丹江鹦鹉沟小流域氮素随径流的迁移及对水质的影响

徐国策，李占斌，2，李 鹏，赵宾华，王 琦，惠 波

1.西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室，西安 710048

2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100

0 引言

由于农业活动的广泛性和普遍性，农业非点源污染已成为目前水环境恶化的一大问题，并受到了广泛重视，近年来农业非点源污染逐渐成为国内非点源污染研究的热点［1］。氮素是农业生态系统中重要的营养元素之一，也是农田生产力的主要限制因子，但施肥过量或施用不当会引起水体富营养化、地表水环境恶化和地下水硝酸盐含量超标等非点源环境污染问题［2］。农田地表径流和土壤侵蚀引起的氮素流失，是造成农业面源污染与地表水体富营养化的主要原因。小流域是一个较为理想的非点源污染监测单元，很多学者从不同角度对小流域非点源氮素污染进行了研究，如形成机理、模型开发及应用、控制技术及措施［3－7］。研究小流域地表径流氮磷流失规律，对提高化肥利用率、减轻农业非点源污染、缓解水资源危机具有重要的理论意义和实用价值［8］。

非点源污染是水环境的重要污染源，也成为威胁饮用水安全的主要因素，其中以湖泊、水库的水质富营养化以及流域水质恶化问题尤为突出［9］。南水北调中线工程对水源区的水质要求较高，但水源区仍存在一定程度的水污染。其中，相当部分的污染物来自非点源污染，特别是农业非点源污染已经成为水体氮、磷的主要来源［10］。农业非点源污染负荷计算是研究、控制和治理流域农业非点源污染的关键［11－12］。笔者以丹江鹦鹉沟小流域为例，在长期野外监测的基础上进行农业非点源负荷研究，重点是对土壤氮素的流失进行估算与分析，以期为南水北调农业非点源污染控制和清洁小流域建设提供科学依据。

1 研究区概况

鹦鹉沟小流域位于陕西省商洛市商南县城东南的城关镇五里铺村，位于东经110°52′16″—110°55′30″、北纬33°29′55″—33°33′50″。流域总面积1.86 km2，流域内主沟长3 232.90m，最大主沟道比降0.01，流域坡面比降0.33，属于多边形水系。流域 大部分为低山丘陵地貌，沟谷开阔，最高海拔600 m，最低海拔464m。年平均气温14.0℃，最高气 温40.9℃，最低－12.2℃，多年平均日照时数为1 974h，无霜期216d。年平均降水量803.2mm，其中7—9月份的降水量占全年降水量的50%左右。流域内土壤以黄棕壤、风化砂壤土为主，坡面有效土层厚度20～70cm，黄棕壤分布在河道两岸，砂壤土分布于坡面上。土壤多呈微酸性，硼、锰、锌等微量元素较缺乏。土地覆盖类型以农地、林地和草地为主。乔木以栎树、松树为主，灌木树种较多且杂，草地以禾本科的草为主，农地以小麦、玉米和花生为主。

2 研究方法

2.1 监测点布设

根据鹦鹉沟流域的沟道特征和土地利用情况，在流域内共设置了2个监测断面（图1）：断面1控制流域是典型的农业小流域，耕地是控制流域内的主要景观特征；把口站是鹦鹉沟流域出口控制断面。断面1和把口站之间是主要居民点，有农村生产生活污染物排放。

鹦鹉沟流域共建成28个小区，其中砖砌小区20个，简易小区8个。按土地利用类型划分：2个为10.0m×4.0m乔木林小区；3个为10.0m×2.0 m、3个为5.0m×2.0m草地径流小区；其他为农地小区。根据当地降雨产流情况，径流小区修建1.0 m×1.0m×1.0m或者1.5m×1.5m×1.5m沉砂池，简易小区采用普通大型塑料桶接收径流和泥沙。径流池顶部加盖及底部开孔，安装直径50mm直管和直径50mm的闸阀，以排放径流和泥沙。沉砂池和量水池砖砌厚度为24cm，底部用混凝土铺底，并做防渗处理，混凝土铺底厚度为15cm。在小区上部及集流设施的下部布设排水沟、排洪沟以拦截和排放径流。

2.2 主要测定指标与测定方法

在鹦鹉沟流域中部设置HOBO自动气象站1台，用于对大气温度、相对湿度、风向、风速、雨量、气压、太阳辐射等众多气象要素进行全天候现场监测。流域监测各断面安放Global Water WL700＋（USA）自记水位计，记录各断面的水位变化情况。每月实测1次基流水位、流速和水质指标。汛期降雨时，自降雨开始每隔2h监测各个断面的水位、流速和水质指标。针对坡面径流小区，设置不同作物、不同种植方式、不同管理方式等处理方法，在测定坡面径流小区长、宽、坡度和坡长等的基础上，监测径流小区的土壤理化性质和降雨径流水质。基流和降雨期间水位用水尺测定，流速用浮标法测定。水样用500mL玻璃瓶采集，样品的保存依据国家环境保护标准（HJ 493－2009）［13］，2d之内送回实验室测定水质。水质指标中氨氮、硝氮和总氮用全自动间断化学分析仪（CleverChem200，德国）测定。

2.3 统计分析与计算

降雨径流的冲刷是产生非点源污染的原动力，降雨径流又是非点源污染物的载体。如果没有降雨径流的产生，非点源污染物就很难进入受纳水体。因此，可以认为非点源污染主要是由汛期地表径流引起的，而枯水季节的水质污染主要是由点源污染引起的。点源污染负荷LP比较稳定，LP＝QfCf，汛期的总污染负荷L＝QxCx，则汛期产生的非点源污染负荷Ln＝L－Lp。其中：Qf为实测枯季流量（m3/s）；Cf为实测枯季污染物质量浓度（mg/L）；Qx为实测汛期流量（m3/s）；Cx为实测汛期污染物质量浓度（mg/L）。

图1 鹦鹉沟流域监测断面空间位置图Fig.1 Location of monitoring sections in the Yingwugou watershed

基于暴雨径流过程中的水质水量同步监测资料，计算每场暴雨洪水过程的各种非点源污染物平均质量浓度，然后以各次暴雨的径流量为权重，得出各次暴雨的加权平均质量浓度。单次暴雨径流过程的非点源污染物平均质量浓度计算公式［14］为

其中：WL为该次暴雨携带的负荷量（g），

WA为该次暴雨产生的径流量（m3），

式中：QTi为ti时刻的实测流量（m3/s）；Ci为ti时刻的实测污染物质量浓度（mg/L）；QBi为ti时刻的枯季流量（即非本次暴雨形成的流量）（m3/s）；CBi为ti时刻的枯季质量浓度（基流质量浓度）（mg/L）；i＝1，2，…，n，为该次暴雨径流过程中流量与水质浓度的同步监测数；Δti为监测QTi和Ci所用的时间（s），Δti＝（ti＋1－ti－1）/2 。

则多次（如m次）暴雨非点源污染物的加权平均质量浓度C为

3 结果与分析

3.1 农地监测小区氮素流失特征

按照我国气象部门降雨强度分级标准，24h内的降雨量称之为日降雨量，凡是日雨量在10.0mm以下称为小雨，10.0～24.9mm 为中雨，25.0～49.9mm为大雨，暴雨为50.0～99.9mm，大暴雨为100.0～250.0mm，超过250.0mm的称为特大暴雨。2010年7月2日—3日、2011年8月4日—5日和2012年7月4日的降雨量分别为51.8、25.2和44.8mm，三者分别为暴雨、大雨和大雨，涵盖了商南县降雨强度的2个主要类型。

鹦鹉沟流域降雨后林地、草地和主要农作物（玉米和花生）径流小区的氮素变化特征见表1，由于玉米和花生径流小区的氮素质量浓度变化不大，如总氮质量浓度基本在2.00mg/L左右，故主要列举了3次降雨下的典型氮素质量浓度变化特征。由表1可以看出：不论是花生、玉米径流小区还是林、草地径流小区，水质中硝氮质量浓度均大于氨氮质量浓度，这是由于土壤表层存在强烈的硝化作用，硝氮质量浓度较高，且带负电，不易被土粒吸附；当径流小区坡度大于25°时，玉米和花生径流小区的氨氮和硝氮质量浓度均呈明显增加，这是因为坡度增加径流流速明显增大，使径流与土壤的作用强度增大，从而影响到坡地表层土壤颗粒启动、侵蚀方式和径流的携沙能力，进而增大养分的流失量［15－16］；花生径流小区和玉米径流小区的氨氮和硝氮质量浓度差异不大，但玉米地的总氮质量浓度往往较花生地大；另外，随坡度的增大，花生径流小区硝氮质量浓度呈增大趋势；林地和草地径流小区总氮含量也较高，为2.0mg/L左右，甚至大于一些农地径流小区的总氮质量浓度。

表1 鹦鹉沟流域径流小区氮素变化特征Table 1 Nitrogen variation of runoff plots in the Yingwugou watershed

根据地表水环境质量标准（GB3838－2002［17］，以下简称为“标准”）中规定氮素项目标准限值，对表1进行分析可知：小于25°坡度的花生、玉米径流小区氨氮质量浓度基本均小于0.50mg/L，属于Ⅱ类水，硝氮质量浓度也小于标准限值10.00mg/L，但总氮质量浓度均大于1.50mg/L，水质属于Ⅴ类水或更差水平，且在陡坡（坡度大于25°），总氮质量浓度远大于Ⅴ类水标准限值2.00mg/L；林地和草地径流小区的总氮质量浓度也多大于Ⅴ类水标准限值2.00mg/L。这说明径流小区水质中氮素主要是总氮质量浓度超标。

3.2 流域断面氮素流失特征

3.2.1 断面1氮素平均质量浓度计算

断面1的枯季径流由流经农地的地表径流和壤中流汇聚而成，但与汛期降雨产生的地表径流又有区别，故本研究仍将其作为点源污染。2011年和2012年10次降雨数据和4次基流监测数据的平均值见表2。算出各次暴雨的径流量和非点源污染负荷量后，由式（1）可得出各自的平均质量浓度，再以各次暴雨的径流量为权重，由式（4）求得各种污染物多次暴雨洪水的非点源污染加权平均质量浓度。此外，由定期（特别是枯季）水质监测资料可算出各种污染物的（算术）平均质量浓度，用来近似代表点源污染（枯季径流）的平均质量浓度，由此计算得，断面1非点源污染氨氮、硝氮和总氮的平均质量浓度分别为0.16、2.65和4.39mg/L，点源污染氨氮、硝氮和总氮的平均质量浓度分别为0.18、1.40和2.68 mg/L。从表2可以看出，断面1总氮质量浓度全都超出Ⅴ类水水质标准，氨氮质量浓度始终小于标准［17］中规定的Ⅱ类水水质标准0.50mg/L，硝氮质量浓度也始终小于标准［17］中规定标准值10.00 mg/L，说明断面1氮素主要是总氮污染，需要采取控制措施。

表2 鹦鹉沟流域断面1水质水量同步监测数据Table 2 Monitoring data of water quality and quantity of section 1in the Yingwugou watershed

3.2.2 把口站氮素平均质量浓度计算

把口站是鹦鹉沟流域的出口断面，其和断面1之间有大量居民点，存在生产生活污染物排放。2011年和2012年10场降雨数据和4次基流监测数据的平均值见表3。从表3可以看出：把口站总氮质量浓度也都超出Ⅴ类水水质标准，氨氮质量浓度始终小于标准［17］中规定的Ⅱ类水水质标准0.50 mg/L，硝氮质量浓度也始终小于标准［17］中规定标准值10.00mg/L，说明把口站水质依然主要是总氮污染；另外，硝氮质量浓度约占总氮质量浓度的60%，表明硝氮在总氮中占主要部分，有机氮质量浓度也较大且不容忽视，这与断面1相同。根据公式（1）和（4）计算得，把口站非点源污染氨氮、硝氮和总氮的平均质量浓度分别为0.17、4.71和7.55mg/L，点源污染氨氮、硝氮和总氮的平均质量浓度分别为0.20、2.12和4.08mg/L。由此可见，从断面1到把口站，水中氨氮质量浓度变化不大，这主要是因为河水在流动过程中与O2有充分的接触，NH＋4与水中O2结合，在亚硝化细菌与硝化细菌的作用下最终生成NO－3，从而使氨氮稳定在某一范围；硝氮质量浓度和总氮质量浓度则有较大的增加，这与农村生产生活污染物排放有直接关系［18］。

表3 鹦鹉沟流域把口站水质水量同步监测数据Table 3 Monitoring data of water quality and quantity of basin mouth station in the Yingwugou watershed

3.3 流域产流量分析

根据2010—2012年商南县鹦鹉沟流域的小区监测结果，选取2010年7月2日—3日、2011年8月4日—5日和2012年7月4日3场典型降雨，其降雨量分别为51.8、25.2和44.8mm，并依据径流小区产流量和径流小区面积分别计算了农地、林地和草地的径流深以计算流域产流量，结果见表4。

由表4可知，3场典型降雨条件下，农地、草地和林地的平均径流深分别为5.1、3.8和1.8mm，结合3场典型降雨的降雨量计算得农地、草地和林地的径流系数分别为0.13、0.09和0.04。鹦鹉沟流域林地、草地和农地的面积分别为0.52、0.17和1.12km2，多年平均降水量803.2mm，由此可知，流域内林地、草地和农地的年均产流量分别为1.67、1.23和11.69万m3。根据枯季水位计监测数据，计算得到枯季径流总量为12.44万m3，则鹦鹉沟流域年径流总量为27.04万m3，年径流模数为14.94万 m3/（a·km2）。

3.4 不同土地利用的氮素流失模数

根据鹦鹉沟流域2010—2012年的小区监测数据，对不同土地利用类型主要降雨场次的水质氮素监测指标进行分析，计算林地、草地和农地的氮素质量浓度平均值；在此基础上，根据各自的年均产流量，计算得出随径流流失的氮素流失量和流失模数（表5）。由表5可以看出，径流中农地、草地和林地的氨氮质量浓度相差不大，但硝氮和总氮的质量浓度有一定差异，从大到小为：农地、草地、林地，这是因为林草地产流量较小，但其土壤总氮质量浓度较高，致使径流总氮质量浓度也较高，且超出了Ⅴ类水水质标准。另外，氨氮、硝氮和总氮的年均流失模数从大到小均为农地、草地、林地，总氮年均径流流失模数分别为0.36、0.22和0.09t/（a·km2）。

表4 三场典型降雨下不同地类的径流深Table 4 Runoff depths of different land use types under two typical rainfalls

表5 不同土地利用的氮素流失模数Table 5 Nitrogen loss moduluses of different land use types

3.5 氮素流失量对水质的影响

根据鹦鹉沟流域把口站的监测数据，对其主要水质监测指标的年内变化规律进行分析，计算得出主要水质指标的年平均值。在此基础上，根据年均径流量计算得出随径流流失的氮素流失量和流失模数。

表6 径流氮素年流失量Table 6 Annual nitrogen loss amount of the runoff

由表6可以看出，鹦鹉沟流域氨氮、硝氮和总氮的流失模数分别为0.03、0.53和0.89t/（a·km2）。根据标准［17］中的有关规定，鹦鹉沟流域非点源污染中氮素对于水环境质量的影响作用分别是：氨氮增加0.17mg/L，硝氮增加4.71mg/L，总氮增加7.55mg/L，其影响结果是氨氮超过Ⅰ类水水质标准限值13.3%，成为Ⅱ类水；总氮超过Ⅴ类水水质标准限值277.5%，直接成为劣Ⅴ类水；硝氮质量浓度则未超过10.00mg/L的标准限值。

4 结论与建议

1）总氮是鹦鹉沟流域水质污染的主要影响因素，降雨集中的7—9月份是氮素流失的集中时期。

2）林地、草地和农地的总氮浓度均较大，超过Ⅴ类水水质标准限值，但农地产流量和土壤侵蚀量大，致使农地的非点源污染最为严重，而林草地的水源涵养作用主要体现在蓄水及减轻洪灾，使降水大部分以壤中流形式流出，从而降低了氮素浓度，净化了水质。

3）丹江水源区环境保护和水质保障应当以生态清洁型小流域建设为主要途径，由于流域内农村生活垃圾和养殖业污水随意排放，对河流污染较大，建议对农村垃圾进行集中收集处理，对养殖业污水进行净化，这样可大大减轻水质污染。

（References）：

［1］吴志峰，卓慕宁，王继增，等.珠海正坑小流域土壤与氮、磷养分流失估算［J］.水土保持学报，2004，18（1）：100－114.Wu Zhifeng，Zhuo Muning，Wang Jizeng，et al.Estimation of Soil and N，P Nutrient Loss in Zhengkeng Small Watershed［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2004，18（1）：100－114.

［2］杜伟，遆超普，姜小三，等.长三角地区典型稻作农业小流域氮素平衡及其污染潜势［J］.生态与农村环境学报，2010，26（1）：9－14.Du Wei，Ti Chaopu，Jiang Xiaosan，et al.Balance and Pollution Potential of Nitrogen in a Typical Rice－Based Agricultural Watershed of Yangtze River Delta Region［J］.Journal of Ecology and Rural Environment，2010，26（1）：9－14.

［3］涂安国，尹炜，陈德强，等.丹江口库区典型小流域地表径流氮素动态变化［J］.长江流域资源与环境，2010，19（8）：926－931.Tu Anguo，Yin Wei，Chen Deqiang，et al.Dynamic Change Research of Nitrogen Loss from Surface Runoff in the Typical Small Watershed of Danjiangkou Reservoir Area［J］.Resources and Environment in the Yangtze Basin，2010，19（8）：926－931.

［4］陈海洋，滕彦国，王金生，等.晋江流域非点源氮磷负荷及污染源解析［J］.农业工程学报，2012，28（5）：213－219.Chen Haiyang，Teng Yanguo，Wang Jinsheng，et al.Pollution Load and Source Apportionment of Non－Point Source Nitrogen and Phosphorus in Jinjiang River Watershed［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2012，28（5）：213－219.

［5］韩建刚，李占斌.紫色土丘陵区不同土地利用类型小流域氮素流失规律初探［J］.水利学报，2011，42（2）：160－165.Han Jiangang，Li Zhanbin.Process Characteristics of Nitrogen Loss by Runoff in Different Land Use Watersheds in Purple Soil Hilly Region［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2011，42（2）：160－165.

［6］金洁，杨京平.从水环境角度探析农田氮素流失及控制对策［J］.应用生态学报，2005，16（3）：579－582.Jin Jie，Yang Jingping.Farmland Nitrogen Loss and Its Control Strategies from the View of Water Environment［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2005，16（3）：579－582.

［7］黄满湘，章申，张国梁，等.北京地区农田氮素养分随地表径流流失机理［J］.地理学报，2003，58（1）：147－154.Huang Manxiang，Zhang Shen，Zhang Guoliang，et al.Losses of Nitrogen Nutrient in Overland Flow from Farmland in Beijing Under Simulated Rainfall Conditions［J］.Acta Geographica Sinica，2003，58（1）：147－154.

［8］焦平金，许迪，王少丽，等.汛期不同作物种植模式下地表径流氮磷流失研究［J］.水土保持学报，2009，23（2）：15－20.Jiao Pingjin，Xu Di，Wang Shaoli，et al.Nitrogen and Phosphorus Runoff Losses from Farmland as Affected by Cropping Pattern During Flood Season［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2009，23（2）：15－20.

［9］况福虹，朱波，徐泰平，等.川中丘陵区小流域非点源氮素迁移的季节特征：以中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站小流域为例［J］.水土保持研究，2006，13（5）：93－98.Kuang Fuhong，Zhu Bo，Xu Taiping，et al.Seasonal Variation of Non－Point Source Nitrogen Movement in Small Watershed in the Hilly Area of the Central Sichuan Basin：A Case Study in the Watershed of Yanting［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2006，13（5）：93－98.

［10］李怀恩，王莉，史淑娟.南水北调中线陕西水源区非点源总氮负荷估算［J］.西北大学学报：自然科学版，2010，40（3）：540－544.Li Huaien，Wang Li，Shi Shujuan.Estimation of Total Nitrogen Load from Non－Point Sources in Shaanxi Province Water Source Area of the Central Line of South－North Water Diversion Project［J］.Journal of Northwest University：Natural Science Edition，2010，40（3）：540－544.

［11］张水龙.基于流域单元的农业非点源污染负荷估算［J］.农业环境科学学报，2007，26（1）：71－74.Zhang Shuilong.Calculating Agricultural Non－Point Source Pollution Load Based on Watershed Unit［J］.Journal of Agro－Environment Science，2007，26（1）：71－74.

［12］杨育红，沈万斌.地表水非点源污染负荷计算方法探讨［J］.吉林大学学报：地球科学版，2006，36（1）：105－107.Yang Yuhong，Shen Wanbin.Preliminary Study on Estimating Surface Water Non Point Source Pollution Loads［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2006，36（1）：105－107.

［13］HJ493－2009水质采样、样品的保存和管理技术规定［S］.北京：中华人民共和国环境保护部，2009.HJ493－2009Water Quality Sampling－Technical Regulation of the Preservation and Handling of Samples［S］.Beijing：Ministry of Environment Protection of the People’s Republic of China，2009.

［14］李怀恩.估算非点源污染负荷的平均浓度法及其应用［J］.环境科学学报，2000，20（4）：397－400.Li Huaien.Mean Concentration Method for Estimation of Non－Point Source Load and Its Application［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，2000，20（4）：397－400.

［15］孔刚，王全九，樊军.坡度对黄土坡面养分流失的影响实验研究［J］.水土保持学报，2007，21（3）：14－18.Kong Gang，Wang Quanjiu，Fan Jun.Research on Nutrient Loss from Loessial Soil Under Different Slope［J］.Journal of Soil and Water Conservation，2007，21（3）：14－18.

［16］傅涛，倪九派，魏朝富，等.不同雨强和坡度条件下紫色土养分流失规律研究［J］.植物营养与肥料学报，2003，9（1）：71－74.Fu Tao，Ni Jiupai，Wei Chaofu，et al.Research on the Nutrient Loss from Purple Soil Under Different Rainfall Intensities and Slopes［J］.Plant Nutrition and Fertilizer Science，2003，9（1）：71－74.

［17］GB 3838－2002地表水环境质量标准［S］.北京：国家环境保护总局，2002.GB 3838－2002Environmental Quality Standards for Surface Water［S］.Beijing：General Bureau of China National Environmental Protection，2002.

［18］汤洁，杨巍，李昭阳，等.辽河大伙房水库汇水区农业非点源污染入库模拟［J］.吉林大学学报：地球科学版，2012，42（5）：1462－1468.Tang Jie，Yang Wei，Li Zhaoyang，et al.Simulation on the Inflow of Agricultural Non－Point Sources Pollution in Dahuofang Reservoir Catchment of Liao River［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2012，42（5）：1462－1468.