蘇北平原河網區典型農村中小河流水體氮磷賦存特征

陸海明，陳曉燕，趙海濤，鄒 鷹，錢曉晴

(1.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210029;2.揚州大學環境科學與工程學院，江蘇揚州 225009)

近30a來，我國農業生產快速發展，單位面積上化肥、農藥、農膜等農用化學物品的投入持續增加，畜禽養殖業蓬勃發展。然而由于缺乏相應的管理措施，在許多相對發達的區域農村水環境已經呈現持續惡化趨勢，嚴重影響到農村居民身心健康、飲水安全和農村生態環境質量[1-4]。與山區河流區不同的是，平原河網區河流比降小，水體流速小，水流不暢，河流自凈能力較差，污染物累積在河道中不易降解。目前，有關東部經濟發達地區農村水環境研究報道較多，如太湖流域和杭嘉湖平原河網區[5-11];而同樣位于東部地區而經濟相對欠發達的蘇北平原河網區農村水環境的研究報道相對較少。筆者選擇位于蘇北平原河網區的鹽城市射陽縣一個典型圩區為代表性研究區域，通過對河流溝渠水質進行持續1 a多的監測分析，期望得到農村水體氮磷賦存特征，為農村水環境保護和水資源管理提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

蘇北平原河網區通常是指江蘇省長江以北、京杭大運河以東地區，氣候濕潤，多年平均降雨量為1000mm左右，年內分配不均，汛期降水集中，約占年降水量的65%。地面高程(廢黃河高程)在0.8～2.2 m之間，屬低平原區。2009年和2010年全年降水量分別為1239 mm和774 mm。

區域內地勢平坦，河網密布，水流流向逆順不定，內外水量交換頻繁，圩區產水和河網匯流情況十分復雜。水工建筑物眾多，涵閘調節，機電灌排，人類活動影響頻繁，水流情勢大多由人為控制，水位變化平緩，為江蘇主要的糧食、油料和商品棉生產基地。

本研究選擇在通榆運河東側、黃沙港和利民河之間屬于里下河沿海墾區的典型沿海平原河網區——崇鳳圩區為代表性研究區域(圖1)。研究區域北以黃沙港、南以利民河、東以中心河、西以川沙河為界，基本呈長方形，面積為12.73 km2。該圩區隸屬于鹽城市射陽縣長蕩鎮，主要包括勝利橋、甲侯和中河3個行政村的部分區域。研究區域北側的黃沙港是里下河上游洪水入海和當地排水的重要通道，南側的利民河則是當地排水入海的主要通道。黃沙港、利民河河底寬分別為50～90 m、10～60 m。中心河和川沙河是連接黃沙港河與利民河的支流，河底寬約為4 m。中溝是連接中心河與川沙河的次級支流，干渠則是連接中溝之間的骨干溝渠，圩區內農田排水首先進入中溝與干渠。中溝與干渠河底寬約為2 m。圩區內有東西向中溝10條，常年有水的南北向干渠12條;河道長度為38.59 km，密度為3.03 km/km2，圩區內河道多為20世紀60—70年代人工開挖，形成“井”字形狀的河道格局。在汛期，降水是當地河道水主要來源;在非汛期，河道水主要依賴于上游河流過境水資源補充。目前，溝渠河流因長期未及時清理，淤積嚴重，河道內水花生、水葫蘆等雜草和居民生活垃圾等雜物叢生。當干旱年份春季用水高峰時期，部分河流水位明顯下降，甚至出現河流斷流現象。

圖1 研究區域及采樣點分布示意圖

圩區內常住人口約為6500人，農村居民主要分散居住在中溝兩側，少部分居民分布在干渠兩側，在建房時通常將房屋地基墊高，高于圩區中間的農田，形成四周高中間低的格局。圩區內主要土地利用類型為耕地和農村住宅用地，在東北側有少數幾家小規模的紡織廠，基本沒有工業廢污水排放。農業生產是當地的支柱產業，主要耕作方式為:棉花-大麥/小麥間套作和水稻-小麥/大麥/油菜輪作。水稻種植主要在部分靠近中溝和干渠、易于農戶自行取水灌溉的少部分耕地進行，其余大部分耕地主要種植棉花、玉米、黃豆等旱地作物。

全年農田氮肥施用量約為600～800 kg/hm2(以N計)，磷肥施用量約為225～300 kg/hm2(以P2O5計)，屬于化肥施用量較大地區。近幾年來，在圩區西北側建有幾家大型蛋雞養殖場，全年存欄量約為10萬只，產生的雞糞和沖洗廢污水并沒有得到妥善的無害化處理，部分直接排入或在汛期降雨時沖刷進入溝渠。多年持續高強度的化肥和農藥投入以及畜禽養殖業的興起已經成為影響當地水環境質量的主要因素。

1.2 采樣點布置和分析方法

如圖1所示，在圩區共設置18個地表水采樣點，其中川沙河3個，利民河2個，中心河2個，中溝5個，干渠5個，黃沙港1個。在2009年4月和2009年7月至2010年9月，每月15日前后，利用2.5L有機玻璃水質采樣器采集水樣。除黃沙港外，每個采樣斷面采集1個水樣，黃沙港在河流左岸、中泓和右岸分別采集3個水樣混合為1個水樣，采樣深度均為水面下0.5m。在汛期適當加密采樣。水樣的采集、存貯和運輸按HJ 493—2009《水質采樣樣品的保存和管理技術規定》操作，及時送回實驗室檢測分析。

地表水樣品分析指標選取氮素和磷素。氮素分析指標為總氮(TN)，溶解態總氮(TDN，用0.45 μm濾膜過濾后的水樣)，硝態氮(NO3－-N)和銨態氮(NH4+-N)。總氮和溶解態總氮采用過硫酸鉀消解(120℃，200 kPa，硝化30 min)，雙波長比色法。經0.45 μm濾膜過濾后的水樣用雙波長比色法測定硝態氮(NO3－-N)，用靛酚藍比色法測定銨態氮(NH4+-N)。顆粒態氮(PN)為TN與TDN之差，DON=TDN－(NO3－-N+NH4+-N)。DON為溶解態有機氮。磷素分析指標為總磷(TP)、溶解態總磷(TDP，用0.45 μm濾膜過濾后的水樣)、溶解態活性磷(DRP)。TP和TDP采用過硫酸鉀消解(120℃，200 kPa，消解30 min)，采用鉬銻抗比色法檢測。經0.45 μm的濾膜過濾后的水樣直接用鉬銻抗比色法測定DRP。顆粒態磷(PP)濃度為TP與TDP之差，溶解態非活性磷(DURP)為TDP與DRP之差。所有測定均按照標準方法進行[12-13]。

為了研究河道地表水分層情況，在2010年8月中旬利用便攜式多參數水質儀(DS5X，美國哈希公司生產)現場分層測定地表水pH值、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)等水質參數。

2 結果與分析

2.1 地表水氮磷濃度和形態時間變化特征

圖2 河流溝渠地表水不同形態氮素質量濃度隨時間變化規律

研究區域內河流溝渠地表水不同形態氮素質量濃度隨時間變化規律如圖2所示。總體來說，研究區域內地表水氮素污染較為嚴重，所有地表水總氮濃度均超過GB3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類水質標準(ρ=1.0 mg/L)，79%的地表水總氮濃度超過地表水Ⅴ類水質標準(ρ=2.0 mg/L)，23%的地表水總氮質量濃度高于4.0 mg/L，地表水總氮質量濃度最高達9.4 mg/L。春季枯水期和夏季汛期是地表水氮素濃度相對較高時期。2010年3月枯水季節河流地表水所有監測點總氮質量濃度均超過8.0 mg/L，2009年7月和8月中溝、中心河和川沙河總氮質量濃度高于8.0 mg/L，2010年7月與8月汛期地表水總氮質量濃度為4.0 mg/L左右。在2009年7月22—23日一次雨量達165.3mm的較大降雨過程前后，分別測得川沙河、中心河、利民河的地表水總氮質量濃度分別為2.89mg/L、2.91mg/L、2.55mg/L和8.42 mg/L、8.39 mg/L、4.55 mg/L，地表水總氮質量濃度普遍有所升高。

研究區地表水銨態氮質量濃度總體較低，只有9%的監測數據超過地表水Ⅲ類水質標準(ρ=1.0 mg/L)，只有3次監測數據超過地表水Ⅴ類水質標準(ρ=2.0 mg/L)，超標數據主要分布在2010年的汛期，以中溝采樣點發生次數最多。可能與中溝兩側的居民生活污水排放有關。

研究區內河流溝渠地表水不同形態磷素質量濃度隨時間變化規律如圖3所示。研究區域內地表水磷素污染同樣較為嚴重。所有監測數據中，73%的地表水總磷質量濃度超過地表水Ⅲ類水質標準(ρ=0.2 mg/L)，39%超過Ⅴ類水質標準。研究區域地表水總磷濃度汛期高于非汛期。利民河地表水總磷含量在枯水季節低于Ⅲ類水體質量標準，在汛期略高于Ⅴ類水體質量標準。中心河37.5%的地表水總磷濃度超過地表水Ⅴ類水質標準，87.5%超過Ⅲ類水質標準。在2010年汛期，干渠、中溝和川沙河地表水總磷質量濃度顯著超過Ⅴ類水質標準，中溝地表水總磷質量濃度最高，部分采樣時間段甚至超過1.0 mg/L。2010年汛期地表水總磷質量濃度超過2009年汛期，這可能與2010年汛期降雨偏少，對地表水磷素稀釋作用較弱有關。

圖4為研究區域內地表水氮素和磷素形態組成總體情況。地表水氮素主要以溶解態形式存在，溶解態總氮占總氮的比例超過80%，溶解態總氮又以硝態氮為主，硝態氮占溶解態總氮的比例約為60%，亞硝態氮和溶解的有機氮含量次之，占溶解態總氮的比例約為30%，銨態氮比例最少，占溶解態總氮的比例約為10%。研究區域中地表水磷素主要以溶解態形式存在，顆粒態磷素占總磷的比例平均約為25%，溶解態磷素主要以溶解態活性磷形式存在，所占比例約為80%。

圖3 河流溝渠地表水不同形態磷素質量濃度隨時間變化規律

圖4 蘇北河網區農村中小河流地表水氮素和磷素形態組成

2.2 地表水氮磷質量濃度空間分布特征

圖5為研究期間各個采樣點所有監測數據地表水氮素和磷素平均質量濃度空間分布圖。研究區域內不同采樣點地表水總磷質量濃度差異顯著大于總氮質量濃度差異。地表水總氮平均質量濃度最高為4.84 mg/L，最低為2.91 mg/L，前者為后者的1.66倍;地表水總磷平均質量濃度最高為1.10 mg/L，最低為0.16mg/L，前者為后者的6.96倍。總體來說，北部畜禽養殖相對集中區域地表水氮素和磷素質量濃度高于南部水產養殖相對集中的區域。在靠近養雞場的8號采樣點，地表水銨態氮比例最高，近30%，其他采樣點比例均未超過16%。

圖5 蘇北河網區農村中小河流地表水氮素和磷素平均質量濃度空間分布

圖6為2009年7月18日在中溝采集的離養雞場集中區域不同距離地表水氮素和磷素濃度。離養雞場越近，河流地表水氮素和磷素濃度越高，受畜禽養殖污染的地表水氮素銨態氮比例越高;地表水溶解態活性磷(DRP)占總磷的比例并未隨離開養雞場的距離增加而變小，相應的比例基本不變。

圖6 地表水氮素和磷素質量濃度與養雞場距離的關系

2.3 小型河流夏季地表水水質分層現象

在夏季，部分污染嚴重、底泥長期未清淤的干渠和中溝等小型河流水體出現水質分層現象(圖7)。以2010年8月10日在8號采樣點的水質數據為例，在水深約為1.2 m的河道內地表水DO質量濃度從表層的0.3 mg/L迅速下降到不足0.05 mg/L，在水體底層DO質量濃度近乎為零。ORP從表層到深層水體也幾乎直線下降。pH值從表層呈弱堿性到底層已經成為弱酸性，河道底質呈厭氧狀態導致許多酸性物質累積，引起pH值下降。隨著溝渠地表水深度的增加，氮磷濃度也相應地有所增加，特別是在溝渠底質和上覆水交界處氮磷濃度顯著高于表層。由于河道長期未得到清理，河流已經嚴重淤積，淤積深度超過0.5 m，部分河段甚至達到1 m，底泥呈黑色，有明顯的惡臭味。據調查，在蘇北平原河網區大部分干渠、中溝以及像中心河、川沙河屬于鄉、鎮地方管理的河道，通常要10～15 a才能夠清淤1次;相比而言，受農田利用強度加大、垃圾填埋、入侵生物過度生長造成水體流動不暢等因素影響，河道淤積速度明顯加快，河道清淤速度趕不上淤積速度。厚積的淤泥含有高濃度的氮磷可以通過擴散等途徑進入上覆水體，水體下層還原性條件加劇了磷素的釋放。平原河網區水體流速很慢，水體交換能力差，也是造成下層水體氮磷含量高于表層、出現只有深水型水庫才具有的明顯營養鹽分層現象的重要原因。胡雪峰等[7]在對上海市郊區河流水質研究時同樣發現夏季上海市郊中小河流存在水質分層現象。

圖7 蘇北河網區農村小型河流地表水水質分層現象

3 結論

研究區域中小河流水體氮磷超標嚴重，水體處于嚴重富營養化狀態。所有地表水總氮質量濃度均超過Ⅲ類水質標準(ρ=1.0 mg/L)，79%的總氮質量濃度超過Ⅴ類水體質量標準(ρ=2.0 mg/L)。地表水氮素主要為溶解態，溶解態總氮以硝態氮為主，銨態氮比例較少。監測數據中，73%的總磷質量濃度超過Ⅲ類水質質量標準(ρ=0.2 mg/L)，39%超過Ⅴ類水質質量標準，地表水磷素主要為溶解態磷素，溶解態磷素主要為溶解態活性磷。畜禽養殖相對集中區域地表水氮素和磷素濃度高于其他區域;規模較小的河流地表水氮磷濃度總體高于規模較大的河流。中溝干渠等小型河流存在地表水水質分層現象。

致謝:在樣品分析過程中得到揚州大學狄霖同學和盛海君老師的大力幫助，文章初稿得到鹽城工學院付強老師的修改和潤色，在此表示感謝。

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