南四湖流域种植业面源污染氮磷源解析研究_刘静

项目
N / kg·hm － 2 施肥量 P2 O5 / kg·hm － 2
K2 O / kg·hm － 2
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小麦-水稻 315 81 36
小麦-玉米 345 11. 5 0
大蒜-玉米 362 23. 1 65. 8
肥料种类
氮肥为尿素 氮肥为尿素 氮肥为尿素 磷肥为重钙 磷肥为重钙 磷肥为磷酸铵 钾肥是氯化钾 不施用钾肥 钾肥为硫酸钾
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域农田地表径流样品，采用离子色谱及国家标准方 法测定了径流样品中不同形态氮磷含量，运用主成 分分析法（ PCA 法） 对南四湖流域种植业面源污染 氮磷进行源解析，以期为南四湖流域氮磷污染的防 治和管理提供数据支撑．
1 材料与方法
1. 1 样品的采集 1. 1. 1 农田地表径流水样采样
南 四 湖 区 种 植 业 的 主 要 种 植 模 式 是 小 麦-水 稻、小麦-玉米和大蒜-玉米这 3 种轮作模式，每种轮 作模式都有试验区，3 种试验区分散地分布在南四 湖流域周围（ 图 1） ，对于研究种植业农田地表径流 对南四湖流域水体氮磷污染的影响具有典型的代表 性． 分别在 3 种不同种植模式的试验区，选择地势 平坦的田地，划分出试验小区，小区面积为 36 m2 ， 长 12 m，宽 3 m． 试验小区对应一个径流池，用来收 集小区 径 流 水，该 研 究 的 径 流 池 长 为 150 cm、宽 100 cm、深 120 cm，地表以下池深为 100 cm，地表以 上高度为 20 cm，试验区径流池装置见图 2． 试验区 的施肥均按照当地的常规施肥方式进行，施肥情况 见表 1，农田径流先汇入各支流再进入南四湖水体． 每次降雨产 流 后，及 时 收 集 径 流 水，采 集 径 流 水 样 时，先将径流池内的水搅拌均匀，再用径流水将清洗 干净的采样瓶洗涮 3 次，采集 3 个平行水样，每瓶 500 mL 左右，然后滴入浓硫酸 2 ～ 3 滴，水样带回实 验室后放入 4℃ 的冰箱冷藏并编号，以待测定分析． 2009 年 6 月 ～ 2010 年 6 月期间，在试验区径流池收 集径流水 8 次．
测定 径 流 水 中 总 氮、硝 态 氮、铵 态 氮、总 磷、 可溶磷和磷 酸 根，方 法 参 照 文 献［20 ］，采 用 碱 性 过 硫酸钾消解紫外分光光度法（ GB 11894-89） 测定总 氮（ TN） ，纳氏试剂分光光度法（ HJ 535-2009） 测定 铵态 氮 （ NH4+ -N ） ，离 子 色 谱 法 （ U． S． EPA METHOD 300. 1 ） 测 定 硝 态 氮 （ NO3－ -N ） 和 磷 酸 根 （ PO34 － -P） ，钼锑抗分光光度法（ GB 11893-89） 测定 总磷（ TP） ，过硫酸钾氧化-钼蓝比色法 （ GB 1189389） 测定可溶磷（ DP） ． 1. 3 质量保证和质量控制
DOI:10.13227/j.hjkx.2012.09.016
第 33 卷第 9 期 2012 年 9 月
环境科学 ENVIRONMENTAL SCIENCE
Vol． 33，No． 9 Sep． ，2012
南四湖流域种植业面源污染氮磷源解析研究
刘静1，2 ，路凤2 ，杨延钊3 ，徐娜2 ，王田妮2
（ 1. 山东大学化学博士后科研流动站，济南 250100； 2. 山东建筑大学市政与环境工程学院，济南 250101； 3. 山东大学化 学与化工学院，济南 250100） 摘要： 利用田间径流池采集南四湖流域种植业农田地表径流样品，分析其不同形态的氮磷数据，汇总数据得到南四湖流域种 植业的氮磷源成分谱； 并在南四湖区 11 条主要入湖河流入湖口处采集水样，测定氮磷含量，利用主成分分析法对南四湖流域 种植业面源污染氮磷来源进行了源解析． 结果表明，南四湖流域氮磷种植业面源污染来源有 3 种，3 个主成分累积方差贡献率 为 95. 275% ． 第一类污染途径为降雨淋溶小麦-玉米轮作农田产生的地表径流对河流产生的污染，这种污染的范围广且贡献 率较大为 50. 220% ； 第二类污染途径为降雨淋溶大蒜-玉米轮作农田产生的地表径流流入南四湖入湖河流引起的，影响面也 较广，贡献率为 25. 119% ； 第三类污染途径为自然降雨时，小麦-水稻轮作农田产生的地表径流对河流的污染，贡献率为 19. 937% ． 关键词： 南四湖流域； 种植业面源污染； 氮磷； 主成分分析； 源解析
染状况及变化趋势［3］、水环境问题及整治［4］、地质 问题［5］、湿地生 态［6，7］、表 层 沉 积 物［8］、水 环 境 修 复［9］等许多方面，但对南四湖流域农业面源污染的 来源解析缺乏系统研究．
污染物的源解析方法得到了国内外学者的广泛 研究，目前应用于水环境污染物的源解析方法主要 有化学质量平衡法［10，11］、主成分分析法［12，13］、因子 分析 法［14，15］、聚 类 分 析 法［16］、判 别 分 析［17］、混 合 方法［18，19］等． 本研究利用田间径流池采集南四湖流
Engineering，Shandong Jianzhu University，Ji'nan 250101，China； 3. School of Chemistry and Chemical Engineering，Shandong
University，Ji'nan 250100，China）
Abstract： Field runoff pools were used to collect the field surface runoff samples of different cropping systems in Nansi Lake region， and different forms of nitrogen （ N） and phosphorus （ P） data were analyzed． The source profiles of N and P in different cropping systems were also obtained by summarizing the experimental data measured in the current study． Samples were also collected from the 11 main rivers of Nansi Lake basin and the concentrations of N and P were determined． Principle component analysis （ PCA） was applied to obtain cropping non-point pollution sources of N and P． The result showed that three types of N and P contamination sources were apportioned in Nansi Lake basin，explaining 95. 275% of the total variance． The first source was from field surface runoff of wheat-maize rotation with a wide pollution range and a larger contribution，and it contributed 50. 220% of the total contamination burden； the second type of N and P source was the water runoff pollution from garlic-maize rotation，were 25. 119% contribution； the third source was the surface runoff from wheat-rice rotation，and it contributed 19. 937% ． Key words： Nansi Lake basin； cropping non-point source pollution； nitrogen and phosphorus； principal component analysis（ PCA） ； source apportionment
NO3－ 、PO34 － 标准储备溶液（ 1 000 mg·L － 1 ，购自
图 1 不同种植模式试验区 Fig． 1 Study area of different planting patterns
图 3 南四湖区监测点位分布示意 Fig． 3 Location of sampling sites in Nansi Lake basin
收稿日期： 2011-11-15； 修订日期： 2011-12-26 基金项目：“十一五”科技支撑计划项目（ 2007BAD87B05） 作者简介： 刘静（ 1969 ～ ） ，女，博士，副教授，主要研究方向为环境监
测与分析，E-mail： liujing99@ sdu． edu． cn
9期
刘静等： 南四湖流域种植业面源污染氮磷源解析研究
在全球范围内，农业面源污染正在成为水体污 染的主要原因． 在中国水体污染严重的流域，农田、 农村畜禽养殖和城乡结合部的生活排污是造成水体 氮、磷富营养化的主要原因，其贡献率大大超过来 自城市生活污水和工业废水的点源污染［1］． 南四湖 是南水北调东线工程的重要调蓄湖泊和输水通道， 其水质状况直接影响南水北调水质． 近年来，流域 的点源污染已得到有效的控制，面源污染特别是农 业面源污染成为南四湖流域治理水体富营养化问题 的关键，控制和消除流域污染源是防治污染的根本 措施． 因此，分析环境水体中污染物来源是有效控 制水环境污染的前提． 目前针对南四湖流域的研 究，主要包括南四湖的形成及水环境演变［2］、水污
LIU Jing1，2 ，LU Feng2 ，YANG Yan-zhao3 ，XU Na2 ，WANG Tian-ni2
（ 1. Chemical Post-Doctoral Research Center，Shandong University，Ji'nan 250100，China； 2. School of Municipal and Environmental
图 2 研究区径流池装置设计示意 Fig． 2 Schematic diagram of runoff pond in the study area
表 1 试验区常规施肥量及肥料种类
Table 1 Amount of conventional fertilization in the study area
1. 1. 2 南四湖主要入湖河流水样采集 南四湖流域汇水面积较大的河流主要有光府
河、泗河、新白马河、新薛河、城郭河、梁济运河、 洙赵新 河、万 福 河、东 鱼 河、复 新 河、大 沙 河 11 条，入湖河流监测点位置均设置在各河流的入湖口 处，于入湖口处水面下 0. 5 m 处用容器直接采样． 南四湖区主要入湖河流采样点布设如图 3 所示． 1. 2 试验材料和方法
中图分类号： X513 文献标识码： A 文章编号： 0250-3301（ 2012） 09-3070-06
Source Apportionment of Nitrogen and Phosphorus from Cropping Non-point
Source Pollution in Nansi Lake Basin
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国家标准物质研究中心，北京） ； 无氨水（ 每 L 水中 加入 1 mL 浓硫酸，蒸馏制得） 或用新制备的去离子 水、氢氧化钠、过硫酸钾、盐酸（ 1 + 9） 、硝酸钾、 三氯甲烷、碘化钾、碘化汞、酒石酸钾钠、氯化铵、 过硫酸钾、硫酸（ 1 + 1） 、抗坏血酸、钼酸铵、酒石 酸锑氧钾、磷酸二氢钾； 焦磷酸钠标准储备液 （ 2 g·L － 1 ，SIGMA） ； 三聚磷酸钠标准储备液（ 2 g·L － 1 ， SIGMA） ； 三 偏 磷 酸 钠 标 准 储 备 液 （ 1 g·L － 1 ， SIGMA） ； 三氟乙酸（ 20% ，天津市科密欧化学试剂 有限公司） ．