密云水库石匣小流域不同土地利用类型非点源污染调查分析

密云水库石匣小流域不同土地利用类型非点源污染调查分析

密云水库是北京唯一的天然饮用水。该水域属于中恢复型，但具有富营养化和明显的发展趋势。研究表明,非点源污染已成为影响水库水质的主要污染源,其中农田径流、水土流失等导致的水体污染最为重要且分布最为广泛。笔者利用石匣小流域中22个径流观测小区,通过对径流、泥沙、水质的监测,计算各个类型区的径流量和氮磷营养物的流失量,将小区观测资料推广到整个小流域,进而可以研究该流域非点源污染的流失规律。1年降水量、降水石匣小流域地处北京市北部山区密云水库的东北方向,总面积33km2,属于潮河流域下游,处于密云水库边缘的丘陵地带,地势北高南低,大部分地方海拔高度在150~390m。为暖温带季风气候,年蒸发量1840mm,年平均降水量为661.8mm,受季风气候影响,降雨多集中在夏季,6—8月份降雨占年降雨的76.5%。该区土壤类型为在洪冲积物上发育的淋溶褐土,土层较深厚,质地为沙质土壤,易漏水漏肥。根据1999年TM卫星影像图,解译出小流域6种土地利用方式,其中林地和果园是主要的土地利用方式,两者之和约占流域总面积的80.9%。2关、石棺、石栈、板栗村、小屯村石匣小流域隶属密云县高岭镇,包括白河涧、瑶亭、芹菜岭、东关、石匣、四合村、栗榛寨、小屯8个行政村。根据1999年的统计资料,全流域共有2361户,人口6888人。目前小流域非点源污染主要来自村庄中畜禽粪便污染及农田氮磷流失。2.1畜禽粪尿的排放和排放情况畜禽的粪便一般通过2个途径进入环境:①在饲养过程中直接排入水环境;②在堆放储存过程中因降雨和其他原因进入水体或土壤。畜禽粪尿污染主要表现在村庄中的家庭圈养的动物粪便随径流进入河流沟道以及施用到农田、果园土壤中的粪肥,在雨季到来之前并没有完全分解,大量的粪肥残留物易出现渗漏或流失。近几年小流域的养殖业发展十分迅速。1999年,生猪出栏量达20423头,家禽147500只,羊7073头,牛出栏量600头,肉鸡53550只,其中有2家规模较大养殖场,栗榛寨猪场出栏1000头,四合猪场出栏达3250头,这显示出石匣小流域逐渐成为重要的畜禽养殖基地,畜禽粪尿的氮磷含量都比较高,会对地表水环境造成污染。研究表明,大多数地方的畜禽粪尿的流失率在30%~40%之间。若按流失率为30%计算,整个小流域的粪尿的流失量为氮55.23t,磷为15.3t。2.2化肥、土壤和土肥该区年降雨量少,为典型的旱作农业,人均耕地面积为794m2,2000年单位面积耕地化肥施用量折合纯氮37.9t/km2,折合纯五氧化二磷12.6t/km2。据粗略统计,小流域年化肥的施用量折合纯氮39.57t,折合纯磷8.9t。农田中化肥的施用量长期超过农作物收获携带的养分含量,将导致氮磷在土壤中不断富集,这就增加了氮磷流失的可能性。农业非点源污染的产生主要是降雨冲刷农田地表,引起土壤中氮磷营养物质的流失。该区降雨主要发生在夏季的6—8月,占全年总降雨的75%。每年的6月,小麦收割后,地表的植被覆盖率低,地表裸露,土壤疏松,土地大面积的翻耕,同时大量施用化肥,在雨水的冲刷下,土肥大量流失,这是全年流失最严重的时期。如果按15%的流失率计算,整个小流域的氮磷流失量分别为5.94,1.35t。3氮磷损失规律3.1降雨径流对总氮的影响地表径流中溶解态总氮主要形式有铵盐、硝酸盐、亚硝酸盐、可溶性的有机氮。流域的监测结果表明,不同地表径流中的溶解态氮浓度的差别较大(见图1)。村庄最高,其次是坡耕地、林果地、荒草坡。村庄溶解态氮的最大输出质量浓度达到27.4mg/L。在相同的径流小区,总氮随降雨量的不同也相差很大。这主要与当时的降雨过程有密切的关系。径流中氮和部分硝酸盐氮也能被土壤颗粒所携带。在未降雨或灌溉之前,氮随土壤颗粒的迁移量很少,只有在降雨季节才能发生氮的流失。尽管村庄径流中的总氮流失量比较严重,但由于村庄直接裸露的地表较少,表层坚硬,降雨不易渗透到土壤层中,径流的泥沙含量低,泥沙吸附态氮的流失总量明显地低于其他几种土地利用类型。在芹菜岭村监测了径流过程中氮磷的动态变化,对不同的降雨径流时段进行监测。结果表明:在整个降雨过程中,径流中的总氮浓度表现出下降的趋势,这与COD的变化基本一致(图2)。在降雨初期,随着径流量的增大,径流中总氮的浓度迅速降低,呈线性递减;此后随着降雨径流的减少,总氮的浓度下降速度极其缓慢。这反映出在降雨前存在于土壤有机质中的氮含量较高,吸附在土壤表面的水溶性物质进入地表径流,造成污染物的流失。3.2径流和泥沙中磷的变化情况磷流失浓度变化的监测结果(图3)表明:径流中总磷的质量浓度以村庄最高(2.39mg/L),其次为坡耕地、林果地和荒草坡(0.22mg/L),村庄与荒草坡径流中总磷的浓度相差近10倍。这与村庄中人类活动量大,生活废弃物多,农户饲养的猪、鸡等畜禽产生的粪便管理不善有关。无论是地表径流的溶解态磷还是泥沙携带的吸附态磷,均反映出相同的规律。径流中磷的绝对含量较低,但在整个降雨过程中,径流中磷的浓度逐渐升高(见图4)。这可能是在降雨初期地表累积的溶解态磷逐渐释放到径流中,到降雨后期,存在有机质和矿物质中的磷仍缓慢地补充到径流中。氮磷的变化量与泥沙的携带能力有关。从开始降雨至产流初期,因为泥沙对氮的吸附能力较弱,而对颗粒磷的吸附作用极强,泥沙中的磷含量高于氮的含量。随着降雨量和径流量的增加,土壤颗粒的吸附作用也逐渐加强,泥沙中氮磷的浓度增加很快。随着时间的延续及暴雨对农田土壤不断的侵蚀、冲刷,较大的颗粒泥沙相对增加,以及径流的稀释作用,氮磷含量呈现下降趋势(见图5)。3.3非点源污染发生的主要表现根据美国水土保持局提出的SCS降雨径流模型,计算径流量。这种方法是分析各种土壤和植被条件下的大量降雨而得出的,适用于中小流域。降雨径流公式为:Q=(P−0.2S)2/(P+0.8S)Q=0S=(2540/CN)−25.4P≥0.2SP<0.2SQ=(Ρ-0.2S)2/(Ρ+0.8S)Ρ≥0.2SQ=0Ρ<0.2SS=(2540/CΝ)-25.4式中,Q为径流深,cm;P为降雨量,cm;CN为反映降雨前期流域特征的无量纲综合参数,它与流域前期土壤湿润程度(AMC)、坡度、植被、土壤类型和土地利用状况有关,反映了降雨期间地表的水文状况。2000年,果园、村庄产生的单位面积径流量最大,其次是水文条件较差的旱地,林地和荒草坡产生的径流量最小(见表2)。根据通用土壤流失方程计算出的污染物流失量和监测得到的不同土地利用类型污染物的浓度,并按照各地块的面积进行加权平均,计算单位面积不同土地利用类型污染物的平均流失量(见表3)。从表3可以看出,不同土地利用类型的泥沙流失量表现出如下顺序:坡耕地>荒草坡>果园>水浇地>林地。坡耕地的污染物流失量远远超过其他几种土地利用类型。在荒坡开垦种植过程中,破坏原有的植被覆盖,降低了地表覆盖率,而且未采取水土保持措施,从而导致发生严重的非点源污染物的流失。荒草坡的坡度较大,植被覆盖率相对较低,是仅次于坡耕地的另一个重点流失区。尽管林地的坡度较大,但林地的植被覆盖率高,污染物的流失量并不严重,可见植被覆盖状况是影响非点源污染发生的重要因素。前期研究表明,开荒及裸地最易产生径流,流失泥沙中氮磷富集,磷主要以泥沙形式被迁移带走,溶解态极少。雨后土壤主要为细颗粒,粒径为0.005~0.001mm及<0.001mm,它们可能是氮磷流失的载体。由于氮磷流失多以细颗粒为载体,应侧重减少细颗粒的流失。4改变土地利用方式径流中总磷的浓度在村庄最高,其次为坡耕地、林果地和荒草坡。村庄径流的溶解态磷浓度为荒草坡径流的10倍。不同地表径流中的溶解态氮浓度的差别较大,村庄最高,其次是荒草坡、林果地。不同土地利用类型的吸附态磷占总磷的比重都在90%以上,与泥沙结合的吸附态磷的浓度远大于溶解态磷的浓度,吸附态磷是磷流失的主要形态。村庄和坡耕地,