1 引言
自20世紀(jì)40年代以來(lái)，美國(guó)密西西比河流域由于大量氮磷養(yǎng)分流失導(dǎo)致河流和墨西哥海灣水體嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化，其中，50%~70%的總氮(TN)來(lái)自于農(nóng)業(yè)面源污染.歐洲農(nóng)業(yè)面源污染排放的TN是地表水體N負(fù)荷的主要來(lái)源，例如，荷蘭60%的TN負(fù)荷來(lái)源于農(nóng)業(yè)面源污染，在瑞典，流域總輸入TN負(fù)荷中有60%~87%來(lái)自于農(nóng)業(yè)面源污染.自20世紀(jì)90年代以來(lái)，中國(guó)化肥用量一直居世界首位，單位面積化肥用量從187.5 kg · hm-2增長(zhǎng)到346.1 kg · hm-2，畜禽養(yǎng)殖業(yè)在20世紀(jì)90年代以后也呈快速增長(zhǎng)，而養(yǎng)殖業(yè)廢棄物的處理一直是畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的“短板”.2010年我國(guó)第一次全國(guó)污染源普查結(jié)果顯示，農(nóng)業(yè)源TN排放量占全國(guó)TN總量的57.2%，其中，種植業(yè)對(duì)TN的貢獻(xiàn)率占59.0%，養(yǎng)殖業(yè)對(duì)TN的貢獻(xiàn)占37.9%.全國(guó)水體狀況自20世紀(jì)80年代以來(lái)，富營(yíng)養(yǎng)化水體面積增加50%以上，各大主要湖泊河流水質(zhì)均出現(xiàn)了不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象.
為了改變以往農(nóng)業(yè)面源污染 防控中技術(shù)措施的單一性，從20世紀(jì)70年代開始，西方發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開展了以流域綜合防控為主的研究，其中以美國(guó)的最大日負(fù)荷總量(Total Maximum Daily Load，TMDL)最具代表性.TMDL的定義為“在滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)條件下，環(huán)境水體能夠接受某種污染物的最大日負(fù)荷量”，其中，包括點(diǎn)源和面源污染負(fù)荷的分配，并考慮了安全臨界值和季節(jié)變化.近年來(lái)，一些研究者將TMDL運(yùn)用到我國(guó)的水環(huán)境管理體系中，其中對(duì)污染物負(fù)荷的估算主要采用了基于水量和水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法和建立流域綜合模型(如SWAT、HSPF、AnnAGNPS等)方法，但也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，比如經(jīng)驗(yàn)法由于缺乏機(jī)制基礎(chǔ)其預(yù)測(cè)精度相對(duì)較低，而模型法雖然精度高，但由于參數(shù)本身的不確定性及一些流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏等原因尚不能得到廣泛應(yīng)用.隨后的一些研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷歷時(shí)曲線法(LDC)能夠有效避免上述問(wèn)題，較直觀地反映水文特征和水質(zhì)受損程度間的關(guān)系，我國(guó)也逐漸將LDC法運(yùn)用于數(shù)據(jù)資料較為缺乏流域的TMDL制定中，如利用LDC法計(jì)算了東遼河流域銨氮和化學(xué)需氧量的最大日負(fù)荷通量，并分析了污染物年內(nèi)變化特征.以洱海彌苴流域?yàn)槔接懥瞬煌|(zhì)限制要求下，運(yùn)用LDC法具體分析和解決各類水質(zhì)問(wèn)題的方法.利用LDC法分析了贛江流域多個(gè)水文站的污染物通量.這些研究表明，LDC法在我國(guó)不同區(qū)域污染物負(fù)荷估測(cè)中的應(yīng)用具有較好的可行性.但前期這些探索性研究主要針對(duì)的是單一流域下污染物負(fù)荷的現(xiàn)狀通量、超標(biāo)和消減狀況等，而對(duì)于具有不同土地利用構(gòu)成和種養(yǎng)結(jié)構(gòu)等特征小流域的比較及不同水文階段污染物負(fù)荷特征的研究尚少見報(bào)道.
因此，本研究以長(zhǎng)沙縣金井河流域?yàn)橹饕芯繀^(qū)域，通過(guò)采用LDC法研究多個(gè)小流域TN負(fù)荷通量和超標(biāo)、消減狀況，并運(yùn)用灰度分析法比較小流域各因子對(duì)TN負(fù)荷消減的影響，以期為揭示亞熱帶農(nóng)業(yè)小流域面源污染物的遷移機(jī)理及面源污染的科學(xué)防控提供理論依據(jù).
2 材料與方法
2.1 研究區(qū)概況
研究區(qū)金井河流域位于湖南省長(zhǎng)沙市東北約50 km，地處長(zhǎng)沙縣金井鎮(zhèn)境內(nèi)，為湘江一級(jí)支流撈刀河的上游，地理坐標(biāo)為27°55′~28°40′N、112°56′~113°30′E.區(qū)內(nèi)為典型亞熱帶紅壤丘陵地貌類型，地勢(shì)呈北高南低趨勢(shì)，海拔43~460 m，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活相對(duì)集中的場(chǎng)所.每個(gè)子流域都有基本相似的土地利用格局，其中，丘崗區(qū)主要為林地、果園、茶園或旱地，溝谷區(qū)則主要為水田、菜地、堰塘等.主要農(nóng)作物為水稻和蔬菜，水稻種植模式主要為雙季稻.研究區(qū)有著悠久的生豬養(yǎng)殖歷史，主要以家庭散養(yǎng)和小規(guī)模(<1000頭存欄)集約化養(yǎng)殖為主.研究區(qū)為典型亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均降水1200~1500 mm，集中在3—8月，人均水資源占有量為1700 m3，低于國(guó)家(2200 m3)和湖南省(2700 m3)的人均水平，屬于水資源季節(jié)性短缺的區(qū)域.年平均氣溫17.2 ℃，無(wú)霜期274 d，年日照時(shí)數(shù)1663 h，相對(duì)濕度80%左右.
研究區(qū)涉及的流域總面積為134.4 km2，其中包括4個(gè)面積約30~50 km2的一級(jí)子流域、17個(gè)面積約3~10 km2的二級(jí)子流域，根據(jù)研究目標(biāo)和流域分布特征，在研究區(qū)域內(nèi)選取10個(gè)有代表性的小流域，面積范圍為0.09~52.12 km2，分別在各流域出口布設(shè)固定的水文觀測(cè)設(shè)施并定期采集水樣，開展水文水質(zhì)定位觀測(cè)，并獨(dú)立收集流域土地利用、景觀指數(shù)、畜禽密度、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù).根據(jù)前期的研究，10個(gè)小流域可依據(jù)土地利用和養(yǎng)殖業(yè)的分布特征劃分為4種基本類型(表 1)，即森林小流域(伏嶺)、森林-種植小流域(拔茅田、觀佳、澗山)、養(yǎng)殖小流域(軍民、團(tuán)結(jié))、種植-養(yǎng)殖小流域(水壩、脫甲河、惠農(nóng)、東山橋).
表1 10個(gè)小流域土地利用與畜禽密度
2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析
2.2.1 研究區(qū)土地利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)
流域平均坡度、高程提取通過(guò)ARCGIS 9.3提取(表 1).畜禽養(yǎng)殖數(shù)量通過(guò)對(duì)流域內(nèi)農(nóng)戶家庭隨機(jī)抽樣(10%)調(diào)查獲得，再通過(guò)下述公式計(jì)算得到流域畜禽養(yǎng)殖密度：
式中，LD為流域畜禽密度(AU · hm-2);Ni為第i種畜禽年存欄量(頭或只);ei為該種畜禽單元畜禽數(shù)量(一個(gè)畜禽單元等于454 kg畜禽活體重量);A為流域面積(hm2.
景觀指數(shù)能夠高度濃縮景觀格局信息，能夠反映其組織結(jié)構(gòu)組成和空間配置方面特征.本研究選取在景觀水平上(L and scape-level)和流域水體TN有關(guān)的8個(gè)指數(shù)，將不同流域土地利用柵格圖轉(zhuǎn)化成ASCII碼，通過(guò)FRAGSTATS 4.0軟件獲得各數(shù)值(表 2).10個(gè)小流域中占主導(dǎo)地位的景觀為林地，其中，森林小流域、養(yǎng)殖流域各斑塊連通性強(qiáng)，形狀無(wú)規(guī)律，而隨著耕地面積比例增加，森林-種植、種植-養(yǎng)殖小流域中同類型斑塊連通性下降，人類活動(dòng)增強(qiáng)，林地對(duì)景觀控制作用下降，土地利用呈現(xiàn)多樣化、均勻化、斑塊形狀復(fù)雜程度降低、破碎度增加.
表2 景觀指數(shù)選取
2.2.2 水文觀測(cè)與水樣采集和分析
分別在各流域出口設(shè)置水文實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和水質(zhì)采樣點(diǎn)(圖 1).水文觀測(cè)系統(tǒng)每10 min自動(dòng)采集記錄流量數(shù)據(jù)，據(jù)此計(jì)算流域研究時(shí)段內(nèi)的逐日和累計(jì)徑流量.水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣每月進(jìn)行3次，即每月的8、18、28日采集徑流水樣.水樣采集時(shí)在采樣點(diǎn)水面下20 cm深處采集約1 L樣品.根據(jù)水質(zhì)分析方法要求，水樣一般在采樣后24 h之內(nèi)進(jìn)行室內(nèi)分析，不能及時(shí)分析的先將樣品保存在-18 ℃度冰箱內(nèi)，分析時(shí)再解凍.水樣TN含量采用堿性過(guò)硫酸鉀消解-流動(dòng)分析儀法測(cè)定.
2.2.3 負(fù)荷歷時(shí)曲線(LDC)與TN最大日負(fù)荷(TMDL)計(jì)算
LDC根據(jù)研究區(qū)流量歷時(shí)曲線(FDC)與水質(zhì)治理目標(biāo)計(jì)算得到.FDC是描繪河流某一流量在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)發(fā)生頻率的曲線，根據(jù)10個(gè)小流域的實(shí)際水文條件，將FDC劃分為3個(gè)不同的流量歷時(shí)區(qū)域(Flow Duration Intervals，F(xiàn)DI)，即：高流量區(qū)、中流量區(qū)、低流量區(qū)，各區(qū)對(duì)應(yīng)的流量保證率分別為0~30%、30%~70%和70%~100%，將FDC與水質(zhì)目標(biāo)相乘即得到LDC.
通過(guò)LDC與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以直觀看出不同F(xiàn)DI內(nèi)水質(zhì)受損狀況，若觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位于LDC曲線上方，則表示水體污染物含量超過(guò)了水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，若在曲線下方，則表示水體狀況良好.與此同時(shí)，根據(jù)實(shí)際觀測(cè)指標(biāo)的水質(zhì)治理目標(biāo)和與之對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)流速可以計(jì)算出不同F(xiàn)DI內(nèi)污染物日負(fù)荷和允許負(fù)荷，并根據(jù)實(shí)際負(fù)荷和允許負(fù)荷計(jì)算出需要消減污染物的量或者消減率.將10個(gè)小流域觀測(cè)時(shí)段內(nèi)完整的流量系列分別劃分為20個(gè)連續(xù)的流量單元，分別計(jì)算各單元內(nèi)TN現(xiàn)狀日負(fù)荷(DTL)、允許日負(fù)荷(TMDL)和需要消減比例(DDR).再根據(jù)不同F(xiàn)DI內(nèi)所含流量單元數(shù)求出10個(gè)流域不同F(xiàn)DI內(nèi)平均DTL、TMDL和DDR.計(jì)算公式如下：
式中，DTLi為在i種FDI內(nèi)TN的日均負(fù)荷(kg · km-2 · d-1);TMDLi為第i種FDI內(nèi)TN最大日負(fù)荷(kg · km-2 · d-1);Cj 為i種FDI內(nèi)第j個(gè)流量單元內(nèi)實(shí)際觀測(cè)TN濃度均值(mg · L-1);RDj 為i種FDI內(nèi)第j個(gè)流量單元內(nèi)實(shí)際觀測(cè)徑流深平均值(mm);T為水體治理目標(biāo)水質(zhì)，對(duì)于TN濃度，T=1.5 mg · L-1(地表水IV類標(biāo)準(zhǔn));DRRi為i種FDI內(nèi)TN需要消減比率;m為第i種FDI內(nèi)包含的連續(xù)流量單元數(shù);RD是徑流深(mm);Q為實(shí)際觀測(cè)流量(m3);A 為流域面積(km2).Mi為預(yù)留出的10%作為安全臨界值(MOS)，避免不確定性對(duì)水體水質(zhì)的影響.
流域不同F(xiàn)DI內(nèi)TN年均負(fù)荷通量計(jì)算公式如下：
式中，ni為觀測(cè)時(shí)段內(nèi)第i種FDI內(nèi)所包含的天數(shù);N為觀測(cè)年數(shù)(2010—2012年.
2.2.4 灰度分析
運(yùn)用灰度分析法(GRA)計(jì)算不同F(xiàn)DI內(nèi)各因子與TN負(fù)荷消減率的關(guān)聯(lián)(GRG)，并通過(guò)排序確定主要影響因子.GRA是由鄧聚龍研究發(fā)明的用于分析因子間相互影響度和因子對(duì)事物貢獻(xiàn)度的方法.相比其它數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，GRA更適用于研究樣本數(shù)量較少、數(shù)據(jù)較貧乏、信息不確定的對(duì)象.關(guān)聯(lián)性大小由關(guān)聯(lián)度表示.在關(guān)聯(lián)分析中有一個(gè)基準(zhǔn)序列{x0(k)，k=1，2，…，n}，即因子研究中的研究主體，以及q個(gè)因子序列{xi(k)，k=1，2，…，n; i=1，2，…，q}.GRA計(jì)算過(guò)程如下：①對(duì)所用序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到標(biāo)準(zhǔn)化序列，即各序列原始數(shù)據(jù)減去平均值后再除以標(biāo)準(zhǔn)差(公式(7));②計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)ζ0i(k)(式(8))，其中，ρ為分辨系數(shù)，默認(rèn)ρ=0.5;③計(jì)算關(guān)聯(lián)度(GRD)γ0i.
GRD數(shù)值大小可反映因子貢獻(xiàn)的大小，當(dāng)γ0i>0.7時(shí)表示因子有顯著影響，當(dāng)γ0i<0.6時(shí)因子貢獻(xiàn)度則可以忽略.
3 結(jié)果
3.1 流域降雨徑流特征
研究區(qū)2010—2012年的年均降雨量分別為1775.5、1034.6和1800.1 mm，其中，3—6月為雨季，9月到次年2月為旱季(圖 2)，與歷年平均降水量(1377.6 mm)相比，2010和2012兩年為濕潤(rùn)年，而2011年屬于干旱年，其5月份降水量?jī)H為73.4 mm，為同期降水量的30%.10個(gè)小流域月均徑流深與月均降雨量顯著正相關(guān)(r=0.7661~0.9251，p<0.01)，表明當(dāng)?shù)氐牡乇韽搅髦饕芴烊唤邓挠绊?圖 2).
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圖2 研究區(qū)觀測(cè)期(2010—2012年)及多年平均月降雨量分配與徑流深(脫甲河徑流深為2010—2012年平均 |
研究區(qū)10個(gè)小流域的日流量頻率變化具有基本一致的變化特征，以脫甲河和澗山小流域?yàn)槔?圖 3)，觀測(cè)期內(nèi)(2010—2012年)月均流量頻率具有如下特征：3—8月份位于高流量區(qū)，其中，5月份月均流量與月內(nèi)最大日流量均達(dá)到最大;9月份到次年12月份多位于中、低流量區(qū).
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圖3 脫甲河與澗山小流域日均流量頻率分布(2010—2012年) |
3.2 小流域TN日均負(fù)荷特征
圖 4為10個(gè)小流域TN歷時(shí)負(fù)荷曲線，其中，除森林小流域(伏嶺)外，其余小流域TN日負(fù)荷均存在超過(guò)TMDL現(xiàn)象，其中，種植-養(yǎng)殖小流域(水壩、脫甲河、東山橋、惠農(nóng))TN負(fù)荷超標(biāo)率為97.2%，超標(biāo)情況較為嚴(yán)重，富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)較高.森林-種植小流域(拔茅田、觀佳、澗山)TN負(fù)荷存在超標(biāo)情況，但超標(biāo)率(43.4%)顯著低于種植-養(yǎng)殖小流域.
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圖4 10個(gè)小流域TN負(fù)荷歷時(shí)曲線(2010—2012年) |
不同流量階段下小流域TN日均負(fù)荷存在顯著差異(p<0.05)(表 3)，其中，種植-養(yǎng)殖小流域在高、中、低流量區(qū)TN日均負(fù)荷顯著高于其余流域，分別為10.1~12.6 kg · km-2 · d-1(高流量)、4.8~6.5 kg · km-2 · d-1(中流量)、1.4~4.9 kg · km-2 · d-1(低流量).森林、森林-種植小流域TN日均負(fù)荷在高、中流量區(qū)內(nèi)顯著低于其余流域.
表3 不同水文階段10個(gè)小流域TN實(shí)際日負(fù)荷、允許最大日負(fù)荷和目標(biāo)消減率
10個(gè)小流域TN年均負(fù)荷為739.0~2798.4 kg · km-2 · a-1(表 4)，其中，高、中流量區(qū)TN負(fù)荷所占比例分別為49.4%~69.8%、14.9%~33.8%，表明高、中流量區(qū)是N流失的主要階段.從季節(jié)動(dòng)態(tài)來(lái)看，春、夏兩季(3—8月)TN負(fù)荷所占比為52.0%~80.0%，是N流失的高峰階段(圖 5).從不同類型小流域TN負(fù)荷比例來(lái)看，種植-養(yǎng)殖、養(yǎng)殖小流域秋、冬季TN負(fù)荷占全年的比例為39.9%~48.0%，顯著高于森林和森林-種植小流域(20.0%~33.1%).
表4 亞熱帶小流域TN年均負(fù)荷及在不同水文階段的分布(2010—2012年)
圖5 10個(gè)流域TN年均負(fù)荷季節(jié)分配
3.4 小流域TN日均負(fù)荷消減率特征
表 3中除森林小流域外，其余小流域在不同F(xiàn)DI內(nèi)均需要對(duì)TN負(fù)荷進(jìn)行消減，其中，不同流量階段下養(yǎng)殖、種植-養(yǎng)殖小流域TN負(fù)荷消減率均高于森林-種植小流域，分別為36.8%~59.1%(高流量)、54.8%~76.0%(中流量)、55.0%~78.6%(低流量)，且同一小流域從高流量到低流量階段TN負(fù)荷消減率逐漸增大.而對(duì)于森林-種植小流域，TN負(fù)荷的消減主要存在于高流量階段，消減率為17.4%~35.7%.可見，小流域TN負(fù)荷與土地利用、畜禽養(yǎng)殖及水文條件等有著較為復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性.
3.5 不同水文條件下TN負(fù)荷影響因子灰度分析
灰度分析結(jié)果表明，在不同流量區(qū)各因子對(duì)TN消減率的影響不盡一致(表 5)，但農(nóng)田面積比例(CL)、養(yǎng)殖密度(LD)、流域形狀指數(shù)(LSI)、景觀特征(香農(nóng)多樣性指數(shù)，SHDI)等4個(gè)因子對(duì)TN負(fù)荷影響較大，4個(gè)因子在不同流量階段下關(guān)聯(lián)度排序有所差異，其中，高、中、低流量區(qū)分別為：CL>SHDI>LSI，CL>SHDI > LD，LD> CL>SHDI，意味著不同流量段主導(dǎo)的影響因素有所變化.
表5 10個(gè)小流域不同水文階段TN消減率影響因子關(guān)聯(lián)度及其排序
4 討論
4.1 TN負(fù)荷通量和季節(jié)變化特征
小流域TN負(fù)荷通量與土地利用和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，不同類型小流域間TN年均負(fù)荷存在較大差異.10個(gè)小流域TN年均負(fù)荷為739.0~2798.4 kg · km-2 · a-1，其中，森林流域(伏嶺)TN年均負(fù)荷為739.0 kg · km-2 · a-1，顯著高于溫帶森林流域TN年均負(fù)荷，如芬蘭奧魯河流域、英國(guó)Pond Branch流域TN年均負(fù)荷分別為237、190 kg · km-2 · a-1.導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因可能在于不同氣候帶環(huán)境因子、森林類型、氮沉降和氮庫(kù)等方面的不同.相比溫帶地區(qū)而言，亞熱帶地區(qū)高溫多雨使得土壤氮礦化速率較高，為硝化作用提供大量底物.研究表明，當(dāng)N年均沉降超過(guò)25 kg · hm-2 · a-1的臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致“森林氮飽和”，超過(guò)森林生態(tài)系統(tǒng)的同化能力;同時(shí)，高N沉降量與林冠層共同作用會(huì)使土壤N庫(kù)增加并提高硝化作用，在降雨-徑流過(guò)程驅(qū)動(dòng)下，最終導(dǎo)致N(通常以NO-3形式)從土壤中淋失.研究區(qū)伏嶺小流域N沉降量為58.11 kg · hm-2 · a-1，其他亞熱帶森林流域與伏嶺流域N沉降通量相近，例如，廣東鼎湖山森林流域僅N濕沉降就達(dá)到47.6 kg · hm-2 · a-，這是導(dǎo)致森林流域TN負(fù)荷偏高的主要因素.種植-養(yǎng)殖小流域TN年均負(fù)荷為2386.7 kg · km-2 · a-1，研究表明，三峽庫(kù)區(qū)同類型小流域TN年均負(fù)荷為1878.7 kg · km-2 · a-1.養(yǎng)殖小流域TN年均負(fù)荷為1408.9 kg · km-2 · a-1，陳能汪等對(duì)福建山仔流域TN污染分布和來(lái)源研究發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)殖大鎮(zhèn)霍口TN負(fù)荷為1400 kg · km-2 · a-1.相比種植-養(yǎng)殖、養(yǎng)殖流域，森林-種植流域僅為911.4 kg · km-2 · a-1.這與他人研究結(jié)果相似，王飛兒等和Giordan等研究發(fā)現(xiàn)，以種植為主流域的年均TN負(fù)荷約為900~1300 kg · km-2 · a-1.九江武川小流域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)主要為水稻和經(jīng)濟(jì)作物，其年平均TN輸出為1025.3 kg · km-2 · a-1因此，在我國(guó)亞熱帶地區(qū)由于N流失而導(dǎo)致的水體污染問(wèn)題是普遍和嚴(yán)峻的.
不同流量階段下降雨-徑流過(guò)程是小流域N素輸出的動(dòng)力.10個(gè)小流域在高、中、低流量區(qū)TN日均負(fù)荷分別為4.7~12.6、1.0~6.5、0.5~1.0 kg · km-2 · d-1，且高流量區(qū)TN負(fù)荷所占年均比例(47.3%~77.4%)遠(yuǎn)高于中、低流量區(qū).可見流量越大，污染物遷移負(fù)荷越大，同時(shí)也表明小流域氮的流失主要發(fā)生在流量較高的雨季，其原因主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①高流量區(qū)徑流量高，一般(平均)占全年的42.0%，因此，輸送的污染物總量也就較高;②高流量區(qū)由于徑流流速快，徑流對(duì)污染物的攜帶和輸送能力更強(qiáng)，因此，會(huì)對(duì)干旱期存儲(chǔ)在流域內(nèi)而未被輸送出去的污染物(尤其是顆粒態(tài))集中輸移，即所謂的“景觀記憶”(L and scape Memory)效應(yīng).
不同類型小流域TN負(fù)荷輸出呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征，流失高峰為春、夏兩季，而種植-養(yǎng)殖、養(yǎng)殖小流域秋、冬季TN負(fù)荷輸出比相比其它類型小流域有所增加.森林和森林-種植小流域春、夏兩季(雨季)TN負(fù)荷全年比>66.9%，這與魏林宏等的研究結(jié)果基本相近，在降雨頻率高的雨季徑流量及污染物排放負(fù)荷占到全年的60%~90%.同時(shí)由于早稻生長(zhǎng)所殘留的N肥和晚稻基肥，以及7月底到8月中旬的灌排水所導(dǎo)致的土壤N的淋溶量增加，共同導(dǎo)致了小流域TN負(fù)荷的增加.而種植-養(yǎng)殖、養(yǎng)殖小流域春夏TN負(fù)荷全年比為52.0%~60.1%，秋、冬兩季TN負(fù)荷全年比較森林、森林-種植小流域有所增加.這主要由于秋、冬兩季降雨稀少，地表徑流不活躍，流量頻率多位于低流量區(qū)，氮素遷移受到抑制，而畜禽養(yǎng)殖廢棄物的直排、不合理利用和以有機(jī)肥形式還田兼有點(diǎn)源污染性質(zhì).盡管面源污染與降雨徑流有密切關(guān)系，但養(yǎng)殖、種植-養(yǎng)殖小流域TN負(fù)荷部分來(lái)源不受降雨-徑流的影響，因此，在制定TMDL和水質(zhì)管理方案時(shí)不應(yīng)忽略旱季時(shí)期，尤其是畜禽密度較高的地區(qū).
4.2 TN負(fù)荷影響因子
TN負(fù)荷消減率是反映小流域TN負(fù)荷現(xiàn)狀和超標(biāo)狀況的重要指標(biāo).灰度分析結(jié)果顯示，土地利用、養(yǎng)殖密度、流域形狀指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)等小流域景觀格局指數(shù)是TN負(fù)荷消減率的主要控制因子.高、中流量階段下農(nóng)田面積對(duì)TN負(fù)荷消減有顯著影響.這與他人研究結(jié)果相似，Schilling等研究發(fā)現(xiàn)，地表水中N素含量與耕地面積比例呈線性關(guān)系;Wang等發(fā)現(xiàn)，水稻面積與流域水體養(yǎng)分存在臨界值(13%~27%)，當(dāng)水稻面積比例高于臨界值時(shí)，會(huì)加劇對(duì)周圍水體的養(yǎng)分污染;Weller等發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田的比例和坡地開發(fā)的比例都會(huì)使N輸出的平均濃度增加，且農(nóng)田比例影響度更大.農(nóng)田面積比例對(duì)于TN負(fù)荷的影響主要是由于化肥的不合理施用而導(dǎo)致的N盈余并通過(guò)淋溶和地表徑流進(jìn)入周圍水體.金井地區(qū)水稻種植年均N肥施用量為374 kg · hm-2，而約有212.2 kg · hm-2在土壤累積或進(jìn)入水體(Wang et al., 2007).同時(shí)，由于水田土壤犁地層會(huì)限制N素向深層土壤滲漏，更易導(dǎo)致N素隨地表徑流流失.因此，合理的土地利用規(guī)劃和化肥施用量是緩解流域N養(yǎng)分污染的有效途徑.
SHDI、LSI在高、中流量區(qū)對(duì)于TN負(fù)荷消減的影響僅次于農(nóng)田面積比例，SHDI、LSI增加表明人類活動(dòng)干擾增強(qiáng)，景觀復(fù)雜程度增加，流域內(nèi)景觀類型的分布受自然資源限制程度上升，相鄰斑塊類型較多和復(fù)雜邊界會(huì)增加污染物進(jìn)入水體的風(fēng)險(xiǎn)，尤其在山地丘陵，表現(xiàn)為林地水體凈化能力降低.從中流量區(qū)到高流量區(qū)，暴雨事件下的山地作為污染源對(duì)于產(chǎn)污響應(yīng)程度逐漸增強(qiáng).因此，LSI與TN負(fù)荷在高流量區(qū)關(guān)聯(lián)程度高于其余流量階段.同時(shí)，流域內(nèi)景觀的豐富度和復(fù)雜性增加不利于流域內(nèi)污染物擴(kuò)散的控制.
PD、CONTAG、AL、LPI分別是對(duì)景觀組分的破碎度、聚集程度和景觀優(yōu)勢(shì)度的表征.Lee等研究發(fā)現(xiàn)，PD與各種形態(tài)的N濃度呈正相關(guān)，表明隨著景觀破碎度和空間異質(zhì)性的增大，流域水體氮素濃度增大.而LPI、AL、CONTAG與TN濃度負(fù)相關(guān)，其值越高表明最大斑塊(林地)優(yōu)勢(shì)度增加，且優(yōu)勢(shì)斑塊具有良好的連接性，斑塊聚集程度高，有利于優(yōu)勢(shì)斑塊對(duì)于N素的固定與攔截.
畜禽密度對(duì)TN消減的影響主要體現(xiàn)在中、低流量段.黃金良等研究表明，在九江流域畜禽養(yǎng)殖所貢獻(xiàn)的TN負(fù)荷占到全部負(fù)荷的24.0%~46.9%.晉江流域TN貢獻(xiàn)源主要為畜禽養(yǎng)殖(31.72%)，超過(guò)農(nóng)田徑流(26.8%).因此，對(duì)于高畜禽密度流域，在低流量區(qū)應(yīng)避免畜禽排泄物直排入水體，增加循環(huán)利用比率，同時(shí)，制定不同流域和尺度區(qū)域農(nóng)田土壤所能消納的畜禽糞便最大容量，從而減少畜禽養(yǎng)殖對(duì)于TN負(fù)荷的貢獻(xiàn)率.
5 結(jié)論
1)10個(gè)小流域TN年均負(fù)荷變化范圍為739.0~2798.4 kg · km-2 · a-1，由小到大依次為森林、森林-種植、養(yǎng)殖、種植-養(yǎng)殖小流域.
2)小流域TN負(fù)荷特征與流域類型密切相關(guān)，除森林小流域外，其余類型小流域TN負(fù)荷均存在超標(biāo)，其中，種植-養(yǎng)殖、養(yǎng)殖小流域超標(biāo)嚴(yán)重，且主要發(fā)生在中、低流量階段，森林-種植小流域TN負(fù)荷超標(biāo)主要發(fā)生在高流量段.
3)小流域TN負(fù)荷呈現(xiàn)明顯季節(jié)特征，其中，春、夏(3—8月)為N素流失的高峰期，但種植-養(yǎng)殖和養(yǎng)殖小流域秋、冬兩季TN負(fù)荷所占比(39.9%~48.0%)較其他類型小流域(20.0%~33.1%)有所升高.具體參見污水寶商城資料或http://www.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4)農(nóng)田面積比例、畜禽密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)、最大斑塊指數(shù)、斑塊密度等是亞熱帶小流域TN負(fù)荷的主要影響因子，其中，農(nóng)田面積比例對(duì)高、中流量段影響顯著，畜禽養(yǎng)殖密度對(duì)于低流量段TN負(fù)荷具有更大影響.將JCM模型(以金井流域?yàn)榛A(chǔ)建立)引入到TN負(fù)荷與影響因子的定量關(guān)系研究中，以及通過(guò)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方案模擬和篩選出基于不同生產(chǎn)目標(biāo)的最佳管理措施(BMPs)是下一步研究工作的重點(diǎn).
