鳳羽河流域典型降雨徑流氮磷污染物排放特征

金桂梅，劉宏斌，胡萬里*，付斌，翟麗梅，段宗顏，李文超，魯耀，潘艷華，杜彩艷

(1.云南省農業科學院農業環境資源研究所，云南昆明650205;2.農業部嵩明農業環境科學觀測實驗站，云南昆明650205; 3.中國農業科學院農業環境與農業區劃研究所，北京100081;4.農業部面源污染控制重點實驗室，北京100081)

鳳羽河流域典型降雨徑流氮磷污染物排放特征

金桂梅1，2，劉宏斌3，4，胡萬里1，2*，付斌1，2，翟麗梅3，4，段宗顏1，2，李文超3，4，魯耀1，2，潘艷華1，2，杜彩艷1，2

(1.云南省農業科學院農業環境資源研究所，云南昆明650205;2.農業部嵩明農業環境科學觀測實驗站，云南昆明650205; 3.中國農業科學院農業環境與農業區劃研究所，北京100081;4.農業部面源污染控制重點實驗室，北京100081)

對鳳羽河流域2013年3次典型降雨全過程進行了連續監測，測定了徑流量及降雨徑流過程中氮磷(N、P)的形態、濃度與通量變化。結果表明，N、P各形態濃度變化曲線與流量曲線趨勢大致相同，總氮(TN)濃度隨降雨量增減迅速，硝態氮(NN)濃度變化平穩，銨態氮(AN)濃度較低且峰值出現均晚于其它氮素形態峰值，顆粒態氮(PN)與顆粒態磷(PP)濃度在徑流過程中迅速達到峰值后陡然下降。暴雨徑流前期氮素遷移以PN為主，主要來源于地表徑流，受降雨強度影響;后期以NN為主，來源于土壤硝酸鹽隨壤中流淋失。磷素主要以地表徑流遷移的PP為主。暴雨徑流導致的N、P流失負荷較大，暴雨初期PP、PN流失嚴重，初期沖刷效應明顯。

暴雨徑流;氮流失;磷流失;遷移過程

近年來，隨著污染治理水平和管理力度的改變，點源污染已得到明顯控制，而面源污染問題日顯突出。已有研究結果表明，暴雨徑流是面源污染的來源，是其產生的主要動力，其帶來的面源污染已成為湖泊水體富營養化的重要營養物質來源［1－2］。由于暴雨產生的徑流對地表有強烈的沖刷作用，加之頻繁的耕作與不合理的施肥管理，大量農業污染物在暴雨徑流的沖刷下從地表向河流遷移，加劇了收納湖泊的富營養化［3］。國外學者對面源N、P的排放規律及負荷進行了大量的檢測、模型模擬機控制研究，國內學者也在紫色丘陵區、滇池流域、江西低丘紅壤區流域及三峽庫區流域等地區開展了面源流失規律的研究，探討不同土地利用對N、P流失特征的影響，注重降雨徑流中污染物濃度的變化及相應污染物負荷與徑流量之間的相關性［4－13，16］。但目前針對云南省第二大高原淡水湖泊—洱海農業流域暴雨徑流N、P流失特征研究相對較少，尤其比較缺乏N、P在不同降雨類別徑流中的濃度和形態變化、遷移途徑及其負荷在徑流過程中的分布特征等方面研究，導致不同類別降雨徑流對洱海面源污染的程度尚不清楚。該流域地形為山地丘陵，四季溫差不大，冬春干旱，夏秋多雨，雨旱兩季分明，7－9月降雨量占全年降雨量75%以上，降雨多以暴雨形式出現，汛期暴漲暴落，是農業面源污染的高發期，因此，研究不同暴雨類型暴雨徑流過程中面源污染物的遷移特征對洱海面源污染的控制具有重要的意義。文章對洱海上游鳳羽河小流域2013年3次典型降雨事件的徑流特征和N、P遷移途徑和排放特征進行研究，準確計算鳳羽河小流域各種污染源產生的N、P污染物總量，以期為雨季徑流過程中養分的截留、農村居民點生活污水排放的水質管理和農業面源污染的控制提供科學依據。

1 材料與方法

圖1 鳳羽河小流域水系分布狀況Fig.1 Characteristics ofwater type distribution in Fengyu river watershed

1.1 研究區域概況

研究區鳳羽河小流域地處99°51'31″～100°01' 46″E，25°52'48″～26°05'52″N，位于云南西部大理州洱源縣城西南，是高原農業流域洱海流域西北部的一個典型子流域，地形為山地丘陵，最高海拔3621 m，最低海拔2072 m，平均海拔2634 m，氣候屬北亞熱帶高原季風氣候，四季溫差小，年均溫度13.9℃;年平均降水量745 mm，冬春干旱，夏秋多雨，雨旱兩季分明。流域內河流眾多，水資源豐富，主要河流有蘭林河、黑龍河、白石江、青石江、大澗河和東部天馬山的三爺河和清源溝，匯流至鳳羽河，從流域出口下龍門流出。常年水流量達1億m3，屬瀾滄江水系，是洱海的重要水源地(圖1)。流域內土壤類型以麻黑湯土、麻灰湯土、棕紅土和水稻土為主。流域面積219 km2，土地利用方式主要以草地(45.9%)、林地(29.6%)、水田(11.9%)和旱地(8.9%)為主(圖2)。

鳳羽河小流域范圍覆蓋鳳羽鎮的鳳翔、源勝、上寺、白米、江登、鳳河、莊上、起鳳、振興9個村委會，44個自然村，121個村民小組，全鎮戶數7885戶，人口31 797人，其中鎮區居民9510人。流域內農業種植作物播種面積:水稻1373 hm2、玉米580 hm2、大麥340 hm2、大豆167 hm2、蠶豆233 hm2、馬鈴薯27 hm2、油菜1800 hm2、烤煙213 hm2和大蒜267 hm2。流域內畜禽養殖大牲畜1.1萬頭(奶牛0.73萬頭)，生豬2.1萬頭，雞3.1萬羽，羊0.45萬只。

1.2 地表徑流量監測

河流流速以及水量的測定使用澳大利亞unidata公司的STARFLOW超聲多普勒流速、水位、溫度綜合測量儀。流量巡測頻次為30 min 1次，以每次暴雨歷時監測水量的總和作為當次的總徑流量(公式1)。

圖2 鳳羽河小流域土地利用現狀Fig.2 Land use status in Fengyu riverwatershed

表1 2013年暴雨事件的降雨特征Table 1 Rainfall characteristics of the storm events in 2013

式中:qt為t時刻的流量(m3/s);qi為樣本i在監測時的流量(m3/s);x為徑流量(m3);△t為樣本i和i +1的時間間隔(s)。

1.3 氮磷排放監測

河流水質采樣于鳳羽河小流域出口下龍門，每小時采集一個混合水樣，分別監測銨態氮(AN)、硝態氮(NN)、可溶性有機氮(DON)、總氮(TN)、顆粒態氮(PN)、總磷(TP)、可溶性總磷(DTP)、顆粒態磷(PP)。

TN使用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB11894-89)，NN使用酚二磺酸分光光度法(GB7480-87)，AN使用納氏試劑分光光度法(GB7479-87)，DTN減去-N和-N即為DON，TN與DTN的差值為PN;TP、DTP使用鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)，TP與DTP的差值為PP［13］。

氮磷排放負荷根據同步流量和濃度監測值按公式(2)進行計算。

式中:yi為第i種污染物的排放負荷(g);ct為t時刻徑流中第i種污染物的濃度(mg/L);ci為第i種污染物在樣本i監測時的濃度(mg/L)。

1.4 累積污染物總量——累積流量變化曲線

采用無量綱的累積污染物總量與累積流量變化曲線——M(V)曲線對每場暴雨進行分析，可以明確各暴雨徑流中污染物總量隨流量變化的關系，全面理解暴雨徑流污染物的傳輸過程［6］。M(V)曲線可以用下式表示:

式中:Ci，Qi，△ti同公式(1)、(2);V表示樣本i檢測總次數，J表示樣本i檢測次數。

2 結果與分析

2.1 降雨與徑流過程

2.1.1 降雨過程特征在2013年鳳羽河小流域降雨量為1320mm，7－9月降雨量1009.5mm，占全年降雨量的76.48%，其中3次典型暴雨降雨量占雨季降雨量的16.25%(表1)。7月20日降雨量64 mm，始于凌晨1:00時，降雨持續15 h，最大雨強發生在下午16:00時，為34 mm/h，平均雨強4.27 mm/h，本次降雨時間長，后期降雨強度大(圖3c);7月23日降雨量58.5 mm，中午13:00時發生，降雨歷時13 h，最大雨強11 mm/h，平均雨強4.50 mm/ h，本次降雨時間長，雨強變化較小(圖4c);7月28日降雨發生在凌晨5:00時，歷時4.5 h，降雨量超過30 mm，達41.5 mm，最大雨強36 mm/h，平均雨強9.22 mm/h，本次降雨歷時較短，平均降雨強度大(圖5c)。

2.1.2 徑流過程分析3次暴雨事件的降雨量和流量曲線趨勢大致相同，均出現明顯的峰值流量，徑流過程與降雨過程相對應，但略滯后于降雨過程(圖3a、4a和圖5a)。7月20日降雨3.5 h后產流，平均流量為5.93 m3/s，流量峰值比降雨量峰值滯后約0.5 h，流量峰值為10.94 m3/s，流量峰值時累積降雨量為64 mm，累積流量341 551.9m3;7月23日降雨2.5 h后產流，平均流量為9.37 m3/s，隨著本次降雨時間延長，流量峰值在降雨結束時高達13.40 m3/s，累積流量高達517 153.07 m3;7月28日降雨2 h后產流，平均流量為7.85 m3/s，流量峰值為10.61 m3/s，比降雨峰值滯后2.5 h，流量峰值時累積降雨量為41 mm，累積流量為139 209.61 m3。受降雨影響，土壤含水量逐漸增加，3次降雨事件的產流時間逐漸縮短，雖然7月23日的最大雨強小，平均降雨強度變化小，其流量起伏小，使累積增加，平均流量大，流量峰值均大于其它2次降雨事件的流量峰值。

2.2 降雨徑流的N、P形態與濃度特征

不同降雨事件徑流的N、P形態及濃度特征值列于表2，7月28日的暴雨徑流中TN、TP、PN、PP等主要N、P形態的濃度均最高，因該暴雨事件平均降雨強度最大，降雨、徑流對土壤平均沖刷較強。N、P主要形態(TN、PN、TP、PP)的濃度在不同的降雨事件呈7月28日＞7月23日＞7月20日分布特征，與平均降雨強度大小順序一致，說明平均降雨強度對N、P濃度影響較大。NN的濃度在不同降雨事件中分布特征與最大雨強大小順序相反，說明低強度降雨有利于硝態氮的淋溶。徑流中氮素形態以NN和PN為主，3次降雨事件對土壤均有沖刷，侵蝕嚴重，導致徑流中顆粒態養分含量均較高，占TN的58 %～80%。徑流中磷素形態則以PP為主，是TP的91%～97%，說明暴雨徑流中磷素主要以顆粒態形式流失。PN、PP所占比例大小順序為7月28日＞7月20日＞7月23日，與最大雨強大小順序一致，說明最大雨強越大，沖刷越明顯，顆粒態養分流失嚴重。

表2 不同降雨徑流的氮磷形態與濃度Table 2 Concentrations and forms of nitrogen and phosphorus of different rainfall runoff

2.3 暴雨徑流過程中N、P形態與濃度變化

2.3.1 氮素形態與濃度變化3次暴雨降雨量、徑流量及徑流氮濃度變化分別見圖3～5的a、b，3次暴雨事件基本上反應了流域中氮素濃度對徑流過程的響應。TN與PN的年度變化與降雨量曲線趨勢相似，均有峰值出現，且變化和濃度峰值出現晚于降雨量峰值，但早于流量峰值。AN濃度較小，其峰值出現均晚于其它氮素形態峰值。氮素各形態濃度變化隨徑流量的漲落呈明顯的階段分配特點，在流量峰值之前，氮素形態濃度隨流量增加而增加，在峰值之后呈下降趨勢。3次暴雨徑流事件的TN濃度變幅為1.21～15.51 mg/L(圖3b、4b、5b)，隨降雨量增減迅速。NN濃度變化較小，變化平穩。降雨初期徑流中氮素形態以PN為主，隨降雨事件持續，流量峰值出現后，降雨強度減小，PN濃度迅速降低，低于NN濃度，徑流后期NN分別占TN的27%～63 %。徑流中PN與NN的濃度變化表明二者對暴雨徑流的響應與其遷移流失途徑有重要關系，PN主要通過雨水沖刷攜帶大量沙粒而流失，而NN主要通過壤中流攜帶而流失。

2.3.2 磷污染物形態與濃度變化磷濃度峰值的出現較流量峰值早，其濃度變化在不同的降雨條件下響應關系有一定差異(圖3c、4c、5c)。7月20日和7月23日的降雨歷時長，主要受降雨強度影響，P濃度變化均出項雙峰態;7月28日降雨歷時短，P濃度變化與流量變化趨勢大致相同。3次暴雨徑流事件的TP濃度變幅為0.71～6.91 mg/L(圖3c、4c、5c)，在產流初期迅速達到峰值，隨后快速下降，說明地表徑流對暴雨徑流TP的影響最大;DP含量低，變化小;徑流中磷素形態以PP為主，主要通過雨水沖刷攜帶大量沙粒而流失，分別占50%～98 %。

2.4 暴雨徑流氮磷流失負荷

3次暴雨事件徑流量的氮磷流失負荷見表3，共產生徑流1171 900.56 m3，TN流失負荷5 037.84 kg，平均為5.5 g/m3，暴雨徑流對流域氮磷流失貢獻巨大。NN、PN、AN分別占TN的29.39%、72.9%、1.35%，NN、PN 2種形態的氮素控制著暴雨徑流中氮素的流失。TP流失負荷達4244.15 kg，平均負荷4.1 g/m3，94.91%以PP形式流失。各暴雨所產生的徑流量及N、P負荷有差異，與降雨強度、降雨量、降雨歷時等有關。7月20日和7月28日暴雨的PN占TN的比例較高，7月23日暴雨的NN占TN比例高，可見降雨強度最大的暴雨造成的PN流失在防治中應優先考慮，而在降雨歷時長、最大降雨強度小、雨強變化不大的暴雨中應優先考慮NN流失防治。

圖3 7月20日暴雨徑流過程及污染物濃度變化Fig.3 Process of storm runoff and changes of pollutants concentration in July 20，2013

圖4 7月23日暴雨徑流過程及污染物濃度變化Fig.4 Process of storm runoff and changes of pollutants concentration in July 23，2013

對3次暴雨徑流過程中瞬時徑流量和污染物排放負荷分別進行多項式回歸，結果列于表4。除TN、 AN外，其它各形態氮磷遷移負荷與徑流量之間存在極顯著的相關關系，結果與黃俊等人研究相符［1］。

2.5 氮磷流失負荷在徑流過程中的分布特征

從圖6中可知，不同暴雨事件的M(V)曲線變化有差異。圖6(a)，在7月20日暴雨事件中TN、PN、NN在45°斜線上方，說明其排放負荷集中于徑流過程的前半段，初期有沖刷效應;后期降雨量增加，磷素形態和AN在45°斜線下方，其排放負荷偏向徑流過程的后半段。圖6(b)，7月23日暴雨事件前期沖刷效應不明顯，中期時只有AN在斜線上方，NN、TP、PP斜率接近1，其污染負荷在徑流中的分布與流量分布一致，而隨著流量增加，后期出現沖刷情況，PN、TN的排放負荷偏向徑流過程的退水段。圖6(c)，7月28日暴雨降雨歷時短，除NN污染負荷在徑流中的分布與流量分布一致外，其它氮磷形態污染物排放負荷都集中在徑流過程的前半段，初期沖刷效應明顯。在前50%的徑流中，3次降雨的的TN、NN、AN、PN、TP、PP負荷分別為對應總排放負荷的74.38%、75.42%、5.82%、75.07%、36.20%、33.56%，35.22%、53.74%、74.22%、20.46%、53.91%、57%，74.10%、60.30%、72.47%、79.24%、69.10%、69.53%，表明此流域不同降雨事件氮素形態初期沖刷效應不一致，主要與小流域的地質水文特征及土地利用方式等有關，氮磷流失是暴雨沖刷過程與后期N、P淋失過程共同作用的結果。

圖5 7月28日暴雨徑流過程及污染物濃度變化Fig.5 Process of storm runoff and changes of pollutants concentration in July 28，2013

圖6 不同污染物的M(V)曲線Fig.6 M(V)curves of different pollutants

3 討論

氮素形態濃度峰值出現晚于降雨量峰值，但早于流量峰值。鳳羽河流域暴雨徑流中氮素遷移初期以PN為主，其濃度過程線與降雨量變化相似，后期以NN為主，NN濃度變化平穩，其變化過程線與壤中流相符;暴雨徑流中磷素以PP為主，PP濃度過程線響應地表徑流流量曲線，結果與前人研究相似［9，14－16］。

暴雨的雨強、雨量、降雨歷時及前期無雨時間對產流時間、流量大小、氮磷排放濃度和形態及排放負荷有一定影響。前期有雨的暴雨產流時間段，短歷時高強度暴雨初期沖刷效應更為突出，平均降雨強度對N、P濃度影響較大，降雨強度最大的暴雨造成的PN、PP流失在防治中應優先考慮，而在降雨歷時長、最大降雨強度小、雨強變化不大的暴雨中應優先考慮NN流失防治。

表3 暴雨徑流與氮磷負荷Table 3 Flux and loads of N and P with storm runoff

3次暴雨事件產生的氮磷排放負荷之間有差異，排放負荷大，共產生徑流量1171 900.56 m3，TN負荷5037.84 kg，TP負荷4244.15 kg，除TN、AN外，其它各形態氮、磷排放負荷與徑流量之間符合多項式關系。

對于短歷時高強度的降雨，截獲初期徑流量對于初期沖刷效應突出的氮、磷污染物排放減控有重要意義，而截獲一定比例的后期徑流量則可有利于溶解態N、P物質的去除。

［1］黃俊，張旭，彭炯，等.暴雨徑流污染負荷的時空分布與輸移特性研究［J］.農業環境科學學報，2004，23(2):255－258.

［2］張榮社，李廣賀，周琪，等.潛流濕地控制暴雨徑流中氮磷沖擊負荷中試研究［J］.中國給水排水，2007，23(1):64－68.

［3］周崧，和樹莊，胡斌，等.滇池柴河小流域暴雨徑流氨氮的輸移過程研究［J］.環境科學與技術，2013，36(1):162－165.

［4］Ranjith PU，Peter PM.Nitrogen losses in runoff from three adjacent agricultural watersheds with claypan soils［J］.Agricultural，Ecosystems and Environment，2006，117:39－48.

［5］Richard R L，Robert L T.Nutrient cycling in an agricultural watershed:Ⅱ.Streamflow and artificial drainage［J］.J.Environ.Qual.，1984，13(1):27－32.

［6］王洪嬌.滇池流域不同農田類型徑流氮磷流失特征［D］.昆明:云南大學，2013.

［7］徐暢.三峽庫區小流域土壤氮素遷移轉化及調控技術研究［D］.昆明:西南林業大學，2011.

［8］魏林宏，張斌，程訓強.水文過程對農業小流域氮素遷移的影響［J］.水利學報，2007，38(9):1145－1150.

［9］蔣銳.紫色丘陵區農業小流域氮遷移的動態特征及其環境影響研究［D］.昆明:西南林業大學，2012.

［10］焦平金，許迪，王少麗，等.自然降雨條件下農田地表產流及氮磷流失規律研究［J］.農業環境科學學報，2010，29(3):534－540.

［11］朱松，方沛南，藍雪春.降雨徑流污染研究綜述［J］.中國農學通報，2009，25(12):240－245.

［12］胡萬里，劉宏斌，魯耀，等.南方丘陵區耕地磷素地表徑流流失特征研究［J］.西南農業學報，2016，29(11):2676－2681.

［13］謝賢群，王立軍.中國生態系統研究網絡觀測與分析標準方法—水環境要素觀測與分析［M］.北京:中國標準出版社，1998: 104－279.

［14］徐泰平，朱波，汪濤，等.不同降雨侵蝕力條件下紫色土坡耕地的養分流失［J］.水土保持研究，2006，13(6):139－144.

［15］李慶召，王定勇，朱波.自然降雨條件下紫色土區磷素的非點源輸出規律［J］.農業環境科學學報，2004，23(6):1050－1052.

［16］劉曉凱，薛建輝，吳永波.模擬暴雨條件下楊麥復合系統氮、磷隨地表徑流流失特征分析［J］.南京林業大學學報，2012(2): 117－120.

(責任編輯 王家銀)

Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Em ission in Typical Rainfall-runoff Events in Fengyu River W atershed

JIN Gui-mei1，2，LIU Hong-bin3，4，HUWan-li1，2*，FU Bin1，2，ZHAILi-mei3，4，DUAN Zong-yan1，2，LIWen-chao3，4，LU Yao1，2，PAN Yan-hua1，2，DU Cai-yan1，2
(1.Agricultural Resources＆Environment Institute，Yunnan Academy of Agricultural Sciences，Yunnan Kunming650205，China;2.Scientific Observing and Experimental Station of Songming，Ministry of Agriculture，Yunnan Kunming 650205，China;3.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing100081，China;4.Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control，Ministry of Agriculture，Beijing 100081，China)

The changes of water flows，concentration and fluxes of nitrogen and phosphorus(N，P)through rainfall-runoff of three typical storm events weremonitored at Fengyu Riverwatershed，Yunnan province，in 2013.The results showed that the N and P concentrations responded with discharge flow.The concentration of Total Nitrogen(TN)changed rapidly with the change of rainfall.The concentration of Nitrate Nitrogen(NN)was stable.The low concentrations and small variations of Ammonium Nitrogen(AN)were observed and its peak appeared later than other forms of nitrogen.The concentrations of Particulate Nitrogen(PN)and Particulate Phosphorus(PP)quickly reached peak and then followed by a rapid decline.Under the influence of the rainfall intensity，the PN transported by surface flow was dominated in the early periods of storm runoff，while NN derived from the soil interflow with nitrate leaching became dominant in the late period.The PP caused by surface flow was themain form of phosphorus in storm runoff.The loss loads of N and P in storm runoffwere high and the loads of PN and PPmostly distributed in the early portion of storm runoff，showing first flush effectswas importantand PN and PPwere transported with overland flow.

Storm runoff;Nitrogen loss;Phosphorus loss;Migration process

X52

A

1001－4829(2017)2－0394－07

10.16213/j.cnki.scjas.2017.2.026

2015－04－23

公益性行業(農業)科研專項經費資助(201303089)

金桂梅(1983－)，女，助理研究員，碩士，主要從事農業生態環境研究，E-mail:jgmbly2006@126.com，*為通訊作者，E-mail:huwanli.2007@163.com。