洱海農田生產/生活景觀區交替分布及晝夜節律對豐水期溝渠水質影響

謝 坤，吳 凡，羅 元 ，張克強，沈仕洲，王淑茹，王 風*，吳國云,姚金玲

（1.農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191；2.云南農業大學資源與環境學院，昆明 650201；3.農業農村部大理農業環境科學觀測實驗站，云南 大理 671004；4.大理市灣橋鎮農業綜合服務站，云南 大理 671008）

洱海是云貴高原第二大淡水湖泊，位于大理白族自治州，是大理人民的母親湖。隨著經濟和社會的快速發展，洱海也出現了氮磷污染負荷增加與水體污染問題。在洱海水質保護與污染防治工作強化推進過程中，目前水質常年處于Ⅱ至Ⅲ類之間[1]，處于初期富營養化階段[2]。已有研究工作表明，流域內農田與農村面源污染是洱海氮磷污染負荷的主要來源[3]。其中，氮污染負荷中農田比重最大，約占總氮負荷的39%；農村固體廢物約占38%；農村生活廢水約占13%；水土流失約占10%。磷污染負荷中農村固體廢物比重最大，約占總磷負荷的41%；農田約占33%；農村生活廢水約占10%；水土流失約占16%[4]。據統計，洱海流域化肥利用率僅為24.50%，每年約有13.87萬～27.88萬t的N、P殘留在農田土壤[5]。在豐水期降水產徑流作用下農田成為水體N和P負荷的重要來源，降水強度也影響著農村生活對N和P的負荷比重[6]。洱海流域豐水期（雨季）為每年5到10月，豐水期為洱海流域農事耕作的集中期，促進了N、P面源污染物發生；枯水期（旱季）為每年11月至次年4月，該時期因降水較少而N、P負荷相應降低。

洱海海西是農業生產生活最集中的區域，該區域自西向東依次為蒼山山地-緩坡地過度帶-洱海，蒼山-洱海沿線建有多條溝渠用于農業灌排水使用，溝渠流經農業生產生活區域最為典型的就是“田-村”景觀單元交替分布模式。流域內通常的水質監測方式為人工取樣監測，且多以單一監測位點和單次監測作為主要監測方案，該種監測方案不能有效區分農田生產和農村生活對溝渠水質的影響，另外，村民生活作息周期與晝夜節律也導致水質在一天內的巨大變化。本研究擬通過對典型溝渠設置不同取樣斷面，進行晝夜的連續取樣監測分析，以揭示農田生產/農村生活以及晝夜節律對水質的影響，為全面了解農業生產和農村生活單元面源污染發生特征提供數據支撐。

圖1 研究區域和取樣位點布置圖Figure1 Study area and sampling site layout

1 材料與方法

1.1 研究區域介紹

選擇大理市大理鎮“官莊-呈莊”沿線農田-村莊溝渠為對象（圖1），該溝渠經由214國道-大麗路-沿線農田和村莊后注入洱海，該區域屬于低緯高原中亞熱帶西南季風氣候類型，年均降水量約908.8 mm，豐水期降水量占全年85%～96%[7-8]，枯水期溝渠時常斷流。研究區域溝渠水源為蒼山自然流水，經上游村莊和農田匯集在取樣斷面1，斷面1至斷面6溝渠總長約為2.72 km，溝渠寬度在0.25～0.75 m之間，溝渠功能為灌排一體，沿程農田地表徑流匯集進入溝渠，無其他支流溝渠匯入。溝渠構造通常有自然植被生長的生態溝渠和混凝土溝渠兩類。村莊段均為混凝土溝渠，如斷面2到斷面3溝渠寬0.50 m×深0.30 m，底泥約1～2 cm；斷面4到斷面5溝渠寬0.85 m×深0.40 m，底泥約3～10 cm。村莊雖然實施了生活污水管網化收集系統改造，但仍存在收集不完全現象。農田段斷面1到斷面2與斷面3到斷面4同為生態溝渠，溝渠寬×深分別為0.4 m×0.2 m和0.35 m×0.1 m，溝渠植被都以當地常見優勢植物水芹[Oenanthe javanica（Blume）DC]、水芒稗（Echinochloa caudata Roshev.）和水蓼（Polygonum hydropiper L.）等為主。研究區域農田以大蔥、茄子和青筍等一年生蔬菜作物為主，取樣期間作物多處于營養生長期或結果初期，此時期需肥量較大，平均7～10 d以復合肥追施1次，追施方式主要為穴施和表施，每次追施112～150 kg N·hm-2。兩段溝渠區域匯水面積分別為15.56 hm2和8.48 hm2，坡度分別為2.1°和1.3°；農田段斷面5到斷面6為混凝土溝渠，渠寬0.45 m×深0.75 m，底泥深度小于0.50 cm，周邊農田以種植大蔥、豆角和青筍等蔬菜作物為主，匯水面積約0.72 hm2，坡度約為0.97°。

1.2 樣品采集

2018年6月21—23日進行連續采樣，以溝渠流經的生產生活單元劃分為5個單元和6個采樣監測斷面，分別作為農田和村莊的入水和出水。采樣時間為6：00—22：00，每隔2 h采樣1次，22：00到次日6：00每隔4 h采樣1次，每個斷面采樣時間控制在±10 min內。取樣時使用經pH＜2的硫酸浸泡并清洗的250 mL聚乙烯塑料瓶收集水深1/2處水樣，所采集樣品在4℃冰箱低溫保存，24 h內送回實驗室測定。

1.3 樣品分析方法

水樣中總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，銨態氮（）采用納氏試劑比色法，硝態氮（）采用酚二磺酸分光光度法，總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法，可溶性總磷（DP）采用0.45 μm微孔濾膜過濾預處理，測定方法同總磷，顆粒態磷（PP）通過TP與DP計算而來，COD采用酸性法重鉻酸鹽指數法。以上指標均選用國標測試方法[9]。

1.4 數據處理

數據均以平均值±標準誤差表示，采用SPASS 22軟件進行ANOVA方差顯著性分析和LSD檢驗，采用Excel制圖。圖1至圖4中每個數值為2 d所有水樣（n=20）測試平均值，圖5至圖7中每個數值為2 d中相同時段數據的平均值。

2 結果與討論

2.1 不同生產生活單元溝渠斷面水質特征

2.1.1 水質氮素濃度變化特征

不同生產生活單元溝渠斷面氮素形態和濃度變化特征見圖2。溝渠水質TN濃度變化特征相似，呈現出先快速增加，在斷面4濃度達到最大，隨后相對穩定或略有降低。TN、濃度最大值和最小值均分別出現在斷面4和斷面1。以斷面4為分界點，前3個斷面TN濃度分別比前段增加47.45%、57.36%和16.44%。同TN相似，濃度分別比前段增加71.66%、41.75%和19.97%。農田段濃度增加與周邊大面積的大蔥、茄子等蔬菜種植有關，該季節豐富的降水將農田大量未利用化肥沖刷經地表或淋溶側滲進入溝渠[10]；生活段溝渠水質TN和濃度升高，主要由于村污水管網未能完全收集所有污水，現場調查也發現部分污水管道存在“跑冒滴漏”現象。所有取樣斷面濃度變化比TN和平穩，濃度范圍在0.34～0.90 mg·L-1之間。另外，溝渠水質濃度呈現出田后降低，出村后增加的特征。一方面可能因為溝渠中水芒稗和水蓼等植物通過網狀根系對溝渠中有吸收和硝化作用[11-12]，以及混凝土溝渠粗糙內壁和溝中碎石塊相應的吸附-解吸作用[13]，這與王巖等[14]的研究結果一致。另一方面，由于村莊內高含廢水直排入溝，造成溝渠濃度的升高。溝渠出田段水樣（斷面2、斷面4、斷面6）濃度分別比入田平均降低2.08%、53.42%和55.56%，溝渠出村段水樣（斷面3、斷面5）濃度分別比入村水樣平均增加了29.17%和37.78%。

圖2 不同生產生活單元溝渠斷面氮素濃度Figure2 N concentrations from ditch water

圖3 不同生產生活單元溝渠斷面磷素濃度Figure3 P concentrations from ditch water

2.1.2 水質磷素濃度變化特征

不同生產生活單元溝渠斷面磷素形態和濃度變化特征見圖3。溝渠水質TP和DP濃度變化特征相似，斷面1水質濃度最小，且濃度逐漸積累增加，在斷面6水質濃度達到最大。各斷面TP濃度增長范圍在3.12%～45.45%之間，以斷面3為分界點，前2個斷面TP濃度增幅最大。DP濃度相對于TP變化幅度相對較平緩，各斷面DP濃度增長率在3.23%～83.33%之間。上述結果說明農田溝渠徑流中磷含量趨勢變化與農村生活污水排放、農作物種植和農田化肥施用量有直接的關系。因研究區以蔬菜為主要農作物，且較高蔬菜復種指數、大量化肥及農家肥施用，氮磷污染物在雨季大量被雨水沖刷進入溝渠，使得濃度升高造成水體污染[15]，也有研究證實蔬菜氮磷流失比一般旱作耕地要高[16-17]。PP相對于TP和DP呈現先增加后減少的規律，在斷面3處達到最大濃度，PP濃度范圍在0.05～0.16 mg·L-1之間。斷面2到段面3和斷面4到斷面5出村段PP濃度分別增加50.00%和14.29%。斷面3到段面4和斷面5到斷面6所處溝渠出田段PP濃度分別降低25.00%和14.29%。農田自然生態溝渠在一定程度上可以被認為是濕地形態的一種[18-19]，農田生態溝中以水芒稗和水蓼等濕地植物生長為主，這些植物對水質中PP起到一定攔截作用[20]。水質中PP和DP濃度共同作用決定了TP濃度的變化，6個斷面PP和DP占TP的范圍分別為36.36%～51.61%和48.39%～63.64%。

圖4 不同生產生活單元溝渠斷面COD濃度Figure4 COD concentrations from ditch water

2.1.3 水質COD濃度變化特征

不同生產生活單元溝渠斷面COD濃度變化特征見圖4。溝渠水質COD濃度范圍在30.74～85.51 mg·L-1之間，最小值和最大值分別在斷面2和斷面3。出田水質COD濃度降低，出村濃度增加。出田水質COD濃度比入田COD濃度降低了23.65%～38.19%，最大削減率出現在斷面5到斷面6，因為混凝土溝渠寬度較大、水流速度較小，流通用時較長，溝渠壁較為粗糙，溝渠中存在較多碎石，溝渠壁和碎石表面附著微生物，使得對COD起到一定削減作用，降低水體中COD濃度[21]。溝渠經村段對水質COD濃度貢獻較大，比入村COD濃度增加24.70%～178.17%，最大增加率出現在斷面2到斷面3。

2.2 生活作息周期與晝夜節律溝渠斷面水質動態特征

2.2.1 水質氮素濃度動態變化特征

作息周期和晝夜節律溝渠斷面氮素濃度動態特征見圖5。全天各時段溝渠斷面水質TN和濃度在斷面1到斷面4之間逐漸增加，斷面5到斷面6變化不明顯甚至略有降低。各斷面從早晨6：00到凌晨2：00水質TN和濃度總體呈降低趨勢，可能因豐水期當地村民早起農作，早餐和炊事時間提前，農事操作也主要集中在上午時段，下午隨氣溫升高紫外線增強，農事活動減弱。此外，部分斷面在生活節律作用下氮素濃度呈現增加趨勢，如斷面3的濃度在12：00和接近8：00，因為午餐和晚餐而出現突然升高。斷面2水質TN濃度與斷面1濃度差與兩個斷面濃度差接近，表明斷面1和斷面2之間的農田是的重要來源，同時的濃度變化也決定了TN濃度。同理，斷面2和斷面3之間的村莊也是的重要來源。同時也發現斷面1和斷面2之間的農田對或TN濃度貢獻大于斷面3和斷面4之間的農田；斷面2和斷面3之間的村莊對N或TN濃度貢獻大于斷面4和斷面5之間的村莊。這個現象可能與地勢坡度有關，斷面1到斷面3之間臨近蒼山腳，斷面3到斷面5臨近洱海邊，因而斷面1到斷面3之間坡度更大，更加有利于徑流或沖刷流失[22]。濃度總體較低，但呈現出田消減與出村增加的趨勢[23]。

2.2.2 水質磷素濃度動態變化特征

作息周期和晝夜節律溝渠斷面磷素濃度動態特征見圖5。溝渠6個采樣斷面中TP、DP和PP濃度晝夜變化幅度總體較小，不同斷面濃度均在0.1 mg·L-1范圍內變動。不同斷面間晝夜節律溝渠水質TP濃度相比，斷面2和斷面3變化較大，斷面2水質TP濃度與斷面1濃度差較大，表明斷面1和斷面2之間的農田是水質TP的重要來源，同理斷面2和斷面3之間的農田是水質TP的重要來源，同時DP和PP濃度及不同斷面變化趨勢接近，對TP的貢獻相當。總體來看，水質磷素濃度隨作息周期和晝夜節律變化不如氮素明顯，且全天濃度較低，可能與磷素比氮素更容易固定有關[24]。此外，斷面3夜晚20：00 DP和PP濃度高峰可能主要是由洗漱造成的，這也是導致此時段TP濃度高峰的原因。

2.2.3 水質COD濃度動態變化特征

作息周期和晝夜節律溝渠斷面COD濃度動態特征見圖6。總體發現斷面1和斷面2之間的農田以及斷面3和斷面4之間農田均對COD有一定消減作用，斷面3和斷面4之間農田去除作用更加明顯，表明農田具有一定去除COD的能力，可能主要通過生物溝渠根系過濾攔截與底泥沉淀消減[25-26]。斷面2和斷面3之間的村落以及斷面4和斷面5之間村落均對COD有一定增加作用，斷面2和斷面3之間村落增加作用更加明顯，通過斷面3和斷面5可知村落白天COD濃度高峰基本出現在6：00—10：00之間，表明早晨為白天生活廢水排放高峰期，在斷面5中夜晚20：00后出現濃度升高，可能與睡前洗漱有關，且村落污水收集管網可能存在收水不完全的情況，使部分污水排放到溝渠中，并且斷面2和斷面3之間村落收水系統較斷面4和斷面5之間村落更差。

圖5 作息周期和晝夜節律溝渠斷面氮素和磷素濃度Figure5 Nitrogen and phosphorus concentrations from different section points

圖6 作息周期和晝夜節律溝渠斷面COD濃度Figure6 COD concentrations from different section points

3 結論

（2）溝渠水質受取樣斷面和采樣時間影響較大，受農田生產和農村生活共同影響的區域應盡力增加取樣位點和提高取樣頻率以提高水樣代表性。洱海流域農田溝渠設置為自然生態溝渠能夠更加有利于污染物去除，農村生活污水收集管道應該進一步完善，提高收水效率，減少生活污染排放。