滇中重要水源區(qū)土地墾殖對集水區(qū)地表水質特征的影響

張繼輝，王克勤，趙洋毅，王帥兵，閔惠琳

(1.西南林業(yè)大學 生態(tài)與水土保持學院，云南 昆明 650224；2.中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心，廣西 憑祥 532600)

【研究意義】土地墾殖就是土地經(jīng)過開墾變?yōu)楦兀瑥亩N植農作物，它是我國農業(yè)生產活動的基礎。不合理的土地墾殖活動將導致下游水質污染問題的出現(xiàn)。目前，國內許多城市都面臨著水庫上游水質污染的問題，而由水源區(qū)土地墾殖導致的面源污染則是城市水質惡化的直接來源[1-2]。據(jù)報道，目前我國內陸五大淡水湖之一的巢湖，其水質惡化狀況日趨嚴重，如今巢湖中大約有70 %的氮素來源于上游的土地墾殖、農業(yè)面源污染和地表徑流[1]?！厩叭搜芯窟M展】此外有研究表明，我國各大江河中，大約有12.7 %的干流和55 %的支流已經(jīng)受到了污染[2]。世界河口河水中硝酸鹽的平均值為0.1 μg/g，而中國長江出水口水體中硝酸鹽的總量卻高達0.49～0.95 μg/g；1980-1999年間黃河水體中總氮和氨氮的含量呈現(xiàn)加速上升的趨勢[3]。國外相關研究表明，農業(yè)活動是面源污染的主要來源，而面源污染己經(jīng)成為了地表水及地下水污染的直接來源。從全球范圍來看，面源污染已經(jīng)影響到了30 %～50 %的陸地表面，全世界12億公頃的坡耕地中，大約有12 %的耕地由于農業(yè)面源污染的影響，而導致了不同程度的退化情況[4]。滇中重要水源區(qū)位于云南省昆明市盤龍區(qū)松華壩水庫上游，該地區(qū)農業(yè)活動頻繁，土地墾殖具有明顯的季節(jié)性，主要集中在每年5-10月，而該地區(qū)地表水的水質狀況將直接決定松華壩水庫蓄積水可利用的程度。松華壩水源保護區(qū)是我國第一個飲用水源保護區(qū)，是昆明最重要的飲用水源地，同時也是滇池水體交換的重要來源[5]。昆明市通過逐年調查表明，松華壩水庫水質惡化情況日趨嚴重，其中總氮的含量呈現(xiàn)嚴重超標的狀態(tài)，尤其是2004年10-12月連續(xù)3個月的時間總氮含量都達到了1.07 mg/L以上，呈現(xiàn)Ⅳ類水標準[5-6]。近幾年松華壩水庫大壩口、壩中水質均為Ⅲ類，形勢已直接危及昆明人民的基本生活和城市的可持續(xù)發(fā)展。因此，為保證昆明市的用水安全，在松華壩水源保護區(qū)進行地表水水質狀況綜合研究尤為重要。坡耕地是松華壩水源區(qū)的主要地類之一，長期以來由于不合理的土地墾殖活動，水土流失情況日趨嚴重，從而導致大面積的土壤養(yǎng)分流失，現(xiàn)已引起人們的普遍關注，其危害主要有兩方面，一方面坡耕地養(yǎng)分流失會直接引起土壤肥力的下降，另一方面面源污染物隨地表徑流流入河流及下游水庫[6]，最終導致松華壩水庫水體的富營養(yǎng)化和水質污染，成為水體污染的誘發(fā)因子[7-9]。目前針對土地墾殖強度對地表水質面源污染影響方面的研究鮮有報道?！颈狙芯壳腥朦c】本文通過采集松華壩水源保護區(qū)迤者小流域里面的林地集水區(qū)和混合集水區(qū)控制站出口斷面的水樣，并對水樣中常見的4種污染物含量進行了測定，基于改進的灰色關聯(lián)分析模型研究不同土地墾殖強度影響下的水源區(qū)的地表水質的類別并進行綜合評價?！緮M解決的關鍵問題】探究土地墾殖對地表水水質的影響，旨在為水源區(qū)的水污染防治提供一定的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

迤者小流域位于松華壩水庫上游，位于北緯24°14 ′43"～25°12 ′48 ″，東經(jīng)102°48 ′37 "～102°44 ′51 ″之間。為滇池水系盤龍江一級支流源頭區(qū)，地勢總體西北高東南低，最高海拔2589.5 m，位于流域西南部野貓山，最低海拔2010 m，位于流域河流出口處，相對高差479.5 m，平均海拔2220 m。小流域呈不規(guī)則紡錘形，南北長6.7 km，土地總面積13.26 km2，徑流面積約293 km2，年平均氣溫為14.7℃，年降雨量900～1200 mm，氣候屬北亞熱帶和暖溫帶混合型氣候，多年平均氣溫13.8℃；多年平均降雨量925.6 mm。小流域內地形以高原低山為主，屬于低山丘陵中輕度流失區(qū)；土壤以紅壤為主，占小流域土地面積的89.3 %；小流域內坡耕地面積為284.38 hm2，占耕地總面積的55.8 %，且大部分坡度為5°～25°，該地區(qū)主要植被包括云南松(Pinusyunnanensis)、滇青岡(CyclobalanopsisglaucoidesSchotky)及殼斗科(Fagaceae)等。

1.2 集水區(qū)土地墾殖強度界定

土地墾殖強度可以用土地墾殖率來進行表征，而土地墾殖率又稱為土地墾殖系數(shù)，它是指一定區(qū)域內耕地面積與土地總面積的比值，是反映土地資源利用程度和結構的重要指標。土地墾殖率與社會經(jīng)濟技術條件及自然條件息息相關。土地質量好、人口多、墾殖歷史長的地區(qū)，一般土地墾殖率較高。1996年10月，中國的土地墾殖率為13.68 %，略高于世界平均墾殖率(11.50 %)，土地墾殖率的計算公式如下[10]。

土地墾殖率=土地墾殖面積/總土地面積×100 %

(1)

松華壩水源區(qū)迤者小流域集水區(qū)的土地墾殖強度界定如表1所示。

1.3 試驗地概況

如表2所示，對兩集水區(qū)進行編號，林地集水區(qū)編號為A集水區(qū)，混合集水區(qū)編號為A+B集水區(qū)，2#卡口水文控制站位于混合集水區(qū)匯流出口處，3#卡口水文控制站位于林地集水區(qū)匯流出口處(圖1)。

1.4 樣品采集及數(shù)據(jù)收集

根據(jù)松華壩水源區(qū)的具體情況，在水源區(qū)布設了2個采樣點，包括迤者小流域林地集水區(qū)卡口水文控制站匯流出口處徑流和混合集水區(qū)卡口水文控制站匯流出口處徑流。按照《水質河流采樣技術指導》(HJ/T52-1999)[11]的要求進行樣品采集與保存，在2017年5-10月期間共采集了18次水體樣品，采樣周期為每月3次，上、中、下旬各1次，采集時選擇5 d內未降雨的穩(wěn)流情況進行水體樣品收集，跨度5～10 d左右，采樣時需要充分攪拌，然后用聚乙烯瓶取樣，樣品采集完成后24 h內送至云南省昆明市西南林業(yè)大學生態(tài)與水土保持學院重點實驗室。

表1 集水區(qū)土地墾殖強度界定Table 1 Definition of land reclamation intensity in catchment area

表2 試驗區(qū)概況Table 2 Pilot survey

圖1 試驗區(qū)地理位置Fig.1 Location of tested area

數(shù)據(jù)收集：通過化學分析得出各指標的吸光度，由吸光度計算出標準濃度，再由3組數(shù)據(jù)計算出平均值，本研究所需數(shù)據(jù)取平均值。

1.5 樣品分析方法

1.6 灰色關聯(lián)度分析模型

目前國內相關環(huán)保工作者就水質方面的研究多以《國家地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)作為參考，因此，本研究依據(jù)《國家地表水環(huán)境質量標準》對地表水水質進行六類標準的劃分，包括Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類和劣Ⅴ類(表4)。

改進的灰色關聯(lián)分析法考慮了水質評價標準的區(qū)間形式，區(qū)間形式比傳統(tǒng)的臨界值判斷水質級別的歸屬顯得更加客觀，筆者對無量綱處理方法作出了調整，采用改進后的“中心化”處理方法，使計算結果比傳統(tǒng)方法的結果更加具有區(qū)分性，物理意義更加明確[15]。

表3 水質參數(shù)及分析方法Table 3 Water quality parameters and analysis methods

表4 地表水環(huán)境質量標準基本項目標準限值Table 4 Basic project standard value of surface water environmental quality standard

1.6.2 灰色關聯(lián)系數(shù)和關聯(lián)度的計算方法 由于各個指標在水質標準中的量級不同，所以必須在灰色關聯(lián)度分析之前對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理。本研究采用“中心化”處理方法，以此便可將研究對象之間的差異性體現(xiàn)的最大[15]。即：

i=1, 2,...,nk=1, 2,...,n

(2)

式中，xi(0)(k) 為研究區(qū)第i斷面第k項指標的實測年濃度均值，σi(k) 為xi(0)(k) 的樣本均方差，xi(k) 為第i斷面第k項指標的無量綱化結果。

由于水質評價標準并不是一個簡單的數(shù)值，而是一個區(qū)間范圍。水質灰色關聯(lián)評價并不適合采用傳統(tǒng)的關聯(lián)分析方法中點到點的計算方法。因此本研究采用基于點到區(qū)間距離的計算公式，定義絕對差為：

(3)

式中：X0(k) 為第 0 斷面第k項指標的無量綱化結果，xmin(k) 是第k項指標5級水質標準無量綱化后的最小值，xmax(k) 為第k項指標5級水質標準無量綱化后的最大值，Δij(k) 為點到區(qū)間距離的絕對差值。

將數(shù)列經(jīng)過標準化處理后得到參考數(shù)列：{X0(k)}={X1,X2,X3,…,Xn}，與參考數(shù)列進行比較的數(shù)列為比較數(shù)列：{Xi(m)}={Xi1,Xi2,Xi3,…,Xin}，關聯(lián)系數(shù)計算公式為：

(4)

式中：ζ0i為關聯(lián)ρ系數(shù)，為分辨系數(shù)，一般取0.5，Δ0i(k)為各比較數(shù)列與參考數(shù)列差的絕對值。

為了使研究結果更加準確，采用各因子關系系數(shù)的平均值λ0i反映參考數(shù)列與比較數(shù)列間的關聯(lián)程度，計算公式如下：

(5)

通過比較各指標的關聯(lián)度大小，按照最大關聯(lián)原則對兩集水區(qū)降雨徑流水質所屬的級別進行判定，其優(yōu)劣排序的原則為：①級別不同的指標，級別越高，水質越差，級別越低，水質越好；②級別相同的指標，通過比較各指標的次高級別，次高級別越高，水質越差，次高級別越低，水質越好；以此類推。如果出現(xiàn)最后一個級別依然相同的情況，則再對第Ⅰ級的關聯(lián)度大小進行比較，關聯(lián)度越大，水質越好，關聯(lián)度越小，水質越差，如果關聯(lián)度大小相等，則再對第Ⅱ級進行比較，以此進行類推，直到最后分出水質優(yōu)劣為止。

本研究所有數(shù)據(jù)的整理、統(tǒng)計與分析均采用Excel進行處理。

2 結果與分析

2.1 土地墾殖對面源污染物濃度變化的影響

2.1.1 土地墾殖對總氮濃度變化的影響 本研究所選研究時間為2017年5-10月，每月上、中、下旬分別在A集水區(qū)和A+B集水區(qū)進行取樣分析。①輕度墾殖狀態(tài)。如圖2所示，林地集水區(qū)總氮濃度的變化趨勢比較劇烈，呈單峰型分布，全年出現(xiàn)過1次峰值，最大值為1.75 mg/L，出現(xiàn)在6月份；最小值為0.23 mg/L，出現(xiàn)在10月，變化幅度較小，極值差為1.52 mg/L。林地集水區(qū)的土地利用方式90 %以上為天然林地和次生林地，幾乎不受土地墾殖活動的影響，不過6月份正值雨季，豐沛的降雨對集水區(qū)總氮濃度影響較大，故最大值出現(xiàn)在6月。②強度墾殖狀態(tài)?；旌霞畢^(qū)總氮濃度的變化趨勢比較劇烈，呈單峰型分布，全年出現(xiàn)過1次峰值，峰值為11.59 mg/L，出現(xiàn)在6月份；最小值為1.26 mg/L，出現(xiàn)在10月，變化幅度較大，極值差為10.33 mg/L?；旌霞畢^(qū)的土地利用方式70 %為坡耕地，6月份正值雨季，土地墾殖活動比較頻繁，故最大值出現(xiàn)在6月，全年濃度變化比較劇烈。

綜上所述，強度墾殖狀態(tài)下的混合集水區(qū)的總氮極值差達到了輕度墾殖狀態(tài)下的林地集水區(qū)的6.79倍，土地墾殖對總氮濃度的影響較大。

2.1.2 土地墾殖對銨態(tài)氮濃度變化的影響 ①輕度墾殖狀態(tài)。如圖3所示，林地集水區(qū)銨態(tài)氮濃度的變化趨勢比較劇烈，呈單峰型分布，全年出現(xiàn)過1次峰值，峰值分別為1.04 mg/L，出現(xiàn)在7月份；最小值為0.09 mg/L，出現(xiàn)在9月，變化幅度較小，極值差為0.95 mg/L。7月份正值雨季且降雨比較集中，土地墾殖活動比較頻繁，故最大值出現(xiàn)在7月。②強度墾殖狀態(tài)?；旌霞畢^(qū)銨態(tài)氮濃度的變化趨極其劇烈，呈多峰型分布，全年出現(xiàn)過2次拐點，分別為4.17 和4.41 mg/L，出現(xiàn)在6 和8月份；最小值為0.33 mg/L，出現(xiàn)在9月，變化幅度較大，極值差為4.08 mg/L。6月份正值雨季，降雨充沛，而8月份土地墾殖活動比較頻繁，故最大值出現(xiàn)在6 月和8月。

綜上所述，強度墾殖狀態(tài)下的混合集水區(qū)的銨態(tài)氮極值差達到了輕度墾殖狀態(tài)下的林地集水區(qū)的4.29倍，土地墾殖對總氮濃度的影響較大。

圖2 不同集水區(qū)總氮濃度變化趨勢Fig.2 Variation trend of total nitrogen concentration in different catchment areas

圖3 不同集水區(qū)銨態(tài)氮濃度變化趨勢Fig.3 Change trend of ammonium nitrogen concentration in different catchment areas

2.1.3 土地墾殖對總磷濃度變化的影響 ①輕度墾殖狀態(tài)。 如圖4所示，林地集水區(qū)總磷濃度的變化趨勢比較劇烈，呈單峰型分布，全年出現(xiàn)過1次峰值，峰值為0.21 mg/L，出現(xiàn)在6月份；最小值為0.05 mg/L，出現(xiàn)在7月和9月，變化幅度較小，極值差為0.16 mg/L。6月份正值雨季且降雨比較集中，土地墾殖活動比較頻繁，故最大值出現(xiàn)在6月份。②強度墾殖狀態(tài)?；旌霞畢^(qū)總磷濃度的變化趨勢比較劇烈，呈單峰型分布，全年出現(xiàn)過1次峰值，峰值為0.92 mg/L，出現(xiàn)在6月份；最小值為0.14 mg/L，出現(xiàn)在10月份，變化幅度相對較大，極值差為0.78 mg/L。6月份正值雨季，土地墾殖活動比較頻繁，故最大值出現(xiàn)在6月份。

綜上所述，強度墾殖狀態(tài)下的混合集水區(qū)的總磷極值差達到了輕度墾殖狀態(tài)下的林地集水區(qū)的4.88倍，土地墾殖對總氮濃度的影響較大。

2.1.4 土地墾殖對COD濃度變化的影響 ①輕度墾殖狀態(tài)。如圖5所示，林地集水區(qū)COD濃度的變化趨勢相對劇烈，呈弧形分布，全年出現(xiàn)過1次峰值，為25.33 mg/L，出現(xiàn)在6月份；最小值為7.22 mg/L，出現(xiàn)在9月，變化幅度較大，極值差為18.11 mg/L。6月份正值雨季且降雨比較集中，土地墾殖活動比較頻繁，故最大值出現(xiàn)在6月。②強度墾殖狀態(tài)。混合集水區(qū)COD濃度的變化趨勢比較劇烈，呈弧形分布，全年出現(xiàn)過1次峰值，峰值為52.56 mg/L，出現(xiàn)在7月份；最小值為9.22 mg/L，出現(xiàn)在9月，變化幅度相對較大，極值差為43.34 mg/L。7月份正值雨季且人為活動比較頻繁，故最大值出現(xiàn)在7月。

圖4 不同集水區(qū)總磷濃度變化趨勢Fig.4 Variation trend of total phosphorus concentration in different catchment areas

綜上所述，強度墾殖狀態(tài)下的混合集水區(qū)的COD極值差達到了輕度墾殖狀態(tài)下的林地集水區(qū)的2.39倍，土地墾殖對總氮濃度的影響較大。

2.2 土地墾殖對地表水水質特征的影響

2.2.1 確定評價因子和評價標準 本研究的水質評價依據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838-2002)中的地表水環(huán)境質量標準基本項目標準限值進行評價[16]。選取松華壩水源區(qū)上游迤者小流域中2個典型集水區(qū)作為研究對象。選取2017年小流域中比較典型的2個集水區(qū)斷面的4項指標污染因子濃度實測值作為評價對象。

2.2.2 數(shù)據(jù)無量綱化處理 根據(jù)式(2)，對集水區(qū)水體污染物的實測濃度值和地表水環(huán)境質量標準基本項目標準限值進行處理，得到參考數(shù)列X0(K)和比較數(shù)列Xi(K)，其中K=1，2，3……，i=Ⅰ～Ⅴ，具體數(shù)據(jù)見表5～6。

圖5 不同集水區(qū)COD濃度變化趨勢Fig.5 Variation trend of COD concentration in different watershed areas

2.2.3 評價等級的確定 首先分別將A、A+B集水區(qū)與標準矩陣(表6)相關聯(lián)，得到關聯(lián)矩陣。根據(jù)式(3)對表5～6進行處理，可得出絕對差計算結果。從表7可以看出，林地集水區(qū)絕對差最大值和最小值分別為Δmax= 13.9616；Δmin= 0；混合集水區(qū)絕對差最大值和最小值分別為Δmax= 10.7782；Δmin= 0。

表5 集水區(qū)實測數(shù)據(jù)無量綱值Table 5 Dimensionless value of measured data of the catchment area

表6 水環(huán)境質量標準無量綱值Table 6 Dimensionless value of water environment quality standard

在傳統(tǒng)的灰色關聯(lián)分析中，計算關聯(lián)系數(shù)時分辨系數(shù)(ρ)一般取0.5，ρ值越大，則分辨能力就越強，但ρ值的取值對評價結果整體趨勢沒有影響[17]。故取ρ值為0.5，得到關聯(lián)系數(shù)矩陣(表8～9)。

由表8可以看出，γ1>γ2>γ5>γ4>γ3，這表明A集水區(qū)與地表水質量標準分級Ⅰ類水關聯(lián)度最大；由表9可以看出，γ2>γ3>γ1>γ4>γ5，這表明A+B集水區(qū)與地表水質量標準分級Ⅱ類水關聯(lián)度最大；由表10可得，林地集水區(qū)水質為Ⅰ類水；混合集水區(qū)水質為Ⅱ類水。

2.2.4 主要污染指標分析 通過對A、A+B 2個集水區(qū)的實測數(shù)據(jù)進行分析，得出各評價指標的灰色關聯(lián)度，計算結果見表11。

表7 集水區(qū)絕對差計算結果Table 7 Calculation results of the absolute difference of watershed section

表8 林地集水區(qū)關聯(lián)系數(shù)矩陣Table 8 Correlation coefficient matrix of area section of forestland catchment area

表9 混合集水區(qū)關聯(lián)系數(shù)矩陣Table 9 Correlation coefficient matrix of mixed set water area

表10 2017年松華壩水庫水源區(qū)2個集水區(qū)關聯(lián)系數(shù)及水質等級結果Table 10 Two cross-sectional correlation coefficients and water quality grade results of Songhua dam reservoir in 2017

表11 評價指標的灰色關聯(lián)度Table 11 Gray relational degree of evaluation index

3 討 論

目前已有多位學者針對松華壩水源區(qū)的水質進行研究[18-20]，但是并未針對松華壩水庫源頭迤者小流域進行研究，而本研究基于此現(xiàn)狀，選取了迤者小流域作為試驗地點，對水源區(qū)水質進行了綜合研究。

目前相關研究只對水體水質作了靜態(tài)評價，而本研究基于灰色關聯(lián)分析模型對被評價水體的水質狀況作出了動態(tài)評價。未來的研究方向將在不斷完善水體狀況評價方法的基礎上，對水體水質評價結果的精確性、水質的變化規(guī)律[25]以及變化過程進行更為深入的研究和總結。

4 結 論

本研究基于改進的灰色關聯(lián)分析模型對2017年松華壩水庫水源區(qū)上游集水區(qū)的2個斷面進行地表水環(huán)境質量評價，通過選取合適的評價指標，以地表水環(huán)境質量標準作為評價依據(jù)，研究了不同土地墾殖強度下集水區(qū)地表水的水質特征并最終得出相應的評價結果。

強度墾殖狀態(tài)下混合集水區(qū)的總氮、銨態(tài)氮、總磷和COD的極值差達到了輕度墾殖狀態(tài)下林地集水區(qū)的6.79、4.29、4.88、2.39倍，土地墾殖對總氮、銨態(tài)氮、總磷和COD濃度的影響較大。

通過分析得出，林地集水區(qū)滿足地表水Ⅰ類水質標準，混合集水區(qū)滿足地表水Ⅱ類水質標準，由此可得，地表水質狀況與土地墾殖強度呈負相關關系，松華壩水庫水源區(qū)上游水質整體滿足國家水源地水質標準要求。