农田排水对承泄区水质的影响

农田排水对承泄区水质的影响

0盐碱地农田排水根据国内外的大量研究，农业面源污染是导致水生环境恶化的重要因素之一。农药、化肥的施用会导致下游河流污染。水稻田施肥后,稻田水中氮素浓度下降均较快,特别是过高氮肥的施用,非但不能提高作物产量,反而造成肥料利用效率降低,损失量增大,还会使地下水受到污染,引起河流和湖泊的富营养化。近些年,盐碱地农田排水带来的污染在国外已引起关注。海岸盐碱地水稻田通过浅表层排水会导致铵的流失。盐碱排水对下游水资源影响的副作用可以通过对其排水进行沥滤而得到缓解。目前,虽然国内外对于农田排水污染普遍重视,但国内多集中在化肥和农药带来的面源污染,国外虽已有多人研究盐碱地农田排水的影响,Samia等研究了农田排水对土壤化学特性的影响;Robinson等研究了盐碱地排水用以灌溉牧草会带来生物累积效应和富营养化作用,但其排水均为垂直淋洗,而我国盐碱地的排水特点均为水平排放,目前关于盐碱地农田排水水平排放对承泄区影响的研究尚不多见。而面对国家需求,吉林省三大灌区的建立,势必造成大量的盐碱地农田排水。查干湖地处松嫩平原腹地,是水利行业管辖的第一个国家级自然保护区,作为其灌区的主要承泄区之一,有必要开展盐碱地农田排水对承泄区生态环境影响的研究。本文根据吉林省松原市前郭灌区2009-2010年野外监测数据室内实验分析,研究盐碱地农田排水对查干湖承泄区水质的影响,实现由盐碱地农田排水带来的查干湖的水质风险评价,为查干湖承泄区的生态环境预警提供理论基础,并为盐碱地灌溉农业可持续发展提供科技支撑。1材料和方法1.1降水与蒸发量吉林省松原市前郭灌区位于东经123°38′-125°18′,北纬44°18′-45°28′,西与长岭、乾安毗邻,北与大安市接壤。灌区属半干旱半湿润温带大陆性季风气候,全年平均日照2906h,太阳辐射年总量为517.5kJ/cm2,光照资源充沛。年平均气温为5.0℃,年平均最低气温为-30.9℃,年最高气温为33.9℃,无霜期142d。主导风向为西北偏北,冬季为西北风,年平均风速4.0m/s,最大风速可达18.7m/s。多年平均降水量451mm,多集中在6-8月份。年平均自由水面蒸发量为1206mm,是降水量的3倍左右,干燥度为1.8,平均风速为3.4~4.4m/s,其中4-5月间风多、风大、平均风速4.4~6.1m/s。查干湖是吉林省自然保护区,位于吉林省前郭县西北部。总水域面积约420km2,蓄水量7×108m3,平均水深2.5m,最深达6m。湖区南北长37km,东西宽17km,湖岸线蜿蜒曲折,总长达128km。多年平均降水量为450.8mm,多年平均蒸发量为1063.50mm,蒸发量是降水量的2.5倍左右。查干湖四周环境优美,景色秀丽,风光迷人,是吉林省著名的渔业生产基地、芦苇生产基地和天然旅游胜地。1.2盐碱地田间水质采样点布置目前,前郭灌区的农田排水通过引松干渠排入新庙泡,最后进入查干湖承泄区。盐碱地水田排水监测小区选在吉林省松原市前郭县蒙古艾里乡门德村,小区面积5hm2,用于监测盐碱地水田田间水质变化。试验于2009-2010年每年的5-9月每月中旬对采样点取水样一次,每个采样点取3个重复。为了便于分析农田排水对承泄区的水质影响,按照灌溉水(来自引松干渠)从流入盐碱农田至最终排入承泄区的流动顺序,布置了6个采样点,其中灌溉水、田面水和田间出水布置在门德村试验小区,如表1所示。采样点的空间布局图见图1。1.3主要阴离子及主要阴离子的含量水样测定指标包括pH值、EC(电导率,electricconductivity,简写为EC)、主要阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)、主要阴离子(HCO3–、CO32–、Cl–、SO42–)、SAR(钠吸附比,sodiumadsorptionratio,简写为SAR)、总碱度以及排水的总氮(totalnitrogen,简写为TN)、总磷(totalphosphorus,简写为TP)和承泄区的COD(化学需氧量,又称化学耗氧量,chemicaloxygendemand,简称COD)含量。其测定方法如表2所示。2碱度和污染物的分析方法由于盐碱化程度主要取决于pH值、EC、SAR和总碱度,因此在进行水质分析时,着重分析这5个指标。污染物从总氮、总磷和COD指标来分析。忽略年际变化,将2009-2010年相应采样点的数据取均值后进行分析。2.1ph值和ec值查干湖灌排系统至承泄区pH值、EC变化如图2、图3所示。本研究计算得出查干湖水体目前pH值平均在7.87,低于多年平均值8.71。从图中可以看出,从空间来看,田面水的pH值和EC值最高,分别达8.91和1.36dS/m。随后的采样点,pH值和EC值均下降,这可能上游排水量较大所致。在查干湖,EC值又有所升高,这是由于查干湖为最终承泄区,因此盐分有所累积所致。从时间来看,5月份的pH值和EC较高一些,因为此时是各水田洗盐期。7月份pH值和EC均较低,由于今年此时雨水量较大,对盐碱成分的稀释所致。8、9月份干旱,盐碱含量又有所升高。2.2月份承泄区的出现查干湖水田灌排系统至承泄区相关排水SAR、总碱度的变化如图4、图5所示。SAR最大值(3.59(mmolc/L)1/2)出现在5月份的承泄区,这是由于5月份上游水田洗盐,至承泄区盐分累积所致。总碱度最高值(5.76mmolc/L)出现在9月份的排干和新庙泡采样点,这是由于9月份,上游各水田排水汇集至此所致。2.3近12年平均压力查干湖水田灌排系统至承泄区相关排水总氮含量如图6所示。目前查干湖水体总氮年均含量(1.22mg/L)低于近12年平均值1.56mg/L。从时间来看,6月份各断面总氮量均最高,这是由于水田在6月份施肥。从空间来看,田面水总氮含量最高(6月份时达到2.61mg/L),此后的采样点总氮含量下降,但在承泄区,总氮含量又有所升高,表明上游对承泄区有氮输入;查干湖采样点,总氮含量均高于灌溉水,说明承泄区有氮累积。2.4总磷和cod查干湖水田灌排系统至承泄区相关排水总氮含量如图7所示。整体来看,9月份的总磷含量较高,5月份总磷含量最低。在承泄区,6月份总磷含量最高(0.28mg/L),这是由于上游水田的施肥所致,说明承泄区有磷输入。在9月份水田排水结束后,承泄区的总磷含量为0.14mg/L,比6、7、8月份均降低,说明降水对承泄区的总磷含量起到了一定的稀释作用。2010年总磷平均含量(0.20mg/L)虽远低于1998年的1.05mg/L,但较2009年(0.08mg/L)增加了1.5倍,磷可能成为查干湖承泄区水体富营养化的主要影响因素,这与前人的研究结果相吻合。从表3中可以看出,查干湖COD值从5月份至9月份,在12.09~39.17间变化。其中6月份时,COD含量最高(39.17mg/L)。COD是有机物相对含量的综合指标之一,微生物分解水中的有机化合物时需要消耗氧,有机物含量过高将造成水中溶解氧缺乏,同时,有机物又通过水中厌氧菌的分解引起腐败现象,产生甲烷、硫化氢、硫醇和氨等恶臭气体,使水体变质发臭。总之,COD值越大,说明水体受有机物的污染越严重。3查干湖承泄区盐碱指标综合评价将查干湖承泄区2009-2010年各月调查分析数据取均值后(表4)进行评价。由于查干湖主要发展旅游业和渔业,因此根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)和《渔业水质标准》(GB11607-89)(表5)对其水质进行评价。将2009年和2010年各指标数据取均值后进行水质评价。利用单项因子生态风险评价模型(见式1)对查干湖承泄区盐碱指标进行评价。其中,Q为风险表征系数或商值;EEC为野外有害物质暴露浓度;TOX为有害物质毒性参数,或造成危害的临界值。根据查干湖水质现状(表4),计算得出主要风险因子风险商值(表5),可以看到,pH值、总氮和总磷的风险商值均小于1,COD的风险商值超过标准0.1倍,COD是水中有机物含量的间接表征,说明查干湖水质已受到轻度的污染。该结论与前人的研究结果一致。为了进一步评价其水质,将总氮、总磷和COD作为富营养化指标,对查干湖承泄区每个月的水质进行富营养化评价,评价方法和标准依照全国水资源综合规划有关技术细则进行。评价方法采用评分法,具体做法为:(1)查表将单项参数浓度值转化为评分,监测值处于表列值两者中间者采用相邻点内插法处理;(2)几个参评项目评分值求取均值;(3)用求得的均值再查表得富营养化指数。具体评价标准见表5。在水稻生长季,根据查干湖各月份总氮、总磷和COD的含量,依据表6分别计算出其评分平均值如表7所示。查干湖水质在6、7、8月份属于IV类水质,根据地表水环境质量标准,查干湖作为渔业用水区在这3个月份已存在一定的生态风险。4查干湖水质水质新开垦盐碱地水田田间水盐碱指标均显著高于排干和承泄区,说明未来大面积新垦盐碱地水田排水将对承泄区水质产生显著影响。查干湖承泄区对灌排系统的各水质指标有一定的累积效应。目前查干湖水体的pH值已>7.8,此区域盐碱地的进一步开发将会引起查干湖水质