农村沟渠水质时空差异分析

尹述政，许峰，王文荟，霍雯蓉，黄运新

(湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062)

0 引言

水环境污染主要由点源污染和非点源污染构成，其中点源污染源产生途径为固定排放点的污染源；非点源污染源产生途径为土壤中污染物在降雨和灌溉所产生的地表径流驱动作用下进入水体[1-2].2017年第二次中国污染源普查公报指出，水污染排放中非点源污染源排放比重在30%以上，化学需氧量、总氮、总磷排放量分别高达49.77%、46.52%、67.40%，其中氮磷污染来源于化肥使用量过多.土壤中化肥少部分被农作物吸收，绝大部分在地表径流驱动下流入水体，并且各种作物对肥料中总磷利用率最低，仅为10%～20%[3].与点源污染相比，非点源污染具有难监测、分布范围广、随机性大、隐蔽性强、滞后性等特点[4]，从而导致非点源污染的监测、评价以及管理难度大大增加，难以识别和评估有效的管理防控措施.

为了解农村非点源污染特征，输出系数法、SWAT模型等方法已被广泛应用于非点源污染评估[5]，用于调查和评估研究区域污染负荷、提供污染负荷监管和生态服务评价等多方面问题[6].唐肖阳等[7]利用输出系数法对汉江流域农村面源污染进行估算发现总氮贡献率最大的污染源是农田化肥，总磷贡献率最大的污染源是畜禽养殖；许策等[8]利用输出系数法对汉江流域荆门段农村面源污染进行估算发现总氮贡献率最大的污染源是农村生活污水，总磷贡献率最大的污染源是畜禽养殖；王兰蕙等[9]对湖北种植业面源污染分析发现种植业源防控主要污染物是总氮和总磷，重点区域为荆州市和襄阳市.由于输出系数法、SWAT模型等方法多以估算污染负荷和分析空间分布特征为主，对农村沟渠水质分析具有一定局限性，难以分析小范围内农村面源污染时空分布特征.为此，本研究以湖北省洪湖市白杨村为例，抽样调查了解居民区和农田区沟渠氨氮、总氮和总磷指标水平，分析其时空差异性，为进一步分析农村面源污染状况奠定基础.

1 材料与方法

1.1 研究区概况洪湖市位于长江中下游平原，流域河网复杂交错，属于亚热带季风湿润区，四季分明，雨量充沛，年均降雨量约1 200 mm，汛期一般发生在5—9月；土壤类型主要有水稻土和潮土；地下水资源资源丰富，但大部分为浅层潜水水质，不符合饮用水卫生标准，受污染的地表水与地下水直接水力联系；是湖北省重要的粮、棉、油生产基地，主要作物为水稻、棉花、油菜.近年来，随着乡村振兴政策实施和土地生产方式转变，农业生产中耕作方式、化肥使用方式和强度都发生着巨大变化，对生态环境造成一定影响，促使洪湖流域成为了非点源污染的重灾区.白杨村位于洪湖流域，居民区与农田区镶嵌分布，具有典型的农村分布特征，并且由于涵洞和排水闸拦隔作用，定期抽排，沟渠水体基本无明显流动，不同空间类型的沟渠水质与其污染排放具有关联性，通过白杨村沟渠水质时空差异分析可了解平原地区农村生活污水与土壤养分流失对沟渠水质的影响.

1.2 样品采集与测定本文中以白杨村为采样区，采样时间分为夏、冬两季，采样点类型分“居民区”和“农田区”，以避免水体本底对两者的影响，“居民区”采样点为生活污染污水排放渠道，共采样点14个，采样点间距为400 m；“农田区”采样点为居民区附近农田灌溉沟渠，采样点如图1.为避免农田区采样点特殊性，采样点分为两组，分别为5个和9个，采样点间距分别为400 m和200 m.水样采集、运输、采样容器、水样体积及水样预处理方法均按照《水和废水检测分析方法》进行[10].检测指标有氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)，检测方法为纳氏试剂分光光度法(GB/T 7479—1987)、碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度计法(GB/T 11894—1989)和钼酸铵分光光度法(GB/T 11893—1989)，所有样品均设置2个平行样，测量分析相对平均误差保持在5%以内.

图1 采样点分布

1.3 数据分析方法

1.3.1 箱线图 采用箱线图分析氨氮、总氮和总磷3个指标观测数据分布以及变异情况.箱线图由上边缘、上四分位数、中位数、下四分位数、下边缘及异常值构成，显示一组数据的最大值、上四分位数、中位数、下四分位数和最小值，异常值分为异常值和高度异常的异常值，分别代表与平均值的偏差超过两倍标准差的测定值和与平均值的偏差超过三倍标准差的测定值，异常值直接参与计算分析过程，可能对结果造成影响.

1.3.2 方差分析 采用常用单因素方差分析和双因素方差分析对氨氮、总氮和总磷3个指标的空间和季节差异进行了分析，其中空间因子包括农田区和居民区两个水平，季节因子包括夏季和冬季两个水平.

2 结果与分析

2.1 氨氮由图2可知，居民区在夏季和冬季氨氮指标浓度平均值分别为0.78、0.76 mg/L，中位数分别为0.70、0.84 mg/L，标准差分别为0.10、0.09，夏季异常值为1.63、1.11，位于上边缘以上部分，冬季无异常值；农田区在夏季和冬季氨氮指标浓度平均值分别为1.39、0.86 mg/L，中位数分别为1.00、0.87 mg/L，标准差分别为1.00、0.24，夏季异常值为4.16、3.30，位于上边缘以上部分，冬季异常值为1.34、0.55、0.31，分布随机.居民区两季氨氮指标浓度和离散程度相当，而农田区氨氮指标浓度在夏季高于冬季，且夏季离散程度相对较高；夏季农田区氨氮指标浓度和离散程度高于居民区，而冬季两区域氨氮指标浓度相当，农田区离散程度仍高于居民区.

图2 氨氮指标浓度箱线图

2.1.1 空间差异 由表1可知，异常值去除后方差分析显示，氨氮指标整体上存在显著差异(P=0.00)，夏季存在显著差异(P=0.00),冬季不存在显著差异(P=0.11)，表明农田区夏季对氨氮指标影响相对居民区较高，冬季有所降低.农田区夏季氨氮指标浓度相比于居民区较高，对氨氮指标影响较大；农田区和居民区冬季氨氮指标浓度相当.

2.1.2 季节差异 由表1可知，异常值去掉后方差分析显示，氨氮指标整体上不存在显著差异(P=0.58),居民区和农田区不存在显著差异，P值分别为0.24、0.21，表明居民区对氨氮指标影响在冬季和夏季相当，农田区夏季相比冬季对氨氮指标影响较大.

2.1.3 交互作用 由表1可知，异常值去掉后方差分析显示，氨氮指标在空间类型和季节差异存在显著差异(P=0.05)，表明空间类型和季节差异交互影响对氨氮指标影响较大.

表1 氨氮指标方差分析结果

2.2 总氮由图3可知，居民区在夏季和冬季总氮指标浓度平均值分别为1.41、1.17 mg/L，中位数分别为1.39、1.16 mg/L，标准差分别为0.17、0.32，夏季无异常值，冬季异常值为2.00，位于上边缘以上部分；农田区在夏季和冬季总氮指标浓度平均值分别为1.48、1.35 mg/L，中位数分别为1.35、1.45 mg/L，标准差分别为0.54、0.26，夏季异常值为3.42、4.30，位于上边缘以上部分，冬季无异常值.由于总氮指标浓度包含氨氮指标浓度，氨氮指标对总氮指标具有一定影响.居民区夏季总氮指标浓度高于冬季，冬季总氮指标浓度离散程度高于夏季，农田区夏季总氮指标浓度和离散程度均高于冬季；夏季两区域总氮浓度相当，农田区离散程度高于居民区，而冬季农田区总氮指标浓度相对较高，两区域离散程度相当.

图3 总氮指标浓度箱线图

2.2.1 空间差异 由表2可知，异常值去除后方差分析显示，总氮指标整体上不存在显著差异(P=0.27)，夏季不存在显著差异(P=0.54)，冬季存在显著差异(P=0.02)，表明农田区和居民区夏季对总氮指标影响相当，共同作用于总氮指标；农田区冬季对总氮指标具有较大影响，农田区总氮浓度相比于居民区较大，对总氮指标影响贡献较大.

2.2.2 季节差异 由表2可知，异常值去除后方差分析显示，总氮指标整体上存在显著差异(P=0.05)，居民区存在显著差异(P=0.00)，农田区不存在显著差异(P=0.98)，表明居民区夏季对总氮指标影响较大，农田区夏季和冬季对总氮指标影响相当.

2.2.3 交互作用 由表2可知，异常值去除后方差分析显示，总氮指标在空间类型和季节差异存在显著差异(P=0.01)，空间类型和季节差异交互影响对总氮指标影响较大.

表2 总氮指标方差分析结果

2.3 总磷由图4可知，居民区在夏季和冬季总磷指标浓度平均值分别为0.07、0.09 mg/L，中位数分别为0.06、0.09 mg/L，标准差分别为0.01、0.06，夏季异常值为0.09、0.04，分布分散，冬季无异常值；农田区在夏季和冬季总磷指标浓度平均值分别为0.09、0.13 mg/L，中位数分别为0.05、0.11 mg/L，标准差分别为0.10、0.09，夏季异常值为0.41、0.23，位于上边缘以上部分，冬季异常值为0.40，位于上边缘以上部分.居民区冬季总磷指标浓度高于夏季，冬季离散程度相对较高，农田区冬季总磷指标浓度也高于夏季，但农田区两季离散程度相当；夏季两区域总磷指标浓度相当，农田区离散程度高于居民区，但冬季两区域总磷指标浓度和离散程度相当.

图4 总磷指标浓度箱线图

2.3.1 空间差异 由表3可知，异常值去除后方差分析显示，总磷指标整体上不存在显著差异(P=0.68),夏季和冬季均不存在显著差异，P值分别为0.21、0.39，表明农田区和居民区在夏季和冬季对总磷指标影响相当，农田区总磷指标浓度相比于居民区较高，农田区对总磷指标影响较大.

2.3.2 季节差异 由表3可知，异常值去掉后方差分析显示，总磷指标整体上存在显著差异(P=0.00)，居民区不存在显著差异(P=0.09),农田区存在显著差异(P=0.00)，表明居民区夏季和冬季对总磷指标影响相当，农田区冬季相比于夏季对总磷指标影响相对较大.

表3 总磷指标方差分析结果

2.3.3 交互作用 由表3可知，异常值去掉后方差分析显示，总磷指标在空间类型和季节差异存在显著差异(P=0.25)，表明空间类型和季节差异交互影响对总磷指标影响较小.

3 结论与讨论

农田区非点源污染的主要来源于过量灌溉和降雨造成的土壤养分流失，而居民区非点源污染主要来源于畜禽养殖和生活污水排放[1]，其中土壤养分流失和农村生活污水对氨氮指标和总氮指标影响较大，土壤养分流失和畜禽养殖对总磷指标影响较大[7].

农田区氨氮和总氮指标在冬季相比于夏季呈现下降趋势，并且夏季异常值相对于冬季较多，夏季离散程度相比于冬季增加，主要原因是洪湖流域夏季为丰水期，降雨量增加，农田处于耕种时期，土壤养分流失加剧，而冬季为枯水期，降雨量较少，农田大部分处于休田期，土壤养分流失减缓.已有研究表明农田管理方式和季节影响是农业面源污染的主要影响因素，施入农田的化肥只有一部分被作物吸收，大量化肥随地表径流流失，部分与土壤成分结合而残留在土壤中，部分氮肥通过化学反应挥发到大气中[12]，其中地表径流造成的土壤养分流失中氮和磷均有3/4来自农田土壤本底，1/4来自当年施肥，农田土壤本身氮磷累积量决定了地表径流氮磷排放量，当年施肥对农田地表径流的贡献有限[13].而总磷指标浓度呈现上升趋势，与氨氮、总氮呈现相反变化趋势，并且冬季离散程度与夏季相当，其产生原因可能为不同土壤类型对氮磷吸附性具有一定差异性，降雨对养分流失驱动性不同[14]，后续有必要从机理方面确定土壤养分流失特征.

居民区冬季氨氮和总氮指标相对于夏季呈现下降趋势，而总磷指标呈现上升趋势，并且3个指标夏季异常值相对于冬季较多，冬季离散程度相比于夏季增加，与现阶段农村居民用水以及畜禽养殖情况相符，冬季相对于夏季排放量有所降低，畜禽养殖多以规模化养殖为主[15]，畜禽养殖对农村渠道水质影响较小，并且冬季沟渠水量显著少于夏季，冬季沟渠水体自净能力显著降低.

农田区和居民区的氨氮指标在夏季存在显著差异，总氮指标在冬季存在显著差异，造成这种现象是由于夏季农田区化肥使用存在不合理现象，导致农田区土壤中游离氨氮较多，夏季养分流失严重，而冬季农田区处于休田状态，土壤氮源以硝态氮形式吸附在土壤中，降雨径流所携带的土壤养分流失与生活污水排放造成了差异性产生.农田区和居民区的总磷指标不存在显著差异，表明畜禽养殖和土壤养分流失对沟渠总磷指标影响相当，受降雨径流影响较大.

夏季和冬季的总氮在居民区存在显著差异，总磷在农田区存在显著差异，根据野外调查现状初步断定是由于居民区水质受沟渠水量影响较大，沟渠水量季节存在显著差异，导致居民区季节存在显著差异性；不同农田之间的施肥频率、施肥强度以及作物吸收能力之间存在一定差异[16]，受土壤类型和种植密度的影响，土壤养分流失具有较大的差异性，季节差异所导致不同水文状况对土壤养分流失影响较大，造成总磷指标夏季与冬季在农田区呈现显著差异，而氨氮和总氮指标受季节差异影响与总磷指标类似，但并无存在显著差异，后续有必要对农田氮磷迁移特征加以研究.

本研究通过不同季节的居民区和农田区沟渠水质进行采样，分析居民区和农田区的水质时空变化，有助于对农村面源污染迁移过程进行分析，为进一步估算研究区土壤养分流失和生活污水负荷奠定基础.后期拟定利用机理模型和输出系数法对生活污水、农田径流污染、畜禽养殖等面源污染源进行量化，考虑降雨、灌溉方式和施肥特征等因素对农业面源污染的影响[17-18]，从面源污染产生机理方面对农村面源污染对沟渠水质的影响进行定量分析.