王立萍,婁山崇,孫秀玲,尹兒琴,孫甲玉
(1.山東省水文局,濟(jì)南 250002;2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院,濟(jì)南 250061;3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018)
水環(huán)境污染已成為當(dāng)前我國(guó)最緊迫的環(huán)境問(wèn)題之一,嚴(yán)重威脅人類生存環(huán)境和發(fā)展空間。近年來(lái),水環(huán)境污染形勢(shì)發(fā)生了很大變化,隨著點(diǎn)源污染逐漸得到控制,面源污染對(duì)環(huán)境的影響逐漸顯露出來(lái),人們開始普遍認(rèn)識(shí)到面源污染是導(dǎo)致水質(zhì)惡化的主要原因[1-2]。
尼山水庫(kù)位于曲阜市尼山鎮(zhèn)尼山旅游風(fēng)景區(qū)內(nèi)(劉樓村),泗河支流小沂河的上游,屬淮河流域南四湖水系。尼山水庫(kù)總庫(kù)容1.128億m3,興利庫(kù)容6 102萬(wàn)m3,是一座具有防洪、灌溉、用水、旅游等綜合作用的大型水庫(kù),水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類。主要入庫(kù)河流有張馬河、母莊河、夫子洞河,3 條河流的平均流量分別為0.18、0.42、0.31 m3·s-1。尼山水庫(kù)流域(35°22′00″~35°34′12″N,117°08′52″~117°21′49″E),面積258.57 km2。流域內(nèi)多年平均降雨量750 mm,雨季多集中在7—9 月,降雨量397 mm,占年均降水量的52.9%。流域內(nèi)主要土地利用類型為耕地和林地,面積為145.93 km2和55.55 km2,分別占流域總面積的56.44%和21.48%;農(nóng)村居民點(diǎn)和草地次之,面積為20.25 km2和21.51 km2,分別 占7.83% 和8.32%;水域和裸土地面積為11.82 km2和3.51 km2,分別占4.57%和1.36%。根據(jù)實(shí)地調(diào)查和資料分析,尼山水庫(kù)流域內(nèi)無(wú)典型工業(yè)污染,以農(nóng)業(yè)種植為主,農(nóng)業(yè)種植集約化和信息化程度較低,農(nóng)藥和化肥被大量使用,導(dǎo)致面源污染問(wèn)題相對(duì)突出,亟待解決[3-4]。
在相同環(huán)境條件下,土地利用方式是影響面源污染的主要因素[5-7]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用人工模擬[8-9]、徑流小區(qū)實(shí)驗(yàn)[10-11]、模型模擬[12-13]等評(píng)價(jià)土地利用方式對(duì)面源污染的影響。這些研究中人工模擬相對(duì)較多,自然降雨條件下的實(shí)地觀測(cè)相對(duì)較少。小流域是面源污染發(fā)生的源頭,研究小流域污染物流失規(guī)律,從源頭控制污染物流失,可有效遏制小流域面源污染向整個(gè)流域的蔓延和擴(kuò)散[14-15]。因此,本研究選取尼山水庫(kù)小流域?yàn)檠芯繉?duì)象,分析了尼山水庫(kù)小流域內(nèi)入庫(kù)河流水質(zhì)的時(shí)空變化特征,研究了不同土地利用方式對(duì)面源污染的影響以及不同土地利用方式在降雨過(guò)程中的污染物流失規(guī)律與流失特征,以期為尼山水庫(kù)及類似小流域面源污染防治提供科學(xué)依據(jù)。
尼山水庫(kù)庫(kù)區(qū)水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)源于曲阜市尼山水庫(kù)管理局,其他數(shù)據(jù)均為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
分別在張馬河、母莊河和夫子洞河3 條河流入庫(kù)口上游設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面,具體位置見圖1(1-1、1-2、1-3)。在豐水期(8 月、9 月)和枯水期(10 月、11 月)對(duì)3 個(gè)斷面進(jìn)行樣品采集,豐水期共采集樣品12 個(gè),枯水期共采集樣品10 個(gè)。
為研究不同土地利用類型對(duì)降雨產(chǎn)匯流攜帶的面源污染的影響,根據(jù)尼山水庫(kù)流域內(nèi)土地利用特點(diǎn),分別對(duì)花生地、玉米地、紅薯地、核桃林和村莊5種不同土地利用類型建立徑流小區(qū),在徑流小區(qū)出口處利用坑塘收集同一場(chǎng)次5 種不同土地利用類型的降雨匯流。本研究所選的5 種徑流小區(qū)土地利用類型單一,地形坡度基本一致,有自然閉合的集水區(qū),5種徑流小區(qū)具體位置見圖1(2-1、2-2、2-3、2-4、2-5),基本情況見表1。
為研究降雨條件下面源污染物的流失規(guī)律及流失特征,選擇耕地(玉米)和村莊(顏母莊)建立徑流小區(qū)。在單場(chǎng)次降雨徑流形成時(shí)開始采樣,每隔5 min采樣一次,降雨后期適當(dāng)延長(zhǎng)采樣時(shí)間,在所選定的徑流小區(qū)出口處采集表層水樣,并利用標(biāo)尺和三角堰測(cè)量水位和流量,此次降雨過(guò)程中每個(gè)點(diǎn)位共采集樣品27 個(gè)。2 種徑流小區(qū)具體位置見圖1(3-1、3-2),基本情況見表1。
圖1 現(xiàn)場(chǎng)取樣位置圖Figure 1 Distribution diagram of field sampling point
表1 徑流小區(qū)基本情況Table 1 The situation of runoff plots
采集的樣品酸化后于24 h 內(nèi)測(cè)定化學(xué)需氧量(CODCr)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)和總氮(TN)。CODCr采用重鉻酸鹽法測(cè)定;TP 采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定;NH3-N 采用納氏試劑分光光度法測(cè)定;TN 采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定[16]。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。
根據(jù)山東省、濟(jì)寧市和曲阜市水功能區(qū)劃,尼山水庫(kù)為飲用水源區(qū),水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類。按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》基本項(xiàng)目的21 項(xiàng)(24 項(xiàng)中除去水溫、石油類和糞大腸菌群)和集中式生活飲用水水源地補(bǔ)充項(xiàng)目5 項(xiàng)對(duì)2016—2019 年共48 個(gè)月的水質(zhì)進(jìn)行分析,具體見圖2。由圖可知,尼山水庫(kù)水質(zhì)時(shí)有超標(biāo),多次出現(xiàn)劣Ⅴ類,其中CODCr在48 個(gè)月中有2 個(gè)月超標(biāo),TP 也有2 個(gè)月出現(xiàn)超標(biāo),TN 有36 個(gè)月出現(xiàn)超標(biāo),最大超標(biāo)倍數(shù)高達(dá)4.13 倍,其他指標(biāo)未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。按照《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(SL 395—2007)對(duì)尼山水庫(kù)2016—2019年的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)指標(biāo)包括TP、TN、葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)和透明度,結(jié)果如圖2d 所示。由圖2d 可見4年間只有5個(gè)月為中營(yíng)養(yǎng),其他43個(gè)月均為輕度富營(yíng)養(yǎng)化,富營(yíng)養(yǎng)化率達(dá)到了89.58%,說(shuō)明尼山水庫(kù)已經(jīng)具有發(fā)生水華的風(fēng)險(xiǎn)。
圖2 尼山水庫(kù)水質(zhì)分析Figure 2 Water quality of Nishan reservoir
為了全面掌握尼山水庫(kù)流域內(nèi)水環(huán)境現(xiàn)狀及對(duì)尼山水庫(kù)水質(zhì)的影響,對(duì)入庫(kù)河流水質(zhì)的時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析。尼山水庫(kù)入庫(kù)河流有3 條,分別為張馬河、母莊河和夫子洞河(圖1)。
(1)張馬河
張馬河張馬橋斷面水質(zhì)如圖3 所示。由圖3 可見,CODCr濃度整體較低,說(shuō)明有機(jī)物污染不明顯;TP在8—9 月基本滿足Ⅳ類水質(zhì)要求,10—11 月滿足Ⅱ類水質(zhì)要求;NH3-N 指標(biāo)總體較低;TN 超標(biāo)嚴(yán)重,以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類計(jì),TN 指標(biāo)在8—11 月的22 次監(jiān)測(cè)中全部超標(biāo),最大超標(biāo)倍數(shù)達(dá)4.23 倍。張馬橋斷面除TN 外,8—9 月(豐水期)基本滿足Ⅳ類水質(zhì)要求,10—11 月(枯水期)滿足Ⅲ類水質(zhì)要求,豐水期水質(zhì)明顯劣于枯水期。
圖3 張馬橋斷面水質(zhì)Figure 3 Water quality of Zhangma bridge
(2)母莊河
母莊河顏母大橋水質(zhì)如圖4 所示。由圖4 可見,CODCr濃度整體較低;TP在8—9月基本滿足Ⅳ類水質(zhì)要求,10—11 月滿足Ⅲ類水質(zhì)要求;NH3-N 濃度較低;TN 超標(biāo)嚴(yán)重,以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類計(jì),TN 指標(biāo)在8—11 月的22 次監(jiān)測(cè)中全部超標(biāo),最大超標(biāo)倍數(shù)達(dá)5.18 倍。顏母大橋斷面水質(zhì)除TN 外,8—9月份基本滿足Ⅳ類水質(zhì)要求,10—11 月滿足Ⅲ類水質(zhì)要求,豐水期水質(zhì)明顯劣于枯水期。
圖4 顏母大橋斷面水質(zhì)Figure 4 Water quality of Yanmu bridge
(3)夫子洞河
夫子洞河夫子洞大橋水質(zhì)如圖5所示。由圖5可見,除8 月份強(qiáng)降雨期間,TP 和NH3-N 保持在Ⅲ類以下,COD 基本保持在Ⅳ類以下,TN 也保持在Ⅴ類以下。夫子洞大橋斷面的水質(zhì)整體較張馬河張馬橋斷面和母莊河顏母大橋斷面好。
圖5 夫子洞大橋水質(zhì)Figure 5 Water quality of Fuzidong bridge
從22 個(gè)樣品的均值分析發(fā)現(xiàn),對(duì)于TN 濃度來(lái)說(shuō),張馬河>母莊河>夫子洞河。從空間分布來(lái)看,張馬河位于流域的西南面,母莊河位于流域的東南面,夫子洞河位于流域的東北面。從土地利用類型分析,張馬河流域內(nèi)耕地相對(duì)較多,而夫子洞河流域內(nèi)林地相對(duì)較多,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查,判斷流域內(nèi)TN污染主要由農(nóng)藥、化肥的使用引起,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。
為了研究不同土地利用類型對(duì)降雨形成的地表徑流中污染物的影響,根據(jù)流域?qū)嶋H分別選取玉米地、花生地、紅薯地、核桃林和西長(zhǎng)座村5 個(gè)典型下墊面進(jìn)行降雨徑流采樣分析,結(jié)果如圖6所示。
由圖6 可見,玉米地TN 和TP 流失嚴(yán)重,其中TN高達(dá)6.10 mg·L-1,超《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)2.05 倍,TP 為0.95 mg·L-1,超Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)1.38 倍?;ㄉ豑P 和TN 流失嚴(yán)重,濃度分別為1.63 mg·L-1和3.85 mg·L-1,其中TP 在不同種植作物中流失濃度最大,超Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)3.08 倍。紅薯地形成的地表徑流中的污染物濃度整體較玉米地和花生地低,其中TN 濃度低于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),TP 濃度相對(duì)較高,為0.7 mg·L-1,超Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)0.75 倍。核桃林形成的徑流整體污染濃度較低,主要污染物為TP,濃度為0.72 mg·L-1,超Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)0.80 倍。村莊徑流中主要污染物是CODCr,濃度為32.0 mg·L-1,在5種不同土地利用類型中最高,主要來(lái)源于生活污水、農(nóng)村垃圾及畜禽糞便等。
圖6 不同土地利用類型地表徑流中污染物濃度Figure 6 Analysis of pollutants in surface runoff of different land use types
尼山水庫(kù)流域內(nèi)的土地利用以耕地為主,且?guī)靺^(qū)周圍有大量村莊聚居,對(duì)尼山水庫(kù)的水質(zhì)產(chǎn)生了影響。為此,本研究選取了村莊和耕地兩種土地利用類型建立徑流小區(qū),分析降雨過(guò)程中的面源污染物流失規(guī)律及變化特征。
2.4.1 村莊徑流中污染物流失特征分析
村莊面源污染流失隨降雨徑流變化如圖7 所示。由圖7a 可見,整個(gè)降雨過(guò)程中CODCr濃度為9.0~43.0 mg·L-1,降雨初期出現(xiàn)劣Ⅴ類水質(zhì);CODCr最大值出現(xiàn)在徑流最高值之前,且隨著降雨的進(jìn)行其濃度逐漸降低,降雨中后期趨于穩(wěn)定。由圖7b 可見,在降雨過(guò)程中村莊的TP 流失濃度為0.23~0.36 mg·L-1,均低于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。由圖7c 可見,村莊的NH3-N 在降雨過(guò)程中的流失濃度總體較低,濃度范圍為0.064~0.278 mg·L-1,均低于Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn),且隨著降雨的持續(xù)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。由圖7d 可見,在降雨過(guò)程中村莊的TN 流失濃度為0.44~1.63 mg·L-1,水質(zhì)均低于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn);TN 的最大值出現(xiàn)在降雨初期,且隨著降雨的進(jìn)行呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。村莊徑流小區(qū)的污染主要來(lái)源于生活污水、垃圾滲濾液及禽畜糞便等,在降雨前地表已積累了大量的污染物,所以降雨初期在地表徑流的浸潤(rùn)、沖刷作用下污染物濃度出現(xiàn)最大值,且以有機(jī)污染為主。
2.4.2 玉米地徑流中污染物流失特征分析
玉米地面源污染流失隨降雨徑流變化如圖8 所示。由圖8a 可見,玉米地的CODCr流失濃度為9.0~52.0 mg·L-1,降雨初期出現(xiàn)劣Ⅴ類水質(zhì);CODCr的最大值與徑流量最高值同步出現(xiàn),且隨著降雨的持續(xù),CODCr濃度逐漸降低。由圖8b 可見,玉米地的TP 流失濃度較高,為0.28~1.25 mg·L-1,整個(gè)降雨過(guò)程中92.59%的水質(zhì)為劣Ⅴ類;TP 最大值出現(xiàn)在徑流量最高值之前,且隨著降雨的持續(xù),污染物濃度逐漸降低。由圖8c 可見,玉米地的NH3-N 在降雨過(guò)程中的流失濃度相對(duì)較低,濃度范圍為0.197~0.688 mg·L-1,均低于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn),且流失濃度隨著降雨的持續(xù)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。由圖8d 可見,玉米地的TN 流失濃度較高,為1.38~3.40 mg·L-1,整個(gè)降雨過(guò)程中66.67%的水質(zhì)為劣Ⅴ類;TN 的最高值出現(xiàn)在最大徑流之前,且隨著降雨的持續(xù),TN 的流失濃度逐漸減小。玉米地中污染物主要來(lái)源于肥料的施用、農(nóng)藥的噴灑、覆膜及秸稈的腐爛等,在降雨初期,植物截留、土壤吸收等作用使雨水滯留在農(nóng)田中,但此時(shí)地表已積累了大量的污染物,隨著降雨量的增加,多余的雨水通過(guò)地表徑流等方式脫離農(nóng)田系統(tǒng),污染物的流失濃度出現(xiàn)最大值,且主要是氮和磷的營(yíng)養(yǎng)鹽污染。
圖8 玉米地徑流中污染物的變化Figure 8 The change of pollutants with runoff in corn field
尼山水庫(kù)流域內(nèi)耕地占整個(gè)流域的56.44%,2019年主要農(nóng)作物播種面積7 165.1 hm2,化肥使用量8 533.6 t,其中氮肥4 809.5 t、磷肥2 986.7 t、鉀肥716.8 t,平均每公頃施用農(nóng)家肥13 247.3 kg,施用化肥1 191.0 kg,而氮肥使用率僅為30%左右,因此有效防治種植業(yè)引起的面源污染是尼山水庫(kù)面源污染防控的頭等大事。尼山水庫(kù)主要的超標(biāo)因子為TN,本研究結(jié)果表明4 種不同種植類型(玉米地、花生地、紅薯地、核桃林)中玉米地的TN 流失濃度最大,而尼山水庫(kù)流域種植主要以冬小麥-夏玉米為主,占整個(gè)耕地的78.31%。在小麥和玉米生產(chǎn)過(guò)程中,以氮肥為主的無(wú)機(jī)施肥模式依然占據(jù)主導(dǎo)地位,隨水沖施、降雨撒施仍是主要的施肥模式[17],因此,要降低尼山水庫(kù)流域的農(nóng)業(yè)面源污染,關(guān)鍵在于削減小麥-玉米地的氮磷,尤其是氮的徑流流失。本研究結(jié)果顯示,5種不同土地利用類型中TP的平均流失濃度表現(xiàn)為花生地>玉米地>核桃林>紅薯地>村莊;TN 的平均流失濃度表現(xiàn)為玉米地>花生地>核桃林>紅薯地>村莊。朱波等[18]對(duì)石盤丘小流域降雨徑流進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè),分析了小流域不同土地利用類型地塊的氮磷流失特點(diǎn),結(jié)果表明TN和TP排放濃度依次為集鎮(zhèn)>村落>柑橘果園>坡耕地>水稻田>林地,與本研究的結(jié)果存在差異,說(shuō)明氮磷流失具有時(shí)間和空間的變異性,也表明了不同土地利用類型氮磷流失的不確定性及面源污染過(guò)程的復(fù)雜性。
不同作物氮磷的流失與降雨、施肥、植被覆蓋及地形坡度等因素有關(guān)[19]。從玉米地徑流中污染物隨徑流量的變化可知,降雨初期是氮磷流失的關(guān)鍵期。馮小杰等[20]的研究也發(fā)現(xiàn)在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的高溫干旱后,雨滴打擊土壤表層使土壤顆粒結(jié)構(gòu)被破壞,大量的氮溶于雨水并隨地表徑流遷移,從而使地表徑流的TN 濃度驟增,隨后TN 濃度下降,認(rèn)為是由于隨著地表徑流沖刷,表層土壤中易溶于水的氮素越來(lái)越少,同時(shí)雨水的下滲作用導(dǎo)致氮素通過(guò)壤中流損失,導(dǎo)致徑流中氮素濃度迅速降低。鄔燕虹等[9]的研究發(fā)現(xiàn)降雨初期徑流攜帶氮素的濃度最大,隨后氮素濃度下降。林超文等[21]研究了不同施肥方式在不同雨強(qiáng)條件下對(duì)土壤養(yǎng)分流失途徑及流失量的影響,結(jié)果表明氮損失受雨強(qiáng)影響小,受施肥方式影響大,一次性施肥顯著增加了氮的損失量。左繼超等[22]通過(guò)原位觀測(cè)和模擬試驗(yàn)對(duì)比裸露處理與植被覆蓋處理對(duì)磷流失的影響,結(jié)果表明植被截留、吸收等能有效降低徑流中磷的污染負(fù)荷。陳仕奇等[23]的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)作物處于生長(zhǎng)旺盛期時(shí),葉片面積增大以及根系的發(fā)育可以降低表層土壤顆粒隨徑流流失的風(fēng)險(xiǎn)。王榮嘉等[24]的試驗(yàn)也表明,魯中南山區(qū)典型林地麻櫟林的地表徑流量、氮磷流失量均小于荒草地。
面源污染具有污染源的高度分散性及污染排放的時(shí)空不確定性,因而從源頭控制污染物的產(chǎn)生尤為重要??衫脺y(cè)土配方,按需施肥;利用水肥一體化技術(shù),科學(xué)施肥;通過(guò)加高加固農(nóng)田田埂,減少暴雨期間農(nóng)田水體流出,從而從源頭控制面源污染。薛利紅等[14]的研究發(fā)現(xiàn)作物產(chǎn)量與氮肥用量之間并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系,而是二次函數(shù)關(guān)系,適當(dāng)減少施氮量,不僅能提高產(chǎn)量,還能減少面源污染。譚德水等[25]在南四湖沿岸小麥-玉米輪作區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),在玉米季采用測(cè)土配方施肥技術(shù)可比農(nóng)戶習(xí)慣性施肥方式減少化肥使用量,且作物產(chǎn)量不減,徑流和淋溶無(wú)機(jī)氮可降低18%。黃程鵬等[26]的研究發(fā)現(xiàn)山核桃地采用測(cè)土配方施肥可使氮流失量降低30%以上。在旱作生產(chǎn)中,發(fā)展水肥一體化技術(shù)(滴灌、噴灌),可有效提高水肥利用率,減少氮磷流失,并緩解土壤次生鹽漬化問(wèn)題。郭春霞等[27]發(fā)現(xiàn)水肥一體化技術(shù)與傳統(tǒng)施肥相比可節(jié)肥30%左右,硝酸鹽淋洗減少1/3 以上。此外,對(duì)于尼山水庫(kù)流域的坡耕地應(yīng)避免雨季表施,發(fā)展基于保護(hù)性耕作的土壤養(yǎng)分流失控制技術(shù),如免耕技術(shù)、覆蓋技術(shù)、橫壟耕作技術(shù)等,可減少地表產(chǎn)流次數(shù)和徑流量,降低氮磷養(yǎng)分流失,減少面源污染[28]。
(1)尼山水庫(kù)主要超標(biāo)因子為TN,具有發(fā)生水華的風(fēng)險(xiǎn)。水庫(kù)的3 條入庫(kù)河流中,張馬河和母莊河CODCr和NH3-N相對(duì)較低,TN超標(biāo)嚴(yán)重;夫子洞河水質(zhì)相對(duì)較好。3條河流豐水期水質(zhì)均明顯劣于枯水期。
(2)總體來(lái)看,降雨過(guò)程中污染物流失濃度呈先上升后下降的趨勢(shì),降雨后期基本趨于穩(wěn)定。這是由于降雨前地表已積累了大量的污染物,降雨初期在地表徑流的浸潤(rùn)、沖刷作用下污染物濃度較大,所以初期雨水中污染物的流失值得關(guān)注。
(3)尼山水庫(kù)流域耕地面源污染程度重于林地,在耕地的不同種植類型中,小麥-玉米地氮磷流失濃度高且種植面積最大,是尼山水庫(kù)面源污染防治的關(guān)鍵。