赣江下游不同样地降雨径流氮磷污染负荷估算

向速林, 陶术平, 王逢武

1. 华东交通大学环境工程系, 南昌 3300132. 南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室, 南昌 330047

赣江下游不同样地降雨径流氮磷污染负荷估算

向速林1,2,*, 陶术平1, 王逢武1

1. 华东交通大学环境工程系, 南昌 330013
2. 南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室, 南昌 330047

向速林, 陶术平, 王逢武. 赣江下游不同样地降雨径流氮磷污染负荷估算[J]. 生态科学, 2016, 35(2): 62-65.

XIANG Sulin, TAO Shuping, WANG Fengwu. Nitrogen and phosphorus pollution loads from the different land use types in the Ganjiang River downstream[J]. Ecological Science, 2016, 35(2): 62-65.

选择赣江下游地区不同样地类型的径流小区, 遇到大降雨时监测径流水样中的氮、磷含量, 并利用SCS模型计算降雨径流量, 从而估算不同样地类型降雨径流中氮、磷的污染负荷。结果表明, 不同土地利用类型中氮、磷的输出量差异显著, 其氮、磷的污染负荷均以水田最高, 分别达到 10732.91 t·a–1与 1071.65 t·a–1, 而以林地最小, 分别为657.53 t·a–1与166.70 t·a–1, 反映了降雨径流下水田的溶解态氮、磷流失量最大。因此, 水田的氮、磷流失是赣江下游需要重点考虑的因素。

赣江下游; 降雨径流; 污染负荷

1 前言

降雨径流对地表的击溅以及冲刷产生的水力侵蚀作用, 造成了结合在土壤颗粒和土壤团聚体中的氮、磷等营养盐的流失并进入地表水体, 从而引起地表水体的富营养化[1], 是一种重要的非点源污染类型[2]。流域土地利用方式及其结构变化对径流中营养盐含量以及输出过程均具有极其重要的影响[3–4],不同土地利用类型决定了土壤的植被覆盖度、物理结构性质以及氮、磷等营养盐含量[5]。不同来源方式的降雨径流携带的污染物质对地表水体氮、磷污染负荷具有重要的贡献, 可能成为地表水体富营养化主要来源, 但不同土地利用类型氮、磷随降雨径流的输出具有较大差异[6–7]。因此, 探讨不同样地类型下降雨径流中氮、磷的污染负荷显得尤为重要,对防治流域地表水体富营养化具有重要意义。赣江是长江八大支流之一, 起源于江西石城县, 赣江主支于永修吴城镇汇入鄱阳湖[8]。赣江下游属于中亚热带湿润季风气候, 气候温和湿润, 降雨量充沛[9],根据该流域的地理条件与土地利用状况, 选择赣江下游水田、旱地、林地及其它地等四种类型的径流小区, 利用 SCS模型估算降雨径流量, 结合降雨径流中氮、磷含量估算其污染负荷, 为控制降雨径流中氮、磷流失提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 样品采集

结合赣江下游不同土地利用方式及其特点, 选择四个典型径流小区进行取样观测, 其降雨径流水样的采集点分别布置在赣江下游的蒋巷镇(样地类型为水田)、扬子洲镇(样地类型为旱地)、南新乡(样地类型为林地)与南矶乡(样地类型为其它地), 于2010年5月至8月在不同季节遇较大降雨时在上述采样点采集降雨径流水样四次(采样时间依次为4月12日、5月8日、5月14日与6月20日), 获取的降雨径流水样在经过0.45 µm的尼龙膜过滤后装入聚乙烯塑料瓶, 加入饱和HgC12固定, 在4 ℃下保存备测, 用来测量降雨径流水体中的氮、磷浓度。

2.2 实验方法

降雨径流中氮、磷的分析方法按照《湖泊富营养化调查规范》(第二版)[10]中的方法进行测定, 磷酸盐采用钼锑抗比色法, 氨氮采用纳氏试剂比色法,硝态氮采用酚二磺酸比色法。其中, 溶解态无机氮(DIN)为硝态氮与氨氮之和, 溶解态无机磷(DIP)为溶解态的磷酸盐。

赣江下游不同样地类型在降雨径流时携带的氮、磷负荷量可以按照降雨径流法计算得到, 其计算公式如下[11-12]:

其中,W为农业面源污染随降雨径流时携带的氮、磷负荷量(t·a–1);C为农业面源污染产区不同土地利用类型降雨径流中氮、磷浓度(mg·L–1)(一般采用多次实测平均值);Q为研究区间降雨径流时产生的地表径流量(mm)。

3 结果与讨论

3.1 不同样地的降雨径流量

3.1.1 径流量的估算过程

径流曲线模型(Soil Conservation Service, 简称SCS模型)是由美国农业部土壤保持局发展起来的用于估算农业流域降雨径流量的流域水文模型, 具有所需资料简单易取等特点, 能够较为客观地描述不同土地利用方式、土壤类型、前期的土壤含水量以及流域水文、气象资料条件下的地表径流形成过程, 对于小流域径流预报具有较强的实用性和精确性。本研究利用SCS模型来估算赣江下游的降雨径流量, SCS模型的降水径流关系为[13]:

其中,Q为区域的降雨径流量(mm);P为区域的降雨量(mm);S为降雨径流开始后潜在的最大滞留量或称为储留系数(mm), 与流域的土壤类型、植被等因素有关, 可通过径流曲线数(CN)计算确定;Ia为初始截留量(mm), 指径流开始前全部降雨损失, 包括表层低洼储水、植被截获、蒸发、入渗等, 其与S的关系为Ia=0.2S。

径流曲线数(Runoff Curve Number, 简写为CN)是反映降雨前流域特征综合参数, 它与流域前期的土壤湿润状况(AMC)、植被、坡度、农业耕作方式、水文条件、土地利用方式和土壤类型等因素有关,取值范围为 0—100[14], CN值越大, 其渗透量越小,产流能力越强[15]。为了反映土壤水分条件对CN值的影响, SCS模型根据前期降雨量大小将前期土壤的湿润状况AMC(Antecedent Moisture Condition)分干旱、正常和湿润三级, 即AMC I为干旱情况(产流条件最低), AMC II 为正常情况, AMC III为湿润情况(产流条件最高), 不同的前期土壤湿润状况, 其CN值不同; 此外, 土壤类型按土壤水分渗透率可分为四类, 即为 A型土壤(透水性好, 产流能力最小,这类土壤主要是由深厚的、易大量排水的砾石组成)、B型土壤(较为透水, 产流能力为中等, 土壤质地由中等细到中等粗, 土壤砾粒含量少)、C型土壤(较不透水, 其产流能力较好, 土层较浅, 土壤质地常常有中到细, 存在有阻碍水向下运动的土层)和D型土壤(接近于不透水, 其产流能力为最强, 主要为含有高膨胀性的粘性土壤及几乎不透水物质的浅层土壤)四类。

根据赣江下游的土壤性质(红壤, 属于粘壤土,即粘质含量较高的土壤)和土地利用类型(本研究将赣江下游的土地利用类型分为水田、旱地、林地及其它地等四类), 确定该区域的土壤类型为C类, 即较不透水土壤, 故计算CN值时选择C类土壤。参照SCS模型中提供的CN取值方法, 并结合其他学者的已有研究成果[16–19], 以及赣江下游地区的降雨径流资料, 确定水文条件为正常含水量时, 不同土地利用方式CN值, 此即CN2值, 当土壤处于干旱或湿润状况时, 则需要进行相应地修正, 即利用正常状态的CN2值分别计算干旱和湿润状况下CN1值和CN3值。

3.1.2 径流量的估算结果

降雨是农业面源污染发生的源动力, 对土壤中氮、磷等营养盐的流失具有较大的影响[20]。不同土地利用类型在降雨时均有产流过程, 但其特征因植被覆盖和土壤类型等因素不同而异[20]。资料显示,赣江下游多年平均年降水量约为1570 mm[18], 结合前述降雨径流量的估算公式, 估算得到了赣江下游地区不同土地利用类型的年降雨径流量, 其中水田的年降雨径流量为962.42 mm, 旱地为552.16 mm,林地为428.75 mm, 其它地为682.45 mm, 可见赣江下游地区不同土地利用类型区域的年降雨径流量差异相对比较明显, 可能与不同土地利用类型所采用的农业生产方式以及地表的覆盖状况等不同有关,不同的农业生产方式改变了地表的覆盖情况, 而不同的地表覆盖情况则影响着降雨的地表水文过程。此外, 水田、旱地、林地和其它地的降雨径流系数分别为0.61、0.35、0.27和0.43, 反映出不同土地利用类型的径流系数差异较大, 并以水田的径流系数最大。

3.2 不同样地的氮磷污染负荷

3.2.1 降雨径流水体的氮磷含量

由于降雨径流水样采样点的设置数量与覆盖面、以及采样频次等因素的限制, 从而导致了本次降雨径流水样中氮、磷监测结果不能完全代表整个赣江下游地区的年平均降雨径流中的氮、磷浓度。因此, 本研究将氮、磷浓度的监测结果近似认为是赣江下游地区不同土地利用类型中降雨径流中 DIP 与DIN浓度的年平均估算值。

监测结果表明, 赣江下游地区不同样地类型中的水田、旱地、林地及其它地降雨径流水体中DIP平均浓度分别为0.131 mg·L–1、0.164 mg·L–1、0.108 mg·L–1、0.192 mg·L–1, DIN的平均浓度分别为1.312 mg·L–1、1.861 mg·L–1、0.426 mg·L–1、0.675 mg·L–1。总体上, 以水田和旱地降雨径流水体中DIN与DIP的浓度较高, 可能与这些区域的农业生产过程中施用了过多的肥料以及不同的地表覆盖状况有关, 相比于林地和其它地, 水田和旱地在耕作时需要投入更多的肥料, 土壤中氮、磷的积累量大, 在降雨径流时其输出量也更大。此外, 水田和旱地频繁的耕作造成地表植被覆盖破坏, 从而造成植被对径流水体中的氮、磷吸收下降。

3.2.2 降雨径流氮磷的污染负荷

降雨径流携带的氮、磷输出与迁移方式是非常复杂的, 主要包括沉淀、冲起、吸附和解吸、转化、衰减和生物吸收等过程。赣江下游地区降雨径流携带的氮、磷等污染负荷主要与区域的土壤类型、土地利用类型等因素有关, 而土地利用类型又是影响降雨径流携带的氮、磷输出负荷的重要因素。结合区域面源污染产区降雨径流携带的氮、磷输出负荷量的估算公式, 估算得到2010年赣江下游地区不同土地利用类型降雨径流携带的DIP与DIN年负荷量,见图1与图2。

图1 降雨径流携带的DIP年负荷量Fig. 1 DIP loading of rainfall runoff in Ganjiang River downstream

从图1与图2可知, (1)通过估算区域降雨径流量,并结合降雨径流法测定的 2010年赣江下游地区降雨径流携带的DIP年负荷总量为2389.63 t·a–1, 其中,不同土地利用类型的DIP年负荷量范围为166.70—1071.65 t·a–1, 并以水田的DIP输出负荷量最高, 达到1071.65 t·a–1, 旱地次之, 而以林地的DIP输出负荷量最小, 只有166.70 t·a–1。(2)赣江下游地区降雨径流携带的DIN年负荷总量为18913.06 t·a–1, 其中,不同土地利用类型在降雨径流时携带的DIN输出负荷量变化范围为 657.53—10732.91 t·a–1, 同样以水田的 DIN年输出负荷量最高, 达到 10732.91 t·a–1,而以林地的DIN年负荷量最小。综上可知, 不同土地利用类型中, 水田在降雨径流时携带的氮、磷负荷量为最高, 其对赣江下游地区地表水体中氮、磷含量的贡献率最大, 故而需重点关注水田对赣江下游地区地表水体富营养化的贡献。

图2 降雨径流携带的DIN年负荷量Fig. 2 DIN loading of rainfall runoff in Ganjiang River downstream

4 结论

土地利用类型是影响降雨径流量的重要因素,赣江下游不同土地利用类型降雨径流量差异较大,其中水田的年降雨径流量为 962.42 mm, 旱地为552.16 mm, 林地为428.75 mm, 其它地为682.45 mm,可能与不同土地利用类型的所采用的农业生产方式以及地表覆盖状况等不同有关。

降雨径流携带的氮、磷输出负荷同样受到不同土地利用类型的影响, 赣江下游不同样地类型 DIP与DIN年负荷量变化范围分别为166.70—1071.65 t·a–1与 657.53—10732.91 t·a–1, 均以水田的输出负荷量最高, 而以林地的输出负荷最小, 这主要与不同土地利用类型农业生产方式以及施肥量与频次等因素有关。

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Nitrogen and phosphorus pollution loads from the different land use types in the Ganjiang River downstream

XIANG Sulin1,2,*, TAO Shuping1, WANG Fengwu1
1.Department of Environment Engineering,East China JiaoTong University,Nanchang330013,China2.Key Laboratory of Poyang Lake Environment and Resource Utilization of MOE,Nanchang University,Nanchang330047,China

Several runoff units of various land use areas are selected to monitor nitrogen and phosphorus contents in Ganjiang River downstream. Using SCS runoff curve, runoff of each plot is calculated. Considering the actual concentration of nutrient, loading of nutrient of surface runoff is estimated. The results show that phosphorus and nitrogen outputs in runoff were significant in different land use patterns, and high nitrogen and phosphorus loads are associated with paddy land use, which are 10732.91 t·a–1and 1071.65 t·a–1, respectively. The amount of nutrient loss from woodland is the lowest, which are 657.53 t·a–1and 166.70 t·a–1. Being carrier of loss nutrients, the paddy land use is thought to be the controlling focus in Ganjiang River downstream.

Ganjiang River downstream; Rainfall runoff; Pollution load

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.02.010

X144

A

1008-8873(2016)02-062-04

2014-10-15;

2015-01-12

江西省教育厅科研项目(GJJ150540); 江西省自然科学基金项目(20114BAB213020)

向速林(1978—), 男, 江西人, 博士, 副教授, 研究方向为水资源与环境, E-mail: slxiang2001@163.com

*通信作者:向速林