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速生桉种植中氮素对饮用水源地水质的影响

2016-05-30李相林谢华彭波谢洲杨瑞刚

南方农业学报 2016年11期
关键词:氮素

李相林 谢华 彭波 谢洲 杨瑞刚

摘要:【目的】研究速生桉种植中氮素对饮用水源地水质的影响,可为广西饮用水源地速生桉种植的污染防控提供科学依据。【方法】以广西横县六蓝水库饮用水源地为例,采样分析水源地取水口处水质。在为期5年(2011~2015年)的一个轮伐期内,以六蓝水库汇水区为研究尺度,实地调查汇水区各村屯林农的肥料施用情况,估算肥料用量及污染物氮的排放量,并分析氮的排放量与水质污染因子的相关性。【结果】采样结果显示,除第1年(2011年)的总氮监测数据达Ⅱ类水质标准外,其余4年(2012~2015年)的数据均未达Ⅱ类水质标准,氨氮的5年监测数据均能达Ⅱ类水质标准。六蓝水库汇水区速生桉林业面源总氮排放量占流域范围所有污染源总氮排放量的84.7%。速生桉施肥引起的总氮排放量与总氮监测数据显著相关(α=0.05,P=0.023),与氨氮监测数据不显著相关(α=0.05,P=0.106);生活污染源和分散式畜禽养殖污染源的总氮排放量与氨氮监测数据极显著相关(α=0.01,P=0.009),与总氮监测数据不显著相关(α=0.05,P=0.072)。【结论】六蓝水库饮用水源地氮素主要污染源为速生桉林种植施肥,总氮排放量在一定程度上影响着水库总氮因子浓度。因此,采取科学测土配方施肥技术,合理控制和安排匯水区内速生桉的肥料用量与次数,进而减少氮素排放,对于预防饮用水源地水体富营养化起到重要作用。

关键词: 氮素;饮用水源地;速生桉;总氮排放量;肥料用量

中图分类号: X820.2 文献标志码:A 文章编号: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

【研究意义】饮用水水源安全问题事关广大人民群众的身体健康和生命安全,已成为社会各界高度关注的环保问题(郭梅和周丽旋,2010;申晓云和党晨席,2014;杨会改等,2014)。随着近年来速生桉大面积种植,其是否会对饮用水源产生影响,也越来越受到社会和学术界的关注,其研究方向主要有水源区的土壤性质(龚姗姗和廖善刚,2009;苗武等,2012;赵筱青等,2012)、水土流失(杨静学等,2015)及水源涵养能力(李钦禄,2009;李海防等,2010;苗武等,2013)等。由于速生桉种植对饮用水源水质的影响受到降雨量、地表径流、地形、坡度等多种因素干扰,且这些影响因素差异较大,使得研究结果可比性受到限制,而存在较大争议(Rosén et al.,1996;Dan et al.,1999;Hopmans and Bren,2007;黃承标,2012)。本研究以速生桉种植较为密集的六蓝水库饮用水源地为研究区域,分析速生桉种植中氮素与水源地水质之间的关联,为广西饮用水源地中速生桉种植管理提供科学依据及数据支撑。【前人研究进展】目前,有关饮用水源地速生桉种植对水体水质影响的研究不多。农必昌等(2006)对广西4个林场的桉树造林区施肥与林区水体富营养化进行了调查研究,结果表明,桉树林地可能造成水体富营养的关键因子是氮,与桉树主要施氮肥和整地施肥方法有密切关系。陈丹辉和江惠龙(2010)研究了速生桉种植对饮用水源水质的影响,分析了巨尾桉种植过程氮、磷流失量及其对湖库型饮用水源水质的污染,并评估了水源汇水区内巨尾桉对水质的影响程度。宋贤冲等(2011)于2008~2010年对广西3个桉树造林区水体连续监测,发现桉树种植会产生大量的有机污染物,要保持林区水质,则需对有机污染物浓度进行控制。杨钙仁等(2014)对广西主要人工林地坡面径流水质特征进行研究发现,速生桉施肥可导致坡面径流氮含量显著升高,但对总磷含量影响较小,桉树人工林养分流失主要表现为氮的淋失。以往学者对于速生桉林区等小流域所开展的研究(黄云凤等,2004;高超等,2005;曹继钊等,2007),一般是通过建立径流小区的方式收集样区径流,进行水质采样,并以此分析其对整个流域水体水质的影响。【本研究切入点】前人研究多为建立径流小区式的模拟性分析,缺乏对一个完整轮伐周期内的饮用水源水质实测值进行系统分析。【拟解决的关键问题】通过调查速生桉种植中不同年份的施肥量,估算汇水区中氮素的排放量,分析饮用水源地速生桉种植一个轮伐周期(2011~2015年)的水质监测数据,探究饮用水源地水质与速生桉种植施肥间存在的关系,为科学提出水源地速生桉种植管理与污染防治对策提供参考依据。

1 材料与方法

1. 1 研究区概况

六蓝水库为广西横县备用饮用水源地,位于镇龙江上、校椅镇六蓝村委独田村附近,是一座以灌溉为主,兼顾防洪、发电、养殖等综合性用途的中型水利工程。灌区设计灌溉面积0.97万ha,有效灌溉面积0.75万ha,历年最大灌溉面积1.00万ha,校椅、云表和马岭等3个乡(镇)受益。水库所在流域以丘陵为主,植被覆盖率约85%,平地较少,基本没有水田分布,仅有的平地主要种植蔬菜。研究区域属南亚热带季风气候,太阳辐射强,日照时间长,年日照时数1778.3 h;年无霜期约336 d,雨热同季,年均气温21.4 ℃,年平均湿度72.7%;年均降雨量1416.1 mm,历年月最大降水量708.9 mm,降水量的季节分配为3~5月310~420 mm、6~8月600~750 mm、9~11月为160~290 mm、12月~翌年2月80~120 mm,历年平均降水日数为156.5 d,实测24 h最大雨量306 mm,多年平均24 h最大雨量130 mm,多年平均蒸发总量1582.0 mm。研究区域的雨热条件较适合速生桉生长,因此在水库汇水区范围大面积种植连片速生桉林,种植面积约占汇水区陆地面积的77%。速生桉品种主要为尾叶桉及其杂交品种。

1. 2 样品采集

本研究在六蓝水库饮用水源地取水口处设置1个采样点(图1)。2011~2015年轮伐期每年7月(多雨季节)均在林农施肥结束后于取水口进行一次水质样品采样,水样用便携式冷藏箱保存,并及时送回实验室测试分析。采样期间,同时调查水库汇水区范围的农村生活污染源(人口数量)和分散式畜禽养殖污染源(猪、牛、家禽的数量)的分布情况。

1. 3 测定项目及方法

由于对氮的管理是全流域性的(王道涵和梁成华,2002),且广西速生桉林区可能造成水体富营养化的关键因子主要是氮(农必昌等,2006),结合本研究的目标,监测总氮、氨氮共2项指标,监测因子采用《水和废水检测分析方法》(第四版)进行分析。

1. 4 速生桉林业面源

1. 4. 1 林地面积 六蓝水库流域速生桉种植区域在高分辨率影像数据中呈现的地物特征较其他地物在色、形、位上有明显差异。本研究以Google Earth高分辨率影像数据为基础数据,结合水库周边现场实际勘察情况,通过遥感图像目视解译,识别和提取出水库周边桉树种植分布区域,并汇总计算速生桉的总面积。

1. 4. 2 肥料用量 选取2011年为调查起点,连续调查5年的施肥特点。六蓝水库流域水源地汇水区范围内各村屯的肥料用量等数据均采用发放调查问卷的方式获得。本研究走访调查15个村屯,共发放问卷150份,收回138份,有效率92%。调查内容主要包括各村屯林农在不同年份速生桉的单株施肥量a(kg/株)、种植密度d(株/ha)、种植面积s(ha)、施肥频次f (次/年)。汇总问卷所得数据,进而计算整个汇水区的施肥总量A(kg),计算公式为:

A=a×d×s×f(1)

1. 4. 3 污染物排放量 由于每年林农对各品种肥料施用量的不确定性,无法精確统计整个汇水区范围每个品种化肥的施用量。因此本研究在计算整个汇水区施用肥料的含氮系数(R)时,根据当地林农每年施用肥料品种含氮比例的算术平均计算而得:

R=■Ri /n(2)

其中,Ri为i品种肥料的含氮比例。此外,由于整个汇水区地势起伏较大、坡度差别较大,无法精确统计到各片区的坡度等参数,因此总氮排放系数按照15%(王道涵和梁成华,2002;王寿兵和陶林森,2006)的流失量排放到水体来计算污染物总氮排放量:

CN=A×R×15%(3)

1. 5 生活污染源和分散式畜禽养殖污染源

六蓝水库汇水区范围的污染源类型除了速生桉林业面源外,还包括生活污染源和分散式畜禽养殖污染源等。由于调查区域仅有的平地被开垦为零星分布的菜地,故不计入农田径流污染源。农村生活污染源的源强系数采用国家环保局2007年重点流域农村生活污染源调查(产排污系数测算)数据,即广西区农村人均污染源总氮排放量为5.0 g/人·d;分散式畜禽养殖污染源的源强系数采用第一次全国污染源普查(畜禽养殖业源产排污系数手册)数据,即总氮排放量折算成标猪后为20.98 g/头·d。

1. 6 统计分析

使用Excel 2007进行数据处理、计算和制作图表;以SPSS 17.07进行相关性分析,并采用Pearson法分析两变量间的相关性。

2 结果与分析

2. 1 水质现状分析结果

由于水质采样位置位于饮用水源地取水口处,故采用GB 3838-2002中的Ⅱ类标准进行评价。监测结果表明,除第1年(2011年)的总氮监测数据达Ⅱ类水质标准外,其余4年(2012~2015年)的数据均未达Ⅱ类水质标准;连续5年的氨氮监测数据均能达Ⅱ类水质标准;从图2可知,上述两项指标均呈逐年递增的趋势。

2. 2 速生桉林业面源特征分析结果

六蓝水库汇水区范围内速生桉种植面积约占其陆地面积的80%(图1),2011~2015年轮伐期内的林地面积每年基本保持不变。通过Google Earth高分辨率影像数据及现场实地勘查确认,速生桉种植面积为2630.93 ha。

2. 2. 1 造林与施肥 由表1可知,当地林农采用1000~1400株/ha的密度进行种植,其中,上六房、六房、剪刀村、龙西、红旗村等速生桉分布相对碎片化的村屯种植密度一般为1000株/ha,而速生桉较集中连片分布的当耙、平山、甜菜等地的种植密度相对较高,一般为1400株/ha,其他村屯则多为1200株/ha。整个汇水区速生桉平均种植密度约1200株/ha。当地速生桉营林管理较粗放,多数村屯每年只进行一次施肥,只有在第1年幼苗定植后,个别村屯会进行1次追肥。在一个轮伐期内,第1年当地林农多在3月进行基肥的施用,根据各地土壤肥力的差异,施肥量为200~300 g/株;由于人工费用成本较高,多数林农在当年苗木定植后很少进行追肥,仅有速生桉分布相对碎片化、便于管理的少数几个村屯进行追肥,不纳入统计范围。因此,第1年整个汇水区的施肥次数为1次,平均施肥量为250 g/株;第2年幼林期的肥料用量较第1年幼苗期有所增加,施肥量为350~500 g/株;平均施肥量记为400 g/株。第3~4年为中林龄期,施肥量基本为500 g/株。在第5年成熟林期,由于各地速生桉林长势的差别,各地林农在砍伐前一年的施肥量差别较明显,一般为400~600 g/株,平均施肥量记为500 g/株。

由表2可知,六蓝水库汇水区范围速生桉所用肥料品种较多,但以桉树专用复合肥料为主。第1年幼苗期以基肥为主,主要品种有生态缓释型桉树专用肥、奥浦森复混肥料、丰收—桉树专用基肥等,肥效总养分相对较低,为15%~25%,其中氮素平均含量为7%(根据各品种肥料氮素含量算数平均值计算);第2~5年,以追肥为主,主要品种有加美复合肥料、蜀甲复混肥料、美浮罗复合肥料等,肥料总养分较高,为30%~45%,其中氮素平均含量为17%。

2. 2. 2 污染物排放量 由表2可知,六蓝水库轮伐期第1年总氮排放量为8.28 t,第2年为32.19 t,第3~5年基本保持在40.24 t。说明随着苗木的生长,施肥用量增加,汇水区范围总氮排放量也随着增加,2011~2015年一个轮伐期内总氮排放量为161.19 t。

2. 3 生活污染源及分散式畜禽养殖污染源分析结果

由表3可知,2011~2015年六蓝水库汇水区范围内人口数量变动不大,增长缓慢,仅从2017人增长到2228人;家禽和猪总数分别为4910羽和1203头。因此,采用广西区农村人均污染源总氮排放量为5.0 g/人·d及分散式畜禽养殖污染源总氮折算成标猪后排放量为20.98 g/头·d的系数进行计算,得出一个轮伐周期的生活污染源总氮与分散式禽养殖污染源总氮排放量为29.23 t。

2. 4 氮负荷的结构比例分析

由图3可知,从2011~2015年单个年份来看,对比生活污染源及分散式畜禽养殖污染源,林业面源的总氮排放量均在60.0%以上,而从速生桉种植整个轮伐期尺度比较,林业面源总氮排放量占汇水区范围所有污染源总氮排放量的84.7%(图3)。可见,六蓝水库汇水区范围氮负荷最主要的污染源为速生桉施肥引起的林业面源。

2. 5 水质与污染物排放量相关性分析

由表4可知,显著水平α=0.05,六蓝水库水源地水质中的总氮因子浓度与生活污染源和分散式畜禽养殖污染源的总氮排放量相关性不显著(r=0.844,n=5,P=0.072),说明二者的总氮排放量对水库总氮因子浓度无显著影响;总氮因子浓度与速生桉林区总氮排放量存在显著相关(r=0.928,n=5,P=0.023),可见随着速生桉林区总氮排放量的增加,水库总氮因子浓度也呈上升的趋势,林区总氮排放量在一定程度上影响着水库总氮因子浓度。显著水平α=0.05,水库的氨氮因子浓度与速生桉林区总氮排放量相关性不显著(r=

0.798,n=5,P=0.106),说明林区总氮排放量对水库氨氮因子浓度无显著影响;显著水平α=0.01,水库的氨氮因子濃度与生活污染源和分散式畜禽养殖污染源的总氮排放量存在极显著相关(r=0.962,n=5,P=0.009),说明水库氨氮因子浓度主要受生活污染源和分散式畜禽养殖污染源影响。

3 讨论

对比生活污染源和分散式畜禽养殖污染源,发现六蓝水库饮用水源地速生桉林业面源总氮排放量占汇水区范围所有污染源总氮排放量的84.7%,水源地氮素主要污染来源为速生桉林区大面积施肥引起的林业面源。研究数据显示,速生桉林区所施用的肥料有30%~40%通过其气态、淋洗和径流等各种途径进入水体,成为速生桉林区水体面源污染的最大“贡献者”(吴玉光等,2000;王寿兵和陶林森,2006)。可见,加强六蓝水库饮用水源地中速生桉林业面源这一主要污染源的防控,对于确保水源地水质安全起到关键作用。农必昌等(2006)通过对宜州、宾阳、钦州3个速生桉林区的水库水质监测发现,库区总氮因子的浓度含量超标倍数为0.34~2.14倍。宋贤冲等(2011)对广西3个林场的桉树造林区水体进行3年定点连续监测发现,在桉树新造林1年后,林区水体中COD、BOD5、SS等各项水质参数均有变坏的趋势,林区的水体污染程度增加。本研究中六蓝水库连续5年的监测数据表明,总氮因子除施肥量最少的第1年能达Ⅱ类水质标准外,其余4年的监测数据均未达Ⅱ类水质标准。可见,在水库、水源地等水体汇水区大面积种植速生桉林,容易引起水体的总氮因子超标。本研究结果显示,六蓝水库的总氮因子与汇水区的总氮排放量存在显著相关性,说明水库汇水区施肥引起的总氮排放量在一定程度上影响着水库总氮因子的浓度。曹继钊等(2007)通过研究速生桉林区施肥对林区水体富营养物质的影响发现,施肥量越大,林区内水体总氮含量也相应增加。陈丹辉和江惠龙(2010)在福建东张水库饮用水源保护区进行相关研究,结果也表明速生桉林区氮、磷流失入库量是造成湖库水质富营养化的原因之一。为减少施肥造成的氮素流失,当地林农应尽量采用少量多次的施肥方式,以保证肥料能充分被林地吸收。

相比总氮因子普遍超标的现象,本研究中的另一项监测因子氨氮连续5年均达Ⅱ类水质标准,通过相关性分析显示,水库氨氮因子浓度与速生桉林区总氮排放量相关性不显著,但与生活污染源和分散式畜禽养殖污染源总氮排放量存在极显著相关。说明六蓝水库氨氮污染物来源主要与生活污染源和分散式畜禽养殖污染源有关。本研究的分析结果P=0.009小于给定的α=0.01,则二者存在极显著的相关性。水库汇水区范围除了速生桉林业面源外,没有其他类型的污染源,因此可以判定,六蓝水库氨氮污染物来源主要与生活污染源和分散式畜禽养殖污染源有关,且二者的排放量较小,未造成库区氨氮因子超标。本研究结果与刘刚(2011)、蔺凯和刘建利(2013)的研究结果相似,自然水体中氨氮浓度的上升主要是由于生活污水、人畜粪便等含氮有机物进入天然水后,在有氧条件下经过微生物分解形成氨氮。虽然本研究的氨氮因子均达Ⅱ类水质标准,但仍呈逐年上升趋势,因此应加强对当地人畜粪便的管理,进行回田灌溉等处理,以减少生活污水的排放。

以往学者(黄云凤等,2004;高超等,2005;曹继钊等,2007)通过建立径流小区的方法研究速生桉林区水质的局限性在于径流小区仅限于很小一块片区,难以概括说明整个流域范围的相关规律。本研究将尺度扩大到水库汇水区,通过估算整个汇水区范围内速生桉施肥的污染物排放量,结合一个轮伐期内水库取水口处的监测数据,找出速生桉林施肥对水库水质影响的一些规律。由于水库汇水区范围较大,诸如速生桉林的种植密度、施肥次数、单株施肥量及各品种肥料的施用量等数据难以进行精确统计,故在整个汇水区的尺度上确定上述参数时,结合当地营林现状,取其算术平均值,相对较接近当地的客观现状。另外,由于汇水区跨度较大,不同地段的地质、坡度、坡长等立地条件差别较明显,难以精确分类计算各片区的总氮排放系数,因此本研究选取经验值(农必昌等,2006;曹继钊等,2007;任忠秀等,2013)作为计算依据,其计算结果跟实际情况有一定的偏差,但用于估算整个汇水区在一个轮伐期内污染物排放量的变化趋势仍然可靠。

4 结论

本研究结果表明,六蓝水库饮用水源地氮素主要污染源为速生桉林种植施肥,总氮排放量在一定程度上影响着水库总氮因子浓度。因此,采取科学测土配方施肥技术,合理控制和安排汇水区内速生桉的施肥用量与次数,进而减少氮素排放,对于预防饮用水源地水体富营养化起到重要作用。

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(責任编辑 邓慧灵)

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