黃前水庫上游流域農(nóng)業(yè)非點源污染研究

程 凱，馬 睿，牛 勇

（1.泰安市水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，山東 泰安 271000；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山東 泰安 271018）

農(nóng)業(yè)非點源污染是導(dǎo)致水環(huán)境惡化問題的關(guān)鍵因素之一，加劇了我國水資源供給失衡的現(xiàn)狀[1]。目前，大多數(shù)研究基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ突驒C理模型進行流域非點源污染風(fēng)險控制區(qū)劃，但對于下墊面極其復(fù)雜且數(shù)據(jù)缺乏的土石山區(qū)，基于模型的方法因需要大量數(shù)據(jù)進行參數(shù)率定及結(jié)果驗證而并不能被廣泛使用。因此，在特定地區(qū)探究徑流量和降雨特征與污染物之間的關(guān)系是研究流域非點源污染運移特征和污染風(fēng)險的有效手段。

黃前水庫是泰安城區(qū)主要的供水水源地。水庫上游為山區(qū)，隨著經(jīng)濟和城鎮(zhèn)化水平的迅速發(fā)展，農(nóng)村生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的非點源污染直接導(dǎo)致了可用水資源的供需矛盾，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展，并且對下游地區(qū)的生產(chǎn)生活造成潛在的風(fēng)險。因此，開展黃前水庫上游流域農(nóng)業(yè)非點源污染物與水土流失影響因素等之間的相關(guān)性研究是十分必要的。

1 研究區(qū)概況

黃前水庫始建于1958 年，總庫容8 248 萬m3，水庫上游流域控制面積292 km2，屬低山丘陵區(qū)，流域形狀系數(shù)0.66，河網(wǎng)密度系數(shù)0.26，溝壑密度2.984 km/km2，主溝比降1.8%，為東北西南走向季節(jié)性河流，河源深切、侵蝕強烈[2]。

流域?qū)倥瘻貛Т箨懶园霛駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為18.5 ℃，年平均降水量為790 mm。植被屬暖溫帶闊葉、針葉林，流域上游植被良好，森林覆蓋率40%～50%。土壤質(zhì)地類型主要是棕壤、沙壤，部分為黏土。地面出露面主要為花崗片麻巖風(fēng)化層，侵蝕剝蝕巖溶構(gòu)造地貌，主河道兩岸農(nóng)業(yè)用地平均土層厚度大于1 m。水源主要由泰山、長清嶺和大青山3 條溪流匯聚而來，上游主要有麻塔河、石汶河、石屋志河和紅河等河流。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

流域內(nèi)主要土地利用類型為經(jīng)濟林（以板栗核桃為主）和防護林，在其經(jīng)營活動過程中農(nóng)藥化肥的施用對區(qū)域污染物的遷移轉(zhuǎn)化起著決定性的作用。根據(jù)試驗需要和黃前水庫上游流域土地利用、植被類型和地面坡度的分布狀況，在流域內(nèi)選取4 個徑流觀測小區(qū)，徑流場（小區(qū)）的信息詳見表1。

表1 徑流小區(qū)基本信息表

2.2 試驗方法

徑流小區(qū)下方設(shè)置有流量監(jiān)測儀和水樣取樣器，每次降雨產(chǎn)流后由專人收集徑流小區(qū)下方集雨池內(nèi)的徑流量、水樣。徑流量由人工記錄，水樣由棕色玻璃瓶盛裝密封后送至實驗室進行污染物檢測，指標(biāo)包括總氮、總磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等4 個指標(biāo)，檢測方法分別為：總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，總磷采用鉬酸銨分光光度法測定，銨態(tài)氮采用浸提-靛藍比色法測定，硝態(tài)氮采用雙波長紫外分光光度法測定。

3 結(jié)果分析

3.1 不同土地利用條件下降雨量對農(nóng)業(yè)非點源污染物的影響

1 號小區(qū)（地瓜）的全磷、全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均與降雨量成負相關(guān)關(guān)系（見圖1），當(dāng)降雨量約為37 mm 時，產(chǎn)生徑流中全磷、全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量達最低；2 號小區(qū)（裸地）全磷、全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均與降雨量成負相關(guān)關(guān)系，當(dāng)降雨量約為12 mm 時，全磷、全氮和硝態(tài)氮含量達到最低，銨態(tài)氮含量則在降雨量約為28 mm 時達到最低；3 號小區(qū)（板栗人工林）全磷、全氮和硝態(tài)氮含量與降雨量成負相關(guān)關(guān)系，銨態(tài)氮含量則與降雨量成正相關(guān)關(guān)系，即銨態(tài)氮含量隨降雨量的增加而增加。當(dāng)降雨量約為37 mm時，全磷、全氮和硝態(tài)氮的含量最低，當(dāng)降雨量約為6 mm 時，銨態(tài)氮含量最低；4 號小區(qū)（麻櫟人工林）全磷、全氮和硝態(tài)氮含量與降雨量成負相關(guān)關(guān)系，銨態(tài)氮含量與降雨量成正相關(guān)關(guān)系。

圖1 徑流小區(qū)各項測定指標(biāo)與降雨量的關(guān)系

3.2 不同土地利用條件下降雨強度對農(nóng)業(yè)非點源污染物的影響

降雨強度是反映降雨事件特征的重要指標(biāo)，通過影響地表徑流特征，對氮磷等農(nóng)業(yè)非點源污染物的運輸機制和規(guī)律造成影響。不同措施之間，降雨強度與各項測定指標(biāo)含量關(guān)系同徑流場內(nèi)有無人為管護（如地瓜小區(qū)會翻耕，裸地小區(qū)會長期除草）、地表覆蓋物情況（種類、數(shù)量、厚度）等有較大關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致氮磷等元素的運移和轉(zhuǎn)化過程等方面存在差異。試驗表明：1 號小區(qū)（地瓜）和2 號小區(qū)（裸地）的全磷、全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均與降雨強度成正相關(guān)關(guān)系；3 號小區(qū)（板栗人工林）和4 號小區(qū)（麻櫟人工林）的全磷、全氮和硝態(tài)氮含量均與降雨強度成負相關(guān)關(guān)系，銨態(tài)氮含量與降雨強度成正相關(guān)關(guān)系。

3.3 不同土地利用條件下徑流量對農(nóng)業(yè)非點源污染物的影響

地表徑流是面源污染的主要載體，其產(chǎn)量大小會對土壤中的氮磷等元素的運移產(chǎn)生一定影響，然而區(qū)域內(nèi)作物冠層結(jié)構(gòu)、地表覆蓋、立地條件和管護措施等因素造成不同程度徑流系數(shù)差異，亦會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)非點源污染物的流失總量不同。如圖3 所示，根據(jù)野外觀測和定量測定結(jié)果，4 種不同土地利用條件的徑流小區(qū)，其徑流量與全磷、全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮運移量均呈正相關(guān)關(guān)系，總體趨勢為全磷、全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的流失總量隨徑流量的增加而增加，以全氮流失量最大，其次為硝態(tài)氮、全磷和銨態(tài)氮。

圖2 徑流小區(qū)徑流量與各項測定指標(biāo)含量的關(guān)系

以4 個小區(qū)全都產(chǎn)流的2017 年7 月19 日為例，各小區(qū)的全磷總量大小關(guān)系為1 號>4 號>3 號>2 號，全氮與硝態(tài)氮總量大小關(guān)系均為1號>3 號>4 號>2 號，銨態(tài)氮總量大小關(guān)系為3號>4 號>1 號>2 號；而從 2017 年 7 月 5 日產(chǎn)流來看，各小區(qū)的全磷和銨態(tài)氮總量大小關(guān)系為3號>1 號>4 號>2 號，全氮總量大小關(guān)系為1 號>3號>4 號>2 號，硝態(tài)氮總量大小關(guān)系為1 號>3號>2 號>4 號。

連續(xù)降雨條件、相同降雨特征下，1 號小區(qū)（地瓜）的全磷流失量相對于其他3 個小區(qū)更大；3 號小區(qū)（板栗人工林）和4 號小區(qū)（麻櫟人工林）因地表覆蓋物等原因，肥料中的銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化過程與其他小區(qū)不同，因此這兩個小區(qū)的銨態(tài)氮流失量相對于較大；但從全氮流失量來看，1 號小區(qū)（地瓜）大于3 號小區(qū)（板栗人工林），其次為4 號小區(qū)（麻櫟人工林）和2 號小區(qū)（裸地）。

4 結(jié) 論

1）不同降雨量條件下，4 個徑流小區(qū)的全磷、全氮和硝態(tài)氮運移量均與降雨量成負相關(guān)關(guān)系，地瓜小區(qū)和裸地小區(qū)的銨態(tài)氮含量與降雨量成負相關(guān)關(guān)系，但板栗人工林和麻櫟人工林小區(qū)的銨態(tài)氮與降雨量成正相關(guān)關(guān)系。

2）不同降雨強度條件下，地瓜小區(qū)和裸地小區(qū)的全磷、全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮運移量均與降雨強度成正相關(guān)關(guān)系，板栗人工林小區(qū)和麻櫟人工林小區(qū)的全磷、全氮和硝態(tài)氮含量與降雨強度成負相關(guān)關(guān)系，而銨態(tài)氮含量與降雨強度成正相關(guān)關(guān)系。

3）不同徑流量條件下，4 個徑流小區(qū)的全磷、全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮運移量與徑流量呈正相關(guān)關(guān)系，以全氮流失量最大，其次為硝態(tài)氮、全磷和銨態(tài)氮；在連續(xù)降雨條件、相同降雨特征下，地瓜小區(qū)全磷、全氮、硝態(tài)氮流失量相對于其他3 個小區(qū)更大，板栗人工林小區(qū)銨態(tài)氮流失量最大。