来源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 发布时间:2024/2/26 11:04:38
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FASE  亮文解读:沟渠和水塘可以是面源污染的源或汇——基于中国丘陵山区菁林溪流域的观测

论文标题:DITCHES AND PONDS CAN BE THE SOURCES OR SINKS OF NON-POINT SOURCE POLLUTION: OBSERVATIONS IN AN UPLAND AREA IN THE JINGLINXI CATCHMENT, CHINA(沟渠和水塘可以是面源污染的源或汇——基于中国丘陵山区菁林溪流域的观测

期刊:Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者:Yiwen WANG, Lei CHEN, Kaihang ZHU, Chenxi GUO, Yu PU, Zhenyao SHEN

发表时间:15 Dec 2023

DOI:10.15302/J-FASE-2023517

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农业面源污染与绿色发展

Non-Point Source Pollution Control and Agricultural Green Development

专 辑 文 章 介 绍

· 第九篇 ·

▎论文ID

Ditches and ponds can be the sources or sinks of non-point source pollution: observations in an upland area in the Jinglinxi catchment, China

沟渠和水塘可以是面源污染的源或汇:基于中国丘陵山区菁林溪流域的观测

发表年份:2023年

第一作者:王怡雯

通讯作者:陈磊

:chenlei1982bnu@bnu.edu.cn

作者单位:北京师范大学环境学院

Cite this article :

Yiwen WANG, Lei CHEN, Kaihang ZHU, Chenxi GUO, Yu PU, Zhenyao SHEN. DITCHES AND PONDS CAN BE THE SOURCES OR SINKS OF NON-POINT SOURCE POLLUTION: OBSERVATIONS IN AN UPLAND AREA IN THE JINGLINXI CATCHMENT, CHINA. Front. Agr. Sci. Eng., 2023, 10(4): 607–626 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2023517

· 文 章 摘 要 ·

作为农业生态系统的重要组成部分,沟渠和水塘有利于灌溉和排水,并拦截面源污染物。然而,大多数关于沟塘系统的研究都是在平原地区进行的。为了在丘陵山区验证这一源汇假设,本研究对中国典型农业流域中的沟塘系统进行了观测。首先,利用高分辨率遥感数据分析了流域内沟渠和水塘的变化。然后,通过田间采样和实验室检测,分析了农业面源污染物氮、磷在沟渠和水塘中的迁移情况。结果表明,近15年来,流域中沟渠的总长度和水塘数量 (< 500 m2) 面积分别增加了32%和75%。沟渠和水塘中养分浓度的变化率大多在–20%至20%之间,表明沟渠和水塘发挥着源和汇的作用。最后,对其影响因素进行了探讨,研究发现在旱季,沟渠和水塘是重要的汇。然而,在雨季丘陵山区中沟渠的快排作用及水塘溢流,使得沟渠和水塘成为污染物的源。

· 文 章 亮 点 ·

1. 论述了菁林溪流域中沟塘系统的源汇状况。在旱季,沟渠和水塘是营养元素的汇。

2. 在过去的15年里,流域中沟渠总长度增加了32%,面积小于500 m2的水塘数量增加了75%。

3. 沟塘系统对营养元素的截留率高达20%。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎研究背景

沟渠和水塘在许多国家和地区很常见。由沟渠和水塘组成的沟塘系统类似于自由地表湿地,将污染源与接收水体连接起来。沟塘系统不但可以减缓水流速度,还可以促进颗粒物的沉淀。同时,沟塘系统通过植物吸收、沉积物吸附和微生物降解等方式减少进入下游水体的氮、磷等养分浓度,进而减少农业面源污染。三峡库区作为中国南方重要的农业区,丘陵面积大,水土流失严重,进一步加剧了农业面源污染问题。在中国,水塘主要分布在东部和南部地区。然而,沟渠和水塘的研究大多是在平原地区进行的,鲜有在丘陵区进行对沟塘系统的野外观测。本研究对山地农业流域进行两年的野外监测和样品分析,探讨了具有代表性的农业流域是否可以利用沟渠和水塘作为防治农业面源污染的生态工程。

▎重点内容解读

2009年,研究区的沟渠总长度约为26 km。而在2019年,沟渠总长度约为35 km。从2009年到2019年,沟渠长度增长31.8%,沟渠密度增加,特别是在流域南部 (图1)。对比2009年,2019年,流域水塘数量和面积显著增加,水塘分布密度从每平方公里14个增加到22个。2009年和2019年水塘数量分别为136个和210个,水塘体积从2.35 × 105 m3增加到3.44 × 105 m3,面积从9.39 ha增加到13.7 ha。水塘总数量增加了54%,且面积小于500 m2的水塘数量增加了75% (图1和表1)。新建水塘主要集中在流域中部农业活动频繁的地区,多为改造后的稻田。

图1 (a) 2009年和 (b) 2019年沟渠和水塘的空间分布 (审图号: GS 京 (2023) 2266 号)。

表1 2009年和2019年水塘分类统计

图2为菁林溪流域中沟渠和水塘对氮和磷的截留情况。基于188组监测数据,农业面源污染物氮、磷在沟渠和水塘中的变化率大多在–20%至20%之间。其中,54.3%的总氮 (TN) 变化率为负值。46.3%的总磷 (TP) 变化率为负值。溶解态磷 (DP) 和颗粒态磷 (PP) 变化率为负值的情况分别占63.3%和58.1%。这表明沟渠和水塘在某些情况下成为面源污染物的源而不是汇。

图2 沟塘系统进出口氮、磷浓度的变化率。

沟塘组合中氮浓度变化如图3所示。旱季土质沟渠氮浓度在0.674–6.83 mg·L–1之间,混凝土沟渠氮浓度在0.428–5.79 mg·L–1之间。土质沟渠和混凝土沟渠入口的平均浓度分别为3.73和2.29 mg·L–1,出口平均浓度分别为2.54和2.46 mg·L–1。在雨季 (图3 (a),(c)),土质沟渠氮浓度在2.64–14.9 mg·L–1之间,混凝土沟渠氮浓度在2.01–10.4 mg·L–1之间。土质沟渠和混凝土沟渠入口的平均浓度分别为6.73和5.57 mg·L–1,出口平均浓度分别为6.03和5.29 mg·L–1

图3 沟塘 (土壤和混凝土沟) 组合场地总氮 (TN) 浓度变化:雨季 (a) 和旱季 (b) 为土壤沟,雨季 (c) 和旱季 (d) 为混凝土沟。

沟塘组合中磷浓度变化如图4所示。旱季,土质沟渠磷浓度在0.115–0.450 mg·L–1之间,混凝土沟渠磷浓度在0.073–0.515 mg·L–1之间。土质沟渠和混凝土沟渠入口的平均浓度分别为0.25和0.26 mg·L–1,出口的平均浓度分别为0.22和0.24 mg·L–1。雨季,土质沟渠磷浓度在0.094–0.635 mg·L–1之间,混凝土沟渠磷浓度在0.130–0.573 mg·L–1之间。土质沟渠和混凝土沟渠入口的平均浓度分别为0.33和0.27 mg·L–1,出口的平均浓度分别为0.26和0.29 mg·L–1。分不同形态的磷来看,在旱季,土质沟渠出口PP浓度低于水塘,而沟渠出口DP浓度略高于水塘DP。土质沟渠和混凝土沟渠入口PP/TP比值分别为0%–76.9%和27.4%–77.4%,平均值分别为47.4%和57.9%。土质沟渠和混凝土沟渠出口PP/TP比值为20.4%–19.0%,平均分别为46.9%和53.2%。从这些平均值可以看出,水体经过沟渠后,PP浓度整体上降低,并且混凝土沟渠的PP截留量高于土质沟渠。在雨季,土质沟渠和和混凝土沟渠进水口的PP/TP范围分别为0%–79.3%和32.3%–76.0%,平均值分别为53.5%和58.0%。土质沟渠和和混凝土沟渠出口PP/TP范围分别为0%–74.8%和45.3%–80.5%,平均值分别为52.4%和62.6%。总体而言,沟塘中DP浓度波动幅度小于PP浓度波动幅度,PP浓度波动幅度较大主要是受到降雨的影响。

图4 沟塘 (土壤和混凝土沟) 组合场地中溶解态磷 (DP) 和颗粒态磷 (PP) 浓度的变化:雨季 (a) 和旱季 (b) 土壤沟,雨季 (c) 和旱季 (d) 混凝土沟。

在本研究中,沟渠和池塘中污染物的变化率并不总是正值。负变化率的主要原因是:(1) 强降雨将沟渠沉积物中的营养物质冲刷到水体中,使出水口的污染物浓度高于进水口;(2) 降雨前施肥导致养分通过径流流失;(3) 连续降雨缩短了径流在沟渠和水塘中的水力停留时间,减少了污染物的沉积和转化。相比之下,平原地区坡度较缓,营养物质在水体中的变化率更容易受到水力停留时间和稻田排水等的影响。通过对比雨季和旱季沟塘中污染物浓度,研究表明,旱季沟渠截留污染物的效果大于雨季。由于研究区处于极端降雨的丘陵山区,在雨季,沟渠的快速排水功能和池塘的蓄水功能尤为重要。在少雨的情况下,沟塘出口磷浓度大多低于水塘磷浓度。在强降雨的情况下,雨水对沟内沉积物的冲刷,以及沟渠两侧土壤的渗流可能导致沟渠出口的污染物浓度高于水塘,从而成为污染物的源。有研究表明,当考虑单次降雨事件时,沟渠和池塘中的养分浓度变化率更有可能为负,这与本研究结果一致。本文研究表明,沟渠本身或与水塘结合都可以拦截径流中的面源污染物氮和磷。在本研究的观测期内,雨季流域干流中氮和磷平均浓度分别为1.94和0.26 mg·L–1。旱季氮和磷平均浓度分别为1.23和0.23 mg·L–1。而沟渠和水塘中氮和磷在雨季分别为5.66和0.275 mg·L–1,在旱季分别2.50和0.255 mg·L–1。与流域干流面源污染物浓度相比,沟渠和水塘中的氮远高于干流,磷浓度差异不大。这表明当径流从密集的沟塘网络汇入干流后,污染物氮的浓度得到了一定的稀释,而对于磷素来说,其环境行为不同于氮素,磷素更容易随泥沙等粒径较小的物质进行迁移。今后可对磷素划分不同粒径,从而更好地了解不同形态的磷在山地流域中的迁移特征与规律。

· 结 论 ·

在旱季,沟渠和水塘更有可能作为汇,可以拦截和减少面源污染物。而在雨季,由于更多的污染物从沉积物中释放到上覆水中,沟渠和水塘成为污染物的来源。虽然沟渠和水塘有时成为污染物的来源,但它们有助于调节流域的水文和水质。在本研究中,通过比较土质沟渠和混凝土沟渠,发现混凝土沟渠在旱季对颗粒态磷拦截效果更好。同时,旱季保留沟渠中的底泥,雨季及时清理底泥可以帮助沟塘系统在雨季有效地由源向汇转化。因此,平衡沟渠和水塘系统的排水和截留功能可以最大限度地发挥其在流域中的生态作用。

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