三峡库区典型流域农业面源氮素输出特征

时间：2024-05-23

刘方谊范先鹏夏颖黄敏张富林吴茂前

摘要：以三峡库区典型流域为研究单元，在自然降雨条件下，对流域出口设置的监测点进行连续取样观测。结果表明，2015年长坪流域在4-9月降雨量达703.1 mm，占全年降雨量的83.0%，径流量为686 354.4 m3，占全年径流量的78.8%，径流量与降雨量显著相关（r=0.056，P<0.01）；在此期间的总氮输出负荷占全年的88.7%，是流域氮素流失的主要时期，径流为流域面源氮素输出的主要渠道及主要驱动力；总氮年平均浓度为2.0 mg/L，浓度峰值主要出现在7-9月；TN、NO3--N、NH4+-N和PN的年输出负荷分别为9.0、6.6、0.4和1.9 kg/hm2；NO3--N是氮素流失的主要形态，占总氮输出负荷的73.7%。

关键词：三峡库区；面源污染；降雨径流；氮素流失

中图分类号：X832 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）10-0031-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.10.008

Characteristics of Nitrogen Output from Agricultural Non-point Source in Typical Watershed of Three Gorges Reservoir Area

LIU Fang-yi1，2，FAN Xian-peng2，3，XIA Ying2，3，HUANG Min1，ZHANG Fu-lin2，3，WU Mao-qian2，3

（1.College of Resource and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；

2.Institute of Plant Protection， Soil and Fertilizer Sciences，Hubei Academy of Agricultural Sciences，Wuhan 430064，China；

3.Hubei Engineering Technology Research Center of Agricultural Non-point Source Pollution Control，Wuhan 430064，China）

Abstract： Taking the typical watershed in the Three Gorges Reservoir Area as the research unit，and the continuous sampling observation on the monitoring points of the watershed outlet set under the natural rainfall conditions were conducted. The results showed that in 2015，the Changping watershed rainfall in April-September reached 703.1 mm and the runoff amounting to 686 354.4 m3，accounting for 83.0% and 78.8% of the annual total respectively； And the runoff and rainfall were significantly correlated（r=0.056，P<0.01）； During this period，the total nitrogen output load accounted for 88.7% of the whole year，which was the main period of nitrogen loss in the watershed， and the runoff was the main channel and driving force of the surface nitrogen export； The average annual total nitrogen concentration was 2.0 mg/L，the peak concentration mainly in July to September； The annual output loads of total nitrogen（TN），nitrate nitrogen（NO3--N），ammonia nitrogen（NH4+-N） and particulate nitrogen（PN） were 9.0，6.6，0.4 and 1.9 kg/hm2，respectively. The main forms of nitrogen loss were nitrate nitrogen，accounting for 73.7% of the total nitrogen output load.

Key words： Three Gorges Reservoir Area； non-point source pollution； rainfall runoff； nitrogen loss

氮是農业生产活动中重要的养分[1]，同时也是水体富营养化的主要限制因子[2]，随着点源污染逐渐得到控制，面源污染已成为流域水体污染的主要来源[3，4]；在滇池、太湖、香溪河等流域的污染物总氮输出负荷调查中，由面源污染产生的总氮负荷分别达到了44.5%、61.5%和61.0%[5-7]，2007年中国农业面源总氮排放量达270.5万t，占总排放量的57.2%[8]；面源污染氮素的排放已成为水体氮素污染的重要来源。

面源污染发生具有不确定性，径流量和污染物排放负荷与降雨量的非线性关系，土地利用模式和管理措施的快速变化，加剧了面源污染定量化研究的复杂性[9]，使得关于面源污染的研究存在较大的困难。流域以水为纽带，是相对独立的自然综合体，是面源污染研究的最佳单元[10]，目前从流域尺度研究面源氮素的流失是国内外的研究热点[11，12]。因此本研究在三峡库区选取一典型流域为研究单元，通过探究流域氮素随地表径流流失的动态变化过程，量化氮素污染物的输出负荷，识别重点污染源，以期为库区典型农业小流域非点源污染控制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域为三峡库区典型的小流域，位于湖北省兴山县古夫镇长坪村，流域以长坪水库为界，分为上长坪和下长坪两部分，总面积330 hm2；两侧为山脊，中间是300～500 m宽的冲槽，冲槽中间的自然沟汇流后，经古夫河进入香溪河（图1）。流域地处亚热带，属季风气候，四季分明。年平均气温13.3 ℃，年均降雨量约1 100 mm。土壤类型为石灰（岩）土，土壤pH 7.5～8.1。林地面积211.3 hm2，耕地面积94.7 hm2，主要作物有玉米、油菜、水稻等，种植模式为玉米-油菜轮作；村民多分散而居，共有347家农户；人畜共居同一院落，平均每户人家养殖猪2头[13]；农村生活污水与畜禽养殖废水自然排放，是流域主要污染源。

1.2 监测点设置与取样

流域出口处设置了拦水坝，利用气泡水位计法监测流域径流量。同时在流域出口处设置采样点采集水样，采样时间为2015年1-12月，样品采集频次为丰水期（4月1日至9月30日）每天采集一次，枯水期（10月1日至3月31日）每5 d采集一次。采样500 mL，用聚乙烯瓶装样冰冻保存，1个月内送回实验室，解冻后马上完成分析测定。

在流域内设置雨量器，每天早上9点，读取降雨量并取降雨水样。

1.3 水样分析方法

检测指标依次为总氮（TN）、硝氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）、颗粒态氮（PN）。水样总氮采用碱性过硫酸钾氧化—紫外分光光度法分析；硝态氮用紫外分光光度法测定；铵态氮用靛酚蓝—分光光度法分析；用差减法得到颗粒态氮（PN）=TN-（NO3--N+ NH4+-N）；试验数据采用Excel 2016软件进行分析，运用SPSS 20.0和Origin 2018进行数据相关性分析及绘图。

1.4 负荷估算

流域氮素排放负荷的计算公式为：

L=■CiVi×10-3

Vi=Qi×T

其中，L为单位面积流域氮素的累积排放负荷（kg），Ci为第i日的氮素浓度（mg/L），Vi为第i日的径流水量（m3），Qi（m3/s）为第i日的流量，T=8.6×104 s；由于枯水期的取样为5 d一取，而枯水期径流变化不大，浓度也相对稳定，因此默认为临近5 d的浓度不变，由于仪器故障等其他原因丢失的数据则取临近数据平均值为替代值。

1.5 基流分割

长坪流域隶属香溪河流域，根据张革等[14]利用不同基流分割方法对香溪河流域应用的对比研究，选择滤波平滑最小值法对长坪流域进行基流分割。即将平滑最小值法与数字滤波法相结合[15]，先将总径流序列利用平滑最小值法进行分割，再将分割的结果利用数字滤波法向前分割一次，分割结果通常用基流分割系数（BFI，Baseflow Index）来量化，即基流占总径流的比值。

1.6 平滑最小值法

平滑最小值法（The Smoothed Minima，SM）是由英国水文研究所1980年提出的计算基流分割的方法。该方法将连续的日径流量序列以5 d为一个单元划分成互不重疊的块，并确定这些块中的最小值，从满足一定条件的最小值取出组成拐点，将各个拐点连接起来得到基流序列。

1.7 数字滤波法

数字滤波法为近年来国际上研究最为广泛的基流分割方法，它试图通过数字滤波器将信号分解为高频和低频信号，相应地把径流过程划分为地表径流和基流。

该方法由Nathan等[16]于1990年首次提出，分割方程如下。

Qd（i）=αQd（i-1）+■[Q（i）-Q（i-1）]

Qb（i）=Q（i）-Qd（i）

式中，Q（i）（m3/s）为i时刻的径流；Qd（i）（m3/s）为i时刻的地表径流；Qb（i）（m3/s）为第i时刻的基流；α为滤波系数，参考相关的研究[17，18]，选取α为0.925。

2 结果与分析

2.1 降雨-径流变化特征

2015年流域总径流量为888 989.7 m3，年径流深为434.0 mm，径流系数为0.51；丰水期（4-9月）径流量为700 813.0 m3，占全年径流量的78.8%，径流深为342.1 mm，径流系数为0.49；枯水期径流深为91.9 mm，径流系数为0.64。流域月平均BFI为0.85，全年基流量占流域总排水量的66.6%；同时丰水期与枯水期的基流有明显的差异，丰水期的平均基流为2.6×10-2 m3/s，平均BFI为0.77，枯水期平均基流为7.7×10-3 m3/s，平均BFI为0.92，说明流域基流所占比重大，径流过程的形成主要受降雨的影响（图2）。全年降雨数为31次，其中大雨7次，暴雨6次，总降水量为847.2 mm，丰水期降雨量为703.1 mm，占全年降雨量的83.0%；径流量与降雨量显著相关（r=0.056，P<0.01）。

虽然流域径流量与降雨量变化趋势一致，但二者变化幅度有一定的差异，主要是由于受到土壤植被、土壤特性及土壤前期的含水量等诸多因素的影响[19]。由图2可知，1-3月及12月有少量降雨，但径流量却基本无变化，同时4-5月发生了多次强降雨，但径流波动幅度并不如6-9月那么明显；Kidron等[20]通过在自然场条件下获得的结果表明，土壤从吸水到饱和需要一定的时间，而当土壤含水量饱和时，便会产生径流，这也可用来解释为什么在干燥的地表条件下，短暂的高强度降雨无法产生径流，并且最大降雨量与径流产量之间缺乏一定的相关性；当土壤的初始含水率越高，产流越快，径流量越大[21，22]，同时丰水期初期的雨水大都消耗于土壤表层吸收、植物拦截和洼地蓄水[23]。长坪流域1-3月及10-12月为枯水期，1-5月及12月虽有多次降雨，但由于枯水期土壤含水率较低，使得降雨对径流的变化无影响或影响很小。流域月平均BFI为0.85，全年基流量占流域总排水量的66.57%；同时丰水期与枯水期的基流有明显的差异，丰水期的平均基流为2.6×10-2 m3/s，平均BFI为0.77，枯水期平均基流为7.7×10-3 m3/s，平均BFI为0.92，说明流域基流所占比重大，径流过程的形成主要受降雨的影响。

2.2 氮素浓度变化

2015年流域总氮、硝氮、氨氮的平均排放浓度分别为2.0、1.5和0.1 mg/L，总氮浓度的变化范围为1.0～9.5 mg/L，硝氮为0.8～2.5 mg/L，氨氮为0～0.4 mg/L（图3）。2015年流域总氮排放浓度有135 d超过地表水Ⅴ类标准（GB3838-2002），为劣Ⅴ类水，有190 d为Ⅴ类水，说明该流域受氮素污染较为严重；当水中氨氮含量较高时，水体会呈黑色并伴有恶臭[24]，长坪流域氨氮浓度皆低于Ⅱ类标准，说明流域水质观感良好，毒性较低[25]。总氮的浓度变化主要集中在7-9月，第一个峰值出现在7月8日，为7.0 mg/L，最大值为9.5 mg/L，出现在7月24日，6-9月为该区域玉米的种植季节，同时也是流域径流过程发生最多的季节，2015年全年有4次大的径流峰值，皆出现在此时间段，因此TN的浓度在此期间波动较大，除受降雨径流的影响外，还可能与玉米种植期间大量施加氮肥有关；NO3--N、NH4+-N相对于TN来说全年浓度波动不大。

对长坪流域出口不同形态的氮素浓度与降雨量进行相关性分析，其结果（表1）表明，总氮与硝氮、氨氮间存在极显著（P<0.01）的相关性，但不同形态的氮素与降雨量之间并无明显的相关性，这与孙正宝等[26]的研究结果一致；在降雨径流的冲刷作用下，会带入大量的污染物，但高强度的降雨会稀释径流中的氮素，使得其浓度降低[27，28]，同时由于研究的时间尺度仅为一年，因此降雨量与氮素浓度间并无明显的相关性。

2.3 氮素输出负荷

长坪流域2015年总氮、硝氮、氨氮和颗粒态氮的输出负荷分别为9.0、6.6、0.4、1.9 kg/hm2（图4），输出负荷强度分别为9.0、6.6、0.4、1.9 kg/hm2；其中4-9月总氮的月输出负荷皆超过0.5 kg/hm2，输出负荷量为1 634 kg，占全年总氮输出负荷的88.7%，7月的总氮输出负荷为全年总氮输出的峰值，达1.6 kg/hm2，同时7月的累积降雨量为152.5 mm，仅低于4月的164.2 mm，硝氮峰值出现在6月，为1.2 kg/hm2，颗粒态氮的峰值也出现在7月，为0.8 kg/hm2，占其全年输出负荷的38.8%，说明降雨径流为流域氮素流失的主要驱动力，氨氮输出负荷较低且全年变化不大。总氮和硝氮的变化规律一致，皆是先急速升高，其次缓慢降低，再缓慢升高，最后迅速降低；颗粒态氮先是比较平稳，然后迅速升高达到峰值再急速下降；氨氮变化相对平稳。这进一步说明当流域土壤含水量趋于饱和时，高强度的降雨会稀释径流中氮素的浓度，但由于颗粒氮的流失载体为泥沙，因此在丰水期时强降雨会增加径流中的泥沙流失量[29]，从而增加颗粒氮的流失。

由图5可知，6月16日、6月30日、7月15日及9月24日的径流量是2015年流域径流发生的4个峰值，其BFI分别为0.05、0.11、0.12、0.12，当日总氮输出负荷分别为69.1、58.3、50.9、52.7 kg；而6月15日、6月29日、7月14日、9月23日的BFI分别为0.79、0.94、0.74、1.00，即基本无径流过程的发生，其总氮输出负荷分别为4.5、7.1、8.1、5.9 kg；4次径流峰值的发生和前1 d相比均带入超过5倍的總氮输出，6月16日更是达到了6月15日总氮输出的15倍，说明径流过程是流域面源氮素输出的主要渠道，同时也是氮素流失的主要驱动力。

对流域2015年不同形态氮素的月累积负荷与降雨量进行相关性分析（表2），发现降雨量与总氮、硝氮、颗粒态氮的输出负荷间存在显著的相关性，总氮与硝氮、氨氮、颗粒态氮均存在极显著的相关性，硝氮与氨氮存在极显著的相关性（r=0.832，P<0.01），与颗粒态氮为显著相关（r=0.609，P<0.05），氨氮与颗粒态氮则为显著相关（r=0.674，P<0.05）。

2.4 不同形态氮素的变化特征

由图6可知，流域可溶性氮（NO3--N+NH4+-N）输出负荷占总氮输出负荷的78.5%，其中硝氮占73.7%，月输出负荷占比的平均值高达79.1%，是流域径流中氮素流失的主要形态[30]；氨氮和颗粒态氮的流失比例则是上半年明显低于下半年，上半年氨氮和颗粒态氮的流失比例变化范围分别为2%～4%和8%～16%，而下半年的变化范围则为4%～8%和8%～46%；氨氮以较高比例存在是生活污水及畜禽养殖废水污染的主要特征[31]，同时生活污水及畜禽养殖废水皆为面源污染的重要来源[32，33]，流域生活污水排放全年变化不大，但由于流域生猪养殖周期为一年，进出栏量一般为两头猪，每年春节过后购买小猪开始饲养，随着生猪的发育，其生物量逐渐增加，导致粪便的产生量逐渐增加[13]，因此畜禽废水排放逐渐增加，这与氨氮的排放比例变化规律一致；同时由于氨氮主要吸附于土壤颗粒表面而进行输移[34，35]，在丰水期初期，流域土壤表层植物截留对氨氮的截留基本达到饱和状态，所以在丰水期后期的氨氮大都随地表径流进入河流湖泊；因此氨氮与颗粒态氮一样，皆在丰水期后期流失比例较高。

3 小结

1）长坪流域年度降雨量分布极度不均，主要集中在4-9月，降雨量达703.1 mm，占全年降雨量的83.0%，径流量为686 354.4 m3，占全年径流量的78.8%；径流量与降雨量间存在显著的相关性（r=0.056，P<0.01）。

2）流域出口处总氮年平均浓度为2.0 mg/L，浓度峰值主要出现在7-9月；以总氮的地表水排放标准评价，流域全年有135 d为劣Ⅴ类水，有190 d为Ⅴ类水，有较高的富营养化风险。

3）流域出口TN、NO3--N、NH4+-N和PN的年输出负荷分别为9.0、6.6、0.4和1.9 kg/hm2，4-9月占全年TN输出负荷的88.7%，是流域氮素流失的主要时期；4次径流峰值所带入的TN负荷量皆超过原输出负荷的5倍，故径流是流域面源氮素输出的主要渠道及主要驱动力。

4）NO3--N为氮素流失的主要形态，占TN输出负荷的73.7%；NH4+-N的输出占比同养殖周期粪污排放规律一致，全年逐渐升高。

参考文献：

[1] 罗艺，吴福忠，杨万勤，等.四川盆地紫色丘陵区不同种植模式下氮流失特征[J].环境科学学报，2010，30（11）：2221-2228.

[2] 金相灿，屠清瑛.湖泊富营养化调查规范[M].第二版.北京：中国环境科学出版社，1990.

[3] 宫莹，阮晓红，胡晓东.我国城市地表水环境非点源污染的研究进展[J].中国给水排水，2003，19（3）：21-23.

[4] MA X，LI Y，ZHANG M，et al. Assessment and analysis of non-point source nitrogen and phosphorus loads in the Three Gorges Reservoir Area of Hubei Province，China[J].Science of the Total Environment，2011，412-413：154-161.

[5] 陳吉宁，李广贺，王洪涛，等.流域面源污染控制技术——以滇池流域为例[M].北京：中国环境科学出版社，2009.

[6] 宋林旭，刘德富，肖尚斌.三峡库区香溪河流域非点源营养盐输出变化的试验研究[J].长江流域资源与环境，2011，20（8）：990-996.

[7] 王春梅，蒋治国，赵言文.太湖流域典型蔬菜地地表径流氮磷流失[J].水土保持学报，2011，25（4）：36-40.

[8] 中华人民共和国环境保护部，中华人民共和国国家统计局，中华人民共和国农业部.第一次全国污染源普查公报[R].中华人民共和国国家统计局，2010.http：//www.stats.gov.cn/tjsj/tjgb/qttjgb/qgqttjgb/201002/t20100211_30641.html.

[9] JAYAKRISHNAN R，SRINIVASAN R，SANTHI C，et al. Advances in the application of the SWAT model for water resources management[J].Hydrological Processes，2005，19（3）：749-762.

[10] 杨桂山，于秀波，李恒鹏，等.流域综合管理导论[M].北京：科学出版社，2004.

[11] 宋泽芬，王克勤，杨云华，等.澄江尖山河小流域不同土地利用类型面源污染输出特征[J].水土保持学报，2008，22（2）：98-101，158.

[12] CHEN C L，GAO M，XIE D T，et al. Spatial and temporal variations in non-point source losses of nitrogen and phosphorus in a small agricultural catchment in the Three Gorges Region[J].Environmental Monitoring & Assessment，2016，188（4）：257.

[13] 王家，夏颖，范先鹏，等.三峡库区农村污水排放现状调查与分析[J].湖北农业科学，2015，54（23）：5843-5847，5852.

[14] 张革，刘德富，宋林旭，等.不同基流分割方法在香溪河流域的应用对比研究[J].长江流域资源与环境，2013，22（2）：164-171.

[15] AKSOY H，KURT I，ERIS E. Filtered smoothed minima baseflow separation method[J].Journal of Hydrology，2009，372（1-4）：94-101.

[16] NATHAN R J，MCMAHON T A. Evaluation of automated techniques for base flow and recession analyses[J].Water Resources Research，1990，26（5）：1465-1473.

[17] 崔玉洁，刘德富，宋林旭，等.数字滤波法在三峡库区香溪河流域基流分割中的应用[J].水文，2011，31（6）：18-23.

[18] 崔超，翟丽梅，刘宏斌，等.长尺度下不同基流分割方法在香溪河流域的应用比较[J].湖北农业科学，2016，55（3）：569-574.

[19] KADLEC R H，KNIGHT R，VYMAZAL J，et al. Constructed Wetlands for Pollution Control：Processes，Performance，Design and Operation[M].London，UK：IWA Publishing（Intl Water Assoc），2000.

[20] KIDRON G J，YAIR A. Rainfall-runoff relationship over encrusted dune surfaces， Nizzana，Western Negev，Israel[J].Earth Surface Processes & Landforms，1997，22（12）：1169-1184.

[21] AL-QINNA M I，ABU-AWWAD A M. Soil water storage and surface runoff as influenced by irrigation method in arid soils with surface crust[J].Agricultural Water Management，1998， 37（3）：189-203.

[22] 孔刚，王全九，樊军，等.前期含水量对坡面降雨产流和土壤化学物质流失影响研究[J].土壤通报，2008，39（6）：1395-1399.

[23] 刘华祥.城市暴雨径流面源污染影响规律研究[D].武汉：武汉大学，2005.

[24] 岳舜琳.给水中的氨氮问题[J].净水技术，2001，20（2）：12-15.

[25] 張秀忠，王丽.水质检测中增加氨氮限值的意义[A].2004年全国城镇饮用水安全保障技术研讨会论文集[C].2004.

[26] 孙正宝，陈治谏，廖晓勇，等.三峡库区典型小流域农业非点源氮磷流失特征[J].生态学杂志，2011，30（8）：1720-1725.

[27] 蒋锐，朱波，魏世强，等.紫色丘陵区小流域典型降雨径流氮磷流失特征[J].农业环境科学学报，2008，27（4）：1353-1358.

[28] 蒋锐.紫色丘陵区农业小流域氮迁移的动态特征及其环境影响研究[D].重庆：西南大学，2012.

[29] 赵芹珍，贾志军，王小平.小流域降雨因子与水土流失的相关性分析[J].山西水土保持科技，2010（2）：16-18.

[30] 华玲玲，李文超，翟丽梅，等.三峡库区古夫河小流域氮磷排放特征[J].环境科学，2017，38（1）：138-146.

[31] 朱波，汪涛，徐泰平，等.紫色丘陵区典型小流域氮素迁移及其环境效应[J].山地学报，2006，24（5）：601-606.

[32] 王家，夏颖，陈琼星，等.兴山县香溪河流域农业面源污染现状分析[J].湖北农业科学，2014，53（23）：5724-5730.

[33] 黄美玲，夏颖，范先鹏，等.湖北省三峡库区畜禽养殖污染现状评价[J].生态学杂志，2017，36（3）：725-733.