巢湖圩區農田排水溝渠氮磷時空分布及輸出特征

馬凡凡，邢素林，徐云連，龔 娟，田 艷，馬友華

（安徽農業大學資源與環境學院，安徽 合肥 230036）

【研究意義】氮、磷是植物生長必需元素，也是引起水體富營養化的重要影響因素，防治水體富營養化的關鍵是控制水體中的氮磷含量。農田排水溝渠是連接農業排水、居民生活廢水與河流湖泊的重要通道，具有河流和濕地的雙重特征，既是農業面源污染的最初匯集地，又是下游河流、湖泊的外輸口，起著蓄水、排水、凈化水質等多種作用［1-3］。農田排水溝渠徑流氮、磷濃度變化既反映該溝渠氮、磷的輸出負荷和對上游農田來水的消納凈化，也表明了溝渠對農田尾水的截留凈化能力，是實現氮、磷功能轉換的重要場所［4-6］。

【前人研究進展】相比點源污染，農業面源污染對水體質量安全構成了更嚴重的威脅，也是湖泊流域水污染治理的難點［7-8］，而農田排水溝渠中氮磷的遷移和轉化在農業面源污染的控制和管理中起著重要作用，對農業面源污染防控具有重要意義。近年來，國內外專家學者對農田溝渠中氮、磷的遷移轉化和生態攔截功能進行了大量研究［9-11］。如Zhang等［7］研究發現溝渠濕地系統能夠有效降解、去除水體中的營養物質，降低其進入下游河網的氮、磷含量。生態溝渠由于獨特的水生植物-底泥-微生物系統，通過植物吸收攔截、底泥吸附以及微生物降解的綜合作用下，總氮、總磷去除率可分別高達64%和70%［12］，NH4+-N、NO3--N的平均去除率分別為77.9%和63.7%［13］。然而，氮、磷在溝渠系統中的遷移轉化非常復雜，受溫度、季節、植物種類、溝渠結構等眾多因素的影響，農田排水溝渠氮磷遷移轉化、時空分布輸出的不確定性也隨之增加［2，14-16］。

巢湖沿岸圩區集中，多數以種植業為主，農業生產強度較大，水體環境相對封閉，高濃度氮磷水體未經處理直接排入巢湖，加重了巢湖水體富營養化［17］。巢湖流域糧食作物以小麥和水稻為主，氮磷化學肥料施用量過多，且地表徑流是農業化肥養分流失的主要途徑，加劇了氮磷養分流失的風險。儲茵等［18］通過研究巢湖沿岸圩區稻季排水氮磷濃度特征發現，圩區排水的總氮、總磷平均濃度分別為4.28、0.3 mg/L，達到富營養化甚至超富營養化水平，且均高于受納河流水質。稻麥輪作地表徑流總氮流失量為45.27～101.38 kg/hm2，總磷流失量為0.30～0.61 kg/hm2，氮、磷等污染物隨地表徑流排入溝渠及下游水體，對巢湖水體富營養化的貢獻不可忽視［19］。【本研究切入點】目前，巢湖流域的研究主要集中在農田地表徑流氮磷流失特征及河流營養鹽的輸出動態［20-21］，但經由農田流失的氮磷在溝渠中的時空轉化、分布及其向巢湖水體的輸送特征研究相對薄弱。【擬解決的關鍵問題】因此，本研究對巢湖圩區農田排水溝渠進行調查，分析溝渠水體氮磷時空分布特征及輸入巢湖的風險，為改善溝渠水體氮磷污染和控制巢湖流域污染源頭提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在巢湖市烔煬鎮西宋圩區農田示范基地(117°40′59″E ，31°39′43″N)進行，距巢湖湖區約560 m。巢湖流域屬于亞熱帶濕潤性季風氣候，年均氣溫16.1 ℃，相對濕度76 %，年均降水量1 215 mm。降雨量年內分配較不均勻，多集中于夏季（6—8月），12月份最少。試驗區作為一個典型圩區，地勢平坦，由于降雨徑流長期沖刷，自然土質溝渠縱橫交錯，溝渠主要接納農田排水和居民區生活污水，其中溝渠中植物可以沉降泥沙，減緩流速，具有一定的攔截凈化能力。溝渠排水匯入排灌站，通過排灌站與臨近河流—雞裕河相連，最終流入巢湖。試驗區主要種植作物為蔬菜-水稻、小麥-水稻輪作。作物施肥情況見表1。監測期內，小麥一般10月下旬栽種，5月下旬收割，期間施肥2次；水稻一般6月上旬插秧，9月下旬收割，期間施肥3次。

表1 監測期內作物施肥量Table 1 Crop fertilization during the monitoring period

1.2 采樣點設置及樣品采集

在研究區域選取3條溝渠，沿水流方向并根據溝渠長度，在溝渠的上游、中段、下游斷面分別設置3個采樣點，標記為S1～S9。其中溝渠1連接蔬菜-水稻種植區，溝渠2連接居民區及小麥-水稻種植區，溝渠3周邊是小麥-水稻種植區，面積分別為10.6、6.9、13.7 hm2。在溝渠系統的出水口—排灌站排水口和雞裕河河水分別布點采樣，標記為S10～S11（圖 1）。根據試驗區的自然環境及代表性，分別于2015年3月（春季）、2015年6月（夏季）、2016年9月（秋季）、2016年12月（冬季）的15日前后采集水樣，并在降雨時加采一次，每次取樣500 mL，保存在聚乙烯塑料瓶，準確標記后立即帶回實驗室進行處理，并盡快測定。

圖1 溝渠采樣點分布示意圖Fig.1 Diagram of distribution of sampling points in the ditches

1.3 測定項目及方法

本研究測定指標為總磷（TP）、總氮（TN）、氨態氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）。TP采用鉬酸銨分光光度法流動分析儀測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法流動分析儀測定，NH4+-N 采用水楊酸分光光度法流動分析儀測定，NO3--N采用硫酸肼還原法流動分析儀測定。所用儀器均為AA3流動注射分析儀。

試驗數據采用Excel軟件處理并作圖，根據《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）判斷溝渠水質。

2 結果與分析

2.1 農田排水溝渠水體氮磷濃度分布特征

從表2可以看出，溝渠水體氮磷濃度差異顯著，NH4+-N濃度為0.3～4.7 mg/L，平均值為1.1 mg/L；NO3--N濃度為0.4～2.8 mg/L，平均值為1.3 mg/L。與地表水環境質量標準（GB 3838-2002）比較可知，NH4+-N和NO3--N 平均濃度均高于Ⅲ類水質標準。農田排水溝渠TN濃度范圍在1.6～11.6 mg/L，平均濃度為4.2 mg/L，是Ⅴ類水質標準（2.0 mg/L）的2.1倍。農田排水溝渠TP濃度范圍在0.1～1.0 mg/L，平均濃度為0.3 mg/L，TP平均濃度超過IV類水質標準，且全部水體TP含量超過了水體富營養化（0.02 mg/L）的標準，甚至有些超過了Ⅴ類水質標準。巢湖圩區水稻生長期排水TN、TP濃度一般為4.3、0.3 mg/L［9］，本研究溝渠水中TN濃度略低于稻田排水濃度，TP濃度則略高于稻田排水濃度。

表2 農田排水溝渠水體氮磷濃度分布特征Table 2 Distribution characteristics of nitrogen and phosphorus concentrations in water of farmland drainage ditch

2.2 不同土地利用方式溝渠水體氮磷濃度比較

從表2還可以看出，3種土地利用方式農田排水溝渠的氮磷濃度差異顯著，不同溝渠水體氮磷濃度的變異系數較大，表現出較大的分散性。就磷素而言，溝渠1中 TP平均濃度最高，達到0.4 mg/L，溝渠2和溝渠3的TP平均濃度較低，分別為0.3、0.2 mg/L。就氮素而言，溝渠1、溝渠2、溝渠3 TN平均濃度分別為5.3 、3.9、3.5 mg/L；NH4+-N平均濃度分別為1.6 、0.9、0.7 mg/L；NO3--N平均濃度分別為1.7 、1.2、1.1 mg/L。總體上，農田溝渠氮磷濃度表現為溝渠1（蔬菜-水稻種植區）最高，溝渠2（居民區-小麥-水稻種植區）和溝渠3（小麥-水稻種植區）氮磷濃度較低，但溝渠2和溝渠3氮磷濃度差異不顯著（圖2）。蔬菜-水稻種植區施肥量較高，徑流中氮磷濃度相應增加，這可能是溝渠1中氮磷濃度最高的主要原因。同時溝渠2不僅接納居民區未經處理的高氮磷的生活廢水，還接納周邊的農田降雨及其灌溉水，而溝渠3僅接受較低施肥量的農田排水，因此氮磷濃度相對較低。

圖2 農田排水溝渠各點位氮磷濃度時空分布特征Fig.2 Spatial and temporal distribution of nitrogen and phosphorus concentrations in various farmland drainage ditches

2.3 農田排水溝渠水體氮磷時空分布特征

受大氣降水及農田施肥影響，溝渠水體氮磷季節性變化很大。對不同季節溝渠水體中氮磷濃度比較（圖2）可知，TP濃度（圖2A）冬季明顯高于春季和夏秋季節，可能是夏秋兩季雨水充沛，徑流量大，可以更好地稀釋污染物。同時，夏季和春季溫度適宜，植物生長旺盛，對溝渠中磷的凈化效果較顯著。TN（圖2B）和NO3--N（圖2D）濃度季節分布表現一致，均是春、夏濃度較高，秋、冬較低。可能是這些溝渠主要流經農業耕作區，而夏季是農業施肥的集中時期，隨著大量含氮肥料的施用，致使徑流中TN濃度較高。另外，由于土壤顆粒和膠體一般帶負電荷，在降雨沖刷和水土流失作用下，對NO3--N的吸附作用較弱，農田中的硝酸鹽易隨徑流進入溝渠中，從而導致NO3--N濃度較高［22］。NH4+-N（圖2C）濃度則表現為春季明顯高于夏秋兩季，這主要是春季有利于微生物活動，有機氮可在有氧條件下在轉化為NH4+-N，因此NH4+-N濃度較高［23］，這與寇永珍等［24］關于貴州高海拔地區NH4+-N濃度春季低于夏季的研究相反，主要是高海拔地區農業生產時間較巢湖平原地區相對較后。

此外，沿溝渠水流方向，由于農田溝渠自身凈化以及植物的吸收，溝渠對水體中氮磷有明顯的攔截作用，農田溝渠下游斷面氮磷濃度總體呈逐漸降低趨勢。從圖2可以看出，溝渠1表現為冬季TP濃度顯著高于夏、秋兩季，而TN、NH4+-N、NO3--N濃度則是春季較高，溝渠2和溝渠3也表現為相似規律。值得注意的是，溝渠2上游斷面（S4）冬季TP、TN濃度最高，達到0.1、3.4 mg/L，與秋季相比，TP濃度升高5.9倍、TN濃度升高69.8%，且顯著高于溝渠1和溝渠3的上游斷面。這可能是溝渠2上游斷面主要接納居民區的生活廢水和街道降雨徑流，雨季降雨對污水有一定的稀釋作用，而冬季枯水季節，高濃度的生活廢水直接排入溝渠，此時為作物生長后期，溝渠1及溝渠3則主要接受較低濃度的農田徑流，因此溝渠2上游水體中氮磷濃度最高。此外，夏季溝渠2下游斷面TP、TN和NO3--N濃度較高，可能是巢湖地區夏季作物施肥期集中在5—6月，導致農田徑流中氮磷含量較高。

2.4 圩區入河排水氮磷含量特征

圩區排水通過排灌站排入雞裕河，雞裕河入河口距入巢湖口約200 m。通過對排灌站排水（S10）采樣分析（表3）可知，圩區排水TP和TN平均濃度分別為0.3、3.8 mg/L，與溝渠水TP、TN平均值0.3、4.2 mg/L相比，TP濃度降低9.4%，TN濃度降低9.2%。

盡管水體混合稀釋以及溝渠的凈化攔截，致使排灌站排水氮磷濃度有所降低，但與入湖河流雞裕河河水（S11）相比，圩區排水TP和TN濃度分別高出16%、6.1%。與地表水環境質量標準（GB 3838-2002）比較可知，圩區排水TP超過Ⅳ類水標準，TN含量超過Ⅴ類水標準，巢湖圩區農田氮磷輸出風險依然嚴峻。

表3 入河排水氮磷含量特征Table 3 Characteristics of nitrogen and phosphorus contents in river drainage in polder area

3 討論

影響農田排水溝渠水體中氮磷含量的因素有很多。首先，不同的水肥條件是影響溝渠系統氮磷含量的主要因素，不同的土地利用方式也會導致溝渠系統接受周邊的徑流流失和污水強度有所不同［25-27］。本研究結果表明，相同降雨條件下，連接蔬菜種植區的溝渠徑流氮磷含量總體上高于居民-稻麥區和稻麥區溝渠，這是由于蔬菜季施肥量較高，在降水過程中，氮磷隨地下淋溶和地表徑流中向溝渠流失較多。此外，夏季溝渠水體中TN和NO3--N含量較高，而NH4+-N含量較低。這可能是夏季是農業種植的集中時期，雨水充沛，大量氮肥在雨水淋溶和水土流失作用下進入溝渠中，同時NH4+-N在厭氧微生物作用下轉化成NO3--N，降雨又一定程度上稀釋了NH4+-N濃度，從而導致TN和NO3--N含量升高，NH4+-N含量降低。同時，夏秋季節為豐水期，溫度適宜植物生長，對溝渠中磷的凈化效果更好，因此溝渠水體中TP含量較冬季低。

其次，植物是溝渠系統的初級生產者之一，既可以直接吸收底泥和水體中的氮、磷等營養物質，氧氣還可以通過莖和葉轉移到根區，促進根區周圍形成微氧環境，為微生物提供適宜的生長環境，能夠有效去除水體中氮磷［28-31］。同時受溫度和季節影響，溝渠去除氮磷的速率有所差異。夏季溫度有利于植物進行光合作用，生長速度加快，對氮磷的凈化效果也更加明顯。與之相反，冬季氣溫較低，植物地上部分枯萎凋落，植物體內的氮磷釋放進入水體和底泥中，則會導致氮磷濃度升高［14,32］。因此總體上，沿溝渠水流方向，TN、TP濃度逐漸降低。但冬季農田徑流中氮磷削減效率較低，且溝渠2中TP、TN濃度最高（S4），這不僅與居民區高氮磷生活污水的大量排放有關，同時冬季溝渠中水生植物凋落，生態化水平較低，從而降低了溝渠對氮磷的截留削減能力［33］。

作為污染物傳輸的重要通道，溝渠系統不僅影響當地居民的生產生活用水，還會對巢湖水質造成潛在威脅。因此，有必要對巢湖沿岸農田排水溝渠進行整治。一方面，由于農田施肥量較高及生活污水排放使得溝渠水體中氮磷含量較高，因此完善居民區及集鎮的基礎設施，提高生活污水處理能力；另一方面，自然溝渠植物覆蓋度較低，生態化水平不高，對氮磷的凈化能力有限，利用水生植物、底泥和微生物的協同作用，構建生態溝渠系統，提高農田溝渠的水質凈化能力可作為該區域控制面源污染的研究方向。

4 結論

（1）農田排水溝渠水體NH4+-N和NO3--N平均濃度分別為1.1、1.3 mg/L；TP、TN濃度范圍分別為0.1～1.0、1.6～11.6 mg/L，TP平均濃度超過Ⅳ類水質標準，且全部超過水體富營養化標準，TN平均含量是Ⅴ類水質標準的2.1倍。

（2）受降雨強度及農田施肥影響，農田排水溝渠中氮磷時空變化顯著。溝渠水體TN和NO3--N春夏兩季濃度較高，TP和NH4+-N則是夏秋濃度較低。另土地利用方式對溝渠水體氮磷含量具有顯著影響，蔬菜-水稻種植區溝渠水體氮磷含量高于居民-稻麥區和稻麥區溝渠，且整體從上游斷面到下游，氮磷濃度逐漸降低，具有一定的攔截效果。

（3）農田圩區排水TP和TN平均濃度分別為0.3、3.8 mg/L，比入湖雞裕河河水TP和TN分別高出16%、6.1%，農田圩區排水TP濃度超過Ⅳ類水標準，TN濃度超過Ⅴ類水標準，對巢湖水體富營養化的貢獻不容忽視。