北運(yùn)河下游流域設(shè)施農(nóng)田氮磷流失特征及污染負(fù)荷研究

于丹+劉瓊瓊+邵曉龍+劉紅磊+田晶+張青

摘要：針對(duì)北運(yùn)河下游流域設(shè)施農(nóng)業(yè)快速發(fā)展、化肥農(nóng)藥施用量劇增、肥料利用效率不高的特點(diǎn)，選取北運(yùn)河下游典型設(shè)施農(nóng)田—北辰雙街農(nóng)業(yè)種植園作為研究區(qū)，結(jié)合其降水徑流形成特征，分析設(shè)施農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染流失特征。結(jié)果表明，研究區(qū)降雨的流量過程線呈正態(tài)單峰型特征，降雨的徑流過程都表現(xiàn)為陡漲、陡落;隨著降雨徑流的產(chǎn)生和徑流流量的增加，徑流污染物的濃度快速升高，達(dá)到峰值后迅速下降，后期較均勻穩(wěn)定;污染物濃度的峰值提前于徑流的峰值，在整個(gè)徑流污染過程中整體表現(xiàn)為初期徑流中污染物的濃度高于后期徑流中污染物的濃度;研究區(qū)年污染負(fù)荷量TN為990.8 kg、TP為17.19 kg、NH4+-N為304.17 kg、NO3-N為469.72 kg、COD為5 879.65 kg。從污染負(fù)荷數(shù)值來看，大棚種植區(qū)的年平均氮磷釋放量遠(yuǎn)小于露天種植方式。

關(guān)鍵詞：北運(yùn)河下游流域;設(shè)施農(nóng)田;氮磷流失;污染負(fù)荷;

中圖分類號(hào)：S157.1 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：0439-8114（2015）23-5881-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.021

Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Loss of Facility Farmland in the Downstream of the North Canal River Watershed

YU Dan1，LIU Qiong-qiong1，SHAO Xiao-long1，LIU Hong-lei1，TIAN Jing2，ZHANG Qing2

（1.Tianjin Environmental Protection Science Research Institute，Tianjin 300191，China; 2.Tianjin Professional College，Tianjin 300191，China）

Abstract： Beichen Shuangjie Agricultural Demonstrational Park， a typical facility farmland in the downstream of North Canal River， was selected as the research area. The formation mechanism of non-point source pollution and the characteristics of nitrogen and phosphorus loss of the typical facility farmland were analyzed by the formation characteristics of rainfall-runoff in this park. Results showed that the discharge curve of the rainfall in the research area was normally unimodal and its runoff process showed a steep rise and fall. With the production of rainfall runoff and an increase in runoff， the concentrations of runoff pollutant rose to a peak rapidly and then fell rapidly， later became uniform and stable. The peak of pollutant concentrations was ahead of that of runoff， showing that the pollutant concentrations in early runoff was higher than that in the late runoff throughout the process of the runoff pollution.A pollution load accounting model for greenhouse region was presented using an improved export coefficient method. Results showed that total nitrogens， total phosphorus， ammonium nitrogen， nitrate nitrogen and COD release were 990.80，17.19，304.17，469.72，5 879.65 kg/a， respectively. With the data of pollution load， the nitrogen and phosphorus release in facility farmland system was much less than that in open farmland systems.

Key words： North Canal River watershed; facility farmland; nitrogen and phosphorus loss; pollution load

氮、磷是生物體必需元素，同時(shí)也是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要影響因素[1]。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類活動(dòng)日益劇烈，中國(guó)河流水體中營(yíng)養(yǎng)元素質(zhì)量濃度呈上升趨勢(shì)。營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度上升會(huì)導(dǎo)致河流水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)增加，這將成為河流水環(huán)境治理的重要問題之一[2]。endprint

海河水系在全國(guó)七大水系中污染狀況最為嚴(yán)重，總體為重度污染，尤其是氮磷污染嚴(yán)重，若未能得到及時(shí)有效的控制，將嚴(yán)重制約華北地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，造成重大及難以逆轉(zhuǎn)的后果[3]。北運(yùn)河水系屬海河流域北系，河流以污水補(bǔ)給為主，由主河道和溝渠構(gòu)成的北運(yùn)河下游河網(wǎng)區(qū)，水系發(fā)達(dá)，河渠縱橫交錯(cuò)，擔(dān)負(fù)著調(diào)蓄、供水、灌溉、養(yǎng)殖等多種功能[4，5]。隨著區(qū)域工農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，每年大量營(yíng)養(yǎng)物排入，下游河網(wǎng)區(qū)水體污染嚴(yán)重，已成為海河水系的典型污灌區(qū)[6]，其中農(nóng)田徑流所攜帶的污染物質(zhì)占很大比例。因此，研究農(nóng)田地表徑流中氮磷的遷移規(guī)律與流失特征對(duì)防治農(nóng)業(yè)面源污染與地表水體富營(yíng)養(yǎng)化、緩解水資源危機(jī)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[7-10]。

近年來，在經(jīng)濟(jì)利益的推動(dòng)下，北運(yùn)河下游流域的種植結(jié)構(gòu)有了很大調(diào)整，設(shè)施農(nóng)業(yè)面積大幅度上升，而對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)的污染產(chǎn)生與排放規(guī)律的研究較少[11]。針對(duì)北運(yùn)河下游流域設(shè)施農(nóng)業(yè)快速發(fā)展、化肥農(nóng)藥施用量劇增、肥料利用效率不高的特點(diǎn)，本試驗(yàn)選取北運(yùn)河下游典型設(shè)施農(nóng)田—北辰雙街農(nóng)業(yè)種植園作為研究區(qū)，結(jié)合其降水徑流形成特征，分析設(shè)施農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染形成機(jī)理和流失特征。結(jié)合大棚種植區(qū)農(nóng)業(yè)氮磷流失特點(diǎn)，在現(xiàn)有農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算模型的基礎(chǔ)上，提出大棚種植區(qū)污染負(fù)荷模型，旨在建立適合我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)的氮磷流失污染負(fù)荷估算方法，以簡(jiǎn)便有效的方法評(píng)估大棚農(nóng)業(yè)的氮磷流失水平。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區(qū)概況

北運(yùn)河屬于海河水系北部，是中國(guó)南北大運(yùn)河的北段，自北京通縣至天津入海河處，是天津重要的一級(jí)河道、海河干流的重要組成部分，承擔(dān)著防洪、引灤輸水任務(wù)，屬于典型的農(nóng)業(yè)污灌區(qū)。區(qū)域內(nèi)地貌多平原，土地利用以農(nóng)業(yè)耕作為主;氣候?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候，受季風(fēng)影響，春季氣候風(fēng)多雨少，夏季雨量集中。年平均降水量為550～680 mm，夏季降水量約占全年降水量的80%。

研究示范區(qū)—北辰雙街農(nóng)業(yè)種植園位于北運(yùn)河以西，主要為設(shè)施葡萄種植，占地80 hm2，連棟大棚195棟，是典型的大棚種植區(qū)。農(nóng)田中的地表徑流主要通過6條明渠直排入北運(yùn)河下游河網(wǎng)區(qū)。圖1為研究區(qū)示意圖。

1.2 ?研究方法

1.2.1 ?旱季監(jiān)測(cè) ?由于研究區(qū)所種植均為大棚作物，有著相同的種植結(jié)構(gòu)，流量和水質(zhì)較為均一。研究區(qū)共有6條明渠直排入北運(yùn)河下游河網(wǎng)區(qū)，結(jié)合試驗(yàn)區(qū)灌排渠系布設(shè)現(xiàn)狀，在試驗(yàn)區(qū)選取代表性的1條排水溝渠進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要設(shè)置在排水溝渠末端的入河口附近，以得到最終入河的污染負(fù)荷。水質(zhì)分析指標(biāo)包括總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、磷酸鹽（SRP）。

1.2.2 ?雨季監(jiān)測(cè) ?雨季監(jiān)測(cè)于2014年4-9月進(jìn)行。結(jié)合試驗(yàn)區(qū)灌排渠系布設(shè)現(xiàn)狀，在試驗(yàn)區(qū)選取代表性的1條排水溝渠進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要設(shè)置在排水溝渠末端的入河口附近，以得到最終入河的污染負(fù)荷。

降雨資料的獲取主要通過對(duì)降雨全過程降雨強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)。降雨觀測(cè)工具為自動(dòng)雨量計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)降雨全過程的監(jiān)測(cè)，記錄間隔設(shè)為5 min，即每5 min給出一個(gè)降雨量數(shù)據(jù)。至降雨徑流水量趨于穩(wěn)定，測(cè)定采樣點(diǎn)流速和記錄水位，計(jì)算流量。流速采用LGY-II型便攜式流速流量?jī)x進(jìn)行測(cè)算，5～10 min測(cè)量一次。同時(shí)采取水樣進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。水樣分析指標(biāo)包括化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、總磷（TP）、磷酸鹽（SRP）。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?旱季流量監(jiān)測(cè)

研究區(qū)內(nèi)共有6條排水渠直排園外溝渠，多數(shù)溝渠末端流量較小，或處于靜止或干涸狀態(tài)，在泵站抽水的日子會(huì)有剩余的農(nóng)灌水流下來，流量較大。由于示范區(qū)內(nèi)相同的灌溉方式和種植結(jié)構(gòu)，6條排水溝渠末端流量較為接近。我們選取1#排水口進(jìn)行連續(xù)水量監(jiān)測(cè)。將1#排水口流量乘以6，可以大致估算出整個(gè)研究區(qū)排水入園外溝渠的總流量。

選取2014年5月23日-6月6日進(jìn)行隔天監(jiān)測(cè)，其中5月31日為灌溉日。該段時(shí)間內(nèi)天氣晴朗，沒有降雨，是典型的的旱季時(shí)段。圖2為該時(shí)間段流量圖。

從圖中數(shù)據(jù)可以看出該時(shí)間段流量隨時(shí)間波動(dòng)很大，灌溉前流量很小，1#排水口的流量基本為9.96～17.21 m3/d。灌溉的日流量倍增，最高值達(dá)274.65 m3/d，隨后流量逐漸變小，趨于9～18 m3/d?？偭髁孔罡咧颠_(dá)1 647.9m3/d，在灌溉前后的流量平均為98.46 m3/d。

2.2 ?旱季水質(zhì)監(jiān)測(cè)

由于研究區(qū)內(nèi)相同的灌溉方式和相似的種植結(jié)構(gòu)，6條排水溝渠水質(zhì)較為接近。我們選取1#排水口進(jìn)行連續(xù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，將1#排水口的污染物平均濃度近似為整個(gè)大棚種植區(qū)旱季農(nóng)田退水污染物的平均濃度。

表1為示范區(qū)旱季農(nóng)田退水污染數(shù)據(jù)，從表中數(shù)據(jù)可以看出，旱季農(nóng)田退水中各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)物的平均濃度較高，其中TP濃度較低，達(dá)到地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn);NH4+-N濃度剛好達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，而TN和COD濃度指標(biāo)遠(yuǎn)超出地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 ?旱季污染負(fù)荷估算

由于示范區(qū)相同的灌溉方式和相似的種植結(jié)構(gòu)，將1#排水口的污染物平均濃度近似為整個(gè)大棚種植區(qū)旱季農(nóng)田退水污染物的平均濃度，然后乘以6條排水口總的流量，可以大致估算出研究區(qū)大棚種植區(qū)旱季農(nóng)田退水污染物平均負(fù)荷量，見表2。

2.4 ?降雨特征分析

對(duì)天津北辰區(qū)往年降雨數(shù)據(jù)分析，每年的4-9月是該地區(qū)的主要降雨期，合計(jì)降雨量約占全年降雨量的85%以上，也是形成降雨徑流、產(chǎn)生徑流污染的主要月份，因此主要對(duì)4-9月降雨進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。根據(jù)研究區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在2014年4-9月，研究區(qū)共降雨38次，總降雨量為401.9 mm;最大日降雨發(fā)生在8月31日，降雨量為48.8 mm;最小僅有 0.2 mm。表3為2014年4-9月的降雨類型和發(fā)生頻率。endprint

從表3中可知，2014年4-9月降雨次數(shù)（>0.1 mm）為38 d，從降雨類型分布看，0.1～1.0 mm的降雨次數(shù)為5次，發(fā)生頻率為13.15%，降雨量2.6 mm，占全年降雨量的0.64%，基本為無效降雨。1.0～10.0 mm的降雨次數(shù)為21次，發(fā)生頻率為55.26%，是發(fā)生頻率最高的降雨類型，降雨量96.4 mm，占全年降雨量的23.98%。降雨量在10.0 mm以上的降雨次數(shù)為12次，降雨量302.9 mm，雖然發(fā)生頻率只有31.57%，但是降雨量占全年降雨量的75.36%，是形成地表徑流的主要降雨。

本研究對(duì)2014年7月30日、8月4日和9月2日研究區(qū)的3場(chǎng)大雨降雨徑流全過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，表4為三次雨降雨歷時(shí)、降雨量及總徑流量情況。

由表4可知，7月30日徑流量最大，而8月4日單位時(shí)間降雨量最大。

2.5 ?雨季污染物流失特征分析

徑流污染過程就是降雨及其形成的徑流對(duì)地表污染物的溶解、沖刷，最終排放進(jìn)入受納水體的過程。在一次降雨徑流過程中，徑流中污染物濃度隨時(shí)間的變化特征主要取決于降雨徑流特征和地表污染物的數(shù)量。以示范區(qū)2014年7月30日、8月4日和9月2日3場(chǎng)大雨的降雨-徑流-污染的變化過程為例說明設(shè)施農(nóng)業(yè)徑流污染過程的特征，見圖3-圖5。

從圖3-圖5可以看出，7月30日降雨量較小，形成的地表徑流并不明顯，降雨的流量過程線呈多峰型特征。8月4日和9月2日兩場(chǎng)降雨的流量過程線均呈正態(tài)單峰型特征，降雨的徑流過程都表現(xiàn)為陡漲、陡落。這是由于大棚種植區(qū)不透水面積比例高，降雨的初損減少較多，降雨迅速形成徑流，徑流快速拉升上漲，很快達(dá)到峰值。同時(shí)，高比例的不透水面積阻礙了降雨的入滲，降雨形成壤中流和地下徑流的機(jī)會(huì)少，降雨停止后，流量很快下降。

8月4日和9月2日兩場(chǎng)降雨徑流事件的共同特征是隨著降雨徑流的產(chǎn)生和徑流流量的增加，TN、TP、NH4+-N、SRP、COD的濃度很快升高，并達(dá)到峰值，之后污染物的濃度便迅速下降，趨于穩(wěn)定。污染物濃度的峰值提前于徑流的峰值，在整個(gè)徑流污染過程中整體表現(xiàn)為初期徑流中污染物的濃度高于后期徑流中污染物的濃度。7月30日降雨事件由于雨量較小，污染特征曲線規(guī)律性不強(qiáng)。此外，污染物濃度峰與徑流峰的間隔時(shí)間同降雨強(qiáng)度有關(guān)，一次降雨事件初期降雨強(qiáng)度越大，污染物濃度峰與徑流峰的間隔時(shí)間越短。

在降雨徑流過程中NO3--N濃度的變化特征不同于其他污染物，在整場(chǎng)降雨徑流中，NO3--N的濃度表現(xiàn)為先升高后下降再逐漸升高并平衡的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)樵趶搅鞯暮笃?，徑流的組成發(fā)生了變化所致。盡管大棚種植區(qū)不透水地表占很大的比例，但還是存在一些透水性地表，如草地、樹木等綠化用地。因此，在高強(qiáng)度的降雨情況下，可能會(huì)出現(xiàn)淋溶過程，是NO3--N濃度升高的一個(gè)原因。另一方面，不透水地表產(chǎn)流快，會(huì)在地表（如植草溝）造成滯水的現(xiàn)象，使得徑流同地表的作用時(shí)間增加，可能會(huì)洗脫出一部分NO3--N。

2.6 ?雨季污染負(fù)荷估算

根據(jù)2014年7月30日、8月4日和9月2日三場(chǎng)降雨的降雨量和徑流量計(jì)算平均徑流系數(shù)為0.339。根據(jù)監(jiān)測(cè)降雨量數(shù)據(jù)和平均徑流系數(shù)計(jì)算徑流量，見表5。

根據(jù)計(jì)算出的大棚種植區(qū)雨季徑流污染物平均濃度，乘以研究區(qū)產(chǎn)生的總徑流量，則近似得出大棚種植區(qū)雨季產(chǎn)生的年污染負(fù)荷量為：TN為779.00 kg、TP為14.67 kg、NH4+-N為242.77 kg、NO3-N為359.29 kg、SRP為5.67 kg、COD為3 413.93 kg。

3 ?結(jié)論

1）研究區(qū)降雨的流量過程線均呈正態(tài)單峰型特征，降雨的徑流過程都表現(xiàn)為陡漲、陡落。這是由于大棚種植區(qū)不透水面積比例高，降雨的初損減少不多，降雨迅速形成徑流，徑流快速拉升上漲，很快達(dá)到峰值。

2）隨著降雨徑流的產(chǎn)生和徑流流量的增加，徑流污染物的濃度很快升高，達(dá)到峰值后迅速下降，后期較均勻穩(wěn)定;污染物濃度的峰值提前于徑流的峰值，在整個(gè)徑流污染過程中整體表現(xiàn)為初期徑流中污染物的濃度高于后期徑流中污染物的濃度。

3）根據(jù)對(duì)大棚種植期旱季和雨季的監(jiān)測(cè)和污染負(fù)荷估算，大棚種植區(qū)年污染負(fù)荷量為TN為990.8 kg、TP為17.19 kg、NH4+-N為304.17 kg、NO3--N為469.72 kg、COD為5 879.65 kg。從污染負(fù)荷數(shù)值來看，高比例的大棚不透水面，阻擋了雨水對(duì)種植區(qū)土壤的直接沖刷，大大減少了肥料的流失。

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