淮北平原区沟渠控制排水与不同植被覆盖条件下农田氮磷流失特征分析.pdf

Total No.106Aug.2023/No.4总第 106 期2023 年 8 月/第 4 期江淮水利科技Jianghuai Water Resources Science and Technology张靖雨,夏小林*，赵黎明，张世杰（1.安徽省 水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽合肥230088；2.水利水资源安徽省重点实验室，安徽蚌埠233000）摘要：为综合分析沟渠控制排水与植被覆盖对淮北平原典型农田氮磷流失变化的影响，充分发挥农田沟渠生态服务功能和环境效益。本文以利辛试验区不同沟渠断面的氮磷观测点数据为依据，分析沟渠氮磷养分流失特征规律。研究表明：控制排水期间车辙大沟春店闸下游断面 TN、NO3-N 浓度分别较闸上游减少 24.3%、19.7%，闸上 TP 浓度较闸下虽未显著降低，但随时间变化动态波动表现放缓。控制排水条件下的排水沟渠中 TN 和 NO3-N 浓度变化对植被盖度高低有更显著的响应关系，植被生长状态较植被覆盖度对 TP 流失有更好的吸收拦蓄作用。因此，通过在淮北平原大沟采取控制排水措施能够有效减少农田氮素向下游流失，并能促进植物对氮、磷的吸收拦蓄作用。关键词：控制排水；植被覆盖；农业面源污染；氮磷流失中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1673-4688（2023）04-0001-06基金项目：安徽省自然科学基金项目联合基金(2208085US10，2208085US21)；安徽省 水利部淮河水利委员会水利科学研究院青年创新计划项目(KY202102，KY202002)作者简介：张靖雨（1988），男，硕士，工程师，主要从事水污染处理、水生态修复方面研究工作。E-mail:收稿日期：2023-04-28*通讯作者（E-mail:）淮北平原区沟渠控制排水与不同植被覆盖条件下农田氮磷流失特征分析Analysis?of?nitrogen?and?phosphorus?loss?characteristics?of?farmland?under?ditch?controlled?drainage?and?different?vegetation?coverage?conditions?in?Huaibei?PlainZHANG Jingyu,XIA Xiaolin,ZHAO Liming,ZHANG Shijie（1.Anhui and Huaihe River Institute of Hydraulic Research,Hefei 230088,China;2.Key Laboratory of Water Conservancy and Water Resources of Anhui Province,Bengbu 233000,China）Abstract:?To comprehensively analyze the impact of the coupling effect of controlled drainage in ditchesand vegetative cover on the changes in nitrogen and phosphorus loss in typical farmland in the HuaiheRiver Plain,and fully leverage the ecological service functions and environmental benefits of farmlandditches and channels.Based on the nitrogen and phosphorus observation data from different sections ofditches in the Lixin experimental area,this study analyzed the characteristics and patterns of nitro-gen and phosphorus nutrient loss in the ditches.The results showed that the concentrations of TN andNO3-N in the downstream of the Chundian gate in Chezhe ditch were 24.3%and 19.7%lower than those inthe upstream of the gate during the controlled drainage period.Although the TP concentration on thegate was not significantly lower than that under the gate,the dynamic fluctuation with time was re-duced.The changes of TN and NO3-N concentrations in the drainage ditches under controlled drainageconditions had a more significant response to the vegetation coverage,and the vegetation growth statehad a better absorption and retention effect on TP loss than vegetation coverage.By taking drainagecontrol measures in Huaibei Plain,it can effectively reduce the loss of nitrogen from farmland toDOI:10.20011/ki.JHWR.202304001图 1研究区域沟渠水系分布及取样点位布置示意图Fig.?1?Schematic?map?of?the?distribution?of?the?canal?water?system?and?sampling?point?layout?in?the?study?areadownstream,and promote the absorption and storage of nitrogen and phosphorus by plants.Key?words:?control drainage;vegetation cover;agricultural non-point source pollution;nitrogen andphosphorus loss0引言随着我国农业灌排面积不断增加，农业面源污染的恶化趋势并未得到根本转变。氮、磷作为作物生长重要营养元素,其过度流失极易造成地表水的富营养化和地下水的硝酸盐含量超标，危害水、土生态环境，其迁移转化规律和形成机理是模拟、评价、监测、治理的理论基础1。排水沟渠是农田灌排单元的重要组成部分2，传统农田排水在起到防御涝渍灾害的同时也是面源污染物的最初汇集地和向下游水体迁移的重要通道，对下游水环境有着重要影响3。淮北平原地区坡度小，没有大的蓄水载体，容易形成地表径流过分流失、地下水过度排泄，进而造成天然植被缺水衰亡、水土流失，生态环境恶化加剧。控制排水能够有效拦蓄当地降雨径流、提高水资源分配效率、减轻不必要的养分流失4，是农业可持续发展的重要措施5。已有研究表明，控制排水能够减少约 16.2%的灌溉用水量和 38.9%的排水总量，削减稻田排水中约 14.2%，73.2%和 61.6%的 NH4+-N，NO3-N 和 TP6。窦旭等7研究认为控制排水处理提高了养分吸收量，最适宜的方式为生育期控制排水深度 40 cm。排水沟渠同时也是一种特殊的湿地生态系统，其内部环境条件能够使植物维持较好生物稳定性8，对径流氮、磷流失也起到拦截作用。生态措施较好的排水沟渠对氮、磷的去除率通常可以达到 35%75%9-10。植物是沟渠系统的重要组成因子，能够增加生态沟渠内保水能力以及为生物膜的扩展提供发育空间，从而产生更高的净化效果11。不同构造、不同生态条件等因素会造成污染物去除效果的差异12。目前国内学者对控制排水、植被覆盖等单一因素的影响都已有深入研究，但关于两者结合的综合分析还较少。通过长期实地观测，笔者系统研究控制排水与不同植被覆盖条件下农田氮磷流失规律，探析减污机理，寻求因地制宜的排水沟渠配置模式，期望提高灌溉水有效利用、农田养分流失拦截效率，研究对大沟蓄排水工程的推广开展、控制改善农业非点源污染问题具有十分重要的意义。1研究区域概况以淮北平原旱涝交替农区为研究区域，位于亳州市利辛县北侧，西至西红丝沟，南至阜蒙河，东至驻马沟，北至江集镇，总面积 25 km2，耕地面积 0.167 万hm2。区域内大沟、中沟、小沟、毛沟等农田排水沟渠构成完善，其中车辙大沟、驻马大沟均由北向南汇入阜蒙新河，沟深 3.04.5 m，上口宽 2030 m，底宽 5 m左右，相邻大沟间距 1.52.5 km；刘寨子中沟、杨庄中沟、高庄中沟均自东向西与车辙沟和驻马沟连通，沟长均在 1500 m 左右，宽 46 m，沟深 1.21.8 m；田间排水小沟共 4 条，总长 1850 m。各大沟下游均建有节制闸作为控制工程，相邻大沟间距 1.01.5 km。研究区域沟渠分布及取样点位布置见图 1。1.1取样点位布设分别在车辙大沟上、中、下游设置 3 个取样点位（记作 P1-P3），驻马大沟设置 1 个取样点位（P5），并同步在车辙沟下游春店闸下设置取样点位（P4），一方面观测分析在大沟污染物浓度的沿程变化，另一方面考察大沟蓄排水控制措施对沟渠污染物削减江淮水利科技2023 年2表 1区域内中沟植被覆盖情况Table?1?The?vegetation?coverage?of?the?middle?ditch?inthe?region点位植被平均高度/m平均冠幅/m水生植物覆盖度/%水生植物覆盖状况SNEW杨庄中沟中游 R40.550.290.3183.6极高密度下游 R50.370.210.2558.4高密度高庄中沟上游 R60.690.270.2674.6高密度中游 R70.700.330.3153.6高密度下游 R80.710.350.3535.0中密度变化的影响情况；在中沟的上、中、下游分别设置取样点位，其中刘寨子中沟 3 个（R1-R3）、高庄中沟 3个（R6-R8）、杨庄中沟 2 个（R4、R5），主要用于对比分析不同植被覆盖条件沟渠氮磷养分流失的沿程变化情况。1.2农沟植被覆盖情况调查监测结果显示，研究区域内高庄中沟、杨庄中沟陆生植物共有 31 目 50 科 124 种，陆生植物中仅有 1 个种 27 科，占该区域陆生植物科的比例高达54%，排水沟及周边陆生植物中单种的科比例很高。各点位植被多以草灌本为主，乔木层多为人工栽种行道树，中沟水生植物共有 9 目 10 科 10 种，其中挺水植物共有 6 种，占该区域水生植物比例高达 60%。杨庄中沟中游 R4 断面处水生植物的覆盖度极高，占比达到 83.6%；高庄中沟下游 R8 断面处水生植物覆盖度最低，占比仅 35.0%，为中密度覆盖，各断面处水生植物的覆盖度从大到小排序依次为 R4R6R5R7R8，区域内中沟各断面处植被覆盖情况见表 1。1.3样品采集与分析2021 年 7 月 15 日8 月 20 日期间每 3 天进行1 次沟渠水样的采集测定，共 12 次 192 组。全部采集完成后将水样带回实验室，放入冰箱冷冻保存，2 天内完成化学指标分析。所采水样分两部分完成测试，一部分不过滤用全自动化学分析仪（Smartchem_200）测试总氮（TN）-过硫酸钾分光光度法、总磷（TP）-过硫酸钾氧化-钼蓝比色法，另一部分经0.45 m 的滤纸过滤测氨态氮（NH4+-N）-纳氏试剂比色法、硝态氮（NO3-N）-紫外分光光度法和可溶性磷酸盐（SRP）-钼锑抗分光光度法。具体测试方法参照 水和废水监测分析方法。2结果与分析2.1控制排水对沟渠氮磷流失的影响车辙沟下游春店闸上（P3）、闸下（P4）以及驻马沟（P5）3 处断面的氮磷养分流失随时间变化情况见图 2。观测期间内，P3-P5 断面的 TN、NH4+-N 和 NO3-N浓度的变化趋势有较好的相似性。TN、NO3-N 平均浓度分别从观测初期（7 月 15 日）的 7.90，7.06 mg/L显著下降至末期（8 月 20 日）的 2.23，0.69 mg/L，平均降幅达到 71.3%，90.2%；各断面 NH4+-N 浓度呈波动变化特点，且总体保持在较低水平（优于地表水 III类水质标准）：与水流扰动排水沟土壤使得土壤颗粒吸附的 NH4+-N 不断释放至水体有关13。对比来看，7月 21 日至观测末期，车辙沟闸下游断面 TN、NO3-N浓度均低于闸上游，平均降幅在 24.3%，19.7%，NH4+-N浓度并无明显差异。一方面说明大沟控制排水能够有效减少农田氮素向下游的流失，硝态氮是氮素中的主要拦截形态；另一方面说明控制排水对 NH4+-N的影响不显著，原因在于氨氮形态不稳定，夏季水体中往往存在着快速的 NH4+循环过程14。此外，各形态氮素浓度在多数时间内都低于车辙沟闸下游，说明除控制排水外，区域内仍然存在其他影响沟渠氮素流失的关键因子。a）TN0.0 4.0 8.0 12.0 7/157/177/197/217/257/307/318/58/78/108/148/20/(m g(m g LL-1-1)日期P3P4P5IV类（b）NH-N+40.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 7/157/177/197/217/257/307/318/58/78/108/148/20/(m g L-1)日期P3P4P5II类III类（张靖雨，夏小林，赵黎明，等淮北平原区沟渠控制排水与不同植被覆盖条件下农田氮磷流失特征分析第 4 期3图 2控制排水条件下沟渠氮磷养分随时间变化特征Fig.?2?Variation?characteristics?of?nitrogen?and?phosphorusin?ditches?with?time?under?different?controlled?drain-age?conditionsc）NO-N-30.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 7/157/177/197/217/257/307/318/58/78/108/148/20/(m g L-1)日期P3P4P5（d）TP0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 7/1 57/1 77/1 97/217/257/307/318/58/78/1 08/1 48/20/(m g/(m g LL-1-1)日期P3P4P5III类IV类（注：“*”和“*”分别为 0.05 及 0.01 水平上的显著性差异。表 2沟渠地表水水环境与氮磷相关性分析Table?2?Correlation?analysis?of?surface?water?environment?and?nitrogen?and?phosphorus?in?ditches项目pH水温TNNO2-NNH4+-NNO3-NTPSRPpH1-0.615-0.781*-0.639-0.654*-0.655*-0.853*-0.860*水温10.4430.3770.735*0.2680.674*0.747*TN10.788*0.4900.937*0.722*0.612NO2-N10.2590.839*0.4740.514NH4+-N10.3320.703*0.588NO3-N10.670*0.547TP10.918*SRP13 处大沟断面 TP 浓度在 7 月都较为接近，基本规律是 P3P4P5；8 月车辙沟闸下 P4 断面 TP 陡涨陡落，峰谷变化剧烈，波动范围在 0.220.51mg/L 之间：而控制排水条件下 2 处闸上断面 TP 均呈现上升后缓慢降低过程，浓度范围在 0.170.34mg/L 之间。从 TP 拦截贡献效果来看，控制排水措施未能有效降低上游磷污染向下游的流失，但相比大沟下游未有拦蓄措施的河段，上游控制排水后 TP 变化稳定性显著增加。除在施肥后期受降雨和灌溉等多重因素影响外，土壤中的颗粒态磷易被降雨击溅发生解吸，导致 TP 浓度在短时间内频繁出现先上升、后下降的波动状态6。3 处断面氮磷养分与相关环境因子的相关性分析结果如表 2 所示，pH 分别与 TN 和 NO3-N 在 0.01水平上呈极显著负相关，与 NH4+-N 和 NO2-N 在 0.05水平上呈显著负相关，说明控制排水条件下的大沟地表水 pH 值的变化与三氮的含量大小有一定的联系。水温与 NH4+-N 在 0.05 水平上呈显著正相关，与TN、NO3-N 和 NO2-N 的相关性不显著。TN、NO3-N 和NO2-N 之间均在 0.01 水平上呈极显著正相关，NH4+-N与 TN、NO3-N 和 NO2-N 的相关性不显著，溶解性氮中NO3-N 是大沟氮素流失的主要形态。TP 与 SRP 均与 pH 在 0.01 水平上呈极显著负相关，水温均与 TP、SRP 在 0.05 水平上呈显著正相关，pH、温度变化都对大沟中总磷及可溶性磷含量变化有较大影响。TP 和 SRP 在 0.01 水平上呈极显著正相关，r 值达到 0.9180.700。同时 TP 与 TN，NH4+-N，NO3-N 在 0.05 水平上呈显著正相关，而 SRP 与三者间的相关性较弱。2.2不同植被覆盖沟渠的氮磷变化特征控制排水条件下，选取植被覆盖差异显著的 5处中沟断面作为表征断面，分析其氮磷养分流失变化情况，如图 3 所示。各中沟水体中 TN，NO3-N 呈现剧烈波动下降特点，变化过程受降雨冲刷影响显著；NH4+-N 仅在 7 月 19 日中雨事件后快速升高至平均1.00 mg/L，随后又在 7 月 25 日迅速回落至平均0.25 mg/L，之后一直稳定在 0.020.39 mg/L 之间，优于 II 类地表水质标准。对比来看，5 处中沟断面 TN，NO3-N 平均浓度从大到小依次是 R8（TN 5.58 mg/L、NO3-N 4.81 mg/L）R7（TN 3.93 mg/L、NO3-N 3.14 mg/L）R5（TN 3.88江淮水利科技2023 年4图 3不同中沟断面氮磷养分随时间变化特征Fig.?3?The?variation?characteristics?of?nitrogen?and?phos-?phorus?with?time?in?different?middle?ditch?sectionsa a）TN0.0 4.0 8.0 12.0 7/157/177/197/217/257/3 07/3 18/58/78/108/148/20/(m g L-1)日期R4R5R6R7R8IV类（b）NH-N+4（0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 7/157/177/197/217/257/3 07/3 18/58/78/108/148/20/(m g L-1)日期R4R5R6R7R8III类I类II类c）NO-N-3（0.0 4.0 8.0 12.0 7/157/177/197/217/257/307/318/58/78/108/148/20/(m g L-1)日期R4R5R6R7R8d）TP（0.0 0.4 0.8 1.2 7/157/177/197/217/257/3 07/3 18/58/78/108/148/20/(m g L-1)日期R4R5R6R7R8III类IV类mg/L、NO3-N 3.08 mg/L）R6（TN 3.74 mg/L、NO3-N2.96 mg/L）R4（TN 3.50 mg/L、NO3-N 2.81 mg/L），这与沟渠及岸坡植被覆盖度的大小顺序相反。另外，植被覆盖度较低的沟段，受降雨冲刷后水体中 TN，NO3-N 浓度变化更剧烈。NH4+-N 平均浓度从大到小依次是 R5（0.44 mg/L）R6（0.36 mg/L）R8（0.33mg/L）R4（0.30 mg/L）R7（0.27 mg/L），原因与不同植物根系、所在土壤及周围微生物群落对 NH4+-N的硝化、反硝化利用、吸附作用有关。不同排水沟渠中 TN 和 NO3-N 浓度变化对植被盖度高低有更显著的响应关系，而 NH4+-N 受降雨冲刷、土壤颗粒运动等多重因素共同作用，受植被影响变化不明显。不同断面处 TP 总体平均浓度在 0.290.93mg/L 之间，其中 R8、R4 断面 TP 浓度相近，R6 最低。各中沟 TP 浓度在前期强降雨冲刷后呈显著降低趋势，并在 7 月 25 日后逐渐表现出显著差异，从大到小依次为 R5R4R8R7R6。R5 断面处 8 月平均TP 浓度较 7 月强降雨前后减少 58.5%，R8 断面减少了 81.6%。高庄中沟下游虽然植被覆盖率最低，但其植被生长高度、平均冠幅均为 5 个断面最高，说明植被生长越高、冠幅越大，对排水沟渠中的 TP 流失有较好的吸收拦蓄作用。3讨论作为农田氮磷流失的“汇”和下游河道污染的“源”，即使在地势平坦、土壤侵蚀较小的淮北平原地区，降雨冲刷引起的氮磷流失仍是农业面源污染的主要因素之一。控制排水措施通过抬高水位，减缓径流流速，从而削弱了氮磷流失运动的主要路径。研究结果与多位学者结论15-17一致，说明在淮北平原农田旱涝交互作用区域应用大沟蓄排水措施是可行的。地表径流中氮浓度变化与时间具有良好的相关关系，TN、NO3-N 浓度都在降雨冲刷后随着历时增加迅速降低。因此合理安排控制排水时间，可以有效减缓氮磷的过度流失。此外，沟渠内水位增加，也一定程度地减缓因雨滴击溅引发的土壤颗粒运动的发生，从而大大降低氮磷的排放浓度。控制排水条件下，农田渠系中的植被生长、植被覆盖与其水质状况呈现出复杂的相关性。沟渠系统依靠植物茎秆对养分的吸收、根区形成的浓度梯度和微生物环境等作用，促进氮磷在水土界面的交互反应，进而加速氮磷等的吸附与迁移运动17-18。结合控制排水措施，通过减缓排水径流流速、延长水力停留时间，能有效促进沟渠中植物对 TN、TP 的吸收吸附作用，且观测时段内水生、陆生植物正处于生长旺张靖雨，夏小林，赵黎明，等淮北平原区沟渠控制排水与不同植被覆盖条件下农田氮磷流失特征分析第 4 期5盛期，氮磷污染物的去除效果更显著。4结论1）大沟控制排水能够有效减少农田氮素向下游的流失，硝态氮是氮素中的主要拦截形态。控制排水措施未能有效降低上游磷污染向下游的流失，但相比大沟下游未有拦蓄措施的河段，上游控制排水后TP 变化稳定性显著增加。2）控制排水条件下的农田中沟，径流中 TN 和NO3-N 的浓度变化对植被盖度高低有更显著的响应关系，植被生长越高、冠幅越大，对排水沟渠中的 TP去除越好。通过控制排水措施，可以进一步促进沟渠中植被对农田排水中氮、磷等养分的拦截效果。参考文献:1 殷国玺，张展羽，郭相平，等.减少氮流失的田间地表控制排水措施研究J.水利学报，2006（8）：926-931.2 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2控制排水条件下沟渠氮磷养分随时间变化特征Fig.?2?Variation?characteristics?of?nitrogen?and?phosphorusin?ditches?with?time?under?different?controlled?drain-age?conditionsc）NO-N-30.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 7/157/177/197/217/257/307/318/58/78/108/148/20/(m g L-1)日期P3P4P5（d）TP0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 7/1 57/1 77/1 97/217/257/307/318/58/78/1 08/1 48/20/(m g/(m g LL-1-1)日期P3P4P5III类IV类（图 3不同中沟断面氮磷养分随时间变化特征Fig.?3?The?variation?characteristics?of?nitrogen?and?phos-?phorus?with?time?in?different?middle?ditch?sectionsa a）TN0.0 4.0 8.0 12.0 7/157/177/197/217/257/3 07/3 18/58/78/108/148/20/(m g L-1)日期R4R5R6R7R8IV类（b）NH-N+4（0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 7/157/177/197/217/257/3 07/3 18/58/78/108/148/20/(m g L-1)日期R4R5R6R7R8III类I类II类c）NO-N-3（0.0 4.0 8.0 12.0 7/157/177/197/217/257/307/318/58/78/108/148/20/(m g L-1)日期R4R5R6R7R8d）TP（0.0 0.4 0.8 1.2 7/157/177/197/217/257/3 07/3 18/58/78/108/148/20/(m g L-1)日期R4R5R6R7R8III类IV类江淮水利科技后插 12023 年DOI:10.20011/ki.JHWR.202304001一文彩色插图