江漢平原典型小區(qū)域溝渠底泥氮磷含量及其空間變異

聶玉蓮，熊桂云，劉冬碧，黃 敏，范先鵬，吳茂前，夏 穎，劉 毅

（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070；2.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所∕湖北省農(nóng)業(yè)面源污染防治工程技術(shù)研究中心∕國家農(nóng)業(yè)環(huán)境潛江觀測實驗站∕農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物肥料化利用重點實驗室，武漢 430064；3.中藍(lán)連海設(shè)計研究院，上海 201204；4.中國科學(xué)院武漢植物園，武漢 430074）

近十余年來，隨著政府對污染問題的重視，工業(yè)廢水和城市生活污水等點源污染得到有效控制，農(nóng)村面源污染已經(jīng)取代點源污染成為水環(huán)境污染的最重要來源［1，2］。在廣袤的農(nóng)村地區(qū)，由于生產(chǎn)方式粗放、居民環(huán)保意識不強(qiáng)等問題，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活中所產(chǎn)生的大量污染物（主要包括農(nóng)田尾水、養(yǎng)殖污水、生活垃圾和生活污水等）直接或間接排放到溝渠中，嚴(yán)重影響溝渠水質(zhì)。氮、磷等元素由于長期積累，蓄積在溝渠底泥中，造成底泥營養(yǎng)鹽含量過高［3-6］；在一定條件下，底泥又可以向上覆水體釋放氮、磷等各種污染物［7-9］。農(nóng)村溝渠系統(tǒng)與河流、湖泊等水體相連，是農(nóng)村生活污水和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的污染物質(zhì)向外界遷移的重要通道［10］，它既是上游農(nóng)田面源污染的匯，又是下游水體（河流、湖泊等）污染物的源［11］，在源、匯功能的識別與轉(zhuǎn)換中扮演著重要角色。目前，中國對于河流、湖泊、水庫等水體底泥的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)積累特征已有較多研究，如梁止水等［12］于2012年研究了南淝河底泥中氮磷累積狀況和空間分布規(guī)律，表明總氮、總磷含量隨深度增加而減少；張敏等［13］在2009年對三峽水庫香溪河庫灣底泥中氮、磷的時空分布進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，總氮含量存在明顯的空間和時間分布規(guī)律，總磷含量的空間規(guī)律明顯，但季節(jié)變化不顯著。前人對底泥的研究主要集中在河流、湖泊等水體，對農(nóng)田溝渠及其輸移路徑溝渠底泥也有報道［9］，但對江漢平原稻區(qū)溝渠底泥的監(jiān)測未見報道。

本研究以江漢平原水網(wǎng)農(nóng)區(qū)一個典型小區(qū)域為研究對象，探討溝渠底泥中不同形態(tài)氮、磷賦存特征、空間變異及其主要影響因素，為準(zhǔn)確識別農(nóng)村污染源，有針對性地制定農(nóng)村地區(qū)面源污染防治措施、防控地表水體富營養(yǎng)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于湖北省潛江市浩口鎮(zhèn)柳洲村（東經(jīng)112°37"，北緯30°22"），處于漢江平原腹地，為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫16.1 ℃，年均降雨量1 100 mm［14］。區(qū)域內(nèi)溝渠縱橫，水系發(fā)達(dá)，為典型的南方水網(wǎng)農(nóng)區(qū)。在柳洲村選擇由袁家溝（支渠）、公路河（支渠）、蘆車墩溝（斗渠）和二五橫溝（斗渠）4 條排灌渠自然圍成的小區(qū)域作為監(jiān)測區(qū)，面積71.6 hm2。區(qū)域內(nèi)水的自然流向是自北向南、從東往西，當(dāng)雨季水量過多時，多余的水經(jīng)袁家溝支渠北部泵站抽入西荊河。小區(qū)域內(nèi)以水稻種植為主，北部地勢較高的位置種植棉花，冬季作物以小麥為主。區(qū)域內(nèi)東側(cè)為居民集中住宅區(qū)，北側(cè)有2 個魚塘，二五橫溝和蘆車墩溝還分別有1 戶散戶，南側(cè)公路河與318 國道平行（圖1）。

圖1 研究區(qū)域及底泥采樣點分布

1.2 溝渠底泥采樣和制備方法

根據(jù)每條渠道的復(fù)雜程度、區(qū)域內(nèi)作物種植情況和田間溝渠分布情況，在小區(qū)域外圍4 條排灌渠道（支渠和斗渠）和田間溝渠（毛溝和農(nóng)溝）共采集36 個底泥樣品，其中，田間排灌溝有9 個樣品、斗渠和支渠分別有11 和16 個樣品，采樣時間為2013年3月下旬。采集底泥時，以確定的監(jiān)測點為中心，在其前后3 m 范圍內(nèi)均勻采集5～6 個0～10 cm 底泥樣點組成混合樣品，盡量使每個點所取的底泥量基本一致，同時記錄溝渠上沿寬度和水層深度，調(diào)查采樣點可能的污染來源。將樣品置于干凈的密封袋中，及時帶回實驗室，傾斜放置在干凈磁盤中稍瀝干底泥明水，挑出碎石子等雜質(zhì)，充分混勻后分成2 份，一份為鮮樣，分析水分、可溶性總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量；另一份自然風(fēng)干后過20 目篩，測定pH、Olsen-磷和水溶性磷，再選擇部分樣品過100 目篩，分析有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷的含量。

1.3 樣品分析與數(shù)據(jù)處理

鮮土樣用0.01 mol∕L CaCl2溶液浸提，堿性過硫酸鉀消煮-紫外分光光度法測定可溶性總氮，紫外分光光度法直接測定硝態(tài)氮，靛酚藍(lán)比色法測定銨態(tài)氮，可溶性有機(jī)氮=可溶性總氮-（硝態(tài)氮+銨態(tài)氮），用重量法測定底泥的含水率，不同形態(tài)氮的含量均以干基表示［15］。干土樣用復(fù)合電極法測定pH，25 ℃去離子水以10∶1 水土比提取、鉬銻抗比色法測定水溶性磷，0.5 mol∕L NaHCO3溶液提取、鉬銻抗比色法測定Olsen-磷，濃硫酸消煮、半微量開氏法測定全氮，用硫酸消煮、鉬銻抗比色法測定全磷，重鉻酸鉀氧化-外加熱滴定法測定有機(jī)質(zhì)［16］。

數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Office Excel 2010，空間分布采用Arc GIS 10.2，相關(guān)性分析采用Spearman矩陣法進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 溝渠底泥的屬性及不同形態(tài)氮、磷含量分析

2.1.1 溝渠信息及底泥的基本屬性 從圖1 和表1可以看出，小區(qū)域內(nèi)農(nóng)田排灌溝縱橫交錯、長度較短、水面較窄，上沿寬度一般為1.5～4.0 m；斗渠和支渠相對較長、水面較寬，上沿寬度分別為8.5～10.0 m和9.5～15.0 m。農(nóng)田排灌溝、斗渠和支渠的水位深度分別平均為11.4、34.6、37.5 cm，溝渠越接近農(nóng)田起始端，不同點位的水深受季節(jié)性變化的影響越大。不同點位底泥基本屬性結(jié)果（表1）表明，農(nóng)田排灌溝、斗渠和支渠底泥水分含量平均分別為33.4%、37.1% 和37.1%，變異系數(shù)為14.1%～23.2%，且農(nóng)田排灌溝小于斗渠和支渠；農(nóng)田排灌溝、斗渠和支渠底泥pH 平均分別為7.47、7.17 和7.50，不同樣點間變異較小，為中性到弱堿性；農(nóng)田排灌溝、斗渠和支渠底泥有機(jī)質(zhì)含量平均分別為14.9、16.1、14.6 g∕kg，斗渠較高，農(nóng)田排灌溝和支渠相對較低，不同樣點間變異系數(shù)表現(xiàn)為斗渠>支渠>農(nóng)田排灌溝。

2.1.2 底泥不同形態(tài)氮素含量及其相關(guān)關(guān)系 從表2 可以看出，農(nóng)田排灌溝、斗渠和支渠底泥全氮的平均含量分別為1.75、1.98、1.63 g∕kg，即斗渠較高，農(nóng)田排灌溝和支渠相對較低，樣點間的變異系數(shù)表現(xiàn)為支渠>斗渠>農(nóng)田排灌溝；農(nóng)田排灌溝、斗渠和支渠底泥可溶性總氮平均含量分別為37.5、83.8、49.7 mg∕kg，銨態(tài)氮平均含量分別為28.0、67.9、40.4 mg∕kg，硝態(tài)氮平均含量分別為5.05、7.23、6.57 mg∕kg，其含量和樣點間變異系數(shù)的大小均表現(xiàn)為斗渠>支渠>農(nóng)田排灌溝；農(nóng)田排灌溝、斗渠和支渠底泥可溶性有機(jī)氮平均含量分別為4.48、8.70、2.72 mg∕kg，即斗渠>農(nóng)田排灌溝>支渠。進(jìn)一步分析結(jié)果表明，在可溶性總氮中，無機(jī)氮占88.1%～94.5%，同時無機(jī)氮又以銨態(tài)氮為主，其占比為無機(jī)氮的84.7%～90.4%，且表現(xiàn)為斗渠>支渠>農(nóng)田排灌溝；可溶性有機(jī)氮含量為2.72～8.70 mg∕kg，僅占可溶性總氮的5.5% ～11.9%，占比大小表現(xiàn)為農(nóng)田排灌溝（11.9%）>斗渠（10.4%）>支渠（5.5%）。

表1 不同類型溝渠信息及底泥基本屬性

表2 溝渠底泥中不同形態(tài)氮素含量特征統(tǒng)計值

利用Spearman 矩陣法分析了底泥中有機(jī)質(zhì)、全氮、可溶性總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果（表3）表明，在α=0.01 水平，有機(jī)質(zhì)與全氮、可溶性總氮和銨態(tài)氮相互之間均呈極顯著正相關(guān)（n=36，r=0.418），以銨態(tài)氮與可溶性總氮、全氮與有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)最高，均在0.890 0 以上。張緒美等［17］在研究太倉市土壤有機(jī)質(zhì)與全氮含量關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)與全氮的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.900 0；王志齊等［18］指出，底泥中的氮素主要來自有機(jī)質(zhì)的礦化分解，有機(jī)質(zhì)在特定的條件和土壤微生物的作用下，會向全氮轉(zhuǎn)化。一般來講，土壤中可溶性總氮僅占全氮含量的1.29%～10.01%［10］，本研究中底泥可溶性總氮僅占全氮含量的1.01%～7.07%，但可溶性總氮是底泥氮素中最活躍的部分，它不斷地在底泥-水界面發(fā)生著遷移和轉(zhuǎn)化［19］，在淹水還原條件下，其主要成分為銨態(tài)氮，銨態(tài)氮與可溶性總氮的相關(guān)性系數(shù)為0.985 7。宋金明等［20］認(rèn)為，底泥中硝態(tài)氮主要來自于上覆水，并受到上覆水中硝態(tài)氮含量和分布的影響，故硝態(tài)氮與底泥全氮的相關(guān)性較差。本研究中硝態(tài)氮與可溶性總氮之間的相關(guān)系數(shù)也達(dá)0.575 4，說明在溝渠底泥環(huán)境中，當(dāng)可溶性總氮含量較高時，硝態(tài)氮含量也較高。

表3 溝渠底泥有機(jī)質(zhì)和不同形態(tài)氮之間的相關(guān)系數(shù)

2.1.3 底泥不同形態(tài)磷素含量及其相關(guān)關(guān)系 由表4 可以看出，農(nóng)田排灌溝、斗渠和支渠底泥中全磷的平均含量分別為0.58、0.58、0.65 g∕kg，Olsen-磷平均含量分別為22.7、22.3、36.4 mg∕kg，兩者變化趨勢一致，即支渠全磷和Olsen-磷含量及其變異系數(shù)較高，斗渠和農(nóng)田排灌溝全磷和Olsen-磷含量較??；水溶性磷的平均含量分別為0.40、0.31、0.42 mg∕kg，農(nóng)田排灌溝底泥中水溶性磷的含量與支渠相差不大，而斗渠中含量最小，變異系數(shù)表現(xiàn)為支渠>斗渠>農(nóng)田排灌溝。進(jìn)一步分析表明，全磷中，Olsen-磷占比為2.6%～10.1%，且占比大小表現(xiàn)為支渠>農(nóng)田排灌溝>斗渠；在Olsen-磷中，水溶性磷占比為0.5%～3.7%，占比大小表現(xiàn)為農(nóng)田排灌溝>斗渠>支渠。

表4 溝渠底泥中不同形態(tài)磷素含量特征統(tǒng)計

底泥中有機(jī)質(zhì)、全磷、Olsen-磷和水溶性磷的相關(guān)性見表5，在α=0.01 水平，有機(jī)質(zhì)與全磷、全磷與Olsen-磷、全磷與水溶性磷以及Olsen-磷與水溶性磷相互之間均呈顯著正相關(guān)（n=36，r=0.418），尤其是全磷與Olsen-磷相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)0.931 7。Ri?beiro 等［21］和Ingall 等［22］研究指出，有機(jī)質(zhì)是磷元素的重要載體，特別是有機(jī)磷與有機(jī)質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)關(guān)系密切。陸海明等［23］認(rèn)為，土壤全磷含量主要受土壤母質(zhì)、氣候等因素的影響，土壤有機(jī)質(zhì)在微生物的作用下進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化與循環(huán)，也伴隨著全磷的變化。此外，全磷、Olsen-磷和水溶性磷三者之間的相關(guān)分析結(jié)果表明，底泥中全磷含量增加的同時，其Olsen-磷和水溶性磷的含量也相應(yīng)增加，向外界水環(huán)境中釋放磷的風(fēng)險也隨之增加。全磷與Olsen-磷的相關(guān)系數(shù)大于全磷與水溶性磷的相關(guān)系數(shù)，這與金相燦等［24］對巢湖城區(qū)洗耳池底泥的研究以及羅春燕等［10］對嘉興農(nóng)村溝渠底泥的研究結(jié)果一致。

表5 溝渠底泥有機(jī)質(zhì)和不同形態(tài)磷之間的相關(guān)系數(shù)

2.2 GIS 支持下底泥不同形態(tài)氮、磷含量空間變異特征

2.2.1 不同形態(tài)氮含量的空間變異特征 在GIS 支

持下得到底泥不同形態(tài)氮素含量空間分布，每個指標(biāo)均分為低、較低、中、較高和高共5 個級別（圖2）。從圖2a 可以看出，溝渠底泥全氮含量有2 個明顯較高的地段，一是小區(qū)域東南角2 條支渠的交界處附近，連續(xù)4 個樣點的全氮含量處在2 個高值級別，即1.77～2.83 g∕kg，且緊靠這4 個樣點的2 個樣點，其全氮含量也處于中值級別；二是從小區(qū)域西北角斗渠及向南沿線，8 個樣點中有7 個樣點（含農(nóng)田排灌溝2 個點）的全氮含量處于2 個高值級別；小區(qū)域支渠和斗渠沿線的其余地段，底泥全氮含量均處于中值級別及以下（個別除外）。整體上來看，斗渠底泥全氮含量較高，11 個樣點中分別有4 個、1 個、2 個和4個樣點分布于較低至高4 個級別；農(nóng)田排灌溝次之，9 個樣點中分別有2 個、3 個和4 個樣點處于較低至較高3 個級別；支渠相對較低，16 個樣點中分別有1個、8 個、3 個、1 個和3 個樣點分布于低至高5 個級別，表明支渠不同樣點間變異較大，空間分異明顯。

圖2a 至圖2d 表明，可溶性總氮和銨態(tài)氮的空間分布規(guī)律基本一致，且與全氮有所不同，一是小區(qū)域東南角未表現(xiàn)為明顯的高值地段，二是農(nóng)田排灌溝的樣點基本處于中值以下并以低值為主。硝態(tài)氮含量的空間分布與可溶性總氮基本一致，不同的是支渠和斗渠較高級別樣點數(shù)較少。整體上來看，可溶性總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量及其空間變異表現(xiàn)為斗渠較高、支渠次之、農(nóng)田排灌溝最小。

圖2 小區(qū)域溝渠底泥不同形態(tài)氮素含量空間分布

2.2.2 不同形態(tài)磷含量的空間變異 GIS 支持下小區(qū)域底泥中不同形態(tài)磷素含量空間分布如圖3 所示。與氮素類似，各指標(biāo)也分為低、較低、中、較高和高5 個級別。從圖3a 可以看出，底泥全磷含量高值比較集中地出現(xiàn)在小區(qū)域東南角2 條支渠的交界處附近，有4 個樣點處于較高值至高值級別，即0.70～1.30 g∕kg，且在這4 個較高值至高值級別樣點附近，還有3 個樣點全磷含量處于中值級別；此外，在2 條斗渠中，各有1 個樣點全磷含量處于較高值級別，即0.70～0.86 g∕kg，在2 條斗渠交界處，有1 個樣點為中值級別；小區(qū)域支渠和斗渠沿線的其余地段，底泥全磷含量均處于中值及以下級別。在支渠16 個樣點中，分別有3 個、6 個、3 個、3 個和1 個分布于低至高5 個級別，斗渠11 個樣點中分別有3 個、3 個、3個和2 個分布于低至較高4 個級別，農(nóng)田排灌溝9個樣點中分別有1 個、3 個和5 個分布于低至中3個級別。由此可見，支渠底泥全磷含量較高，斗渠次之，農(nóng)田排灌溝最低，且農(nóng)田排灌溝全磷的空間變異較小，支渠不同樣點間變異較大，空間變異明顯。

圖3 小區(qū)域溝渠底泥不同形態(tài)磷素含量空間分布

從圖3a 至圖3c 可以看出，Olsen-磷與全磷的空間分布基本一致，而水溶性磷與二者有所差異，2條斗渠樣點中水溶性磷含量均處于中值及以下級別，農(nóng)田排灌溝分別有4 個、4 個和1 個樣點處于較低至較高級別，含量相對斗渠較高。從整體來看，支渠樣點Olsen-磷和水溶性磷的含量最高，空間變異也最大。

2.2.3 氮、磷含量空間變異性的主要影響因素 底泥中全氮、可溶性總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的平均含量均為斗渠最高?，F(xiàn)場調(diào)查表明，斗渠附近有2 個魚塘，在漁業(yè)養(yǎng)殖過程中向養(yǎng)殖水體中投入大量的飼料和魚藥，而魚塘又不定期地向外排放養(yǎng)殖污水。研究表明，魚塘系統(tǒng)中飼料氮素僅13.9% 轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖產(chǎn)品，13.4% 沉積于底泥，水體及損失部分占72.7%；飼料輸入的磷素25.4% 轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖產(chǎn)品，28.9% 沉積于底泥，45.7% 匯集于水體［25］。魚類攝食的飼料中，僅有31.9% 的氮轉(zhuǎn)化為魚體組織，其余68.1% 的氮隨著排泄物重新進(jìn)入到水環(huán)境中（表現(xiàn)為氨、尿素、尿酸）［26］。由此可見，養(yǎng)殖污水中往往存在較高濃度的氮和磷，這些含氮、磷的養(yǎng)殖污水就近排放到溝渠中，氮、磷元素尤其是顆粒態(tài)氮和磷往往就近沉淀，長時間積累造成底泥各形態(tài)氮、磷含量升高。

小區(qū)域東南角支渠附近均表現(xiàn)為全氮、全磷、Olsen-磷和水溶性磷的高值區(qū)，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該支渠兩側(cè)為密集的居民住宅區(qū)，居民日常生活污水通過管道直接排進(jìn)渠中，渠道邊還形成了點狀的生活垃圾堆放點，堆放的生活垃圾在雨水的沖刷下向渠道聚積，除一部分隨水遷移之外，還有一部分向下沉淀，日積月累逐漸提高了底泥中氮、磷的含量。據(jù)文獻(xiàn)報道，湖北省農(nóng)村生活污水主要是洗衣、洗浴廢水、廚房洗滌及沖廁廢水，生活污水中總磷含量明顯超過城鎮(zhèn)污水處理廠排放二級標(biāo)準(zhǔn)（GB18918—2002）［27］，因農(nóng)村生活垃圾露天堆放產(chǎn)生的垃圾滲出液以及對農(nóng)村生活垃圾中的有機(jī)物和植物進(jìn)行生物處理產(chǎn)生的營養(yǎng)鹽和有機(jī)污染物，已經(jīng)成為農(nóng)村面源污染的重要來源［28，29］。農(nóng)村生活污水和生活垃圾的隨意堆放使得靠近居民生活區(qū)地段的底泥中各形態(tài)磷含量明顯高于研究區(qū)域內(nèi)的其他溝渠地段。此外，農(nóng)田排灌溝作為灌溉水和農(nóng)田尾水的流經(jīng)渠道，田塊中未被吸收的肥料隨農(nóng)田尾水進(jìn)入到排灌溝中，長期積累下導(dǎo)致農(nóng)田排灌溝中水溶性磷的含量也較高。

綜上所述，溝渠底泥氮、磷含量主要在小區(qū)域東南角居民住宅區(qū)和西北角魚塘附近呈現(xiàn)高值，說明該區(qū)域溝渠底泥氮、磷含量除受到土壤母質(zhì)等自然條件的影響外，還受到含氮、磷的生活污水、生活垃圾以及魚塘排污的影響。因此，為凈化鄉(xiāng)村環(huán)境，需提高居民環(huán)保意識，減少含磷洗滌劑的使用，加強(qiáng)垃圾分類與回收，避免垃圾露天堆放，同時也需要規(guī)范漁業(yè)養(yǎng)殖場的操作流程，提高飼料的利用率，合理進(jìn)行排污。

3 小結(jié)

在江漢平原典型小區(qū)域36 個溝渠底泥樣中，pH 平均為7.38，含水率平均為35.9%，有機(jī)質(zhì)平均含量為15.2 g∕kg。底泥全氮含量為0.7～2.9 g∕kg，平均值為1.79 g∕kg。其中，可溶性總氮含量為17～166 mg∕kg，可溶性無機(jī)氮占可溶性總氮比例為88.1%～94.5%；同時可溶性無機(jī)氮又以銨態(tài)氮為主，后者占前者的84.7%～90.4%。底泥全磷含量為0.4～1.3 g∕kg，平均值為0.60 g∕kg；Olsen-磷的含量為10.2～131.7 mg∕kg，占全磷的2.6%～10.1%；水溶性磷的含量為0.2～0.8 mg∕kg，占Olsen-磷的0.5%～3.7%。在α=0.01 水平，底泥中全氮、可溶性總氮和銨氮之間，以及全磷、Olsen-磷和水溶性磷之間兩兩呈極顯著正相關(guān)。各形態(tài)氮的平均含量均以斗渠最高，全磷、Olsen-磷和水溶性磷在靠近居民生活區(qū)的支渠出現(xiàn)最高值，說明漁業(yè)養(yǎng)殖排污、居民日常生活排放的含磷污水以及垃圾露天堆放產(chǎn)生的滲出液是影響底泥氮、磷含量的主要因素。