黄前水库上游流域农业非点源污染研究

程 凯，马 睿，牛 勇

（1.泰安市水土保持生态环境监测站，山东 泰安 271000；2.山东农业大学林学院，山东 泰安 271018）

农业非点源污染是导致水环境恶化问题的关键因素之一，加剧了我国水资源供给失衡的现状[1]。目前，大多数研究基于经验模型或机理模型进行流域非点源污染风险控制区划，但对于下垫面极其复杂且数据缺乏的土石山区，基于模型的方法因需要大量数据进行参数率定及结果验证而并不能被广泛使用。因此，在特定地区探究径流量和降雨特征与污染物之间的关系是研究流域非点源污染运移特征和污染风险的有效手段。

黄前水库是泰安城区主要的供水水源地。水库上游为山区，随着经济和城镇化水平的迅速发展，农村生活和农业生产带来的非点源污染直接导致了可用水资源的供需矛盾，严重制约着当地农业经济发展，并且对下游地区的生产生活造成潜在的风险。因此，开展黄前水库上游流域农业非点源污染物与水土流失影响因素等之间的相关性研究是十分必要的。

1 研究区概况

黄前水库始建于1958 年，总库容8 248 万m3，水库上游流域控制面积292 km2，属低山丘陵区，流域形状系数0.66，河网密度系数0.26，沟壑密度2.984 km/km2，主沟比降1.8%，为东北西南走向季节性河流，河源深切、侵蚀强烈[2]。

流域属暖温带大陆性半湿润季风气候区，多年平均气温为18.5 ℃，年平均降水量为790 mm。植被属暖温带阔叶、针叶林，流域上游植被良好，森林覆盖率40%～50%。土壤质地类型主要是棕壤、沙壤，部分为黏土。地面出露面主要为花岗片麻岩风化层，侵蚀剥蚀岩溶构造地貌，主河道两岸农业用地平均土层厚度大于1 m。水源主要由泰山、长清岭和大青山3 条溪流汇聚而来，上游主要有麻塔河、石汶河、石屋志河和红河等河流。

2 材料与方法

2.1 样地设置

流域内主要土地利用类型为经济林（以板栗核桃为主）和防护林，在其经营活动过程中农药化肥的施用对区域污染物的迁移转化起着决定性的作用。根据试验需要和黄前水库上游流域土地利用、植被类型和地面坡度的分布状况，在流域内选取4 个径流观测小区，径流场（小区）的信息详见表1。

表1 径流小区基本信息表

2.2 试验方法

径流小区下方设置有流量监测仪和水样取样器，每次降雨产流后由专人收集径流小区下方集雨池内的径流量、水样。径流量由人工记录，水样由棕色玻璃瓶盛装密封后送至实验室进行污染物检测，指标包括总氮、总磷、铵态氮、硝态氮等4 个指标，检测方法分别为：总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，总磷采用钼酸铵分光光度法测定，铵态氮采用浸提-靛蓝比色法测定，硝态氮采用双波长紫外分光光度法测定。

3 结果分析

3.1 不同土地利用条件下降雨量对农业非点源污染物的影响

1 号小区（地瓜）的全磷、全氮、硝态氮和铵态氮含量均与降雨量成负相关关系（见图1），当降雨量约为37 mm 时，产生径流中全磷、全氮、硝态氮和铵态氮含量达最低；2 号小区（裸地）全磷、全氮、硝态氮和铵态氮含量均与降雨量成负相关关系，当降雨量约为12 mm 时，全磷、全氮和硝态氮含量达到最低，铵态氮含量则在降雨量约为28 mm 时达到最低；3 号小区（板栗人工林）全磷、全氮和硝态氮含量与降雨量成负相关关系，铵态氮含量则与降雨量成正相关关系，即铵态氮含量随降雨量的增加而增加。当降雨量约为37 mm时，全磷、全氮和硝态氮的含量最低，当降雨量约为6 mm 时，铵态氮含量最低；4 号小区（麻栎人工林）全磷、全氮和硝态氮含量与降雨量成负相关关系，铵态氮含量与降雨量成正相关关系。

图1 径流小区各项测定指标与降雨量的关系

3.2 不同土地利用条件下降雨强度对农业非点源污染物的影响

降雨强度是反映降雨事件特征的重要指标，通过影响地表径流特征，对氮磷等农业非点源污染物的运输机制和规律造成影响。不同措施之间，降雨强度与各项测定指标含量关系同径流场内有无人为管护（如地瓜小区会翻耕，裸地小区会长期除草）、地表覆盖物情况（种类、数量、厚度）等有较大关联，导致氮磷等元素的运移和转化过程等方面存在差异。试验表明：1 号小区（地瓜）和2 号小区（裸地）的全磷、全氮、硝态氮和铵态氮含量均与降雨强度成正相关关系；3 号小区（板栗人工林）和4 号小区（麻栎人工林）的全磷、全氮和硝态氮含量均与降雨强度成负相关关系，铵态氮含量与降雨强度成正相关关系。

3.3 不同土地利用条件下径流量对农业非点源污染物的影响

地表径流是面源污染的主要载体，其产量大小会对土壤中的氮磷等元素的运移产生一定影响，然而区域内作物冠层结构、地表覆盖、立地条件和管护措施等因素造成不同程度径流系数差异，亦会导致农业非点源污染物的流失总量不同。如图3 所示，根据野外观测和定量测定结果，4 种不同土地利用条件的径流小区，其径流量与全磷、全氮、硝态氮和铵态氮运移量均呈正相关关系，总体趋势为全磷、全氮、硝态氮和铵态氮的流失总量随径流量的增加而增加，以全氮流失量最大，其次为硝态氮、全磷和铵态氮。

图2 径流小区径流量与各项测定指标含量的关系

以4 个小区全都产流的2017 年7 月19 日为例，各小区的全磷总量大小关系为1 号>4 号>3 号>2 号，全氮与硝态氮总量大小关系均为1号>3 号>4 号>2 号，铵态氮总量大小关系为3号>4 号>1 号>2 号；而从 2017 年 7 月 5 日产流来看，各小区的全磷和铵态氮总量大小关系为3号>1 号>4 号>2 号，全氮总量大小关系为1 号>3号>4 号>2 号，硝态氮总量大小关系为1 号>3号>2 号>4 号。

连续降雨条件、相同降雨特征下，1 号小区（地瓜）的全磷流失量相对于其他3 个小区更大；3 号小区（板栗人工林）和4 号小区（麻栎人工林）因地表覆盖物等原因，肥料中的铵态氮转化过程与其他小区不同，因此这两个小区的铵态氮流失量相对于较大；但从全氮流失量来看，1 号小区（地瓜）大于3 号小区（板栗人工林），其次为4 号小区（麻栎人工林）和2 号小区（裸地）。

4 结 论

1）不同降雨量条件下，4 个径流小区的全磷、全氮和硝态氮运移量均与降雨量成负相关关系，地瓜小区和裸地小区的铵态氮含量与降雨量成负相关关系，但板栗人工林和麻栎人工林小区的铵态氮与降雨量成正相关关系。

2）不同降雨强度条件下，地瓜小区和裸地小区的全磷、全氮、硝态氮和铵态氮运移量均与降雨强度成正相关关系，板栗人工林小区和麻栎人工林小区的全磷、全氮和硝态氮含量与降雨强度成负相关关系，而铵态氮含量与降雨强度成正相关关系。

3）不同径流量条件下，4 个径流小区的全磷、全氮、硝态氮和铵态氮运移量与径流量呈正相关关系，以全氮流失量最大，其次为硝态氮、全磷和铵态氮；在连续降雨条件、相同降雨特征下，地瓜小区全磷、全氮、硝态氮流失量相对于其他3 个小区更大，板栗人工林小区铵态氮流失量最大。