梁秋洪,李取生,羅 璇,張乾坤,陸 君(暨南大學(xué)環(huán)境工程系,水土環(huán)境毒害性污染物防治與生物修復(fù)廣東省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510632)

造成水體富營(yíng)養(yǎng)化是多方面的,除了工業(yè)廢水和城市生活污水等點(diǎn)源污染外,農(nóng)業(yè)面源污染也是重要原因之一[1].環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的2007年污染源普查結(jié)果顯示[2],我國(guó)農(nóng)業(yè)污染源是COD的最大貢獻(xiàn)者,占排放總量的40%以上,同時(shí)也是TN、TP的主要來(lái)源,排放量分別為 270.46萬(wàn) t和28.47萬(wàn)t,分別占排放總量的57.2%和67.4%.可見(jiàn),農(nóng)業(yè)是個(gè)“污染大戶(hù)”.農(nóng)業(yè)面源污染是最普遍的非點(diǎn)源污染.近 20年來(lái),歐美國(guó)家治理非點(diǎn)源污染的實(shí)踐表明,非點(diǎn)源污染具有分布廣泛且隨機(jī)性大,機(jī)理過(guò)程復(fù)雜,污染物及其排放途徑不確定等特點(diǎn),因而治理難度很大[3].

隨著珠江河口地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,農(nóng)業(yè)集約化進(jìn)程加快,排入珠江河口地區(qū)的 N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷增多,導(dǎo)致該地區(qū)水環(huán)境受到了不同程度的污染.關(guān)于珠江河口地區(qū)的水污染問(wèn)題,研究更多的是工業(yè)污染和城市生活用水點(diǎn)源污染,而針對(duì)農(nóng)業(yè)污染問(wèn)題,尤其是農(nóng)田水體污染的研究較少.目前,這些研究工作主要集中在小流域非點(diǎn)源污染模型的模擬[4-6]、農(nóng)業(yè)面源污染來(lái)源的調(diào)查與分析[7-11]以及農(nóng)田土壤氮、磷流失規(guī)律[12-18]等方面,而缺乏對(duì)于農(nóng)田水渠及附近河道水質(zhì)時(shí)空變化規(guī)律及其影響因素的研究.為此本文將以番禺區(qū)欖核鎮(zhèn)張松村和萬(wàn)頃沙十五涌為研究對(duì)象,對(duì)其農(nóng)田支渠及附近河涌的水質(zhì)污染現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)研究,旨在為該區(qū)域農(nóng)田面源污染的防治與調(diào)控及飲用水源地的保護(hù)和利用提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)概況

萬(wàn)頃沙地處珠江入?？谙痰唤缣?轄區(qū)南部每年的12月至翌年的2月份為半咸水期,咸度約為 1‰～8‰,其余為淡水期.所選取研究區(qū)萬(wàn)頃十五涌農(nóng)田位于萬(wàn)環(huán)路以西,南沙十五涌漁港(N22°36.870′E113°35.453′)附近,如圖1所示.該片農(nóng)田分為8塊,面積約為40hm2,排、灌水均為 15涌.該區(qū)域的排灌水系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單,水系格局主要分為三級(jí)水系,分別為珠江河道、十五涌及農(nóng)田主渠;主渠位于每塊農(nóng)田中央,支渠位于一側(cè);排、灌水口同口,位于河道與主渠相接處,設(shè)有閘門(mén),農(nóng)戶(hù)可以根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)需要將閘門(mén)打開(kāi)或關(guān)閉來(lái)進(jìn)行排、灌水.需要用水時(shí),在漲潮時(shí)則將閘門(mén)打開(kāi)進(jìn)行灌水,水渠里水位達(dá)到需要時(shí)又將閘門(mén)關(guān)閉.若渠里水位較高則在潮落時(shí)將閘門(mén)打開(kāi)進(jìn)行排水,當(dāng)遇到大雨時(shí)則要用柴油機(jī)進(jìn)行抽排.

圖1 萬(wàn)頃沙十五涌采樣點(diǎn)分布Fig.1 sampling locations in No.15 Chung of Wanqingsha

張松村位于廣州市番禺區(qū)欖核鎮(zhèn)西北面,與順德一河之隔,距中心鎮(zhèn) 6.5Km,北臨沙灣水道,西臨潭州水道,東臨欖核河,現(xiàn)有耕地面積130hm2.張松村水系格局則較為復(fù)雜,如圖2所示,村路及民宅都是沿河涌分布.河涌上、下游均設(shè)有總閘門(mén),根據(jù)潮漲潮落將閘門(mén)打開(kāi)或關(guān)閉以控制河涌的水位.各農(nóng)田支渠與河涌相接處也設(shè)有閘門(mén),農(nóng)戶(hù)可根據(jù)農(nóng)作物需要將閘門(mén)打開(kāi)或關(guān)閉進(jìn)行排、灌水,方式與萬(wàn)頃沙十五涌農(nóng)田水渠相似.村民的生活污水以及農(nóng)田排水直接排入附近的河涌.所選取的兩個(gè)研究區(qū)均為封閉的小流域,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要為旱作蔬菜,以人工耕作方式為主,機(jī)械耕作為輔,周?chē)鶠闊o(wú)工業(yè)區(qū),萬(wàn)頃沙十五涌農(nóng)田屬于純的種植業(yè),可代表大型農(nóng)場(chǎng);而張松村則可代表傳統(tǒng)農(nóng)村.農(nóng)業(yè)面源污染主要有農(nóng)村生活污水、肥料、農(nóng)藥及植物殘?bào)w等.

圖2 張松村采樣點(diǎn)分布Fig.2 sampling locations in Zhangsong village

1.2 采樣點(diǎn)布設(shè)與水樣分析測(cè)試

根據(jù)張松村和十五涌的農(nóng)田及水系分布情況,同時(shí)考慮到采樣時(shí)的可行性和方便性,選取主要農(nóng)田支渠及附近的河涌作為監(jiān)測(cè)對(duì)象.每條支渠設(shè)進(jìn)水口與排水口,與河涌相連,在每條支渠取水樣3個(gè)(首、中、尾各1個(gè))及相應(yīng)的河涌水樣1個(gè).張松村和萬(wàn)頃沙十五涌分別設(shè)置了26個(gè)和23個(gè)采樣點(diǎn),各個(gè)采樣點(diǎn)的分布情況如圖1、圖2所示.其中,1+～8+是第2次采樣時(shí)新增加的采樣點(diǎn).

采樣于2010年10月～2011年03月進(jìn)行,選擇電導(dǎo)率EC、CODcr、TN、NH4+-N、NO3--N 和TP共6項(xiàng)指標(biāo)作為監(jiān)測(cè)項(xiàng)目.水樣的采集嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行(地表水和污水監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn) HJ/T 91-2002)[19],每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)2個(gè)重復(fù),每個(gè)月采1次,盡可能在同一地點(diǎn)(有的點(diǎn)有的月份可能沒(méi)有水而移至附近).其中,EC用電導(dǎo)率儀(DDB- 303A)測(cè)定;CODcr用重鉻酸鹽法測(cè)定(GB 119114-89)[20];TN用堿性過(guò)硫酸鉀氧化－紫外分光光度法測(cè)定(GB 11894-89)[21];NH4+-N用納氏試劑比色法(HJ 535-2009)[22];NO3--N用紫外分光光度法(試行)(HJ /T34622007)[23];TP采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893-89)[24],具體步驟參照文獻(xiàn)[25].

2 結(jié)果與討論

2.1 農(nóng)田水渠水質(zhì)特征

2個(gè)調(diào)查區(qū)農(nóng)田水渠水體N、P和CODcr濃度見(jiàn)表 1、表 2.其中,張松村農(nóng)田水體 TN為0.91～7.84mg/L, NH4+-N為0.11～6.86mg/L, NO3--N為0.19～5.75mg/L,TP為0.07～0.59mg/L,CODcr為 5.96～75.62mg/L.受農(nóng)田排水和農(nóng)戶(hù)生活污水的影響,張松村農(nóng)田水體 TN平均濃度超過(guò)GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[26]Ⅴ類(lèi)水的限值,最高值為 7.84mg/L,是Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)值(其為2.0mg/L)的3倍多,說(shuō)明該區(qū)域水體已受?chē)?yán)重污染,若直接排入附近的河涌,會(huì)加劇河涌水質(zhì)的惡化.

表1 張松村農(nóng)田水渠水質(zhì)總體特征Table 1 The water quality in farmland drainage of Zhangsong village

表2 萬(wàn)頃沙十五涌農(nóng)田水渠水質(zhì)總體特征Table 2 The water quality in farmland drainage of No.15 Chung of Wanqingsha

由表 2 可知,萬(wàn)頃沙十五涌農(nóng)田水體 TN 為0.15～10.35mg/L,NH4+-N 為 0.05～2.45mg/L, NO3--N為0.15～8.98mg/L,TP為 0.05～1.06mg/L, CODcr為7.76～175.93mg/L.該片農(nóng)田較遠(yuǎn)離居民區(qū),河岸只有3家農(nóng)戶(hù),周?chē)矡o(wú)工業(yè)區(qū),因此受生活污水及工業(yè)廢水的影響很小,主要是受到農(nóng)田排水的影響.

據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看,這兩個(gè)研究區(qū)的水體環(huán)境已經(jīng)受到不同程度的污染,有些已經(jīng)十分嚴(yán)重.有關(guān)研究表明[27],當(dāng)水體中 TP濃度＞0.02mg/L,TN濃度＞0.3mg/L時(shí)有可能引發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化,而研究區(qū)中所取水樣TP、TN濃度無(wú)一例外地超過(guò)這一臨界值.萬(wàn)頃沙十五涌農(nóng)田水渠中的 TP濃度最大值為1.06mg/L,已超過(guò)這一臨界值的53倍.所測(cè)水樣中70%的水樣TN濃度超過(guò)GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[26]Ⅴ類(lèi)水的標(biāo)準(zhǔn)限值.CODcr平均濃度也只有張松村河涌達(dá)到Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值,最大濃度為11月份萬(wàn)頃沙十五涌農(nóng)田水渠的175.93mg/L.可見(jiàn),這些水體污染較為嚴(yán)重,若直接排入附近河道,勢(shì)必加劇水質(zhì)惡化,應(yīng)該引起相關(guān)部門(mén)的重視.

2.2 氮素的時(shí)空變化特征

由圖3可知,在每條支渠上,張松村農(nóng)田水渠TN、NH4+-N濃度沿著排水水流方向總體上有逐漸減小的趨勢(shì),靠近排水口濃度相對(duì)較低.但是NO3--N濃度變化情況則與之相反,隨排水水流方向總體上有逐漸增大的趨勢(shì).此外,在不同的月份,NH4+-N濃度最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的分布與TN相類(lèi)似,濃度偏高點(diǎn)都是出現(xiàn)在農(nóng)田支渠渠尾處或流經(jīng)村莊的支渠處,如 3號(hào),17號(hào);而最低點(diǎn)則位于主渠上或靠近排水口與閘門(mén)處,如6號(hào),8號(hào).這可能是由于較遠(yuǎn)離排水口的點(diǎn)受到了農(nóng)田排水和生活污水的影響,而靠近排水口處水位較高,水量變大,水面面積較大對(duì)TN和NH4+-N起到了一定的稀釋作用.而旱地大量使用化肥時(shí),各種形態(tài)的氮肥施入土壤后,通過(guò)微生物作用形成的NO3--N被土壤吸附甚微,易于通過(guò)灌溉水淋洗而進(jìn)入水渠里,進(jìn)而隨著排水水流聚集在排水口處,使得其濃度增大.

圖3 張松村農(nóng)田水體各支渠氮、磷的空間變化Fig.3 Spatial variations of nitrogen and phosphorus concentration in farmland drainage of Zhangsong village

由圖4可知,與張松村的情況相似,相同月份,在每條支渠上,除第7支渠外,隨著排水水流方向,萬(wàn)頃沙十五涌農(nóng)田水體TN、NH4+-N濃度總體上有逐漸減小的趨勢(shì),NO3--N濃度有逐漸增大的趨勢(shì);渠尾水位較低,越靠近渠尾 TN與 NH4+-N濃度越高.這可能的原因與上述張松村的情況相似.與其他支渠相比較,第7支渠的氮素變化情況則有所不同:同一月份,TN與 NH4+-N沿著排水水流方向總體上有逐漸增大的趨勢(shì),而NO3--N有逐漸減小的趨勢(shì).可能是因?yàn)樵撈r(nóng)田是由不同農(nóng)戶(hù)承包,排灌水方式由農(nóng)戶(hù)的種植作物及種植習(xí)慣決定,此處為藕地,其施肥方式是直接在排水口處倒撒化肥,然后在進(jìn)水口處打開(kāi)閘門(mén)灌水,讓其隨著水流往田間輸送,這就可能使得在排水口處化肥的殘余量較多,進(jìn)而使得 TN與NH4+-N濃度較大.

圖4 萬(wàn)頃沙十五涌農(nóng)田水體各支渠氮、磷的空間變化Fig.4 Spatial variations of nitrogen and phosphorus concentration in farmland drainage of No. 15 Chung of Wanqingsha

由圖5可知,從10月～次年03月,張松村農(nóng)田水渠N素總體上有逐漸增大的趨勢(shì);萬(wàn)頃沙十五涌農(nóng)田水渠TN、NO3--N變化規(guī)律相一致,先減小而后增大,NH4+-N變化不大.農(nóng)田水渠中的N素濃度變化主要與農(nóng)田中施用的農(nóng)藥、化肥以及灌溉和降雨量有關(guān).相關(guān)資料顯示,調(diào)查區(qū)10月～次年01月降雨量較少.番禺區(qū)從10月份降雨量就一直減少,10月份總降雨量?jī)H為 30.2mn,到了次年3月份才有所增加,為49.5mn[28].南沙區(qū)10月至 12月降水量都比常年同期平均值偏少[29].而此時(shí)冬種的蔬菜正處于生長(zhǎng)期,施用了大量的化肥與農(nóng)藥,降水量的偏少減少了淋洗強(qiáng)度,在一定程度上影響了水渠里氮素濃度的大幅度增加.但是農(nóng)作物的生長(zhǎng)需要充足的水分,隨著灌溉量的增加,淋洗作用又增強(qiáng),未被作物吸收的氮肥便隨著農(nóng)田徑流遷移到溝渠里,使得水渠氮含量的增加.

采樣期間張松村潮漲落情況為10月處于漲潮狀態(tài),11月至次年03月處于退潮狀態(tài):萬(wàn)頃沙則是10月、11月和次年03月處于退潮,而次年01月處于漲潮.由圖5可知,氮素濃度在漲潮時(shí)比退潮時(shí)稍低.因?yàn)橹榻涌趯儆诓灰?guī)則半日潮,研究區(qū)河涌水量的變化主要是受到潮汐的影響.漲潮時(shí),河涌水位上升,水量增大,對(duì)污染物起到稀釋作用;退潮時(shí)河涌水流入珠江水道,水位下降,水量減小,未起到稀釋作用,污染物濃度偏高.

總體上來(lái)看,這 2 個(gè)研究區(qū)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處NH4+-N低于NO3--N,NO3--N所占TN的含量比例較高.這與張福珠[30]等應(yīng)用15N研究土壤-植物系統(tǒng)中氮素淋失動(dòng)態(tài)得出的結(jié)論相似,段水旺等[31]對(duì)長(zhǎng)江下游地表水體氮磷的含量和輸送量的研究結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論.這是因?yàn)檗r(nóng)田水體, 特別是農(nóng)田排放水中的 NO3--N 主要是由NH4+-N轉(zhuǎn)化而成.在好氧條件下,土壤礦化中釋放的銨態(tài)氮以及肥料胺很快被硝化細(xì)菌氧化成硝態(tài)氮,這一轉(zhuǎn)化過(guò)程是溫度的函數(shù)[32],另外由于土壤顆粒和土壤膠體一般都帶負(fù)電荷,因此對(duì)NH4+具有很強(qiáng)的吸附作用,使得大部分可交換態(tài)銨得以保存在土壤中,而 NO3--N帶負(fù)電荷不易被土壤吸附,隨著地表徑流流入水渠里,這樣便使得水體中的NO3--N含量較高[33].此外,王磊等[38]認(rèn)為偏堿環(huán)境有利于硝化細(xì)菌的生存與繁殖,硝化反應(yīng)適宜pH值為7.0～8.5,而該研究區(qū)水體的PH值約為6.5～7.8,采樣過(guò)程水渠里水位較低,有些渠底暴露,有利于NH4+-N向NO3--N的轉(zhuǎn)化.

2.3 TP的時(shí)空變化特征

由圖3、圖4可知,這兩個(gè)研究區(qū)中TP的濃度都比較低.10月～次年03月,在同一采樣點(diǎn)上張松村農(nóng)田水體 TP濃度有逐漸增大的趨勢(shì);而隨著排水水流方向,TP含量變化不是很有規(guī)律,這主要是受到農(nóng)田排水和農(nóng)戶(hù)生活污水的影響.農(nóng)戶(hù)生活污水排放的不規(guī)律,使得 TP含量變化也沒(méi)有規(guī)律.總體上來(lái)看,張松村農(nóng)田水體 TP含量比萬(wàn)頃沙的稍高,是因?yàn)槭艿搅宿r(nóng)村生活污水的影響.所測(cè)水樣中有 67%的水樣 TP含量在GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[26]Ⅲ類(lèi)限值0.2mg/L以?xún)?nèi),其中,12月的TP含量較其它月份的高,可能是因?yàn)椴蓸訒r(shí)處于排水狀態(tài),水位較低,河底有些暴露,很可能就使得底泥中磷的再次釋放,再加上農(nóng)戶(hù)生活污水的影響,就使得 TP含量有所增加.在同一支渠上,沿著排水水流方向,萬(wàn)頃沙十五涌農(nóng)田水體TP濃度有逐漸減小的趨勢(shì).從10月～次年03月,在同一采樣點(diǎn)上,TP濃度變化無(wú)明顯規(guī)律.在不同的月份,TP最高點(diǎn)總是出現(xiàn)在18號(hào)及19號(hào),這可能與排水頻率有關(guān).該地主要種植芹菜,采樣期間該處的水位均較低,水質(zhì)較濁,呈綠色,可能是因?yàn)橛捎诖罅渴┯玫幕孰S徑流聚集在該水體中,再加上平時(shí)很少排水,就使得該處的總磷偏高.與TN相比,萬(wàn)頃沙十五涌各監(jiān)測(cè)點(diǎn)TP含量較低,所測(cè)水樣中90%的水樣TP含量在 GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[26]Ⅲ類(lèi)限值0.2mg/L以?xún)?nèi),說(shuō)明該水體受總磷污染較小.

2.4 各水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

Spearman相關(guān)分析結(jié)果顯示(表3、表4),張松村農(nóng)田水渠TN與NH4+-N、TP、CODcr呈顯著性正相關(guān)(P＜0.01),與 NO3--N 無(wú)顯著性相關(guān);NH4+-N與NO3--N呈負(fù)相關(guān)(P ＜0.05);萬(wàn)頃沙農(nóng)田水渠TN與NH4+-N、TP、NO3--N呈顯著性正相關(guān)(P＜0.01),與 CODcr呈顯著性正相關(guān)(P＜0.05).TN與TP顯著正相關(guān),有研究表明[39],有機(jī)氮是TN的重要成分,有機(jī)氮的礦化與TP的可利用性有關(guān).張松村農(nóng)田水渠TN與與NO3--N無(wú)顯著性相關(guān),說(shuō)明該水體中的 NO3--N有可能直接來(lái)源于農(nóng)田化肥的流失而不是來(lái)自有機(jī)氮的礦化作用;NH4+-N與NO3--N呈負(fù)相關(guān),說(shuō)明這兩者存在著“此消彼長(zhǎng)”的關(guān)系,因?yàn)镹O3--N濃度偏高而使得NH4+-N濃度偏低.萬(wàn)頃沙十五涌農(nóng)田水渠中3種氮之間均呈顯著性相關(guān),說(shuō)明3種氮之間的轉(zhuǎn)換較為完全.

表3 張松村農(nóng)田水渠各水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 Matrix of correlation coefficient between water quality indexes in farmland drainage of Zhangsong village

表4 萬(wàn)頃沙十五涌農(nóng)田水渠各水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣Table 4 Matrix of correlation coefficient between water quality indexes in farmland drainage of No.15 Chung of Wangqingsha

3 結(jié)論

3.1 研究區(qū)農(nóng)田水渠水與附近河涌、珠江河道水體氮、磷濃度具有一定的差異,總體趨勢(shì)是農(nóng)田水渠水氮、磷濃度＞附近河涌＞珠江河道水體.從10月～次年01月,張松村農(nóng)田水體中N、P濃度大于萬(wàn)頃沙十五涌的,主要是前者受到農(nóng)田排水及農(nóng)戶(hù)生活污水的雙重影響.

3.2 農(nóng)田水渠水氮、磷時(shí)空變異具有相似性,即同一月份,在每條支渠上,隨著排水水流方向, TN、NH4+-N及TP濃度總體上有逐漸減小的趨勢(shì),而NO3--N濃度有逐漸增大的趨勢(shì).渠尾水位較低,越靠近渠尾TN與NH4+-N濃度越高.

3.3 兩個(gè)研究區(qū)3種氮素之間的相關(guān)性有所不同,張松村水體中TN與NH4+-N呈顯著性正相關(guān),與NO3--N無(wú)關(guān),說(shuō)明了該水體中NO3--N直接來(lái)自于農(nóng)田化肥的流失.萬(wàn)頃沙十五涌農(nóng)田水渠中3種氮之間均呈顯著性相關(guān),說(shuō)明3種氮之間的轉(zhuǎn)換完全.

3.4 該區(qū)域水體農(nóng)田面源污染的主要來(lái)源是農(nóng)村生活污水和農(nóng)田排水.因此,控制研究區(qū)農(nóng)田面源污染最關(guān)鍵是從這兩個(gè)方面著手.張松村村委旁已建有生活污水處理池,但現(xiàn)仍未運(yùn)行.可根據(jù)該研究區(qū)水系格局的特點(diǎn),在河涌排走之前對(duì)其進(jìn)行處理后達(dá)標(biāo)排放.而萬(wàn)頃沙十五涌農(nóng)田水渠渠岸較光禿,可渠邊合理種上蘆葦、水草等水生植物,利用其進(jìn)行修復(fù).除此之外,要合理施用化肥、加強(qiáng)水肥管理,空水灌溉,以減少田面水的排出從而降低農(nóng)田氮、磷的流失.

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