巴 諾

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

經(jīng)目前統(tǒng)計(jì)分析，農(nóng)業(yè)面源污染占河流污染總量的60%以上，是河流污染的主要來(lái)源，已成為河流水生態(tài)惡化的重要原因之一[1]。農(nóng)業(yè)面源污染來(lái)源主要有兩種，一種是農(nóng)業(yè)施肥產(chǎn)生的污染物[2]，另一種則為農(nóng)作物田間除草時(shí)產(chǎn)生的污染物[3]，近些年來(lái)，隨著環(huán)保肥料的應(yīng)用，農(nóng)業(yè)化肥所產(chǎn)生的污染源明顯減少[4]，但是田間除草所產(chǎn)生的污染有逐步增多的趨勢(shì)。田間除草的污染物通過(guò)地表徑流進(jìn)入河流，已逐步成為河流水質(zhì)影響主要污染源之一[5]。近些年來(lái)，河流水生態(tài)環(huán)境保護(hù)逐步成為國(guó)內(nèi)研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)[6]，而對(duì)其污染源的定量分析是制定河流水環(huán)境保護(hù)的重要依據(jù)[7]，對(duì)其污染源分析的主要方法為模型模擬[8]及室外觀測(cè)試驗(yàn)方式[9]，其中室外觀測(cè)試驗(yàn)方式被驗(yàn)證為最為直觀的方式[10]，

遼寧省作為全國(guó)農(nóng)業(yè)大省，其農(nóng)作物分布較為廣泛，近些年來(lái)，受到田間除草影響也較大[11- 12]。為加大河流生態(tài)環(huán)境保護(hù)，對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)行有效治理，需對(duì)其面源污染來(lái)源及主要成分進(jìn)行試驗(yàn)分析，為此本文結(jié)合室外觀測(cè)試驗(yàn)的方式，通過(guò)觀測(cè)夏季強(qiáng)降水條件下的地表徑流中顆粒物[13]以及營(yíng)養(yǎng)鹽(TN、TP)[14- 15]進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn)分析，研究成果對(duì)于農(nóng)作物田間除草方式具有重要參考價(jià)值。

1 區(qū)概況及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

本文以遼寧東部某作物田間為試驗(yàn)區(qū)域，該區(qū)域?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶詺夂颍奶旄稍锒竞?，區(qū)域年平均氣溫為8℃，降水主要集中在夏季的6—9月份，年平均降水量為800～900mm，最大雨強(qiáng)為110mm/h，對(duì)試驗(yàn)區(qū)作物土壤進(jìn)行化學(xué)測(cè)定，其TN(總氮)以及TP(總磷)的質(zhì)量比分別為1.38g/kg及0.63g/kg，有機(jī)物的質(zhì)量比達(dá)到11.5g/kg，氨氮以及硝酸氮的質(zhì)量比分別為68.9、15.3g/kg。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)選取3個(gè)片區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，各片區(qū)草地覆蓋度為40%，各試驗(yàn)片區(qū)設(shè)置兩個(gè)試驗(yàn)樣地，各樣地面積為5m2，其中一塊試驗(yàn)樣地內(nèi)保留原有草地的覆被高度，而另一塊試驗(yàn)樣地進(jìn)行人工割草，保留割草后草地高度為3cm左右。在各試驗(yàn)樣地區(qū)域插入4塊橫向鋼板，插入土壤的深度為20cm，各鋼板之間間距設(shè)定為50cm，其中一塊鋼板進(jìn)行開(kāi)敞設(shè)置，進(jìn)行雨水收集。各鋼板底部均進(jìn)行密封處理，保證水量不向外部區(qū)域進(jìn)行滲漏。結(jié)合試驗(yàn)區(qū)域的夏季強(qiáng)降水統(tǒng)計(jì)資料分析，其強(qiáng)降水雨強(qiáng)主要為110、90、70mm/h，為保證不同雨強(qiáng)下各試驗(yàn)區(qū)土壤含水量條件相同，在同一個(gè)試驗(yàn)樣地區(qū)域進(jìn)行不同模擬降水下的觀測(cè)試驗(yàn)。采用人工模擬降雨的方式進(jìn)行不同雨強(qiáng)下的觀測(cè)試驗(yàn)，為保證試驗(yàn)效果，設(shè)置人工模擬降雨的噴頭高度距離地面2m，試驗(yàn)裝置布設(shè)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)圖

1.3 分析方法

采用人工模擬降雨后，記錄不同雨強(qiáng)下試驗(yàn)樣地區(qū)域產(chǎn)生地表徑流所需的時(shí)間，地表徑流開(kāi)始后應(yīng)用試驗(yàn)瓶進(jìn)行水樣的采集，每隔10min進(jìn)行一次樣本采集，地表徑流基本結(jié)束后停止水樣采集，將收集的試驗(yàn)水樣進(jìn)行室內(nèi)測(cè)定，其中顆粒物(SS)通過(guò)烘干沉重的方式進(jìn)行測(cè)定，營(yíng)養(yǎng)鹽(TN、TP)結(jié)合分光光度法進(jìn)行測(cè)定。由于不同降雨影響下各污染物濃度會(huì)發(fā)生明顯變化，因此采用場(chǎng)次污染物平均濃度EMC來(lái)分析其場(chǎng)次降水下的污染物平均質(zhì)量濃度，其計(jì)算方程為：

(1)

式中，ρEMC—污染物質(zhì)量平均濃度，mg/L；ρi—試驗(yàn)采樣期間污染物的平均質(zhì)量濃度，mg/L；Vi—采樣水量的體積，L；n—觀測(cè)試驗(yàn)期間水樣的采集總次數(shù)。

場(chǎng)次降雨污染物流失的比例計(jì)算方程為：

(2)

式中，L—流失的比例，mg/m2；S0—試驗(yàn)樣地的總面積，m2；其他變量同式(1)中變量含義。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 各雨強(qiáng)下不同下墊面對(duì)污染物濃度影響

結(jié)合人工模擬降雨試驗(yàn)，通過(guò)水樣化學(xué)測(cè)定，對(duì)3種雨強(qiáng)下有草及無(wú)草地塊區(qū)域的污染物濃度隨產(chǎn)流時(shí)間變化的特征進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖2所示。

從圖2可分析出，有草和無(wú)草地塊顆粒物SS濃度變化趨勢(shì)較為一致，在產(chǎn)流初期其濃度在較短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)快速遞減變化，遞減速率逐步變緩并趨于穩(wěn)定，這主要是因?yàn)樵诮涤陱搅鞒跗?，土壤顆粒受到降雨作用，徑流中攜帶的固體顆粒的濃度較大，隨后受到降雨沖刷影響，其濃度逐步減小并趨于穩(wěn)定。而營(yíng)養(yǎng)鹽TN、TP和顆粒物SS的濃度變化較為相似，主要是都以顆粒物和地表徑流作為運(yùn)移載體，因此其濃度變化較為相似。從圖中還可看出，在同一雨強(qiáng)條件下，無(wú)草地塊下顆粒濃度并不大于有草下顆粒物的濃度，當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到110mm/min，無(wú)草下顆粒物及營(yíng)養(yǎng)鹽的濃度趨于相同。

2.2 地表徑流中營(yíng)養(yǎng)鹽和顆粒物相關(guān)性分析

為更直觀地表征除草方式下顆粒物及營(yíng)養(yǎng)鹽之間的相關(guān)性，通過(guò)各水樣分析數(shù)據(jù)，點(diǎn)繪TN～SS以及TP～SS的相關(guān)性，分析結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，TP～SS以及TN～SS均呈現(xiàn)較為明顯的線性變化關(guān)系，且TN～SS線性相關(guān)性最高，這主要是因?yàn)門(mén)P及TN在土壤顆粒中的形態(tài)不同，TP主要吸附在顆粒物的表面，而TN存在的形態(tài)較為復(fù)雜，以顆粒形態(tài)的氮形態(tài)存在，而在地表徑流中的可溶形氮以及氨氮、硝態(tài)氮均可從土壤顆粒中滲出，使得TN與顆粒物SS的線性相關(guān)性呈現(xiàn)一定程度的偏移。

2.3 各雨強(qiáng)及下墊面下污染物質(zhì)量濃度及流失比例分析

結(jié)合質(zhì)量平均濃度EMC以及污染物流失比例定量分析各雨強(qiáng)及不同下墊面對(duì)污染物的影響，分析結(jié)果見(jiàn)表1—2。

從表1中可看出，有草和無(wú)草下墊面方式下，雨強(qiáng)的增加并不能使得其顆粒物SS和營(yíng)養(yǎng)鹽(TN、TP)濃度呈現(xiàn)線性增加變化，當(dāng)雨強(qiáng)從70mm/h增加到90mm/h時(shí)，顆粒物的質(zhì)量平均濃度EMC增加較為明顯，但當(dāng)雨強(qiáng)增加到110mm/h時(shí)，受到暴雨徑流沖刷作用影響，其顆粒物濃度逐步減小，質(zhì)量平均濃度EMC下降明顯。隨著雨強(qiáng)的增加，TN的質(zhì)量平均濃度EMC逐步增加，當(dāng)增加到110mm/h時(shí)，其質(zhì)量平均濃度EMC達(dá)到最大值，這主要是因?yàn)殡S著雨強(qiáng)的增加，隨著地表徑流增加的可溶解態(tài)氮也逐步增加，使得TN的質(zhì)量平均濃度增加，從TP分析可看出，其余顆粒物SS質(zhì)量平均濃度變化較為一致，這主是因?yàn)門(mén)P與SS相關(guān)性較高所致。從表2中可分析出，農(nóng)作物田間除草顯著增加地表徑流中的顆粒以及營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，不同雨強(qiáng)下各污染物單位面積流失量分別增加26%～39%、13%～31%、12%～19%。TN流失比例最高值出現(xiàn)在雨強(qiáng)最大時(shí)，顆粒物與TP的最大流失比例出現(xiàn)在雨強(qiáng)為90mm/h時(shí)。

圖2 不同雨強(qiáng)下各下墊面條件下的污染物濃度變化結(jié)果

圖3 地表徑流中營(yíng)養(yǎng)鹽和顆粒物的相關(guān)性分析結(jié)果

表1 不同雨強(qiáng)和下墊面條件下的污染物平均質(zhì)量濃度(EMC)分析結(jié)果

表2 不同雨強(qiáng)及下墊面條件下污染物流失的比例分析結(jié)果

2.4 降雨后期各下墊面下各污染物流失量分析

降雨后期各污染指標(biāo)的流失量和流失比例分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同雨強(qiáng)下各下墊面下污染物流失量

在強(qiáng)降水產(chǎn)生地表徑流的前10min內(nèi)各污染物指標(biāo)的濃度一般較高，因此在面源污染防治中往往針對(duì)強(qiáng)降水初期的徑流進(jìn)行相應(yīng)攔截，但是從表中可看出，30min內(nèi)受到不同雨強(qiáng)和下墊面類(lèi)型下污染指標(biāo)流失量和總流失量較為一致。前30min內(nèi)各污染指標(biāo)流失量占總流失量的比例達(dá)到55%，無(wú)草樣地下污染物流失量高于有草樣地下各污染指標(biāo)的流失量，但其污染指標(biāo)流失的比例較有草有所減小，這主要是由于人工除草后，增加降水徑流后期污染物的流失量。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)由于人工除草影響下田間草地對(duì)污染物截留作用有所減小，使得地表徑流中污染物指標(biāo)質(zhì)量平均濃度增加明顯，因此建議在夏季尤其是暴雨期間應(yīng)盡量減少農(nóng)作物除草的頻次。

(2)人工除草增加了降雨后期污染物流失量，建議在農(nóng)業(yè)面源污染控制設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮夏季人工除草下降雨后期30min內(nèi)污染物流失量的控制設(shè)計(jì)。

(3)本文主要是探討人工割草方式下的污染指標(biāo)影響，對(duì)使用除草劑的影響還未探討，在后期試驗(yàn)中還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注除草劑使用污染流失量的分析。