水庫流域種植類型非點源污染試驗研究

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數據與方法

根據地理位置相近、土壤特性相似、種植作物單一和降雨徑流出口唯一等原則選擇了庫區上游靠山鎮柴河林場附近三塊農田為類型源小區。區內主要種植類型為水稻、玉米和苗木,田塊面積分別為01133hm2、01037hm2和01133hm2。水稻田蓄水開始時間是2010年6月8日,插秧時間是6月9日,同日進行第一次施肥,追肥兩次,施肥種類為復合肥和碳銨。玉米地在4月20日播種,第一次施肥時間為6月3日,追肥一次,施肥種類為復合肥和碳銨。苗木地內種植苗木為紅瑞和水蠟,為二年生,2010年未施肥。2010年完成三種試驗田均有產流的降雨徑流觀測6次,觀測場次降雨特征見到表1。現場進行流量測量和水樣樣品采集,水樣采集后24h內送實驗室進行分析測試。

分析方法產流量采用巴歇爾槽明渠流量計測量,通過自動記錄裝置記錄通過流量計的流量。流量計水平安裝在試驗田塊唯一的排水出口處,且流量計底部高程與試驗田排水出口最低處起平,并保持流量計出口通暢不會產生壅水,以保證試驗田塊降雨徑流流出量可通過測量巴氏槽喉口處的水深并通過水深與流量的相關關系換算得到。由于水稻田有蓄水,流量計安裝的最低出水口選在試驗水稻田最低田埂高度處,該高度由實際耕作者在日常的田間管理中自然形成,在安裝流量計時不做人為的改變,以反映自然的產流規律。水質分析項目包括SS、總氮(TN)、總磷(TP)、CODCr、BOD5等五項,其中,TN和TP采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定,CODCr采用重鉻酸鉀法測定,SS采用重量法測定,BOD5采用標準稀釋測定法[9]。

結果與分析

2010年完成了6場完整的降雨徑流過程觀測,獲得了較為充分的水量水質分析數據。現以三種試驗田水量水質輸出過程均較完整的8月5日實測數據為例,分析柴河水庫流域不同類型源區的徑流污染特征。

降雨徑流特征如圖1所示,不同種植類型的試驗田中徑流過程存在較大的差異。從產流時間上看,苗木地和玉米地較早產流,水稻田由于受田埂蓄水的影響,降雨初期不產流,田面水蓄滿后才開始產流,產流時間遠遠落后于苗木地和玉米地。從產流總量上看,水稻田水量峰值明顯滯后,且產流量低于玉米地和苗木地;玉米地和苗木地水量起漲過程基本一致,但是苗木地產流量小于玉米地。

污染物輸出特征圖2-圖4為試驗測得8月5日三塊試驗田總氮、總磷和CODCr的濃度過程。由圖2可知,三塊試驗田污染負荷中總氮的濃度隨著時間的變化均有逐漸減小的趨勢,說明隨著總氮的流失,表層土壤或田面水中含氮量逐漸減小,排放水量總氮濃度逐漸降低。此外,三塊試驗田中產流前期水稻田排水的總氮濃度較高,玉米地和苗木地總氮濃度相當。相比總氮輸出過程,圖3中三塊試驗田總磷的輸出濃度較為穩定,產流前后期沒有太大變化。這主要是因為土壤中的磷主要是以吸附態的形式存在,隨泥沙等懸浮顆粒流失,受前期徑流淋溶、遷移和稀釋的作用較小。不同種植類型試驗田中,苗木地總磷濃度最高,其次是水稻田,玉米地最小。如圖4所示,CODCr的輸出過程與總磷相似,產流前后期CODCr濃度沒有太大變化,同樣是受懸浮顆粒影響較大的原因造成的。各試驗田中,苗木地的CODCr濃度最高,水稻田和玉米地的CODCr輸出濃度較接近。

次降雨平均濃度把不同場次降雨量按12h降雨量方法[10]劃分為不同的雨量等級,并用次降雨平均濃度EMC(EventMeanConcen2trations)[11]表征各場次徑流水質污染程度。對比三種類型試驗田EMC平均值可知,在相同降雨條件下玉米地的平均流量最大,其次是水稻田,苗木地最小;但是SS濃度值最大的試驗田類型為苗木地,其次是玉米地,水稻田最小。與之相應,易溶于水的氮素輸出平均濃度最大的為玉米地,其次是苗木地,水稻田最小;而徑流污染中總磷、CODCr和BOD濃度最大的耕作類型為苗木地,其次是玉米地和水稻田,與SS輸出規律相同。在不同降雨條件下,不同種植類型試驗田EMC值產生規律各不相同。水稻田產流量和SS濃度隨雨強的大小變化較大,暴雨情景下流量、SS濃度值和總氮、總磷、CODCr濃度值均遠大于大雨情景。其中,唯一一場中雨產生于7月20日下午,離上一場大雨較近,田面水已蓄滿,受前期雨量影響,中雨情景下水稻田產流量大,但是SS濃度為0,總氮和總磷濃度均較小。玉米地產流量和SS濃度值隨雨強的大小統一發生較大的變化,但是總氮、CODCr和BOD5平均濃度值卻與雨強大小成反比。說明雖然雨強增大產生的地表沖刷作用增強,但是污染負荷受水量稀釋作用更顯著,EMC值反而降低;苗木地產流量隨雨強的增大而增大,SS和總磷的輸出受雨強和流量的影響均很小,EMC值變化較小。總氮、CODCr和BOD的輸出與玉米地類似,受徑流量稀釋作用顯著,EMC隨著雨強和徑流量的增大而減小。

非點源污染產生的影響因素(1)耕作類型的影響。上述分析結果表明,在相同降雨條件下,不同的耕作類型非點源污染輸出過程存在較大的差別。一方面,不同的植被類型可能導致不同的水量截留、滯蓄和土壤侵蝕作用。如相對于玉米,紅瑞、水蠟等苗木對水量的滯蓄作用較大,產流量小;另一方面,作物不同的耕作方法也可能影響非點源污染的產生規律。如水稻大部分生長期處于蓄水狀態,產流受田埂出水口和田面水高差控制,產流晚,持續時間短,但次降雨濃度輸出過程較為均勻,與玉米地和苗木地產流產污過程存在較大差異。因此,耕作類型是影響非點源污染產生的重要因素。(2)降雨特征的影響。同一種耕作類型的試驗田在不同的降雨條件下非點源污染的產生規律也存在較大的差異。研究中隨著降雨量和雨強的增加,三種試驗田的產流量、SS和總磷濃度均增大,但是總氮、CODCr和BOD5等污染負荷受水量的稀釋作用顯著,其EMC值與雨強大小成反比。此外,由于水稻田產流特征受出水口和田面水高差控制,前期雨量較大時可能使得田面水蓄滿,導致產流提前,污染負荷增大。因此,前期雨量對其非點源污染產生過程的影響較大。(3)施肥的影響。化肥和農藥的使用,是農田徑流污染的源強輸入。在生長和耕作條件類似的玉米地和苗木地中,玉米地產生總氮的EMC遠大于苗木地,與玉米地有施肥而苗木地未添加肥料的實際情況相符合。說明施肥量會對非點源污染的輸出產生影響。同時,雖然受田面水降解影響,水稻田總氮的EMC值較小,但是圖2中8月5日場次降雨中水稻田產生的總氮濃度大于玉米地和苗木地,這主要是稻田7月下旬追肥,田面水中含氮量較高的緣故。說明施肥與發生降雨的時間間隔也是影響農田非點源污染產生的重要因子。

結論

通過水稻田、玉米地和苗木地三種不同耕作類型非點源污染產生規律的分析,得出如下結論。(1)次降雨徑流過程中,水量中水稻田產流時間和流量峰值明顯滯后于苗木地和玉米地;產流初期總氮的濃度較大,后期濃度逐漸減小;總磷和CODCr的輸出過程受懸浮顆粒影響較大,產流前后期濃度沒有太大變化。(2)在相同降雨條件下次降雨平均濃度中,玉米地輸出總氮濃度最大,其次是苗木地和水稻田;而SS、總磷、CODCr和BOD的EMC值最大的耕作類型為苗木地,其次是玉米地,水稻田最小。(3)在不同降雨條件下,水稻田產流量和各污染物EMC值隨雨強的大小變化一致;玉米地產流量和SS濃度值隨雨強的大小統一發生較大的變化,但是總氮、CODCr和BOD5平均濃度值卻與雨強大小成反比;苗木地產流量隨雨強的增大而增大,SS和總磷的輸出受雨強和流量的影響均很小,EMC值變化較小,總氮、CODCr和BOD5的EMC值與玉米地類似,受徑流量稀釋作用顯著,隨著雨強和徑流量的增大而減小。(4)由于不同的作物特性和耕作方式,耕作類型對非點源污染產生影響較大,降雨特征會通過雨強、雨量和降雨時間間隔影響非點源污染的產生,而施肥作為源強輸入,其施肥總量、施肥與發生降雨的時間間隔也是影響非點源污染產生的重要因素。

作者：楊武志蘇保林袁軍營周瑩呂興娜單位：北京師范大學水科學研究院鐵嶺市環境保護科學研究院