安家溝流域不同土地利用方式下地表徑流中COD和TN的污染負荷

趙 越，張 富，陳 瑾，張佰林，康啟燕

（1.甘肅農業大學 林學院，蘭州730070；2.甘肅省定西市水土保持研究所，甘肅 定西743000）

安家溝流域不同土地利用方式下地表徑流中COD和TN的污染負荷

趙 越1，張 富1，陳 瑾2，張佰林2，康啟燕1

（1.甘肅農業大學 林學院，蘭州730070；2.甘肅省定西市水土保持研究所，甘肅 定西743000）

為探明黃河流域不同土地利用方式下地表徑流中COD和TN污染分布規律，以安家溝流域為研究對象，采用平均濃度模型，對徑流來源及其污染負荷進行了分析研究。結果表明：安家溝流域不同土地利用方式下地表徑流中7項污染物質量濃度平均超標1.31倍，其中ρ（CODMn）和ρ（TN）分別超標1.78，2.11倍；劣Ⅴ類水質出現的平均頻率為23.86%，其中CODMn和TN平均出現頻率分別為28.17%，52.03%；不同土地利用措施受徑流量及其攔蓄效率和污染物輸出水平的影響，CODMn和TN兩者污染負荷總量主要分布在林地和農地，其單位面積污染負荷以荒坡為最大（2.989 kg/hm2），草地次之（2.937 kg/hm2），林地第三（1.327 kg/hm2），農地最?。?.447 kg/hm2）；在坡面到溝道的徑流過程中，由于土壤入滲等因子的影響，污染物總量在流域徑流過程中具有明顯的衰減過程，ρ（CODMn）衰減了40.01%，ρ（TN）衰減了38.33%。研究顯示，安家溝流域COD和TN污染在不同土地利用措施之間分異明顯，合理規劃土地利用方式、加強水土保持措施可有效減輕面源污染的發生。

土地利用；面源污染；徑流水質；污染負荷

20世紀末，全球范圍約有30%～50%的地表水體受到面源污染的影響[1]。美國農業面源污染占河流的貢獻率64%，占湖泊的貢獻率57%，美國環境保護總署（USEPA）把農業列為全美河流和湖泊污染的第一污染源[2]。在歐洲國家，農業面源污染同樣是導致水環境惡化的主要原因之一。歐洲發達國家的地表水中，ρ（NO3-N）超標（＞50 mg/L）現象十分嚴重，農業生態系統的養分流失（主要為氮、磷）是主要來源[1]；荷蘭農業的氮污染負荷占60%[3]；芬蘭有20%的湖泊水質在惡化，而農業面源污染流失的磷素和氮素在各種污染源中所占比重最大，占總排放量的50%以上；在瑞典由河流輸入的氮的60%～87%來自農業面源污染[4]。

我國水體污染形勢嚴峻，水環境與土壤深受農業面源污染的危害[5-8]。據2010年國家環境保護部、國家統計局、農業部聯合發布的《第一次全國污染源普查公報》，2007年我國污染源年排放總量3 028.96萬t，其中農業污染源年排放COD，TN，TP分別占全國同類污染物總排放量的43.7%，57.2%，64.9%，農業源已成為主要污染源[9]，成為全球關注的焦點[10-11]，尤其是大面積水資源的污染，直接威脅到人類的生存，因此對水質的監測和分析極為重要。2008年全國7大水系中，劣Ⅴ類水質的斷面超過20%[12]。2003年黃河COD，NH3-N，TN，TP面源主要污染物數量占河流同種類污染物總量的40.0%，14.0%，59.0%，52.0%，對黃河水質的影響較大[13]。在2005—2014年黃河流域80%的子流域均出現劣Ⅴ類水質。

在此背景下，人們針對農業面源污染的成因、特征、來源、遷移轉化途徑等做了很多研究[5-8]，但對小流域坡面—溝道徑流過程中不同土地利用方式下污染負荷的定量研究相對較少。祖歷河是黃河流域河流水質污染最為嚴重的區域之一，據《黃河水資源公報》顯示，祖厲河從1998—2013年全河段水質逐漸惡化，2005年后成劣Ⅴ類。研究區安家溝流域位于甘肅中部，屬祖厲河水系關川河支流的一級支溝，屬黃土丘陵溝壑區第Ⅴ副區，土壤侵蝕強烈、水土流失非常嚴重，是國家水土流失監測與公告項目區。本文通過研究安家溝流域不同土地利用方式下地表徑流中主要污染物COD和TN的分布及負荷，分析其負荷來源及分布特點，從而為進一步開展水土流失與面源污染防治措施的研究提供依據，對改善該地區水環境質量、促進生態環境建設和區域經濟社會的可持續發展具有重要的科學意義。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區概況

安家溝流域位于 104°38′13″—104°40′25″E，35°33′02″—35°35′29″N，海拔1 900～2 250 m，流域面積為8.54 km2。氣候屬中溫帶半干旱區，年溫差大，年均氣溫6.3℃，年均降水427 mm，但時空分布極不均勻，其中60%以上集中在7—9月份，且多暴雨。土壤主要為黃綿土和溝道鹽漬土。植被屬于森林草原帶干草原區。截至2014年底，安家溝流域土地利用方式中農地面積占46.7%（其中坡耕地占6.27%，梯田占93.73%），林地占23.9%，草地占5.4%，荒坡荒溝占11.48%。安家溝流域由馬家岔（4.96 km2）和小安家溝（3.58 km2）組成。溝道建有淤地壩3座，其中小安家溝1954—1984年早期建設的1，2號中小型淤地壩已淤滿，成為徑流式淤地壩。馬家岔溝建有骨干壩1座（3號淤地壩，2004年新建）攔蓄了馬家岔溝支溝的全部徑流泥沙。

1.2 數據及來源

（1）土地利用調查數據?；诎布覝?/10 000地形圖及2014年Quick Bird（分辨率0.61 m）衛星影像資料，利用ArcGIS 10.2軟件，對安家溝流域內土地利用方式、面積進行統計分析。

（2）降雨量觀測數據。1956年安家溝流域中心按國家氣象臺站標準布設氣象觀測園1處，開展常規氣象因子觀測。目前擁有U30-NRC自動氣象站1臺，同時布設量雨筒2個，虹吸式自計雨量計1臺。觀測項目主要有降雨量、降雨天數、次數、最大雨量及雨強、氣溫及土壤水分和溫度等主要氣象因子。

（3）徑流觀測數據。在安家溝流域徑流試驗場于1986年建立，布設有不同坡度、不同植被、不同地標處理等觀測小區30個。汛期選擇典型降雨場次觀測小區徑流泥沙數量。本研究選取了坡度為10°，15°，20°共3個坡度級，喬木林（油松）、灌木林（沙棘）、農作物（小麥、豌豆）、人工種草（紫花苜蓿、紅豆草）、荒坡5種土地利用方式的15個坡面徑流小區及1個溝道徑流取樣點，進行水質取樣。徑流小區集流池泥沙取樣同時取2.5～5 kg水樣，溝道徑流在小安家溝2號淤地壩消力池中取樣（數量同前），水樣在2 h內送至檢測單位，進行水樣登記、觀察及水樣預處理。

（4）水質化驗。2006—2008年化驗指標21項，2013—2014年僅對7種污染超標種類進行化驗。水質測定與評價按照GB3838—2002《地表水環境質量標準》[14]進行，由甘肅省水環境監測中心定西分中心完成。

（5）坡面徑流污染負荷量計算。面源污染負荷量的計算采用平均濃度法[15]，是基于非點源的產污匯污原理、建立在數學統計學方法上的非點源負荷估算方法[16]。本研究根據小流域不同土地利用措施、面積、單位面積徑流量、水質污染物濃度等特點，構造了小流域坡面與溝道污染物負荷量計算公式：

式中：Wp為坡面某污染物負荷量（kg）；Si為第i類土地利用措施面積（hm2）；i為農、林、草、荒地等不同土地利用措施；Ri為第i類土地利用措施單位面積地表徑流量（m3/hm2）；Ci為第i類土地利用措施地表徑流中污染物平均濃度（mg/L）。

式中：Wg為溝道地表徑流某污染負荷量（kg）；Ws為溝道地表徑流量（m3）；CSM為溝道地表徑流中某污染物濃度（mg/L）。

2 結果與分析

2.1 土地利用調查結果

采用2014年Quick Bird衛星影像資料及地形圖等資料，在ArcGIS 10.2的支持下，對小流域內土地利用方式、面積進行的流域實地調查，截至2014年底，安家溝流域土地利用措施農地面積占46.7%（其中坡耕地占6.27%，梯田占93.73%），林地占23.9%，草地占5.4%，荒坡荒溝占11.48%。

2.2 降雨、徑流分析

2.2.1 降雨量分析 據安家溝流域徑流試驗場中心降雨觀測資料，多年（1956—2014年）平均降雨量4 01.5mm，研究期間（2005—2014年）平均降雨量383.7 mm，相比較減少4.43個百分點。其中2005—2011年年均降雨量400.3 mm，與多年平均降雨量相當；由于2013年為旱年其降雨量僅有112.6 mm，因此2012—2014年年均降雨量較少為345 mm，比多年平均減少14.07%。2005—2014年降雨量年際分布見圖1。

圖1 2005-2014年降雨量

2.2.2 徑流量分析 依據安家溝2014年土地利用現狀、1986—2014年不同土地利用方式下徑流小區徑流泥沙觀測資料及水土保持措施攔蓄效率資料[17]，以此計算坡面與流域的徑流量（表1）。計算結果顯示農地（梯田、坡耕地）和林地（喬木林、灌木林）由于面積在全流域比重較大，其徑流量也相對較大，分別占整個流域徑流來源的37.8%，59.48%。但是通過坡改梯工程和其他攔蓄措施的實施（攔蓄效率水平梯田為89.4%，人工造林為66.0%，退耕種草為18.0%），農地和林地的徑流模數顯著低于荒坡和草地，能夠在一定程度上減輕暴雨徑流所引發的水土流失。

表1 小安家溝流域徑流來源及數量

2.3 COD和TN對徑流水質的影響

2.3.1 主要污染物分析 依據GB3838—2002《地表水環境質量標準》對安家溝流域不同土地利用方式下地表徑流中的高錳酸鹽指數（CODMn）、總氮（TN）等21項水質類別進行化驗和評價，實測結果表明，坡面污染物質量濃度主要超標的項目為：CODMn，TN，BOD5，NH3-N，F-，NO2-N，TP。7項污染物質量平均濃度超標倍數為1.31倍，其中ρ（CODMn）超標1.78倍，ρ（TN）超標2.11倍。在不同土地利用措施下ρ（CODMn）的超標倍數中，喬木林（2.55倍）＞農地（2.10倍）＞灌木林（2.00倍）＞草地（1.60倍）＞荒坡（1.52倍）＞溝道（0.92倍）；ρ（TN）超標倍數中，喬木林（3.85倍）＞灌木林（3.47倍）＞草地（2.02倍）＞農地（1.35倍）＞溝道（1.41倍）＞荒坡（0.54倍）（表2）。

表2 不同土地利用方式下地表徑流中污染物指標超標倍數

劣Ⅴ類水質出現的平均頻率為23.86%，其中CODMn出現頻率為28.17%，TN出現頻率為52.03%。在不同土地利用措施下地表徑流劣Ⅴ類水質COD出現頻率大小為：灌木林（46.67%）＞喬木林（40.00%）＞荒坡（35.71%）＞溝道（20.00%）＞農地和草地（13.33%）；TN的出現頻率大小為：灌木林（90.91%）＞喬木林（72.73%）＞荒坡（57.14%）＞農地（53.33%）＞草地和溝道（均為33.33%）（表3）。

通過上述化驗評價結果（表2—3）可以看出，污染物COD和TN的超標倍數和出現頻率較大且均超出平均值，導致水質腐敗變臭，對于地表徑流水質產生較大影響，應作為流域重點研究的主要污染物。受面積和土壤污染背景、攔蓄措施等影響，COD和TN在不同土地利用措施上分異明顯，農地和林地是主要來源，草地和荒坡荒溝則分布較少。

表3 不同土地利用方式下地表徑流中劣Ⅴ類水質出現次數與頻率

2.3.2 COD和TN污染負荷及分布

（1）污染物濃度變化。主要對5 a地表徑流中的CODMn和TN污染物濃度進行匯總，不同土地利用方式下地表徑流中CODMn和TN污染物濃度見表4。

由于不同污染物的濃度對水質影響不同，衡量標準不一，所以變異系數成為污染物之間比較的重要指標。變異系數越小，說明某種土地利用方式其某類污染物的釋放過程受外界因素影響較小、比較穩定，否則相反。表4結果顯示，不同土地利用方式變異系數大小排序：ρ（CODMn）為草地（44.72%）＞農地（43.64%）＞喬木林（25.03%）＞溝道（22.14%）＞灌木林（20.85%）＞荒坡（16.30%），ρ（TN）為溝道（33.00%）＞荒坡（26.88%）＞灌木林（15.12%）＞農地（13.51%）＞草地（13.24%）＞喬木林（9.88%），說明ρ（CODMn）在草地和農地最不穩定，林地、溝道和荒坡則較為穩定；ρ（TN）在溝道和荒坡最不穩定，農地、草地和林地較為穩定。

為了解不同土地利用方式間污染物含量是否有顯著差異，采用SPSS 20.0軟件的均值（Compare Means）單因子方差分析（One-Way ANOVA）工具中的LSD方法對不同土地利用方式間ρ（CODMn）和ρ（TN）進行多重比較分析。結果表明，不同土地利用方式之間ρ（CODMn）無顯著性差異（p＞0.05）；ρ（TN）在灌木林與農地、荒坡、溝道之間存在顯著性差異（表4）。

由表4可見本研究區林地的ρ（CODMn）和ρ（TN）高于農地、草地，這與國內其他熱點研究區域（密云庫區、太湖流域、黑河流域、長江中上游、九龍江流域等）的分析結果[18-19]有所不同，分析其原因：一是灌木林和喬木林地徑流觀測小區建造前土地利用措施是農坡地，具有與農地相同的污染物質背景；二是徑流小區建設前坡耕地徑流模數為122.37 m3/hm2，建設后由于喬木林地郁閉達到0.7左右，林下幾乎無自然草本，松針落葉數量少，表土基本裸露，地表板結嚴重，反坡梯田整地工程的攔蓄效率較低，暴雨后具有較高的徑流系數（徑流模數為90.79 m3/hm2），受土壤背景的影響，將會造成水質的嚴重污染。同時，建設后灌木林地（沙棘）雖然覆蓋度達0.95以上，且郁閉度較高，不易形成徑流（徑流模數為31.51 m3/hm2），但受沙棘根瘤菌固氮作用的影響，林地土壤氮源豐富，一旦發生特大暴雨將形成徑流，具有較高的污染物濃度。

表4 不同土地利用方式下地表徑流中CODMn和TN的平均濃度

（2）污染物負荷變化。根據安家溝土地利用方式徑流量（表1）及污染物平均濃度（表4），依據公式（1）—（2）計算了污染物的總量、負荷及其所占比例（表5）。CODMn污染在坡面的負荷總量為259.135 kg，其中：林地（176.929 kg）和農地（75.398 kg）分別占總量的68.28%和28.10%，是污染物的主要來源；單位面積的負荷為0.724 kg/hm2，其中：荒坡最大（2.712 kg/hm2），草地次之（2.460 kg/hm2），林地第三（1.073 kg/hm2），農地最?。?.397 kg/hm2）；TN 污染在坡面的負荷總量為52.668 kg，其中：林地（41.901 kg）和農地（9.514 kg）分別占總量的79.56%和18.06%，也是污染物的主要來源；單位面積的負荷為0.147 kg/hm2，其中：草地最大（0.477 kg/hm2），荒坡次之（0.277 kg/hm2），林地第三（0.254 kg/hm2），農地最小（0.050 kg/hm2），兩者總量分布大小為荒坡（2.989 kg/hm2）＞草地（2.937 kg/hm2）＞林地（1.327 kg/hm2）＞農地（0.447 kg/hm2）。

以上計算結果顯示農地和林地的CODMn和TN單位面積負荷低于荒坡和草地，與蔣昌波[20]、張皓天[21]等對不同土地利用方式面源污染物單位面積負荷的對比研究結果相反。這是因為本研究中農地和林地面積較大，農地中92.55%坡耕地被修成梯田，梯田攔蓄了89.2%的徑流，有效攔截了污染物隨地表徑流的遷移，喬木林和灌木林徑流小區建設后徑流模數有所減少，分別為90.79，31.51 m3/hm2；而荒坡和草地的措施面積較小，由于未采取攔蓄措施，暴雨后具有較高的徑流模數，分別為179.2，159.7 m3/hm2。說明不同措施污染物排放數量與措施徑流攔蓄性能密切相關，攔蓄能力越大，產生的徑流越少，排放的污染物數量越少，加強水土保持措施可以減少降雨徑流量和土壤侵蝕量，有效防治面源污染的發生。

表5 不同土地利用方式下地表徑流中CODMn和TN的污染負荷

另外，在坡面到溝道的徑流過程中，由于地表徑流受入滲、過濾等徑流過程的影響，COD和TN的總負荷量均出現衰減現象，CODMn污染物總量衰減103.691 kg，ρ（CODMn）衰減了40.01%；TN 污染物總量衰減20.189 kg，ρ（TN）衰減了38.33%。

3 討論

研究表明，小安家溝流域坡面林地和農地的ρ（CODMn）分別占總量的68.28%和28.10%，ρ（TN）分別占總量的79.56%和18.06%，是污染物的主要來源。其原因一是林地與農地面積的比重大，兩者占流域總面積的70.6%；二是根據研究中的數據計算，小安家溝流域坡面BOD5污染總量為147.314 kg，CODMn污染總量為259.135 kg，ρ（BOD5）/ρ（CODMn）超過50%，而其比值間接地反映了有機物的含量，表明土壤中大量有機質在暴雨徑流的沖刷和淋溶下進入水體，導致流域中ρ（CODMn）較高；三是農地化肥、農藥施用大。許多研究表明，化肥和農藥的使用也是造成水體污染和富營養化的最主要途徑[22]。通過實地調查發現，小安家溝流域內農耕區大量施用氮、磷肥和有機磷農藥，而我國氮肥的利用效率較低僅為30%～35%[23]，致使氮素大量流失。據研究，該流域近年來單位面積化肥平均施用量為318.55 kg/hm2，已超過國際上為防止水體污染而設置的化肥施用安全上限225 kg/hm2，從而導致土壤污染嚴重，一遇暴雨，就會引起水土流失，形成二次污染；四是小安家溝流域灌木林地主要以沙棘林為主，受沙棘根瘤菌固氮作用的影響，為水體提供了豐富的氮源。在環境中，氮肥主要以銨態、酰銨態和硝酸鹽態存在，但最終都會轉化為硝酸鹽態。硝酸鹽不易被土壤吸附束縛，而易于被作物吸收，但當土壤氮素過多時，硝態氮很容易隨水體浸泡溶解[24]，導致ρ（TN）的超標倍數和超標水質中的出現頻率最高。

土地利用結構和土地利用方式對非點源污染具有重要影響[25]，李俊然等[26]研究表明在單一土地利用類型占主導地位的流域內，土地利用類型以林地和草地為主的小流域地表水水質明顯比以農地為主的小流域地表水水質好。安家溝流域土地利用結構單一，林地雖然占有一定面積比例，但其與農地具有相同的土壤污染背景，而各種土地利用方式之間也缺乏必要的過渡。另外，土地利用方式對污染物輸出的影響主要通過流域內的水土流失程度體現，水土流失既是一種非點源污染形式，同時又是其他非點源污染物流失的載體[27]。盡管安家溝流域農地和林地已經采取了坡改梯、人工造林、退耕種草等一系列水保措施來減少水土流失，但流域內的主要污染仍集中于農地和林地，因此，還需結合流域實際，大力加強水土保持措施的實施，一是要提高攔蓄能力的設計和喬灌草混交設計，盡最大可能地提高水土保持的效率，減少徑流泥沙，有效攔蓄污染物；二是合理布設水土流失防御體系，有效促進降雨就地入滲，暴雨徑流攔蓄利用，遏制由于水土流失引起的污染土壤的遷移，對下游溝道（河道）的污染；三是作為坡面徑流匯集區和泥沙沉積區的溝道，是小流域水土流失防治的最后一道防線，加強溝道治理工程建設，攔蓄坡面徑流，可使坡面污染的徑流在壩庫中自然降解，防止下泄。此外，在農田管理上，還應注意科學合理地施肥和噴灑農藥，提高化肥和農藥的利用效率，從而達到減少面源污染的目的。

4 結論

（1）受土地利用措施特性及徑流特性的綜合影響，不同土地利用方式下地表徑流中有7項污染物平均超標1.31倍，其中ρ（CODMn）超標1.78倍，ρ（TN）超標2.11倍；7項污染物超標水質出現頻率平均為23.86%，其中CODMn為28.17%，TN為52.03%，說明CODMn和TN都是影響水質主要因子之一，對徑流水質產生較大影響。

（2）不同土地利用方式單位面積污染負荷分布為荒坡最大，草地次之，林地第三，農地最小；但是，受土地利用措施種類、面積及其徑流量和污染物負荷的影響，小安家溝流域的CODMn和TN污染負荷總量主要來源于林地和農地。

（3）由坡面到溝道的徑流過程中，地表徑流受入滲、過濾等徑流過程的影響，CODMn和TN污染數量均出現衰減現象，ρ（CODMn）衰減了40.01%；ρ（TN）衰減了38.33%。

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COD and TN Pollution Loads in Surface Runoff Under Different Land Uses in Anjiagou Basin

ZHAO Yue1，ZHANG Fu1，CHEN Jin2，ZHANG Bailin2，KANG Qiyan1
（1.College of Forestry，Gansu Agricultural University，Lanzhou730070，China；2.Dingxi Institute of Soil and Water Conservation，Dingxi，Gansu743000，China）

In order to understand the distribution of COD and TN pollution in different land uses，selecting Anjiagou Basin as the research site，we used the average concentration model to analyze the runoff source and pollution load.The results showed that the concentrations of 7 pollutants in surface runoff were 1.31 times more than the standard under different land uses，in which CODMnand TN exceeded the standard 1.78 times and 2.11 times，respectively；the average occurrence frequency of the water quality worse than gradeⅤ was 23.86%，CODMnand TN were 28.17%and 52.03%，respectively；because of the runoff，impounding efficiency and pollutant output level effect on different land uses，CODMnand TN pollution loads mainly distributed in the woodland and farmland，the waste hillside of pollution load was maximum in the unit area of CODMnand TN （2.989 kg/hm2），grassland came second（2.937 kg/hm2），woodland third（1.327 kg/hm2）was next，and agricultural land was minimum（0.447 kg/hm2）；in the runoff process from slope to channel，due to the effect of soil infiltration and other factors，the total amount of pollutants had obvious attenuation，ρ（CODMn）andρ（TN）decreased by 40.01%and 38.33%，respectively.The results showed that the CODMnpollution and TN pollution were significantly discrepant in different land use，and rational planning of land use，strengthening soil and water conservation measures could effectively reduce the occurrence of non-point source pollution.

land use；non-point pollution；water quality of runoff；pollution load

X5;P334

A

1005-3409（2017）01-0103-07

2016-01-22

2016-02-28

甘肅省科技支撐項目“祖厲河流域面源污染機理和治理技術研究”（1204FKCA170）

趙越（1989—），男，甘肅蘭州人，碩士，研究方向為水土保持措施配置及環境整治。E-mail：446241233＠qq.com

張富（1961—），男，甘肅定西人，博士，研究員，主要從事水土保持措施配置及環境整治研究。E-mail：fuzhang001＠163.com