漓江上游金龟河试区氮磷浓度时空差异性分析

2021-08-07张振宇代俊峰谢晓琳万祖鹏徐保利代俊鸽潘林艳

中国农村水利水电 2021年7期

张振宇，代俊峰，谢晓琳，万祖鹏，徐保利，代俊鸽，潘林艳

（1.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林541004；2.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；3.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；4.桂林理工大学地球科学学院，广西桂林541004）

面源污染与点源污染相比，具有随机性、复杂性和不确定性等特点，是水环境研究的热点和难点［1-3］。我国农业面源污染主要由于农药、化肥的流失和畜禽养殖粪便排放等因素造成。目前，我国化肥过量使用现象比较普遍，其中氮磷化肥利用率分别只有10.8%～40.5%和15.0%～20.0%［4］。畜禽养殖在舒缓人口激增而带来的畜禽产品供需矛盾的同时，也成为农业面源污染的最主要来源之一［5］。

漓江是世界著名风景游览城市桂林的“母亲河”，是“桂林山水”之魂，2013年被评为全球15 条最美河流之一［6］。漓江流域的面源污染逐渐引起了人们的关注，一些学者从土地利用类型［7］、土壤底泥［8］和水肥管理［9］等角度对漓江流域上游面源污染氮磷排放规律进行了研究；杨丽雅等［10］基于SWAT 模型对漓江小流域的非点源污染进行分析，并提出削减策略；谢晓琳等［11］分析了漓江中上游典型岩溶区会仙湿地的氮磷浓度时空特征。

金龟河是漓江上游青狮潭灌区西干渠的支渠，最终汇入漓江的支流桃花江。金龟河试区是漓江上游具有典型代表性的农业区域，区域内以水稻、柑橘等种植业以及禽畜和水产等养殖业为主，农业面源污染排放形势严峻，对桃花江的水质产生影响，进而影响漓江的水质。基于前人研究的基础上，本文选取漓江流域上游非岩溶区典型农业区域-金龟河试区为研究区域，通过野外定点监测和实验分析的方法，对金龟河试区的总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）、总磷（TP）等指标进行分析，根据2017-2018年的监测数据分析金龟河试区氮磷等污染物的空间分布特点和季节差异性规律，以期丰富漓江流域农业面源污染的研究，为管理决策提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

金龟河试区位于广西壮族自治区桂林市临桂区，经纬度范围在25°17'～25°22'N，110°09'～110°14'E 之间。金龟河上游连接金灵水库和田边水库，下游汇入桃花江（图1）。金龟河是青狮潭灌区西干渠的支渠，为灌区小型河流，河流总长13.8 km，河宽在3～10 m，水深在1 m 左右，流域面积为27.95 km2，范围涉及天华村、下桥村和江头村等。试区内气候温和湿润，雨量充沛，年降雨量约1 800 mm，雨季一般为每年4-9月，其降雨量约占全年降雨量的75%～80%；年平均气温在20 ℃左右，属典型亚热带季风气候。该区域土壤主要为红壤，偏酸性，富铝化强烈。

图1 金龟河试区区位图Fig.1 Location of Jingui River pilot area

1.2 采样点布设

在综合考虑金龟河试区子流域划分、支干流水力联系以及不同土地利用类型等因素的基础上，结合野外实际情况和具体可操作性，布设了15 个采样点（图2）。包括金龟河干流、上游西侧鱼塘支流以及下游东侧养殖场排水支流。

金龟河干流布设了7 个采样点，上游至下游沿程编号为G1～G7（图2）。以两条支流的汇入断面作为分界，将干流分为上游G1～G3，中游G4～G6，下游G7。其中，G1 为西干渠补给金龟河的入水口；G2和G3周边主要为稻田；G4、G5周边主要为以柑橘树为主的果林；G6至下游周边主要为稻田；G7为流域总出水口。上游西侧鱼塘排水支流的采样点自上而下分别为鱼塘进水口Y1、鱼塘水Y2 和鱼塘出水口Y3。下游东侧养殖场排水支流的采样点编号为X1～X5，其中，X1 上游约200 m 处为以鸭子等为主的禽类养殖场；X2位于人工沟渠，右侧为村庄，左侧为农田；X3 位于农田间灌溉沟渠，两侧皆为农田；X4 为水流汇合处，其下游约250 m 处为金龟河干流。X5 为养殖场西南侧约200 m 处的居民饮用压水井，地下水位埋深约3～4 m，考虑到养殖废水排放可能影响到饮用水质量，故设此监测点。

图2 金龟河试区土地利用及采样点分布图Fig.2 Distribution of land use and sampling points in Jingui River pilot area

1.3 水质监测和数据来源

本实验采用野外采样和室内实验的方法。采样时间为2017年1月-2018年12月，共两年，每月采样一次。野外采样方式参考《地表水和污水监测技术规范》（HJ/T 91-2002），并根据野外实际情况进行操作。地表水采样时用棕色玻璃瓶采取混合水样，密封保存；地下水监测点为居民饮水压水井，直接压取井水，密封保存。水样带回实验室冷藏，并在24 h 内测定完毕，共4项指标，分别为总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）和总磷（TP）。总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，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，总磷采用过硫酸钾消解-钼蓝比色-紫外可见分光光度法测定。

2 金龟河试区氮磷浓度空间差异性分析

2.1 氮素浓度空间分布和差异分析

（1）干流氮素浓度的空间变化。从两年的数据（图3）分析结果来看，总体上金龟河干流总氮的年平均浓度沿程呈现波动式上升的趋势。硝态氮的平均浓度沿程变化平稳，总氮的平均浓度主要随氨氮平均浓度增加而增加。上游G1～G3 周围主要为农田，总氮的年平均浓度变化整体较为平稳。随着鱼塘排水支流水的汇入，相比G3，G4 总氮的年平均浓度明显升高，2017和2018年分别升高了25%和64%。中游G4～G6 周围主要为果林，两年的数据分析结果显示中游的总氮的年平均浓度整体沿程变化平稳，无明显升高趋势，甚至在2017年还出现了一定程度的降低。下游从G6 到G7，是整个干流总氮平均浓度上升幅度最大的河段，主要原因是下游养殖场排水支流的汇入。

图3 金龟河干流两年氮素浓度空间变化图Fig.3 Spatial variation of nitrogen concentration in the main stream of Jingui River in two years

（2）支流氮素浓度的空间变化。金龟河支流两年氮素平均浓度空间变化如见图4。上游鱼塘排水支流Y2 总氮的年平均浓度比Y1 升高了2.0 倍（2017年）和2.6 倍（2018年）。与Y2 相比，Y3总氮的年平均浓度在2017年无明显变化，在2018年因鱼塘水总氮年平均浓度较高，出现一定程度的消减。

图4 金龟河支流两年氮素平均浓度空间变化图Fig.4 Spatial variation of nitrogen concentration in tributaries of Jingui River in two years

下游养殖场支流中，X1 点因位于养殖场出水口，为整个流域氮磷污染最严重的监测点，2017年和2018年该点的总氮年平均浓度分别为24.20 和21.96 mg/L，是整个研究区内所有监测点平均浓度的近10 倍。从X1 到X3，总氮的年平均浓度整体呈消减的趋势，2017年和2018年分别消减了72.0%和39.3%；消减程度的不同主要是受当年降雨量以及支流流量的影响［12］。

（3）干流上中下游氮素浓度的空间差异性分析。采用数据分析软件SPSS 中的独立样本T检验的方法分析上中下游总氮、氨氮和硝态氮浓度的空间差异是否具有显著性［13］，分析结果如表1所示。

表1 金龟河上中下游氮素浓度的差异性分析Tab.1 Difference analysis of nitrogen concentration in upper，middle and lower reaches of Jingui River

从均值来看，干流总氮的年平均浓度在上、中、下游都是沿程升高的，尤其在中游至下游河段上升更快；从显著性差异来看，总氮和氨氮浓度在不同河段的差异性显著水平都小于0.05，差异性显著。硝态氮的年平均浓度在上、中、下游出现了沿程先降低，后增加的趋势；从显著性差异来看，硝态氮浓度只在中游与下游之间存在显著性差异。

2.2 不同类型监测点氮素形态特点分析

为进一步分析氨氮和硝态氮的空间分布差异，选取四种不同土地利用类型控制下的监测点G3、G6、X1和Y2，和地下水X5以及总出水口G7两个特殊监测点为研究对象，对这6个不同类型监测点中氨氮与总氮以及硝态氮与总氮的相关性进行分析［14］。分析结果见表2。

表2 不同类型监测点氮素形态相关性分析Tab.2 Correlation Analysis of nitrogen forms in different monitoring sites

在G3（稻田）、G6（果林）、X1（养殖场）、Y2（鱼塘）4 种不同土地利用类型下的监测点，氨氮与总氮的相关性均显著，总体表现为养殖场＞稻田＞鱼塘＞果林。G3 硝态氮与总氮相关性极高，而果林、养殖场、鱼塘下垫面下硝态氮与总氮相关性不显著。说明在稻田控制区内，氨氮与硝态氮共同影响着总氮浓度的变化［15］。而在另外3种下垫面下，氮素的形态以氨氮为主，硝态氮对总氮的影响较小，尤其在X1总氮和氨氮相关系数0.981，相关性极高。在地下水中，硝态氮与总氮相关系数为0.714，相关性极显著，说明在地下水中，氮素主要以硝态氮的形式存在［16］。在流域总出水口，氨氮与总氮的相关性极显著，说明在流域出水口仍受养殖场影响较大。养殖场禽类粪便中有机物极不稳定，排放大量的氨氮，对下游地表水体产生严重的影响，同时地表水中的氨氮在进入地下水的过程中又容易氧化成硝态氮。

2.3 总磷浓度空间分布和差异性分析

金龟河试区干支流总磷浓度的时空变化如图5所示。从两年的数据分析来看，总体上金龟河干流总磷的年平均浓度沿程先上升后下降。两个峰值点分别为G4 和G7，点也是两条支流汇入后的监测点。上游从G1到G3段，周围主要为农田，受到农田施肥等面源污染，总磷浓度沿程稳定、平缓地上升。在G4点，由于鱼塘支流的汇入达到了一个峰值。在G4～G6 段，总磷浓度在两年有不同程度的消减。下游G6～G7段，是整个干流中总磷浓度上升最高的区间，两年分别上升了2倍和2.3倍。

图5 金龟河试区总磷浓度空间变化图Fig.5 Spatial variation of total phosphorus concentration in Jingui River pilot area

上游鱼塘排水支流共有3 个点，从图5 可见，鱼塘排水支流的总磷浓度基本上呈直线上升的趋势，且2018年鱼塘支流的3个监测点浓度均较2017年有上升。下游支流养殖场出水口X1点总磷浓度非常高，是整个流域内平均水平的近10 倍。在X1～X3 区间，总磷的年平均浓度整体呈消减趋势。与地表水相比，地下水X5 中的总磷含量明显较低。不同土地利用附近监测点总磷浓度表现为养殖场＞鱼塘＞种植（稻田和果林浓度差异较小）。

采用数据分析软件SPSS 中的配对样本T检验的方法分析上中下游的总磷空间差异是否具有显著性，分析结果如表3所示。

表3 金龟河上中下游总磷浓度空间差异性分析Tab.3 Spatial difference analysis of total phosphorus concentration in upper，middle and lower reaches of Jingui River

从均值来看，干流总磷的年平均浓度沿程都是升高的；但

从统计学的角度来看，总磷浓度在上游与中游之间，中游与下游之间不存在显著性差异；2017-2018年下游总磷的平均浓度是上游的2.78 倍，相关性显著水平P值为0，存在显著性差异，具有统计学意义。

3 金龟河试区氮磷浓度季节差异性分析

每年4月至9月是研究区的水稻种植期，在此期间青狮潭水库西干渠向金龟河补水。根据研究区内水稻种植灌溉时间和多年降雨量分布特点，将每年的4月至9月划分为雨季+灌溉季，将当年的10月至第二年的3月划分为干季+非灌溉季，具体划分见表4。

表4 金龟河试区季节划分Tab.4 Seasonal division of Jingui River pilot area

选取4种不同土地利用类型控制下的监测点G3（稻田）、G6（果林）、X1（养殖场）、Y2（鱼塘），和地下水X5以及总出水口G7两个特殊监测点为研究对象，分析这6 个不同类型监测点中的总氮、氨氮、硝态氮和总磷4种指标浓度在不同季节下的空间差异性。分析结果见图6。

通常造成氮磷浓度季节变化的主要因素有降雨、灌溉和施肥等，雨季降雨量较大以及水库补水灌溉，都会造成污染物浓度的稀释和降低；雨季也是施肥的季节，农田和果林的施肥会造成氮磷污染物浓度的升高。因此，在降雨、灌溉和施肥等因素的共同影响下，不同监测点总氮、氨氮和总磷的季节规律并不完全一致（图6）。

图6 不同类型监测点氮、磷浓度季节性变化Fig.6 Seasonal variation of nitrogen and phosphorus concentrations at different monitoring points

值得关注的是6个监测点的硝态氮浓度季节变化表现出相同的规律，即干季大于雨季。G3和G6受稻田和果林施肥影响，雨季氨氮浓度大于干季；同理，总磷浓度的季节变化规律和氨氮相似。以养殖场为主要控制的下垫面监测点X1，氮磷排放量较大，由于干季河道水流量较小，稀释能力较弱，氨氮和总磷浓度均表现为干季大于雨季。鱼塘水Y2 的氨氮浓度表现为干季大于雨季，总磷浓度表现为干季大于雨季。

地下水X5 的氮素中硝态氮占比高于其余5 个地表水监测点，而氨氮占比和磷浓度都极低。地下水中总氮的季节变化规律与硝态氮保持一致，表现为干季大于雨季。地下水流动缓慢，更新周期长，受养殖场的排污影响经过长期的硝化反应储存了大量的硝态氮。硝酸盐可还原成亚硝酸盐，对人体造成的危害，影响周围居民饮用水的质量和安全。