湖北朱湖農(nóng)場排水溝渠氮磷排放特征

李春培，王有寧，劉 婕，田 嶶，李丙官，朱天云

(湖北工程學院 生命科學技術學院，湖北 孝感 432000)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國農(nóng)資產(chǎn)品的消耗量日益增加，從而產(chǎn)生較多農(nóng)業(yè)面源污染問題[1]，如水體富營養(yǎng)化[2-5]、土壤板結[6]等。掌握氮磷排放狀況是解決農(nóng)業(yè)面源污染問題的前提之一，但目前關于農(nóng)場排水溝渠氮磷排放規(guī)律的研究報道還較為少見。

本文以湖北朱湖農(nóng)場排水溝渠為研究對象，通過遙感影像確定研究溝渠的地理位置，設定采樣點，判斷水流的流速和流向，然后對排水溝渠中N、P濃度進行監(jiān)測采樣分析并運用灰色關聯(lián)水質(zhì)評價方法，對排水溝渠進行綜合評價，進一步掌握溝渠排水的氮磷污染狀況，以期為農(nóng)業(yè)面源污染中氮磷的吸附攔截提供支持，為長江中下游水體富營養(yǎng)化治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

孝感市孝南區(qū)朱湖農(nóng)場地處江漢平原北部，地理坐標為東經(jīng)113°51′～113°57′，北緯30°47′～30°51′，總面積43 km2，耕地面積2 333 hm2，養(yǎng)殖水面800 hm2，常住人口2.4萬。具有獨特的區(qū)位優(yōu)勢和貨暢其流的交通優(yōu)勢(見圖1)。

圖1 朱湖農(nóng)場溝渠斷面布設與位置

1.2 采樣點的布設

排水溝渠內(nèi)存在嚴重水華現(xiàn)象，排水溝渠植物生長較多，溝渠兩側(cè)建有綠化帶，部分溝渠兩側(cè)進行水泥硬化。溝渠兩側(cè)在相同的管理制度下進行管理，排水溝渠中部分水直排入府河，部分通過排入菱角湖，再匯入府河，最終匯入長江。

根據(jù)朱湖農(nóng)場排水體系分布特征，結合采樣布設的代表性和準確性原則，設置控制斷面1、8，分別位于朱湖排水系統(tǒng)的入口以及出口，其次設置監(jiān)測斷面 2、3、4、5、6、7 于朱湖農(nóng)場主要排水溝渠(見圖1)，其目的是從時間和空間上監(jiān)測排水體系中的水質(zhì)。

1.3 樣品采集

定時定點進行水樣采集。本研究采樣時間：第1次采樣為2019年5月16日，第6次采樣為2019年6月28日，其中第4次與第6次均是雨后采樣。每隔7天進行一次采樣監(jiān)測，每次取樣時間為上午9時至11時。取樣時，在水體未被擾動的情況下，取水面下10 cm水體，將其裝入預先清洗的500 mL玻璃瓶中，加入硫酸酸化保存樣品，并滴加兩滴氯仿以抑制微生物的活動。

1.4 樣品處理及測定

將野外采集的水樣帶回實驗室進行指標分析。主要監(jiān)測指標為化學需氧量(COD)、總磷 (TP)、銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)，各項指標監(jiān)測時，都應經(jīng)過0.45 μm濾膜進行過濾后，在進行下一步監(jiān)測。監(jiān)測分析方法參見《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》[7]。

1.5 數(shù)據(jù)處理及方法

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2010和 IBM SPSS Statistics 24等數(shù)據(jù)處理軟件。

1.6 模型建立

灰色關聯(lián)法可以在數(shù)據(jù)少、樣本小的情況下進行數(shù)據(jù)分析，通過對實測數(shù)據(jù)形成的數(shù)列與構建的理想標準數(shù)列的關聯(lián)程度，來研究系統(tǒng)中子系統(tǒng)的關聯(lián)程度[8]。在水質(zhì)評價過程中，存在許多不可控制的自然因素影響實驗監(jiān)測結果。本文選取傳統(tǒng)的灰色關聯(lián)法對湖北朱湖農(nóng)場排水溝渠進行水質(zhì)評價。

首先，構建標準數(shù)列和實測數(shù)列，標準數(shù)列以GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》[9]為基礎建立，實測數(shù)列以斷面監(jiān)測的數(shù)據(jù)為基礎建立。其次，進行數(shù)據(jù)無量綱化處理，本文采用均值化[10]進行無量綱化處理。再次，采用傳統(tǒng)的灰色關聯(lián)表達式進行關聯(lián)系數(shù)與關聯(lián)度的計算。最后，進行關聯(lián)度的排序，定義實測數(shù)列與標準數(shù)列的關聯(lián)度越高，其相關性越密切。

2 結果與分析

2.1 COD時間維度、空間維度差異分析

通過室內(nèi)實驗指標監(jiān)測，所測定的COD最大值為844.78 mg/L，最小值為51.20 mg/L，其平均值為249.82 mg/L。從時間維度上看，朱湖農(nóng)場排水溝渠的COD呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。第六次采樣前發(fā)生了較強烈的降雨事件，促使第1次采樣、第5次采樣與第6次采樣所測定的COD值存在顯著性差異。在第1次采樣至第2次采樣均為晴天，第4次采樣為降雨事件發(fā)生之后，由于農(nóng)田施肥和降雨事件雙重作用，使得第2次采樣與第4次采樣所測定值存在顯著性差異(表1)。由于第4次采樣與第6次采樣均為雨后采樣，所測定的值均有大幅度的上升，這表明降雨事件會促進地表污染物質(zhì)通過地表徑流和地下滲透的方式進入排水溝渠。

表1 COD時間維度差異分析

從空間維度上看，朱湖農(nóng)場排水溝渠各斷面的COD呈現(xiàn)波動式變化趨勢。根據(jù)野外調(diào)查，其水流方向為由淪河進入控制斷面8，再到控制斷面1，通過控制斷面1匯入府河。其中控制斷面1、監(jiān)測斷面3、5、7較前一斷面所測定COD平均值較高，在這三個斷面存在生活污水排入口，這是導致COD值較高的原因之一。由表2可知，各斷面之間所測定的COD值無顯著差異。

表2 COD空間維度差異分析

2.2 NH4+-N時間維度、空間維度差異分析

通過室內(nèi)實驗指標監(jiān)測，所測定的NH4+-N最大值為0.87 mg/L，最小值為 0.04 mg/L，其平均值為0.22 mg/L。從時間上看，由施肥活動、微生物硝化與反硝化以及降雨事件綜合影響，使得朱湖農(nóng)場排水溝渠的NH4+-N呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。其中第1次采樣至第4次采樣期內(nèi)，NH4+-N呈現(xiàn)減小趨勢，這是排水溝渠自凈能力的表現(xiàn)。第4次采樣至第6次采樣NH4+-N呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，這是在降雨事件發(fā)生之后，施肥活動也隨之進行，未被土壤膠體固定的NH4+-N隨地表徑流匯入排水溝渠，促使水體中NH4+-N增加。

由表3可知，第1次采樣與其他采樣之間存在顯著差異，第2次采樣與其他采樣之間存在顯著差異，第3次采樣與第4次采樣存在顯著差異，第4次采樣與第6次采樣存在顯著差異。

表3 NH4+-N時間維度差異分析

從空間維度上看，朱湖農(nóng)場排水溝渠各斷面的NH4+-N呈現(xiàn)波動式變化趨勢。其中監(jiān)測斷面6與控制斷面1所監(jiān)測的NH4+-N增加峰值，這與施肥量有關。由于排水溝渠是厭氧環(huán)境，存在底泥微生物的硝化與反硝化作用，促使監(jiān)測斷面6至監(jiān)測斷面3呈現(xiàn)消減作用。由表4可知，監(jiān)測斷面3、4與其他斷面呈現(xiàn)顯著性差異，這兩個監(jiān)測斷面均值較小，這是由消減作用導致。

表4 NH4+-N空間維度差異分析

2.3 NO3--N時間維度、空間維度差異分析

通過室內(nèi)實驗指標監(jiān)測，所測定的NO3--N最大值為6.12 mg/L，最小值為0.49 mg/L，其平均值為2.40 mg/L。從時間上看，由施肥活動、微生物硝化與反硝化以及降雨事件綜合影響，使得朱湖農(nóng)場排水溝渠的NO3--N呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。在降雨事件與施肥活動發(fā)生之后，未被土壤膠體固定的NO3--N隨地表徑流進入排水溝渠，使得排水溝渠中NO3--N大幅增加。由表5可知，第4、5、6采樣所測定的NO3--N無顯著差異，而第1次采樣與其他采樣所測定的NO3--N存在顯著差異。

表5 NO3--N時間維度差異分析

從空間維度上看，朱湖農(nóng)場排水溝渠各斷面的NO3--N呈現(xiàn)波動式變化趨勢,其中監(jiān)測斷面3所測的NO3--N均值最大，這與生活廢水排入量有關。由于排水溝渠是厭氧環(huán)境，存在底泥微生物的硝化與反硝化作用，促使各斷面呈現(xiàn)波動式變化。由表6可知，監(jiān)測斷面2、4、5、6、7與控制斷面1之間無顯著差異，監(jiān)測斷面2、4、6、7與控制斷面1以及監(jiān)測斷面2之間無顯著差異，監(jiān)測斷面3與控制斷面8存在顯著差異。

表6 NO3--N空間維度差異分析

2.4 TP時間維度、空間維度差異分析

通過室內(nèi)實驗指標監(jiān)測，所測定的TP最大值為0.36 mg/L，最小值為0.01 mg/L，其平均值為0.16 mg/L。從時間上看，由施肥活降雨事件綜合影響，使得朱湖農(nóng)場排水溝渠的TP 呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。在降雨事件與施肥活動發(fā)生之后，未被土壤膠體固定的TP隨地表徑流進入排水溝渠，使得排水溝渠中TP大幅增加(表7)。由于施肥活動與降雨事件的發(fā)生，使得第4次采樣、第6次采樣與其他采樣存在顯著差異。這表明降雨事件與排水溝渠中TP有較高的相關性。

表7 TP時間維度差異分析

從空間維度上看，朱湖農(nóng)場排水溝渠各斷面的TP呈現(xiàn)波動式變化趨勢。其中監(jiān)測斷面2、6較前一監(jiān)測斷面呈現(xiàn)驟增現(xiàn)象，這與研究區(qū)內(nèi)施肥量有關。 由表8可知，監(jiān)測斷面2、3、4、5、6、7以及控制斷面8之間無顯著差異，監(jiān)測斷面3、7以及控制斷面1、8與監(jiān)測斷面2、4、5、6之間存在顯著差異。

表8 TP空間維度差異分析

2.5 灰色關聯(lián)法水質(zhì)評價

2.5.1 評價結果的確定

評價結果的確定是實測數(shù)列與標準數(shù)列相關性的排序，按照大到小的順序進行排序，其排序在第一位的評價級別為水質(zhì)評價等級(表9)。

表9 斷面水質(zhì)評價結果表(節(jié)選)

2.5.2 基于灰色關聯(lián)分析法的農(nóng)場排水溝渠水質(zhì)綜合評價結果

采樣灰色關聯(lián)法和內(nèi)梅羅法對排水溝渠進行水質(zhì)評價，評價結果見表10。

表10 朱湖農(nóng)場水質(zhì)評價結果

在無雨條件下，運用灰色關聯(lián)法所得結果是控制斷面8、監(jiān)測斷面7、2以及控制斷面1均為V類水質(zhì)，監(jiān)測斷面5、6是最優(yōu)水質(zhì)斷面，均為I類水質(zhì)，運用內(nèi)梅羅法所得結果，除了監(jiān)測斷面5、6為IV，其他斷面為V類水質(zhì)。在有雨條件下，運用灰色關聯(lián)法所得結果是控制斷面8和控制斷面1均為V類水質(zhì)，而監(jiān)測斷面2是最優(yōu)水質(zhì)斷面，為I類水質(zhì)，運用內(nèi)梅羅法所得結果是各斷面均為V類水質(zhì)。結果表明，在水質(zhì)綜合評價中，灰色關聯(lián)法與內(nèi)梅羅法所得結果有所差異，由于水質(zhì)綜合評價選擇指標較少，這是形成差異的主要原因?？傮w上來看，灰色關聯(lián)法適應于排水溝渠的水質(zhì)綜合評價。

3 小結與討論

本文以灰色關聯(lián)法為基礎，建立水質(zhì)綜合評價模型，這是一種可繼續(xù)探索的方向。傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅法[11]在水質(zhì)綜合評價的精確度較低，在建立灰色關聯(lián)法的水質(zhì)綜合評價模型時，應采用更加精確的水質(zhì)綜合評價法，例如模糊數(shù)學法[12]、改進內(nèi)梅羅法等[13]。在水質(zhì)綜合評價過程中，也應增加水質(zhì)綜合評價指標數(shù)，指標較少也是影響灰色關聯(lián)法精度的主要原因。

根據(jù)野外調(diào)查、實地走訪與室內(nèi)指標監(jiān)測，得出以下結論：

1)朱湖農(nóng)場排水溝渠的水流流向為東南向西北，在其上游設有水閘，其目的是調(diào)節(jié)研究區(qū)域內(nèi)的灌溉水量。排水溝渠中水的主要用途為農(nóng)田灌溉、養(yǎng)殖魚蝦等。在研究區(qū)域內(nèi)菱角湖建有濕地公園，濕地公園水質(zhì)與排水溝渠隔開，濕地公園的水經(jīng)由處理之后，再引入濕地公園內(nèi)。排水溝渠水污染來源主要是人們排放的生產(chǎn)生活廢水，在排水溝渠下游存在水華現(xiàn)象，但其中仍有水生生物存活，部分水華區(qū)域有人為清理的痕跡。

2)從時間上來看，排水溝渠中所測定COD、NO3--N、TP等指標的含量逐漸增加。這是降雨事件、施肥活動、生活污水排入量等因素綜合作用的結果。而排水溝渠中NH4+-N呈現(xiàn)波動變化趨勢，這與排水溝渠中微生物的硝化與反硝化作用有關。

3)從空間上看， 在施肥活動、生活污水排入量以及微生物硝化與反硝化作用的共同作用下，使得排水溝渠中COD、NO3--N、TP以及NH4+-N各指標呈現(xiàn)波動式變化。

4)在水質(zhì)綜合評價中，灰色關聯(lián)法與內(nèi)梅羅法所得結果有所差異，由于水質(zhì)綜合評價選擇指標較少，是形成差異的主要原因?？傮w上來看，灰色關聯(lián)法適應于排水溝渠的水質(zhì)綜合評價。