太湖流域典型平原圩區氮污染分析

徐責茗， 耿建萍， 蔣 詠， 崔 楨， 高俊峰， 李國柱

(1.吉林師范大學旅游與地理科學學院， 吉林 四平 136000；2.中國科學院南京地理與湖泊研究所， 中國科學院流域地理學重點實驗室， 江蘇 南京 210008；3.江蘇省水文水資源勘測局， 江蘇 南京 210029； 4.江蘇省水資源服務中心， 江蘇 南京 210029)

圩區是我國平原河網區的主要地理單元，分布十分廣泛。如我國長江中下游的太湖流域，圩區占平原區總面積的50%以上[1]。針對圩區的研究多以防洪排澇為主[2-3]，近些年隨著圩區農業活動的增強，化肥大量使用，圩區已成為面源污染的主要來源[4-5]。面源污染造成太湖流域大面積水體富營養化，進而引發藍藻水華、水體缺氧、魚類死亡等突出水環境問題[6-7]。如，2007年5月太湖藍藻水華事件造成無錫自來水污染，威脅近200萬人的飲用水安全。

農業面源污染造成了嚴重氮流失[8-11]，而N是水體藻類生長的重要元素之一；其中溶解態氮(DN)占TN的比重大，是水體富營養化的重要物質基礎，顆粒態氮(PN)占TN的比重較小。圩區氮污染往往存在明顯的季節變化，與季節性施肥有關，同時不同季節溫度、降雨等氣象要素的差異對氮輸移過程中的理化及生物反應也產生不同程度的影響[12-14]?？梢?，圩區氮污染規律是水環境管理與研究的熱點問題。而目前關于圩區氮污染的研究較少，過去多從流域尺度分析水質特征，而平原圩區的氮輸移過程因受自然條件和人工控制水文過程的雙重影響，準確解析氮污染變化規律十分困難，有待進一步深入研究。本研究選擇太湖流域典型圩區，基于歷史監測的氣象與水質數據，分析平原圩區氮污染的季節變化及關鍵影響因子，有望為平原圩區氮污染防控提供理論基礎。

1 研究區域與數據

1.1 研究區域的典型性

本研究選擇的典型圩區為尖圩(31°29′2″～31°29′13″N，119°25′17″～119° 25′37″E)，位于常州市溧陽西北處約9 km處，面積1.06×105m2，見圖1。圩區海拔較低，地勢平坦，田地成塊，主要土地利用類型為水田(50.1%)、旱地(21.7%)、建設用地(19.2%)、水域(坑塘與溝渠，9.0%)；圩內溝渠呈網狀分布，是農田與建設用地的排水通道，且水力梯度低；圩區四周均為河道，強降雨期間，圩外河道水位通常高于圩內水位，圩內水體通過圩區北部的排澇泵站排出；圩內有一自然村(尖圩村)，人口約為100人，無工業污染源。尖圩的上述地形、水文與土地利用特征與太湖流域其他平原河網區極其相似，具有代表性[15]。

圖1 尖圩及其土地利用

1.2 監測數據

本研究包括2014—2017年的氣象與水質監測數據。其中氣象數據為來自國家氣象中心溧陽站(編號：58345)的逐日數據，包括8項氣象指標：日平均風速、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日照時數、日降水量、日平均氣壓。水質監測采樣點為圩區內的坑塘，采樣頻率為1月2次；依據國家標準GB11894-89，采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定TN濃度，用0.45 μm微孔濾膜過濾后測定DN，PN為TN與DN質量濃度之差。

2 結果與分析

2.1 圩區氮污染的季節變化

根據太湖流域的降水規律，將每年分為3個時段：豐水期(6—9月)、平水期(4—5月、10—11月)、枯水期(12月、1—3月)[16-18]，分析結果(表1)表明：2014—2017年期間，氮濃度變化大致呈現出枯水期>豐水期>平水期的規律，TN的最高值為8.871 mg/L，最低值為1.232 mg/L?？菟诘獫舛茸罡?，是由于降水量較少，導致池塘水位下降，再加上枯水期正值冬小麥的播種與施肥，化肥與農藥的使用促使池塘氮濃度升高。PN占TN在枯水期中的比例最小，最小為2017年枯水期的比例5.24%，這是由于枯水期降水較少，農田等土地利用的顆粒物流失較少。

表1 不同水期太湖流域平原圩區氮濃度變化

圖2為圩區2014—2017年氮濃度的季節變化，其中2014—2015年的氮濃度峰值較高，并在2015年秋季峰值最大，2016—2017年的氮濃峰值逐漸下降，相較2014—2015年氮濃度變化相對平緩，圩區內氮污染得到有效緩解。TN質量濃度在歷年2月、7月和11月相對較高，與調研結果總結一致：11月為小麥或油菜的施肥期，因此氮濃度較高；2月的峰值是由于降水較少，池塘水位下降，導致氮濃度較高，同時2月也是小麥的施肥期。5月小麥剛完成收割，但水稻未種植，因此氮濃度極低；至6月份氮素濃度有所升高，這是因為6月份田地翻整大量施用氮肥作為水稻的基肥，氮肥大量流失導致池塘氮濃度增高；而7月的氮素濃度高于6月，是因為7月水稻拔節期會追施含氮肥料[19]。

圖2 太湖流域平原圩區氮濃度季節變化

2.2 圩區氮污染的影響因子

圩區氮循環主要包括源過程、去除過程和內部轉化過程。源過程包括點源、面源及大氣沉降、固氮等；去除過程包括水體出流、反硝化等；內部轉化過程包括生物吸收和排泄、微生物分解、硝化作用等，其中影響氮濃度占主導作用的是反硝化過程[20-21]。上述過程極其復雜，很多機理過程尚未明晰，因此采用Pearson相關分析方法，分析氣象指標(8個)與氮(DTN、PN、TN以及DTN占TN比例和PN占TN的比例)的相關性分析結果(表2)表明：DN、TN和DN/TN與溫度呈顯著負相關，PN/TN與溫度呈顯著正相關，DN/TN與日平均氣壓呈顯著正相關，PN/TN與日平均氣壓呈顯著負相關(圖3～5)。

表2 圩區水體氮濃度與氣象因子的相關關系(樣本總例數=95)

圖3 圩區不同形態氮與氣溫的相關關系

圖4 圩區不同形態氮占TN比例與氣溫的相關關系

圖5 圩區不同形態氮占TN比例與日平均氣壓的相關關系

結合已有研究成果可知：影響圩區氮循環過程的因素有氧化還原條件、溫度、pH、降水、風力等。其中溫度對反硝化作用速率的提高對N2O的釋放有促進作用，從而促進NH3-N轉化為N2O釋放[22-23]，造成圩區DN濃度下降，而圩區中TN主要由DN組成，所以圩區中TN也與溫度呈負相關關系，而TN中少部分的PN因DN濃度下降，使得PN占TN比例升高，與溫度呈正相關關系。從圖5可知DN占TN比例與日平均氣壓呈正相關，PN占TN比例與日平均氣壓呈負相關，由此可推測：氣壓升高對DN轉化為N2O和N2有抑制作用，降低了水體反硝化速率，DN占TN比例升高。

3 結論與討論

本研究選擇太湖流域典型圩區(尖圩)，基于歷史監測的氣象與水質數據，分析了圩區氮污染的季節變化規律及主要影響因子，得到以下結論：

(1)尖圩水體氮污染季節變化明顯，與農田施肥、降水等要素密切相關。2月、7月和11月的圩區水體氮濃度較高，與農田施肥、降水有關；枯水期氮污染比豐水期和平水期嚴重，與農田施肥、水量少、水生高等植物腐爛等要素有關。

(2)尖圩水體氮污染與氣象因子相關分析結果表明：DN、TN與溫度呈顯著負相關，PN占TN比例與溫度呈顯著正相關，與日平均氣壓呈顯著負相關，DN占TN比例與日平均氣壓呈顯著正相關。其中氣溫影響了水體反硝化、N2O氣體釋放等過程，氣壓影響了N2O氣體釋放等過程。

(3)圩區氮循環過程機理有待進一步解析：本研究初步討論了圩區氮污染的季節變化規律及主要影響因子，但尚缺乏針對氮循環過程的深入研究，有待依托機理過程模型進一步解析氮排放與遷移轉化過程機制，從機理角度揭示氮污染的關鍵源區、主控過程與因子。