北運河下游流域設施農田氮磷流失特征及污染負荷研究

于丹+劉瓊瓊+邵曉龍+劉紅磊+田晶+張青

摘要：針對北運河下游流域設施農業快速發展、化肥農藥施用量劇增、肥料利用效率不高的特點，選取北運河下游典型設施農田—北辰雙街農業種植園作為研究區，結合其降水徑流形成特征，分析設施農業非點源污染流失特征。結果表明，研究區降雨的流量過程線呈正態單峰型特征，降雨的徑流過程都表現為陡漲、陡落;隨著降雨徑流的產生和徑流流量的增加，徑流污染物的濃度快速升高，達到峰值后迅速下降，后期較均勻穩定;污染物濃度的峰值提前于徑流的峰值，在整個徑流污染過程中整體表現為初期徑流中污染物的濃度高于后期徑流中污染物的濃度;研究區年污染負荷量TN為990.8 kg、TP為17.19 kg、NH4+-N為304.17 kg、NO3-N為469.72 kg、COD為5 879.65 kg。從污染負荷數值來看，大棚種植區的年平均氮磷釋放量遠小于露天種植方式。

關鍵詞：北運河下游流域;設施農田;氮磷流失;污染負荷;

中圖分類號：S157.1 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2015）23-5881-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.021

Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Loss of Facility Farmland in the Downstream of the North Canal River Watershed

YU Dan1，LIU Qiong-qiong1，SHAO Xiao-long1，LIU Hong-lei1，TIAN Jing2，ZHANG Qing2

（1.Tianjin Environmental Protection Science Research Institute，Tianjin 300191，China; 2.Tianjin Professional College，Tianjin 300191，China）

Abstract： Beichen Shuangjie Agricultural Demonstrational Park， a typical facility farmland in the downstream of North Canal River， was selected as the research area. The formation mechanism of non-point source pollution and the characteristics of nitrogen and phosphorus loss of the typical facility farmland were analyzed by the formation characteristics of rainfall-runoff in this park. Results showed that the discharge curve of the rainfall in the research area was normally unimodal and its runoff process showed a steep rise and fall. With the production of rainfall runoff and an increase in runoff， the concentrations of runoff pollutant rose to a peak rapidly and then fell rapidly， later became uniform and stable. The peak of pollutant concentrations was ahead of that of runoff， showing that the pollutant concentrations in early runoff was higher than that in the late runoff throughout the process of the runoff pollution.A pollution load accounting model for greenhouse region was presented using an improved export coefficient method. Results showed that total nitrogens， total phosphorus， ammonium nitrogen， nitrate nitrogen and COD release were 990.80，17.19，304.17，469.72，5 879.65 kg/a， respectively. With the data of pollution load， the nitrogen and phosphorus release in facility farmland system was much less than that in open farmland systems.

Key words： North Canal River watershed; facility farmland; nitrogen and phosphorus loss; pollution load

氮、磷是生物體必需元素，同時也是引起水體富營養化的主要影響因素[1]。近年來，隨著經濟發展，人類活動日益劇烈，中國河流水體中營養元素質量濃度呈上升趨勢。營養鹽質量濃度上升會導致河流水體富營養化風險增加，這將成為河流水環境治理的重要問題之一[2]。endprint

海河水系在全國七大水系中污染狀況最為嚴重，總體為重度污染，尤其是氮磷污染嚴重，若未能得到及時有效的控制，將嚴重制約華北地區的可持續發展，造成重大及難以逆轉的后果[3]。北運河水系屬海河流域北系，河流以污水補給為主，由主河道和溝渠構成的北運河下游河網區，水系發達，河渠縱橫交錯，擔負著調蓄、供水、灌溉、養殖等多種功能[4，5]。隨著區域工農業發展和城市化進程加快，每年大量營養物排入，下游河網區水體污染嚴重，已成為海河水系的典型污灌區[6]，其中農田徑流所攜帶的污染物質占很大比例。因此，研究農田地表徑流中氮磷的遷移規律與流失特征對防治農業面源污染與地表水體富營養化、緩解水資源危機具有重要的理論和現實意義[7-10]。

近年來，在經濟利益的推動下，北運河下游流域的種植結構有了很大調整，設施農業面積大幅度上升，而對設施農業的污染產生與排放規律的研究較少[11]。針對北運河下游流域設施農業快速發展、化肥農藥施用量劇增、肥料利用效率不高的特點，本試驗選取北運河下游典型設施農田—北辰雙街農業種植園作為研究區，結合其降水徑流形成特征，分析設施農業非點源污染形成機理和流失特征。結合大棚種植區農業氮磷流失特點，在現有農業非點源污染負荷估算模型的基礎上，提出大棚種植區污染負荷模型，旨在建立適合我國設施農業的氮磷流失污染負荷估算方法，以簡便有效的方法評估大棚農業的氮磷流失水平。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區概況

北運河屬于海河水系北部，是中國南北大運河的北段，自北京通縣至天津入海河處，是天津重要的一級河道、海河干流的重要組成部分，承擔著防洪、引灤輸水任務，屬于典型的農業污灌區。區域內地貌多平原，土地利用以農業耕作為主;氣候屬于大陸性季風氣候，受季風影響，春季氣候風多雨少，夏季雨量集中。年平均降水量為550～680 mm，夏季降水量約占全年降水量的80%。

研究示范區—北辰雙街農業種植園位于北運河以西，主要為設施葡萄種植，占地80 hm2，連棟大棚195棟，是典型的大棚種植區。農田中的地表徑流主要通過6條明渠直排入北運河下游河網區。圖1為研究區示意圖。

1.2 ?研究方法

1.2.1 ?旱季監測 ?由于研究區所種植均為大棚作物，有著相同的種植結構，流量和水質較為均一。研究區共有6條明渠直排入北運河下游河網區，結合試驗區灌排渠系布設現狀，在試驗區選取代表性的1條排水溝渠進行連續監測。監測點主要設置在排水溝渠末端的入河口附近，以得到最終入河的污染負荷。水質分析指標包括總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、磷酸鹽（SRP）。

1.2.2 ?雨季監測 ?雨季監測于2014年4-9月進行。結合試驗區灌排渠系布設現狀，在試驗區選取代表性的1條排水溝渠進行連續監測。監測點主要設置在排水溝渠末端的入河口附近，以得到最終入河的污染負荷。

降雨資料的獲取主要通過對降雨全過程降雨強度的監測實現。降雨觀測工具為自動雨量計，可以實現降雨全過程的監測，記錄間隔設為5 min，即每5 min給出一個降雨量數據。至降雨徑流水量趨于穩定，測定采樣點流速和記錄水位，計算流量。流速采用LGY-II型便攜式流速流量儀進行測算，5～10 min測量一次。同時采取水樣進行水質監測。水樣分析指標包括化學需氧量（COD）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、總磷（TP）、磷酸鹽（SRP）。

2 ?結果與討論

2.1 ?旱季流量監測

研究區內共有6條排水渠直排園外溝渠，多數溝渠末端流量較小，或處于靜止或干涸狀態，在泵站抽水的日子會有剩余的農灌水流下來，流量較大。由于示范區內相同的灌溉方式和種植結構，6條排水溝渠末端流量較為接近。我們選取1#排水口進行連續水量監測。將1#排水口流量乘以6，可以大致估算出整個研究區排水入園外溝渠的總流量。

選取2014年5月23日-6月6日進行隔天監測，其中5月31日為灌溉日。該段時間內天氣晴朗，沒有降雨，是典型的的旱季時段。圖2為該時間段流量圖。

從圖中數據可以看出該時間段流量隨時間波動很大，灌溉前流量很小，1#排水口的流量基本為9.96～17.21 m3/d。灌溉的日流量倍增，最高值達274.65 m3/d，隨后流量逐漸變小，趨于9～18 m3/d。總流量最高值達1 647.9m3/d，在灌溉前后的流量平均為98.46 m3/d。

2.2 ?旱季水質監測

由于研究區內相同的灌溉方式和相似的種植結構，6條排水溝渠水質較為接近。我們選取1#排水口進行連續水質監測，將1#排水口的污染物平均濃度近似為整個大棚種植區旱季農田退水污染物的平均濃度。

表1為示范區旱季農田退水污染數據，從表中數據可以看出，旱季農田退水中各項營養物的平均濃度較高，其中TP濃度較低，達到地表水Ⅱ類標準;NH4+-N濃度剛好達到地表水Ⅴ類標準，而TN和COD濃度指標遠超出地表水Ⅴ類標準。

2.3 ?旱季污染負荷估算

由于示范區相同的灌溉方式和相似的種植結構，將1#排水口的污染物平均濃度近似為整個大棚種植區旱季農田退水污染物的平均濃度，然后乘以6條排水口總的流量，可以大致估算出研究區大棚種植區旱季農田退水污染物平均負荷量，見表2。

2.4 ?降雨特征分析

對天津北辰區往年降雨數據分析，每年的4-9月是該地區的主要降雨期，合計降雨量約占全年降雨量的85%以上，也是形成降雨徑流、產生徑流污染的主要月份，因此主要對4-9月降雨進行監測分析。根據研究區監測數據，在2014年4-9月，研究區共降雨38次，總降雨量為401.9 mm;最大日降雨發生在8月31日，降雨量為48.8 mm;最小僅有 0.2 mm。表3為2014年4-9月的降雨類型和發生頻率。endprint

從表3中可知，2014年4-9月降雨次數（>0.1 mm）為38 d，從降雨類型分布看，0.1～1.0 mm的降雨次數為5次，發生頻率為13.15%，降雨量2.6 mm，占全年降雨量的0.64%，基本為無效降雨。1.0～10.0 mm的降雨次數為21次，發生頻率為55.26%，是發生頻率最高的降雨類型，降雨量96.4 mm，占全年降雨量的23.98%。降雨量在10.0 mm以上的降雨次數為12次，降雨量302.9 mm，雖然發生頻率只有31.57%，但是降雨量占全年降雨量的75.36%，是形成地表徑流的主要降雨。

本研究對2014年7月30日、8月4日和9月2日研究區的3場大雨降雨徑流全過程進行監測，表4為三次雨降雨歷時、降雨量及總徑流量情況。

由表4可知，7月30日徑流量最大，而8月4日單位時間降雨量最大。

2.5 ?雨季污染物流失特征分析

徑流污染過程就是降雨及其形成的徑流對地表污染物的溶解、沖刷，最終排放進入受納水體的過程。在一次降雨徑流過程中，徑流中污染物濃度隨時間的變化特征主要取決于降雨徑流特征和地表污染物的數量。以示范區2014年7月30日、8月4日和9月2日3場大雨的降雨-徑流-污染的變化過程為例說明設施農業徑流污染過程的特征，見圖3-圖5。

從圖3-圖5可以看出，7月30日降雨量較小，形成的地表徑流并不明顯，降雨的流量過程線呈多峰型特征。8月4日和9月2日兩場降雨的流量過程線均呈正態單峰型特征，降雨的徑流過程都表現為陡漲、陡落。這是由于大棚種植區不透水面積比例高，降雨的初損減少較多，降雨迅速形成徑流，徑流快速拉升上漲，很快達到峰值。同時，高比例的不透水面積阻礙了降雨的入滲，降雨形成壤中流和地下徑流的機會少，降雨停止后，流量很快下降。

8月4日和9月2日兩場降雨徑流事件的共同特征是隨著降雨徑流的產生和徑流流量的增加，TN、TP、NH4+-N、SRP、COD的濃度很快升高，并達到峰值，之后污染物的濃度便迅速下降，趨于穩定。污染物濃度的峰值提前于徑流的峰值，在整個徑流污染過程中整體表現為初期徑流中污染物的濃度高于后期徑流中污染物的濃度。7月30日降雨事件由于雨量較小，污染特征曲線規律性不強。此外，污染物濃度峰與徑流峰的間隔時間同降雨強度有關，一次降雨事件初期降雨強度越大，污染物濃度峰與徑流峰的間隔時間越短。

在降雨徑流過程中NO3--N濃度的變化特征不同于其他污染物，在整場降雨徑流中，NO3--N的濃度表現為先升高后下降再逐漸升高并平衡的趨勢。這可能是因為在徑流的后期，徑流的組成發生了變化所致。盡管大棚種植區不透水地表占很大的比例，但還是存在一些透水性地表，如草地、樹木等綠化用地。因此，在高強度的降雨情況下，可能會出現淋溶過程，是NO3--N濃度升高的一個原因。另一方面，不透水地表產流快，會在地表（如植草溝）造成滯水的現象，使得徑流同地表的作用時間增加，可能會洗脫出一部分NO3--N。

2.6 ?雨季污染負荷估算

根據2014年7月30日、8月4日和9月2日三場降雨的降雨量和徑流量計算平均徑流系數為0.339。根據監測降雨量數據和平均徑流系數計算徑流量，見表5。

根據計算出的大棚種植區雨季徑流污染物平均濃度，乘以研究區產生的總徑流量，則近似得出大棚種植區雨季產生的年污染負荷量為：TN為779.00 kg、TP為14.67 kg、NH4+-N為242.77 kg、NO3-N為359.29 kg、SRP為5.67 kg、COD為3 413.93 kg。

3 ?結論

1）研究區降雨的流量過程線均呈正態單峰型特征，降雨的徑流過程都表現為陡漲、陡落。這是由于大棚種植區不透水面積比例高，降雨的初損減少不多，降雨迅速形成徑流，徑流快速拉升上漲，很快達到峰值。

2）隨著降雨徑流的產生和徑流流量的增加，徑流污染物的濃度很快升高，達到峰值后迅速下降，后期較均勻穩定;污染物濃度的峰值提前于徑流的峰值，在整個徑流污染過程中整體表現為初期徑流中污染物的濃度高于后期徑流中污染物的濃度。

3）根據對大棚種植期旱季和雨季的監測和污染負荷估算，大棚種植區年污染負荷量為TN為990.8 kg、TP為17.19 kg、NH4+-N為304.17 kg、NO3--N為469.72 kg、COD為5 879.65 kg。從污染負荷數值來看，高比例的大棚不透水面，阻擋了雨水對種植區土壤的直接沖刷，大大減少了肥料的流失。

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