蟒河流域农林地表径流氮磷流失状况研究

付燕利 成永霞 邱坤艳

(河南省济源市环境监测站)

水资源对城市的发展起着举足轻重的作用,然而,伴随着经济的发展,水环境污染已成为制约城市经济社会发展的重要因素[1]。济源市河流主要有黄河、沁河和蟒河,蟒河源出山西省阳城县蟒山,总长度 130 km,流经济源市境内有 46 km,穿越市城区,不仅为三面环山的济源增添了灵秀之气,而且还是济源市的主要纳污河。在点污染源(如工业废水排放、生活污水排放等)被有效控制后,面源污染成为蟒河流域水环境污染的重要因素之一,且具有上升趋势快、分布面广、污染物随机性强和治理难度大等特点[2]。有关资料表明,60%的水污染源于非点源污染,因而面源污染已成为水环境污染的主要原因[3];受纳水体污染负荷的 40%-80%来自雨洪产生的径流[4]。已有研究表明,城市地表径流的大部分水质指标已达到了污水综合排放的三级标准,地表径流面源污染以及雨天污水溢流已成为城区河流的主要污染源[5,6]。所以,降雨引起的地表径流面源污染应引起足够的重视,农田、林地氮、磷流失将加剧水体的富营养化[7]。为此,我们在济源市蟒河流域开展了为期 2 a的农林地表降雨径流监测,总结分析了蟒河流域农田、林地氮、磷流失现状,为水环境面源污染调查提供了有力的数据。

1 监测点设置与样品采集处理

1.1 监测点位的选择

1.1.1 农田地表径流监测点

根据济源市蟒河流域的地形特点,选取有代表性的天然黄土丘陵区。

农田径流监测点位于轵城乡贾庄村,本区属暖温带大陆性季风气候,年均气温 14.6℃,多年平均降水量 630 mm,主要集中在 7、8、9三个月。测点控制面为东西最长处 2000 m,平均坡度 2.3°,南北最宽处 514 m,平均坡度 15°,面积 1.3 km2。土壤母质为第四纪黄土,土壤类型为褐土。

1.1.2 林地径流监测点

林地径流监测点位于承留乡虎岭村,面积6.36 km2。流域内山峦起伏,西高东低,海拔高程325-1150 m。植被组成上有栓皮栎、麻栎等乔木,棠梨、黄荆等灌木,葛藤、野葡葡等藤本和黄背草、白草等草木。本区属温带季风性大陆型气候,四季分明,年均气温 13.8℃,年均降水量 815 mm。

1.2 样品的采集和处理

2006年和 2007年在农林两个监测点位进行降雨、径流、水质同步监测。在降雨产流时采样,采样间隔 5 min,同时记录降雨径流的流速、水位和流量;降雨历时较长时,采样间隔 30 min,每场降雨均采集降雨—径流的全过程样品。

由于流失的土壤养分多溶于水中,泥沙和悬浮物在水流平缓处或下游水库中沉淀,不能进入自然水体,因而按照地表水监测技术规范要求,对水样进行自然沉降 30 min的前处理。

1.3 监测仪器与测定方法

采用溢流堰(薄壁三角堰、矩形堰测流量)测降雨径流量,在监测断面设置水位标尺和自记雨量计,监测水位和记录监测期间全年各单次的降雨量。

所采水样的监测项目有 pH、总氮、氨氮、硝酸盐氮、总磷及磷酸盐等,监测方法[8]如表 1。

表1 监测项目和监测方法

2 结果与讨论

2.1 农林地表径流水质比较

根据连续 2 a的 16次降雨水质监测数据,农林两个监测点位的结果比较如表 2。

表2 农林地降雨地表径流水质监测结果比较

将表 2中的农田径流和林地径流的污染物浓度与我国 2002年发布的地表水环境质量标准相比较,可得出以下结论:以平均值为依据,农田降雨径流和林地降雨径流的总氮浓度超过了《地表水环境质量标准》Ⅴ类水质标准(2.0 mg/L);氨氮浓度农田降雨径流超过了Ⅲ类水质标准(1.0 mg/L),林地降雨径流也接近此值;总磷浓度农田降雨径流超过Ⅴ类水质标准(0.4 mg/L),林地降雨径流略低于此值。由此可见,农田和林地降雨地表径流水质指标处在Ⅴ类水质基础上,应积极采取相应措施降低农田地表径流氮磷浓度,以免流入蟒河造成水环境污染。

2.2 贾庄农田单次降雨径流过程中不同监测时段的水质变化

图1为 2007年 7月 22日贾庄的一次降雨过程中,间隔1 h采一次水样所测得的水质结果。由图 1可见,农田径流水偏碱性,平均 pH值为 7.63,这与每年施用的氮肥、磷肥有关,铵盐和磷酸盐溶于雨水使形成的径流水体 pH值升高。由于总氮受氨氮和硝酸盐氮,土壤含氮量和雨水含氮量的双重影响,总氮浓度在降雨过程中起伏不定;而总磷的浓度趋于稳定,没有随降雨时间的延长大幅度增大和降低。降雨过程中总氮浓度远高于总磷,说明在每次降雨中氮流失大于磷流失,年际降雨氮污染负荷就远大于磷污染负荷。

2.3 贾庄农田多次降雨氮磷流失状况

图1 单次降雨过程中不同监测时间的水质结果

图2 贾庄农田多次降雨氮磷的流失

监测数据表明,年际径流氮、磷流失量相差悬殊。2006年,农田监测点全年径流 141.5 m3,流失氨氮 102 g,硝酸盐氮 459 g;2007年,2次降雨监测径流 2914.0 m3,流失氨氮 3199 g,硝酸盐氮4013 g。因此,农林面源污染具有污染源时空分布的离散性和不均一性、污染源和污染成分监控的困难性等特征,致使我们测定的污染物浓度结果在时空上变化幅度较大。图 2所反映的是 5次降雨中降雨量、总氮总磷浓度和氮磷流失量的相关变化图,由图 2可见,当降水量大时,农田形成的径流量大,氮磷浓度低,但流失量就未必比降雨量小的时候大,如图 2中第二次和第五次降雨的比较;农田降雨量少时,氮磷浓度较大,但受径流量的影响,氮磷流失未达到最大,如第二、第三次降雨和第四次降雨的比较;5次降雨总氮浓度均高于总磷浓度,说明氮的流失量远大于磷流失量。据统计,2 a中的 16次降雨,氨氮流失量为 3301 g,硝酸盐氮流失量为 4472 g,总氮流失7773 g,总磷流失 963 g,超出水体自净能力,给蟒河流域水环境带来富营养化,使水体受到污染。

3 结论

2a有代表性的农林地降雨地表径流监测结果表明,蟒河流域承受地表降雨污染负荷高,其中农田地表径流占较大比例;农田地表径流氮流失量远高于磷流失量。监测点位轵城乡贾庄村化肥施用历史悠久,因此,必须加大农业面源污染的治理力度,提高农家肥和复合肥的施用水平,逐步减少和停止施用化肥,控制水溶性的铵氮和颗粒态磷,保护蟒河流域水环境。

[1]谭少华.我国水资源与城市规划协调研究[J].地域研究与开发,2001,20(2):47-50.

[2]赵建伟,单保庆,尹澄清.城市面源污染控制工程技术的应用及进展[J].中国给水排水,2007,23(12):1-5.

[3]USEPA.National water quality inventory.Report to Congress Executive Summary.Washington DC.USEPA,1995:497.

[4]李养龙,金 林.城市降雨径流水质污染分析[J].城市环境与城市生态,1996,9(1):55-58.

[5]韩 冰,王效科,欧阳志云.北京市城市非点源污染特征的研究[J].中国环境监测,2005,21(6):63-66.

[6]荆红卫,郭婧.北京市地表水环境面临的主要问题及防治对策[J].中国环境监测,2006,22(6):81-85.

[7]焦少俊,胡夏民,潘根兴,等.施肥对太湖地区青紫泥水稻土稻季农田氮磷流失的影响[J].生态学杂志,2007,26(4):495-500.

[8]国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法(第四版)[M].北京:中国环境科学出版社,2002.