水库流域种植类型非点源污染试验研究

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数据与方法

根据地理位置相近、土壤特性相似、种植作物单一和降雨径流出口唯一等原则选择了库区上游靠山镇柴河林场附近三块农田为类型源小区。区内主要种植类型为水稻、玉米和苗木,田块面积分别为01133hm2、01037hm2和01133hm2。水稻田蓄水开始时间是2010年6月8日,插秧时间是6月9日,同日进行第一次施肥,追肥两次,施肥种类为复合肥和碳铵。玉米地在4月20日播种,第一次施肥时间为6月3日,追肥一次,施肥种类为复合肥和碳铵。苗木地内种植苗木为红瑞和水蜡,为二年生,2010年未施肥。2010年完成三种试验田均有产流的降雨径流观测6次,观测场次降雨特征见到表1。现场进行流量测量和水样样品采集,水样采集后24h内送实验室进行分析测试。

分析方法产流量采用巴歇尔槽明渠流量计测量,通过自动记录装置记录通过流量计的流量。流量计水平安装在试验田块唯一的排水出口处,且流量计底部高程与试验田排水出口最低处起平,并保持流量计出口通畅不会产生壅水,以保证试验田块降雨径流流出量可通过测量巴氏槽喉口处的水深并通过水深与流量的相关关系换算得到。由于水稻田有蓄水,流量计安装的最低出水口选在试验水稻田最低田埂高度处,该高度由实际耕作者在日常的田间管理中自然形成,在安装流量计时不做人为的改变,以反映自然的产流规律。水质分析项目包括SS、总氮(TN)、总磷(TP)、CODCr、BOD5等五项,其中,TN和TP采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定,CODCr采用重铬酸钾法测定,SS采用重量法测定,BOD5采用标准稀释测定法[9]。

结果与分析

2010年完成了6场完整的降雨径流过程观测,获得了较为充分的水量水质分析数据。现以三种试验田水量水质输出过程均较完整的8月5日实测数据为例,分析柴河水库流域不同类型源区的径流污染特征。

降雨径流特征如图1所示,不同种植类型的试验田中径流过程存在较大的差异。从产流时间上看,苗木地和玉米地较早产流,水稻田由于受田埂蓄水的影响,降雨初期不产流,田面水蓄满后才开始产流,产流时间远远落后于苗木地和玉米地。从产流总量上看,水稻田水量峰值明显滞后,且产流量低于玉米地和苗木地;玉米地和苗木地水量起涨过程基本一致,但是苗木地产流量小于玉米地。

污染物输出特征图2-图4为试验测得8月5日三块试验田总氮、总磷和CODCr的浓度过程。由图2可知,三块试验田污染负荷中总氮的浓度随着时间的变化均有逐渐减小的趋势,说明随着总氮的流失,表层土壤或田面水中含氮量逐渐减小,排放水量总氮浓度逐渐降低。此外,三块试验田中产流前期水稻田排水的总氮浓度较高,玉米地和苗木地总氮浓度相当。相比总氮输出过程,图3中三块试验田总磷的输出浓度较为稳定,产流前后期没有太大变化。这主要是因为土壤中的磷主要是以吸附态的形式存在,随泥沙等悬浮颗粒流失,受前期径流淋溶、迁移和稀释的作用较小。不同种植类型试验田中,苗木地总磷浓度最高,其次是水稻田,玉米地最小。如图4所示,CODCr的输出过程与总磷相似,产流前后期CODCr浓度没有太大变化,同样是受悬浮颗粒影响较大的原因造成的。各试验田中,苗木地的CODCr浓度最高,水稻田和玉米地的CODCr输出浓度较接近。

次降雨平均浓度把不同场次降雨量按12h降雨量方法[10]划分为不同的雨量等级,并用次降雨平均浓度EMC(EventMeanConcen2trations)[11]表征各场次径流水质污染程度。对比三种类型试验田EMC平均值可知,在相同降雨条件下玉米地的平均流量最大,其次是水稻田,苗木地最小;但是SS浓度值最大的试验田类型为苗木地,其次是玉米地,水稻田最小。与之相应,易溶于水的氮素输出平均浓度最大的为玉米地,其次是苗木地,水稻田最小;而径流污染中总磷、CODCr和BOD浓度最大的耕作类型为苗木地,其次是玉米地和水稻田,与SS输出规律相同。在不同降雨条件下,不同种植类型试验田EMC值产生规律各不相同。水稻田产流量和SS浓度随雨强的大小变化较大,暴雨情景下流量、SS浓度值和总氮、总磷、CODCr浓度值均远大于大雨情景。其中,唯一一场中雨产生于7月20日下午,离上一场大雨较近,田面水已蓄满,受前期雨量影响,中雨情景下水稻田产流量大,但是SS浓度为0,总氮和总磷浓度均较小。玉米地产流量和SS浓度值随雨强的大小统一发生较大的变化,但是总氮、CODCr和BOD5平均浓度值却与雨强大小成反比。说明虽然雨强增大产生的地表冲刷作用增强,但是污染负荷受水量稀释作用更显著,EMC值反而降低;苗木地产流量随雨强的增大而增大,SS和总磷的输出受雨强和流量的影响均很小,EMC值变化较小。总氮、CODCr和BOD的输出与玉米地类似,受径流量稀释作用显著,EMC随着雨强和径流量的增大而减小。

非点源污染产生的影响因素(1)耕作类型的影响。上述分析结果表明,在相同降雨条件下,不同的耕作类型非点源污染输出过程存在较大的差别。一方面,不同的植被类型可能导致不同的水量截留、滞蓄和土壤侵蚀作用。如相对于玉米,红瑞、水蜡等苗木对水量的滞蓄作用较大,产流量小;另一方面,作物不同的耕作方法也可能影响非点源污染的产生规律。如水稻大部分生长期处于蓄水状态,产流受田埂出水口和田面水高差控制,产流晚,持续时间短,但次降雨浓度输出过程较为均匀,与玉米地和苗木地产流产污过程存在较大差异。因此,耕作类型是影响非点源污染产生的重要因素。(2)降雨特征的影响。同一种耕作类型的试验田在不同的降雨条件下非点源污染的产生规律也存在较大的差异。研究中随着降雨量和雨强的增加,三种试验田的产流量、SS和总磷浓度均增大,但是总氮、CODCr和BOD5等污染负荷受水量的稀释作用显著,其EMC值与雨强大小成反比。此外,由于水稻田产流特征受出水口和田面水高差控制,前期雨量较大时可能使得田面水蓄满,导致产流提前,污染负荷增大。因此,前期雨量对其非点源污染产生过程的影响较大。(3)施肥的影响。化肥和农药的使用,是农田径流污染的源强输入。在生长和耕作条件类似的玉米地和苗木地中,玉米地产生总氮的EMC远大于苗木地,与玉米地有施肥而苗木地未添加肥料的实际情况相符合。说明施肥量会对非点源污染的输出产生影响。同时,虽然受田面水降解影响,水稻田总氮的EMC值较小,但是图2中8月5日场次降雨中水稻田产生的总氮浓度大于玉米地和苗木地,这主要是稻田7月下旬追肥,田面水中含氮量较高的缘故。说明施肥与发生降雨的时间间隔也是影响农田非点源污染产生的重要因子。

结论

通过水稻田、玉米地和苗木地三种不同耕作类型非点源污染产生规律的分析,得出如下结论。(1)次降雨径流过程中,水量中水稻田产流时间和流量峰值明显滞后于苗木地和玉米地;产流初期总氮的浓度较大,后期浓度逐渐减小;总磷和CODCr的输出过程受悬浮颗粒影响较大,产流前后期浓度没有太大变化。(2)在相同降雨条件下次降雨平均浓度中,玉米地输出总氮浓度最大,其次是苗木地和水稻田;而SS、总磷、CODCr和BOD的EMC值最大的耕作类型为苗木地,其次是玉米地,水稻田最小。(3)在不同降雨条件下,水稻田产流量和各污染物EMC值随雨强的大小变化一致;玉米地产流量和SS浓度值随雨强的大小统一发生较大的变化,但是总氮、CODCr和BOD5平均浓度值却与雨强大小成反比;苗木地产流量随雨强的增大而增大,SS和总磷的输出受雨强和流量的影响均很小,EMC值变化较小,总氮、CODCr和BOD5的EMC值与玉米地类似,受径流量稀释作用显著,随着雨强和径流量的增大而减小。(4)由于不同的作物特性和耕作方式,耕作类型对非点源污染产生影响较大,降雨特征会通过雨强、雨量和降雨时间间隔影响非点源污染的产生,而施肥作为源强输入,其施肥总量、施肥与发生降雨的时间间隔也是影响非点源污染产生的重要因素。

作者：杨武志苏保林袁军营周莹吕兴娜单位：北京师范大学水科学研究院铁岭市环境保护科学研究院