珠江河口地區(qū)農(nóng)田水體N、P污染研究

梁秋洪,李取生,羅 璇,張乾坤,陸 君(暨南大學環(huán)境工程系,水土環(huán)境毒害性污染物防治與生物修復(fù)廣東省高校重點實驗室,廣東 廣州 510632)

造成水體富營養(yǎng)化是多方面的,除了工業(yè)廢水和城市生活污水等點源污染外,農(nóng)業(yè)面源污染也是重要原因之一[1].環(huán)境保護部發(fā)布的2007年污染源普查結(jié)果顯示[2],我國農(nóng)業(yè)污染源是COD的最大貢獻者,占排放總量的40%以上,同時也是TN、TP的主要來源,排放量分別為 270.46萬 t和28.47萬t,分別占排放總量的57.2%和67.4%.可見,農(nóng)業(yè)是個“污染大戶”.農(nóng)業(yè)面源污染是最普遍的非點源污染.近 20年來,歐美國家治理非點源污染的實踐表明,非點源污染具有分布廣泛且隨機性大,機理過程復(fù)雜,污染物及其排放途徑不確定等特點,因而治理難度很大[3].

隨著珠江河口地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟的快速發(fā)展,農(nóng)業(yè)集約化進程加快,排入珠江河口地區(qū)的 N、P等營養(yǎng)物質(zhì)不斷增多,導(dǎo)致該地區(qū)水環(huán)境受到了不同程度的污染.關(guān)于珠江河口地區(qū)的水污染問題,研究更多的是工業(yè)污染和城市生活用水點源污染,而針對農(nóng)業(yè)污染問題,尤其是農(nóng)田水體污染的研究較少.目前,這些研究工作主要集中在小流域非點源污染模型的模擬[4-6]、農(nóng)業(yè)面源污染來源的調(diào)查與分析[7-11]以及農(nóng)田土壤氮、磷流失規(guī)律[12-18]等方面,而缺乏對于農(nóng)田水渠及附近河道水質(zhì)時空變化規(guī)律及其影響因素的研究.為此本文將以番禺區(qū)欖核鎮(zhèn)張松村和萬頃沙十五涌為研究對象,對其農(nóng)田支渠及附近河涌的水質(zhì)污染現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)研究,旨在為該區(qū)域農(nóng)田面源污染的防治與調(diào)控及飲用水源地的保護和利用提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 采樣點概況

萬頃沙地處珠江入?？谙痰唤缣?轄區(qū)南部每年的12月至翌年的2月份為半咸水期,咸度約為 1‰～8‰,其余為淡水期.所選取研究區(qū)萬頃十五涌農(nóng)田位于萬環(huán)路以西,南沙十五涌漁港(N22°36.870′E113°35.453′)附近,如圖1所示.該片農(nóng)田分為8塊,面積約為40hm2,排、灌水均為 15涌.該區(qū)域的排灌水系統(tǒng)較為簡單,水系格局主要分為三級水系,分別為珠江河道、十五涌及農(nóng)田主渠;主渠位于每塊農(nóng)田中央,支渠位于一側(cè);排、灌水口同口,位于河道與主渠相接處,設(shè)有閘門,農(nóng)戶可以根據(jù)農(nóng)作物生長需要將閘門打開或關(guān)閉來進行排、灌水.需要用水時,在漲潮時則將閘門打開進行灌水,水渠里水位達到需要時又將閘門關(guān)閉.若渠里水位較高則在潮落時將閘門打開進行排水,當遇到大雨時則要用柴油機進行抽排.

圖1 萬頃沙十五涌采樣點分布Fig.1 sampling locations in No.15 Chung of Wanqingsha

張松村位于廣州市番禺區(qū)欖核鎮(zhèn)西北面,與順德一河之隔,距中心鎮(zhèn) 6.5Km,北臨沙灣水道,西臨潭州水道,東臨欖核河,現(xiàn)有耕地面積130hm2.張松村水系格局則較為復(fù)雜,如圖2所示,村路及民宅都是沿河涌分布.河涌上、下游均設(shè)有總閘門,根據(jù)潮漲潮落將閘門打開或關(guān)閉以控制河涌的水位.各農(nóng)田支渠與河涌相接處也設(shè)有閘門,農(nóng)戶可根據(jù)農(nóng)作物需要將閘門打開或關(guān)閉進行排、灌水,方式與萬頃沙十五涌農(nóng)田水渠相似.村民的生活污水以及農(nóng)田排水直接排入附近的河涌.所選取的兩個研究區(qū)均為封閉的小流域,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要為旱作蔬菜,以人工耕作方式為主,機械耕作為輔,周圍均為無工業(yè)區(qū),萬頃沙十五涌農(nóng)田屬于純的種植業(yè),可代表大型農(nóng)場;而張松村則可代表傳統(tǒng)農(nóng)村.農(nóng)業(yè)面源污染主要有農(nóng)村生活污水、肥料、農(nóng)藥及植物殘體等.

圖2 張松村采樣點分布Fig.2 sampling locations in Zhangsong village

1.2 采樣點布設(shè)與水樣分析測試

根據(jù)張松村和十五涌的農(nóng)田及水系分布情況,同時考慮到采樣時的可行性和方便性,選取主要農(nóng)田支渠及附近的河涌作為監(jiān)測對象.每條支渠設(shè)進水口與排水口,與河涌相連,在每條支渠取水樣3個(首、中、尾各1個)及相應(yīng)的河涌水樣1個.張松村和萬頃沙十五涌分別設(shè)置了26個和23個采樣點,各個采樣點的分布情況如圖1、圖2所示.其中,1+～8+是第2次采樣時新增加的采樣點.

采樣于2010年10月～2011年03月進行,選擇電導(dǎo)率EC、CODcr、TN、NH4+-N、NO3--N 和TP共6項指標作為監(jiān)測項目.水樣的采集嚴格按照相關(guān)標準進行(地表水和污水監(jiān)測標準 HJ/T 91-2002)[19],每個采樣點設(shè)2個重復(fù),每個月采1次,盡可能在同一地點(有的點有的月份可能沒有水而移至附近).其中,EC用電導(dǎo)率儀(DDB- 303A)測定;CODcr用重鉻酸鹽法測定(GB 119114-89)[20];TN用堿性過硫酸鉀氧化－紫外分光光度法測定(GB 11894-89)[21];NH4+-N用納氏試劑比色法(HJ 535-2009)[22];NO3--N用紫外分光光度法(試行)(HJ /T34622007)[23];TP采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893-89)[24],具體步驟參照文獻[25].

2 結(jié)果與討論

2.1 農(nóng)田水渠水質(zhì)特征

2個調(diào)查區(qū)農(nóng)田水渠水體N、P和CODcr濃度見表 1、表 2.其中,張松村農(nóng)田水體 TN為0.91～7.84mg/L, NH4+-N為0.11～6.86mg/L, NO3--N為0.19～5.75mg/L,TP為0.07～0.59mg/L,CODcr為 5.96～75.62mg/L.受農(nóng)田排水和農(nóng)戶生活污水的影響,張松村農(nóng)田水體 TN平均濃度超過GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》[26]Ⅴ類水的限值,最高值為 7.84mg/L,是Ⅴ類標準值(其為2.0mg/L)的3倍多,說明該區(qū)域水體已受嚴重污染,若直接排入附近的河涌,會加劇河涌水質(zhì)的惡化.

表1 張松村農(nóng)田水渠水質(zhì)總體特征Table 1 The water quality in farmland drainage of Zhangsong village

表2 萬頃沙十五涌農(nóng)田水渠水質(zhì)總體特征Table 2 The water quality in farmland drainage of No.15 Chung of Wanqingsha

由表 2 可知,萬頃沙十五涌農(nóng)田水體 TN 為0.15～10.35mg/L,NH4+-N 為 0.05～2.45mg/L, NO3--N為0.15～8.98mg/L,TP為 0.05～1.06mg/L, CODcr為7.76～175.93mg/L.該片農(nóng)田較遠離居民區(qū),河岸只有3家農(nóng)戶,周圍也無工業(yè)區(qū),因此受生活污水及工業(yè)廢水的影響很小,主要是受到農(nóng)田排水的影響.

據(jù)監(jiān)測結(jié)果來看,這兩個研究區(qū)的水體環(huán)境已經(jīng)受到不同程度的污染,有些已經(jīng)十分嚴重.有關(guān)研究表明[27],當水體中 TP濃度＞0.02mg/L,TN濃度＞0.3mg/L時有可能引發(fā)富營養(yǎng)化,而研究區(qū)中所取水樣TP、TN濃度無一例外地超過這一臨界值.萬頃沙十五涌農(nóng)田水渠中的 TP濃度最大值為1.06mg/L,已超過這一臨界值的53倍.所測水樣中70%的水樣TN濃度超過GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》[26]Ⅴ類水的標準限值.CODcr平均濃度也只有張松村河涌達到Ⅲ類標準限值,最大濃度為11月份萬頃沙十五涌農(nóng)田水渠的175.93mg/L.可見,這些水體污染較為嚴重,若直接排入附近河道,勢必加劇水質(zhì)惡化,應(yīng)該引起相關(guān)部門的重視.

2.2 氮素的時空變化特征

由圖3可知,在每條支渠上,張松村農(nóng)田水渠TN、NH4+-N濃度沿著排水水流方向總體上有逐漸減小的趨勢,靠近排水口濃度相對較低.但是NO3--N濃度變化情況則與之相反,隨排水水流方向總體上有逐漸增大的趨勢.此外,在不同的月份,NH4+-N濃度最高點和最低點的分布與TN相類似,濃度偏高點都是出現(xiàn)在農(nóng)田支渠渠尾處或流經(jīng)村莊的支渠處,如 3號,17號;而最低點則位于主渠上或靠近排水口與閘門處,如6號,8號.這可能是由于較遠離排水口的點受到了農(nóng)田排水和生活污水的影響,而靠近排水口處水位較高,水量變大,水面面積較大對TN和NH4+-N起到了一定的稀釋作用.而旱地大量使用化肥時,各種形態(tài)的氮肥施入土壤后,通過微生物作用形成的NO3--N被土壤吸附甚微,易于通過灌溉水淋洗而進入水渠里,進而隨著排水水流聚集在排水口處,使得其濃度增大.

圖3 張松村農(nóng)田水體各支渠氮、磷的空間變化Fig.3 Spatial variations of nitrogen and phosphorus concentration in farmland drainage of Zhangsong village

由圖4可知,與張松村的情況相似,相同月份,在每條支渠上,除第7支渠外,隨著排水水流方向,萬頃沙十五涌農(nóng)田水體TN、NH4+-N濃度總體上有逐漸減小的趨勢,NO3--N濃度有逐漸增大的趨勢;渠尾水位較低,越靠近渠尾 TN與 NH4+-N濃度越高.這可能的原因與上述張松村的情況相似.與其他支渠相比較,第7支渠的氮素變化情況則有所不同:同一月份,TN與 NH4+-N沿著排水水流方向總體上有逐漸增大的趨勢,而NO3--N有逐漸減小的趨勢.可能是因為該片農(nóng)田是由不同農(nóng)戶承包,排灌水方式由農(nóng)戶的種植作物及種植習慣決定,此處為藕地,其施肥方式是直接在排水口處倒撒化肥,然后在進水口處打開閘門灌水,讓其隨著水流往田間輸送,這就可能使得在排水口處化肥的殘余量較多,進而使得 TN與NH4+-N濃度較大.

圖4 萬頃沙十五涌農(nóng)田水體各支渠氮、磷的空間變化Fig.4 Spatial variations of nitrogen and phosphorus concentration in farmland drainage of No. 15 Chung of Wanqingsha

由圖5可知,從10月～次年03月,張松村農(nóng)田水渠N素總體上有逐漸增大的趨勢;萬頃沙十五涌農(nóng)田水渠TN、NO3--N變化規(guī)律相一致,先減小而后增大,NH4+-N變化不大.農(nóng)田水渠中的N素濃度變化主要與農(nóng)田中施用的農(nóng)藥、化肥以及灌溉和降雨量有關(guān).相關(guān)資料顯示,調(diào)查區(qū)10月～次年01月降雨量較少.番禺區(qū)從10月份降雨量就一直減少,10月份總降雨量僅為 30.2mn,到了次年3月份才有所增加,為49.5mn[28].南沙區(qū)10月至 12月降水量都比常年同期平均值偏少[29].而此時冬種的蔬菜正處于生長期,施用了大量的化肥與農(nóng)藥,降水量的偏少減少了淋洗強度,在一定程度上影響了水渠里氮素濃度的大幅度增加.但是農(nóng)作物的生長需要充足的水分,隨著灌溉量的增加,淋洗作用又增強,未被作物吸收的氮肥便隨著農(nóng)田徑流遷移到溝渠里,使得水渠氮含量的增加.

采樣期間張松村潮漲落情況為10月處于漲潮狀態(tài),11月至次年03月處于退潮狀態(tài):萬頃沙則是10月、11月和次年03月處于退潮,而次年01月處于漲潮.由圖5可知,氮素濃度在漲潮時比退潮時稍低.因為珠江河口屬于不規(guī)則半日潮,研究區(qū)河涌水量的變化主要是受到潮汐的影響.漲潮時,河涌水位上升,水量增大,對污染物起到稀釋作用;退潮時河涌水流入珠江水道,水位下降,水量減小,未起到稀釋作用,污染物濃度偏高.

總體上來看,這 2 個研究區(qū)各監(jiān)測點處NH4+-N低于NO3--N,NO3--N所占TN的含量比例較高.這與張福珠[30]等應(yīng)用15N研究土壤-植物系統(tǒng)中氮素淋失動態(tài)得出的結(jié)論相似,段水旺等[31]對長江下游地表水體氮磷的含量和輸送量的研究結(jié)果也證實了這一結(jié)論.這是因為農(nóng)田水體, 特別是農(nóng)田排放水中的 NO3--N 主要是由NH4+-N轉(zhuǎn)化而成.在好氧條件下,土壤礦化中釋放的銨態(tài)氮以及肥料胺很快被硝化細菌氧化成硝態(tài)氮,這一轉(zhuǎn)化過程是溫度的函數(shù)[32],另外由于土壤顆粒和土壤膠體一般都帶負電荷,因此對NH4+具有很強的吸附作用,使得大部分可交換態(tài)銨得以保存在土壤中,而 NO3--N帶負電荷不易被土壤吸附,隨著地表徑流流入水渠里,這樣便使得水體中的NO3--N含量較高[33].此外,王磊等[38]認為偏堿環(huán)境有利于硝化細菌的生存與繁殖,硝化反應(yīng)適宜pH值為7.0～8.5,而該研究區(qū)水體的PH值約為6.5～7.8,采樣過程水渠里水位較低,有些渠底暴露,有利于NH4+-N向NO3--N的轉(zhuǎn)化.

2.3 TP的時空變化特征

由圖3、圖4可知,這兩個研究區(qū)中TP的濃度都比較低.10月～次年03月,在同一采樣點上張松村農(nóng)田水體 TP濃度有逐漸增大的趨勢;而隨著排水水流方向,TP含量變化不是很有規(guī)律,這主要是受到農(nóng)田排水和農(nóng)戶生活污水的影響.農(nóng)戶生活污水排放的不規(guī)律,使得 TP含量變化也沒有規(guī)律.總體上來看,張松村農(nóng)田水體 TP含量比萬頃沙的稍高,是因為受到了農(nóng)村生活污水的影響.所測水樣中有 67%的水樣 TP含量在GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》[26]Ⅲ類限值0.2mg/L以內(nèi),其中,12月的TP含量較其它月份的高,可能是因為采樣時處于排水狀態(tài),水位較低,河底有些暴露,很可能就使得底泥中磷的再次釋放,再加上農(nóng)戶生活污水的影響,就使得 TP含量有所增加.在同一支渠上,沿著排水水流方向,萬頃沙十五涌農(nóng)田水體TP濃度有逐漸減小的趨勢.從10月～次年03月,在同一采樣點上,TP濃度變化無明顯規(guī)律.在不同的月份,TP最高點總是出現(xiàn)在18號及19號,這可能與排水頻率有關(guān).該地主要種植芹菜,采樣期間該處的水位均較低,水質(zhì)較濁,呈綠色,可能是因為由于大量施用的化肥隨徑流聚集在該水體中,再加上平時很少排水,就使得該處的總磷偏高.與TN相比,萬頃沙十五涌各監(jiān)測點TP含量較低,所測水樣中90%的水樣TP含量在 GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》[26]Ⅲ類限值0.2mg/L以內(nèi),說明該水體受總磷污染較小.

2.4 各水質(zhì)指標的相關(guān)關(guān)系

Spearman相關(guān)分析結(jié)果顯示(表3、表4),張松村農(nóng)田水渠TN與NH4+-N、TP、CODcr呈顯著性正相關(guān)(P＜0.01),與 NO3--N 無顯著性相關(guān);NH4+-N與NO3--N呈負相關(guān)(P ＜0.05);萬頃沙農(nóng)田水渠TN與NH4+-N、TP、NO3--N呈顯著性正相關(guān)(P＜0.01),與 CODcr呈顯著性正相關(guān)(P＜0.05).TN與TP顯著正相關(guān),有研究表明[39],有機氮是TN的重要成分,有機氮的礦化與TP的可利用性有關(guān).張松村農(nóng)田水渠TN與與NO3--N無顯著性相關(guān),說明該水體中的 NO3--N有可能直接來源于農(nóng)田化肥的流失而不是來自有機氮的礦化作用;NH4+-N與NO3--N呈負相關(guān),說明這兩者存在著“此消彼長”的關(guān)系,因為NO3--N濃度偏高而使得NH4+-N濃度偏低.萬頃沙十五涌農(nóng)田水渠中3種氮之間均呈顯著性相關(guān),說明3種氮之間的轉(zhuǎn)換較為完全.

表3 張松村農(nóng)田水渠各水質(zhì)指標相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 Matrix of correlation coefficient between water quality indexes in farmland drainage of Zhangsong village

表4 萬頃沙十五涌農(nóng)田水渠各水質(zhì)指標相關(guān)系數(shù)矩陣Table 4 Matrix of correlation coefficient between water quality indexes in farmland drainage of No.15 Chung of Wangqingsha

3 結(jié)論

3.1 研究區(qū)農(nóng)田水渠水與附近河涌、珠江河道水體氮、磷濃度具有一定的差異,總體趨勢是農(nóng)田水渠水氮、磷濃度＞附近河涌＞珠江河道水體.從10月～次年01月,張松村農(nóng)田水體中N、P濃度大于萬頃沙十五涌的,主要是前者受到農(nóng)田排水及農(nóng)戶生活污水的雙重影響.

3.2 農(nóng)田水渠水氮、磷時空變異具有相似性,即同一月份,在每條支渠上,隨著排水水流方向, TN、NH4+-N及TP濃度總體上有逐漸減小的趨勢,而NO3--N濃度有逐漸增大的趨勢.渠尾水位較低,越靠近渠尾TN與NH4+-N濃度越高.

3.3 兩個研究區(qū)3種氮素之間的相關(guān)性有所不同,張松村水體中TN與NH4+-N呈顯著性正相關(guān),與NO3--N無關(guān),說明了該水體中NO3--N直接來自于農(nóng)田化肥的流失.萬頃沙十五涌農(nóng)田水渠中3種氮之間均呈顯著性相關(guān),說明3種氮之間的轉(zhuǎn)換完全.

3.4 該區(qū)域水體農(nóng)田面源污染的主要來源是農(nóng)村生活污水和農(nóng)田排水.因此,控制研究區(qū)農(nóng)田面源污染最關(guān)鍵是從這兩個方面著手.張松村村委旁已建有生活污水處理池,但現(xiàn)仍未運行.可根據(jù)該研究區(qū)水系格局的特點,在河涌排走之前對其進行處理后達標排放.而萬頃沙十五涌農(nóng)田水渠渠岸較光禿,可渠邊合理種上蘆葦、水草等水生植物,利用其進行修復(fù).除此之外,要合理施用化肥、加強水肥管理,空水灌溉,以減少田面水的排出從而降低農(nóng)田氮、磷的流失.

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