贛江下游不同樣地降雨徑流氮磷污染負荷估算

向速林, 陶術平, 王逢武

1. 華東交通大學環境工程系, 南昌 3300132. 南昌大學鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室, 南昌 330047

贛江下游不同樣地降雨徑流氮磷污染負荷估算

向速林1,2,*, 陶術平1, 王逢武1

1. 華東交通大學環境工程系, 南昌 330013
2. 南昌大學鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室, 南昌 330047

向速林, 陶術平, 王逢武. 贛江下游不同樣地降雨徑流氮磷污染負荷估算[J]. 生態科學, 2016, 35(2): 62-65.

XIANG Sulin, TAO Shuping, WANG Fengwu. Nitrogen and phosphorus pollution loads from the different land use types in the Ganjiang River downstream[J]. Ecological Science, 2016, 35(2): 62-65.

選擇贛江下游地區不同樣地類型的徑流小區, 遇到大降雨時監測徑流水樣中的氮、磷含量, 并利用SCS模型計算降雨徑流量, 從而估算不同樣地類型降雨徑流中氮、磷的污染負荷。結果表明, 不同土地利用類型中氮、磷的輸出量差異顯著, 其氮、磷的污染負荷均以水田最高, 分別達到 10732.91 t·a–1與 1071.65 t·a–1, 而以林地最小, 分別為657.53 t·a–1與166.70 t·a–1, 反映了降雨徑流下水田的溶解態氮、磷流失量最大。因此, 水田的氮、磷流失是贛江下游需要重點考慮的因素。

贛江下游; 降雨徑流; 污染負荷

1 前言

降雨徑流對地表的擊濺以及沖刷產生的水力侵蝕作用, 造成了結合在土壤顆粒和土壤團聚體中的氮、磷等營養鹽的流失并進入地表水體, 從而引起地表水體的富營養化[1], 是一種重要的非點源污染類型[2]。流域土地利用方式及其結構變化對徑流中營養鹽含量以及輸出過程均具有極其重要的影響[3–4],不同土地利用類型決定了土壤的植被覆蓋度、物理結構性質以及氮、磷等營養鹽含量[5]。不同來源方式的降雨徑流攜帶的污染物質對地表水體氮、磷污染負荷具有重要的貢獻, 可能成為地表水體富營養化主要來源, 但不同土地利用類型氮、磷隨降雨徑流的輸出具有較大差異[6–7]。因此, 探討不同樣地類型下降雨徑流中氮、磷的污染負荷顯得尤為重要,對防治流域地表水體富營養化具有重要意義。贛江是長江八大支流之一, 起源于江西石城縣, 贛江主支于永修吳城鎮匯入鄱陽湖[8]。贛江下游屬于中亞熱帶濕潤季風氣候, 氣候溫和濕潤, 降雨量充沛[9],根據該流域的地理條件與土地利用狀況, 選擇贛江下游水田、旱地、林地及其它地等四種類型的徑流小區, 利用 SCS模型估算降雨徑流量, 結合降雨徑流中氮、磷含量估算其污染負荷, 為控制降雨徑流中氮、磷流失提供科學依據。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

結合贛江下游不同土地利用方式及其特點, 選擇四個典型徑流小區進行取樣觀測, 其降雨徑流水樣的采集點分別布置在贛江下游的蔣巷鎮(樣地類型為水田)、揚子洲鎮(樣地類型為旱地)、南新鄉(樣地類型為林地)與南磯鄉(樣地類型為其它地), 于2010年5月至8月在不同季節遇較大降雨時在上述采樣點采集降雨徑流水樣四次(采樣時間依次為4月12日、5月8日、5月14日與6月20日), 獲取的降雨徑流水樣在經過0.45 μm的尼龍膜過濾后裝入聚乙烯塑料瓶, 加入飽和HgC12固定, 在4 ℃下保存備測, 用來測量降雨徑流水體中的氮、磷濃度。

2.2 實驗方法

降雨徑流中氮、磷的分析方法按照《湖泊富營養化調查規范》(第二版)[10]中的方法進行測定, 磷酸鹽采用鉬銻抗比色法, 氨氮采用納氏試劑比色法,硝態氮采用酚二磺酸比色法。其中, 溶解態無機氮(DIN)為硝態氮與氨氮之和, 溶解態無機磷(DIP)為溶解態的磷酸鹽。

贛江下游不同樣地類型在降雨徑流時攜帶的氮、磷負荷量可以按照降雨徑流法計算得到, 其計算公式如下[11-12]:

其中,W為農業面源污染隨降雨徑流時攜帶的氮、磷負荷量(t·a–1);C為農業面源污染產區不同土地利用類型降雨徑流中氮、磷濃度(mg·L–1)(一般采用多次實測平均值);Q為研究區間降雨徑流時產生的地表徑流量(mm)。

3 結果與討論

3.1 不同樣地的降雨徑流量

3.1.1 徑流量的估算過程

徑流曲線模型(Soil Conservation Service, 簡稱SCS模型)是由美國農業部土壤保持局發展起來的用于估算農業流域降雨徑流量的流域水文模型, 具有所需資料簡單易取等特點, 能夠較為客觀地描述不同土地利用方式、土壤類型、前期的土壤含水量以及流域水文、氣象資料條件下的地表徑流形成過程, 對于小流域徑流預報具有較強的實用性和精確性。本研究利用SCS模型來估算贛江下游的降雨徑流量, SCS模型的降水徑流關系為[13]:

其中,Q為區域的降雨徑流量(mm);P為區域的降雨量(mm);S為降雨徑流開始后潛在的最大滯留量或稱為儲留系數(mm), 與流域的土壤類型、植被等因素有關, 可通過徑流曲線數(CN)計算確定;Ia為初始截留量(mm), 指徑流開始前全部降雨損失, 包括表層低洼儲水、植被截獲、蒸發、入滲等, 其與S的關系為Ia=0.2S。

徑流曲線數(Runoff Curve Number, 簡寫為CN)是反映降雨前流域特征綜合參數, 它與流域前期的土壤濕潤狀況(AMC)、植被、坡度、農業耕作方式、水文條件、土地利用方式和土壤類型等因素有關,取值范圍為 0—100[14], CN值越大, 其滲透量越小,產流能力越強[15]。為了反映土壤水分條件對CN值的影響, SCS模型根據前期降雨量大小將前期土壤的濕潤狀況AMC(Antecedent Moisture Condition)分干旱、正常和濕潤三級, 即AMC I為干旱情況(產流條件最低), AMC II 為正常情況, AMC III為濕潤情況(產流條件最高), 不同的前期土壤濕潤狀況, 其CN值不同; 此外, 土壤類型按土壤水分滲透率可分為四類, 即為 A型土壤(透水性好, 產流能力最小,這類土壤主要是由深厚的、易大量排水的礫石組成)、B型土壤(較為透水, 產流能力為中等, 土壤質地由中等細到中等粗, 土壤礫粒含量少)、C型土壤(較不透水, 其產流能力較好, 土層較淺, 土壤質地常常有中到細, 存在有阻礙水向下運動的土層)和D型土壤(接近于不透水, 其產流能力為最強, 主要為含有高膨脹性的粘性土壤及幾乎不透水物質的淺層土壤)四類。

根據贛江下游的土壤性質(紅壤, 屬于粘壤土,即粘質含量較高的土壤)和土地利用類型(本研究將贛江下游的土地利用類型分為水田、旱地、林地及其它地等四類), 確定該區域的土壤類型為C類, 即較不透水土壤, 故計算CN值時選擇C類土壤。參照SCS模型中提供的CN取值方法, 并結合其他學者的已有研究成果[16–19], 以及贛江下游地區的降雨徑流資料, 確定水文條件為正常含水量時, 不同土地利用方式CN值, 此即CN2值, 當土壤處于干旱或濕潤狀況時, 則需要進行相應地修正, 即利用正常狀態的CN2值分別計算干旱和濕潤狀況下CN1值和CN3值。

3.1.2 徑流量的估算結果

降雨是農業面源污染發生的源動力, 對土壤中氮、磷等營養鹽的流失具有較大的影響[20]。不同土地利用類型在降雨時均有產流過程, 但其特征因植被覆蓋和土壤類型等因素不同而異[20]。資料顯示,贛江下游多年平均年降水量約為1570 mm[18], 結合前述降雨徑流量的估算公式, 估算得到了贛江下游地區不同土地利用類型的年降雨徑流量, 其中水田的年降雨徑流量為962.42 mm, 旱地為552.16 mm,林地為428.75 mm, 其它地為682.45 mm, 可見贛江下游地區不同土地利用類型區域的年降雨徑流量差異相對比較明顯, 可能與不同土地利用類型所采用的農業生產方式以及地表的覆蓋狀況等不同有關,不同的農業生產方式改變了地表的覆蓋情況, 而不同的地表覆蓋情況則影響著降雨的地表水文過程。此外, 水田、旱地、林地和其它地的降雨徑流系數分別為0.61、0.35、0.27和0.43, 反映出不同土地利用類型的徑流系數差異較大, 并以水田的徑流系數最大。

3.2 不同樣地的氮磷污染負荷

3.2.1 降雨徑流水體的氮磷含量

由于降雨徑流水樣采樣點的設置數量與覆蓋面、以及采樣頻次等因素的限制, 從而導致了本次降雨徑流水樣中氮、磷監測結果不能完全代表整個贛江下游地區的年平均降雨徑流中的氮、磷濃度。因此, 本研究將氮、磷濃度的監測結果近似認為是贛江下游地區不同土地利用類型中降雨徑流中 DIP 與DIN濃度的年平均估算值。

監測結果表明, 贛江下游地區不同樣地類型中的水田、旱地、林地及其它地降雨徑流水體中DIP平均濃度分別為0.131 mg·L–1、0.164 mg·L–1、0.108 mg·L–1、0.192 mg·L–1, DIN的平均濃度分別為1.312 mg·L–1、1.861 mg·L–1、0.426 mg·L–1、0.675 mg·L–1。總體上, 以水田和旱地降雨徑流水體中DIN與DIP的濃度較高, 可能與這些區域的農業生產過程中施用了過多的肥料以及不同的地表覆蓋狀況有關, 相比于林地和其它地, 水田和旱地在耕作時需要投入更多的肥料, 土壤中氮、磷的積累量大, 在降雨徑流時其輸出量也更大。此外, 水田和旱地頻繁的耕作造成地表植被覆蓋破壞, 從而造成植被對徑流水體中的氮、磷吸收下降。

3.2.2 降雨徑流氮磷的污染負荷

降雨徑流攜帶的氮、磷輸出與遷移方式是非常復雜的, 主要包括沉淀、沖起、吸附和解吸、轉化、衰減和生物吸收等過程。贛江下游地區降雨徑流攜帶的氮、磷等污染負荷主要與區域的土壤類型、土地利用類型等因素有關, 而土地利用類型又是影響降雨徑流攜帶的氮、磷輸出負荷的重要因素。結合區域面源污染產區降雨徑流攜帶的氮、磷輸出負荷量的估算公式, 估算得到2010年贛江下游地區不同土地利用類型降雨徑流攜帶的DIP與DIN年負荷量,見圖1與圖2。

圖1 降雨徑流攜帶的DIP年負荷量Fig. 1 DIP loading of rainfall runoff in Ganjiang River downstream

從圖1與圖2可知, (1)通過估算區域降雨徑流量,并結合降雨徑流法測定的 2010年贛江下游地區降雨徑流攜帶的DIP年負荷總量為2389.63 t·a–1, 其中,不同土地利用類型的DIP年負荷量范圍為166.70—1071.65 t·a–1, 并以水田的DIP輸出負荷量最高, 達到1071.65 t·a–1, 旱地次之, 而以林地的DIP輸出負荷量最小, 只有166.70 t·a–1。(2)贛江下游地區降雨徑流攜帶的DIN年負荷總量為18913.06 t·a–1, 其中,不同土地利用類型在降雨徑流時攜帶的DIN輸出負荷量變化范圍為 657.53—10732.91 t·a–1, 同樣以水田的 DIN年輸出負荷量最高, 達到 10732.91 t·a–1,而以林地的DIN年負荷量最小。綜上可知, 不同土地利用類型中, 水田在降雨徑流時攜帶的氮、磷負荷量為最高, 其對贛江下游地區地表水體中氮、磷含量的貢獻率最大, 故而需重點關注水田對贛江下游地區地表水體富營養化的貢獻。

圖2 降雨徑流攜帶的DIN年負荷量Fig. 2 DIN loading of rainfall runoff in Ganjiang River downstream

4 結論

土地利用類型是影響降雨徑流量的重要因素,贛江下游不同土地利用類型降雨徑流量差異較大,其中水田的年降雨徑流量為 962.42 mm, 旱地為552.16 mm, 林地為428.75 mm, 其它地為682.45 mm,可能與不同土地利用類型的所采用的農業生產方式以及地表覆蓋狀況等不同有關。

降雨徑流攜帶的氮、磷輸出負荷同樣受到不同土地利用類型的影響, 贛江下游不同樣地類型 DIP與DIN年負荷量變化范圍分別為166.70—1071.65 t·a–1與 657.53—10732.91 t·a–1, 均以水田的輸出負荷量最高, 而以林地的輸出負荷最小, 這主要與不同土地利用類型農業生產方式以及施肥量與頻次等因素有關。

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Nitrogen and phosphorus pollution loads from the different land use types in the Ganjiang River downstream

XIANG Sulin1,2,*, TAO Shuping1, WANG Fengwu1
1.Department of Environment Engineering,East China JiaoTong University,Nanchang330013,China2.Key Laboratory of Poyang Lake Environment and Resource Utilization of MOE,Nanchang University,Nanchang330047,China

Several runoff units of various land use areas are selected to monitor nitrogen and phosphorus contents in Ganjiang River downstream. Using SCS runoff curve, runoff of each plot is calculated. Considering the actual concentration of nutrient, loading of nutrient of surface runoff is estimated. The results show that phosphorus and nitrogen outputs in runoff were significant in different land use patterns, and high nitrogen and phosphorus loads are associated with paddy land use, which are 10732.91 t·a–1and 1071.65 t·a–1, respectively. The amount of nutrient loss from woodland is the lowest, which are 657.53 t·a–1and 166.70 t·a–1. Being carrier of loss nutrients, the paddy land use is thought to be the controlling focus in Ganjiang River downstream.

Ganjiang River downstream; Rainfall runoff; Pollution load

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.02.010

X144

A

1008-8873(2016)02-062-04

2014-10-15;

2015-01-12

江西省教育廳科研項目(GJJ150540); 江西省自然科學基金項目(20114BAB213020)

向速林(1978—), 男, 江西人, 博士, 副教授, 研究方向為水資源與環境, E-mail: slxiang2001@163.com

*通信作者:向速林