稻田集中退水期田面水质特征其与土壤养分关系研究

朱载祥，赵朋晓，涂为民，林 枭，李 永，梁瑞峰

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065； 2.中国电建集团 华东勘测设计院有限公司，杭州 310014； 3.四川省环境工程评估中心，成都 610031)

1 前 言

长江流域是我国重要的粮食产区，也因此而面临着农作物生产所引起的大量水体污染问题。长江大保护战略已经上升为国家战略，全面了解长江流域农业灌溉退水污染情况势在必行。

农业面源污染已成为影响我国农村生态环境的主要因素[1]。目前关于农作物种植产生的灌溉退水水质的研究主要集中在田面水中N、P浓度动态变化规律研究和农田排水沟水质研究两个方面。田玉华[2]等人采用田间实验的方法研究发现田面水中总氮(TN)、总磷(TP)和溶解态无机磷(DIP)的浓度在施肥后很快达到峰值，之后迅速下降，后趋于稳定，其变化可以采用指数模型来描述。黄才洪[3]对成都平原砂壤土和重壤土两种土质类型田面水中N、P含量研究发现，砂壤土上，田面水中总氮(TN)质量与施氮量成正相关，在重壤土上，田面水中总氮(TN)质量与施氮量不成线性相关。张水铭[4]认为稻田降雨引起的排水浓度较低，高浓度的排水发生在田间长期积水或水稻生长需要的田间排水。农田排水沟渠是农田流失氮磷进入受纳水体前的运输通道[5]，部分学者对灌区排水沟的水质开展研究。黄仲冬[6]等人对宁夏引黄灌区排水沟水质研究发现，灌区各排水沟都受到了不同程度的污染，大部分排水沟为劣V类水质。

影响农业灌溉退水水质的因素有很多，如自然地理条件、灌溉方式、农药化肥施用方式及数量、灌区水资源管理水平等[7]，其中化肥施用不当导致的土壤污染板结，是灌溉退水水质恶化的主要原因之一[8-9]。眼下各方从不同的角度研究了灌溉退水的水质现状、时空变化规律与影响因素，证明了农业灌溉退水会引起河流水体营养物质浓度升高，水质变差的事实，但是针对退水量大、退水时间集中的集中退水期的田面水质情况及该时期田面水质与田间土壤养分之间的关系研究较少，亟待针对性研究以填补此部分内容的不足。

长江流域主要粮食作物为水稻，所以本文以水稻集中退水期田面水及田间土壤为研究对象，于四川省内的岷江流域、沱江流域与嘉陵江流域等几大长江主要支流流域上布设采样点位并在集中退水期采集田面水样和土样，进行了水质分析并研究了水质浓度与土壤养分含量的关系，有助于全面了解集中退水期农业灌溉回归水的水质特征，为长江流域生态环境保护相关研究与决策提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

沱江为长江上游一级支流，流域内土壤肥沃, 农业发达, 是四川省最主要的粮、油、糖产区。流域内的灌区主要集中在上游的河谷地区、中游的平原地区、下游的丘陵地区, 灌区主要包括成都市的都江堰和金堂、内江市的隆昌、威远等。

岷江为长江上游一级支流，岷江干流中游区土壤肥沃，灌溉条件优越，是四川省粮食主产区之一。流域内灌区主要分布在中游平原区，已建成大型灌区3个：都江堰灌区、通济堰灌区、玉溪河灌区，中型灌区23个；丘陵区的灌区基本为中小型灌区。岷、沱江流域河流的主要超标污染物为总磷和氨氮[10]。

嘉陵江为长江上游一级支流，是汇入三峡水库的最大支流，同时也是三峡库区氮磷污染主要的输入源之一，且嘉陵江由降雨-径流产生的非点源污染比重较大，非点源污染十分严重，对三峡水库水环境安全造成了一定的威胁[11]。

2.2 采样点位布设

根据流域的不同进行划分，在沱江流域及长江流域宜宾泸州段设置了成都市白果镇(C-BG)等14个采样点，在岷江流域设置了眉山市崇仁镇(M-CR)等8个采样点，在嘉陵江流域设置了广元市昭化镇(G-ZH)等16个采样点，共在上述三大流域内布设38个田面水采样点，并在其中的17个采样点同时采集了田面水与土样，采样时均为多稻田多点采样，具体点位见图1。

2.3 监测时间与项目

田面水与土样均于集中退水期进行采样，具体时间为2018年8月4日～8月12日。田面水监测项目包括：化学需氧量(COD)、总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)。依据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，分析方法分别采用：化学需氧量(重铬酸盐法)、总磷(铝酸铵分光光度法)、总氮(碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法)、氨氮(纳氏试剂比色法)。

土样监测项目包括：全氮(TN)、全磷(TP)、有效磷(AP)。分析方法分别为：全氮(硒粉—硫酸铜—硫酸K消煮—蒸馏法)、全磷(氢氧化钠碱熔—钼锑抗比色法)、有效磷(0.05mol/L HCL-0.025 mol/L 1/2H2SO4浸提法)。

图1 采样点位置Fig.1 Location of the sampling sites

为避免混淆，后文进行分析时，对于田面水监测项目统一采用英文缩写：COD、TP、TN、NH3-N来表述，而土样监测项目统一采用中文名称：全氮、全磷、有效磷来表述。

2.4 数据处理与分析

采用EXCEL 2010软件对所有数据进行统计分析与计算，并分析了水质浓度与土壤养分含量的关系。

3 结果与分析

3.1 土壤养分含量分析

通过对所采集土样的全磷、全氮与有效磷含量进行测量，并根据全国第二次土壤普查养分分级标准进行土壤养分分级(表1)。我们可以发现，17处采样点中，全氮情况为：4处采样点土壤全氮含量大于2g/kg，达到“极好”水平，占总数的23.53%；6处采样点土壤全氮含量大于1.5g/kg，达到“好”的水平，占总数的35.29%；所有采样点土壤全氮含量均大于1.0g/kg，达到“中上”水平。全磷情况为：5处采样点土壤全磷含量大于0.6g/kg，达到“中上”水平，占总数的29.41%；14处采样点土壤全磷含量大于0.4g/kg，达到“中下”的水平，占总数的82.35%。由此可见各采样点土壤全磷含量大多处于“中下”，部分处于“缺”的水平。有效磷情况为：1处采样点土壤有效磷含量大于40mg/kg，达到“极好”水平，占总数的5.88%；8处采样点土壤有效磷含量大于20mg/kg，达到“好”的水平，占总数的47.06%；12处采样点土壤有效磷含量大于10mg/kg，达到“中上”的水平，占总数的70.59%。由此可见各采样点土壤有效磷含量大多处于“中上”，部分处于“缺”的水平，甚至达到“极缺”的水平。

表1 土样N、P含量及养分分级Tab.1 Contents of N and P and nutrient classification of soil samples

注：I为极好，Ⅱ为好，Ⅲ为中上，Ⅳ为中下，V为缺，Ⅵ为极缺。

对土样全磷、全氮与有效磷含量测量值做进一步分析(表2)，可以发现全氮的变异系数为23.01%，全磷的变异系数为25.22%，有效磷的变异系数为64.98%，3种土壤养分的变异系数均在10%～100%之间，属于中等变异。其中有效磷的变异系数较高，原因可能是有效磷为速效态养分，而速效态养分由于具有较强的迁移性与较差的稳定性，往往变异系数较大[12]。全氮与全磷变异系数较小，空间分布较为均匀，相对而言较为稳定。

表2 土样N、P含量分析Tab.2 Analysis of N and P contents in soil samples

3.2 田面水质分析

通过对38个采样点位集中退水期田面水的水质进行分析(表3～表5)，可以知道沱江流域及长江流域宜宾泸州段田面水采样点中COD水质浓度低于地表水Ⅲ类水质标准浓度限值的有1个点位，占该流域总点位的7.14%，COD水质浓度低于地表水V类水质标准浓度限值的点位有10个，占总数的71.43%，另有4个点位的COD水质浓度高于地表水V类水质标准浓度限值，占比28.57%；岷江流域田面水采样点中COD水质浓度低于地表水Ⅲ类水质标准浓度限值的有1个点位，占该流域总点位的12.5%，COD水质浓度低于地表水V类水质标准浓度限值的点位有3个，占总数的37.5%，另有5个点位的COD水质浓度高于地表水V类水质标准浓度限值，占比62.5%；嘉陵江流域田面水采样点中COD水质浓度低于地表水Ⅲ类水质标准浓度限值的有2个点位，占该流域总点位的12.5%，COD水质浓度低于地表水V类水质标准浓度限值的点位有10个，占总数的62.5%，另有6个点位的COD水质浓度高于地表水V类水质标准浓度限值，占比37.5%。就COD水质浓度而言，沱江流域及长江流域宜宾泸州段的田面水水质最好，嘉陵江流域田面水水质较好，岷江流域田面水水质最差。三大流域的田面水COD水质浓度普遍高于地表水Ⅲ类水质标准浓度限值，且嘉陵江与岷江流域有较多点位的田面水为COD水质浓度高于地表水V类水质标准浓度限值，COD污染情况较为严重，将对河流水环境安全造成一定威胁。

表3 田面水水质浓度中值与均值分析Tab.3 Median and mean analysis of soil surface water quality (mg/L)

表4 田面水水质浓度区间范围Tab.4 Concentration range of soil surface water (mg/L)

表5 田面水质浓度低于各类地表水质浓度限值点位数统计Tab.5 Number of points where the water quality is below the water concentration limit

注：表内数字含义为水质浓度低于Ⅲ类水质浓度限值的采样点数，高于Ⅲ类但低于V类水质浓度限值的采样点数，高于V类类水质浓度限值的采样点数。

沱江流域及长江流域宜宾泸州段田面水采样点中TP水质浓度低于地表水Ⅲ类水质标准浓度限值的有11个点位，占该流域总点位的78.57%，所有点位的TP水质浓度均低于地表水V类水质标准浓度限值；岷江流域所有田面水采样点中TP水质浓度均低于地表水Ⅲ类水质标准浓度限值；嘉陵江流域田面水采样点中TP水质浓度低于地表水Ⅲ类水质标准浓度限值的有15个点位，占该流域总点位的93.75%，所有点位的TP水质浓度均低于地表水V类水质标准浓度限值。就TP水质浓度而言，上述三大流域的水质均较好，TP水质浓度基本均低于地表水Ⅲ类水质标准浓度限值，其中岷江流域田面水水质最好，嘉陵江流域次之，沱江流域及长江流域宜宾泸州段相对来说最差。

沱江流域及长江流域宜宾泸州段田面水采样点中没有点位的TN水质浓度低于地表水Ⅲ类水质标准浓度限值，TN水质浓度低于地表水V类水质标准浓度限值的点位有8个，占总数的57.14%，另有6个点位的TN水质浓度高于地表水V类水质标准浓度限值，占比42.86%；岷江流域田面水采样点中TN水质浓度低于地表水Ⅲ类水质标准浓度限值的有1个点位，占该流域总点位的12.5%，TN水质浓度低于地表水V类水质标准浓度限值的点位有4个，占总数的50%，另有4个点位TN水质浓度高于地表水V类水质标准浓度限值，占比50%；嘉陵江流域田面水采样点中TN水质浓度低于地表水Ⅲ类水质标准浓度限值的有8个点位，占该流域总点位的50%，TN水质浓度低于地表水V类水质标准浓度限值的点位有12个，占总数的75，另有4个点位TN水质浓度高于地表水V类水质标准浓度限值，占比25%。就TN水质浓度而言，嘉陵江流域的田面水水质最好，沱江流域及长江流域宜宾泸州段田面水水质较好，岷江流域田面水水质最差。沱江流域及长江流域宜宾泸州段与岷江流域的TN污染较为严重，所取田面水样的TN水质浓度基本均高于地表水Ⅲ类水质标准浓度限值，且有较多点位的TN水质浓度高于地表水V类水质标准浓度限值，嘉陵江流域也有一部分点位的TN水质浓度高于地表水V类水质标准浓度限值。

沱江流域及长江流域宜宾泸州段田面水采样点中NH3-N水质浓度低于地表水Ⅲ类水质标准浓度限值的有10个点位，占该流域总点位的71.43%，所有点位NH3-N水质浓度均低于地表水V类水质标准浓度限值；岷江流域田面水采样点中NH3-N水质浓度低于地表水Ⅲ类水质标准浓度限值的有7个点位，占该流域总点位的87.5%，所有点位NH3-N水质浓度均低于地表水V类水质标准浓度限值；嘉陵江流域田面水采样点中NH3-N水质浓度低于地表水Ⅲ类水质标准浓度限值的有13个点位，占该流域总点位的81.25%，NH3-N水质浓度低于地表水V类水质标准浓度限值的点位有15个，占总数的93.75%，另有1个点位的NH3-N水质浓度高于地表水V类水质标准浓度限值，占比6.25%。就NH3-N水质浓度而言，上述三大流域的水质均较好，大多数点位的NH3-N水质浓度低于或接近地表水Ⅲ类水质标准浓度限值，其中岷江流域的田面水水质最好，嘉陵江流域田面水水质次之，沱江流域及长江流域宜宾泸州段田面水水质相对而言最差。

4 讨 论

4.1 田面水质浓度与土壤养分含量变化趋势分析

通过对采样点集中退水期的田面水水质浓度与土壤养分含量变化趋势进行分析(图2)，可以发现集中退水期的田面水TP浓度随该地区土壤有效磷含量的增大而增大，呈显著的线性关系；田面水TN与NH3-N浓度随该地区土壤全氮含量的增大而增大，均呈显著的线性关系；而田面水TP浓度与该地区土壤全磷含量总体上呈正相关，但相关性较弱，规律不明显，其原因可能是由于数据量的局限导致相应规律未能明显呈现。

图2 水质浓度与土壤养分含量的关系Fig.2 Relationship between water quality concentration and soil nutrient content

4.2 影响土壤养分含量的因素分析

影响土壤养分含量的因素有许多，包括土地的侵蚀情况、施肥情况、扰动情况等，其中土地侵蚀与施肥情况的影响尤为突出[13]。土壤侵蚀的情况很大程度上受到土地坡度影响[14]。土地天然坡度的不同难以于后天进行大规模改造以达到控制土壤养分含量的目的，而施肥情况易于进行人为科学调控，且施肥情况的不合理是导致土壤污染问题进一步加剧的重要因素[15]，所以对农业生产进行科学的施肥方案研究与指导是解决土壤污染问题的一个重要方向。

4.3 灌溉退水污染控制讨论

由上文的分析我们可以知道集中退水期时稻田田面水的TP、TN与NH3-N水质浓度与土壤相应养分含量呈显著线性关系，而施肥情况的不合理是导致土壤污染问题进一步加剧的重要因素，所以制定科学的施肥方案并大力推广，提高化肥利用率，有助于降低集中退水期田面水的水质浓度，减少农业面源污染的排放。做到源头控制。同时通过建设生态拦截与湿地净化工程，可以将灌区集中退水期的灌溉退水进行蓄滞净化，使灌溉退水水质得到恢复，用于再次灌溉或排入自然河流，达到节水与污染控制目的。

5 结 论

根据本文所取土样与田面水样分析结果，上述3大流域田间土壤全氮、全磷、有效磷的空间分布不均匀性均属于中等变异，其中有效磷的变异系数最高全氮与全磷变异系数较小，空间分布较为均匀，相对而言较为稳定。

以单因子进行评价，上述3大流域采样点集中退水期稻田田面水的COD水质浓度较高，水质较差，相比而言岷江流域田面水COD水质浓度最高，嘉陵江流域次之，沱江流域及长江流域宜宾泸州段最低；TN水质浓度较高，水质较差，相对而言，岷江流域田面水TN水质浓度最大，沱江流域及长江流域宜宾泸州段次之，嘉陵江流域最小；TP与NH3-N水质浓度较小，水质较好，相比而言沱江流域及长江流域宜宾泸州段田面水TP与NH3-N水质浓度最大，嘉陵江流域次之，岷江流域最小。

稻田集中退水期田面水TP浓度与该地区土壤有效磷含量呈显著的正向线性关系；田面水TN与NH3-N浓度均与该地区土壤全氮含量呈显著的正向线性关系；而田面水TP浓度与该地区土壤全磷含量总体上呈正相关，但相关性较弱，规律不明显，其原因可能是由于数据量的局限导致相应规律未能明显呈现。