為過磷酸鈣,施用量為75 kg·hm-2,鉀肥為氯化鉀,施用量為130 kg·hm-2,磷、鉀肥均以基肥形式在移栽前與耕層土壤充分混合后一次性施入。

麥季試驗設(shè)N0(不施氮肥)、N200(施氮量為200 kg·hm-2,減量20%)和N250(施氮量為250 kg·hm-2,當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量)3個施氮肥處理,每個處理設(shè)4次重復(fù),共計12個小區(qū),各小區(qū)隨機排列,面積均為44 m2。尿素按質(zhì)量比4∶3∶3分別作為基肥、分蘗肥和穗肥施入?；?、分蘗肥和穗肥均采用表施方式。磷肥為過磷酸鈣,施用量為60 kg·hm-2,鉀肥為氯化鉀,施用量為120 kg·hm-2,磷、鉀肥均以基肥形式一次性施入。

菜地試驗種植模式為番茄-萵苣-芹菜輪作。試驗共設(shè)5個施肥處理:N0(不施氮肥);N1:番茄、萵苣和芹菜施氮量分別為160、208和256 kg·hm-2;N2:番茄、萵苣和芹菜施氮量分別為240、312和384 kg·hm-2;N3:番茄、萵苣和芹菜施氮量分別為320、416和512 kg·hm-2;N4:習(xí)慣施氮處理,根據(jù)試驗區(qū)農(nóng)戶的習(xí)慣施氮量確定,番茄、萵苣和芹菜施氮量分別為400、520和640 kg·hm-2,每個處理設(shè)4 次重復(fù),共計20個小區(qū),各小區(qū)隨機排列,面積均為17.5 m2。尿素按質(zhì)量比5∶3∶2分別作為基肥、追肥和追肥施入。磷肥作底肥一次性施入,施用量為120 kg·hm-2,鉀肥采用1 次基肥1 次追肥施用方式,分別按質(zhì)量比1∶1施入,施用量為150 kg·hm-2。

1.3 面源污染監(jiān)測方法

氨揮發(fā)采用密閉室間歇通氣法[9]測定。密閉室為直徑20 cm、高15 cm底部開放的有機玻璃圓筒,頂部留有一個通氣孔并使其與2.5 m高通氣管連通,將通氣管架到距地面2.5 m高處,保證交換空氣氨濃度一致。將密閉室嵌入表土中,上面留有約8～10 cm高的密閉室空間。于每天8:00—10:00 和14:00—16:00 測定。換氣頻率為15～20 次·min-1,在洗氣瓶中裝入60 mL 20 g·L-1硼酸溶液用于吸收揮發(fā)的氨氣,并用標(biāo)準(zhǔn)稀硫酸溶液滴定,以上述4 h的通量值作為每天氨揮發(fā)的平均通量。從施肥第2天開始測定,直至施氮處理與對照的氨揮發(fā)通量無差異時停止。

稻田和麥地土壤滲漏液利用多孔滲漏管收集。多孔滲漏管是直徑為5 cm的PVC 管,在管的一端距邊緣20 cm的管壁上均勻分布有直徑為0.5 cm的小孔,小孔被細密的尼龍紗網(wǎng)包裹,一根直徑為0.5 cm的塑料管經(jīng)PVC 管另一端插入直至布滿小孔端底部。將長度(埋入土平面下長度)為40、60、80、120 cm的滲漏管分別埋入各小區(qū),分別代表土壤20～40、>40～60、>60～80和>80～120 cm深度范圍內(nèi)的土壤滲漏狀況,滲漏液采集通過真空泵完成[10]。施肥后隔天采集滲漏液水樣,共采集4 次,之后每隔7 d采集1 次。樣品采集后立即將其保存在-20 ℃冰箱中待測。通過快速反應(yīng)滲漏計監(jiān)測該地區(qū)的滲漏速率為2 mm·d-1,以此計算得到滲漏液體積[8]。通過分析樣品各形態(tài)氮和磷濃度并結(jié)合滲透液體積計算氮、磷淋溶損失量。氮或磷淋溶損失量由施氮處理水稻整個生育期滲漏水氮或磷平均濃度與滲漏量的乘積再減去對照(不施氮或磷處理)相應(yīng)值得到。

稻季和麥季徑流采用流量計法[11]計算,即在田塊出口處安裝電磁流量計,記錄徑流產(chǎn)生的水量,同時取徑流水樣測定各形態(tài)氮和磷濃度。通過濃度與體積計算得到稻田面源污染徑流排放量。

菜地淋溶損失采用淋溶盤法[12]計算。在地下50 cm深處設(shè)置收集盤,收集面表面積為0.47 m2,用導(dǎo)管將收集盤連接到滲漏桶中。每7～10 d 取1次水樣,每次取樣時將裝置中淋洗液抽凈,并測定淋洗液體積。測定樣品中各形態(tài)氮和磷濃度,并結(jié)合淋洗液體積,計算菜地面源污染淋溶損失量。

菜地地表徑流采用徑流箱法[13]計算。通過安裝集水池,將徑流導(dǎo)入集水池,在每次徑流產(chǎn)生之后采集徑流池水樣,同時測定徑流液體積。通過測定樣品中各形態(tài)氮和磷濃度,結(jié)合徑流液體積,計算菜地面源污染徑流排放量。

1.4 樣品分析測定

滲漏水和徑流水樣品中銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)和總氮(TN)濃度測定采用流動分析儀(Holland,Skalar Corp)。溶解性磷酸鹽(PO43--P)和總磷(TP)濃度測定采用分光光度計法[14]。土壤銨態(tài)氮含量用1 mol·L-1KCl溶液浸提新鮮土樣,然后用連續(xù)流動分析儀測定浸提液。土壤pH采用V(水)∶m(土)為2.5∶1混合物進行提取測定[15]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 9.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和制圖,采用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻季面源污染監(jiān)測技術(shù)方法的建立

2.1.1稻季面源污染發(fā)生規(guī)律

氮肥投入后不同處理不同土壤深度淋溶液中NH4+-N、NO3--N和TN濃度隨著時間的增加均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。整個水稻生長期內(nèi)NH4+-N、NO3--N和TN濃度都出現(xiàn)3個峰,分別對應(yīng)稻田施用基肥、穗肥和分蘗肥時間。而在不同空間上,隨著土壤深度(20～40、>40～60、>60～80和>80～120 cm)的增加,不同處理土層滲漏液中NH4+-N、NO3--N和TN濃度都呈下降趨勢。不同處理條件下20～40和>60～80 cm土層滲漏液中NH4+-N平均濃度均大于NO3--N平均濃度,且呈較大差異。而在>80～120 cm土層滲漏液中NH4+-N平均濃度則低于NO3--N平均濃度。以土壤深度120 cm處TN負荷作為稻田淋溶損失,確定稻季氮淋溶負荷為3.74～6.21 kg·hm-2,約占氮肥投入量的1.7%～2.3%。

尿素分基肥、分蘗肥和孕穗肥3次施入。試驗結(jié)果表明,尿素施入淹水的稻田后很快水解為銨態(tài)氮發(fā)生氨揮發(fā)反應(yīng),氨揮發(fā)速率隨時間變化而出現(xiàn)明顯的揮發(fā)高峰,且氨揮發(fā)損失集中發(fā)生在施肥后1周內(nèi),之后揮發(fā)量很少。田面水NH4+-N濃度和pH也都呈現(xiàn)先增加后降低趨勢。經(jīng)計算,稻季氨揮發(fā)量(以N計)為25.9～53.4 kg·hm-2,約占施氮量的12.2%～19.8%,其中,N270處理氨揮發(fā)量高于N220處理。

根據(jù)測定的稻季排水總氮濃度和流量計記錄的流量折算出不同施氮量條件下稻季氮素徑流損失量。經(jīng)計算,稻季氮徑流量為7.1～21.8 kg·hm-2,約占施氮量的3.23%～8.07%。

2.1.2稻季面源污染簡易監(jiān)測指標(biāo)的構(gòu)建

基于前期研究結(jié)果,針對氨揮發(fā)過程,選取田面水中氨(以NH4+-N計)濃度(X1)和日最高氣溫(X2)2個指標(biāo),通過二元回歸方程確定日氨揮發(fā)量(Y1):

Y1=2.15×X1+6.58×X2-0.003×X12-

0.09×X22-0.04×X1×X2-116.63。

(1)

式(1)中,Y1為日氨揮發(fā)量(以N計),kg·hm-2;X1為田面水中NH4+-N濃度變化量,mg·L-1,由施肥后田面水中NH4+-N濃度減去未施肥田面水中NH4+-N濃度得到;X2為日最高氣溫,℃。

通過測定某一時刻稻田田面水中NH4+-N濃度,同時結(jié)合當(dāng)天最高氣溫,利用構(gòu)建的函數(shù)關(guān)系計算日氨揮發(fā)量。若在施肥后連續(xù)監(jiān)測7～8 d田面水NH4+-N濃度和日最高氣溫,通過上述關(guān)系式計算日氨揮發(fā)量,進而得到氨揮發(fā)總量,則模型準(zhǔn)確率可達85%;若施肥后監(jiān)測田面水中NH4+-N濃度減少至2次,則模型準(zhǔn)確率在60%以上。

針對稻田淋溶過程,以土壤深度120 cm處TN濃度作為簡易監(jiān)測指標(biāo),構(gòu)建稻田氮淋溶量與其之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。根據(jù)同一地區(qū)不同時期不同試驗數(shù)據(jù)[8,10,16-20],構(gòu)建了冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

每次采樣時氮淋溶損失量計算公式為

Ni=vs×t×ρt×10-2。

(2)

式(2)中,Ni為氮淋溶損失量,kg·hm-2;i為采樣次數(shù);vs為滲漏速率,mm·d-1;t為采樣間隔時間,d;ρt為TN濃度,mg·L-1。

每次采樣時氮淋溶損失所占比例計算公式為

(3)

式(3)中,Pi為第i次采樣時氮淋溶損失量占總淋溶損失量的比例,%。

氮淋溶累積損失比例計算公式為

(4)

式(4)中,q為氮淋溶累積損失比例,%。

氮淋溶累積損失比例與時間的關(guān)系為

q=a-b×e-t/k。

(5)

式(5)中,t為施基肥后時間,d;a、b和k為常數(shù)。

模擬結(jié)果顯示該數(shù)學(xué)模型能夠很好地模擬稻田氮的淋溶損失過程(圖1)。利用筆者研究中稻田不同處理的數(shù)據(jù)對該模型進行進一步驗證,結(jié)果顯示預(yù)測值與實測值接近(圖2)。

通過冪指數(shù)函數(shù)構(gòu)建氮肥投入量(x)與氮淋溶損失量(y)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系(圖3)，結(jié)合氮肥投入量和降水量,利用二元線性方程確定氮徑流損失量,準(zhǔn)確率達50%以上。降水強度、降水持續(xù)時間和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式等都是影響氮徑流損失的因素。

Y2=0.053 01×X3+0.039 4×X4-24.64。

(6)

式(6)中,Y2為氮徑流損失量，kg·hm-2;X3為氮肥投入量,kg·hm-2;X4為降水量,mm。

圖1 稻季氮淋溶累積損失比例與時間的關(guān)系Fig.1 The cumulative N loss ratio with time in rice season

N220和N270分別指施氮量為220和270 kg·hm-2。

圖3 稻季基于氮淋溶損失量推測得到的氮肥投入量

2.2 麥季面源污染監(jiān)測技術(shù)方法的建立

2.2.1麥季面源污染發(fā)生規(guī)律

麥季不同處理氨揮發(fā)速率隨著施氮量的增加而增加,高氮處理與低氮處理間差異顯著(P<0.05)。比較不同生長季節(jié)氨揮發(fā)量占施氮量的比率(即氨揮發(fā)率)由大到小依次為基肥期、拔節(jié)期和返青期。經(jīng)計算,氨揮發(fā)損失量占各處理施氮量的比例為1.51%～3.5%。麥季地表徑流液中氮形態(tài)以硝態(tài)氮和其他形態(tài)氮為主,分別約占總氮含量的30%～70%。經(jīng)計算,地表徑流量約占施氮量的3.2%～6.9%。麥季不同處理條件下淋溶水中硝態(tài)氮濃度均隨施氮量的增加而增加。經(jīng)計算,麥季淋溶損失量約占施氮量的2.0%～4.0%。

2.2.2麥季面源污染簡易監(jiān)測指標(biāo)的構(gòu)建

針對氨揮發(fā)過程,選取0～30 cm土壤中銨態(tài)氮濃度、日最高氣溫和土壤pH作為簡易監(jiān)測指標(biāo),通過三元機理函數(shù)分析,并結(jié)合麥季試驗的數(shù)據(jù)驗證,其計算結(jié)果精度可達60%以上。

Y3=X5×KH/(1+10-X6/Kd)×η,

(7)

KH=239 000×e-4 157/X7/X7,

(8)

Kd=10-0.090 18-2 729.92/X7。

(9)

式(7)～(9)中,Y3為日氨揮發(fā)量(以N計),kg·hm-2·d-1;X5為銨態(tài)氮濃度,mg·L-1;KH為亨利常數(shù);X6為土壤pH;Kd為電解常數(shù);η為修正系數(shù);X7為日最高氣溫絕對值,K。

針對麥季徑流損失和淋溶損失,選取氮肥投入量和降水量作為簡易監(jiān)測指標(biāo),通過二元回歸分析,結(jié)合麥季試驗的數(shù)據(jù)驗證,發(fā)現(xiàn)氮徑流損失的預(yù)測精度可達60%以上,氮淋溶損失的預(yù)測精度可達75%以上。

Y徑1=0.45×X8+0.35×X9-0.000 6×X82-0.000 1×X92-0.000 9×X8×X9-87.37,

(10)

Y淋1=0.20×X8-0.27×X9-0.000 2×X82+0.000 5×X92-0.000 39×X8×X9+31.10。

(11)

式(10)～(11)中,Y徑1為氮徑流損失(以N計),kg·hm-2;Y淋1為氮淋溶損失(以N計),kg·hm-2;X8為氮肥投入量(以N計),kg·hm-2;X9為降水量,mm。

2.3 菜地面源污染監(jiān)測技術(shù)方法的建立

2.3.1菜地面源污染發(fā)生規(guī)律

設(shè)施菜地淋溶液中NH4+-N淋失量僅占TN淋失量的0.04%～0.29%,NH4+-N淋洗損失量極低,可以忽略不計。NO3--N淋洗量在不同生長季占TN 淋洗量的89.0%～98.9%,是設(shè)施菜地氮淋洗排放的主要形態(tài)。在番茄、萵苣和芹菜3個生長季淋洗液中NO3--N濃度以番茄季為最高,萵苣季次之,芹菜季最低。在高淋洗發(fā)生的揭棚期,其TN淋洗濃度、淋洗液體積和降水量均顯著高于蓋棚期。揭棚期淋洗液體積和淋洗總量分別為蓋棚期的2.2倍和2倍。菜地田間試驗結(jié)果顯示氨揮發(fā)量僅占施氮量的0.1%,地表徑流約占施氮量的3.0%,淋溶損失約占施氮量的18.9%。

2.3.2菜地面源污染簡易監(jiān)測指標(biāo)的構(gòu)建

針對設(shè)施菜地,選取氮肥投入量和降水量作為簡易監(jiān)測指標(biāo),通過二元回歸分析,結(jié)合設(shè)施菜地試驗的數(shù)據(jù)驗證,發(fā)現(xiàn)氮徑流損失的預(yù)測精度可達80%以上,氮淋溶損失的預(yù)測精度可達65%以上。

Y徑2=-1.32×e13×X10+0.11×X11+

1.44×e16,

(12)

Y淋2=-3.0×e13×X10-0.16×X11+

3.3×e16。

(13)

式(12)～(13)中,Y徑2為氮徑流損失(以N計),kg·hm-2;Y淋2為氮淋溶損失(以N計),kg·hm-2;X10為氮肥投入量(以N計),kg·hm-2;X11為降水量與灌溉量之和,mm。

3 討論與結(jié)論

由于農(nóng)業(yè)面源污染具有污染物來源分散、復(fù)雜的特點,且污染物排放具有不確定性和隨機性,同時受多樣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式以及自然和人為因素(如降水、地形、土壤、施肥量、種植模式等)影響,使得農(nóng)業(yè)面源污染的監(jiān)測和負荷估算變得復(fù)雜和繁瑣。目前,在科學(xué)研究過程中采用的面源污染監(jiān)測方法仍存在著監(jiān)測方法繁瑣、監(jiān)測過程耗時耗力等缺點,使得這些監(jiān)測方法難以被環(huán)保部門采納進而有效地用于農(nóng)業(yè)環(huán)境的監(jiān)測和管理。比如,針對稻田氨揮發(fā),科學(xué)研究中通常采用密閉室間歇通氣法來進行監(jiān)測。該方法不但需要有現(xiàn)場的電力條件,而且還需要具備一定專業(yè)操作技能的人員進行現(xiàn)場操作得到,這樣的監(jiān)測方法完全不適合環(huán)境管理部門的現(xiàn)場監(jiān)測。再比如,針對稻田淋溶過程,在整個稻季生長周期內(nèi),通常需要現(xiàn)場采集10次以上的滲漏液,使得該過程消耗大量的人力和時間。這種方法也不適合于管理部門的現(xiàn)場監(jiān)測。

因此,針對上述問題,筆者開展了長江三角洲河網(wǎng)平原地區(qū)集約化種植面源污染監(jiān)測技術(shù)方法的研究,確定了長江三角洲河網(wǎng)平原地區(qū)典型區(qū)域不同種植條件下面源污染發(fā)生量,同時提出了11個簡易監(jiān)測指標(biāo),其中,稻田4個(田面水銨態(tài)氮濃度、日最高氣溫、土壤120 cm深度處總氮濃度和降水量),麥地5個(0～30 cm土壤中銨態(tài)氮濃度、日最高氣溫、土壤pH、氮肥投入量和降水量),菜地2個(氮肥投入量和降水量)。與科學(xué)研究中常用的方法相比,這些指標(biāo)值易于通過現(xiàn)場操作得到,同時能減少人力和時間的投入,且這些指標(biāo)經(jīng)過田塊尺度的試驗驗證,能提高面源污染發(fā)生量預(yù)測精度,可為環(huán)保部門實施環(huán)境監(jiān)測和管理提供一種便捷的方法。