王立萍，婁山崇，孫秀玲，尹兒琴，孫甲玉

（1.山東省水文局，濟南 250002；2.山東大學土建與水利學院，濟南 250061；3.山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018）

水環(huán)境污染已成為當前我國最緊迫的環(huán)境問題之一，嚴重威脅人類生存環(huán)境和發(fā)展空間。近年來，水環(huán)境污染形勢發(fā)生了很大變化，隨著點源污染逐漸得到控制，面源污染對環(huán)境的影響逐漸顯露出來，人們開始普遍認識到面源污染是導致水質惡化的主要原因[1-2]。

尼山水庫位于曲阜市尼山鎮(zhèn)尼山旅游風景區(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。尼山水庫總庫容1.128億m3，興利庫容6 102萬m3，是一座具有防洪、灌溉、用水、旅游等綜合作用的大型水庫，水質目標為Ⅲ類。主要入庫河流有張馬河、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)實地調查和資料分析，尼山水庫流域內(nèi)無典型工業(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，導致面源污染問題相對突出，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，國內(nèi)外學者利用人工模擬[8-9]、徑流小區(qū)實驗[10-11]、模型模擬[12-13]等評價土地利用方式對面源污染的影響。這些研究中人工模擬相對較多，自然降雨條件下的實地觀測相對較少。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流域的蔓延和擴散[14-15]。因此，本研究選取尼山水庫小流域為研究對象，分析了尼山水庫小流域內(nèi)入庫河流水質的時空變化特征，研究了不同土地利用方式對面源污染的影響以及不同土地利用方式在降雨過程中的污染物流失規(guī)律與流失特征，以期為尼山水庫及類似小流域面源污染防治提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

尼山水庫庫區(qū)水質數(shù)據(jù)來源于曲阜市尼山水庫管理局，其他數(shù)據(jù)均為實測數(shù)據(jù)。

1.2 布點采樣

分別在張馬河、母莊河和夫子洞河3 條河流入庫口上游設置監(jiān)測斷面，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3 個斷面進行樣品采集，豐水期共采集樣品12 個，枯水期共采集樣品10 個。

為研究不同土地利用類型對降雨產(chǎn)匯流攜帶的面源污染的影響，根據(jù)尼山水庫流域內(nèi)土地利用特點，分別對花生地、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)。在單場次降雨徑流形成時開始采樣，每隔5 min采樣一次，降雨后期適當延長采樣時間，在所選定的徑流小區(qū)出口處采集表層水樣，并利用標尺和三角堰測量水位和流量，此次降雨過程中每個點位共采集樣品27 個。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

1.3 樣品檢測和評價

采集的樣品酸化后于24 h 內(nèi)測定化學需氧量（CODCr）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）和總氮（TN）。CODCr采用重鉻酸鹽法測定；TP 采用鉬酸銨分光光度法測定；NH3-N 采用納氏試劑分光光度法測定；TN 采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定[16]。根據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）對水質進行分析和評價。

2 結果與分析

2.1 尼山水庫水環(huán)境現(xiàn)狀評價

根據(jù)山東省、濟寧市和曲阜市水功能區(qū)劃，尼山水庫為飲用水源區(qū)，水質目標為Ⅲ類。按照《地表水環(huán)境質量標準》基本項目的21 項（24 項中除去水溫、石油類和糞大腸菌群）和集中式生活飲用水水源地補充項目5 項對2016—2019 年共48 個月的水質進行分析，具體見圖2。由圖可知，尼山水庫水質時有超標，多次出現(xiàn)劣Ⅴ類，其中CODCr在48 個月中有2 個月超標，TP 也有2 個月出現(xiàn)超標，TN 有36 個月出現(xiàn)超標，最大超標倍數(shù)高達4.13 倍，其他指標未出現(xiàn)超標現(xiàn)象。按照《地表水資源質量評價技術規(guī)程》（SL 395—2007）對尼山水庫2016—2019年的營養(yǎng)狀態(tài)進行了評價，評價指標包括TP、TN、葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）和透明度，結果如圖2d 所示。由圖2d 可見4年間只有5個月為中營養(yǎng)，其他43個月均為輕度富營養(yǎng)化，富營養(yǎng)化率達到了89.58%，說明尼山水庫已經(jīng)具有發(fā)生水華的風險。

圖2 尼山水庫水質分析Figure 2 Water quality of Nishan reservoir

2.2 入庫河流水質時空變化特征

為了全面掌握尼山水庫流域內(nèi)水環(huán)境現(xiàn)狀及對尼山水庫水質的影響，對入庫河流水質的時空變化特征進行了分析。尼山水庫入庫河流有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如圖3 所示。由圖3 可見，CODCr濃度整體較低，說明有機物污染不明顯；TP在8—9 月基本滿足Ⅳ類水質要求，10—11 月滿足Ⅱ類水質要求；NH3-N 指標總體較低；TN 超標嚴重，以《地表水環(huán)境質量標準》Ⅲ類計，TN 指標在8—11 月的22 次監(jiān)測中全部超標，最大超標倍數(shù)達4.23 倍。張馬橋斷面除TN 外，8—9 月（豐水期）基本滿足Ⅳ類水質要求，10—11 月（枯水期）滿足Ⅲ類水質要求，豐水期水質明顯劣于枯水期。

圖3 張馬橋斷面水質Figure 3 Water quality of Zhangma bridge

（2）母莊河

母莊河顏母大橋水質如圖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類水質要求，10—11 月滿足Ⅲ類水質要求；NH3-N 濃度較低；TN 超標嚴重，以《地表水環(huán)境質量標準》Ⅲ類計，TN 指標在8—11 月的22 次監(jiān)測中全部超標，最大超標倍數(shù)達5.18 倍。顏母大橋斷面水質除TN 外，8—9月份基本滿足Ⅳ類水質要求，10—11 月滿足Ⅲ類水質要求，豐水期水質明顯劣于枯水期。

圖4 顏母大橋斷面水質Figure 4 Water quality of Yanmu bridge

（3）夫子洞河

夫子洞河夫子洞大橋水質如圖5所示。由圖5可見，除8 月份強降雨期間，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Figure 5 Water quality of Fuzidong bridge

從22 個樣品的均值分析發(fā)現(xiàn)，對于TN 濃度來說，張馬河＞母莊河＞夫子洞河。從空間分布來看，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)耕地相對較多，而夫子洞河流域內(nèi)林地相對較多，結合現(xiàn)場實際調查，判斷流域內(nèi)TN污染主要由農(nóng)藥、化肥的使用引起，應重點關注。

2.3 不同土地利用類型面源污染特征

為了研究不同土地利用類型對降雨形成的地表徑流中污染物的影響，根據(jù)流域實際分別選取玉米地、花生地、紅薯地、核桃林和西長座村5 個典型下墊面進行降雨徑流采樣分析，結果如圖6所示。

由圖6 可見，玉米地TN 和TP 流失嚴重，其中TN高達6.10 mg·L-1，超《地表水環(huán)境質量標準》Ⅴ類標準2.05 倍，TP 為0.95 mg·L-1，超Ⅴ類標準1.38 倍?；ㄉ豑P 和TN 流失嚴重，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類標準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類水質標準，TP 濃度相對較高，為0.7 mg·L-1，超Ⅴ類標準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類標準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

2.4 降雨徑流過程中面源污染特征

尼山水庫流域內(nèi)的土地利用以耕地為主，且?guī)靺^(qū)周圍有大量村莊聚居，對尼山水庫的水質產(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，整個降雨過程中CODCr濃度為9.0～43.0 mg·L-1，降雨初期出現(xiàn)劣Ⅴ類水質；CODCr最大值出現(xiàn)在徑流最高值之前，且隨著降雨的進行其濃度逐漸降低，降雨中后期趨于穩(wěn)定。由圖7b 可見，在降雨過程中村莊的TP 流失濃度為0.23～0.36 mg·L-1，均低于Ⅴ類標準。由圖7c 可見，村莊的NH3-N 在降雨過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類標準，且隨著降雨的持續(xù)呈現(xiàn)降低的趨勢。由圖7d 可見，在降雨過程中村莊的TN 流失濃度為0.44～1.63 mg·L-1，水質均低于Ⅴ類標準；TN 的最大值出現(xiàn)在降雨初期，且隨著降雨的進行呈現(xiàn)降低的趨勢。村莊徑流小區(qū)的污染主要來源于生活污水、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、沖刷作用下污染物濃度出現(xiàn)最大值，且以有機污染為主。

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；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，整個降雨過程中92.59%的水質為劣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 在降雨過程中的流失濃度相對較低，濃度范圍為0.197～0.688 mg·L-1，均低于Ⅲ類標準，且流失濃度隨著降雨的持續(xù)呈現(xiàn)降低的趨勢。由圖8d 可見，玉米地的TN 流失濃度較高，為1.38～3.40 mg·L-1，整個降雨過程中66.67%的水質為劣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

3 討論

尼山水庫流域內(nèi)耕地占整個流域的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面源污染防控的頭等大事。尼山水庫主要的超標因子為TN，本研究結果表明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，而尼山水庫流域種植主要以冬小麥-夏玉米為主，占整個耕地的78.31%。在小麥和玉米生產(chǎn)過程中，以氮肥為主的無機施肥模式依然占據(jù)主導地位，隨水沖施、降雨撒施仍是主要的施肥模式[17]，因此，要降低尼山水庫流域的農(nóng)業(yè)面源污染，關鍵在于削減小麥-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]對石盤丘小流域降雨徑流進行了連續(xù)監(jiān)測，分析了小流域不同土地利用類型地塊的氮磷流失特點，結果表明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，與本研究的結果存在差異，說明氮磷流失具有時間和空間的變異性，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程的復雜性。

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[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鍵期。馮小杰等[20]的研究也發(fā)現(xiàn)在經(jīng)歷長時間的高溫干旱后，雨滴打擊土壤表層使土壤顆粒結構被破壞，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越少，同時雨水的下滲作用導致氮素通過壤中流損失，導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條件下對土壤養(yǎng)分流失途徑及流失量的影響，結果表明氮損失受雨強影響小，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]通過原位觀測和模擬試驗對比裸露處理與植被覆蓋處理對磷流失的影響，結果表明植被截留、吸收等能有效降低徑流中磷的污染負荷。陳仕奇等[23]的研究發(fā)現(xiàn)當作物處于生長旺盛期時，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險。王榮嘉等[24]的試驗也表明，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土配方，按需施肥；利用水肥一體化技術，科學施肥；通過加高加固農(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單的線性關系，而是二次函數(shù)關系，適當減少施氮量，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)，在玉米季采用測土配方施肥技術可比農(nóng)戶習慣性施肥方式減少化肥使用量，且作物產(chǎn)量不減，徑流和淋溶無機氮可降低18%。黃程鵬等[26]的研究發(fā)現(xiàn)山核桃地采用測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（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題。郭春霞等[27]發(fā)現(xiàn)水肥一體化技術與傳統(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，對于尼山水庫流域的坡耕地應避免雨季表施，發(fā)展基于保護性耕作的土壤養(yǎng)分流失控制技術，如免耕技術、覆蓋技術、橫壟耕作技術等，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]。

4 結論

（1）尼山水庫主要超標因子為TN，具有發(fā)生水華的風險。水庫的3 條入庫河流中，張馬河和母莊河CODCr和NH3-N相對較低，TN超標嚴重；夫子洞河水質相對較好。3條河流豐水期水質均明顯劣于枯水期。

（2）總體來看，降雨過程中污染物流失濃度呈先上升后下降的趨勢，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、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注。

（3）尼山水庫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，是尼山水庫面源污染防治的關鍵。