楊林沛,李金文,沈根祥,朱文俊,陳小華,陳 誠,梁利權(quán)

(1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201620; 2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院 國家環(huán)境保護(hù)新型污染物環(huán)境健康影響評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200233; 3.華東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,上海200237)

濃度(C)和流量(Q)之間的關(guān)系(C-Q關(guān)系)能夠揭示水體污染物運(yùn)移在空間與時(shí)間上的聯(lián)系,區(qū)分可溶養(yǎng)分和懸浮顆粒供給的時(shí)空來源,是研究暴雨徑流污染物輸出的重要工具和手段[7-8]。Rose等[9]在事件和年際時(shí)間尺度上研究了可溶態(tài)和顆粒態(tài)物質(zhì)的C-Q關(guān)系,表明顆粒物在長(zhǎng)期及事件尺度上都呈現(xiàn)出正的C-Q關(guān)系,而溶解性物質(zhì)由于來源及遷移路徑不同表現(xiàn)出不同的C-Q滯后模式。Pohle等[10]提出了一種C-Q關(guān)系分類,能夠利用低頻水質(zhì)數(shù)據(jù)表示流域集水區(qū)溶解態(tài)物質(zhì)的長(zhǎng)期平均值滯后模式和輸出特征,發(fā)現(xiàn)溶解態(tài)物質(zhì)的輸出特征不僅與物質(zhì)本身特性有關(guān),還與集水區(qū)特征有關(guān)。Rose等[11]通過研究農(nóng)業(yè)流域上下游懸浮泥沙和可溶性活性磷的C-Q關(guān)系,認(rèn)為顆粒物在上游的遷移路徑較長(zhǎng)導(dǎo)致了逆時(shí)針滯后,而下游則有較強(qiáng)的沖刷作用和滯后效應(yīng),可溶活性磷在上游下游的輸出模式都比較復(fù)雜,會(huì)受到前期土壤濕度的影響。夏紹欽等[12]對(duì)不同時(shí)間尺度上C-Q關(guān)系的研究表明,涪江河流泥沙的輸送以順時(shí)針滯后為主。梳理發(fā)現(xiàn),C-Q關(guān)系常用于流域尺度的研究,在田塊尺度上尚沒有利用C-Q關(guān)系研究可溶態(tài)和顆粒態(tài)污染物輸出特征的報(bào)道。

上海郊區(qū)河網(wǎng)密布,農(nóng)田是郊區(qū)重要的土地利用類型。崇明島地處長(zhǎng)江下游,雨量多,且河道水質(zhì)超標(biāo)。本文選取崇明島旱地農(nóng)田作為研究區(qū)域,長(zhǎng)期不間斷地監(jiān)測(cè)旱地農(nóng)田的降雨產(chǎn)流情況,利用高分辨率的電導(dǎo)率(EC)、濁度數(shù)據(jù)分析溶解態(tài)和顆粒態(tài)污染物的輸出特征,并通過自動(dòng)采樣收集徑流樣品,分析N、P營(yíng)養(yǎng)物的濃度變化,以精確掌握農(nóng)田降雨產(chǎn)流的特征,及養(yǎng)分、懸浮顆粒物的流失特征,旨在為農(nóng)田面源污染控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于上海市崇明島享農(nóng)蔬菜基地(31°33′N,121°44′E)。當(dāng)?shù)啬昃照? 973.9 h,日照充足,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年均氣溫15.8 ℃,雨水充沛,大部分降雨發(fā)生在夏季,年均降雨量為1 128.9 mm。研究區(qū)旱地面積較大,約1.18 hm2。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田徑流的精確監(jiān)測(cè),避免降雨徑流從多個(gè)出水口排出,在田間建設(shè)徑流小區(qū),砌水泥田埂(高25 cm),并用SBS防水卷材包裹(卷材埋至地上10 cm、地下20 cm),以避免徑流監(jiān)測(cè)樣方與外部農(nóng)田發(fā)生側(cè)滲或串流。樣方面積為0.166 5 hm2,內(nèi)部共有12條畦溝,徑流監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在僅有的一個(gè)排水口處(圖1)。

圖1 農(nóng)田監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖Fig.1 The layout of the farmland monitoring points

降雨徑流事件的研究時(shí)間為2020年9月至2021年12月。研究區(qū)主要種植模式為玉米-花菜輪作,田間管理措施均按當(dāng)?shù)卣８髁?xí)慣進(jìn)行?；ú擞?020年8月20日種植,分別于9月2日和10月11日通過葉面噴施的形式施加等量的尿素(每次施用量折純N 177.46 kg·hm-2),10月25日通過噴霧方式施加農(nóng)藥苦參堿,12月23日收割花菜。2021年4月10日施加商品復(fù)合肥作為基肥(N,67.46 kg·hm-2,P2O5,37.48 kg·hm-2,K2O 50 kg·hm-2),4月25日撒播玉米,5月20日以噴霧的形式施用農(nóng)藥苦參堿,8月20日收獲玉米并進(jìn)行土地翻耕。除種植作物的時(shí)節(jié)外,其他時(shí)間地表裸露。

1.2 土壤條件

研究區(qū)土壤為中性,質(zhì)地為粉(砂)質(zhì)黏壤,砂粒(粒徑0.05～2 mm)含量為111.5 g·kg-1,粉(砂)粒(粒徑0.002～<0.05 mm)含量為609.5 g·kg-1,黏粒(粒徑<0.002 mm)含量為279.0 g·kg-1。耕層(0～20 cm)土壤的基本性狀如下:容重1.29 g·cm-3,全氮含量0.99 g·kg-1,水解性氮含量85.25 mg·kg-1,全磷含量1 115 mg·kg-1,有效磷含量35.10 mg·kg-1。

1.3 研究方法

參照文獻(xiàn)[13]的方法監(jiān)測(cè)降雨量、徑流量、濁度、EC和土壤含水率。

使用自動(dòng)采樣器采集徑流樣品。將三角堰內(nèi)的水位高度設(shè)置為采樣程序觸發(fā)的條件,一旦有徑流產(chǎn)生,即堰內(nèi)水位沒過堰角高度,采樣即被觸發(fā)。采樣間隔為“前密后疏”,在產(chǎn)流開始后,前4 h的采樣間隔為30 min,后續(xù)慢慢增加采樣間隔的時(shí)長(zhǎng)。徑流停止24 h后,重置采樣程序。將樣品保存在4 ℃低溫條件下,并在48 h內(nèi)完成樣品檢測(cè)。

利用QSY-5自動(dòng)取土壤水樣負(fù)壓裝置(武漢科瑞特力自動(dòng)化設(shè)備有限公司)采集土壤溶液,雨后6～12 h到田間抽取10～30 cm土層的土壤溶液,并在48 h內(nèi)完成樣品檢測(cè)。

1.4 樣品分析

1.5 數(shù)據(jù)處理

旱地降雨后并不一定會(huì)產(chǎn)生徑流。降雨首先滲入土壤,土壤吸收飽和后才會(huì)產(chǎn)生徑流。利用徑流系數(shù)(單位面積上產(chǎn)生的徑流量與單位面積上的降雨量之比)可反映旱地降雨轉(zhuǎn)變?yōu)閺搅鞯牧?并體現(xiàn)各要素對(duì)產(chǎn)流的綜合影響[15]。徑流系數(shù)越大,代表降雨越難被土壤吸收。

在美國水土保持局(Soil Conservation Service, SCS)開發(fā)的SCS模型中,徑流曲線數(shù)(curve number, CN)是由環(huán)境中影響產(chǎn)流的各種因素及其貢獻(xiàn)歸納總結(jié)出的一個(gè)參量[16]。CN數(shù)值(VCN)與土壤最大蓄水量(S)有如下關(guān)系:

VCN=25 400/(254+S)。

(1)

徑流量與土壤水分狀況的關(guān)系常用CN(0～100)進(jìn)行評(píng)估。CN數(shù)值越小,表明土壤蓄水能力越強(qiáng),降雨越容易滲入土壤;CN數(shù)值越大,表明土壤滲透性越差,降雨越容易轉(zhuǎn)化為徑流。

美國水土保持局認(rèn)為,農(nóng)田耕地的土壤最大蓄水量S可用產(chǎn)流前的降雨損失量(Ia)的20%估算,則徑流量和降雨量的關(guān)系可表示為

Q=(P-0.2S)2/(P+0.8S)。

(2)

式(2)中:Q為徑流深度,mm;P為降雨深度,mm。

在上海郊區(qū),農(nóng)田土壤最大蓄水量和產(chǎn)流前降雨損失量的適宜比例系數(shù)為0.05[17],則式(2)可改寫為Q=(P-0.05S)2/(P+0.95S)。

徑流中水文水質(zhì)的變異性、隨機(jī)性較大,因此本文采用污染物負(fù)荷總量與徑流總量的商來描述污染物的濃度,即事件平均濃度(event mean concentration,EMC):

(3)

式(3)中:VEMC為EMC的值;M為徑流過程中污染物的總質(zhì)量,g;V為降雨事件中的徑流總量,m3;T為降雨事件徑流結(jié)束的時(shí)間;Qt是t時(shí)刻的徑流流量,m3·min-1;Ct為t時(shí)刻的污染物濃度,mg·L-1。

C-Q關(guān)系作為集水區(qū)響應(yīng)降雨事件的綜合信號(hào),適用于研究徑流事件期間可溶態(tài)和顆粒態(tài)污染物的遷移路徑和時(shí)空來源[18-19]。通常,用冪律模型來表述C-Q關(guān)系:

C=aQb。

(4)

式(4)中的a和b分別為冪律模型的截距和斜率。

Pohle等[10]根據(jù)流量上升段和下降段物質(zhì)的輸出特性對(duì)C-Q關(guān)系進(jìn)行了分類:b值為正(正斜率,表示沖刷,即濃度隨流量增加而增加),表明由于大量污染物質(zhì)儲(chǔ)存以及例如由于水文連通性增加而增強(qiáng)的污染物質(zhì)輸出,一般呈現(xiàn)出順時(shí)針滯后模式;b值為負(fù)(負(fù)斜率,表示稀釋,即濃度隨流量的增加而降低),表明受污染物來源的限制,一般呈現(xiàn)出逆時(shí)針滯后模式[20];b值接近0(近零斜率,表示恒定,即濃度隨流量無顯著變化或變化同步),表明污染物分布較為均勻或污染物來源不變,無明顯滯后模式[21]。選取監(jiān)測(cè)期間樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)較多(n>5)的各個(gè)降雨徑流事件,對(duì)污染物的C-Q關(guān)系進(jìn)行回歸分析。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 26.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析,采用最小二乘法擬合進(jìn)行皮爾遜(Pearson)相關(guān)性分析。采用Origin 2021軟件作圖。采用Photoshop 2018軟件繪制研究點(diǎn)位布置圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨水文特征

2.1.1 降雨與徑流情況

監(jiān)測(cè)期間,降雨量的變異系數(shù)為91.08%,屬中等變異。降雨主要集中在6—8月,占2021年降雨量的43.94%。流量(y1)和降雨量(x)呈顯著相關(guān)關(guān)系:y1=0.750 4x-11.511(r=0.876,P<0.01),徑流系數(shù)(y)和降雨量也呈現(xiàn)顯著正相關(guān):y=0.006 0x+0.043 2(圖2),可見徑流量主要受到降雨量的影響。各場(chǎng)降雨事件徑流量的變異系數(shù)為207.92%,屬于強(qiáng)變異[22],即降雨量相近事件間產(chǎn)流量卻相差甚遠(yuǎn),主要緣于前期土壤濕度對(duì)產(chǎn)流的影響[23-24]。

圖2 監(jiān)測(cè)期間徑流系數(shù)和降雨量的關(guān)系Fig.2 Relationship between runoff coefficient and rainfall during the monitoring period

2.1.2 前期土壤含水率對(duì)產(chǎn)流的影響

前期土壤含水率(AMC)反映降雨對(duì)徑流水文過程的影響。土壤10、30、50 cm深處的含水率(AMC10、AMC30、AMC50)都與CN值呈現(xiàn)出良好的線性相關(guān)關(guān)系(圖3),AMC越高,CN值越大。土壤濕潤(rùn),降雨時(shí)的水分入滲量低,容易產(chǎn)生徑流。對(duì)比發(fā)現(xiàn),AMC10與CN值的線性相關(guān)最顯著[13]。

CN,徑流曲線數(shù);R2,決定系數(shù);AMC10,10 cm深處土壤的前期含水率;AMC30,30 cm深處土壤的前期含水率;AMC50,50 cm深處土壤的前期含水率。CN, Curve number; R2, Determination coefficient; AMC10, Antecedent moisture content in 10 cm soil depth; AMC30, Antecedent moisture content in 30 cm soil depth; AMC50, Antecedent moisture content in 50 cm soil depth.

前期的土壤濕度只是影響徑流生成的因素之一,影響土壤產(chǎn)流能力的因素還包括雨滴動(dòng)能、降雨強(qiáng)度、地下水埋深和土壤特征(如土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)、土壤粒徑分布特性等)等[25-26]。持續(xù)時(shí)間短、強(qiáng)度高的降雨產(chǎn)生的徑流量最大[27]。

不同深度土壤的水分變化過程如圖4所示:50 cm土層土壤含水率的變異系數(shù)為1.6%,即使是在降雨期間變化也不明顯,主要是因?yàn)槌缑鲘u靠海,地下水埋深較淺,土壤水分變化不明顯;30 cm土層土壤含水率的變異系數(shù)為6.8%;10 cm土層土壤含水率的水變異系數(shù)為16.03%,變化幅度相對(duì)較大,主要由降雨引起。

圖4 監(jiān)測(cè)期間不同土層的土壤含水率變化Fig.4 Changes of soil moisture content at different depths during the monitoring period

2.2 電導(dǎo)率與濁度的變化特征

2.2.1 電導(dǎo)率、濁度與污染物的關(guān)系

濁度可反映徑流中的泥沙含量,濁度與SSC呈顯著正相關(guān)(圖5),與TP濃度也呈正相關(guān)。這是因?yàn)镻在徑流中的主要流失形態(tài)為顆粒態(tài),磷易吸附在土壤中的鐵鋁氧化物等顆粒物上而隨徑流遷移[28-29]。因此,可以通過測(cè)定濁度來反映泥沙和P的流失程度。

圖5 懸浮泥沙濃度(SSC)、總磷(TP)濃度與濁度的相關(guān)性Fig.5 Correlation within suspended sediment concentration (SSC), total phosphorus (TP) concentration and turbidity

徑流EC與全鹽量呈顯著正相關(guān)(圖6)。氮在農(nóng)田徑流中主要以溶解態(tài)流失[13]。由于EC的測(cè)量成本較低,且能夠提供高分辨率的數(shù)據(jù),因此可采用EC值來反映可溶養(yǎng)分的排放。

圖6 全鹽量與電導(dǎo)率(EC)的相關(guān)性Fig.6 Correlation between total salt content and electrical conductivity (EC)

2.2.2 滯后效應(yīng)分析

通過分析濁度與流量發(fā)現(xiàn)(圖7):在徑流量較大的降雨事件(最大流量超過5 m3·h-1)中,總體上呈現(xiàn)出濁度隨流量增大而增大的趨勢(shì),表明隨著降雨沖刷土壤力度的增加,泥沙顆粒運(yùn)動(dòng)更加劇烈,徑流中P的流失也越多;在徑流量較小的降雨事件(最大流量不超過5 m3·h-1)中,濁度的變化未能呈現(xiàn)一致的規(guī)律。

圖7 濁度與流量的關(guān)系Fig.7 Relationship between turbidity and discharge

根據(jù)C-Q曲線的方向,將降雨徑流事件分為順時(shí)針滯后、逆時(shí)針滯后和無滯后3類。圖7中的順時(shí)針紅色圓圈標(biāo)注的事件即為順時(shí)針滯后,表現(xiàn)為流量上升,濁度隨之上升,說明徑流初期水文連通性較好,泥沙來源較近,即旱地懸浮顆粒物快速輸送排放[30-31]。在2021-05-24和2021-05-27等流速較小的降雨徑流事件中,濁度在徑流初期即已達(dá)到最大值,后續(xù)逐漸降低。這是因?yàn)榻涤昙性趶搅髑捌?后續(xù)降雨少,缺乏雨滴的沖刷作用。2020-09-10、2021-07-31的降雨事件表現(xiàn)為逆時(shí)針滯后,表明懸浮顆粒物在田塊間運(yùn)輸較慢[32],這可能是距旱地排水口較遠(yuǎn)的泥沙輸送過程產(chǎn)生的。2021-07-29的降雨事件表現(xiàn)為無明顯滯后,說明泥沙在隨流量排放過程中是均勻連續(xù)的,污染物來源與輸送路徑基本不變[10,33]。

EC隨流量的變化過程如圖8所示?？傮w來看,EC隨徑流量變化整體呈現(xiàn)逆時(shí)針滯后,即徑流初期EC較低,在流量上升階段EC隨之降低,在退水階段EC逐漸升高并達(dá)到最大值。在流量較大的降雨事件(最大流量超過4 m3·h-1)中,總體上呈現(xiàn)出徑流初始階段EC隨流量的增大而減小的現(xiàn)象,表明徑流中的可溶態(tài)污染物在隨徑流排放的過程中,隨著降雨強(qiáng)度的增大,稀釋效應(yīng)愈加明顯,濃度逐漸降低,這可歸因于新舊水的混合,而前者的EC值較低。對(duì)于徑流量較小的降雨事件(最大流量不超過4 m3·h-1)中,EC隨流量的變化總體呈現(xiàn)逆時(shí)針滯后。根據(jù)C-Q曲線方向?qū)⒔涤晔录譃槟鏁r(shí)針滯后和無滯后兩類。2021-07-29、2021-07-31、2021-08-15的降雨事件無明顯滯后,流量較大時(shí)呈順時(shí)針,流量較小時(shí)呈逆時(shí)針,可能是由于這幾次降雨事件距離上一次降雨事件很短,AMC在所有降雨事件中均達(dá)到很高的水平,水文連通性好,因此沒有表現(xiàn)出明顯的滯后模式,表明可溶態(tài)污染物的排放還受到前期土壤濕度的影響[12]。其余降雨事件為逆時(shí)針滯后,說明溶解態(tài)污物質(zhì)主要來源于土壤內(nèi)部,通過壤中流與徑流水混合,對(duì)降雨徑流事件的響應(yīng)較慢,AMC低,水文連通性差,限制了污染物的遷移。2020-09-17、2021-07-27的降雨情況復(fù)雜且歷時(shí)長(zhǎng),呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的復(fù)合型滯后。

圖8 電導(dǎo)率(EC)與徑流量的關(guān)系Fig.8 Relationship between electrical conductivity (EC) and discharge

2.3 N、P污染物輸出特征

2.3.1 N、P養(yǎng)分的EMC變化特征

2.3.2 N、P污染物輸出特征的C-Q關(guān)系分析

TP的輸出在事件尺度和匯總數(shù)據(jù)上總體呈現(xiàn)出沖刷作用,這是因?yàn)轭w粒態(tài)磷是磷輸出的主要形式,磷隨顆粒物進(jìn)行遷移[39]。DTP的輸出在匯總數(shù)據(jù)和事件平均尺度上b值都大于0,總體呈現(xiàn)出沖刷作用。陳玲等[40]對(duì)香溪河流域磷流失特征的研究發(fā)現(xiàn),暴雨徑流中溶解態(tài)總磷和溶解態(tài)無機(jī)磷在降雨初期濃度較高,之后隨降雨持續(xù)而迅速減小并逐步趨于穩(wěn)定。

2.4 污染物輸出機(jī)理分析

徑流中最大TN濃度與土壤溶液中TN濃度的相關(guān)性較好(圖10),回歸斜率趨近于1,表明徑流退水階段水文連通性好,N的輸出形態(tài)主要為溶解態(tài),N在土壤淺層(耕作層)進(jìn)行遷移,導(dǎo)致徑流末期EC達(dá)到最高。當(dāng)污染物遷移路徑較長(zhǎng),或降雨與徑流新舊水混合稀釋時(shí),就會(huì)產(chǎn)生這種滯后效應(yīng)[41]。這就解釋了EC在暴雨條件下一般呈現(xiàn)出逆時(shí)針滯后,即流量下降段的濃度超過上升段的濃度,上升段的濃度更高的現(xiàn)象。

TN,總氮;氨態(tài)氮;硝態(tài)氮;TP,總磷;DTP,溶解性總磷。紫色圓圈代表單個(gè)事件的回歸b值,淺藍(lán)色菱形代表所有事件b值的平均值,紅色條表示匯總數(shù)據(jù)的回歸b值。TN, Total nitrogen; Nitrate nitrogen; TP, Total phosphorus; DTP, Dissolved total phosphorus. Purple circles represent b values of individual events; light-blue diamonds represent the average of b values for all events; red bars indicate the b value for all data.

表1 不同降雨事件農(nóng)田徑流中各形態(tài)氮、磷的事件平均濃度(EMC)

圖10 徑流中最大總氮(TN)濃度與土壤溶液TN濃度的關(guān)系Fig.10 Relationship between maximum total nitrogen (TN) concentration in runoff and TN concentration in soil solution

徑流中最大TP濃度與土壤溶液中TP濃度沒有顯著的相關(guān)性(圖11)。P主要在農(nóng)田表面進(jìn)行遷移,P的輸出形態(tài)主要為顆粒態(tài),隨著懸浮泥沙進(jìn)行輸出;因此,P對(duì)徑流事件的響應(yīng)較為迅速,濁度隨著流速的升高快速升高[42]。這就解釋了濁度在暴雨條件下一般呈現(xiàn)出順時(shí)針滯后,即上升段濃度更高的現(xiàn)象。

圖11 徑流中最大總磷(TP)濃度與土壤溶液TP濃度的關(guān)系Fig.11 Relationship between maximum total phosphorus (TP) concentration in runoff and TP concentration in soil solution

3 結(jié)論

(1)旱地農(nóng)田徑流量主要受降雨量的影響,也受AMC的影響。CN值與AMC10、AMC30、AMC50存在良好的線性相關(guān)關(guān)系,變化明顯的AMC10更適合用來反映土壤的產(chǎn)流能力。

(2)濁度能夠較好地反映徑流中的懸浮泥沙量和TP含量;EC能夠很好地反映徑流中的可溶性鹽濃度(用全鹽量表征)。濁度與流量總體呈現(xiàn)順時(shí)針滯后,沖刷作用是顆粒態(tài)污染物的主要輸出原因。EC與流量總體呈現(xiàn)逆時(shí)針滯后,稀釋作用是溶解態(tài)污染物的主要輸出原因。

(3)施肥對(duì)N的EMC影響較大,對(duì)P的EMC影響較小。TP的輸出總體呈現(xiàn)出順時(shí)針滯后,表現(xiàn)出一定的沖刷作用。其他形態(tài)氮磷的輸出事件尺度上既有沖刷作用,也有稀釋作用。

(4)徑流TP主要來自土壤表面,較短的遷移路徑是顆粒態(tài)污染物輸出大多呈現(xiàn)出順時(shí)針滯后模式的原因。徑流TN主要來自土壤溶液,多變的遷移路徑是溶解態(tài)物質(zhì)輸出大多呈現(xiàn)逆時(shí)針滯后模式的原因。