漓江上游金龜河試區氮磷濃度時空差異性分析

2021-08-07 03:03:56張振宇代俊峰謝曉琳萬祖鵬徐保利代俊鴿潘林艷

中國農村水利水電 2021年7期

張振宇，代俊峰，謝曉琳，萬祖鵬，徐保利，代俊鴿，潘林艷

（1.桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西桂林541004；2.桂林理工大學廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西桂林541004；3.桂林理工大學巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心，廣西桂林541004；4.桂林理工大學地球科學學院，廣西桂林541004）

面源污染與點源污染相比，具有隨機性、復雜性和不確定性等特點，是水環境研究的熱點和難點［1-3］。我國農業面源污染主要由于農藥、化肥的流失和畜禽養殖糞便排放等因素造成。目前，我國化肥過量使用現象比較普遍，其中氮磷化肥利用率分別只有10.8%～40.5%和15.0%～20.0%［4］。畜禽養殖在舒緩人口激增而帶來的畜禽產品供需矛盾的同時，也成為農業面源污染的最主要來源之一［5］。

漓江是世界著名風景游覽城市桂林的“母親河”，是“桂林山水”之魂，2013年被評為全球15 條最美河流之一［6］。漓江流域的面源污染逐漸引起了人們的關注，一些學者從土地利用類型［7］、土壤底泥［8］和水肥管理［9］等角度對漓江流域上游面源污染氮磷排放規律進行了研究；楊麗雅等［10］基于SWAT 模型對漓江小流域的非點源污染進行分析，并提出削減策略；謝曉琳等［11］分析了漓江中上游典型巖溶區會仙濕地的氮磷濃度時空特征。

金龜河是漓江上游青獅潭灌區西干渠的支渠，最終匯入漓江的支流桃花江。金龜河試區是漓江上游具有典型代表性的農業區域，區域內以水稻、柑橘等種植業以及禽畜和水產等養殖業為主，農業面源污染排放形勢嚴峻，對桃花江的水質產生影響，進而影響漓江的水質。基于前人研究的基礎上，本文選取漓江流域上游非巖溶區典型農業區域-金龜河試區為研究區域，通過野外定點監測和實驗分析的方法，對金龜河試區的總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）、總磷（TP）等指標進行分析，根據2017-2018年的監測數據分析金龜河試區氮磷等污染物的空間分布特點和季節差異性規律，以期豐富漓江流域農業面源污染的研究，為管理決策提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

金龜河試區位于廣西壯族自治區桂林市臨桂區，經緯度范圍在25°17'～25°22'N，110°09'～110°14'E 之間。金龜河上游連接金靈水庫和田邊水庫，下游匯入桃花江（圖1）。金龜河是青獅潭灌區西干渠的支渠，為灌區小型河流，河流總長13.8 km，河寬在3～10 m，水深在1 m 左右，流域面積為27.95 km2，范圍涉及天華村、下橋村和江頭村等。試區內氣候溫和濕潤，雨量充沛，年降雨量約1 800 mm，雨季一般為每年4-9月，其降雨量約占全年降雨量的75%～80%；年平均氣溫在20 ℃左右，屬典型亞熱帶季風氣候。該區域土壤主要為紅壤，偏酸性，富鋁化強烈。

圖1 金龜河試區區位圖Fig.1 Location of Jingui River pilot area

1.2 采樣點布設

在綜合考慮金龜河試區子流域劃分、支干流水力聯系以及不同土地利用類型等因素的基礎上，結合野外實際情況和具體可操作性，布設了15 個采樣點（圖2）。包括金龜河干流、上游西側魚塘支流以及下游東側養殖場排水支流。

金龜河干流布設了7 個采樣點，上游至下游沿程編號為G1～G7（圖2）。以兩條支流的匯入斷面作為分界，將干流分為上游G1～G3，中游G4～G6，下游G7。其中，G1 為西干渠補給金龜河的入水口；G2和G3周邊主要為稻田；G4、G5周邊主要為以柑橘樹為主的果林；G6至下游周邊主要為稻田；G7為流域總出水口。上游西側魚塘排水支流的采樣點自上而下分別為魚塘進水口Y1、魚塘水Y2 和魚塘出水口Y3。下游東側養殖場排水支流的采樣點編號為X1～X5，其中，X1 上游約200 m 處為以鴨子等為主的禽類養殖場；X2位于人工溝渠，右側為村莊，左側為農田；X3 位于農田間灌溉溝渠，兩側皆為農田；X4 為水流匯合處，其下游約250 m 處為金龜河干流。X5 為養殖場西南側約200 m 處的居民飲用壓水井，地下水位埋深約3～4 m，考慮到養殖廢水排放可能影響到飲用水質量，故設此監測點。

圖2 金龜河試區土地利用及采樣點分布圖Fig.2 Distribution of land use and sampling points in Jingui River pilot area

1.3 水質監測和數據來源

本實驗采用野外采樣和室內實驗的方法。采樣時間為2017年1月-2018年12月，共兩年，每月采樣一次。野外采樣方式參考《地表水和污水監測技術規范》（HJ/T 91-2002），并根據野外實際情況進行操作。地表水采樣時用棕色玻璃瓶采取混合水樣，密封保存；地下水監測點為居民飲水壓水井，直接壓取井水，密封保存。水樣帶回實驗室冷藏，并在24 h 內測定完畢，共4項指標，分別為總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）和總磷（TP）。總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定，硝態氮采用紫外分光光度法測定，總磷采用過硫酸鉀消解-鉬藍比色-紫外可見分光光度法測定。

2 金龜河試區氮磷濃度空間差異性分析

2.1 氮素濃度空間分布和差異分析

（1）干流氮素濃度的空間變化。從兩年的數據（圖3）分析結果來看，總體上金龜河干流總氮的年平均濃度沿程呈現波動式上升的趨勢。硝態氮的平均濃度沿程變化平穩，總氮的平均濃度主要隨氨氮平均濃度增加而增加。上游G1～G3 周圍主要為農田，總氮的年平均濃度變化整體較為平穩。隨著魚塘排水支流水的匯入，相比G3，G4 總氮的年平均濃度明顯升高，2017和2018年分別升高了25%和64%。中游G4～G6 周圍主要為果林，兩年的數據分析結果顯示中游的總氮的年平均濃度整體沿程變化平穩，無明顯升高趨勢，甚至在2017年還出現了一定程度的降低。下游從G6 到G7，是整個干流總氮平均濃度上升幅度最大的河段，主要原因是下游養殖場排水支流的匯入。

圖3 金龜河干流兩年氮素濃度空間變化圖Fig.3 Spatial variation of nitrogen concentration in the main stream of Jingui River in two years

（2）支流氮素濃度的空間變化。金龜河支流兩年氮素平均濃度空間變化如見圖4。上游魚塘排水支流Y2 總氮的年平均濃度比Y1 升高了2.0 倍（2017年）和2.6 倍（2018年）。與Y2 相比，Y3總氮的年平均濃度在2017年無明顯變化，在2018年因魚塘水總氮年平均濃度較高，出現一定程度的消減。

圖4 金龜河支流兩年氮素平均濃度空間變化圖Fig.4 Spatial variation of nitrogen concentration in tributaries of Jingui River in two years

下游養殖場支流中，X1 點因位于養殖場出水口，為整個流域氮磷污染最嚴重的監測點，2017年和2018年該點的總氮年平均濃度分別為24.20 和21.96 mg/L，是整個研究區內所有監測點平均濃度的近10 倍。從X1 到X3，總氮的年平均濃度整體呈消減的趨勢，2017年和2018年分別消減了72.0%和39.3%；消減程度的不同主要是受當年降雨量以及支流流量的影響［12］。

（3）干流上中下游氮素濃度的空間差異性分析。采用數據分析軟件SPSS 中的獨立樣本T檢驗的方法分析上中下游總氮、氨氮和硝態氮濃度的空間差異是否具有顯著性［13］，分析結果如表1所示。

表1 金龜河上中下游氮素濃度的差異性分析Tab.1 Difference analysis of nitrogen concentration in upper，middle and lower reaches of Jingui River

從均值來看，干流總氮的年平均濃度在上、中、下游都是沿程升高的，尤其在中游至下游河段上升更快；從顯著性差異來看，總氮和氨氮濃度在不同河段的差異性顯著水平都小于0.05，差異性顯著。硝態氮的年平均濃度在上、中、下游出現了沿程先降低，后增加的趨勢；從顯著性差異來看，硝態氮濃度只在中游與下游之間存在顯著性差異。

2.2 不同類型監測點氮素形態特點分析

為進一步分析氨氮和硝態氮的空間分布差異，選取四種不同土地利用類型控制下的監測點G3、G6、X1和Y2，和地下水X5以及總出水口G7兩個特殊監測點為研究對象，對這6個不同類型監測點中氨氮與總氮以及硝態氮與總氮的相關性進行分析［14］。分析結果見表2。

表2 不同類型監測點氮素形態相關性分析Tab.2 Correlation Analysis of nitrogen forms in different monitoring sites

在G3（稻田）、G6（果林）、X1（養殖場）、Y2（魚塘）4 種不同土地利用類型下的監測點，氨氮與總氮的相關性均顯著，總體表現為養殖場＞稻田＞魚塘＞果林。G3 硝態氮與總氮相關性極高，而果林、養殖場、魚塘下墊面下硝態氮與總氮相關性不顯著。說明在稻田控制區內，氨氮與硝態氮共同影響著總氮濃度的變化［15］。而在另外3種下墊面下，氮素的形態以氨氮為主，硝態氮對總氮的影響較小，尤其在X1總氮和氨氮相關系數0.981，相關性極高。在地下水中，硝態氮與總氮相關系數為0.714，相關性極顯著，說明在地下水中，氮素主要以硝態氮的形式存在［16］。在流域總出水口，氨氮與總氮的相關性極顯著，說明在流域出水口仍受養殖場影響較大。養殖場禽類糞便中有機物極不穩定，排放大量的氨氮，對下游地表水體產生嚴重的影響，同時地表水中的氨氮在進入地下水的過程中又容易氧化成硝態氮。

2.3 總磷濃度空間分布和差異性分析

金龜河試區干支流總磷濃度的時空變化如圖5所示。從兩年的數據分析來看，總體上金龜河干流總磷的年平均濃度沿程先上升后下降。兩個峰值點分別為G4 和G7，點也是兩條支流匯入后的監測點。上游從G1到G3段，周圍主要為農田，受到農田施肥等面源污染，總磷濃度沿程穩定、平緩地上升。在G4點，由于魚塘支流的匯入達到了一個峰值。在G4～G6 段，總磷濃度在兩年有不同程度的消減。下游G6～G7段，是整個干流中總磷濃度上升最高的區間，兩年分別上升了2倍和2.3倍。

圖5 金龜河試區總磷濃度空間變化圖Fig.5 Spatial variation of total phosphorus concentration in Jingui River pilot area

上游魚塘排水支流共有3 個點，從圖5 可見，魚塘排水支流的總磷濃度基本上呈直線上升的趨勢，且2018年魚塘支流的3個監測點濃度均較2017年有上升。下游支流養殖場出水口X1點總磷濃度非常高，是整個流域內平均水平的近10 倍。在X1～X3 區間，總磷的年平均濃度整體呈消減趨勢。與地表水相比，地下水X5 中的總磷含量明顯較低。不同土地利用附近監測點總磷濃度表現為養殖場＞魚塘＞種植（稻田和果林濃度差異較小）。

采用數據分析軟件SPSS 中的配對樣本T檢驗的方法分析上中下游的總磷空間差異是否具有顯著性，分析結果如表3所示。

表3 金龜河上中下游總磷濃度空間差異性分析Tab.3 Spatial difference analysis of total phosphorus concentration in upper，middle and lower reaches of Jingui River

從均值來看，干流總磷的年平均濃度沿程都是升高的；但

從統計學的角度來看，總磷濃度在上游與中游之間，中游與下游之間不存在顯著性差異；2017-2018年下游總磷的平均濃度是上游的2.78 倍，相關性顯著水平P值為0，存在顯著性差異，具有統計學意義。

3 金龜河試區氮磷濃度季節差異性分析

每年4月至9月是研究區的水稻種植期，在此期間青獅潭水庫西干渠向金龜河補水。根據研究區內水稻種植灌溉時間和多年降雨量分布特點，將每年的4月至9月劃分為雨季+灌溉季，將當年的10月至第二年的3月劃分為干季+非灌溉季，具體劃分見表4。

表4 金龜河試區季節劃分Tab.4 Seasonal division of Jingui River pilot area

選取4種不同土地利用類型控制下的監測點G3（稻田）、G6（果林）、X1（養殖場）、Y2（魚塘），和地下水X5以及總出水口G7兩個特殊監測點為研究對象，分析這6 個不同類型監測點中的總氮、氨氮、硝態氮和總磷4種指標濃度在不同季節下的空間差異性。分析結果見圖6。

通常造成氮磷濃度季節變化的主要因素有降雨、灌溉和施肥等，雨季降雨量較大以及水庫補水灌溉，都會造成污染物濃度的稀釋和降低；雨季也是施肥的季節，農田和果林的施肥會造成氮磷污染物濃度的升高。因此，在降雨、灌溉和施肥等因素的共同影響下，不同監測點總氮、氨氮和總磷的季節規律并不完全一致（圖6）。

圖6 不同類型監測點氮、磷濃度季節性變化Fig.6 Seasonal variation of nitrogen and phosphorus concentrations at different monitoring points

值得關注的是6個監測點的硝態氮濃度季節變化表現出相同的規律，即干季大于雨季。G3和G6受稻田和果林施肥影響，雨季氨氮濃度大于干季；同理，總磷濃度的季節變化規律和氨氮相似。以養殖場為主要控制的下墊面監測點X1，氮磷排放量較大，由于干季河道水流量較小，稀釋能力較弱，氨氮和總磷濃度均表現為干季大于雨季。魚塘水Y2 的氨氮濃度表現為干季大于雨季，總磷濃度表現為干季大于雨季。

地下水X5 的氮素中硝態氮占比高于其余5 個地表水監測點，而氨氮占比和磷濃度都極低。地下水中總氮的季節變化規律與硝態氮保持一致，表現為干季大于雨季。地下水流動緩慢，更新周期長，受養殖場的排污影響經過長期的硝化反應儲存了大量的硝態氮。硝酸鹽可還原成亞硝酸鹽，對人體造成的危害，影響周圍居民飲用水的質量和安全。