太子河小流域氮素輸出特征研究

杜立宇， 劉艷茹， 董淑萍， 吳 巖， 梁成華

(1.沈陽農業大學 土地與環境學院， 遼寧 沈陽 110866； 2.遼寧省農業環境保護監測站， 遼寧 沈陽 110000)

目前，面源污染日益嚴重，其中農業流域輸出的氮、磷已經成為淡水生態系統富營養化控制和治理的關鍵。受土地利用方式、降雨條件、人們活動的影響，面源污染物的流失具有廣泛性、不確定性、隨機性、隱蔽性和難以監測性。國外學者對小流域內面源污染物氮、磷流失規律[1]及流失負荷進行了大量的試驗研究[2-3]。中國學者在三峽庫區流域[4]、長江上游流域[5]、南方紅壤小流域[6]等地區開展了非點源污染特征研究，結果表明，氮素是導致水體富營養化的重要因素[7]，控制小流域氮素輸出成為防止水體富營養化的關鍵[8-10]。

觀音閣水庫是太子河上游以城市和工農業供水，防洪，發電為主的大型綜合水利工程，它對解決太子河流域內的工農業供水和防洪安全問題起著極為重要的作用，保護好觀音閣水庫對本溪、遼陽、鞍山市至關重要。1995年觀音閣水庫在太子河源頭段蓄水，致使庫區水流流速變慢，水庫富營養化趨勢凸顯[11]，掌握水庫面源污染負荷的來源及特征具有重要的現實意義。目前雖有學者對建庫前后營養物質狀況進行了分析[12]，但有關上游入庫河流的污染狀況卻鮮有報道。本研究以觀音閣水庫上游太子河源頭河流系統為研究對象，在不同土地類型對應河流處各設置相應監測點，對各監測點氮的質量濃度進行監測。在5—9月主要降雨時期通過試驗分析不同土地利用類型對應河流系統中氮素的輸出特征及形態變化，以期為防止庫區及其上游面源污染，預防水體富營養化提供理論依據。

1 研究區概況

試驗地點位于遼寧省觀音閣水庫上游太子河流域源頭，大地森林公園至小東溝村，呈狹長的溝谷地形，山高坡陡，僅有一條河流作為所有降雨徑流向下游運移的通道，自河流源地起依次貫穿林地、旱田、村莊。雞場獨立存在，位于河流邊緣。試驗區附近及上游無工廠，僅受自然條件、農業生產和農民生活的影響，因此，可以更好地了解不同土地利用類型及農村日常生產生活面源污染物的輸出特征。

試驗區主要地貌特征為山地丘陵，其中山地占80%。森林資源豐富，森林覆蓋率高達81%，流域內的森林為以針葉、闊葉為主的水源涵養林；耕地占12.5%，主要作物為玉米；水域占1.8%，主要為河流和水庫；其余占4.7%。屬中溫帶氣候區，夏季降水多，冬季降水少，多年平均降雨量808.6 mm，降雨多集中在5—9月，占全年降雨量的73%。土壤主要為棕壤。采樣點概況見表1。

表1 采樣地點概況

2 材料與方法

2.1 樣品采集與分析

河流樣品采集。5—9月是太子河流域降雨及農業活動的頻繁時期，因此選擇該時段進行試驗。采樣歷時5個月，分為平時采樣和降雨采樣。

平時采樣。在試驗期間每周在各采點采集河流水樣一次，分析河流系統中氮的變化趨勢。

降雨采樣。試驗區具有一次降雨持續時間短的特點，因此當出現較大降雨時在降雨結束后進行采樣，分析降雨條件對河流系統中氮流失的影響。

每次取1 000 ml河流樣品，硫酸酸化，使pH<2，4 ℃保存，以供測定總氮、硝態氮、亞硝態氮質量濃度。測定方法按照《水和廢水監測分析方法》進行?？偟眠^硫酸鉀氧化—紫外分光光度法；硝態氮，水樣經0.45 μm濾膜過濾后，用紫外分光光度法測定；亞硝態氮，水樣經過0.45 μm濾膜過濾后，N—(1—萘基)—乙二胺光度法測定。

在小流域內設置一個自計雨量器，記錄流域的日降雨量。

2.2 數據處理

采用Microsoft Excel 2007，SPSS軟件進行圖表制作和數據處理分析。

3 結果與討論

試驗地點降雨比較集中，7，8月是降雨量最多的月份，雨強也較大，暴雨多發生在此時期。試驗年度7月降雨137.0 mm，8月降雨達275.2 mm，6月降雨量稍小為106.7 mm。5—9月的總降雨量為598.7 mm，占全年降雨量的76.4%。

3.1 河流系統總氮輸出特征及其影響因素

根據小流域監測期間的植被生長狀況、農事活動規律和降雨情況，將監測時段分為3個階段，第1階段(5月7日至6月10日)，植被覆蓋度較低，玉米處于苗期，降雨量少；第2階段(6月10日至8月29日)，植被覆蓋度高，玉米處于生長中期，暴雨發生時期；第3階段(8月29日至9月30日)，植被覆蓋度高，玉米進入成熟期，無明顯降雨。采樣期間各斷面總氮濃度變化如圖1所示。

圖1 采樣期間不同監測點總氮濃度變化

在第1階段，4個監測斷面總氮濃度大小順序為雞場>旱田>村莊>林地，前3個斷面總氮分別是林地斷面的1.81，1.72和1.70倍。林地斷面總氮濃度最低，是因為林地常年無人為干擾，地表覆蓋層枯枝落葉阻止了雨水對土壤的擊濺作用，減少了氮素的流失，而且林地土壤背景值也最低。旱田斷面總氮濃度較高可能是因為玉米地覆蓋度低，同時，也正值除草、施藥和施肥的主要時期，土壤疏松，氮素易隨地表徑流進入河流系統。村莊斷面總氮濃度較高可能因為村莊環境較為復雜，自留蔬菜地的多次翻耕和大量施肥、散養家禽和大型牲畜排泄的尿液和糞便隨意擱置、人類的生產生活的垃圾和污水肆意排放以及完全裸露的道路，造成大量氮素進入河流系統。雞場土壤背景值較高，且裸露在外的雞糞更易隨地表徑流進入水體，致使雞場斷面總氮濃度最高。

第2階段中，全年溫度最高、降雨量最大，暴雨主要出現在此階段，4個斷面的總氮濃度與第1階段明顯不同，表現為：雞場>村莊>林地>旱田。雞場總氮濃度最高，因為在適宜的溫度和濕度條件下雞糞發酵分解，可溶性氮增加，隨降雨進入水體。村莊斷面的總氮濃度高于林地和旱田斷面，僅次于雞場斷面，與上一階段的原因基本相同，此階段降雨量增大，加劇了村莊內氮素向河流系統的輸入。旱田覆蓋度比林地低，且旱田土壤較林地土壤疏松，遇到強降雨時，易發生水土流失，污染負荷貢獻率高于林地[13]。但本研究與相關研究的規律并不一致，這很可能是因為隨溫度和濕度持續升高，林地中枯枝落葉加速腐爛分解，增加了土壤表層氮素含量，在強降雨的沖刷下進入水體。同時也與研究區域內地貌特征密切相關。林地為主要土地類型，且位于較陡的山坡上，在暴雨發生時期，易發生山體滑坡，造成水體氮素含量增加。旱田占地面積較小，位于相對平坦的谷底，橫坡種植，有效緩解了氮素的流失。同時此時期是植物生長最旺盛時期，對肥料的需求量大，土壤中氮含量減少，因此旱田斷面總氮濃度低于林地。

第3階段中，河流系統中的總氮濃度表現為：村莊>雞場>林地>旱田。與前兩個階段相比，總氮濃度明顯降低，這是因為此時期無明顯降雨事件發生，缺少了氮素流失的動力因素；植被覆蓋度較高，枝葉和新枯枝落葉層阻止了降雨對地表的沖刷作用；無明顯的農事活動發生。

在5—9月期間，各斷面總氮平均濃度大小關系依次是：雞場>村莊>旱田>林地，與土壤背景值中速效氮含量大小關系一致，因為土壤中可溶性氮較易隨地表徑流流失。除林地斷面外，其他3個斷面總氮濃度呈逐漸下降趨勢，即：第1階段>第2階段>第3階段，因為隨降雨的不斷發生，土壤中氮素含量逐漸下降。由此可見，控制徑流流失是控制土壤氮素流失的關鍵。在整個采樣期間村莊和雞場斷面總氮濃度一直較高，但不能確定其就是主要的非點源，還與各斷面徑流量的大小有關。綜上所述，因地制宜地采取措施是減少氮素輸出最有效的辦法，合理布置村莊格局和加強村莊內的綠化度、合理處置生活垃圾和生活污水、集中處理家禽及牲畜糞便、加強山體護坡工作、減少降雨期間農用地的翻耕等都是防止研究區內非點源污染的有效措施。

3.2 降雨條件下氮素遷移轉化規律

3.2.1 降雨條件下河流系統中總氮的輸出特征 氮素主要在降雨條件下隨地表徑流流失，以可溶態氮流失為主[14]。土地類型、植被覆蓋度和農業生產生活活動是導致氮素流失的本質因素，降雨則是導致氮素流失的動力因素。4個斷面的總氮濃度隨日降雨量變化特征如圖2所示。

圖2 降雨條件下不同斷面總氮濃度的變化情況

除林地斷面外，降雨初期旱田、村莊和雞場斷面總氮濃度均較后期高，這與許其功等[15]的研究結果一致，長期干旱后的初期降雨徑流中氮的濃度明顯高于雨季徑流中的濃度。6月16日至7月31日各斷面總氮濃度呈逐漸上升的趨勢，這與降雨量的持續增大有關，強降雨使土壤表面受到嚴重沖刷，營養物質大量流失，同時浸提作用增強，使河流中總氮濃度升高。7月31日發生首次暴雨事件，4個斷面的總氮濃度出現峰值，分別達到5.97，5.44，5.33和6.22 mg/L。在7月31日至8月29日期間內，林地、旱田、村莊和雞場斷面總氮濃度先降低，后趨于平穩，分別下降了34.0%，28.3%，19.8%和33.5%，這是因為長期的強降雨，土壤中氮含量下降，且徑流量持續增大，河水的稀釋作用起主導作用，從而導致氮濃度的降低，之后浸提作用和稀釋作用交互進行，總氮濃度便趨于平穩。

3.2.2 降雨條件下河流系統中硝態氮的輸出特征 一般土壤膠體帶負電，硝態氮也帶負電，不易被土壤吸附，且硝態氮屬可溶態氮，有降雨時硝態氮容易淋溶和流失[16-17]。林地、旱田、村莊和雞場斷面硝態氮的輸出特征如圖3所示，變化范圍分別為2.02～4.47,1.53～4.24,1.47～4.18和2.09～4.13 mg/L。各斷面輸出的硝態氮濃度與總氮呈顯著正相關。6月所采的兩次河流樣品中硝態氮濃度除雞場斷面較高外，林地、旱田和村莊斷面并無明顯差異。7月所采的兩次河流樣品中，4個斷面硝態氮的濃度明顯升高，這是因為隨溫度的升高硝化作用增強。林地斷面最高，因為隨著植被的生長及林地地表的枯枝爛葉在微生物的作用下加速分解，硝化作用不斷增強[17]，也與此時總氮的流失濃度最大有關。 在7月31日到8月29日期間，硝態氮濃度大幅度下降，各斷面分別下降54.7%,56.2%,54.3%和46.0%，其原因與總氮濃度下降的原因相同。

圖3 降雨條件下不同斷面硝態氮濃度的變化情況

3.2.3 降雨條件下河流系統中亞硝態氮的輸出特征 圖4是各斷面亞硝態氮濃度隨時間的變化特征，采樣期間各斷面亞硝態氮濃度變化分別是0.01～0.03,0.01～0.02,0.01～0.02和0.01～0.03 mg/L，從總體上看，亞硝態氮濃度隨降雨量呈先升高后下降趨勢，與總氮和硝態氮變化一致。在7月31日至8月29日下降的最為明顯，各斷面分別下降72.3%,53.3%,44.8%和57.1%，這可能是由于持續的強降雨使稀釋起主導作用。自6月3日到8月29日8次降雨中，雞場斷面亞硝態氮平均濃度最大，這是由雞場土壤背景值較大和雞糞中含氮量較高所致。

由圖4可知，林地、旱田、村莊和雞場斷面輸出的硝態氮濃度分別占總氮的69.2%，63.4%，61.4%和63.8%，可見，較高的植被覆蓋雖能有效地減少土壤侵蝕和總氮的流失,卻增加了土壤可溶性氮的流失[18]。亞硝態氮僅占總氮的0.4%，說明研究區域地表徑流輸出的可溶態氮主要以硝態氮為主。各斷面硝態氮和亞硝態氮的濃度變化與降雨量呈顯著相關(p<0.05)。在輸出過程中,硝態氮和亞硝態氮的濃度變化與總氮相似，呈現先增大后降低的趨勢，原因是在降雨初期,浸提作用占主導地位,從而濃度逐漸升高, 隨降雨次數和降雨量的增加，稀釋作用取代浸提作用占主導地位, 從而濃度降低，之后, 徑流中氮素含量便處于穩定趨勢。

圖4 降雨條件下不同斷面亞硝態氮濃度的變化情況

4 結 論

(1)2011年5—9月是太子河小流域降雨的主要時期，也是非點源氮輸出的主要時期；降雨量占全年降雨總量的81.8%，此時是預防水土流失和非點源污染發生的主要時期。

(2)在研究時段內，受降雨條件、土地利用類型、植被覆蓋度和人為活動等因素的影響，4個斷面總氮的變化趨勢呈波浪式，河流系統中總氮平均濃度表現為雞場>村莊>旱田>林地。各斷面總氮的輸出與土壤背景值具有一致性。

(3)5月7日至6月10日，植被覆蓋度低，農田的翻耕和肥料的大量施用以及長期干旱后的初期降雨使得旱田、村莊和雞場斷面總氮濃度較雨季期間高。6月10日至9月30日，隨降雨量和降雨次數的增加，浸提作用與稀釋作用交互進行，各斷面總氮濃度出現先增加后降低的現象。

(4)林地、旱田、村莊和雞場斷面硝態氮和亞硝態氮輸出濃度與降雨量呈顯著正相關(p<0.05)，并且輸出特征與總氮基本保持一致，硝態氮是總氮的主要輸出形態，分別占總氮的69.2%，63.4%，61.4%和63.8%。植被覆蓋雖能有效地減少土壤侵蝕和總氮的流失, 卻增加了土壤可溶性氮的流失。

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