江汉平原典型小区域沟渠底泥氮磷含量及其空间变异

聂玉莲，熊桂云，刘冬碧，黄 敏，范先鹏，吴茂前，夏 颖，刘 毅

（1.武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉 430070；2.湖北省农业科学院植保土肥研究所∕湖北省农业面源污染防治工程技术研究中心∕国家农业环境潜江观测实验站∕农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室，武汉 430064；3.中蓝连海设计研究院，上海 201204；4.中国科学院武汉植物园，武汉 430074）

近十余年来，随着政府对污染问题的重视，工业废水和城市生活污水等点源污染得到有效控制，农村面源污染已经取代点源污染成为水环境污染的最重要来源［1，2］。在广袤的农村地区，由于生产方式粗放、居民环保意识不强等问题，农业生产和居民生活中所产生的大量污染物（主要包括农田尾水、养殖污水、生活垃圾和生活污水等）直接或间接排放到沟渠中，严重影响沟渠水质。氮、磷等元素由于长期积累，蓄积在沟渠底泥中，造成底泥营养盐含量过高［3-6］；在一定条件下，底泥又可以向上覆水体释放氮、磷等各种污染物［7-9］。农村沟渠系统与河流、湖泊等水体相连，是农村生活污水和农业生态系统中的污染物质向外界迁移的重要通道［10］，它既是上游农田面源污染的汇，又是下游水体（河流、湖泊等）污染物的源［11］，在源、汇功能的识别与转换中扮演着重要角色。目前，中国对于河流、湖泊、水库等水体底泥的氮、磷营养物质积累特征已有较多研究，如梁止水等［12］于2012年研究了南淝河底泥中氮磷累积状况和空间分布规律，表明总氮、总磷含量随深度增加而减少；张敏等［13］在2009年对三峡水库香溪河库湾底泥中氮、磷的时空分布进行了研究，结果表明，总氮含量存在明显的空间和时间分布规律，总磷含量的空间规律明显，但季节变化不显著。前人对底泥的研究主要集中在河流、湖泊等水体，对农田沟渠及其输移路径沟渠底泥也有报道［9］，但对江汉平原稻区沟渠底泥的监测未见报道。

本研究以江汉平原水网农区一个典型小区域为研究对象，探讨沟渠底泥中不同形态氮、磷赋存特征、空间变异及其主要影响因素，为准确识别农村污染源，有针对性地制定农村地区面源污染防治措施、防控地表水体富营养化提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于湖北省潜江市浩口镇柳洲村（东经112°37"，北纬30°22"），处于汉江平原腹地，为亚热带湿润季风气候，年均气温16.1 ℃，年均降雨量1 100 mm［14］。区域内沟渠纵横，水系发达，为典型的南方水网农区。在柳洲村选择由袁家沟（支渠）、公路河（支渠）、芦车墩沟（斗渠）和二五横沟（斗渠）4 条排灌渠自然围成的小区域作为监测区，面积71.6 hm2。区域内水的自然流向是自北向南、从东往西，当雨季水量过多时，多余的水经袁家沟支渠北部泵站抽入西荆河。小区域内以水稻种植为主，北部地势较高的位置种植棉花，冬季作物以小麦为主。区域内东侧为居民集中住宅区，北侧有2 个鱼塘，二五横沟和芦车墩沟还分别有1 户散户，南侧公路河与318 国道平行（图1）。

图1 研究区域及底泥采样点分布

1.2 沟渠底泥采样和制备方法

根据每条渠道的复杂程度、区域内作物种植情况和田间沟渠分布情况，在小区域外围4 条排灌渠道（支渠和斗渠）和田间沟渠（毛沟和农沟）共采集36 个底泥样品，其中，田间排灌沟有9 个样品、斗渠和支渠分别有11 和16 个样品，采样时间为2013年3月下旬。采集底泥时，以确定的监测点为中心，在其前后3 m 范围内均匀采集5～6 个0～10 cm 底泥样点组成混合样品，尽量使每个点所取的底泥量基本一致，同时记录沟渠上沿宽度和水层深度，调查采样点可能的污染来源。将样品置于干净的密封袋中，及时带回实验室，倾斜放置在干净磁盘中稍沥干底泥明水，挑出碎石子等杂质，充分混匀后分成2 份，一份为鲜样，分析水分、可溶性总氮、硝态氮和铵态氮含量；另一份自然风干后过20 目筛，测定pH、Olsen-磷和水溶性磷，再选择部分样品过100 目筛，分析有机质、全氮和全磷的含量。

1.3 样品分析与数据处理

鲜土样用0.01 mol∕L CaCl2溶液浸提，碱性过硫酸钾消煮-紫外分光光度法测定可溶性总氮，紫外分光光度法直接测定硝态氮，靛酚蓝比色法测定铵态氮，可溶性有机氮=可溶性总氮-（硝态氮+铵态氮），用重量法测定底泥的含水率，不同形态氮的含量均以干基表示［15］。干土样用复合电极法测定pH，25 ℃去离子水以10∶1 水土比提取、钼锑抗比色法测定水溶性磷，0.5 mol∕L NaHCO3溶液提取、钼锑抗比色法测定Olsen-磷，浓硫酸消煮、半微量开氏法测定全氮，用硫酸消煮、钼锑抗比色法测定全磷，重铬酸钾氧化-外加热滴定法测定有机质［16］。

数据分析采用Microsoft Office Excel 2010，空间分布采用Arc GIS 10.2，相关性分析采用Spearman矩阵法进行。

2 结果与分析

2.1 沟渠底泥的属性及不同形态氮、磷含量分析

2.1.1 沟渠信息及底泥的基本属性 从图1 和表1可以看出，小区域内农田排灌沟纵横交错、长度较短、水面较窄，上沿宽度一般为1.5～4.0 m；斗渠和支渠相对较长、水面较宽，上沿宽度分别为8.5～10.0 m和9.5～15.0 m。农田排灌沟、斗渠和支渠的水位深度分别平均为11.4、34.6、37.5 cm，沟渠越接近农田起始端，不同点位的水深受季节性变化的影响越大。不同点位底泥基本属性结果（表1）表明，农田排灌沟、斗渠和支渠底泥水分含量平均分别为33.4%、37.1% 和37.1%，变异系数为14.1%～23.2%，且农田排灌沟小于斗渠和支渠；农田排灌沟、斗渠和支渠底泥pH 平均分别为7.47、7.17 和7.50，不同样点间变异较小，为中性到弱碱性；农田排灌沟、斗渠和支渠底泥有机质含量平均分别为14.9、16.1、14.6 g∕kg，斗渠较高，农田排灌沟和支渠相对较低，不同样点间变异系数表现为斗渠>支渠>农田排灌沟。

2.1.2 底泥不同形态氮素含量及其相关关系 从表2 可以看出，农田排灌沟、斗渠和支渠底泥全氮的平均含量分别为1.75、1.98、1.63 g∕kg，即斗渠较高，农田排灌沟和支渠相对较低，样点间的变异系数表现为支渠>斗渠>农田排灌沟；农田排灌沟、斗渠和支渠底泥可溶性总氮平均含量分别为37.5、83.8、49.7 mg∕kg，铵态氮平均含量分别为28.0、67.9、40.4 mg∕kg，硝态氮平均含量分别为5.05、7.23、6.57 mg∕kg，其含量和样点间变异系数的大小均表现为斗渠>支渠>农田排灌沟；农田排灌沟、斗渠和支渠底泥可溶性有机氮平均含量分别为4.48、8.70、2.72 mg∕kg，即斗渠>农田排灌沟>支渠。进一步分析结果表明，在可溶性总氮中，无机氮占88.1%～94.5%，同时无机氮又以铵态氮为主，其占比为无机氮的84.7%～90.4%，且表现为斗渠>支渠>农田排灌沟；可溶性有机氮含量为2.72～8.70 mg∕kg，仅占可溶性总氮的5.5% ～11.9%，占比大小表现为农田排灌沟（11.9%）>斗渠（10.4%）>支渠（5.5%）。

表1 不同类型沟渠信息及底泥基本属性

表2 沟渠底泥中不同形态氮素含量特征统计值

利用Spearman 矩阵法分析了底泥中有机质、全氮、可溶性总氮、铵态氮和硝态氮之间的相关关系，结果（表3）表明，在α=0.01 水平，有机质与全氮、可溶性总氮和铵态氮相互之间均呈极显著正相关（n=36，r=0.418），以铵态氮与可溶性总氮、全氮与有机质之间的相关系数最高，均在0.890 0 以上。张绪美等［17］在研究太仓市土壤有机质与全氮含量关系时发现，土壤有机质与全氮的相关系数可达0.900 0；王志齐等［18］指出，底泥中的氮素主要来自有机质的矿化分解，有机质在特定的条件和土壤微生物的作用下，会向全氮转化。一般来讲，土壤中可溶性总氮仅占全氮含量的1.29%～10.01%［10］，本研究中底泥可溶性总氮仅占全氮含量的1.01%～7.07%，但可溶性总氮是底泥氮素中最活跃的部分，它不断地在底泥-水界面发生着迁移和转化［19］，在淹水还原条件下，其主要成分为铵态氮，铵态氮与可溶性总氮的相关性系数为0.985 7。宋金明等［20］认为，底泥中硝态氮主要来自于上覆水，并受到上覆水中硝态氮含量和分布的影响，故硝态氮与底泥全氮的相关性较差。本研究中硝态氮与可溶性总氮之间的相关系数也达0.575 4，说明在沟渠底泥环境中，当可溶性总氮含量较高时，硝态氮含量也较高。

表3 沟渠底泥有机质和不同形态氮之间的相关系数

2.1.3 底泥不同形态磷素含量及其相关关系 由表4 可以看出，农田排灌沟、斗渠和支渠底泥中全磷的平均含量分别为0.58、0.58、0.65 g∕kg，Olsen-磷平均含量分别为22.7、22.3、36.4 mg∕kg，两者变化趋势一致，即支渠全磷和Olsen-磷含量及其变异系数较高，斗渠和农田排灌沟全磷和Olsen-磷含量较小；水溶性磷的平均含量分别为0.40、0.31、0.42 mg∕kg，农田排灌沟底泥中水溶性磷的含量与支渠相差不大，而斗渠中含量最小，变异系数表现为支渠>斗渠>农田排灌沟。进一步分析表明，全磷中，Olsen-磷占比为2.6%～10.1%，且占比大小表现为支渠>农田排灌沟>斗渠；在Olsen-磷中，水溶性磷占比为0.5%～3.7%，占比大小表现为农田排灌沟>斗渠>支渠。

表4 沟渠底泥中不同形态磷素含量特征统计

底泥中有机质、全磷、Olsen-磷和水溶性磷的相关性见表5，在α=0.01 水平，有机质与全磷、全磷与Olsen-磷、全磷与水溶性磷以及Olsen-磷与水溶性磷相互之间均呈显著正相关（n=36，r=0.418），尤其是全磷与Olsen-磷相关系数最高，达0.931 7。Ri⁃beiro 等［21］和Ingall 等［22］研究指出，有机质是磷元素的重要载体，特别是有机磷与有机质的生物地球化学循环关系密切。陆海明等［23］认为，土壤全磷含量主要受土壤母质、气候等因素的影响，土壤有机质在微生物的作用下进行物质转化与循环，也伴随着全磷的变化。此外，全磷、Olsen-磷和水溶性磷三者之间的相关分析结果表明，底泥中全磷含量增加的同时，其Olsen-磷和水溶性磷的含量也相应增加，向外界水环境中释放磷的风险也随之增加。全磷与Olsen-磷的相关系数大于全磷与水溶性磷的相关系数，这与金相灿等［24］对巢湖城区洗耳池底泥的研究以及罗春燕等［10］对嘉兴农村沟渠底泥的研究结果一致。

表5 沟渠底泥有机质和不同形态磷之间的相关系数

2.2 GIS 支持下底泥不同形态氮、磷含量空间变异特征

2.2.1 不同形态氮含量的空间变异特征 在GIS 支

持下得到底泥不同形态氮素含量空间分布，每个指标均分为低、较低、中、较高和高共5 个级别（图2）。从图2a 可以看出，沟渠底泥全氮含量有2 个明显较高的地段，一是小区域东南角2 条支渠的交界处附近，连续4 个样点的全氮含量处在2 个高值级别，即1.77～2.83 g∕kg，且紧靠这4 个样点的2 个样点，其全氮含量也处于中值级别；二是从小区域西北角斗渠及向南沿线，8 个样点中有7 个样点（含农田排灌沟2 个点）的全氮含量处于2 个高值级别；小区域支渠和斗渠沿线的其余地段，底泥全氮含量均处于中值级别及以下（个别除外）。整体上来看，斗渠底泥全氮含量较高，11 个样点中分别有4 个、1 个、2 个和4个样点分布于较低至高4 个级别；农田排灌沟次之，9 个样点中分别有2 个、3 个和4 个样点处于较低至较高3 个级别；支渠相对较低，16 个样点中分别有1个、8 个、3 个、1 个和3 个样点分布于低至高5 个级别，表明支渠不同样点间变异较大，空间分异明显。

图2a 至图2d 表明，可溶性总氮和铵态氮的空间分布规律基本一致，且与全氮有所不同，一是小区域东南角未表现为明显的高值地段，二是农田排灌沟的样点基本处于中值以下并以低值为主。硝态氮含量的空间分布与可溶性总氮基本一致，不同的是支渠和斗渠较高级别样点数较少。整体上来看，可溶性总氮、铵态氮和硝态氮含量及其空间变异表现为斗渠较高、支渠次之、农田排灌沟最小。

图2 小区域沟渠底泥不同形态氮素含量空间分布

2.2.2 不同形态磷含量的空间变异 GIS 支持下小区域底泥中不同形态磷素含量空间分布如图3 所示。与氮素类似，各指标也分为低、较低、中、较高和高5 个级别。从图3a 可以看出，底泥全磷含量高值比较集中地出现在小区域东南角2 条支渠的交界处附近，有4 个样点处于较高值至高值级别，即0.70～1.30 g∕kg，且在这4 个较高值至高值级别样点附近，还有3 个样点全磷含量处于中值级别；此外，在2 条斗渠中，各有1 个样点全磷含量处于较高值级别，即0.70～0.86 g∕kg，在2 条斗渠交界处，有1 个样点为中值级别；小区域支渠和斗渠沿线的其余地段，底泥全磷含量均处于中值及以下级别。在支渠16 个样点中，分别有3 个、6 个、3 个、3 个和1 个分布于低至高5 个级别，斗渠11 个样点中分别有3 个、3 个、3个和2 个分布于低至较高4 个级别，农田排灌沟9个样点中分别有1 个、3 个和5 个分布于低至中3个级别。由此可见，支渠底泥全磷含量较高，斗渠次之，农田排灌沟最低，且农田排灌沟全磷的空间变异较小，支渠不同样点间变异较大，空间变异明显。

图3 小区域沟渠底泥不同形态磷素含量空间分布

从图3a 至图3c 可以看出，Olsen-磷与全磷的空间分布基本一致，而水溶性磷与二者有所差异，2条斗渠样点中水溶性磷含量均处于中值及以下级别，农田排灌沟分别有4 个、4 个和1 个样点处于较低至较高级别，含量相对斗渠较高。从整体来看，支渠样点Olsen-磷和水溶性磷的含量最高，空间变异也最大。

2.2.3 氮、磷含量空间变异性的主要影响因素 底泥中全氮、可溶性总氮、铵态氮和硝态氮的平均含量均为斗渠最高。现场调查表明，斗渠附近有2 个鱼塘，在渔业养殖过程中向养殖水体中投入大量的饲料和鱼药，而鱼塘又不定期地向外排放养殖污水。研究表明，鱼塘系统中饲料氮素仅13.9% 转化为养殖产品，13.4% 沉积于底泥，水体及损失部分占72.7%；饲料输入的磷素25.4% 转化为养殖产品，28.9% 沉积于底泥，45.7% 汇集于水体［25］。鱼类摄食的饲料中，仅有31.9% 的氮转化为鱼体组织，其余68.1% 的氮随着排泄物重新进入到水环境中（表现为氨、尿素、尿酸）［26］。由此可见，养殖污水中往往存在较高浓度的氮和磷，这些含氮、磷的养殖污水就近排放到沟渠中，氮、磷元素尤其是颗粒态氮和磷往往就近沉淀，长时间积累造成底泥各形态氮、磷含量升高。

小区域东南角支渠附近均表现为全氮、全磷、Olsen-磷和水溶性磷的高值区，经现场调查发现，该支渠两侧为密集的居民住宅区，居民日常生活污水通过管道直接排进渠中，渠道边还形成了点状的生活垃圾堆放点，堆放的生活垃圾在雨水的冲刷下向渠道聚积，除一部分随水迁移之外，还有一部分向下沉淀，日积月累逐渐提高了底泥中氮、磷的含量。据文献报道，湖北省农村生活污水主要是洗衣、洗浴废水、厨房洗涤及冲厕废水，生活污水中总磷含量明显超过城镇污水处理厂排放二级标准（GB18918—2002）［27］，因农村生活垃圾露天堆放产生的垃圾渗出液以及对农村生活垃圾中的有机物和植物进行生物处理产生的营养盐和有机污染物，已经成为农村面源污染的重要来源［28，29］。农村生活污水和生活垃圾的随意堆放使得靠近居民生活区地段的底泥中各形态磷含量明显高于研究区域内的其他沟渠地段。此外，农田排灌沟作为灌溉水和农田尾水的流经渠道，田块中未被吸收的肥料随农田尾水进入到排灌沟中，长期积累下导致农田排灌沟中水溶性磷的含量也较高。

综上所述，沟渠底泥氮、磷含量主要在小区域东南角居民住宅区和西北角鱼塘附近呈现高值，说明该区域沟渠底泥氮、磷含量除受到土壤母质等自然条件的影响外，还受到含氮、磷的生活污水、生活垃圾以及鱼塘排污的影响。因此，为净化乡村环境，需提高居民环保意识，减少含磷洗涤剂的使用，加强垃圾分类与回收，避免垃圾露天堆放，同时也需要规范渔业养殖场的操作流程，提高饲料的利用率，合理进行排污。

3 小结

在江汉平原典型小区域36 个沟渠底泥样中，pH 平均为7.38，含水率平均为35.9%，有机质平均含量为15.2 g∕kg。底泥全氮含量为0.7～2.9 g∕kg，平均值为1.79 g∕kg。其中，可溶性总氮含量为17～166 mg∕kg，可溶性无机氮占可溶性总氮比例为88.1%～94.5%；同时可溶性无机氮又以铵态氮为主，后者占前者的84.7%～90.4%。底泥全磷含量为0.4～1.3 g∕kg，平均值为0.60 g∕kg；Olsen-磷的含量为10.2～131.7 mg∕kg，占全磷的2.6%～10.1%；水溶性磷的含量为0.2～0.8 mg∕kg，占Olsen-磷的0.5%～3.7%。在α=0.01 水平，底泥中全氮、可溶性总氮和铵氮之间，以及全磷、Olsen-磷和水溶性磷之间两两呈极显著正相关。各形态氮的平均含量均以斗渠最高，全磷、Olsen-磷和水溶性磷在靠近居民生活区的支渠出现最高值，说明渔业养殖排污、居民日常生活排放的含磷污水以及垃圾露天堆放产生的渗出液是影响底泥氮、磷含量的主要因素。