渾河上游清原流域河流氮素污染時空變異及其與土地利用的關系

鄭堯文, 魏建兵, 張 娜, 吳尚遇, 石新竹

(沈陽大學 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復教育部重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044)

自20世紀中后期,淡水資源短缺和水源地水質(zhì)惡化問題引發(fā)全球?qū)︼嬘盟踩退吹乇Ｗo的關注.中國非點源污染負荷比重正在逐歩上升,氮和磷已經(jīng)成為水體的主要污染物,由此誘發(fā)的水環(huán)境問題己經(jīng)嚴重威脅到我國的飲用水安全[1].

氮是支撐生命系統(tǒng)最重要的元素之一,但逐漸增強的人類活性氮輸入,極大地改變了氮的自然循環(huán)過程,嚴重威脅著自然生態(tài)系統(tǒng)的健康和人類生存環(huán)境的安全[2-4].人類輸入的超負荷氮素隨降雨徑流、壤中流和地下潛流進入水體,造成河流、 湖庫和河口海岸富營養(yǎng)化以及地下水硝酸鹽污染已經(jīng)成為世界性的水環(huán)境問題[5-9].

湖庫型水源地氮素污染主要有兩大類:一類是點源污染,另一類是非點源污染,隨著國家對水源保護區(qū)生態(tài)保護的重視以及對環(huán)境污染整治力度的加大,近年來重要的湖庫型水源地點源污染已經(jīng)得到基本控制,多數(shù)排污型工廠已經(jīng)搬遷或安裝污水處理設備[1],非點源污染成為這些地區(qū)水體氮素污染的主要形式.這些地區(qū)非點源污染的來源主要有以下幾種途徑:一是農(nóng)業(yè)耕作中不合理的化肥施用;二是部分工業(yè)污水偷排;三是農(nóng)村生活污水無組織分散排放;四是畜禽養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的動物排泄物等.這些物質(zhì)在降雨沖刷等動力作用下進入水體[10-12].非點源污染的負荷和排放路徑與匯水范圍內(nèi)的土地利用類型、強度、格局等有著密不可分的關系[13-15].

近年來,眾多的學者針對流域尺度河流水質(zhì)的時空變異及其與自然環(huán)境和人類活動特征的關系開展了大量的研究[16-19],找到了一些水質(zhì)參數(shù)動態(tài)變化以及與土地利用指標關系的基本規(guī)律,但在不同地區(qū)結(jié)論存在不確定性[20-22],而且大多研究水質(zhì)監(jiān)測的時段較短、集中在夏季且頻次較少,沒有關注到寒冷地區(qū)春季土壤凍融和積雪融化對分散源污染物質(zhì)的沖刷效應[23-24].

渾河是我國七大水系之一遼河的最大支流,其上游是國家九大集中式飲用水源地之一大伙房水庫的集水區(qū),供給沈陽、撫順、大連等7個城市2 300萬人口的工業(yè)和生活用水,在遼寧省經(jīng)濟社會發(fā)展中具有舉足輕重的戰(zhàn)略地位.據(jù)環(huán)境管理部門的監(jiān)測,雖然大伙房水庫的水質(zhì)近年來總體保持著良好等級,但氮、磷超標的問題始終沒有解決.本文以該水庫主要支流之一渾河上游匯水區(qū),即清原流域為研究區(qū),開展年度尺度上不同季節(jié)、上中下游不同支流總氮、氨氮和硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度動態(tài)及其與土地利用的關系研究,旨在探討不同時空條件下水體氮素污染程度及其與土地利用的關系,為流域水環(huán)境管理和土地利用優(yōu)化決策提供參考依據(jù).

1 研究區(qū)概況

渾河上游清原流域位于遼寧省撫順市清原滿族自治縣(圖1),面積2 319 km2,是清原縣面積的2/3;屬溫帶大陸性季風氣候,年平均溫度5.3 ℃,冬冷夏熱,全年凍期長,年平均降水量806.5 mm,6—8月為雨季,占全年降水量的61.9%;地勢東南高西北低,低山丘陵與河谷交錯,中部沿渾河河谷平原向西逐步低緩,境內(nèi)山脈屬長白山龍崗支脈.土壤種類包括暗棕壤、棕壤、白漿土、草甸土、沼澤土和水稻土;植被屬長白植物區(qū)系,兼有華北植物群落,現(xiàn)多為次生林和人工林,植被覆蓋率約80%.經(jīng)濟活動以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主,有部分礦業(yè)開采和木材加工企業(yè);該區(qū)域水資源較為豐富,清原流域有1級和2級支流30余條.

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 流域、水系提取、子流域劃分及采樣點設置

利用清原縣1∶5萬DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù),在ArcGIS 10.2水文分析模塊支持下提取渾河上游清原縣境內(nèi)流域邊界及水系分布,結(jié)合實地調(diào)查,以一級支流和部分二級支流為匯水單元,將流域劃分為39個子流域,在每個子流域出水口設置監(jiān)測斷面,另在主干流上中下游各設置1個監(jiān)測斷面,整個流域共設置42個水質(zhì)斷面采樣點,分別用1#～42#編碼監(jiān)測點(圖2),所對應的的子流域編碼為wa1～wa42.

2.2 水樣采集及測試分析

2018年7月至2019年4月,根據(jù)研究區(qū)的氣象、物候與農(nóng)作時歷特征,按春、夏、秋、冬4個季節(jié)劃分,于2018年7月、10月、12月和2019年的4月進行河流斷面水樣采集,分別對應研究區(qū)豐水期、平水期、枯水期和凍融期.每個調(diào)查斷面采用不銹鋼采水器采集河流表層水樣(0～20 cm),分裝于2個500 mL的聚乙烯瓶,所有樣品均使用醫(yī)用冷藏箱避光保存,48 h內(nèi)運回實驗室進行分析測試.總氮和硝態(tài)氮質(zhì)量濃度采用連續(xù)流動分析儀測定(荷蘭SAN+++),氨氮質(zhì)量濃度采用納氏試劑分光光度法測定(UVmini-1040).

圖2 清原流域子流域及采樣點分布Fig.2 Distribution of sub-watersheds and sampling sites of surface water in Qingyuan watershed

使用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件對42個采樣點168個水樣三氮指標進行描述性統(tǒng)計,并使用單指標法評價其超標率.以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3828—2002)中的Ⅱ類水標準作為評價標準分析總氮和氨氮超標率,由于上述標準中沒有硝態(tài)氮指標,硝態(tài)氮評價參考《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006).

2.3 土地利用分類

使用研究區(qū)2017年ALOS遙感影像,在ENVI 5.1軟件和ArcGIS 10.2軟件支持下對遙感影像進行幾何校正、研究區(qū)裁切等處理.參考國家《土地利用現(xiàn)狀分類標準》(GB/T 21010—2007)將研究區(qū)土地利用類型分類為水田、旱田、林地、草地、水域、建設用地、未利用地和工礦用地8種類型,結(jié)合渾河流域發(fā)展現(xiàn)狀、相關規(guī)劃、斑塊類型以及其分布情況進行目視解譯,制作土地利用分類圖,通過與GoogleEarth高分辨率影像數(shù)據(jù)定位比對和野外實地調(diào)查等驗證,分類精度達到87%,滿足本研究使用目標.

使用42個監(jiān)測點子流域邊界矢量數(shù)據(jù)裁切流域土地利用分類圖,獲得42個子流域的土地利用數(shù)據(jù).運用景觀分析軟件Fragstats 4.2統(tǒng)計各個子流域的土地利用類型面積百分比.

2.4 統(tǒng)計分析

運用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件,以標準差為表征指標,分析42個子流域間三氮水質(zhì)指標的季節(jié)和空間差異性;以42個子流域三氮水質(zhì)指標質(zhì)量濃度和土地利用類型百分比為樣本,采用Spearman秩相關分析考察水質(zhì)與土地利用的相關性.

3 研究結(jié)果

3.1 氮素質(zhì)量濃度總體特征

通過對渾河清原流域各個監(jiān)測點168個水樣的野外采樣、實驗室檢測、數(shù)據(jù)處理,得到水質(zhì)樣本氮素描述性統(tǒng)計結(jié)果(見表1).通過與水質(zhì)標準對照分析,總氮超標率為90.13%,氨氮超標率42.76%,硝態(tài)氮的超標率為0.該河流氮素污染總體較重.

表1 168個水質(zhì)樣本氮素描述性統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Descriptive nitrogen statistics of 168 water quality samples

3.2 氮素季節(jié)變異特征

清原流域地表水不同形態(tài)氮質(zhì)量濃度季節(jié)分布如圖3所示,總氮和硝態(tài)氮質(zhì)量濃度在冬季(枯水期)最高,夏季(豐水期)質(zhì)量濃度最低,在春、秋季(凍融期和平水期)處于中間水平;氨氮質(zhì)量濃度在夏季(豐水期)最高,冬季(枯水期)質(zhì)量濃度最低,春、秋季(凍融期和平水期)處于中間水平.

圖3 清原流域地表水不同形態(tài)氮質(zhì)量濃度季節(jié)分布

Fig.3 Seasonal distribution of mass concentration of nitrogen in surface water in Qingyuan watershed

3.3 氮素空間變異特征

從清原流域不同形態(tài)氮質(zhì)量濃度空間變化上(圖4)來看,研究區(qū)水質(zhì)氮素的空間變異明顯,從上游到中、下游,3種形態(tài)氮質(zhì)量濃度指標均逐漸升高,氮素污染程度從上游至下游逐漸加重.上游27#、28#、32#和35#監(jiān)測點總氮和硝態(tài)氮質(zhì)量濃度偏高,中游20#監(jiān)測點總氮和硝態(tài)氮質(zhì)量濃度偏高,下游3#、7#、8#和10#監(jiān)測點總氮和硝態(tài)氮質(zhì)量濃度偏高,其中7#監(jiān)測點氨氮質(zhì)量濃度異常高.

圖4 清原流域不同形態(tài)氮質(zhì)量濃度空間變化圖Fig.4 Spatial variation of nitrogen mass concentration in different forms in Qingyuan watershed

3.4 土地利用類型分布特征

圖5(見封2)為清原流域土地利用圖,從圖中可以看出,流域的土地利用類型總體特征是以林地為主,占比75.65%,其他土地類型中農(nóng)田和城鄉(xiāng)建設用地占比較大,分別為17.85%、2.84%.草地、水域、工礦用地和未利用地占比較小,均小于1%.農(nóng)田中的水田主要分布在主干流兩側(cè)附近.中上游的林地面積占比較大,建設用地的面積占比較小,旱地面積占比處于中間水平,下游的旱地與建設用地面積占比較大.

圖6為各子流域不同土地利用類型面積百分比分布圖,從圖中可以看出,所有子流域林地面積占比均最大,在40.96%～97.39%之間;旱地面積占比在1.68%～37.93%之間,平均占比為15.6%,其中旱地面積占比大于20%的子流域共有12個,個別流域超過30%,主要分布在中下游;建設用地面積占比在0.12%～15%之間,建設用地超過10%的子流域有2個,分別在2#和7#監(jiān)測點子流域.雖然水域、水田、未利用地、工礦用地的面積占比很小,但是這幾種土地類型對整個流域的水質(zhì)有著重要的影響,水域和水田在各個子流域均有分布, 未利用地與工礦用地多數(shù)位于下游區(qū)域.從土地利用類型的分布來看,整個流域的土地利用類型分布差異較大,下游子流域的土地利用類型較為復雜,中上游子流域的土地利用類型比較單一,以林地與旱田為主.

圖6 各子流域不同土地利用類型面積百分比分布Fig.6 Percentage of area of land use types in each sub-watershed

3.5 氮素質(zhì)量濃度與土地利用特征的相關性

土地利用與氮素質(zhì)量濃度的相關系數(shù)如表2所示,從全年看,河流氮素質(zhì)量濃度與旱田、建設用地和水域有顯著正相關性,與林地呈顯著負相關性,與水田、草地、未利用地、工礦用地相關性不顯著.其中,總氮與林地呈極顯著負相關(P<0.01), 硝態(tài)氮與水域和建設用地無顯著相關性,氨氮與水域和建設用地呈極顯著正相關(P<0.01).

從季節(jié)分布來看,春季河流總氮、硝態(tài)氮與旱田和未利用地呈顯著正相關(P<0.05),與建設用地呈極顯著正相關(P<0.01),與林地呈極顯著負相關(P<0.01);氨氮與旱田和水域呈顯著正相關(P<0.05),與建設用地呈極顯著正相關(P<0.01),與與林地呈極顯著負相關(P<0.01).夏季河流總氮與草地呈顯著負相關(P<0.05);硝態(tài)氮與土地利用沒有顯著相關性;氨氮與水域呈顯著正相關(P<0.05),與建設用地呈極顯著正相關(P<0.01),與林地、草地呈顯著負相關(P<0.05).秋季河流總氮與旱田、建設用地呈顯著正相關(P<0.05),與林地呈顯著負相關(P<0.05);硝態(tài)氮與旱地呈顯著正相關(P<0.05);氨氮與水田呈顯著正相關(P<0.05).冬季河流總氮、硝態(tài)氮與旱田呈顯著正相關(P<0.05),與林地呈顯著負相關(P<0.05);氨氮與旱地、建設用地呈極顯著正相關(P<0.01),與林地呈顯著負相關(P<0.05).

表2 不同土地利用類型與氮素質(zhì)量濃度的相關系數(shù)Table 2 Correlation between land use and nitrogen content in Qingyuan watershed

注: *表示顯著性P<0.05,顯著相關;**表示顯著性P<0.01,極顯著相關.

4 討 論

4.1 氮素質(zhì)量濃度總體特征

渾河清原流域雖以森林景觀為主,近十幾年來也進行了系列環(huán)境整治行動,以關閉污染型企業(yè)和截封排污口為主的措施基本控制住了點源排放,但該流域分布有清原縣城與紅透山、南口前、北三家、英額門、灣甸子、大蘇河和敖家堡等鎮(zhèn)區(qū),以及眾多的農(nóng)村居民點,農(nóng)田面積也占近20%的面積,非點源排放已經(jīng)成為了該流域主要的污染方式.水環(huán)境方面主要體現(xiàn)在地表水的氮、磷超標.本研究河流不同形態(tài)氮素質(zhì)量濃度平均值與國內(nèi)其他水源保護區(qū)不同形態(tài)氮素質(zhì)量濃度平均值的對比,如表3所示.與其他地區(qū)相比,該流域的總氮和硝態(tài)氮質(zhì)量濃度平均值偏高,污染程度較重,氨氮質(zhì)量濃度平均值偏低,污染處于中等偏低的程度.

4.2 氮素季節(jié)變異特征

從流域河流氮素季節(jié)變異特征看,流域氮污染枯水期較為嚴重.冬季是枯水期,氣溫降低,12月份采樣時部分河流已經(jīng)結(jié)冰,環(huán)境溫度較低使得河流中的微生物基本失去活性,多數(shù)植物停止生長,無法繼續(xù)對環(huán)境、水體的氮素進行降解、吸收與攔截,部分城鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水無組織排放、秋季晚期秸稈焚燒、冬季取暖排煙沉降等大量人為活性氮輸入到水環(huán)境中,再加枯水期河流徑流量較小,因此總氮、硝態(tài)氮質(zhì)量濃度高,達到了全年的最大值,氨氮比平水期也有一定增加.

表3 本研究與國內(nèi)其他水源保護區(qū)不同形態(tài)氮素質(zhì)量濃度平均值對比Table 3 Comparison of nitrogen concentrations with other rivers of water resource protect area in China mg·L-1

春季該地區(qū)有少量降雨, 同時植物開始生長, 氣溫逐漸回升, 微生物的活性逐漸增強, 吸附水體中的氮素, 加上春季初期人為活動對流域的干擾相對較小, 且冰層融化, 加強了水體與環(huán)境的聯(lián)系, 所以污染物質(zhì)量濃度相比于冬季有少許下降.

夏季是豐水期,是該地區(qū)的雨季,夏季降雨量占全年降雨量的70%,盡管夏季是該地區(qū)施肥的主要季節(jié),但大量降雨匯流導致河流水量增加,對河流氮素污染物有稀釋作用;同時,河道里植物的生長會吸收水體中的氮素,流域內(nèi)的林地對氮素污染也有一定的滯留作用,使得夏季的總氮、硝態(tài)氮質(zhì)量濃度最低.該流域夏季氨氮濃度偏高可能與畜禽養(yǎng)殖較多有關[31],畜禽排泄物通過徑流沖刷大量進入河流,另外畜禽養(yǎng)殖過程中大量的氨氮進入大氣,通過干濕沉降作用進入到流域水體,根據(jù)支撐本研究的科研項目測得的干濕沉降數(shù)據(jù)分析,干濕沉降中氨氮質(zhì)量濃度占總氮的60%以上,因此夏季河流氨氮的質(zhì)量濃度達到最大值.

秋季屬于平水期,水量逐漸減少,該地區(qū)的植被停止生長,由于東北地區(qū)的溫度較低,秸稈不能自然堆肥,研究區(qū)里大面積秸稈燃燒,導致大量氮素進入環(huán)境中,氮素污染物在秋季質(zhì)量濃度增加.

4.3 氮素空間變異特征

流域河流氮素空間變異特征是與人為活動強度相適應的.無論整個流域還是子流域均是上游以森林植被為主,農(nóng)田和建設用地分布在中下游河流兩側(cè),下游沖擊平原分布有更多的農(nóng)田和城鎮(zhèn)社區(qū),耕作和其他生產(chǎn)生活人為氮素輸入也遵從上游到中下游分布逐漸增強的規(guī)律.而局地的特殊生產(chǎn)類型同時也造成了河流氮素濃度呈現(xiàn)一定的斑塊狀分布,如3#監(jiān)測點上游的木材加工廠,7#監(jiān)測點上游的銅礦和污水處理廠,8#、27#、28#、32#和35#監(jiān)測點上游的養(yǎng)牛場,10#監(jiān)測點上游的屠宰場和20#監(jiān)測點附近的養(yǎng)雞場.

4.4 土地利用類型分布特征及其與河流氮素質(zhì)量濃度的相關性

流域的土地利用特征格局是由當?shù)氐牡蜕角鹆甑匦蔚孛?、土地開發(fā)的難易程度、服務生產(chǎn)生活的便宜度和政府對該地區(qū)功能定位等因素綜合決定的.作為遼寧省重要的水源地,工礦企業(yè)的發(fā)展受到嚴格的準入和規(guī)模限制,經(jīng)濟活動以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主,實現(xiàn)森林保護和水源涵養(yǎng)的主要功能.因此,該流域的水質(zhì)好壞主要取決于生產(chǎn)生活污水排放、農(nóng)業(yè)種植化肥施用和養(yǎng)殖業(yè)畜禽糞便的規(guī)模與管理水平.

該流域土地類型占比和氮素質(zhì)量濃度的相關性分析結(jié)果也說明了這點.旱地占比與3種形態(tài)的氮素質(zhì)量濃度均呈顯著正相關,旱地的面積越多,施用的化肥量越大,秋季秸稈燃燒沉降越多,流域水體的氮素質(zhì)量濃度越高,水質(zhì)越差;總氮、硝態(tài)氮與城鄉(xiāng)建設用地呈極顯著相關,硬化地表徑流匯流以及生活污水無組織排放是污染流域水體的重要原因.林地占比與河流3種氮素質(zhì)量濃度呈極顯著負相關,林地面積占比增大,相對產(chǎn)污土地減少,同時,林草地對過量氮、磷等營養(yǎng)性物質(zhì)具有截留、吸收等作用,水質(zhì)狀況會得到改善;氮素質(zhì)量濃度和水域占比呈正相關性主要是由于本流域河流流量均較小,水域普遍受到污染,面積增大及水量增加尚不足以有效稀釋污染物質(zhì),反而匯聚了更多的活性氮素.

土地類型占比和氮素質(zhì)量濃度的相關性在季節(jié)變化上沒有表現(xiàn)出明顯的差異性,總體趨勢與全年平均基本一致.這可能與該流域人為活動相對較少,河流徑流量變化較為平緩有關.需要重點關注春季冰雪消融攜帶的未利用地污染物輸入河流,該流域草地面積較小,很多的未利用地被荒草覆蓋,成為當?shù)剞r(nóng)民放養(yǎng)牛羊和雞的主要場所,秋冬季會累計較多的畜禽糞便,冰雪融化徑流攜帶下成為春季河流氮素的來源之一.另外,秋季稻田排干水徑流氮素水質(zhì)管理也要引起注意.

5 結(jié) 論

渾河上游作為大伙房水庫的水源地,土地利用較為復雜,環(huán)境敏感,經(jīng)濟欠發(fā)達,在東北低山丘陵地區(qū)水庫型水源保護區(qū)具有典型的代表性.本文以渾河上游清原流域為工作區(qū),開展了流域地表水氮素污染的時空變異及其土地利用影響研究,主要結(jié)論如下.

1) 地表水總氮超標率為90.13%,氨氮超標率42.76%.與我國其他地區(qū)水源地相比,總氮和硝態(tài)氮污染處于偏高程度,氨氮污染處于中等偏低程度.

2) 河流氮素污染在不同季節(jié)出現(xiàn)較大的差異性,豐水期的水質(zhì)最好,枯水期的水質(zhì)最差,秋季平水期和春季融雪融凍期的水質(zhì)處于中間水平.總氮與硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度在枯水期最大,豐水期最小;氨氮濃度在豐水期最大,秋季平水期最小.

3) 河流氮素污染空間變異明顯,氮素污染水平從上游至下游逐漸加重.氮素空間變異特征與人為活動強度梯度相對應.同時,局部的特殊集中用地方式也造成了河流氮素質(zhì)量濃度呈現(xiàn)一定的斑塊狀分布.

4) 河流氮素主要來源于旱田、城鎮(zhèn)和農(nóng)村建設用地以及畜禽養(yǎng)殖集中區(qū),林地面積占比的增加有利于降低氮素污染程度.未利用地放養(yǎng)牛羊累積的排泄物,冰雪消融期沖刷和稻田排水徑流水質(zhì)管理需要受到關注.

5) 控制工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強度,研究生態(tài)補償方式,規(guī)劃和實踐非點源污染最佳管理措施(BMPs)是實現(xiàn)該水源保護區(qū)或其他地區(qū)類似流域地表水環(huán)境氮素污染管理的有效途徑之一.