巢湖圩区农田排水沟渠氮磷时空分布及输出特征

马凡凡，邢素林，徐云连，龚 娟，田 艳，马友华

（安徽农业大学资源与环境学院，安徽 合肥 230036）

【研究意义】氮、磷是植物生长必需元素，也是引起水体富营养化的重要影响因素，防治水体富营养化的关键是控制水体中的氮磷含量。农田排水沟渠是连接农业排水、居民生活废水与河流湖泊的重要通道，具有河流和湿地的双重特征，既是农业面源污染的最初汇集地，又是下游河流、湖泊的外输口，起着蓄水、排水、净化水质等多种作用［1-3］。农田排水沟渠径流氮、磷浓度变化既反映该沟渠氮、磷的输出负荷和对上游农田来水的消纳净化，也表明了沟渠对农田尾水的截留净化能力，是实现氮、磷功能转换的重要场所［4-6］。

【前人研究进展】相比点源污染，农业面源污染对水体质量安全构成了更严重的威胁，也是湖泊流域水污染治理的难点［7-8］，而农田排水沟渠中氮磷的迁移和转化在农业面源污染的控制和管理中起着重要作用，对农业面源污染防控具有重要意义。近年来，国内外专家学者对农田沟渠中氮、磷的迁移转化和生态拦截功能进行了大量研究［9-11］。如Zhang等［7］研究发现沟渠湿地系统能够有效降解、去除水体中的营养物质，降低其进入下游河网的氮、磷含量。生态沟渠由于独特的水生植物-底泥-微生物系统，通过植物吸收拦截、底泥吸附以及微生物降解的综合作用下，总氮、总磷去除率可分别高达64%和70%［12］，NH4+-N、NO3--N的平均去除率分别为77.9%和63.7%［13］。然而，氮、磷在沟渠系统中的迁移转化非常复杂，受温度、季节、植物种类、沟渠结构等众多因素的影响，农田排水沟渠氮磷迁移转化、时空分布输出的不确定性也随之增加［2，14-16］。

巢湖沿岸圩区集中，多数以种植业为主，农业生产强度较大，水体环境相对封闭，高浓度氮磷水体未经处理直接排入巢湖，加重了巢湖水体富营养化［17］。巢湖流域粮食作物以小麦和水稻为主，氮磷化学肥料施用量过多，且地表径流是农业化肥养分流失的主要途径，加剧了氮磷养分流失的风险。储茵等［18］通过研究巢湖沿岸圩区稻季排水氮磷浓度特征发现，圩区排水的总氮、总磷平均浓度分别为4.28、0.3 mg/L，达到富营养化甚至超富营养化水平，且均高于受纳河流水质。稻麦轮作地表径流总氮流失量为45.27～101.38 kg/hm2，总磷流失量为0.30～0.61 kg/hm2，氮、磷等污染物随地表径流排入沟渠及下游水体，对巢湖水体富营养化的贡献不可忽视［19］。【本研究切入点】目前，巢湖流域的研究主要集中在农田地表径流氮磷流失特征及河流营养盐的输出动态［20-21］，但经由农田流失的氮磷在沟渠中的时空转化、分布及其向巢湖水体的输送特征研究相对薄弱。【拟解决的关键问题】因此，本研究对巢湖圩区农田排水沟渠进行调查，分析沟渠水体氮磷时空分布特征及输入巢湖的风险，为改善沟渠水体氮磷污染和控制巢湖流域污染源头提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在巢湖市烔炀镇西宋圩区农田示范基地(117°40′59″E ，31°39′43″N)进行，距巢湖湖区约560 m。巢湖流域属于亚热带湿润性季风气候，年均气温16.1 ℃，相对湿度76 %，年均降水量1 215 mm。降雨量年内分配较不均匀，多集中于夏季（6—8月），12月份最少。试验区作为一个典型圩区，地势平坦，由于降雨径流长期冲刷，自然土质沟渠纵横交错，沟渠主要接纳农田排水和居民区生活污水，其中沟渠中植物可以沉降泥沙，减缓流速，具有一定的拦截净化能力。沟渠排水汇入排灌站，通过排灌站与临近河流—鸡裕河相连，最终流入巢湖。试验区主要种植作物为蔬菜-水稻、小麦-水稻轮作。作物施肥情况见表1。监测期内，小麦一般10月下旬栽种，5月下旬收割，期间施肥2次；水稻一般6月上旬插秧，9月下旬收割，期间施肥3次。

表1 监测期内作物施肥量Table 1 Crop fertilization during the monitoring period

1.2 采样点设置及样品采集

在研究区域选取3条沟渠，沿水流方向并根据沟渠长度，在沟渠的上游、中段、下游断面分别设置3个采样点，标记为S1～S9。其中沟渠1连接蔬菜-水稻种植区，沟渠2连接居民区及小麦-水稻种植区，沟渠3周边是小麦-水稻种植区，面积分别为10.6、6.9、13.7 hm2。在沟渠系统的出水口—排灌站排水口和鸡裕河河水分别布点采样，标记为S10～S11（图 1）。根据试验区的自然环境及代表性，分别于2015年3月（春季）、2015年6月（夏季）、2016年9月（秋季）、2016年12月（冬季）的15日前后采集水样，并在降雨时加采一次，每次取样500 mL，保存在聚乙烯塑料瓶，准确标记后立即带回实验室进行处理，并尽快测定。

图1 沟渠采样点分布示意图Fig.1 Diagram of distribution of sampling points in the ditches

1.3 测定项目及方法

本研究测定指标为总磷（TP）、总氮（TN）、氨态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）。TP采用钼酸铵分光光度法流动分析仪测定，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法流动分析仪测定，NH4+-N 采用水杨酸分光光度法流动分析仪测定，NO3--N采用硫酸肼还原法流动分析仪测定。所用仪器均为AA3流动注射分析仪。

试验数据采用Excel软件处理并作图，根据《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）判断沟渠水质。

2 结果与分析

2.1 农田排水沟渠水体氮磷浓度分布特征

从表2可以看出，沟渠水体氮磷浓度差异显著，NH4+-N浓度为0.3～4.7 mg/L，平均值为1.1 mg/L；NO3--N浓度为0.4～2.8 mg/L，平均值为1.3 mg/L。与地表水环境质量标准（GB 3838-2002）比较可知，NH4+-N和NO3--N 平均浓度均高于Ⅲ类水质标准。农田排水沟渠TN浓度范围在1.6～11.6 mg/L，平均浓度为4.2 mg/L，是Ⅴ类水质标准（2.0 mg/L）的2.1倍。农田排水沟渠TP浓度范围在0.1～1.0 mg/L，平均浓度为0.3 mg/L，TP平均浓度超过IV类水质标准，且全部水体TP含量超过了水体富营养化（0.02 mg/L）的标准，甚至有些超过了Ⅴ类水质标准。巢湖圩区水稻生长期排水TN、TP浓度一般为4.3、0.3 mg/L［9］，本研究沟渠水中TN浓度略低于稻田排水浓度，TP浓度则略高于稻田排水浓度。

表2 农田排水沟渠水体氮磷浓度分布特征Table 2 Distribution characteristics of nitrogen and phosphorus concentrations in water of farmland drainage ditch

2.2 不同土地利用方式沟渠水体氮磷浓度比较

从表2还可以看出，3种土地利用方式农田排水沟渠的氮磷浓度差异显著，不同沟渠水体氮磷浓度的变异系数较大，表现出较大的分散性。就磷素而言，沟渠1中 TP平均浓度最高，达到0.4 mg/L，沟渠2和沟渠3的TP平均浓度较低，分别为0.3、0.2 mg/L。就氮素而言，沟渠1、沟渠2、沟渠3 TN平均浓度分别为5.3 、3.9、3.5 mg/L；NH4+-N平均浓度分别为1.6 、0.9、0.7 mg/L；NO3--N平均浓度分别为1.7 、1.2、1.1 mg/L。总体上，农田沟渠氮磷浓度表现为沟渠1（蔬菜-水稻种植区）最高，沟渠2（居民区-小麦-水稻种植区）和沟渠3（小麦-水稻种植区）氮磷浓度较低，但沟渠2和沟渠3氮磷浓度差异不显著（图2）。蔬菜-水稻种植区施肥量较高，径流中氮磷浓度相应增加，这可能是沟渠1中氮磷浓度最高的主要原因。同时沟渠2不仅接纳居民区未经处理的高氮磷的生活废水，还接纳周边的农田降雨及其灌溉水，而沟渠3仅接受较低施肥量的农田排水，因此氮磷浓度相对较低。

图2 农田排水沟渠各点位氮磷浓度时空分布特征Fig.2 Spatial and temporal distribution of nitrogen and phosphorus concentrations in various farmland drainage ditches

2.3 农田排水沟渠水体氮磷时空分布特征

受大气降水及农田施肥影响，沟渠水体氮磷季节性变化很大。对不同季节沟渠水体中氮磷浓度比较（图2）可知，TP浓度（图2A）冬季明显高于春季和夏秋季节，可能是夏秋两季雨水充沛，径流量大，可以更好地稀释污染物。同时，夏季和春季温度适宜，植物生长旺盛，对沟渠中磷的净化效果较显著。TN（图2B）和NO3--N（图2D）浓度季节分布表现一致，均是春、夏浓度较高，秋、冬较低。可能是这些沟渠主要流经农业耕作区，而夏季是农业施肥的集中时期，随着大量含氮肥料的施用，致使径流中TN浓度较高。另外，由于土壤颗粒和胶体一般带负电荷，在降雨冲刷和水土流失作用下，对NO3--N的吸附作用较弱，农田中的硝酸盐易随径流进入沟渠中，从而导致NO3--N浓度较高［22］。NH4+-N（图2C）浓度则表现为春季明显高于夏秋两季，这主要是春季有利于微生物活动，有机氮可在有氧条件下在转化为NH4+-N，因此NH4+-N浓度较高［23］，这与寇永珍等［24］关于贵州高海拔地区NH4+-N浓度春季低于夏季的研究相反，主要是高海拔地区农业生产时间较巢湖平原地区相对较后。

此外，沿沟渠水流方向，由于农田沟渠自身净化以及植物的吸收，沟渠对水体中氮磷有明显的拦截作用，农田沟渠下游断面氮磷浓度总体呈逐渐降低趋势。从图2可以看出，沟渠1表现为冬季TP浓度显著高于夏、秋两季，而TN、NH4+-N、NO3--N浓度则是春季较高，沟渠2和沟渠3也表现为相似规律。值得注意的是，沟渠2上游断面（S4）冬季TP、TN浓度最高，达到0.1、3.4 mg/L，与秋季相比，TP浓度升高5.9倍、TN浓度升高69.8%，且显著高于沟渠1和沟渠3的上游断面。这可能是沟渠2上游断面主要接纳居民区的生活废水和街道降雨径流，雨季降雨对污水有一定的稀释作用，而冬季枯水季节，高浓度的生活废水直接排入沟渠，此时为作物生长后期，沟渠1及沟渠3则主要接受较低浓度的农田径流，因此沟渠2上游水体中氮磷浓度最高。此外，夏季沟渠2下游断面TP、TN和NO3--N浓度较高，可能是巢湖地区夏季作物施肥期集中在5—6月，导致农田径流中氮磷含量较高。

2.4 圩区入河排水氮磷含量特征

圩区排水通过排灌站排入鸡裕河，鸡裕河入河口距入巢湖口约200 m。通过对排灌站排水（S10）采样分析（表3）可知，圩区排水TP和TN平均浓度分别为0.3、3.8 mg/L，与沟渠水TP、TN平均值0.3、4.2 mg/L相比，TP浓度降低9.4%，TN浓度降低9.2%。

尽管水体混合稀释以及沟渠的净化拦截，致使排灌站排水氮磷浓度有所降低，但与入湖河流鸡裕河河水（S11）相比，圩区排水TP和TN浓度分别高出16%、6.1%。与地表水环境质量标准（GB 3838-2002）比较可知，圩区排水TP超过Ⅳ类水标准，TN含量超过Ⅴ类水标准，巢湖圩区农田氮磷输出风险依然严峻。

表3 入河排水氮磷含量特征Table 3 Characteristics of nitrogen and phosphorus contents in river drainage in polder area

3 讨论

影响农田排水沟渠水体中氮磷含量的因素有很多。首先，不同的水肥条件是影响沟渠系统氮磷含量的主要因素，不同的土地利用方式也会导致沟渠系统接受周边的径流流失和污水强度有所不同［25-27］。本研究结果表明，相同降雨条件下，连接蔬菜种植区的沟渠径流氮磷含量总体上高于居民-稻麦区和稻麦区沟渠，这是由于蔬菜季施肥量较高，在降水过程中，氮磷随地下淋溶和地表径流中向沟渠流失较多。此外，夏季沟渠水体中TN和NO3--N含量较高，而NH4+-N含量较低。这可能是夏季是农业种植的集中时期，雨水充沛，大量氮肥在雨水淋溶和水土流失作用下进入沟渠中，同时NH4+-N在厌氧微生物作用下转化成NO3--N，降雨又一定程度上稀释了NH4+-N浓度，从而导致TN和NO3--N含量升高，NH4+-N含量降低。同时，夏秋季节为丰水期，温度适宜植物生长，对沟渠中磷的净化效果更好，因此沟渠水体中TP含量较冬季低。

其次，植物是沟渠系统的初级生产者之一，既可以直接吸收底泥和水体中的氮、磷等营养物质，氧气还可以通过茎和叶转移到根区，促进根区周围形成微氧环境，为微生物提供适宜的生长环境，能够有效去除水体中氮磷［28-31］。同时受温度和季节影响，沟渠去除氮磷的速率有所差异。夏季温度有利于植物进行光合作用，生长速度加快，对氮磷的净化效果也更加明显。与之相反，冬季气温较低，植物地上部分枯萎凋落，植物体内的氮磷释放进入水体和底泥中，则会导致氮磷浓度升高［14,32］。因此总体上，沿沟渠水流方向，TN、TP浓度逐渐降低。但冬季农田径流中氮磷削减效率较低，且沟渠2中TP、TN浓度最高（S4），这不仅与居民区高氮磷生活污水的大量排放有关，同时冬季沟渠中水生植物凋落，生态化水平较低，从而降低了沟渠对氮磷的截留削减能力［33］。

作为污染物传输的重要通道，沟渠系统不仅影响当地居民的生产生活用水，还会对巢湖水质造成潜在威胁。因此，有必要对巢湖沿岸农田排水沟渠进行整治。一方面，由于农田施肥量较高及生活污水排放使得沟渠水体中氮磷含量较高，因此完善居民区及集镇的基础设施，提高生活污水处理能力；另一方面，自然沟渠植物覆盖度较低，生态化水平不高，对氮磷的净化能力有限，利用水生植物、底泥和微生物的协同作用，构建生态沟渠系统，提高农田沟渠的水质净化能力可作为该区域控制面源污染的研究方向。

4 结论

（1）农田排水沟渠水体NH4+-N和NO3--N平均浓度分别为1.1、1.3 mg/L；TP、TN浓度范围分别为0.1～1.0、1.6～11.6 mg/L，TP平均浓度超过Ⅳ类水质标准，且全部超过水体富营养化标准，TN平均含量是Ⅴ类水质标准的2.1倍。

（2）受降雨强度及农田施肥影响，农田排水沟渠中氮磷时空变化显著。沟渠水体TN和NO3--N春夏两季浓度较高，TP和NH4+-N则是夏秋浓度较低。另土地利用方式对沟渠水体氮磷含量具有显著影响，蔬菜-水稻种植区沟渠水体氮磷含量高于居民-稻麦区和稻麦区沟渠，且整体从上游断面到下游，氮磷浓度逐渐降低，具有一定的拦截效果。

（3）农田圩区排水TP和TN平均浓度分别为0.3、3.8 mg/L，比入湖鸡裕河河水TP和TN分别高出16%、6.1%，农田圩区排水TP浓度超过Ⅳ类水标准，TN浓度超过Ⅴ类水标准，对巢湖水体富营养化的贡献不容忽视。