速生桉種植中氮素對飲用水源地水質的影響

李相林 謝華 彭波 謝洲 楊瑞剛

摘要：【目的】研究速生桉種植中氮素對飲用水源地水質的影響，可為廣西飲用水源地速生桉種植的污染防控提供科學依據。【方法】以廣西橫縣六藍水庫飲用水源地為例，采樣分析水源地取水口處水質。在為期5年（2011～2015年）的一個輪伐期內，以六藍水庫匯水區為研究尺度，實地調查匯水區各村屯林農的肥料施用情況，估算肥料用量及污染物氮的排放量，并分析氮的排放量與水質污染因子的相關性。【結果】采樣結果顯示，除第1年（2011年）的總氮監測數據達Ⅱ類水質標準外，其余4年（2012～2015年）的數據均未達Ⅱ類水質標準，氨氮的5年監測數據均能達Ⅱ類水質標準。六藍水庫匯水區速生桉林業面源總氮排放量占流域范圍所有污染源總氮排放量的84.7%。速生桉施肥引起的總氮排放量與總氮監測數據顯著相關（α=0.05，P=0.023），與氨氮監測數據不顯著相關（α=0.05，P=0.106）；生活污染源和分散式畜禽養殖污染源的總氮排放量與氨氮監測數據極顯著相關（α=0.01，P=0.009），與總氮監測數據不顯著相關（α=0.05，P=0.072）。【結論】六藍水庫飲用水源地氮素主要污染源為速生桉林種植施肥，總氮排放量在一定程度上影響著水庫總氮因子濃度。因此，采取科學測土配方施肥技術，合理控制和安排匯水區內速生桉的肥料用量與次數，進而減少氮素排放，對于預防飲用水源地水體富營養化起到重要作用。

關鍵詞： 氮素；飲用水源地；速生桉；總氮排放量；肥料用量

中圖分類號： X820.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）11-1849-07

Abstract：【Objective】Effects of nitrogen element in fast-growing eucalyptus on water quality of drinking water sources were studied to provid scientific references for prevention and control of pollution from fast-growing eucalyptus plantation in drinking water sources in Guangxi. 【Method】Taking Liulan reservoir drinking water source in Hengxian county， Guangxi as an example， the water quality at water intakes was analyzed. During rotation period of 5 years（2011-2015）， taking Liulan reservoir catchment area as the research scale，fertilizer application situation in the villages within catchment area were investigated，the amount of fertilizer and emission of pollutant nitrogen were estimated，the correlation between nitrogen emissions and water pollution factors were analyzed. 【Result】Results indicated that except the first year（2011）， the data in four years（2012-2015） failed to reach class II water standard. Ammonia nitrogen data in five years did not achieve class II water standard. The total nitrogen emission of eucalyptus forest non-point source in catchment area accounted for 84.7% of total nitrogen pollutant emission in basin perimeter. Total nitrogen emission induced by fast-growing eucalyptus fertilization was significantly correlated with total nitrogen monitoring data（α=0.05， P=0.023）， whereas it was not significantly correlated with ammonia nitrogen monitoring data（α=0.05， P=0.106）. Total nitrogen emissions from domestic pollution sources and decentralized poultry breeding pollution sources were significantly correlated with ammonia nitrogen monitoring data（α=0.01， P=0.009），but were not significantly correlated with total nitrogen monitoring data（α=0.05， P=0.072）. 【Conclusion】The main pollution source of nitrogen element in Liulan reservoir drinking water source is fertilization for fast-growing eucalyptus plantation. Total nitrogen concentration is affected by total nitrogen emission from fertilization to a certain extent. Therefore， adopting formula fertilization by soil testing， controlling and arranging fertilizer dosage and times can reduce nitrogen emission and prevent water in water sources from eutrophication.

Key words： nitrogen element； drinking water source； fast-growing eucalyptus； total nitrogen emission； fertilizer application rate

0 引言

【研究意義】飲用水水源安全問題事關廣大人民群眾的身體健康和生命安全，已成為社會各界高度關注的環保問題（郭梅和周麗旋，2010；申曉云和黨晨席，2014；楊會改等，2014）。隨著近年來速生桉大面積種植，其是否會對飲用水源產生影響，也越來越受到社會和學術界的關注，其研究方向主要有水源區的土壤性質（龔姍姍和廖善剛，2009；苗武等，2012；趙筱青等，2012）、水土流失（楊靜學等，2015）及水源涵養能力（李欽祿，2009；李海防等，2010；苗武等，2013）等。由于速生桉種植對飲用水源水質的影響受到降雨量、地表徑流、地形、坡度等多種因素干擾，且這些影響因素差異較大，使得研究結果可比性受到限制，而存在較大爭議（Rosén et al.，1996；Dan et al.，1999；Hopmans and Bren，2007；黃承標，2012）。本研究以速生桉種植較為密集的六藍水庫飲用水源地為研究區域，分析速生桉種植中氮素與水源地水質之間的關聯，為廣西飲用水源地中速生桉種植管理提供科學依據及數據支撐。【前人研究進展】目前，有關飲用水源地速生桉種植對水體水質影響的研究不多。農必昌等（2006）對廣西4個林場的桉樹造林區施肥與林區水體富營養化進行了調查研究，結果表明，桉樹林地可能造成水體富營養的關鍵因子是氮，與桉樹主要施氮肥和整地施肥方法有密切關系。陳丹輝和江惠龍（2010）研究了速生桉種植對飲用水源水質的影響，分析了巨尾桉種植過程氮、磷流失量及其對湖庫型飲用水源水質的污染，并評估了水源匯水區內巨尾桉對水質的影響程度。宋賢沖等（2011）于2008～2010年對廣西3個桉樹造林區水體連續監測，發現桉樹種植會產生大量的有機污染物，要保持林區水質，則需對有機污染物濃度進行控制。楊鈣仁等（2014）對廣西主要人工林地坡面徑流水質特征進行研究發現，速生桉施肥可導致坡面徑流氮含量顯著升高，但對總磷含量影響較小，桉樹人工林養分流失主要表現為氮的淋失。以往學者對于速生桉林區等小流域所開展的研究（黃云鳳等，2004；高超等，2005；曹繼釗等，2007），一般是通過建立徑流小區的方式收集樣區徑流，進行水質采樣，并以此分析其對整個流域水體水質的影響。【本研究切入點】前人研究多為建立徑流小區式的模擬性分析，缺乏對一個完整輪伐周期內的飲用水源水質實測值進行系統分析。【擬解決的關鍵問題】通過調查速生桉種植中不同年份的施肥量，估算匯水區中氮素的排放量，分析飲用水源地速生桉種植一個輪伐周期（2011～2015年）的水質監測數據，探究飲用水源地水質與速生桉種植施肥間存在的關系，為科學提出水源地速生桉種植管理與污染防治對策提供參考依據。

1 材料與方法

1. 1 研究區概況

六藍水庫為廣西橫縣備用飲用水源地，位于鎮龍江上、校椅鎮六藍村委獨田村附近，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發電、養殖等綜合性用途的中型水利工程。灌區設計灌溉面積0.97萬ha，有效灌溉面積0.75萬ha，歷年最大灌溉面積1.00萬ha，校椅、云表和馬嶺等3個鄉（鎮）受益。水庫所在流域以丘陵為主，植被覆蓋率約85%，平地較少，基本沒有水田分布，僅有的平地主要種植蔬菜。研究區域屬南亞熱帶季風氣候，太陽輻射強，日照時間長，年日照時數1778.3 h；年無霜期約336 d，雨熱同季，年均氣溫21.4 ℃，年平均濕度72.7%；年均降雨量1416.1 mm，歷年月最大降水量708.9 mm，降水量的季節分配為3～5月310～420 mm、6～8月600～750 mm、9～11月為160～290 mm、12月～翌年2月80～120 mm，歷年平均降水日數為156.5 d，實測24 h最大雨量306 mm，多年平均24 h最大雨量130 mm，多年平均蒸發總量1582.0 mm。研究區域的雨熱條件較適合速生桉生長，因此在水庫匯水區范圍大面積種植連片速生桉林，種植面積約占匯水區陸地面積的77%。速生桉品種主要為尾葉桉及其雜交品種。

1. 2 樣品采集

本研究在六藍水庫飲用水源地取水口處設置1個采樣點（圖1）。2011～2015年輪伐期每年7月（多雨季節）均在林農施肥結束后于取水口進行一次水質樣品采樣，水樣用便攜式冷藏箱保存，并及時送回實驗室測試分析。采樣期間，同時調查水庫匯水區范圍的農村生活污染源（人口數量）和分散式畜禽養殖污染源（豬、牛、家禽的數量）的分布情況。

1. 3 測定項目及方法

由于對氮的管理是全流域性的（王道涵和梁成華，2002），且廣西速生桉林區可能造成水體富營養化的關鍵因子主要是氮（農必昌等，2006），結合本研究的目標，監測總氮、氨氮共2項指標，監測因子采用《水和廢水檢測分析方法》（第四版）進行分析。

1. 4 速生桉林業面源

1. 4. 1 林地面積 六藍水庫流域速生桉種植區域在高分辨率影像數據中呈現的地物特征較其他地物在色、形、位上有明顯差異。本研究以Google Earth高分辨率影像數據為基礎數據，結合水庫周邊現場實際勘察情況，通過遙感圖像目視解譯，識別和提取出水庫周邊桉樹種植分布區域，并匯總計算速生桉的總面積。

1. 4. 2 肥料用量 選取2011年為調查起點，連續調查5年的施肥特點。六藍水庫流域水源地匯水區范圍內各村屯的肥料用量等數據均采用發放調查問卷的方式獲得。本研究走訪調查15個村屯，共發放問卷150份，收回138份，有效率92%。調查內容主要包括各村屯林農在不同年份速生桉的單株施肥量a（kg/株）、種植密度d（株/ha）、種植面積s（ha）、施肥頻次f （次/年）。匯總問卷所得數據，進而計算整個匯水區的施肥總量A（kg），計算公式為：

A=a×d×s×f（1）

1. 4. 3 污染物排放量 由于每年林農對各品種肥料施用量的不確定性，無法精確統計整個匯水區范圍每個品種化肥的施用量。因此本研究在計算整個匯水區施用肥料的含氮系數（R）時，根據當地林農每年施用肥料品種含氮比例的算術平均計算而得：

R=■Ri /n（2）

其中，Ri為i品種肥料的含氮比例。此外，由于整個匯水區地勢起伏較大、坡度差別較大，無法精確統計到各片區的坡度等參數，因此總氮排放系數按照15%（王道涵和梁成華，2002；王壽兵和陶林森，2006）的流失量排放到水體來計算污染物總氮排放量：

CN=A×R×15%（3）

1. 5 生活污染源和分散式畜禽養殖污染源

六藍水庫匯水區范圍的污染源類型除了速生桉林業面源外，還包括生活污染源和分散式畜禽養殖污染源等。由于調查區域僅有的平地被開墾為零星分布的菜地，故不計入農田徑流污染源。農村生活污染源的源強系數采用國家環保局2007年重點流域農村生活污染源調查（產排污系數測算）數據，即廣西區農村人均污染源總氮排放量為5.0 g/人·d；分散式畜禽養殖污染源的源強系數采用第一次全國污染源普查（畜禽養殖業源產排污系數手冊）數據，即總氮排放量折算成標豬后為20.98 g/頭·d。

1. 6 統計分析

使用Excel 2007進行數據處理、計算和制作圖表；以SPSS 17.07進行相關性分析，并采用Pearson法分析兩變量間的相關性。

2 結果與分析

2. 1 水質現狀分析結果

由于水質采樣位置位于飲用水源地取水口處，故采用GB 3838-2002中的Ⅱ類標準進行評價。監測結果表明，除第1年（2011年）的總氮監測數據達Ⅱ類水質標準外，其余4年（2012～2015年）的數據均未達Ⅱ類水質標準；連續5年的氨氮監測數據均能達Ⅱ類水質標準；從圖2可知，上述兩項指標均呈逐年遞增的趨勢。

2. 2 速生桉林業面源特征分析結果

六藍水庫匯水區范圍內速生桉種植面積約占其陸地面積的80%（圖1），2011～2015年輪伐期內的林地面積每年基本保持不變。通過Google Earth高分辨率影像數據及現場實地勘查確認，速生桉種植面積為2630.93 ha。

2. 2. 1 造林與施肥 由表1可知，當地林農采用1000～1400株/ha的密度進行種植，其中，上六房、六房、剪刀村、龍西、紅旗村等速生桉分布相對碎片化的村屯種植密度一般為1000株/ha，而速生桉較集中連片分布的當耙、平山、甜菜等地的種植密度相對較高，一般為1400株/ha，其他村屯則多為1200株/ha。整個匯水區速生桉平均種植密度約1200株/ha。當地速生桉營林管理較粗放，多數村屯每年只進行一次施肥，只有在第1年幼苗定植后，個別村屯會進行1次追肥。在一個輪伐期內，第1年當地林農多在3月進行基肥的施用，根據各地土壤肥力的差異，施肥量為200～300 g/株；由于人工費用成本較高，多數林農在當年苗木定植后很少進行追肥，僅有速生桉分布相對碎片化、便于管理的少數幾個村屯進行追肥，不納入統計范圍。因此，第1年整個匯水區的施肥次數為1次，平均施肥量為250 g/株；第2年幼林期的肥料用量較第1年幼苗期有所增加，施肥量為350～500 g/株；平均施肥量記為400 g/株。第3～4年為中林齡期，施肥量基本為500 g/株。在第5年成熟林期，由于各地速生桉林長勢的差別，各地林農在砍伐前一年的施肥量差別較明顯，一般為400～600 g/株，平均施肥量記為500 g/株。

由表2可知，六藍水庫匯水區范圍速生桉所用肥料品種較多，但以桉樹專用復合肥料為主。第1年幼苗期以基肥為主，主要品種有生態緩釋型桉樹專用肥、奧浦森復混肥料、豐收—桉樹專用基肥等，肥效總養分相對較低，為15%～25%，其中氮素平均含量為7%（根據各品種肥料氮素含量算數平均值計算）；第2～5年，以追肥為主，主要品種有加美復合肥料、蜀甲復混肥料、美浮羅復合肥料等，肥料總養分較高，為30%～45%，其中氮素平均含量為17%。

2. 2. 2 污染物排放量 由表2可知，六藍水庫輪伐期第1年總氮排放量為8.28 t，第2年為32.19 t，第3～5年基本保持在40.24 t。說明隨著苗木的生長，施肥用量增加，匯水區范圍總氮排放量也隨著增加，2011～2015年一個輪伐期內總氮排放量為161.19 t。

2. 3 生活污染源及分散式畜禽養殖污染源分析結果

由表3可知，2011～2015年六藍水庫匯水區范圍內人口數量變動不大，增長緩慢，僅從2017人增長到2228人；家禽和豬總數分別為4910羽和1203頭。因此，采用廣西區農村人均污染源總氮排放量為5.0 g/人·d及分散式畜禽養殖污染源總氮折算成標豬后排放量為20.98 g/頭·d的系數進行計算，得出一個輪伐周期的生活污染源總氮與分散式禽養殖污染源總氮排放量為29.23 t。

2. 4 氮負荷的結構比例分析

由圖3可知，從2011～2015年單個年份來看，對比生活污染源及分散式畜禽養殖污染源，林業面源的總氮排放量均在60.0%以上，而從速生桉種植整個輪伐期尺度比較，林業面源總氮排放量占匯水區范圍所有污染源總氮排放量的84.7%（圖3）。可見，六藍水庫匯水區范圍氮負荷最主要的污染源為速生桉施肥引起的林業面源。

2. 5 水質與污染物排放量相關性分析

由表4可知，顯著水平α=0.05，六藍水庫水源地水質中的總氮因子濃度與生活污染源和分散式畜禽養殖污染源的總氮排放量相關性不顯著（r=0.844，n=5，P=0.072），說明二者的總氮排放量對水庫總氮因子濃度無顯著影響；總氮因子濃度與速生桉林區總氮排放量存在顯著相關（r=0.928，n=5，P=0.023），可見隨著速生桉林區總氮排放量的增加，水庫總氮因子濃度也呈上升的趨勢，林區總氮排放量在一定程度上影響著水庫總氮因子濃度。顯著水平α=0.05，水庫的氨氮因子濃度與速生桉林區總氮排放量相關性不顯著（r=

0.798，n=5，P=0.106），說明林區總氮排放量對水庫氨氮因子濃度無顯著影響；顯著水平α=0.01，水庫的氨氮因子濃度與生活污染源和分散式畜禽養殖污染源的總氮排放量存在極顯著相關（r=0.962，n=5，P=0.009），說明水庫氨氮因子濃度主要受生活污染源和分散式畜禽養殖污染源影響。

3 討論

對比生活污染源和分散式畜禽養殖污染源，發現六藍水庫飲用水源地速生桉林業面源總氮排放量占匯水區范圍所有污染源總氮排放量的84.7%，水源地氮素主要污染來源為速生桉林區大面積施肥引起的林業面源。研究數據顯示，速生桉林區所施用的肥料有30%～40%通過其氣態、淋洗和徑流等各種途徑進入水體，成為速生桉林區水體面源污染的最大“貢獻者”（吳玉光等，2000；王壽兵和陶林森，2006）。可見，加強六藍水庫飲用水源地中速生桉林業面源這一主要污染源的防控，對于確保水源地水質安全起到關鍵作用。農必昌等（2006）通過對宜州、賓陽、欽州3個速生桉林區的水庫水質監測發現，庫區總氮因子的濃度含量超標倍數為0.34～2.14倍。宋賢沖等（2011）對廣西3個林場的桉樹造林區水體進行3年定點連續監測發現，在桉樹新造林1年后，林區水體中COD、BOD5、SS等各項水質參數均有變壞的趨勢，林區的水體污染程度增加。本研究中六藍水庫連續5年的監測數據表明，總氮因子除施肥量最少的第1年能達Ⅱ類水質標準外，其余4年的監測數據均未達Ⅱ類水質標準。可見，在水庫、水源地等水體匯水區大面積種植速生桉林，容易引起水體的總氮因子超標。本研究結果顯示，六藍水庫的總氮因子與匯水區的總氮排放量存在顯著相關性，說明水庫匯水區施肥引起的總氮排放量在一定程度上影響著水庫總氮因子的濃度。曹繼釗等（2007）通過研究速生桉林區施肥對林區水體富營養物質的影響發現，施肥量越大，林區內水體總氮含量也相應增加。陳丹輝和江惠龍（2010）在福建東張水庫飲用水源保護區進行相關研究，結果也表明速生桉林區氮、磷流失入庫量是造成湖庫水質富營養化的原因之一。為減少施肥造成的氮素流失，當地林農應盡量采用少量多次的施肥方式，以保證肥料能充分被林地吸收。

相比總氮因子普遍超標的現象，本研究中的另一項監測因子氨氮連續5年均達Ⅱ類水質標準，通過相關性分析顯示，水庫氨氮因子濃度與速生桉林區總氮排放量相關性不顯著，但與生活污染源和分散式畜禽養殖污染源總氮排放量存在極顯著相關。說明六藍水庫氨氮污染物來源主要與生活污染源和分散式畜禽養殖污染源有關。本研究的分析結果P=0.009小于給定的α=0.01，則二者存在極顯著的相關性。水庫匯水區范圍除了速生桉林業面源外，沒有其他類型的污染源，因此可以判定，六藍水庫氨氮污染物來源主要與生活污染源和分散式畜禽養殖污染源有關，且二者的排放量較小，未造成庫區氨氮因子超標。本研究結果與劉剛（2011）、藺凱和劉建利（2013）的研究結果相似，自然水體中氨氮濃度的上升主要是由于生活污水、人畜糞便等含氮有機物進入天然水后，在有氧條件下經過微生物分解形成氨氮。雖然本研究的氨氮因子均達Ⅱ類水質標準，但仍呈逐年上升趨勢，因此應加強對當地人畜糞便的管理，進行回田灌溉等處理，以減少生活污水的排放。

以往學者（黃云鳳等，2004；高超等，2005；曹繼釗等，2007）通過建立徑流小區的方法研究速生桉林區水質的局限性在于徑流小區僅限于很小一塊片區，難以概括說明整個流域范圍的相關規律。本研究將尺度擴大到水庫匯水區，通過估算整個匯水區范圍內速生桉施肥的污染物排放量，結合一個輪伐期內水庫取水口處的監測數據，找出速生桉林施肥對水庫水質影響的一些規律。由于水庫匯水區范圍較大，諸如速生桉林的種植密度、施肥次數、單株施肥量及各品種肥料的施用量等數據難以進行精確統計，故在整個匯水區的尺度上確定上述參數時，結合當地營林現狀，取其算術平均值，相對較接近當地的客觀現狀。另外，由于匯水區跨度較大，不同地段的地質、坡度、坡長等立地條件差別較明顯，難以精確分類計算各片區的總氮排放系數，因此本研究選取經驗值（農必昌等，2006；曹繼釗等，2007；任忠秀等，2013）作為計算依據，其計算結果跟實際情況有一定的偏差，但用于估算整個匯水區在一個輪伐期內污染物排放量的變化趨勢仍然可靠。

4 結論

本研究結果表明，六藍水庫飲用水源地氮素主要污染源為速生桉林種植施肥，總氮排放量在一定程度上影響著水庫總氮因子濃度。因此，采取科學測土配方施肥技術，合理控制和安排匯水區內速生桉的施肥用量與次數，進而減少氮素排放，對于預防飲用水源地水體富營養化起到重要作用。

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（責任編輯 鄧慧靈）