巢湖圩區(qū)農(nóng)田排水溝渠氮磷時(shí)空分布及輸出特征

馬凡凡，邢素林，徐云連，龔 娟，田 艷，馬友華

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036）

【研究意義】氮、磷是植物生長(zhǎng)必需元素，也是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要影響因素，防治水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵是控制水體中的氮磷含量。農(nóng)田排水溝渠是連接農(nóng)業(yè)排水、居民生活廢水與河流湖泊的重要通道，具有河流和濕地的雙重特征，既是農(nóng)業(yè)面源污染的最初匯集地，又是下游河流、湖泊的外輸口，起著蓄水、排水、凈化水質(zhì)等多種作用［1-3］。農(nóng)田排水溝渠徑流氮、磷濃度變化既反映該溝渠氮、磷的輸出負(fù)荷和對(duì)上游農(nóng)田來(lái)水的消納凈化，也表明了溝渠對(duì)農(nóng)田尾水的截留凈化能力，是實(shí)現(xiàn)氮、磷功能轉(zhuǎn)換的重要場(chǎng)所［4-6］。

【前人研究進(jìn)展】相比點(diǎn)源污染，農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水體質(zhì)量安全構(gòu)成了更嚴(yán)重的威脅，也是湖泊流域水污染治理的難點(diǎn)［7-8］，而農(nóng)田排水溝渠中氮磷的遷移和轉(zhuǎn)化在農(nóng)業(yè)面源污染的控制和管理中起著重要作用，對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染防控具有重要意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)農(nóng)田溝渠中氮、磷的遷移轉(zhuǎn)化和生態(tài)攔截功能進(jìn)行了大量研究［9-11］。如Zhang等［7］研究發(fā)現(xiàn)溝渠濕地系統(tǒng)能夠有效降解、去除水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，降低其進(jìn)入下游河網(wǎng)的氮、磷含量。生態(tài)溝渠由于獨(dú)特的水生植物-底泥-微生物系統(tǒng)，通過(guò)植物吸收攔截、底泥吸附以及微生物降解的綜合作用下，總氮、總磷去除率可分別高達(dá)64%和70%［12］，NH4+-N、NO3--N的平均去除率分別為77.9%和63.7%［13］。然而，氮、磷在溝渠系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化非常復(fù)雜，受溫度、季節(jié)、植物種類(lèi)、溝渠結(jié)構(gòu)等眾多因素的影響，農(nóng)田排水溝渠氮磷遷移轉(zhuǎn)化、時(shí)空分布輸出的不確定性也隨之增加［2，14-16］。

巢湖沿岸圩區(qū)集中，多數(shù)以種植業(yè)為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度較大，水體環(huán)境相對(duì)封閉，高濃度氮磷水體未經(jīng)處理直接排入巢湖，加重了巢湖水體富營(yíng)養(yǎng)化［17］。巢湖流域糧食作物以小麥和水稻為主，氮磷化學(xué)肥料施用量過(guò)多，且地表徑流是農(nóng)業(yè)化肥養(yǎng)分流失的主要途徑，加劇了氮磷養(yǎng)分流失的風(fēng)險(xiǎn)。儲(chǔ)茵等［18］通過(guò)研究巢湖沿岸圩區(qū)稻季排水氮磷濃度特征發(fā)現(xiàn)，圩區(qū)排水的總氮、總磷平均濃度分別為4.28、0.3 mg/L，達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化甚至超富營(yíng)養(yǎng)化水平，且均高于受納河流水質(zhì)。稻麥輪作地表徑流總氮流失量為45.27～101.38 kg/hm2，總磷流失量為0.30～0.61 kg/hm2，氮、磷等污染物隨地表徑流排入溝渠及下游水體，對(duì)巢湖水體富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn)不可忽視［19］。【本研究切入點(diǎn)】目前，巢湖流域的研究主要集中在農(nóng)田地表徑流氮磷流失特征及河流營(yíng)養(yǎng)鹽的輸出動(dòng)態(tài)［20-21］，但經(jīng)由農(nóng)田流失的氮磷在溝渠中的時(shí)空轉(zhuǎn)化、分布及其向巢湖水體的輸送特征研究相對(duì)薄弱?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，本研究對(duì)巢湖圩區(qū)農(nóng)田排水溝渠進(jìn)行調(diào)查，分析溝渠水體氮磷時(shí)空分布特征及輸入巢湖的風(fēng)險(xiǎn)，為改善溝渠水體氮磷污染和控制巢湖流域污染源頭提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在巢湖市烔煬鎮(zhèn)西宋圩區(qū)農(nóng)田示范基地(117°40′59″E ，31°39′43″N)進(jìn)行，距巢湖湖區(qū)約560 m。巢湖流域?qū)儆趤啛釒駶?rùn)性季風(fēng)氣候，年均氣溫16.1 ℃，相對(duì)濕度76 %，年均降水量1 215 mm。降雨量年內(nèi)分配較不均勻，多集中于夏季（6—8月），12月份最少。試驗(yàn)區(qū)作為一個(gè)典型圩區(qū)，地勢(shì)平坦，由于降雨徑流長(zhǎng)期沖刷，自然土質(zhì)溝渠縱橫交錯(cuò)，溝渠主要接納農(nóng)田排水和居民區(qū)生活污水，其中溝渠中植物可以沉降泥沙，減緩流速，具有一定的攔截凈化能力。溝渠排水匯入排灌站，通過(guò)排灌站與臨近河流—雞裕河相連，最終流入巢湖。試驗(yàn)區(qū)主要種植作物為蔬菜-水稻、小麥-水稻輪作。作物施肥情況見(jiàn)表1。監(jiān)測(cè)期內(nèi)，小麥一般10月下旬栽種，5月下旬收割，期間施肥2次；水稻一般6月上旬插秧，9月下旬收割，期間施肥3次。

表1 監(jiān)測(cè)期內(nèi)作物施肥量Table 1 Crop fertilization during the monitoring period

1.2 采樣點(diǎn)設(shè)置及樣品采集

在研究區(qū)域選取3條溝渠，沿水流方向并根據(jù)溝渠長(zhǎng)度，在溝渠的上游、中段、下游斷面分別設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，標(biāo)記為S1～S9。其中溝渠1連接蔬菜-水稻種植區(qū)，溝渠2連接居民區(qū)及小麥-水稻種植區(qū)，溝渠3周邊是小麥-水稻種植區(qū)，面積分別為10.6、6.9、13.7 hm2。在溝渠系統(tǒng)的出水口—排灌站排水口和雞裕河河水分別布點(diǎn)采樣，標(biāo)記為S10～S11（圖 1）。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)的自然環(huán)境及代表性，分別于2015年3月（春季）、2015年6月（夏季）、2016年9月（秋季）、2016年12月（冬季）的15日前后采集水樣，并在降雨時(shí)加采一次，每次取樣500 mL，保存在聚乙烯塑料瓶，準(zhǔn)確標(biāo)記后立即帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理，并盡快測(cè)定。

圖1 溝渠采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Diagram of distribution of sampling points in the ditches

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

本研究測(cè)定指標(biāo)為總磷（TP）、總氮（TN）、氨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）。TP采用鉬酸銨分光光度法流動(dòng)分析儀測(cè)定，TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法流動(dòng)分析儀測(cè)定，NH4+-N 采用水楊酸分光光度法流動(dòng)分析儀測(cè)定，NO3--N采用硫酸肼還原法流動(dòng)分析儀測(cè)定。所用儀器均為AA3流動(dòng)注射分析儀。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel軟件處理并作圖，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）判斷溝渠水質(zhì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田排水溝渠水體氮磷濃度分布特征

從表2可以看出，溝渠水體氮磷濃度差異顯著，NH4+-N濃度為0.3～4.7 mg/L，平均值為1.1 mg/L；NO3--N濃度為0.4～2.8 mg/L，平均值為1.3 mg/L。與地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）比較可知，NH4+-N和NO3--N 平均濃度均高于Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。農(nóng)田排水溝渠TN濃度范圍在1.6～11.6 mg/L，平均濃度為4.2 mg/L，是Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（2.0 mg/L）的2.1倍。農(nóng)田排水溝渠TP濃度范圍在0.1～1.0 mg/L，平均濃度為0.3 mg/L，TP平均濃度超過(guò)IV類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且全部水體TP含量超過(guò)了水體富營(yíng)養(yǎng)化（0.02 mg/L）的標(biāo)準(zhǔn)，甚至有些超過(guò)了Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。巢湖圩區(qū)水稻生長(zhǎng)期排水TN、TP濃度一般為4.3、0.3 mg/L［9］，本研究溝渠水中TN濃度略低于稻田排水濃度，TP濃度則略高于稻田排水濃度。

表2 農(nóng)田排水溝渠水體氮磷濃度分布特征Table 2 Distribution characteristics of nitrogen and phosphorus concentrations in water of farmland drainage ditch

2.2 不同土地利用方式溝渠水體氮磷濃度比較

從表2還可以看出，3種土地利用方式農(nóng)田排水溝渠的氮磷濃度差異顯著，不同溝渠水體氮磷濃度的變異系數(shù)較大，表現(xiàn)出較大的分散性。就磷素而言，溝渠1中 TP平均濃度最高，達(dá)到0.4 mg/L，溝渠2和溝渠3的TP平均濃度較低，分別為0.3、0.2 mg/L。就氮素而言，溝渠1、溝渠2、溝渠3 TN平均濃度分別為5.3 、3.9、3.5 mg/L；NH4+-N平均濃度分別為1.6 、0.9、0.7 mg/L；NO3--N平均濃度分別為1.7 、1.2、1.1 mg/L。總體上，農(nóng)田溝渠氮磷濃度表現(xiàn)為溝渠1（蔬菜-水稻種植區(qū)）最高，溝渠2（居民區(qū)-小麥-水稻種植區(qū)）和溝渠3（小麥-水稻種植區(qū)）氮磷濃度較低，但溝渠2和溝渠3氮磷濃度差異不顯著（圖2）。蔬菜-水稻種植區(qū)施肥量較高，徑流中氮磷濃度相應(yīng)增加，這可能是溝渠1中氮磷濃度最高的主要原因。同時(shí)溝渠2不僅接納居民區(qū)未經(jīng)處理的高氮磷的生活廢水，還接納周邊的農(nóng)田降雨及其灌溉水，而溝渠3僅接受較低施肥量的農(nóng)田排水，因此氮磷濃度相對(duì)較低。

圖2 農(nóng)田排水溝渠各點(diǎn)位氮磷濃度時(shí)空分布特征Fig.2 Spatial and temporal distribution of nitrogen and phosphorus concentrations in various farmland drainage ditches

2.3 農(nóng)田排水溝渠水體氮磷時(shí)空分布特征

受大氣降水及農(nóng)田施肥影響，溝渠水體氮磷季節(jié)性變化很大。對(duì)不同季節(jié)溝渠水體中氮磷濃度比較（圖2）可知，TP濃度（圖2A）冬季明顯高于春季和夏秋季節(jié)，可能是夏秋兩季雨水充沛，徑流量大，可以更好地稀釋污染物。同時(shí)，夏季和春季溫度適宜，植物生長(zhǎng)旺盛，對(duì)溝渠中磷的凈化效果較顯著。TN（圖2B）和NO3--N（圖2D）濃度季節(jié)分布表現(xiàn)一致，均是春、夏濃度較高，秋、冬較低。可能是這些溝渠主要流經(jīng)農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，而夏季是農(nóng)業(yè)施肥的集中時(shí)期，隨著大量含氮肥料的施用，致使徑流中TN濃度較高。另外，由于土壤顆粒和膠體一般帶負(fù)電荷，在降雨沖刷和水土流失作用下，對(duì)NO3--N的吸附作用較弱，農(nóng)田中的硝酸鹽易隨徑流進(jìn)入溝渠中，從而導(dǎo)致NO3--N濃度較高［22］。NH4+-N（圖2C）濃度則表現(xiàn)為春季明顯高于夏秋兩季，這主要是春季有利于微生物活動(dòng)，有機(jī)氮可在有氧條件下在轉(zhuǎn)化為NH4+-N，因此NH4+-N濃度較高［23］，這與寇永珍等［24］關(guān)于貴州高海拔地區(qū)NH4+-N濃度春季低于夏季的研究相反，主要是高海拔地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)間較巢湖平原地區(qū)相對(duì)較后。

此外，沿溝渠水流方向，由于農(nóng)田溝渠自身凈化以及植物的吸收，溝渠對(duì)水體中氮磷有明顯的攔截作用，農(nóng)田溝渠下游斷面氮磷濃度總體呈逐漸降低趨勢(shì)。從圖2可以看出，溝渠1表現(xiàn)為冬季TP濃度顯著高于夏、秋兩季，而TN、NH4+-N、NO3--N濃度則是春季較高，溝渠2和溝渠3也表現(xiàn)為相似規(guī)律。值得注意的是，溝渠2上游斷面（S4）冬季TP、TN濃度最高，達(dá)到0.1、3.4 mg/L，與秋季相比，TP濃度升高5.9倍、TN濃度升高69.8%，且顯著高于溝渠1和溝渠3的上游斷面。這可能是溝渠2上游斷面主要接納居民區(qū)的生活廢水和街道降雨徑流，雨季降雨對(duì)污水有一定的稀釋作用，而冬季枯水季節(jié)，高濃度的生活廢水直接排入溝渠，此時(shí)為作物生長(zhǎng)后期，溝渠1及溝渠3則主要接受較低濃度的農(nóng)田徑流，因此溝渠2上游水體中氮磷濃度最高。此外，夏季溝渠2下游斷面TP、TN和NO3--N濃度較高，可能是巢湖地區(qū)夏季作物施肥期集中在5—6月，導(dǎo)致農(nóng)田徑流中氮磷含量較高。

2.4 圩區(qū)入河排水氮磷含量特征

圩區(qū)排水通過(guò)排灌站排入雞裕河，雞裕河入河口距入巢湖口約200 m。通過(guò)對(duì)排灌站排水（S10）采樣分析（表3）可知，圩區(qū)排水TP和TN平均濃度分別為0.3、3.8 mg/L，與溝渠水TP、TN平均值0.3、4.2 mg/L相比，TP濃度降低9.4%，TN濃度降低9.2%。

盡管水體混合稀釋以及溝渠的凈化攔截，致使排灌站排水氮磷濃度有所降低，但與入湖河流雞裕河河水（S11）相比，圩區(qū)排水TP和TN濃度分別高出16%、6.1%。與地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）比較可知，圩區(qū)排水TP超過(guò)Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，TN含量超過(guò)Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，巢湖圩區(qū)農(nóng)田氮磷輸出風(fēng)險(xiǎn)依然嚴(yán)峻。

表3 入河排水氮磷含量特征Table 3 Characteristics of nitrogen and phosphorus contents in river drainage in polder area

3 討論

影響農(nóng)田排水溝渠水體中氮磷含量的因素有很多。首先，不同的水肥條件是影響溝渠系統(tǒng)氮磷含量的主要因素，不同的土地利用方式也會(huì)導(dǎo)致溝渠系統(tǒng)接受周邊的徑流流失和污水強(qiáng)度有所不同［25-27］。本研究結(jié)果表明，相同降雨條件下，連接蔬菜種植區(qū)的溝渠徑流氮磷含量總體上高于居民-稻麥區(qū)和稻麥區(qū)溝渠，這是由于蔬菜季施肥量較高，在降水過(guò)程中，氮磷隨地下淋溶和地表徑流中向溝渠流失較多。此外，夏季溝渠水體中TN和NO3--N含量較高，而NH4+-N含量較低。這可能是夏季是農(nóng)業(yè)種植的集中時(shí)期，雨水充沛，大量氮肥在雨水淋溶和水土流失作用下進(jìn)入溝渠中，同時(shí)NH4+-N在厭氧微生物作用下轉(zhuǎn)化成NO3--N，降雨又一定程度上稀釋了NH4+-N濃度，從而導(dǎo)致TN和NO3--N含量升高，NH4+-N含量降低。同時(shí)，夏秋季節(jié)為豐水期，溫度適宜植物生長(zhǎng)，對(duì)溝渠中磷的凈化效果更好，因此溝渠水體中TP含量較冬季低。

其次，植物是溝渠系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者之一，既可以直接吸收底泥和水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，氧氣還可以通過(guò)莖和葉轉(zhuǎn)移到根區(qū)，促進(jìn)根區(qū)周?chē)纬晌⒀醐h(huán)境，為微生物提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，能夠有效去除水體中氮磷［28-31］。同時(shí)受溫度和季節(jié)影響，溝渠去除氮磷的速率有所差異。夏季溫度有利于植物進(jìn)行光合作用，生長(zhǎng)速度加快，對(duì)氮磷的凈化效果也更加明顯。與之相反，冬季氣溫較低，植物地上部分枯萎凋落，植物體內(nèi)的氮磷釋放進(jìn)入水體和底泥中，則會(huì)導(dǎo)致氮磷濃度升高［14,32］。因此總體上，沿溝渠水流方向，TN、TP濃度逐漸降低。但冬季農(nóng)田徑流中氮磷削減效率較低，且溝渠2中TP、TN濃度最高（S4），這不僅與居民區(qū)高氮磷生活污水的大量排放有關(guān)，同時(shí)冬季溝渠中水生植物凋落，生態(tài)化水平較低，從而降低了溝渠對(duì)氮磷的截留削減能力［33］。

作為污染物傳輸?shù)闹匾ǖ?，溝渠系統(tǒng)不僅影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活用水，還會(huì)對(duì)巢湖水質(zhì)造成潛在威脅。因此，有必要對(duì)巢湖沿岸農(nóng)田排水溝渠進(jìn)行整治。一方面，由于農(nóng)田施肥量較高及生活污水排放使得溝渠水體中氮磷含量較高，因此完善居民區(qū)及集鎮(zhèn)的基礎(chǔ)設(shè)施，提高生活污水處理能力；另一方面，自然溝渠植物覆蓋度較低，生態(tài)化水平不高，對(duì)氮磷的凈化能力有限，利用水生植物、底泥和微生物的協(xié)同作用，構(gòu)建生態(tài)溝渠系統(tǒng)，提高農(nóng)田溝渠的水質(zhì)凈化能力可作為該區(qū)域控制面源污染的研究方向。

4 結(jié)論

（1）農(nóng)田排水溝渠水體NH4+-N和NO3--N平均濃度分別為1.1、1.3 mg/L；TP、TN濃度范圍分別為0.1～1.0、1.6～11.6 mg/L，TP平均濃度超過(guò)Ⅳ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，且全部超過(guò)水體富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)，TN平均含量是Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的2.1倍。

（2）受降雨強(qiáng)度及農(nóng)田施肥影響，農(nóng)田排水溝渠中氮磷時(shí)空變化顯著。溝渠水體TN和NO3--N春夏兩季濃度較高，TP和NH4+-N則是夏秋濃度較低。另土地利用方式對(duì)溝渠水體氮磷含量具有顯著影響，蔬菜-水稻種植區(qū)溝渠水體氮磷含量高于居民-稻麥區(qū)和稻麥區(qū)溝渠，且整體從上游斷面到下游，氮磷濃度逐漸降低，具有一定的攔截效果。

（3）農(nóng)田圩區(qū)排水TP和TN平均濃度分別為0.3、3.8 mg/L，比入湖雞裕河河水TP和TN分別高出16%、6.1%，農(nóng)田圩區(qū)排水TP濃度超過(guò)Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，TN濃度超過(guò)Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)巢湖水體富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn)不容忽視。