北运河下游流域设施农田氮磷流失特征及污染负荷研究

于丹+刘琼琼+邵晓龙+刘红磊+田晶+张青

摘要：针对北运河下游流域设施农业快速发展、化肥农药施用量剧增、肥料利用效率不高的特点，选取北运河下游典型设施农田—北辰双街农业种植园作为研究区，结合其降水径流形成特征，分析设施农业非点源污染流失特征。结果表明，研究区降雨的流量过程线呈正态单峰型特征，降雨的径流过程都表现为陡涨、陡落;随着降雨径流的产生和径流流量的增加，径流污染物的浓度快速升高，达到峰值后迅速下降，后期较均匀稳定;污染物浓度的峰值提前于径流的峰值，在整个径流污染过程中整体表现为初期径流中污染物的浓度高于后期径流中污染物的浓度;研究区年污染负荷量TN为990.8 kg、TP为17.19 kg、NH4+-N为304.17 kg、NO3-N为469.72 kg、COD为5 879.65 kg。从污染负荷数值来看，大棚种植区的年平均氮磷释放量远小于露天种植方式。

关键词：北运河下游流域;设施农田;氮磷流失;污染负荷;

中图分类号：S157.1        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2015）23-5881-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.021

Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Loss of Facility Farmland in the Downstream of the North Canal River Watershed

YU Dan1，LIU Qiong-qiong1，SHAO Xiao-long1，LIU Hong-lei1，TIAN Jing2，ZHANG Qing2

（1.Tianjin Environmental Protection Science Research Institute，Tianjin 300191，China; 2.Tianjin Professional College，Tianjin 300191，China）

Abstract： Beichen Shuangjie Agricultural Demonstrational Park， a typical facility farmland in the downstream of North Canal River， was selected as the research area. The formation mechanism of non-point source pollution and the characteristics of nitrogen and phosphorus loss of the typical facility farmland were analyzed by the formation characteristics of rainfall-runoff in this park. Results showed that the discharge curve of the rainfall in the research area was normally unimodal and its runoff process showed a steep rise and fall. With the production of rainfall runoff and an increase in runoff， the concentrations of runoff pollutant rose to a peak rapidly and then fell rapidly， later became uniform and stable. The peak of pollutant concentrations was ahead of that of runoff， showing that the pollutant concentrations in early runoff was higher than that in the late runoff throughout the process of the runoff pollution.A pollution load accounting model for greenhouse region was presented using an improved export coefficient method. Results showed that total nitrogens， total phosphorus， ammonium nitrogen， nitrate nitrogen and COD release were 990.80，17.19，304.17，469.72，5 879.65 kg/a， respectively. With the data of pollution load， the nitrogen and phosphorus release in facility farmland system was much less than that in open farmland systems.

Key words： North Canal River watershed; facility farmland; nitrogen and phosphorus loss; pollution load

氮、磷是生物体必需元素，同时也是引起水体富营养化的主要影响因素[1]。近年来，随着经济发展，人类活动日益剧烈，中国河流水体中营养元素质量浓度呈上升趋势。营养盐质量浓度上升会导致河流水体富营养化风险增加，这将成为河流水环境治理的重要问题之一[2]。endprint

海河水系在全国七大水系中污染状况最为严重，总体为重度污染，尤其是氮磷污染严重，若未能得到及时有效的控制，将严重制约华北地区的可持续发展，造成重大及难以逆转的后果[3]。北运河水系属海河流域北系，河流以污水补给为主，由主河道和沟渠构成的北运河下游河网区，水系发达，河渠纵横交错，担负着调蓄、供水、灌溉、养殖等多种功能[4，5]。随着区域工农业发展和城市化进程加快，每年大量营养物排入，下游河网区水体污染严重，已成为海河水系的典型污灌区[6]，其中农田径流所携带的污染物质占很大比例。因此，研究农田地表径流中氮磷的迁移规律与流失特征对防治农业面源污染与地表水体富营养化、缓解水资源危机具有重要的理论和现实意义[7-10]。

近年来，在经济利益的推动下，北运河下游流域的种植结构有了很大调整，设施农业面积大幅度上升，而对设施农业的污染产生与排放规律的研究较少[11]。针对北运河下游流域设施农业快速发展、化肥农药施用量剧增、肥料利用效率不高的特点，本试验选取北运河下游典型设施农田—北辰双街农业种植园作为研究区，结合其降水径流形成特征，分析设施农业非点源污染形成机理和流失特征。结合大棚种植区农业氮磷流失特点，在现有农业非点源污染负荷估算模型的基础上，提出大棚种植区污染负荷模型，旨在建立适合我国设施农业的氮磷流失污染负荷估算方法，以简便有效的方法评估大棚农业的氮磷流失水平。

1  材料与方法

1.1  研究区概况

北运河属于海河水系北部，是中国南北大运河的北段，自北京通县至天津入海河处，是天津重要的一级河道、海河干流的重要组成部分，承担着防洪、引滦输水任务，属于典型的农业污灌区。区域内地貌多平原，土地利用以农业耕作为主;气候属于大陆性季风气候，受季风影响，春季气候风多雨少，夏季雨量集中。年平均降水量为550～680 mm，夏季降水量约占全年降水量的80%。

研究示范区—北辰双街农业种植园位于北运河以西，主要为设施葡萄种植，占地80 hm2，连栋大棚195栋，是典型的大棚种植区。农田中的地表径流主要通过6条明渠直排入北运河下游河网区。图1为研究区示意图。

1.2  研究方法

1.2.1  旱季监测  由于研究区所种植均为大棚作物，有着相同的种植结构，流量和水质较为均一。研究区共有6条明渠直排入北运河下游河网区，结合试验区灌排渠系布设现状，在试验区选取代表性的1条排水沟渠进行连续监测。监测点主要设置在排水沟渠末端的入河口附近，以得到最终入河的污染负荷。水质分析指标包括总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、磷酸盐（SRP）。

1.2.2  雨季监测  雨季监测于2014年4-9月进行。结合试验区灌排渠系布设现状，在试验区选取代表性的1条排水沟渠进行连续监测。监测点主要设置在排水沟渠末端的入河口附近，以得到最终入河的污染负荷。

降雨资料的获取主要通过对降雨全过程降雨强度的监测实现。降雨观测工具为自动雨量计，可以实现降雨全过程的监测，记录间隔设为5 min，即每5 min给出一个降雨量数据。至降雨径流水量趋于稳定，测定采样点流速和记录水位，计算流量。流速采用LGY-II型便携式流速流量仪进行测算，5～10 min测量一次。同时采取水样进行水质监测。水样分析指标包括化学需氧量（COD）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、总磷（TP）、磷酸盐（SRP）。

2  结果与讨论

2.1  旱季流量监测

研究区内共有6条排水渠直排园外沟渠，多数沟渠末端流量较小，或处于静止或干涸状态，在泵站抽水的日子会有剩余的农灌水流下来，流量较大。由于示范区内相同的灌溉方式和种植结构，6条排水沟渠末端流量较为接近。我们选取1#排水口进行连续水量监测。将1#排水口流量乘以6，可以大致估算出整个研究区排水入园外沟渠的总流量。

选取2014年5月23日-6月6日进行隔天监测，其中5月31日为灌溉日。该段时间内天气晴朗，没有降雨，是典型的的旱季时段。图2为该时间段流量图。

从图中数据可以看出该时间段流量随时间波动很大，灌溉前流量很小，1#排水口的流量基本为9.96～17.21 m3/d。灌溉的日流量倍增，最高值达274.65 m3/d，随后流量逐渐变小，趋于9～18 m3/d。总流量最高值达1 647.9m3/d，在灌溉前后的流量平均为98.46 m3/d。

2.2  旱季水质监测

由于研究区内相同的灌溉方式和相似的种植结构，6条排水沟渠水质较为接近。我们选取1#排水口进行连续水质监测，将1#排水口的污染物平均浓度近似为整个大棚种植区旱季农田退水污染物的平均浓度。

表1为示范区旱季农田退水污染数据，从表中数据可以看出，旱季农田退水中各项营养物的平均浓度较高，其中TP浓度较低，达到地表水Ⅱ类标准;NH4+-N浓度刚好达到地表水Ⅴ类标准，而TN和COD浓度指标远超出地表水Ⅴ类标准。

2.3  旱季污染负荷估算

由于示范区相同的灌溉方式和相似的种植结构，将1#排水口的污染物平均浓度近似为整个大棚种植区旱季农田退水污染物的平均浓度，然后乘以6条排水口总的流量，可以大致估算出研究区大棚种植区旱季农田退水污染物平均负荷量，见表2。

2.4  降雨特征分析

对天津北辰区往年降雨数据分析，每年的4-9月是该地区的主要降雨期，合计降雨量约占全年降雨量的85%以上，也是形成降雨径流、产生径流污染的主要月份，因此主要对4-9月降雨进行监测分析。根据研究区监测数据，在2014年4-9月，研究区共降雨38次，总降雨量为401.9 mm;最大日降雨发生在8月31日，降雨量为48.8 mm;最小仅有 0.2 mm。表3为2014年4-9月的降雨类型和发生频率。endprint

从表3中可知，2014年4-9月降雨次数（>0.1 mm）为38 d，从降雨类型分布看，0.1～1.0 mm的降雨次数为5次，发生频率为13.15%，降雨量2.6 mm，占全年降雨量的0.64%，基本为无效降雨。1.0～10.0 mm的降雨次数为21次，发生频率为55.26%，是发生频率最高的降雨类型，降雨量96.4 mm，占全年降雨量的23.98%。降雨量在10.0 mm以上的降雨次数为12次，降雨量302.9 mm，虽然发生频率只有31.57%，但是降雨量占全年降雨量的75.36%，是形成地表径流的主要降雨。

本研究对2014年7月30日、8月4日和9月2日研究区的3场大雨降雨径流全过程进行监测，表4为三次雨降雨历时、降雨量及总径流量情况。

由表4可知，7月30日径流量最大，而8月4日单位时间降雨量最大。

2.5  雨季污染物流失特征分析

径流污染过程就是降雨及其形成的径流对地表污染物的溶解、冲刷，最终排放进入受纳水体的过程。在一次降雨径流过程中，径流中污染物浓度随时间的变化特征主要取决于降雨径流特征和地表污染物的数量。以示范区2014年7月30日、8月4日和9月2日3场大雨的降雨-径流-污染的变化过程为例说明设施农业径流污染过程的特征，见图3-图5。

从图3-图5可以看出，7月30日降雨量较小，形成的地表径流并不明显，降雨的流量过程线呈多峰型特征。8月4日和9月2日两场降雨的流量过程线均呈正态单峰型特征，降雨的径流过程都表现为陡涨、陡落。这是由于大棚种植区不透水面积比例高，降雨的初损减少较多，降雨迅速形成径流，径流快速拉升上涨，很快达到峰值。同时，高比例的不透水面积阻碍了降雨的入渗，降雨形成壤中流和地下径流的机会少，降雨停止后，流量很快下降。

8月4日和9月2日两场降雨径流事件的共同特征是随着降雨径流的产生和径流流量的增加，TN、TP、NH4+-N、SRP、COD的浓度很快升高，并达到峰值，之后污染物的浓度便迅速下降，趋于稳定。污染物浓度的峰值提前于径流的峰值，在整个径流污染过程中整体表现为初期径流中污染物的浓度高于后期径流中污染物的浓度。7月30日降雨事件由于雨量较小，污染特征曲线规律性不强。此外，污染物浓度峰与径流峰的间隔时间同降雨强度有关，一次降雨事件初期降雨强度越大，污染物浓度峰与径流峰的间隔时间越短。

在降雨径流过程中NO3--N浓度的变化特征不同于其他污染物，在整场降雨径流中，NO3--N的浓度表现为先升高后下降再逐渐升高并平衡的趋势。这可能是因为在径流的后期，径流的组成发生了变化所致。尽管大棚种植区不透水地表占很大的比例，但还是存在一些透水性地表，如草地、树木等绿化用地。因此，在高强度的降雨情况下，可能会出现淋溶过程，是NO3--N浓度升高的一个原因。另一方面，不透水地表产流快，会在地表（如植草沟）造成滞水的现象，使得径流同地表的作用时间增加，可能会洗脱出一部分NO3--N。

2.6  雨季污染负荷估算

根据2014年7月30日、8月4日和9月2日三场降雨的降雨量和径流量计算平均径流系数为0.339。根据监测降雨量数据和平均径流系数计算径流量，见表5。

根据计算出的大棚种植区雨季径流污染物平均浓度，乘以研究区产生的总径流量，则近似得出大棚种植区雨季产生的年污染负荷量为：TN为779.00 kg、TP为14.67 kg、NH4+-N为242.77 kg、NO3-N为359.29 kg、SRP为5.67 kg、COD为3 413.93 kg。

3  结论

1）研究区降雨的流量过程线均呈正态单峰型特征，降雨的径流过程都表现为陡涨、陡落。这是由于大棚种植区不透水面积比例高，降雨的初损减少不多，降雨迅速形成径流，径流快速拉升上涨，很快达到峰值。

2）随着降雨径流的产生和径流流量的增加，径流污染物的浓度很快升高，达到峰值后迅速下降，后期较均匀稳定;污染物浓度的峰值提前于径流的峰值，在整个径流污染过程中整体表现为初期径流中污染物的浓度高于后期径流中污染物的浓度。

3）根据对大棚种植期旱季和雨季的监测和污染负荷估算，大棚种植区年污染负荷量为TN为990.8 kg、TP为17.19 kg、NH4+-N为304.17 kg、NO3--N为469.72 kg、COD为5 879.65 kg。从污染负荷数值来看，高比例的大棚不透水面，阻挡了雨水对种植区土壤的直接冲刷，大大减少了肥料的流失。

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