排水单元农业面源污染的时空变化探析

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结合流域数字高程模型(DEM)，采用GIS方法与流域分析扩展模块等技术手段，明晰流域水系流动方向，基于每个排水泵站的管辖范围，对24个排水单元的边界加以准确界定，试验监测站点设置与对应的排水单元分布，见图3。于2010年2月、5月、8月、11月，分4次进行采样监测分析。采样时选取体积为600mL的塑料瓶采水器在沟渠中央水面下0.5m处采样，沿2级排水泵站所在沟渠重复采样5个，取样同时用GPS(GARMINGPS72)精确定位取样点的地理经纬度。现场测定温度，利用雷磁JPB-607便携式溶解氧测定仪测定DO，TN用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定，NO3-N用酚二磺酸光度法测定，NH4-N用纳氏比色法测定，TP采用过硫酸钾氧化-钼锑抗比色法测定，具体测定方法参照《水和废水监测分析方法》[15]进行。

结果与分析

农业面源污染空间分布特征分析对排水单元出水口的沟渠水体进行多时段的定点采样测试，运用GIS手段建立了研究区农业面源污染的基本空间信息库，在野外水样监测和土地利用分类的基础上，分析了四湖流域排水单元农业面源污染的空间变化特征。通过对监测数据的分析得出，在所监测的24个排水单元中，重复4次采样测试沟渠水体数据的标准偏差较小，体现出较好地稳定性。图4为四湖流域TN、TP、NO3-N、NH4-N等不同形态的N、P浓度在各排水单元空间分布特征，分析发现TN、TP、NO3-N、NH4-N随着排水单元空间变化具有明显的相似性，基本上都满足流域上区和下区相对较好，流域中区差的趋势。其中，TN的平均值为1.3717mg/L，主要分布在0.4919~3.0924mg/L之间，最大值出现在中区万全站(ID18)，最小值出现在下区洪湖棋盘西湖泵站(ID19)，数值之间的差异比较大，最高值与最低值的比值高达6.29。NO3-N的平均值为0.9904mg/L，主要分布在0.6973~1.2143mg/L之间，最大值出现在瞿家湾电排站(ID16)，最小值出现在下区洪湖棋盘西湖泵站(ID19)，且站点间NO3-N值的分布最为集中，最高值与最低值的比值仅为1.74。NH4-N的平均值为0.3722mg/L，主要分布在0.0517~1.0401mg/L，含量偏高的监测站点主要分布在土地沟泵站(ID8)、田阳泵站(ID6)、高小河泵站(ID5)等流域中区监测点，下区的6个监测站点NH4-N普遍居于《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中Ⅱ类水质指标限定的0.5mg/L左右。TP的平均值为0.1748mg/L，最大值出现在中区田阳泵站(ID6)。综合特征来看，位于中区潜江市境的高小河电泵站(ID05)、田阳电泵站(ID06)，监利县境的土地沟电泵站(ID08)、东风电泵站(ID11)，与洪湖市境的瞿家湾电排站(ID16)、万全站(ID18)面源污染十分严重。洪湖以下的下区监测站点面源污染状况显著好转，这与王夏晖等[16]从流域尺度研究区域非点源污染排放格局时得出洪湖市、监利县和潜江市是区域非点源重点排放区域的结论一致。有研究表明[6]，土地利用变化改变下垫面特征，对水循环及物质输移产生极大影响，不同土地利用类型氮磷的输出不同。通过以HJ-1AB影像为信息源，对排水单元2010年8月的土地利用进行专题遥感分类，参照《土地利用现状分类》及前人划分的景观类型[17-18]，共划分了居民点、道路、沟渠、鱼池、旱地、水田和林地7种土地利用类型。从各排水单元土地利用百分比（见图2）可知，面源污染严重的中区以旱地、水田类型占较大的比重，而面源污染相对较轻的下区各排水单元中，鱼池显著增加并成为该区优势类型。为此，各排水单元内土地利用类型与面源污染具有一定的关联，其中人工湿地景观（沟渠、渔池、水田）对水质的影响作用相对突出，沟渠和渔池面积比例愈大，水质指标趋好，旱地与水田比例愈大，多数水质指标趋于恶化，这可能是导致这种分布的空间差异性的原因。

农业面源污染时间变化特征分析本研究结合当地农业生产季节特点，并考虑到本地区降水的季节差异特征[19]，于2010年2月、5月、8月、11月对泵站所在沟渠的进水口进行定点重复采样，从中选取TN与TP这2个能基本反映本流域的生活污染源和农业污染源对水系污染情况的指标，进行时间上的变化特征分析，以期了解流域排水单元氮磷面源污染的时间变化特征，图5反映了流域排水单元24个监测站点的TN、TP指标在年内变异特征。由图5可知，11月全流域监测站点TN含量显著高于其他时段，平均值达到3.9328mg/L，2月次之。由于上述月份沟渠水位较低，部分渠段甚至干涸，水体流速下降，水体自净能力骤减，水中大量固体微粒开始沉淀，并携带了大量有机物一起沉淀，致使秋冬季节的水环境质量相对较差。较2月而言，11月水生植物残体在水中大量的腐烂，也是使得其TN含量增加的诱因之一。5月与8月，由于农业生产活动所需氮肥的投入量增加，降雨量与径流量也同步增加，故浓度增幅不大。总体来说，TN在时间季节上呈现出较大的分异，最高输出浓度的季节，不是发生在雨水丰盛的夏秋季节，而是发生在枯水的冬春季节，这主要是与土地利用方式和降雨密切相关。从TP年内变异分析可知，部分排水单元TP的含量在4个时段间差异较大，部分排水单元差异较小。但在空间上，4个时段的值表现出有规律的起伏波动，除季节差异外，排水单元的景观格局因素也是导致TP浓度增加的重要原因。

结论

（1）流域农业面源污染空间分布格局总体上呈现两头好、中间差的态势。此分布特征与流域内土地利用类型有关，流域中区的17个排水单元以旱地、水田所占面积比重较大，下区的7个排水单元中，鱼池显著增加并成为下区优势类型，反映出农业面源污染状况与流域土地利用格局具有一定的关系。（2）对表征营养盐浓度的指标TN、TP时间上的变化特征分析。结果表明，TN在时间空间上呈现出较大的分异，冬、春季浓度明显高于夏、秋季；部分排水单元TP的含量在4个时段间差异较大，部分排水单元差异较小。但在空间上，4个时段的值表现出有规律的起伏波动。可推测，除季节差异外，排水单元的景观格局因素也是导致TN、TP浓度增加的重要原因。（3）优化土地结构，建立合理的土地利用格局，加强科学水肥耦合，对控制流域农业面源污染具有一定的意义。

讨论

（1）湖北四湖流域是中国典型湿地农业区域，近年来农业面源污染迅速增加，区内农业面源污染受湿地农业和平原湖区等人为和自然因素影响而具有与山丘区小流域不同的污染特征。目前，对基于流域尺度和景观尺度的农业面源污染研究较多，而相对湿地农业区域排水单元尺度上农业面源污染特征变化研究较少。本研究基于排水单元尺度，运用试验和GIS研究四湖流域内农业面源污染时空分布特征。研究显示，排水单元尺度农业面源污染研究能较好地表征出平原湿地区域面源污染空间分布特征，对农业面源污染研究和四湖流域农业面源污染的综合防控具有理论和应用意义。（2）农业非点源主要包括种植业、畜禽养殖业、水产养殖业和农村生活源四大类，本研究对排水单元的污染分布特征与污染源之间的关系尚未进行系统地分析。另外，排水单元的污染分布与土地利用格局关系仅进行了初步讨论，后期研究的重点将开展排水单元水质与土地利用格局相关性分析，并从排水单元尺度入手，对单元内污染负荷进行全面估算，为区域内农业面源污染提供参考。

作者：王有宁薛莲金卫斌单位：湖北工程学院特色果蔬质量安全控制湖北省重点实验室黄冈师范学院化学与生命科学学院