珠江河口地区农田水体N、P污染研究

梁秋洪,李取生,罗 璇,张乾坤,陆 君(暨南大学环境工程系,水土环境毒害性污染物防治与生物修复广东省高校重点实验室,广东 广州 510632)

造成水体富营养化是多方面的,除了工业废水和城市生活污水等点源污染外,农业面源污染也是重要原因之一[1].环境保护部发布的2007年污染源普查结果显示[2],我国农业污染源是COD的最大贡献者,占排放总量的40%以上,同时也是TN、TP的主要来源,排放量分别为 270.46万 t和28.47万t,分别占排放总量的57.2%和67.4%.可见,农业是个“污染大户”.农业面源污染是最普遍的非点源污染.近 20年来,欧美国家治理非点源污染的实践表明,非点源污染具有分布广泛且随机性大,机理过程复杂,污染物及其排放途径不确定等特点,因而治理难度很大[3].

随着珠江河口地区农村经济的快速发展,农业集约化进程加快,排入珠江河口地区的 N、P等营养物质不断增多,导致该地区水环境受到了不同程度的污染.关于珠江河口地区的水污染问题,研究更多的是工业污染和城市生活用水点源污染,而针对农业污染问题,尤其是农田水体污染的研究较少.目前,这些研究工作主要集中在小流域非点源污染模型的模拟[4-6]、农业面源污染来源的调查与分析[7-11]以及农田土壤氮、磷流失规律[12-18]等方面,而缺乏对于农田水渠及附近河道水质时空变化规律及其影响因素的研究.为此本文将以番禺区榄核镇张松村和万顷沙十五涌为研究对象,对其农田支渠及附近河涌的水质污染现状进行了系统研究,旨在为该区域农田面源污染的防治与调控及饮用水源地的保护和利用提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 采样点概况

万顷沙地处珠江入海口咸淡水交界处,辖区南部每年的12月至翌年的2月份为半咸水期,咸度约为 1‰～8‰,其余为淡水期.所选取研究区万顷十五涌农田位于万环路以西,南沙十五涌渔港(N22°36.870′E113°35.453′)附近,如图1所示.该片农田分为8块,面积约为40hm2,排、灌水均为 15涌.该区域的排灌水系统较为简单,水系格局主要分为三级水系,分别为珠江河道、十五涌及农田主渠;主渠位于每块农田中央,支渠位于一侧;排、灌水口同口,位于河道与主渠相接处,设有闸门,农户可以根据农作物生长需要将闸门打开或关闭来进行排、灌水.需要用水时,在涨潮时则将闸门打开进行灌水,水渠里水位达到需要时又将闸门关闭.若渠里水位较高则在潮落时将闸门打开进行排水,当遇到大雨时则要用柴油机进行抽排.

图1 万顷沙十五涌采样点分布Fig.1 sampling locations in No.15 Chung of Wanqingsha

张松村位于广州市番禺区榄核镇西北面,与顺德一河之隔,距中心镇 6.5Km,北临沙湾水道,西临潭州水道,东临榄核河,现有耕地面积130hm2.张松村水系格局则较为复杂,如图2所示,村路及民宅都是沿河涌分布.河涌上、下游均设有总闸门,根据潮涨潮落将闸门打开或关闭以控制河涌的水位.各农田支渠与河涌相接处也设有闸门,农户可根据农作物需要将闸门打开或关闭进行排、灌水,方式与万顷沙十五涌农田水渠相似.村民的生活污水以及农田排水直接排入附近的河涌.所选取的两个研究区均为封闭的小流域,农业生产主要为旱作蔬菜,以人工耕作方式为主,机械耕作为辅,周围均为无工业区,万顷沙十五涌农田属于纯的种植业,可代表大型农场;而张松村则可代表传统农村.农业面源污染主要有农村生活污水、肥料、农药及植物残体等.

图2 张松村采样点分布Fig.2 sampling locations in Zhangsong village

1.2 采样点布设与水样分析测试

根据张松村和十五涌的农田及水系分布情况,同时考虑到采样时的可行性和方便性,选取主要农田支渠及附近的河涌作为监测对象.每条支渠设进水口与排水口,与河涌相连,在每条支渠取水样3个(首、中、尾各1个)及相应的河涌水样1个.张松村和万顷沙十五涌分别设置了26个和23个采样点,各个采样点的分布情况如图1、图2所示.其中,1+～8+是第2次采样时新增加的采样点.

采样于2010年10月～2011年03月进行,选择电导率EC、CODcr、TN、NH4+-N、NO3--N 和TP共6项指标作为监测项目.水样的采集严格按照相关标准进行(地表水和污水监测标准 HJ/T 91-2002)[19],每个采样点设2个重复,每个月采1次,尽可能在同一地点(有的点有的月份可能没有水而移至附近).其中,EC用电导率仪(DDB- 303A)测定;CODcr用重铬酸盐法测定(GB 119114-89)[20];TN用碱性过硫酸钾氧化－紫外分光光度法测定(GB 11894-89)[21];NH4+-N用纳氏试剂比色法(HJ 535-2009)[22];NO3--N用紫外分光光度法(试行)(HJ /T34622007)[23];TP采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)[24],具体步骤参照文献[25].

2 结果与讨论

2.1 农田水渠水质特征

2个调查区农田水渠水体N、P和CODcr浓度见表 1、表 2.其中,张松村农田水体 TN为0.91～7.84mg/L, NH4+-N为0.11～6.86mg/L, NO3--N为0.19～5.75mg/L,TP为0.07～0.59mg/L,CODcr为 5.96～75.62mg/L.受农田排水和农户生活污水的影响,张松村农田水体 TN平均浓度超过GB3838-2002《地表水环境质量标准》[26]Ⅴ类水的限值,最高值为 7.84mg/L,是Ⅴ类标准值(其为2.0mg/L)的3倍多,说明该区域水体已受严重污染,若直接排入附近的河涌,会加剧河涌水质的恶化.

表1 张松村农田水渠水质总体特征Table 1 The water quality in farmland drainage of Zhangsong village

表2 万顷沙十五涌农田水渠水质总体特征Table 2 The water quality in farmland drainage of No.15 Chung of Wanqingsha

由表 2 可知,万顷沙十五涌农田水体 TN 为0.15～10.35mg/L,NH4+-N 为 0.05～2.45mg/L, NO3--N为0.15～8.98mg/L,TP为 0.05～1.06mg/L, CODcr为7.76～175.93mg/L.该片农田较远离居民区,河岸只有3家农户,周围也无工业区,因此受生活污水及工业废水的影响很小,主要是受到农田排水的影响.

据监测结果来看,这两个研究区的水体环境已经受到不同程度的污染,有些已经十分严重.有关研究表明[27],当水体中 TP浓度＞0.02mg/L,TN浓度＞0.3mg/L时有可能引发富营养化,而研究区中所取水样TP、TN浓度无一例外地超过这一临界值.万顷沙十五涌农田水渠中的 TP浓度最大值为1.06mg/L,已超过这一临界值的53倍.所测水样中70%的水样TN浓度超过GB3838-2002《地表水环境质量标准》[26]Ⅴ类水的标准限值.CODcr平均浓度也只有张松村河涌达到Ⅲ类标准限值,最大浓度为11月份万顷沙十五涌农田水渠的175.93mg/L.可见,这些水体污染较为严重,若直接排入附近河道,势必加剧水质恶化,应该引起相关部门的重视.

2.2 氮素的时空变化特征

由图3可知,在每条支渠上,张松村农田水渠TN、NH4+-N浓度沿着排水水流方向总体上有逐渐减小的趋势,靠近排水口浓度相对较低.但是NO3--N浓度变化情况则与之相反,随排水水流方向总体上有逐渐增大的趋势.此外,在不同的月份,NH4+-N浓度最高点和最低点的分布与TN相类似,浓度偏高点都是出现在农田支渠渠尾处或流经村庄的支渠处,如 3号,17号;而最低点则位于主渠上或靠近排水口与闸门处,如6号,8号.这可能是由于较远离排水口的点受到了农田排水和生活污水的影响,而靠近排水口处水位较高,水量变大,水面面积较大对TN和NH4+-N起到了一定的稀释作用.而旱地大量使用化肥时,各种形态的氮肥施入土壤后,通过微生物作用形成的NO3--N被土壤吸附甚微,易于通过灌溉水淋洗而进入水渠里,进而随着排水水流聚集在排水口处,使得其浓度增大.

图3 张松村农田水体各支渠氮、磷的空间变化Fig.3 Spatial variations of nitrogen and phosphorus concentration in farmland drainage of Zhangsong village

由图4可知,与张松村的情况相似,相同月份,在每条支渠上,除第7支渠外,随着排水水流方向,万顷沙十五涌农田水体TN、NH4+-N浓度总体上有逐渐减小的趋势,NO3--N浓度有逐渐增大的趋势;渠尾水位较低,越靠近渠尾 TN与 NH4+-N浓度越高.这可能的原因与上述张松村的情况相似.与其他支渠相比较,第7支渠的氮素变化情况则有所不同:同一月份,TN与 NH4+-N沿着排水水流方向总体上有逐渐增大的趋势,而NO3--N有逐渐减小的趋势.可能是因为该片农田是由不同农户承包,排灌水方式由农户的种植作物及种植习惯决定,此处为藕地,其施肥方式是直接在排水口处倒撒化肥,然后在进水口处打开闸门灌水,让其随着水流往田间输送,这就可能使得在排水口处化肥的残余量较多,进而使得 TN与NH4+-N浓度较大.

图4 万顷沙十五涌农田水体各支渠氮、磷的空间变化Fig.4 Spatial variations of nitrogen and phosphorus concentration in farmland drainage of No. 15 Chung of Wanqingsha

由图5可知,从10月～次年03月,张松村农田水渠N素总体上有逐渐增大的趋势;万顷沙十五涌农田水渠TN、NO3--N变化规律相一致,先减小而后增大,NH4+-N变化不大.农田水渠中的N素浓度变化主要与农田中施用的农药、化肥以及灌溉和降雨量有关.相关资料显示,调查区10月～次年01月降雨量较少.番禺区从10月份降雨量就一直减少,10月份总降雨量仅为 30.2mn,到了次年3月份才有所增加,为49.5mn[28].南沙区10月至 12月降水量都比常年同期平均值偏少[29].而此时冬种的蔬菜正处于生长期,施用了大量的化肥与农药,降水量的偏少减少了淋洗强度,在一定程度上影响了水渠里氮素浓度的大幅度增加.但是农作物的生长需要充足的水分,随着灌溉量的增加,淋洗作用又增强,未被作物吸收的氮肥便随着农田径流迁移到沟渠里,使得水渠氮含量的增加.

采样期间张松村潮涨落情况为10月处于涨潮状态,11月至次年03月处于退潮状态:万顷沙则是10月、11月和次年03月处于退潮,而次年01月处于涨潮.由图5可知,氮素浓度在涨潮时比退潮时稍低.因为珠江河口属于不规则半日潮,研究区河涌水量的变化主要是受到潮汐的影响.涨潮时,河涌水位上升,水量增大,对污染物起到稀释作用;退潮时河涌水流入珠江水道,水位下降,水量减小,未起到稀释作用,污染物浓度偏高.

总体上来看,这 2 个研究区各监测点处NH4+-N低于NO3--N,NO3--N所占TN的含量比例较高.这与张福珠[30]等应用15N研究土壤-植物系统中氮素淋失动态得出的结论相似,段水旺等[31]对长江下游地表水体氮磷的含量和输送量的研究结果也证实了这一结论.这是因为农田水体, 特别是农田排放水中的 NO3--N 主要是由NH4+-N转化而成.在好氧条件下,土壤矿化中释放的铵态氮以及肥料胺很快被硝化细菌氧化成硝态氮,这一转化过程是温度的函数[32],另外由于土壤颗粒和土壤胶体一般都带负电荷,因此对NH4+具有很强的吸附作用,使得大部分可交换态铵得以保存在土壤中,而 NO3--N带负电荷不易被土壤吸附,随着地表径流流入水渠里,这样便使得水体中的NO3--N含量较高[33].此外,王磊等[38]认为偏碱环境有利于硝化细菌的生存与繁殖,硝化反应适宜pH值为7.0～8.5,而该研究区水体的PH值约为6.5～7.8,采样过程水渠里水位较低,有些渠底暴露,有利于NH4+-N向NO3--N的转化.

2.3 TP的时空变化特征

由图3、图4可知,这两个研究区中TP的浓度都比较低.10月～次年03月,在同一采样点上张松村农田水体 TP浓度有逐渐增大的趋势;而随着排水水流方向,TP含量变化不是很有规律,这主要是受到农田排水和农户生活污水的影响.农户生活污水排放的不规律,使得 TP含量变化也没有规律.总体上来看,张松村农田水体 TP含量比万顷沙的稍高,是因为受到了农村生活污水的影响.所测水样中有 67%的水样 TP含量在GB3838-2002《地表水环境质量标准》[26]Ⅲ类限值0.2mg/L以内,其中,12月的TP含量较其它月份的高,可能是因为采样时处于排水状态,水位较低,河底有些暴露,很可能就使得底泥中磷的再次释放,再加上农户生活污水的影响,就使得 TP含量有所增加.在同一支渠上,沿着排水水流方向,万顷沙十五涌农田水体TP浓度有逐渐减小的趋势.从10月～次年03月,在同一采样点上,TP浓度变化无明显规律.在不同的月份,TP最高点总是出现在18号及19号,这可能与排水频率有关.该地主要种植芹菜,采样期间该处的水位均较低,水质较浊,呈绿色,可能是因为由于大量施用的化肥随径流聚集在该水体中,再加上平时很少排水,就使得该处的总磷偏高.与TN相比,万顷沙十五涌各监测点TP含量较低,所测水样中90%的水样TP含量在 GB3838-2002《地表水环境质量标准》[26]Ⅲ类限值0.2mg/L以内,说明该水体受总磷污染较小.

2.4 各水质指标的相关关系

Spearman相关分析结果显示(表3、表4),张松村农田水渠TN与NH4+-N、TP、CODcr呈显著性正相关(P＜0.01),与 NO3--N 无显著性相关;NH4+-N与NO3--N呈负相关(P ＜0.05);万顷沙农田水渠TN与NH4+-N、TP、NO3--N呈显著性正相关(P＜0.01),与 CODcr呈显著性正相关(P＜0.05).TN与TP显著正相关,有研究表明[39],有机氮是TN的重要成分,有机氮的矿化与TP的可利用性有关.张松村农田水渠TN与与NO3--N无显著性相关,说明该水体中的 NO3--N有可能直接来源于农田化肥的流失而不是来自有机氮的矿化作用;NH4+-N与NO3--N呈负相关,说明这两者存在着“此消彼长”的关系,因为NO3--N浓度偏高而使得NH4+-N浓度偏低.万顷沙十五涌农田水渠中3种氮之间均呈显著性相关,说明3种氮之间的转换较为完全.

表3 张松村农田水渠各水质指标相关系数矩阵Table 3 Matrix of correlation coefficient between water quality indexes in farmland drainage of Zhangsong village

表4 万顷沙十五涌农田水渠各水质指标相关系数矩阵Table 4 Matrix of correlation coefficient between water quality indexes in farmland drainage of No.15 Chung of Wangqingsha

3 结论

3.1 研究区农田水渠水与附近河涌、珠江河道水体氮、磷浓度具有一定的差异,总体趋势是农田水渠水氮、磷浓度＞附近河涌＞珠江河道水体.从10月～次年01月,张松村农田水体中N、P浓度大于万顷沙十五涌的,主要是前者受到农田排水及农户生活污水的双重影响.

3.2 农田水渠水氮、磷时空变异具有相似性,即同一月份,在每条支渠上,随着排水水流方向, TN、NH4+-N及TP浓度总体上有逐渐减小的趋势,而NO3--N浓度有逐渐增大的趋势.渠尾水位较低,越靠近渠尾TN与NH4+-N浓度越高.

3.3 两个研究区3种氮素之间的相关性有所不同,张松村水体中TN与NH4+-N呈显著性正相关,与NO3--N无关,说明了该水体中NO3--N直接来自于农田化肥的流失.万顷沙十五涌农田水渠中3种氮之间均呈显著性相关,说明3种氮之间的转换完全.

3.4 该区域水体农田面源污染的主要来源是农村生活污水和农田排水.因此,控制研究区农田面源污染最关键是从这两个方面着手.张松村村委旁已建有生活污水处理池,但现仍未运行.可根据该研究区水系格局的特点,在河涌排走之前对其进行处理后达标排放.而万顷沙十五涌农田水渠渠岸较光秃,可渠边合理种上芦苇、水草等水生植物,利用其进行修复.除此之外,要合理施用化肥、加强水肥管理,空水灌溉,以减少田面水的排出从而降低农田氮、磷的流失.

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