蟒河流域農林地表徑流氮磷流失狀況研究

付燕利 成永霞 邱坤艷

(河南省濟源市環境監測站)

水資源對城市的發展起著舉足輕重的作用,然而,伴隨著經濟的發展,水環境污染已成為制約城市經濟社會發展的重要因素[1]。濟源市河流主要有黃河、沁河和蟒河,蟒河源出山西省陽城縣蟒山,總長度 130 km,流經濟源市境內有 46 km,穿越市城區,不僅為三面環山的濟源增添了靈秀之氣,而且還是濟源市的主要納污河。在點污染源(如工業廢水排放、生活污水排放等)被有效控制后,面源污染成為蟒河流域水環境污染的重要因素之一,且具有上升趨勢快、分布面廣、污染物隨機性強和治理難度大等特點[2]。有關資料表明,60%的水污染源于非點源污染,因而面源污染已成為水環境污染的主要原因[3];受納水體污染負荷的 40%-80%來自雨洪產生的徑流[4]。已有研究表明,城市地表徑流的大部分水質指標已達到了污水綜合排放的三級標準,地表徑流面源污染以及雨天污水溢流已成為城區河流的主要污染源[5,6]。所以,降雨引起的地表徑流面源污染應引起足夠的重視,農田、林地氮、磷流失將加劇水體的富營養化[7]。為此,我們在濟源市蟒河流域開展了為期 2 a的農林地表降雨徑流監測,總結分析了蟒河流域農田、林地氮、磷流失現狀,為水環境面源污染調查提供了有力的數據。

1 監測點設置與樣品采集處理

1.1 監測點位的選擇

1.1.1 農田地表徑流監測點

根據濟源市蟒河流域的地形特點,選取有代表性的天然黃土丘陵區。

農田徑流監測點位于軹城鄉賈莊村,本區屬暖溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫 14.6℃,多年平均降水量 630 mm,主要集中在 7、8、9三個月。測點控制面為東西最長處 2000 m,平均坡度 2.3°,南北最寬處 514 m,平均坡度 15°,面積 1.3 km2。土壤母質為第四紀黃土,土壤類型為褐土。

1.1.2 林地徑流監測點

林地徑流監測點位于承留鄉虎嶺村,面積6.36 km2。流域內山巒起伏,西高東低,海拔高程325-1150 m。植被組成上有栓皮櫟、麻櫟等喬木,棠梨、黃荊等灌木,葛藤、野葡葡等藤本和黃背草、白草等草木。本區屬溫帶季風性大陸型氣候,四季分明,年均氣溫 13.8℃,年均降水量 815 mm。

1.2 樣品的采集和處理

2006年和 2007年在農林兩個監測點位進行降雨、徑流、水質同步監測。在降雨產流時采樣,采樣間隔 5 min,同時記錄降雨徑流的流速、水位和流量;降雨歷時較長時,采樣間隔 30 min,每場降雨均采集降雨—徑流的全過程樣品。

由于流失的土壤養分多溶于水中,泥沙和懸浮物在水流平緩處或下游水庫中沉淀,不能進入自然水體,因而按照地表水監測技術規范要求,對水樣進行自然沉降 30 min的前處理。

1.3 監測儀器與測定方法

采用溢流堰(薄壁三角堰、矩形堰測流量)測降雨徑流量,在監測斷面設置水位標尺和自記雨量計,監測水位和記錄監測期間全年各單次的降雨量。

所采水樣的監測項目有 pH、總氮、氨氮、硝酸鹽氮、總磷及磷酸鹽等,監測方法[8]如表 1。

表1 監測項目和監測方法

2 結果與討論

2.1 農林地表徑流水質比較

根據連續 2 a的 16次降雨水質監測數據,農林兩個監測點位的結果比較如表 2。

表2 農林地降雨地表徑流水質監測結果比較

將表 2中的農田徑流和林地徑流的污染物濃度與我國 2002年發布的地表水環境質量標準相比較,可得出以下結論:以平均值為依據,農田降雨徑流和林地降雨徑流的總氮濃度超過了《地表水環境質量標準》Ⅴ類水質標準(2.0 mg/L);氨氮濃度農田降雨徑流超過了Ⅲ類水質標準(1.0 mg/L),林地降雨徑流也接近此值;總磷濃度農田降雨徑流超過Ⅴ類水質標準(0.4 mg/L),林地降雨徑流略低于此值。由此可見,農田和林地降雨地表徑流水質指標處在Ⅴ類水質基礎上,應積極采取相應措施降低農田地表徑流氮磷濃度,以免流入蟒河造成水環境污染。

2.2 賈莊農田單次降雨徑流過程中不同監測時段的水質變化

圖1為 2007年 7月 22日賈莊的一次降雨過程中,間隔1 h采一次水樣所測得的水質結果。由圖 1可見,農田徑流水偏堿性,平均 pH值為 7.63,這與每年施用的氮肥、磷肥有關,銨鹽和磷酸鹽溶于雨水使形成的徑流水體 pH值升高。由于總氮受氨氮和硝酸鹽氮,土壤含氮量和雨水含氮量的雙重影響,總氮濃度在降雨過程中起伏不定;而總磷的濃度趨于穩定,沒有隨降雨時間的延長大幅度增大和降低。降雨過程中總氮濃度遠高于總磷,說明在每次降雨中氮流失大于磷流失,年際降雨氮污染負荷就遠大于磷污染負荷。

2.3 賈莊農田多次降雨氮磷流失狀況

圖1 單次降雨過程中不同監測時間的水質結果

圖2 賈莊農田多次降雨氮磷的流失

監測數據表明,年際徑流氮、磷流失量相差懸殊。2006年,農田監測點全年徑流 141.5 m3,流失氨氮 102 g,硝酸鹽氮 459 g;2007年,2次降雨監測徑流 2914.0 m3,流失氨氮 3199 g,硝酸鹽氮4013 g。因此,農林面源污染具有污染源時空分布的離散性和不均一性、污染源和污染成分監控的困難性等特征,致使我們測定的污染物濃度結果在時空上變化幅度較大。圖 2所反映的是 5次降雨中降雨量、總氮總磷濃度和氮磷流失量的相關變化圖,由圖 2可見,當降水量大時,農田形成的徑流量大,氮磷濃度低,但流失量就未必比降雨量小的時候大,如圖 2中第二次和第五次降雨的比較;農田降雨量少時,氮磷濃度較大,但受徑流量的影響,氮磷流失未達到最大,如第二、第三次降雨和第四次降雨的比較;5次降雨總氮濃度均高于總磷濃度,說明氮的流失量遠大于磷流失量。據統計,2 a中的 16次降雨,氨氮流失量為 3301 g,硝酸鹽氮流失量為 4472 g,總氮流失7773 g,總磷流失 963 g,超出水體自凈能力,給蟒河流域水環境帶來富營養化,使水體受到污染。

3 結論

2a有代表性的農林地降雨地表徑流監測結果表明,蟒河流域承受地表降雨污染負荷高,其中農田地表徑流占較大比例;農田地表徑流氮流失量遠高于磷流失量。監測點位軹城鄉賈莊村化肥施用歷史悠久,因此,必須加大農業面源污染的治理力度,提高農家肥和復合肥的施用水平,逐步減少和停止施用化肥,控制水溶性的銨氮和顆粒態磷,保護蟒河流域水環境。

[1]譚少華.我國水資源與城市規劃協調研究[J].地域研究與開發,2001,20(2):47-50.

[2]趙建偉,單保慶,尹澄清.城市面源污染控制工程技術的應用及進展[J].中國給水排水,2007,23(12):1-5.

[3]USEPA.National water quality inventory.Report to Congress Executive Summary.Washington DC.USEPA,1995:497.

[4]李養龍,金 林.城市降雨徑流水質污染分析[J].城市環境與城市生態,1996,9(1):55-58.

[5]韓 冰,王效科,歐陽志云.北京市城市非點源污染特征的研究[J].中國環境監測,2005,21(6):63-66.

[6]荊紅衛,郭婧.北京市地表水環境面臨的主要問題及防治對策[J].中國環境監測,2006,22(6):81-85.

[7]焦少俊,胡夏民,潘根興,等.施肥對太湖地區青紫泥水稻土稻季農田氮磷流失的影響[J].生態學雜志,2007,26(4):495-500.

[8]國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》編委會.水和廢水監測分析方法(第四版)[M].北京:中國環境科學出版社,2002.