1 引言

　　自20世紀40年代以來，美國密西西比河流域由于大量氮磷養分流失導致河流和墨西哥海灣水體嚴重富營養化，其中，50%~70%的總氮(TN)來自于農業面源污染.歐洲農業面源污染排放的TN是地表水體N負荷的主要來源，例如，荷蘭60%的TN負荷來源于農業面源污染，在瑞典，流域總輸入TN負荷中有60%~87%來自于農業面源污染.自20世紀90年代以來，中國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增長到346.1 kg · hm-2，畜禽養殖業在20世紀90年代以后也呈快速增長，而養殖業廢棄物的處理一直是畜禽養殖業發展的“短板”.2010年我國第一次全國污染源普查結果顯示，農業源TN排放量占全國TN總量的57.2%，其中，種植業對TN的貢獻率占59.0%，養殖業對TN的貢獻占37.9%.全國水體狀況自20世紀80年代以來，富營養化水體面積增加50%以上，各大主要湖泊河流水質均出現了不同程度的富營養化現象.

　　為了改變以往農業面源污染 防控中技術措施的單一性，從20世紀70年代開始，西方發達國家相繼開展了以流域綜合防控為主的研究，其中以美國的最大日負荷總量(Total Maximum Daily Load，TMDL)最具代表性.TMDL的定義為“在滿足水質標準條件下，環境水體能夠接受某種污染物的最大日負荷量”，其中，包括點源和面源污染負荷的分配，并考慮了安全臨界值和季節變化.近年來，一些研究者將TMDL運用到我國的水環境管理體系中，其中對污染物負荷的估算主要采用了基于水量和水質監測數據的經驗統計方法和建立流域綜合模型(如SWAT、HSPF、AnnAGNPS等)方法，但也發現一些問題，比如經驗法由于缺乏機制基礎其預測精度相對較低，而模型法雖然精度高，但由于參數本身的不確定性及一些流域基礎數據缺乏等原因尚不能得到廣泛應用.隨后的一些研究發現，負荷歷時曲線法(LDC)能夠有效避免上述問題，較直觀地反映水文特征和水質受損程度間的關系，我國也逐漸將LDC法運用于數據資料較為缺乏流域的TMDL制定中，如利用LDC法計算了東遼河流域銨氮和化學需氧量的最大日負荷通量，并分析了污染物年內變化特征.以洱海彌苴流域為例，探討了不同水質限制要求下，運用LDC法具體分析和解決各類水質問題的方法.利用LDC法分析了贛江流域多個水文站的污染物通量.這些研究表明，LDC法在我國不同區域污染物負荷估測中的應用具有較好的可行性.但前期這些探索性研究主要針對的是單一流域下污染物負荷的現狀通量、超標和消減狀況等，而對于具有不同土地利用構成和種養結構等特征小流域的比較及不同水文階段污染物負荷特征的研究尚少見報道.

　　因此，本研究以長沙縣金井河流域為主要研究區域，通過采用LDC法研究多個小流域TN負荷通量和超標、消減狀況，并運用灰度分析法比較小流域各因子對TN負荷消減的影響，以期為揭示亞熱帶農業小流域面源污染物的遷移機理及面源污染的科學防控提供理論依據.

　　2 材料與方法

　　2.1 研究區概況

　　研究區金井河流域位于湖南省長沙市東北約50 km，地處長沙縣金井鎮境內，為湘江一級支流撈刀河的上游，地理坐標為27°55′~28°40′N、112°56′~113°30′E.區內為典型亞熱帶紅壤丘陵地貌類型，地勢呈北高南低趨勢，海拔43~460 m，是農業生產生活相對集中的場所.每個子流域都有基本相似的土地利用格局，其中，丘崗區主要為林地、果園、茶園或旱地，溝谷區則主要為水田、菜地、堰塘等.主要農作物為水稻和蔬菜，水稻種植模式主要為雙季稻.研究區有著悠久的生豬養殖歷史，主要以家庭散養和小規模(<1000頭存欄)集約化養殖為主.研究區為典型亞熱帶濕潤季風氣候，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，低于國家(2200 m3)和湖南省(2700 m3)的人均水平，屬于水資源季節性短缺的區域.年平均氣溫17.2 ℃，無霜期274 d，年日照時數1663 h，相對濕度80%左右.

　　研究區涉及的流域總面積為134.4 km2，其中包括4個面積約30~50 km2的一級子流域、17個面積約3~10 km2的二級子流域，根據研究目標和流域分布特征，在研究區域內選取10個有代表性的小流域，面積范圍為0.09~52.12 km2，分別在各流域出口布設固定的水文觀測設施并定期采集水樣，開展水文水質定位觀測，并獨立收集流域土地利用、景觀指數、畜禽密度、社會經濟等數據.根據前期的研究，10個小流域可依據土地利用和養殖業的分布特征劃分為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)、養殖小流域(軍民、團結)、種植-養殖小流域(水壩、脫甲河、惠農、東山橋).

表1 10個小流域土地利用與畜禽密度

 　　2.2 數據來源與分析

　　2.2.1 研究區土地利用和社會經濟數據

　　流域平均坡度、高程提取通過ARCGIS 9.3提取(表 1).畜禽養殖數量通過對流域內農戶家庭隨機抽樣(10%)調查獲得，再通過下述公式計算得到流域畜禽養殖密度：

　　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量(一個畜禽單元等于454 kg畜禽活體重量);A為流域面積(hm2.

　　景觀指數能夠高度濃縮景觀格局信息，能夠反映其組織結構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有關的8個指數，將不同流域土地利用柵格圖轉化成ASCII碼，通過FRAGSTATS 4.0軟件獲得各數值(表 2).10個小流域中占主導地位的景觀為林地，其中，森林小流域、養殖流域各斑塊連通性強，形狀無規律，而隨著耕地面積比例增加，森林-種植、種植-養殖小流域中同類型斑塊連通性下降，人類活動增強，林地對景觀控制作用下降，土地利用呈現多樣化、均勻化、斑塊形狀復雜程度降低、破碎度增加.

表2 景觀指數選取

　　2.2.2 水文觀測與水樣采集和分析

　　分別在各流域出口設置水文實時監測系統和水質采樣點(圖 1).水文觀測系統每10 min自動采集記錄流量數據，據此計算流域研究時段內的逐日和累計徑流量.水質監測采樣每月進行3次，即每月的8、18、28日采集徑流水樣.水樣采集時在采樣點水面下20 cm深處采集約1 L樣品.根據水質分析方法要求，水樣一般在采樣后24 h之內進行室內分析，不能及時分析的先將樣品保存在-18 ℃度冰箱內，分析時再解凍.水樣TN含量采用堿性過硫酸鉀消解-流動分析儀法測定.

　　2.2.3 負荷歷時曲線(LDC)與TN最大日負荷(TMDL)計算

　　LDC根據研究區流量歷時曲線(FDC)與水質治理目標計算得到.FDC是描繪河流某一流量在觀測時段內發生頻率的曲線，根據10個小流域的實際水文條件，將FDC劃分為3個不同的流量歷時區域(Flow Duration Intervals，FDI)，即：高流量區、中流量區、低流量區，各區對應的流量保證率分別為0~30%、30%~70%和70%~100%，將FDC與水質目標相乘即得到LDC.

　　通過LDC與實際觀測數據相結合，可以直觀看出不同FDI內水質受損狀況，若觀測數據點位于LDC曲線上方，則表示水體污染物含量超過了水質標準，若在曲線下方，則表示水體狀況良好.與此同時，根據實際觀測指標的水質治理目標和與之對應的瞬時流速可以計算出不同FDI內污染物日負荷和允許負荷，并根據實際負荷和允許負荷計算出需要消減污染物的量或者消減率.將10個小流域觀測時段內完整的流量系列分別劃分為20個連續的流量單元，分別計算各單元內TN現狀日負荷(DTL)、允許日負荷(TMDL)和需要消減比例(DDR).再根據不同FDI內所含流量單元數求出10個流域不同FDI內平均DTL、TMDL和DDR.計算公式如下：

　　式中，DTLi為在i種FDI內TN的日均負荷(kg · km-2 · d-1);TMDLi為第i種FDI內TN最大日負荷(kg · km-2 · d-1);Cj 為i種FDI內第j個流量單元內實際觀測TN濃度均值(mg · L-1);RDj 為i種FDI內第j個流量單元內實際觀測徑流深平均值(mm);T為水體治理目標水質，對于TN濃度，T=1.5 mg · L-1(地表水IV類標準);DRRi為i種FDI內TN需要消減比率;m為第i種FDI內包含的連續流量單元數;RD是徑流深(mm);Q為實際觀測流量(m3);A 為流域面積(km2).Mi為預留出的10%作為安全臨界值(MOS)，避免不確定性對水體水質的影響.

　　流域不同FDI內TN年均負荷通量計算公式如下：

　　式中，ni為觀測時段內第i種FDI內所包含的天數;N為觀測年數(2010—2012年.

　　2.2.4 灰度分析

　　運用灰度分析法(GRA)計算不同FDI內各因子與TN負荷消減率的關聯(GRG)，并通過排序確定主要影響因子.GRA是由鄧聚龍研究發明的用于分析因子間相互影響度和因子對事物貢獻度的方法.相比其它數據統計方法，GRA更適用于研究樣本數量較少、數據較貧乏、信息不確定的對象.關聯性大小由關聯度表示.在關聯分析中有一個基準序列{x0(k)，k=1，2，…，n}，即因子研究中的研究主體，以及q個因子序列{xi(k)，k=1，2，…，n; i=1，2，…，q}.GRA計算過程如下：①對所用序列進行標準化處理后得到標準化序列，即各序列原始數據減去平均值后再除以標準差(公式(7));②計算關聯系數ζ0i(k)(式(8))，其中，ρ為分辨系數，默認ρ=0.5;③計算關聯度(GRD)γ0i.

　　GRD數值大小可反映因子貢獻的大小，當γ0i>0.7時表示因子有顯著影響，當γ0i<0.6時因子貢獻度則可以忽略.

　　3 結果

　　3.1 流域降雨徑流特征

　　研究區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2012兩年為濕潤年，而2011年屬于干旱年，其5月份降水量僅為73.4 mm，為同期降水量的30%.10個小流域月均徑流深與月均降雨量顯著正相關(r=0.7661~0.9251，p<0.01)，表明當地的地表徑流主要受天然降水的影響(圖 2).

圖2 研究區觀測期(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10個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為例(圖 3)，觀測期內(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，其中，5月份月均流量與月內最大日流量均達到最大;9月份到次年12月份多位于中、低流量區.

　　3.2 小流域TN日均負荷特征

　　圖 4為10個小流域TN歷時負荷曲線，其中，除森林小流域(伏嶺)外，其余小流域TN日負荷均存在超過TMDL現象，其中，種植-養殖小流域(水壩、脫甲河、東山橋、惠農)TN負荷超標率為97.2%，超標情況較為嚴重，富營養化風險較高.森林-種植小流域(拔茅田、觀佳、澗山)TN負荷存在超標情況，但超標率(43.4%)顯著低于種植-養殖小流域.

圖4 10個小流域TN負荷歷時曲線(2010—2012年)

　　不同流量階段下小流域TN日均負荷存在顯著差異(p<0.05)(表 3)，其中，種植-養殖小流域在高、中、低流量區TN日均負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日均負荷在高、中流量區內顯著低于其余流域.

表3 不同水文階段10個小流域TN實際日負荷、允許最大日負荷和目標消減率

 　　 3.3 小流域TN年均負荷及季節分配

　　10個小流域TN年均負荷為739.0~2798.4 kg · km-2 · a-1(表 4)，其中，高、中流量區TN負荷所占比例分別為49.4%~69.8%、14.9%~33.8%，表明高、中流量區是N流失的主要階段.從季節動態來看，春、夏兩季(3—8月)TN負荷所占比為52.0%~80.0%，是N流失的高峰階段(圖 5).從不同類型小流域TN負荷比例來看，種植-養殖、養殖小流域秋、冬季TN負荷占全年的比例為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年均負荷及在不同水文階段的分布(2010—2012年)

圖5 10個流域TN年均負荷季節分配

3.4 小流域TN日均負荷消減率特征

　　表 3中除森林小流域外，其余小流域在不同FDI內均需要對TN負荷進行消減，其中，不同流量階段下養殖、種植-養殖小流域TN負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負荷消減率逐漸增大.而對于森林-種植小流域，TN負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負荷與土地利用、畜禽養殖及水文條件等有著較為復雜的關聯性.

　　3.5 不同水文條件下TN負荷影響因子灰度分析

　　灰度分析結果表明，在不同流量區各因子對TN消減率的影響不盡一致(表 5)，但農田面積比例(CL)、養殖密度(LD)、流域形狀指數(LSI)、景觀特征(香農多樣性指數，SHDI)等4個因子對TN負荷影響較大，4個因子在不同流量階段下關聯度排序有所差異，其中，高、中、低流量區分別為：CL>SHDI>LSI，CL>SHDI > LD，LD> CL>SHDI，意味著不同流量段主導的影響因素有所變化.

表5 10個小流域不同水文階段TN消減率影響因子關聯度及其排序

　　4 討論

　　4.1 TN負荷通量和季節變化特征

　　小流域TN負荷通量與土地利用和農業結構密切相關，不同類型小流域間TN年均負荷存在較大差異.10個小流域TN年均負荷為739.0~2798.4 kg · km-2 · a-1，其中，森林流域(伏嶺)TN年均負荷為739.0 kg · km-2 · a-1，顯著高于溫帶森林流域TN年均負荷，如芬蘭奧魯河流域、英國Pond Branch流域TN年均負荷分別為237、190 kg · km-2 · a-1.導致這一現象的主要原因可能在于不同氣候帶環境因子、森林類型、氮沉降和氮庫等方面的不同.相比溫帶地區而言，亞熱帶地區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N年均沉降超過25 kg · hm-2 · a-1的臨界點時會導致“森林氮飽和”，超過森林生態系統的同化能力;同時，高N沉降量與林冠層共同作用會使土壤N庫增加并提高硝化作用，在降雨-徑流過程驅動下，最終導致N(通常以NO-3形式)從土壤中淋失.研究區伏嶺小流域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濕沉降就達到47.6 kg · hm-2 · a-，這是導致森林流域TN負荷偏高的主要因素.種植-養殖小流域TN年均負荷為2386.7 kg · km-2 · a-1，研究表明，三峽庫區同類型小流域TN年均負荷為1878.7 kg · km-2 · a-1.養殖小流域TN年均負荷為1408.9 kg · km-2 · a-1，陳能汪等對福建山仔流域TN污染分布和來源研究發現，養殖大鎮霍口TN負荷為1400 kg · km-2 · a-1.相比種植-養殖、養殖流域，森林-種植流域僅為911.4 kg · km-2 · a-1.這與他人研究結果相似，王飛兒等和Giordan等研究發現，以種植為主流域的年均TN負荷約為900~1300 kg · km-2 · a-1.九江武川小流域農業結構主要為水稻和經濟作物，其年平均TN輸出為1025.3 kg · km-2 · a-1因此，在我國亞熱帶地區由于N流失而導致的水體污染問題是普遍和嚴峻的.

　　不同流量階段下降雨-徑流過程是小流域N素輸出的動力.10個小流域在高、中、低流量區TN日均負荷分別為4.7~12.6、1.0~6.5、0.5~1.0 kg · km-2 · d-1，且高流量區TN負荷所占年均比例(47.3%~77.4%)遠高于中、低流量區.可見流量越大，污染物遷移負荷越大，同時也表明小流域氮的流失主要發生在流量較高的雨季，其原因主要體現在兩個方面：①高流量區徑流量高，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高流量區由于徑流流速快，徑流對污染物的攜帶和輸送能力更強，因此，會對干旱期存儲在流域內而未被輸送出去的污染物(尤其是顆粒態)集中輸移，即所謂的“景觀記憶”(L and scape Memory)效應.

　　不同類型小流域TN負荷輸出呈現出明顯的季節特征，流失高峰為春、夏兩季，而種植-養殖、養殖小流域秋、冬季TN負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負荷全年比>66.9%，這與魏林宏等的研究結果基本相近，在降雨頻率高的雨季徑流量及污染物排放負荷占到全年的60%~90%.同時由于早稻生長所殘留的N肥和晚稻基肥，以及7月底到8月中旬的灌排水所導致的土壤N的淋溶量增加，共同導致了小流域TN負荷的增加.而種植-養殖、養殖小流域春夏TN負荷全年比為52.0%~60.1%，秋、冬兩季TN負荷全年比較森林、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，氮素遷移受到抑制，而畜禽養殖廢棄物的直排、不合理利用和以有機肥形式還田兼有點源污染性質.盡管面源污染與降雨徑流有密切關系，但養殖、種植-養殖小流域TN負荷部分來源不受降雨-徑流的影響，因此，在制定TMDL和水質管理方案時不應忽略旱季時期，尤其是畜禽密度較高的地區.

　　4.2 TN負荷影響因子

　　TN負荷消減率是反映小流域TN負荷現狀和超標狀況的重要指標.灰度分析結果顯示，土地利用、養殖密度、流域形狀指數、香農多樣性指數等小流域景觀格局指數是TN負荷消減率的主要控制因子.高、中流量階段下農田面積對TN負荷消減有顯著影響.這與他人研究結果相似，Schilling等研究發現，地表水中N素含量與耕地面積比例呈線性關系;Wang等發現，水稻面積與流域水體養分存在臨界值(13%~27%)，當水稻面積比例高于臨界值時，會加劇對周圍水體的養分污染;Weller等發現，農田的比例和坡地開發的比例都會使N輸出的平均濃度增加，且農田比例影響度更大.農田面積比例對于TN負荷的影響主要是由于化肥的不合理施用而導致的N盈余并通過淋溶和地表徑流進入周圍水體.金井地區水稻種植年均N肥施用量為374 kg · hm-2，而約有212.2 kg · hm-2在土壤累積或進入水體(Wang et al., 2007).同時，由于水田土壤犁地層會限制N素向深層土壤滲漏，更易導致N素隨地表徑流流失.因此，合理的土地利用規劃和化肥施用量是緩解流域N養分污染的有效途徑.

　　SHDI、LSI在高、中流量區對于TN負荷消減的影響僅次于農田面積比例，SHDI、LSI增加表明人類活動干擾增強，景觀復雜程度增加，流域內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雜邊界會增加污染物進入水體的風險，尤其在山地丘陵，表現為林地水體凈化能力降低.從中流量區到高流量區，暴雨事件下的山地作為污染源對于產污響應程度逐漸增強.因此，LSI與TN負荷在高流量區關聯程度高于其余流量階段.同時，流域內景觀的豐富度和復雜性增加不利于流域內污染物擴散的控制.

　　PD、CONTAG、AL、LPI分別是對景觀組分的破碎度、聚集程度和景觀優勢度的表征.Lee等研究發現，PD與各種形態的N濃度呈正相關，表明隨著景觀破碎度和空間異質性的增大，流域水體氮素濃度增大.而LPI、AL、CONTAG與TN濃度負相關，其值越高表明最大斑塊(林地)優勢度增加，且優勢斑塊具有良好的連接性，斑塊聚集程度高，有利于優勢斑塊對于N素的固定與攔截.

　　畜禽密度對TN消減的影響主要體現在中、低流量段.黃金良等研究表明，在九江流域畜禽養殖所貢獻的TN負荷占到全部負荷的24.0%~46.9%.晉江流域TN貢獻源主要為畜禽養殖(31.72%)，超過農田徑流(26.8%).因此，對于高畜禽密度流域，在低流量區應避免畜禽排泄物直排入水體，增加循環利用比率，同時，制定不同流域和尺度區域農田土壤所能消納的畜禽糞便最大容量，從而減少畜禽養殖對于TN負荷的貢獻率.

　　5 結論

　　1)10個小流域TN年均負荷變化范圍為739.0~2798.4 kg · km-2 · a-1，由小到大依次為森林、森林-種植、養殖、種植-養殖小流域.

　　2)小流域TN負荷特征與流域類型密切相關，除森林小流域外，其余類型小流域TN負荷均存在超標，其中，種植-養殖、養殖小流域超標嚴重，且主要發生在中、低流量階段，森林-種植小流域TN負荷超標主要發生在高流量段.

　　3)小流域TN負荷呈現明顯季節特征，其中，春、夏(3—8月)為N素流失的高峰期，但種植-養殖和養殖小流域秋、冬兩季TN負荷所占比(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.bnynw.com更多相關技術文檔。

　　4)農田面積比例、畜禽密度、香農多樣性指數、最大斑塊指數、斑塊密度等是亞熱帶小流域TN負荷的主要影響因子，其中，農田面積比例對高、中流量段影響顯著，畜禽養殖密度對于低流量段TN負荷具有更大影響.將JCM模型(以金井流域為基礎建立)引入到TN負荷與影響因子的定量關系研究中，以及通過農業生產方案模擬和篩選出基于不同生產目標的最佳管理措施(BMPs)是下一步研究工作的重點.