下垫面对漓江上游小流域氮磷污染排放的影响

张丽华，代俊峰,2，莫磊鑫，苏毅捷，曾鸿鹄,2

(1. 桂林理工大学，广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004；2. 桂林理工大学，岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西 桂林 541004)

氮磷随径流流失导致的水环境问题日益突出，造成的面源污染备受关注。不同下垫面下氮磷流失存在较大差异[1]，农业化肥的大量投入，水产养殖的弃物排放，对区域水水质变化产生了一定影响。近年来，诸多学者对降雨径流[2-4]、不同土地利用结构[5-7]、不同的施肥和灌溉方式[8-10]等方面，对氮磷迁移影响做了相关的研究，但对漓江流域上游不同下垫面(稻田、果树、水产及养殖)条件下氮磷的污染排放影响研究较少。

2013 年CNN 评选15 条全球最美河流，漓江是中国河流唯一入选者。但是，漓江的水环境现状却不容乐观，漓江流域内农业灌溉面积416 万hm2[11]，农田施用的农药、化肥，农村水产、家禽养殖和生活污水，通过径流排水汇入漓江，导致漓江氮、磷污染。本文通过对漓江流域上游青狮潭灌区金龟河试区农田、果树、鱼塘、养殖等4个不同下垫面情况下的氮磷排放进行研究，分析不同下垫面条件下污染物对河流水质的影响，为漓江流域的面源污染防治提供依据。

1 材料和方法

1.1 区域概况

金龟河试验区地处广西桂林市临桂县庙岭乡境内，是漓江流域上游青狮潭灌区西干渠的一条支渠，位于北纬25°17′～25°22′，东经110°09′～110°14′之间，气候温和湿润，雨量充沛，雨季一般为每年3-8月，其年降雨量为1 853.7 mm，雨季降雨量占全年降雨量的75%～77%；年平均蒸发量为1 300 mm左右，年平均气温在20°左右，属于典型亚热带季风气候[12]。该区域土壤主要为红壤，偏酸性，富铝化强烈。金龟河试区是青狮潭灌区比较有代表性的灌区小流域，多为水稻种植。

1.2 灌区下垫面分类

通过对金龟河试区的资料收集，结合野外实地调研，利用ArcGIS的水文分析模块和流域DEM图(中国科学院计算机网络信息中心提供30 m分辨率数据)，生成金龟河试区子流域划分图(见图1)。

图1 金龟河试区子流域划分图

对划分的子流域模块进行实地考察后，选取农田、果树、鱼塘、养殖等4种不同的下垫面。其中，在子流域1里选取农田下垫面；子流域2内有成片的鱼塘，选取鱼塘下垫面；子流域3内为果树培养基地，选取果树下垫面；子流域7内有大量的养殖业(养猪、养鸭)，选取养殖下垫面。由此，选取子流域1、2、3、7进行不同下垫面条件下氮磷排放野外原位试验研究。子流域下垫面情况见表1。

表1 子流域内不同下垫面下情况

1.3 采样点设置

根据金龟河试区子流域划分图和实地调查情况，在各子流域出水口断面的水样进行采集。对子流域1、2、3、7的下垫面进行深入分析后，分别在选定下垫面的支渠(河流)断面的前后进行水样采集，以便评估下垫面氮磷排放对支渠水质的影响。图1显示，子流域1中1-2和1-3分别为农田的进出水口，子流域2中2-2和2-3分别为鱼塘的进出水口，子流域3中3-1和3-2分别为果树的进出水口，子流域7中7-1和7-2分别为养殖的进出水口。分别在选定下垫面的沟渠进出水口设置监测点，以每月单次采集水样进行统计，其中包括雨季暴雨，冬季枯水等多种情况。分析进出水口的水质变化，并估算下垫面污染物对水质的贡献量。

1.4 水质分析

不同下垫面进出水口流域断面水样的分析指标包括pH、温度、化学需氧量、溶解氧、电导率、钙离子、氯离子、氨氮、硝态氮、总氮、总磷等指标。其中pH、温度、电导率、化学需氧量、钙离子、氯离子是用多参数水质监测系统HORIBA W-233XD现场监测记录，溶解氧是用便携式溶氧仪测得并记录。现场采集水样，密封冷藏带回实验室，24 h内测定其氨氮、硝态氮、总氮、总磷指标。氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定，硝态氮采用紫外分光光度法测定，总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，总磷采用过硫酸钾消解-钼蓝比色-紫外可见分光光度法测定。

1.5 数据处理及统计

单个污染物的月污染负荷量Q(kg)为单月降雨产生径流量qiα加上青狮潭西干渠的灌水补给量qjβ(每年的4-11月为灌水补给)之和，乘以单月平均污染物含量[13]，即：

Q=(∑ni=1qiα+qjβ)C

(1)

Q=(∑ni=1qiα)C

(2)

式中：C为统计月度内径流平均污染物的含量，每月进行3次监测，取其平均值代表当月污染物平均含量，mg/L；qi为统计月度内每次降雨的降雨总量，m3；α为降雨径流系数；β为灌溉系数，根据桂林水文资料，研究区域位于临桂地区，选取降雨径流系数0.65，灌溉系数0.35。

对于子流域1，因其有青狮潭灌区西干渠直接的灌溉水量补给，可利用公式(1)计算得到单个污染物的月污染负荷量；对于其他没有直接水量补给的子流域，利用公式(2)计算单个污染物的月污染负荷量。

2 不同下垫面氮磷输出特征

2.1 不同下垫面氮磷输出主要形式及水质影响主成分

根据实际采样的监测数据，对4种下垫面下氨氮、硝态氮、总氮、总磷进行分析。根据国家环保部发布的地表水环境质量标准限值，以及桂林市桃花江水环境功能区划，金龟河流域为第Ⅴ类水要求[14]，其排放氨氮、总氮、总磷的标准分别2.0、2.0、0.4 mg/L，而根据集中式生活饮用地表水水源硝态氮标准限值为10 mg/L[15]。金龟河试区不同下垫面下污染物排放浓度如图3所示，养殖下垫面是氨氮、总氮、总磷污染物排放量最高的下垫面，其平均浓度分别为12.68、19.39、0.89 mg/L，远远超出了第Ⅴ类水的标准限值；其次是鱼塘下垫面，其氨氮、总氮、总磷排放平均浓度分别为1.13、2.62、0.26 mg/L，除了总氮超出第Ⅴ类水标准限值之外，其余均在标准限值之下；农田和果树两个下垫面的氨氮、总氮、总磷排放均在标准限值之内，而硝态氮含量最高一次为3.25 mg/L，其对水质没有影响。

图2 不同下垫面下氨氮、硝态氮、总氮、总磷实测值

运用主成分分析法，根据实际需求以具有一定相关性的污染物(如：氨氮、硝态氮、总氮、总磷)变量重新组合确定流域水质影响的主要成分[16]，应用SPSS23对实测数据进行标准化后得到相关矩阵、特征值和方差贡献率，从而确定不同下垫面的污染物的主要贡献因子，通过主成分分析表2可知，影响金龟河试区水质的主要因子为2类，累积为全部水质影响因子的97.56%。第一类主成分为氨氮、总氮、总磷，其累积贡献率为70.43%，说明金龟河水质受氨氮、总氮、总磷影响较大。第二类主成分贡献率为27.13%，与硝态氮相关。第一类主成分贡献率比第二类主成分贡献率高43.3%，所以金龟河水质主要受第一主成分的影响，即氨氮、总氮、总磷为金龟河水质的主要污染物的一部分。因此，以下选取氨氮、总氮、总磷为不同下垫面污染的主要评价指标。

2.2 不同下垫面氮磷贡献量

表2 主成分分析

根据主成分分析，选取不同下垫面条件的氨氮、总氮、总磷等3个主要污染物进行分析，揭示不同下垫面的污染物进入金龟河支渠后对金龟河水质的影响。根据单个污染物负荷计算得到不同下垫面的氮磷贡献量，如图3所示，养殖业氨氮和总氮贡献量最大，月平均排放量达到215.39和298.23 kg。在春季(3-5月)，养殖业氨氮和总氮排量相对于冬季(11-1月)有明显的加大，这是由于冬季枯水养殖密度降低，为保证居民生活和河流水质，对流域周边的养猪场废液排放进行限制，春季降雨较多，河流水量增大，养殖活动活跃，养殖废液排量增大，因此造成养殖业氨氮和总氮排量春季比冬季高；而农田和鱼塘面积相对变化不大，但在春季农田播种施肥时，致使氨氮、总氮、总磷污染物排放有所提高，再加上雨水的扰动加大对颗粒肽氮、磷的排量[17]。农田氨氮、总氮、总磷的月平均排量为9.94、35.65、2.42 kg，其在3-5月氮磷排量均有大幅度增加，这是由于农田翻动及部分早稻种植影响。鱼塘氨氮、总氮、总磷的月平均排量为18.61、32.63、2.69 kg，其相对养殖业排量增加较小。果树是坡地种植，一般抽水灌溉灌水量较小，污染物排放较少，降雨对氨氮、总氮、总磷排量影响较大。所以对河流水质影响相对较小。综上，不同下垫面下氮磷污染物排量呈现养殖>鱼塘>农田>果树。

图3 不同下垫面污染物月排量统计值

2.3 不同下垫面间污染物输出差异

为了探讨不同下垫面下氨氮、总氮、总磷的污染特性差异，选取这3种污染物指标为因变量，4种不同下垫面为因子，取不同种下垫面的氨氮、总氮、总磷的月排量进行单因素方差分析，单因素方差分析(ANOVA)是用于两个及以上样本均数差别的显著性检验[18]，分析结果见表3。在ANOVA分析结果中，氨氮和总氮的显著性水平最高，其显著性水平值为0，而不同下垫面总磷的差异水平较小，其显著性水平值为0.019。分析得到不同下垫面之间差异显著的因子大于设定的0.05。结果表明，不同下垫面对同一种污染物的输出存在着差异，因此对河流污染的贡献也存在一定的差异。

表3 不同下垫面下ANOVA分析

注：差异性显著水平大于0.05为不显著。

由单因素方差分析得知，在不同下垫面下同种污染物排放存在显著差异。那对于两两下垫面间污染物排放的差异关系，通过LSD法分析对不同下垫面两两之间的污染物排放差异进行比较。基于下垫面的氨氮、总氮、总磷污染物月排量，对选定的4种下垫面进行两两比较，结果如表4所示。对比于显著性设定值0.05，养殖下垫面与其他3种下垫面差异性最大，其氨氮、总氮、总磷显著性水平均为0，而其他下垫面的污染物排放虽然存在差异，但两两下垫面之间显著性水平不高，农田和果树的氨氮显著性水平最小为0.914；农田和鱼塘的总氮及总磷显著最小，分别为0.960，0.973。由此可知，养殖下垫面对比于其他3种下垫面差异性最大，污染物月排量对河流水质影响最为严重。

表4 不同下垫面下 LSD 分析

注：差异性显著水平大于0.05为不显著。

3 结 语

2016年10月至2017年5月在漓江流域上游青狮潭灌区金龟河(支渠)试区开展野外原位试验，选取4种典型的下垫面进行径流排水和水质的监测，分析结果表明，金龟河试区水质主要受2种主成分影响，其第一主成分贡献率为70.43%，与氨氮、总氮、总磷3种主要因子有密切联系；第二主成分贡献率为27.13%，与硝态氮相关；由此可确定金龟河流域水质的污染指标主要为氨氮、总氮、总磷。

总氮是金龟河流域污染较严重的指标，其中养殖下垫面和鱼塘下垫面均超过国家环保部发布的第V类地表水环境质量标准限值，总磷和氨氮指标只有养殖下垫面超过标准限值，其余均在标准限值以内。对于这4种不同下垫面下，污染物输出存在很大差异，其养殖业对水质污染贡献最大，其氨氮、总氮、总磷均超出标准限值6倍、9倍和2倍，对河流水质影响最严重。

在金龟河试区，雨季降雨量大时，对污染物输出影响较大，其中养殖业氨氮在雨季每月排量为350～430 kg，是冬季最小排量的12倍左右；总氮排量为400～510 kg，是冬季最小排量的15倍左右；而总磷影响最大，其雨季最大月排量为69 kg，相当于冬季最小排量的170倍左右。因此，应采取有效的措施，控制金龟河试区养殖业污水排放。

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