王 莉，黄懿梅,丁 瑶，肖 礼，杨 帆

(西北农林科技大学 资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西 杨凌 712100)

秦岭北麓小流域地面水质特征及农业面源污染负荷

王 莉，黄懿梅,丁 瑶，肖 礼，杨 帆

(西北农林科技大学 资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西 杨凌 712100)

【目的】 研究农业面源污染对秦岭北麓河流水质的影响及其面源污染负荷，为更科学有效地治理水环境及促进农业的可持续发展提供参考。【方法】 以陕西周至余家河竹峪乡段流域为监测对象，从上游到下游共布设了8个水质监测点，分析2012-10-2013-10水质基本性质(流量、水温、pH、总悬浮物、溶解氧、电导率)和面源污染指标(总氮(TN)、总磷(TP)和化学需氧量(COD))的变化，并在此基础上，采用排污系数法和等标污染负荷法计算各污染物的等标污染负荷，从而确定出该区域主要农业面源污染来源。【结果】 2012-10-2013-10，余家河流域水体TN质量浓度逐渐降低；TP质量浓度春季较高，其次是秋季和冬季；水体COD质量浓度呈波动性变化，在2013年由春季进入夏季后，总体呈下降趋势。各水质监测指标中，除TN质量浓度严重超标(最高超标9.6倍)外，其他指标均符合地表水Ⅲ～Ⅳ类水质标准。余家河流域农业生产过程中排放到河流中的TN、TP及COD等标污染负荷总量分别为2.167 0×10-6，0.617 0×10-6，0.670 0×10-6m3/年，污染物贡献率依次是TN>COD>TP，主要污染源贡献率依次为生活污水>种植业>畜禽养殖。【结论】 陕西周至余家河流域的农业面源污染属于农业生产和生活的复合污染。

余家河；农业面源污染；水质监测；水质评价；污染负荷

近年来我国农村地表水环境质量普遍很差，已严重影响到农村居民的居住环境，甚至造成了地下水污染[1]，其中，农业面源污染是导致河流、湖泊等水体水质恶化的重要原因，这同时也影响制约着农村经济的快速发展，危害群众身心健康。因此，加强农业面源污染管理对社会主义新农村建设的进程和人类生活环境起着重要作用[2]。农业面源污染是指在农业生产活动中，氮和磷等营养物质、农药以及其他有机或无机污染物质，通过农田的地表径流和农田渗漏形成的环境污染，主要包括化肥污染、农药污染、畜禽粪便污染等[3]。近年来，太湖、滇池等流域的调查结果显示，水体富营养化的主要来源是农田大量化肥的流失，工业废水贡献率不大，仅占10%～16%[4-5]。还有文献报道，我国农药使用量达50万～60万t，其中，近80%的农药经过各种途径进入环境中，而大部分农药最后汇集进入水体中，造成各种水体的污染[6]。自20世纪60年代以来，我国畜禽养殖业始终保持高速发展的势头，使得农村一些村镇的人畜禽粪便产生量大大超出当地农田的承载负荷，成为水体的重要污染源[7]。

随着秦岭生态旅游业的带动，农村经济快速发展，人类活动使秦岭北麓生态环境遭受破环。秦岭北麓水源作为陕西周至西南地区生活用水的主要来源，水源保护重要性显而易见。目前关于秦岭北麓的研究主要集中在生物多样性保护和水土保持研究方面，而关于水质特征和面源污染的相关研究甚少。因此，本试验选取陕西秦岭北麓的小流域——余家河流域作为研究对象，对其水质指标进行监测，同时分析该地区农业面源污染负荷，以期确定农业面源污染对余家河流域水质的影响以及该地区主要的农业污染源，旨在为更科学有效地治理水环境，促进农业的可持续发展提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

余家河位于陕西周至县西南方向，距离西安约80 km，地理坐标为东经107°39′～108°37′，北纬33°42′～34°14′。研究区域人口2.3万人，农用耕地面积1 541 hm2。山区主沟长8 127.51 m，流域面积为4.12 km2，峪口建有余家河水利枢纽工程，可灌溉竹峪大片农田，水环境功能分区为Ⅴ类。研究区南依秦岭，北濒渭水，属暖温带大陆性气候，年均气温13.2 ℃，年降雨量809.5 mm，无霜期225 d。研究区域地貌特征为关中平原盆地，主要以种植业为主，经济作物以猕猴桃为主。

1.2 采样点布设

采用GPS定位，在余家河竹峪乡段流域选择8个具有代表性的采样点(具体位置见图1)，从上游到下游(由南往北)依次为白仙沟、丹阳村1、丹阳村2、丹阳村3、岭梅村1、岭梅村2、岭梅村3、杨家庄。

于2012-10-2013-10进行为期1年的定位采样。每个断面设1个采样点，由于河水较浅，使用有机玻璃采样器采集水体表层50 cm水样，水样置于聚乙烯塑料瓶中，带回实验室静置30 min后立即分析。采样时间定在每次降雨后第2天。2012年采样时间为10-12、10-29、11-18；2013年采样时间为03-13、04-10、05-07、08-29、09-26、10-21，共采集9次。采样点信息见表1。

1.3 监测项目及方法

1.3.1 水质指标及其测定方法 监测指标共有9项，其中基本水质指标6项：流量、水温、总悬浮物(SS)、溶解氧(DO)、电导率(EC)和pH，用于表征水质的基本性状；面源污染指标3项：总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)，用于表征农业面源污染[8]。每个监测点3个重复。

测定方法：水温、pH、DO及EC采用便携式水质分析仪现场测定并记录；SS采用重量法测定；流量采用浮标法测定；总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；总磷采用钼酸铵分光光度法测定；COD采用重铬酸盐法测定[9]。

1.3.2 农业面源污染负荷的估算及评价方法 目前，农业面源污染负荷估算方法包括实测法[10-11]、模型法[12-13]和排污系数法[14-20]，其中排污系数法由于对参数要求低、可操作性强，使用相对简单，在缺乏试验条件的情况下也可以对污染负荷进行估算。因此，本文采用排污系数法估算农业面源污染负荷，通过将研究区域调查结果与污染源污染物产排系数相结合，估算主要面源污染来源及其主要污染物。

根据水样中TN、TP及COD质量浓度的监测数据，结合河流的年径流量，采用排污系数法计算水体中污染物年污染负荷的总量。最后，采用等标污染负荷法[21]对各种污染物进行综合评价。具体计算公式如下：

Pi=Qi/C0i×10-6，

(1)

Ki=Pi/∑Pi×100%。

(2)

式中：Pi为污染物i的等标污染负荷量，m3/年；Qi为污染物i的排放量，t/年；C0i为污染物i基于水环境功能分区的水质控制类别标准值，mg/L；Ki为污染物i的等标污染负荷比。

1.4 数据分析方法

采用Excel 2003对试验数据进行初步处理及作图，采用spss18.0软件S-N-K检验法进行多重比较。

2 结果与讨论

2.1 余家河流域水体基本水质指标的时空变化

余家河流域各监测点水质指标随空间和时间的变化如表2和表3所示。由表2可知，监测期间各水质指标随时间变化具有显著性差异。余家河竹峪乡段平均流量在0.048 4～0.125 0 L/s，河水流量偏小且稳定性不高，极容易受到气候条件影响，降雨量少使得原本流量小的河流更加缺水，旱季采样时出现断流现象。水温随季节的变化而变化，河流平均水温以2013年8月最高，3月最低，最大温差达到11.3 ℃，平均温度13.2 ℃，与当地年平均气温相一致。不同采样时间水体SS质量浓度为10～269 mg/L，9月最高，3月最低，最大相差259 mg/L。余家河监测段水体pH值为6.05～8.72，达到了地表水Ⅰ～Ⅴ标准，2013年3、4、5月水体呈弱酸性，其他时期水体呈弱碱性，这主要是因为随着监测期间季节变化，由冬季到春季，温度升高，水生生物开始繁殖，以厌氧呼吸为主要方式，产生了一定量的酸，导致水体pH降低，在3、4、5月呈弱酸性[22]。水体DO为3.70～9.24 mg/L，含量偏低，平均值为5.90 mg/L，介于地表水环境质量标准(GB 3838-2002)Ⅲ～Ⅳ类水体。一般家用自来水的EC介于125～1 250 μS/cm，纯净水的EC≤10 μS/cm，EC越低，说明水质越纯净；相反，EC越高，说明水中矿物质含量越高。在整个监测期间，余家河水体的EC为360～539 μS/cm，可见河水纯度属于中等。

注：同列数据后标不同小写字母者表示差异显著(P<0.05)。表3同。

Note:Data in each column with different letters show significant difference (P<0.05).The same table 3.

由表3可知，监测期间8个采样点的水质指标随空间变化不大，这主要是由水体的流动性造成的。个别监测点SS的差异性则是由于河流周围环境和采样天气的影响。例如，在监测过程中岭梅村1监测点有施工现象，受其影响SS较其他监测点高；同时SS也会受采样天气影响，下雨天水体受干扰程度大，较晴天采集的高，如9次采样中只有2013年5月是在降雨过程中采样，SS比同年3、4月较高，该指标介于地表水资源环境质量标准(SL 63-1994)Ⅳ～Ⅴ类标准之间。

注：各采样点的名称同表1。

Note:The name of each sampling point is the same as in table 1.

2.2 余家河流域水体面源污染指标的时空变化

2.2.1 总 氮 从图2可以看出，不同采样点河水TN平均质量浓度为7.85～19.13 mg/L。9次水样平均TN质量浓度最高值出现在丹阳村1，最低值出现在白仙沟。丹阳村1采样点位于另一条支流上，其TN质量浓度平均值远远高于其他监测点，这与上游排入的污染物和周围种植的农作物种类有关。流经4个村子余家河水体TN质量浓度表现为岭梅村>杨家庄>丹阳村>白仙沟。根据我国地表水环境质量标准(GB 3838-2002)，各采样点水体中TN质量浓度平均值都严重超标，其中丹阳村1水体超标最为严重，是超Ⅴ类标准的9.6倍，白仙沟采样点水体超标最轻，是超Ⅴ类标准的3.9倍。8个监测点水体TN质量浓度平均值为14.24 mg/L，是超Ⅴ类标准的7.1倍。

从图3可以看出，监测期间余家河水体平均TN质量浓度整体呈逐渐下降趋势，以2012年10月份最高，2013年10月最低，二者相差19.72 mg/L。查阅降雨资料可知，2012-10-2013-05，降雨减少，河流进入枯水期，一定程度上减弱了降雨对土壤氮素的淋洗；2013-06-2013-09，降雨较多，河流进入丰水期，此时降雨对河流的稀释作用大于其对地表的冲刷作用。再结合表2河水流量变化可知，2012年和2013年的10月TN质量浓度相差较大主要是由降雨量差异引起的。

2.2.2 总 磷 从图4可以看出，8个采样点的TP平均质量浓度为0.033 0～0.070 0 mg/L，均符合我国地表水环境质量标准(GB 3838-2002)Ⅰ～Ⅱ类水质要求。监测期间水体平均TP质量浓度最高出现在岭梅村3采样点，最低出现在丹阳村1采样点，二者相差0.04 mg/L。流经4个村子余家河流域水体中TP质量浓度表现为岭梅村>杨家庄>丹阳村>白仙沟。下游水体中TP平均质量浓度总体大于上游水体。

从图5可以看出，监测期间水体中TP的平均质量浓度随采样季节不同而变化，呈先升高后下降的趋势。2013年4月水体中TP质量浓度最高，2012年10月最低。2012年11月和2013年5月水体中TP平均质量浓度属于Ⅰ～Ⅱ类，2013年3、4月水体中TP质量浓度为Ⅱ～Ⅳ类，其他时间水质均属于Ⅰ类，监测期间水体TP质量浓度平均值为 0.064 2 mg/L，介于Ⅰ～Ⅱ类。比较可知，春季水体中TP质量浓度最高，其次是秋季和冬季，这与其他相关研究结果不同。陈永川等[23]对滇池流域水体TP质量浓度进行监测，发现其呈现明显的季节性变化，但总体表现为夏季较高，冬季较低。这可能是因为夏季雨水较多，导致城市污水、农田养分及山地水土流失等外部磷随雨水迁移到滇池中，引起水体TP质量浓度增加。还有资料显示，夏季降雨多，冲刷作用明显，会导致水体中TP质量浓度夏季高，秋冬低[24-25]。本研究区距离城市较远，受城市污水影响可能性不大，同时研究区附近大部分为农田土壤，也不存在磷矿。因此，可以推断研究区水体TP质量浓度春季高，秋冬低的原因与当地农田土壤养分流失有关。据调查，研究区主要种植猕猴桃，每年3-4月份开始栽种，并且施用一定有机肥和磷肥，这时经农业地表径流，汇入流域的TP质量浓度增加。此外，苏国营[26]在猕猴桃施肥技术要点中提到，猕猴桃对磷肥需求量较小，因此，与TN相比而言，这可能是该流域TP负荷偏小的一个原因。

2.2.3 COD 图6显示，余家河不同采样点水体中COD平均质量浓度为11.96～19.10 mg/L，COD的平均质量浓度最高出现在岭梅村1采样点，最低出现在丹阳村2采样点，二者相差8.00 mg/L。流经4个村子余家河水体中COD质量浓度表现为岭梅村>白仙沟>杨家庄>丹阳村。总体而言，白仙沟、丹阳村3以及岭梅村1、2采样点COD质量浓度介于Ⅲ～Ⅳ类，岭梅村3、丹阳村1、2及杨家庄采样点COD质量浓度介于Ⅱ～Ⅲ类。

从图7可以看出，监测期间水体COD质量浓度呈波动性变化，其中水体平均COD质量浓度在2012-10-29达到最高，2013-10-21最低,二者差值达到 25.15 mg/L。监测期间水体COD质量浓度平均值为19.57 mg/L，介于Ⅱ～Ⅲ类。COD质量浓度反映了水体中受还原性物质污染的程度，这些物质包括有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等，但一般水及废水中无机还原性物质的数量相对不大，而被有机物污染是很普遍的。因此，COD可作为表征有机物相对含量高低的一项综合性指标。从整体上看，2013年由春季进入夏季，由于雨水增加，降雨对河流中有机物含量的稀释作用大于其通过地表径流的冲刷作用，所以水体COD质量浓度呈下降趋势。

2.3 余家河流域农业面源污染负荷分析

根据当地实际情况，余家河流域主要污染源有种植业、畜禽养殖业和农村生活污水3种，故本研究对这3种污染源进行分析计算。

2.3.1 种植业污染负荷 研究区域农用耕地面积1 541 hm2，调查显示该地区相对应的氮肥(以纯N计)、磷肥(以P2O5计)的施用总量分别为1 021.78，5.97 t/年，平均施用量分别为 663.06，3.87 kg/hm2。根据表4中数据和王晓凤等[27]的研究以及种植业肥料入河系数0.05计算得知，研究区域TN、TP入河总量(对应公式(1)中Qi)分别为14.02，0.68 kg/年。

注：数据来源于《第一次全国污染源普查肥料流失系数手册》[28]。

Note:Data from the first national pollution census based manual of fertilizer loss coefficients[28].

2.3.2 畜禽养殖业污染负荷 研究区域畜禽养殖情况调查统计结果见表5。从表5可以看出，研究区猪的实际养殖数量仅有20头，没有达到标准，故不考虑其污染负荷。由于肉鸡养殖是农户饲养，根据《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数手册》[29]可知，肉鸡养殖中采用干清粪工艺时，污染物COD、TN、TP的排污系数均为0。所以本研究中畜禽养殖业污染负荷也为0。

2.3.3 农村生活污水污染负荷 研究区域常住人口2.3万人，参照马玉宝[30]对洪湖流域农业面源污染的研究可知，农村生活污水排放系数为150 kg/(人·d)，COD、TN、TP排放系数分别为64，10.3，0.72 g/(人·d)，入河系数为0.05。计算得知，由农村生活污水所产生的COD、TN、TP入河总量(对应公式(1)中Qi)分别为26.86，4.32，0.30 t/年。

2.3.4 农业面源污染评价 根据1.3.2中农业面源污染负荷评价方法，计算余家河竹峪乡段流域农业面源污染负荷，结果如表6所示。从表6可以看出，研究区主要污染物为TN，其等标污染负荷量为2.167 0×10-6m3/年，主要是由农村生活污水引起的，主要污染物贡献率依次是TN>COD>TP。余家河流域主要污染来源为农村生活污水，其等标污染负荷比为99.8%，其次是种植业污染。

注：“-”代表无。

Note:“-” means nothing.

本研究结果显示，陕西省余家河竹峪乡段流域农业面源污染主要由农业径流、生活污水及畜禽养殖业3类组成，其中农村生活污染在当地比较突出，不容忽视。由表6可以看出，研究区域农业面源污染的主要污染物为TN，其次为COD和TP污染，其中这3类污染主要来源于生活污水，其次来源于种植业，这与调查结果相一致，属于农业生活生产复合污染类型。张忠明[31]对太湖苕溪流域农业面源污染的调查和评价发现，TN污染负荷率主要来自种植业，TP、 COD污染负荷率则主要来自畜禽养殖粪便。蔡金洲[32]对湖北省三峡库区农业面源污染解析发现，种植业是TN、TP 污染的主要来源，COD 主要来源于畜禽养殖业。周军[33]对牡丹江流域农业面源污染研究发现，TN、TP污染的最大贡献者是农田化肥。这与本研究结果不同。本研究中，余家河流域位于山区，农业生产结构单一，主要以种植猕猴桃为主，农业面源污染主要来源于农村生活污水；由于当地农村基础设施落后，缺少生活垃圾和污水处理处置设备，而且通过农业面源污染负荷计算结果可知，畜禽养殖业对河流中的COD贡献率基本为0，也说明了该监测区域COD的主要来源并不是畜禽污染，而是生活污水污染。这与当地的特有的种植业和不健全的管理制度是分不开的。

3 结 论

1)余家河水质监测指标的空间变化不大，但随着时间变化具有明显差异，其中，除TN严重超标(最高超标9.6倍)外，其他指标均符合地表水Ⅲ～Ⅳ类水质标准。

2)2012-2013年，余家河流域TN质量浓度平均值逐渐减少；TP质量浓度呈先升高后降低趋势，表现为春季较高，秋季和冬季较低；水体COD质量浓度呈波动性变化，但在2013年由春季进入夏季后，其总体呈下降趋势。

3)4个村子河水COD质量浓度由高到低表现为岭梅村>白仙沟>杨家庄>丹阳村；TN、TP质量浓度均为岭梅村>杨家庄>丹阳村>白仙沟。综合来看，岭梅村农业面源污染负荷是最严重的。

4)余家河竹峪乡段流域农业面源污染流失及排放到河流中的TN、TP及COD等标污染负荷总量分别为2.167 0×10-6，0.617 0×10-6，0.670 0×10-6m3/年，污染物贡献率依次是TN>COD>TP，主要污染源贡献率依次为生活污水>种植业>畜禽养殖；污染类型属于农业生活和生产的复合污染。

志 谢：西北农林科技大学资源环境学院2012级硕士研究生韦安胜同学为本论文提供了采样点布设示意图，在此表示感谢。

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Characteristics of surface water quality and agricultural area source pollution load of a small watershed in northern Qinling Mountains

WANG Li,HUANG Yi-mei,DING Yao,XIAO Li,YANG Fan

(CollegeofResourceandEnvironment,DepartmentofAgricultureofNorthwestAgricultureKeyLaboratoryofPlantNutritionandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This study explored the effects of agricultural area sources on surface water quality and the pollution levels of a small watershed in northern Qinling Mountains.【Method】 Eight river segments were selected as monitoring sites along Yujia River in Zhouzhi,Shaanxi Province.Basic water physicochemical indexes including flow,temperature,pH,suspended solids,dissolved oxygen,and electrical conductivity and area source pollution indexes including total nitrogen (TN),total phosphorus (TP),chemical oxygen demand (COD),were determined from October 2012 to October 2013.Pollutant emission coefficients were used to estimate area source pollution load in the area,and the equivalent standard pollution load method was applied to evaluate the agricultural area source pollution status.【Result】 TN concentration gradually reduced from October 2012 to October 2013.TP content was highest in spring,followed by autumn and winter.COD content showed fluctuations,and gradually reduced from spring to summer in 2013.Except TN concentration which seriously exceed the Ⅳ grade of surface water quality standard (up to 9.6 times),other water quality indexes were in the Ⅲ-Ⅳ grades of standards.Total exports of TN,TP and COD were 2.167 0×10-6m3/a,0.617 0×10-6m3/a,and 0.670 0×10-6m3/a in Yujia River watershed from October 2012 to October 2013,respectively.The pollution loads were in a decreasing order of TN>COD>TP.The contributions of main area sources were in a decreasing order of sewage>planting>livestock farming.【Conclusion】 The pollution in this area was compound pollution of agricultural production and residential activities.

Yujia River;agricultural non-point source pollution;water quality monitoring;water quality assessment;pollution load

2014-05-04

国家科技支撑计划项目“秦岭山地农业面源污染防控关键技术研究与示范”(2012BAD15BO4-4-3)

王 莉(1989-)，女，陕西周至人，在读硕士，主要从事环境化学研究。E-mail:wl_1014@126.com

黄懿梅(1971-)，女，四川大竹人，副教授，博士，硕士生导师，主要从事环境化学与环境生态工程研究。 E-mail:ymhuang1971@nwsuaf.edu.cn

时间:2014-12-12 09:30

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.01.016

X522

A

1671-9387(2015)01-0159-10

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20141212.0930.016.html