凤羽河流域典型降雨径流氮磷污染物排放特征

金桂梅，刘宏斌，胡万里*，付斌，翟丽梅，段宗颜，李文超，鲁耀，潘艳华，杜彩艳

(1.云南省农业科学院农业环境资源研究所，云南昆明650205;2.农业部嵩明农业环境科学观测实验站，云南昆明650205; 3.中国农业科学院农业环境与农业区划研究所，北京100081;4.农业部面源污染控制重点实验室，北京100081)

凤羽河流域典型降雨径流氮磷污染物排放特征

金桂梅1，2，刘宏斌3，4，胡万里1，2*，付斌1，2，翟丽梅3，4，段宗颜1，2，李文超3，4，鲁耀1，2，潘艳华1，2，杜彩艳1，2

(1.云南省农业科学院农业环境资源研究所，云南昆明650205;2.农业部嵩明农业环境科学观测实验站，云南昆明650205; 3.中国农业科学院农业环境与农业区划研究所，北京100081;4.农业部面源污染控制重点实验室，北京100081)

对凤羽河流域2013年3次典型降雨全过程进行了连续监测，测定了径流量及降雨径流过程中氮磷(N、P)的形态、浓度与通量变化。结果表明，N、P各形态浓度变化曲线与流量曲线趋势大致相同，总氮(TN)浓度随降雨量增减迅速，硝态氮(NN)浓度变化平稳，铵态氮(AN)浓度较低且峰值出现均晚于其它氮素形态峰值，颗粒态氮(PN)与颗粒态磷(PP)浓度在径流过程中迅速达到峰值后陡然下降。暴雨径流前期氮素迁移以PN为主，主要来源于地表径流，受降雨强度影响;后期以NN为主，来源于土壤硝酸盐随壤中流淋失。磷素主要以地表径流迁移的PP为主。暴雨径流导致的N、P流失负荷较大，暴雨初期PP、PN流失严重，初期冲刷效应明显。

暴雨径流;氮流失;磷流失;迁移过程

近年来，随着污染治理水平和管理力度的改变，点源污染已得到明显控制，而面源污染问题日显突出。已有研究结果表明，暴雨径流是面源污染的来源，是其产生的主要动力，其带来的面源污染已成为湖泊水体富营养化的重要营养物质来源［1－2］。由于暴雨产生的径流对地表有强烈的冲刷作用，加之频繁的耕作与不合理的施肥管理，大量农业污染物在暴雨径流的冲刷下从地表向河流迁移，加剧了收纳湖泊的富营养化［3］。国外学者对面源N、P的排放规律及负荷进行了大量的检测、模型模拟机控制研究，国内学者也在紫色丘陵区、滇池流域、江西低丘红壤区流域及三峡库区流域等地区开展了面源流失规律的研究，探讨不同土地利用对N、P流失特征的影响，注重降雨径流中污染物浓度的变化及相应污染物负荷与径流量之间的相关性［4－13，16］。但目前针对云南省第二大高原淡水湖泊—洱海农业流域暴雨径流N、P流失特征研究相对较少，尤其比较缺乏N、P在不同降雨类别径流中的浓度和形态变化、迁移途径及其负荷在径流过程中的分布特征等方面研究，导致不同类别降雨径流对洱海面源污染的程度尚不清楚。该流域地形为山地丘陵，四季温差不大，冬春干旱，夏秋多雨，雨旱两季分明，7－9月降雨量占全年降雨量75%以上，降雨多以暴雨形式出现，汛期暴涨暴落，是农业面源污染的高发期，因此，研究不同暴雨类型暴雨径流过程中面源污染物的迁移特征对洱海面源污染的控制具有重要的意义。文章对洱海上游凤羽河小流域2013年3次典型降雨事件的径流特征和N、P迁移途径和排放特征进行研究，准确计算凤羽河小流域各种污染源产生的N、P污染物总量，以期为雨季径流过程中养分的截留、农村居民点生活污水排放的水质管理和农业面源污染的控制提供科学依据。

1 材料与方法

图1 凤羽河小流域水系分布状况Fig.1 Characteristics ofwater type distribution in Fengyu river watershed

1.1 研究区域概况

研究区凤羽河小流域地处99°51'31″～100°01' 46″E，25°52'48″～26°05'52″N，位于云南西部大理州洱源县城西南，是高原农业流域洱海流域西北部的一个典型子流域，地形为山地丘陵，最高海拔3621 m，最低海拔2072 m，平均海拔2634 m，气候属北亚热带高原季风气候，四季温差小，年均温度13.9℃;年平均降水量745 mm，冬春干旱，夏秋多雨，雨旱两季分明。流域内河流众多，水资源丰富，主要河流有兰林河、黑龙河、白石江、青石江、大涧河和东部天马山的三爷河和清源沟，汇流至凤羽河，从流域出口下龙门流出。常年水流量达1亿m3，属澜沧江水系，是洱海的重要水源地(图1)。流域内土壤类型以麻黑汤土、麻灰汤土、棕红土和水稻土为主。流域面积219 km2，土地利用方式主要以草地(45.9%)、林地(29.6%)、水田(11.9%)和旱地(8.9%)为主(图2)。

凤羽河小流域范围覆盖凤羽镇的凤翔、源胜、上寺、白米、江登、凤河、庄上、起凤、振兴9个村委会，44个自然村，121个村民小组，全镇户数7885户，人口31 797人，其中镇区居民9510人。流域内农业种植作物播种面积:水稻1373 hm2、玉米580 hm2、大麦340 hm2、大豆167 hm2、蚕豆233 hm2、马铃薯27 hm2、油菜1800 hm2、烤烟213 hm2和大蒜267 hm2。流域内畜禽养殖大牲畜1.1万头(奶牛0.73万头)，生猪2.1万头，鸡3.1万羽，羊0.45万只。

1.2 地表径流量监测

河流流速以及水量的测定使用澳大利亚unidata公司的STARFLOW超声多普勒流速、水位、温度综合测量仪。流量巡测频次为30 min 1次，以每次暴雨历时监测水量的总和作为当次的总径流量(公式1)。

图2 凤羽河小流域土地利用现状Fig.2 Land use status in Fengyu riverwatershed

表1 2013年暴雨事件的降雨特征Table 1 Rainfall characteristics of the storm events in 2013

式中:qt为t时刻的流量(m3/s);qi为样本i在监测时的流量(m3/s);x为径流量(m3);△t为样本i和i +1的时间间隔(s)。

1.3 氮磷排放监测

河流水质采样于凤羽河小流域出口下龙门，每小时采集一个混合水样，分别监测铵态氮(AN)、硝态氮(NN)、可溶性有机氮(DON)、总氮(TN)、颗粒态氮(PN)、总磷(TP)、可溶性总磷(DTP)、颗粒态磷(PP)。

TN使用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB11894-89)，NN使用酚二磺酸分光光度法(GB7480-87)，AN使用纳氏试剂分光光度法(GB7479-87)，DTN减去-N和-N即为DON，TN与DTN的差值为PN;TP、DTP使用钼酸铵分光光度法(GB11893-89)，TP与DTP的差值为PP［13］。

氮磷排放负荷根据同步流量和浓度监测值按公式(2)进行计算。

式中:yi为第i种污染物的排放负荷(g);ct为t时刻径流中第i种污染物的浓度(mg/L);ci为第i种污染物在样本i监测时的浓度(mg/L)。

1.4 累积污染物总量——累积流量变化曲线

采用无量纲的累积污染物总量与累积流量变化曲线——M(V)曲线对每场暴雨进行分析，可以明确各暴雨径流中污染物总量随流量变化的关系，全面理解暴雨径流污染物的传输过程［6］。M(V)曲线可以用下式表示:

式中:Ci，Qi，△ti同公式(1)、(2);V表示样本i检测总次数，J表示样本i检测次数。

2 结果与分析

2.1 降雨与径流过程

2.1.1 降雨过程特征在2013年凤羽河小流域降雨量为1320mm，7－9月降雨量1009.5mm，占全年降雨量的76.48%，其中3次典型暴雨降雨量占雨季降雨量的16.25%(表1)。7月20日降雨量64 mm，始于凌晨1:00时，降雨持续15 h，最大雨强发生在下午16:00时，为34 mm/h，平均雨强4.27 mm/h，本次降雨时间长，后期降雨强度大(图3c);7月23日降雨量58.5 mm，中午13:00时发生，降雨历时13 h，最大雨强11 mm/h，平均雨强4.50 mm/ h，本次降雨时间长，雨强变化较小(图4c);7月28日降雨发生在凌晨5:00时，历时4.5 h，降雨量超过30 mm，达41.5 mm，最大雨强36 mm/h，平均雨强9.22 mm/h，本次降雨历时较短，平均降雨强度大(图5c)。

2.1.2 径流过程分析3次暴雨事件的降雨量和流量曲线趋势大致相同，均出现明显的峰值流量，径流过程与降雨过程相对应，但略滞后于降雨过程(图3a、4a和图5a)。7月20日降雨3.5 h后产流，平均流量为5.93 m3/s，流量峰值比降雨量峰值滞后约0.5 h，流量峰值为10.94 m3/s，流量峰值时累积降雨量为64 mm，累积流量341 551.9m3;7月23日降雨2.5 h后产流，平均流量为9.37 m3/s，随着本次降雨时间延长，流量峰值在降雨结束时高达13.40 m3/s，累积流量高达517 153.07 m3;7月28日降雨2 h后产流，平均流量为7.85 m3/s，流量峰值为10.61 m3/s，比降雨峰值滞后2.5 h，流量峰值时累积降雨量为41 mm，累积流量为139 209.61 m3。受降雨影响，土壤含水量逐渐增加，3次降雨事件的产流时间逐渐缩短，虽然7月23日的最大雨强小，平均降雨强度变化小，其流量起伏小，使累积增加，平均流量大，流量峰值均大于其它2次降雨事件的流量峰值。

2.2 降雨径流的N、P形态与浓度特征

不同降雨事件径流的N、P形态及浓度特征值列于表2，7月28日的暴雨径流中TN、TP、PN、PP等主要N、P形态的浓度均最高，因该暴雨事件平均降雨强度最大，降雨、径流对土壤平均冲刷较强。N、P主要形态(TN、PN、TP、PP)的浓度在不同的降雨事件呈7月28日＞7月23日＞7月20日分布特征，与平均降雨强度大小顺序一致，说明平均降雨强度对N、P浓度影响较大。NN的浓度在不同降雨事件中分布特征与最大雨强大小顺序相反，说明低强度降雨有利于硝态氮的淋溶。径流中氮素形态以NN和PN为主，3次降雨事件对土壤均有冲刷，侵蚀严重，导致径流中颗粒态养分含量均较高，占TN的58 %～80%。径流中磷素形态则以PP为主，是TP的91%～97%，说明暴雨径流中磷素主要以颗粒态形式流失。PN、PP所占比例大小顺序为7月28日＞7月20日＞7月23日，与最大雨强大小顺序一致，说明最大雨强越大，冲刷越明显，颗粒态养分流失严重。

表2 不同降雨径流的氮磷形态与浓度Table 2 Concentrations and forms of nitrogen and phosphorus of different rainfall runoff

2.3 暴雨径流过程中N、P形态与浓度变化

2.3.1 氮素形态与浓度变化3次暴雨降雨量、径流量及径流氮浓度变化分别见图3～5的a、b，3次暴雨事件基本上反应了流域中氮素浓度对径流过程的响应。TN与PN的年度变化与降雨量曲线趋势相似，均有峰值出现，且变化和浓度峰值出现晚于降雨量峰值，但早于流量峰值。AN浓度较小，其峰值出现均晚于其它氮素形态峰值。氮素各形态浓度变化随径流量的涨落呈明显的阶段分配特点，在流量峰值之前，氮素形态浓度随流量增加而增加，在峰值之后呈下降趋势。3次暴雨径流事件的TN浓度变幅为1.21～15.51 mg/L(图3b、4b、5b)，随降雨量增减迅速。NN浓度变化较小，变化平稳。降雨初期径流中氮素形态以PN为主，随降雨事件持续，流量峰值出现后，降雨强度减小，PN浓度迅速降低，低于NN浓度，径流后期NN分别占TN的27%～63 %。径流中PN与NN的浓度变化表明二者对暴雨径流的响应与其迁移流失途径有重要关系，PN主要通过雨水冲刷携带大量沙粒而流失，而NN主要通过壤中流携带而流失。

2.3.2 磷污染物形态与浓度变化磷浓度峰值的出现较流量峰值早，其浓度变化在不同的降雨条件下响应关系有一定差异(图3c、4c、5c)。7月20日和7月23日的降雨历时长，主要受降雨强度影响，P浓度变化均出项双峰态;7月28日降雨历时短，P浓度变化与流量变化趋势大致相同。3次暴雨径流事件的TP浓度变幅为0.71～6.91 mg/L(图3c、4c、5c)，在产流初期迅速达到峰值，随后快速下降，说明地表径流对暴雨径流TP的影响最大;DP含量低，变化小;径流中磷素形态以PP为主，主要通过雨水冲刷携带大量沙粒而流失，分别占50%～98 %。

2.4 暴雨径流氮磷流失负荷

3次暴雨事件径流量的氮磷流失负荷见表3，共产生径流1171 900.56 m3，TN流失负荷5 037.84 kg，平均为5.5 g/m3，暴雨径流对流域氮磷流失贡献巨大。NN、PN、AN分别占TN的29.39%、72.9%、1.35%，NN、PN 2种形态的氮素控制着暴雨径流中氮素的流失。TP流失负荷达4244.15 kg，平均负荷4.1 g/m3，94.91%以PP形式流失。各暴雨所产生的径流量及N、P负荷有差异，与降雨强度、降雨量、降雨历时等有关。7月20日和7月28日暴雨的PN占TN的比例较高，7月23日暴雨的NN占TN比例高，可见降雨强度最大的暴雨造成的PN流失在防治中应优先考虑，而在降雨历时长、最大降雨强度小、雨强变化不大的暴雨中应优先考虑NN流失防治。

图3 7月20日暴雨径流过程及污染物浓度变化Fig.3 Process of storm runoff and changes of pollutants concentration in July 20，2013

图4 7月23日暴雨径流过程及污染物浓度变化Fig.4 Process of storm runoff and changes of pollutants concentration in July 23，2013

对3次暴雨径流过程中瞬时径流量和污染物排放负荷分别进行多项式回归，结果列于表4。除TN、 AN外，其它各形态氮磷迁移负荷与径流量之间存在极显著的相关关系，结果与黄俊等人研究相符［1］。

2.5 氮磷流失负荷在径流过程中的分布特征

从图6中可知，不同暴雨事件的M(V)曲线变化有差异。图6(a)，在7月20日暴雨事件中TN、PN、NN在45°斜线上方，说明其排放负荷集中于径流过程的前半段，初期有冲刷效应;后期降雨量增加，磷素形态和AN在45°斜线下方，其排放负荷偏向径流过程的后半段。图6(b)，7月23日暴雨事件前期冲刷效应不明显，中期时只有AN在斜线上方，NN、TP、PP斜率接近1，其污染负荷在径流中的分布与流量分布一致，而随着流量增加，后期出现冲刷情况，PN、TN的排放负荷偏向径流过程的退水段。图6(c)，7月28日暴雨降雨历时短，除NN污染负荷在径流中的分布与流量分布一致外，其它氮磷形态污染物排放负荷都集中在径流过程的前半段，初期冲刷效应明显。在前50%的径流中，3次降雨的的TN、NN、AN、PN、TP、PP负荷分别为对应总排放负荷的74.38%、75.42%、5.82%、75.07%、36.20%、33.56%，35.22%、53.74%、74.22%、20.46%、53.91%、57%，74.10%、60.30%、72.47%、79.24%、69.10%、69.53%，表明此流域不同降雨事件氮素形态初期冲刷效应不一致，主要与小流域的地质水文特征及土地利用方式等有关，氮磷流失是暴雨冲刷过程与后期N、P淋失过程共同作用的结果。

图5 7月28日暴雨径流过程及污染物浓度变化Fig.5 Process of storm runoff and changes of pollutants concentration in July 28，2013

图6 不同污染物的M(V)曲线Fig.6 M(V)curves of different pollutants

3 讨论

氮素形态浓度峰值出现晚于降雨量峰值，但早于流量峰值。凤羽河流域暴雨径流中氮素迁移初期以PN为主，其浓度过程线与降雨量变化相似，后期以NN为主，NN浓度变化平稳，其变化过程线与壤中流相符;暴雨径流中磷素以PP为主，PP浓度过程线响应地表径流流量曲线，结果与前人研究相似［9，14－16］。

暴雨的雨强、雨量、降雨历时及前期无雨时间对产流时间、流量大小、氮磷排放浓度和形态及排放负荷有一定影响。前期有雨的暴雨产流时间段，短历时高强度暴雨初期冲刷效应更为突出，平均降雨强度对N、P浓度影响较大，降雨强度最大的暴雨造成的PN、PP流失在防治中应优先考虑，而在降雨历时长、最大降雨强度小、雨强变化不大的暴雨中应优先考虑NN流失防治。

表3 暴雨径流与氮磷负荷Table 3 Flux and loads of N and P with storm runoff

3次暴雨事件产生的氮磷排放负荷之间有差异，排放负荷大，共产生径流量1171 900.56 m3，TN负荷5037.84 kg，TP负荷4244.15 kg，除TN、AN外，其它各形态氮、磷排放负荷与径流量之间符合多项式关系。

对于短历时高强度的降雨，截获初期径流量对于初期冲刷效应突出的氮、磷污染物排放减控有重要意义，而截获一定比例的后期径流量则可有利于溶解态N、P物质的去除。

［1］黄俊，张旭，彭炯，等.暴雨径流污染负荷的时空分布与输移特性研究［J］.农业环境科学学报，2004，23(2):255－258.

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(责任编辑 王家银)

Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Em ission in Typical Rainfall-runoff Events in Fengyu River W atershed

JIN Gui-mei1，2，LIU Hong-bin3，4，HUWan-li1，2*，FU Bin1，2，ZHAILi-mei3，4，DUAN Zong-yan1，2，LIWen-chao3，4，LU Yao1，2，PAN Yan-hua1，2，DU Cai-yan1，2
(1.Agricultural Resources＆Environment Institute，Yunnan Academy of Agricultural Sciences，Yunnan Kunming650205，China;2.Scientific Observing and Experimental Station of Songming，Ministry of Agriculture，Yunnan Kunming 650205，China;3.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing100081，China;4.Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control，Ministry of Agriculture，Beijing 100081，China)

The changes of water flows，concentration and fluxes of nitrogen and phosphorus(N，P)through rainfall-runoff of three typical storm events weremonitored at Fengyu Riverwatershed，Yunnan province，in 2013.The results showed that the N and P concentrations responded with discharge flow.The concentration of Total Nitrogen(TN)changed rapidly with the change of rainfall.The concentration of Nitrate Nitrogen(NN)was stable.The low concentrations and small variations of Ammonium Nitrogen(AN)were observed and its peak appeared later than other forms of nitrogen.The concentrations of Particulate Nitrogen(PN)and Particulate Phosphorus(PP)quickly reached peak and then followed by a rapid decline.Under the influence of the rainfall intensity，the PN transported by surface flow was dominated in the early periods of storm runoff，while NN derived from the soil interflow with nitrate leaching became dominant in the late period.The PP caused by surface flow was themain form of phosphorus in storm runoff.The loss loads of N and P in storm runoffwere high and the loads of PN and PPmostly distributed in the early portion of storm runoff，showing first flush effectswas importantand PN and PPwere transported with overland flow.

Storm runoff;Nitrogen loss;Phosphorus loss;Migration process

X52

A

1001－4829(2017)2－0394－07

10.16213/j.cnki.scjas.2017.2.026

2015－04－23

公益性行业(农业)科研专项经费资助(201303089)

金桂梅(1983－)，女，助理研究员，硕士，主要从事农业生态环境研究，E-mail:jgmbly2006@126.com，*为通讯作者，E-mail:huwanli.2007@163.com。