流域空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)與藥物污染水平的關(guān)系研究

柯紫妍,周添惠,郭亞麗, 卜慶偉,楊 磊, 孫 靜,唐劍鋒

1 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廈門 361021 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,福州 350002 4 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 5 云南大學(xué)國際河流與生態(tài)安全研究院,昆明 650500 6 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083 7 成都信息工程大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,成都 610225

流域空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)是指構(gòu)建流域生態(tài)空間結(jié)構(gòu)和功能之間關(guān)系的數(shù)量指標(biāo)[1]。其包含的流域地貌結(jié)構(gòu)指標(biāo)和景觀格局指數(shù)與流域水質(zhì)關(guān)系密切。流域地貌結(jié)構(gòu)指標(biāo)反映了地形地貌特征,地貌形態(tài)改變流域的水文功能,通過影響流域徑流過程改變流域水質(zhì)[2]。例如,中國曹娥江氮磷與地貌結(jié)構(gòu)指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[3]；撫仙湖的地形坡度影響水質(zhì)變化[4]。景觀格局指數(shù)反映流域土地利用組成及空間分布特征。人類活動會改變景觀形狀、破碎度、連通性、多樣性,從而影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成、流域生態(tài)安全及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[5—6]。研究表明,景觀格局指數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)關(guān)系密切。Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)和聚集度指數(shù)(CONTAG)等景觀格局指數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)如氨氮、總氮、化學(xué)需氧量密切相關(guān)[7]；斑塊指數(shù)如林地最大斑塊景觀面積比(LPIfor)、工業(yè)用地的邊界密度(EDind)與氨氮、總氮呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[8]。東江流域[9]和流溪河[10]的景觀格局配置對河流水質(zhì)有重要影響,現(xiàn)有研究主要聚焦于水質(zhì)指標(biāo)關(guān)系上,對于流域空間結(jié)構(gòu)與藥物的關(guān)系認(rèn)識不足。

近年來,隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展和人類活動增強(qiáng),藥物污染已成為流域水環(huán)境關(guān)注的焦點(diǎn)之一。數(shù)據(jù)顯示,2017年我國原料藥生產(chǎn)總量已超過355萬t[11],2018年我國藥物的市值約為1340億美元,且有逐年增加的趨勢[12]。這些使用的藥物通過制藥工廠廢水、醫(yī)療廢水、生活污水及養(yǎng)殖廢水等方式進(jìn)入水環(huán)境[13],威脅生態(tài)系統(tǒng)安全和人類健康。研究表明,水體中微量水平的藥物就會對水生態(tài)環(huán)境安全產(chǎn)生影響。藥物在不同地區(qū)水環(huán)境中以μg/L級別檢出,如非洲Ngong′河[14],西班牙Llobregat河[15],美國139條河流[16],中國的北運(yùn)河[17]、珠江[18]?，F(xiàn)有研究多聚焦于河流、湖泊的緩沖區(qū)等局部區(qū)域,缺乏整個(gè)流域尺度的研究。研究表明,基于流域尺度的研究對水質(zhì)變化的解釋程度比緩沖區(qū)高,水質(zhì)管理應(yīng)重視以流域尺度為研究對象[19—21]。流域是山水林田湖草的生命共同體,也是研究污染物環(huán)境行為的最佳單元[1]。然而,現(xiàn)有的研究對流域結(jié)構(gòu)組成與污染物的相互關(guān)系和作用認(rèn)識很少。地貌形態(tài)改變流域的水文功能,通過水流路徑等傳輸變化間接影響藥物的遷移轉(zhuǎn)化過程。地貌結(jié)構(gòu)(如坡度)限制土地利用類型,土地利用形式影響人類活動程度而決定流域中的污染物來源[22]。然而流域特征的量化指標(biāo)與藥物污染水平之間的關(guān)系尚不明確。描述流域空間結(jié)構(gòu)的數(shù)量指標(biāo)體系(如流域地貌結(jié)構(gòu)指標(biāo)、景觀格局指數(shù)等)與污染物在流域空間分布之間的關(guān)系需要進(jìn)一步研究。以上問題的解答,可為量化流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與污染物空間分布之間的關(guān)系和作用打下基礎(chǔ)。

海灣是連接陸地生態(tài)系統(tǒng)和海岸帶—海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要樞紐,也是人類活動劇烈的區(qū)域。近年來,隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及養(yǎng)殖污水排放,海灣已成為藥物污染的重要區(qū)域之一。因此,本文以浙江省最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖基地象山灣為研究區(qū)域,通過對象山灣22個(gè)流域水體進(jìn)行采樣和分析,研究流域中藥物組成、含量、分布特征及其與流域生態(tài)結(jié)構(gòu)間的關(guān)系,揭示港灣流域水環(huán)境中驅(qū)動藥物變化的關(guān)鍵因子,為快速城鎮(zhèn)化背景下海灣生態(tài)系統(tǒng)中流域水體質(zhì)量安全保障提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

象山灣位于中國浙江省中部偏北沿海地區(qū),呈東北—西南方向伸入內(nèi)陸的半封閉式港灣,橫跨北侖、鄞州、奉化、寧海和象山(圖1)。象山灣縱深約60 km,內(nèi)部寬度為3—8 km,口門寬度達(dá)20 km,總面積達(dá)563.3 km2。象山灣屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候,干濕分明,年平均氣溫為16.2—17.0℃,年平均降水量為1239—1522 mm,年潛在蒸發(fā)量為1417—1503 mm,年平均日照為1904—1999 h[23]。地形為低山丘陵,三面環(huán)山,土壤類型有粉砂、貝殼砂和黏土,象山灣具有豐富的海洋漁業(yè)資源,主要的海產(chǎn)品有鰻魚、鯧魚、泥螺等[23]。

圖1 象山灣采樣分布圖Fig.1 Location of the study area and water sampling sites in Xiangshan Bay

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

實(shí)驗(yàn)試劑：(1)29種藥物包括D,L-文拉法辛(VFX)、(s)-鹽酸度洛西汀(DXH)、1,7-二甲基黃嘌呤(PXA)、鹽酸帕羅西汀(PXT)、鹽酸諾氟西汀(NFL)、阿米舒必利(AMS)、加巴噴丁(GBP)、卡馬西平(CBZ)、拉莫三嗪(LTG)、可替寧(COT)和10,11-二氫卡馬西平(DHC)、美托洛爾(MPL)、地爾硫卓(DTZ)、阿替洛爾(ATL)、鹽酸普萘若爾(PPL)、吉非羅齊(GFZ)、林可霉素(LIM)、脫水紅霉素(ERY-H2O)均購于Toronto Research Chemicals(TRC)公司。鹽酸阿米替林(AMT)購自中國藥品生物制品鑒定所。奧美普林(OPM)、恩諾沙星(EFC)、環(huán)丙沙星(CFC)、磺胺甲惡唑(SMX)、氯霉素(CAP)、克拉霉素(CLA)、2-磺胺-4-甲基嘧啶(SMR)、磺胺對甲氧嘧啶(SME)均購于Dr. Ehrenstorfer GmbH公司,甲氧芐啶(TMP)和沙拉沙星(SAR)購于北京百靈威公司。

(2)替代標(biāo)準(zhǔn)品及試劑：咖啡因-13C3(CAF-13C3)購于Cerilliant公司,2-磺胺-4-甲基嘧啶-13C6(SMR-13C6)、諾氟沙星-D5(NOR-D5)、氯霉素-D5(CAP-D5)均購于Dr. Ehrenstorfer GmbH公司。甲酸(分析純)購自上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司,乙腈(色譜純)、甲醇(色譜純)購自Fisher公司。

1.3 樣品采集與處理

本研究綜合考慮象山灣流域分布情況,根據(jù)象山灣的水文路徑劃分選取22個(gè)流域作為監(jiān)測對象(圖1),水樣采集時(shí)間為2020年8月。現(xiàn)場用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(哈希Hydrolab)測定溫度、溶解氧、pH、氧化還原電位和鹽度。采樣取水下20 cm處的河流水,水樣裝入4 L棕色玻璃瓶并在低溫下運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析處理。

(1)常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)：過硫酸鉀紫外分光光度法測總氮,過硫酸鉀消解法測溶解性總磷,鉬酸銨分光光度法測定總磷,用離子色譜法測定硝酸鹽氮,用快速消解分光光度法測定化學(xué)需氧量,用分光光度法測定水樣中懸浮固體。

(2)藥物前處理過程：取1 L水樣過0.7 μm玻璃纖維濾膜(GF/F Whatman),每個(gè)水樣中加入0.2 g Na2EDTA,調(diào)節(jié)pH為3.00±0.02。分別用10 mL甲醇、15 mL超純水活化HLB柱(6CC/ 500 mg, Oasis HLB Extraction Cartridge),并控制水樣流速為5—10 mL/min。過完水樣后抽真空30 min,再用18 mL超純水洗去鹽分,接著用6 mL甲醇洗脫富集物,洗脫液經(jīng)氮吹濃縮至100 μL,用甲醇定容至1 mL,過0.22 μm有機(jī)相針式濾器。測定前先取200 μL樣品到1 ml 色譜瓶中,再加入700 μL的含0.1%甲酸的(甲醇∶水= 5∶95)溶液和100 μL 的100 μg/L內(nèi)標(biāo)物,上機(jī)測定。

1.4 儀器條件與質(zhì)量控制

藥物測定采用超高效液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(1290 Infinity Ⅱ UHPLC-Ultivo,安捷倫公司)及ZORBAX Eclipse Plus C18色譜柱,無機(jī)流動相為 0.1%的甲酸水,有機(jī)流動相為乙腈?？股仡惿V柱溫度和流動相流速分別為40℃、0.3 mL/min；其他類藥物的色譜柱溫度和洗脫流速分別為35℃、0.35 mL/min。質(zhì)譜條件采用多反應(yīng)監(jiān)測(MRM)模式,離子源為電噴霧離子源,CAP和GFZ采用負(fù)電離模式,其他藥物采用正電離模式。毛細(xì)管電壓為2.8 kV；干燥氣流速為7.0 L/min,干燥氣溫度為300℃；鞘氣流速為11.0 L/min,鞘氣溫度為300℃。

采用內(nèi)標(biāo)法測定,標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的濃度分別為0、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10、20 μg/L,內(nèi)標(biāo)物的濃度均為10 μg/L,標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性相關(guān)系數(shù)(r)均為0.99以上,方法檢出限為0.01—6.65 ng/L。為驗(yàn)證前處理方法的可靠性,基質(zhì)加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)(加標(biāo)量10 ng)的結(jié)果顯示,除阿替洛爾、加巴噴丁和阿米舒必利的回收較低外,其余藥物的加標(biāo)回收率為48.5%—180.6%。阿替洛爾、阿米舒必利在堿性條件下提取的回收率更高[24],加巴噴丁用含0.1%甲酸甲醇洗脫時(shí)回收率更高[25],文獻(xiàn)報(bào)道抗抑郁藥物如阿米替林、文拉法辛在氮吹過程中可能損失[26]。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

用SPSS 26.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,使用Origin 2018進(jìn)行圖形繪制。景觀格局指數(shù)使用Fragstats 4.2進(jìn)行計(jì)算[27],流域地貌結(jié)構(gòu)指標(biāo)由ArcGIS 10.6提取獲得,流域空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)的具體內(nèi)容見表1[1,6,28]。

2 結(jié)果與討論

2.1 流域基本性質(zhì)

本研究基于DEM數(shù)據(jù)和流域水文路徑劃分了22個(gè)流域,不同流域間的流域特征指標(biāo)存在差異。在地貌特征上,22個(gè)流域的長度變化范圍為5.09—22.6 km, 形態(tài)因子為0.259—0.913,伸長比為0.575—1.08,圓度為0.226—0.591(表2)。形態(tài)因子、伸長比和圓度較高的流域趨于圓形形狀。流域平均坡度為6.44°—16.4°,多數(shù)流域的平面曲率與剖面曲率、河網(wǎng)分型維數(shù)為負(fù)值,流域山坡地貌呈微凹狀。流域面積高程曲線斜率的范圍為0.206—0.860,其中12個(gè)流域的面積高程曲線斜率高于0.50,表明象山灣多數(shù)流域地形陡峭。

表1 流域空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)

表2 象山灣流域特征指標(biāo)

水質(zhì)指標(biāo)顯示,pH為5.69—9.23,總懸浮固體為2—55 mg/L,鹽度為0.06—26 ‰,化學(xué)需氧量為1—16 mg/L,硝酸鹽氮為0.15—5.3 mg/L,總氮為0.480—5.95 mg/L,總磷為0.070—0.39 mg/L,溶解性總磷為0.030—0.23 mg/L,水質(zhì)污染指標(biāo)結(jié)果表明象山灣流域水質(zhì)渾濁,存在水體氮磷含量超標(biāo)現(xiàn)象。

2.2 藥物分布與濃度水平

結(jié)果表明,象山灣水體共檢出22種藥物,分別為LIM、TMP、CFC、EFC、SAR、SMX、CAP、ERY-H2O、CLA、COT、ATL、PXA、GBP、AMS、LTG、MPL、VFX、PPL、DTZ、CBZ、DHC、AMT(圖2)。其中,林可霉素抗生素LIM、兩種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素ERY-H2O和CLA的檢出率都為100%。三種喹諾酮類抗生素EFC、CFC和SAR的檢出率分別為86%、72%和50%?；前奉惪股豐MX和酰胺醇類抗生素CAP的檢出率分別為77%和59%。兩種抗癲癇藥物GBP和CBZ的檢出率為100%。三種β受體阻滯劑ATL、MPL和PPL的檢出率分別為100%、95%和100%。三種抗抑郁藥物AMS、VFX和AMT的檢出率分別為100%、100%和77%。六種其它類藥物的檢出率較高,僅LTG的檢出率為59%,其余五種藥物的檢出率都為100%。

目標(biāo)藥物檢出濃度范圍為n.d.—220.20 ng/L(圖2)。其中,抗生素類藥物喹諾酮類、大環(huán)內(nèi)酯類和林可霉素,其檢出濃度分別為n.d.—16.5 ng/L、n.d.—35.8 ng/L和2.36—29.1 ng/L；其余抗生素如磺胺類和酰胺醇類的濃度分別為n.d.—5.80 ng/L和n.d.—21.2 ng/L。非抗生素類藥物主要包含β受體阻滯劑、抗癲癇藥和抗抑郁藥,其檢出濃度分別為n.d.—15.0 ng/L、n.d.—37.5 ng/L和n.d.—3.49 ng/L。象山灣中林可霉素的平均濃度為8.17 ng/L, 高于美國密歇根湖(4.28 ng/L)[29]和松花江(4.80 ng/L)[30],但低于長江流域(13.3 ng/L)[31]。林可霉素以生物降解為主,當(dāng)林可霉素的濃度過高時(shí),生物降解過程將受到抑制,這會造成林可霉素在水環(huán)境中持久性存在[32]。對于非抗生素類藥物,如卡馬西平,由于具有難以生物降解和吸附特點(diǎn)[33],在水體中廣泛檢出,本研究中檢出的平均濃度(3.4 ng/L)高于欽州灣(0.08 ng/L)[34]和悉尼河口的濃度(1.1 ng/L)[35],但遠(yuǎn)低于西班牙的圖里亞河(121.3 ng/L)[36]和巴西阿尼爾河的研究結(jié)果[37]。

象山灣水域沿岸遍布的水產(chǎn)養(yǎng)殖場、農(nóng)場以及制藥公司排放的廢水可能是其藥物污染的主要來源[38]。喹諾酮類、四環(huán)素類和磺胺類抗生素在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中常作為抗菌劑使用[34],含抗菌劑的飼料造成水體藥物污染。另外,近年來象山灣經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,港灣內(nèi)部污染源增多[39]。象山灣檢出的人用藥物可能來自周圍的制藥工廠污水及生活污水。在污染源混雜的環(huán)境下,象山灣水環(huán)境存在多類藥物污染源交叉污染的現(xiàn)象。

圖2 象山灣22種藥物濃度Fig.2 Concentrations of 22 pharmaceuticals in Xiangshan Bay 圖中括號內(nèi)的數(shù)字為藥物檢出率(%)

2.3 流域空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)對藥物的影響

2.3.1 藥物與流域地貌結(jié)構(gòu)指標(biāo)的關(guān)系

流域地貌結(jié)構(gòu)指標(biāo)與水質(zhì)和藥物均有一定的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果顯示,流域地貌結(jié)構(gòu)指標(biāo)如平均坡度、河網(wǎng)分形維數(shù)、面積高程曲線斜率和流域長度與水質(zhì)指標(biāo)COD、總磷、溶解性總磷及絕大多數(shù)檢出藥物濃度均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)(圖3)。流域地貌結(jié)構(gòu)指標(biāo)通過影響徑流量和水文路徑而對污染物的環(huán)境行為和匯集過程造成影響[22]。

線性回歸分析表明,藥物總濃度與平均坡度(MS)(R2=0.13,P<0.01)、β受體阻滯劑與面積高程曲線斜率(SAEC)顯著負(fù)相關(guān)(R2=0.49,P<0.01)(圖4)。一般而言,流域徑流系數(shù)與流域坡度顯著正相關(guān)[2],平均坡度越大流域徑流量越多,藥物濃度逐漸被稀釋。坡度較緩的區(qū)域,由于農(nóng)業(yè)耕作活動頻繁導(dǎo)致氮磷含量增加[40],有機(jī)肥和農(nóng)藥成為環(huán)境中藥物污染的主要來源之一。坡度陡峭的地形易受水流沖擊造成土壤侵蝕,營養(yǎng)物質(zhì)流失,耕地活動減少[40—41]；而當(dāng)流域周邊環(huán)境缺乏生產(chǎn)力時(shí),人類活動將逐漸減少,藥物的輸入途徑和機(jī)率變少。β受體阻滯劑是水中污染廣泛的人用藥物,痕量水平即對水生生物具有毒性作用。β受體阻滯劑與SAEC負(fù)相關(guān)表明,面積高程曲線斜率越高,流域地勢越陡峭,蓄水能力下降,藥物隨水流分散四周,流域中含納的污染物減少。地貌結(jié)構(gòu)愈平坦,水底沉積物中的藥物與水流在充分接觸后逐漸轉(zhuǎn)移至水相中,導(dǎo)致藥物分散到緩流中。地貌因子對河流水質(zhì)影響研究發(fā)現(xiàn),坡度影響污染物匯集過程與徑流量大小,坡度與污染指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[22]。因此,流域平緩的地形既會提高人類活動干擾,也會增加藥物的匯集。

圖3 藥物與流域特性及水質(zhì)指標(biāo)的冗余分析(P<0.05)Fig.3 Redundancy analysis of pharmaceuticals, watershed characteristics and water quality parameters (P<0.05)Sal：鹽度salinity；COD；化學(xué)需氧量chemical oxygen demand；DTP：溶解性總磷 dissolved total phosphorus；Total：總藥物 total pharmaceuticals;LIM：林可霉素lincomycin；TMP：甲氧芐啶trimethoprim；CFC：環(huán)丙沙星ciprofloxacin；EFC：恩諾沙星enrofloxacin；SAR：沙拉沙星sarafloxacin；SMX：磺胺甲惡唑sulfamethoxazole；CAP：氯霉素 chloramphenicol；ERY-H2O：脫水紅霉素anhydro-erythromycin；CLA：克拉霉素clarithromycin；COT：可替寧cotinine；ATL：阿替洛爾atenolol；PXA：1,7-二甲基黃嘌呤paraxanthine；GBP：加巴噴丁gabapentin；AMS：阿米舒必利amisulpride；LTG：拉莫三嗪lamotrigine； MPL：美托洛爾metoprolol；VFX：D,L-文拉法辛venlafaxine；PPL：鹽酸普萘若爾rac propranolol hydrochloride；DTZ：地爾硫卓diltiazem；CBZ：卡馬西平carbamazepine；DHC：10,11-二氫卡馬西平10,11-dihydro carbamazepine；AMT：鹽酸阿米替林amitriptyline hydrochloride

圖4 藥物與平均坡度及面積高程曲線斜率的關(guān)系Fig.4 Relationships between pharmaceuticals and mean slope, slope of area elevation curve

2.3.2 藥物與景觀格局指數(shù)的關(guān)系

相關(guān)分析表明,在景觀水平上,藥物總濃度與蔓延度指數(shù)(CONTAG)顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),藥物總濃度與Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)顯著正相關(guān)?？拱d癇藥物與ED、SHEI顯著正相關(guān),而與CONTAG顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)(表3、圖5)。由此可知,CONTAG與SHEI同藥物污染密切相關(guān)。SHEI體現(xiàn)景觀組成多樣性與分布均勻度,SHEI與藥物的正相關(guān)表明,當(dāng)景觀組成多樣時(shí),人類活動干擾增加,環(huán)境中藥物含量高。CONTAG表征土地利用類型的分散程度,CONTAG與藥物的負(fù)相關(guān)表明用地分布越零散污染物增多。此外,分散的景觀配置導(dǎo)致人類活動干擾增加,藥物污染增加。例如,人類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)分散和縮減林地面積,降低物質(zhì)流和能量流的連通性,加速生境質(zhì)量下降[28]。研究結(jié)果顯示,人類活動指標(biāo)對藥物污染有顯著貢獻(xiàn),人為干擾造成藥物污染的形式多樣,人類活動是流域藥物濃度的另一主要因素[42]。景觀格局指數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)密切相關(guān),韓國水庫的水質(zhì)與景觀指數(shù)關(guān)系表明,CONTAG與BOD、COD、TN、TP顯著負(fù)相關(guān),高度破碎化的景觀格局對流域水質(zhì)形成負(fù)面影響[28]。CONTAG和SHEI與藥物濃度也有相似的關(guān)系,所以景觀格局指數(shù)對水環(huán)境中的藥物有相同的解釋度和關(guān)聯(lián)性。

表3 藥物與景觀格局指數(shù)相關(guān)系數(shù)

圖5 藥物與景觀格局指數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationships between pharmaceuticals and landscape characteristics

在斑塊水平上,城鎮(zhèn)用地面積加權(quán)平均形狀因子(IsSHAPE-AM)與藥物總濃度、大環(huán)內(nèi)酯類抗生素、β受體阻滯劑、抗癲癇藥物和其他類藥物顯著負(fù)相關(guān)；最大斑塊景觀面積比指數(shù)(IsLPI)與大環(huán)內(nèi)酯類抗生素顯著正相關(guān)(表3)。IsSHAPE-AM是表征城鎮(zhèn)用地規(guī)則程度與景觀格局復(fù)雜性的指標(biāo)。IsSHAPE-AM越大,城鎮(zhèn)用地形狀越不規(guī)則,表明人類建設(shè)活動四處分散,污染物分散排放使環(huán)境質(zhì)量下降。研究表明,IsSHAPE-AM與水質(zhì)指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,由于城鎮(zhèn)用地具有人口密度高和城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速的特點(diǎn),城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張會導(dǎo)致嚴(yán)重的水質(zhì)污染[43]。建造水利工程、改變土地利用方式,人類活動干擾水循環(huán)和景觀多樣性,造成生態(tài)環(huán)境問題[6]。此外,林地斑塊指數(shù)與藥物的關(guān)系同城鎮(zhèn)用地形成相反趨勢。林地面積加權(quán)平均形狀因子(fSHAPE-AM)與其他類抗生素顯著正相關(guān)。林地最大斑塊景觀面積比(fLPI)與藥物總濃度、抗癲癇藥物、其他類藥物顯著負(fù)相關(guān),fLPI值越高表明林地是景觀組成中的優(yōu)勢類型,林地可通過吸附、攔截、分解作用優(yōu)化水質(zhì)[20]。研究發(fā)現(xiàn)fLPI可以解釋超30%的水質(zhì)總變異,當(dāng)流域受氮、磷污染時(shí),fLPI應(yīng)分別為35%和52%時(shí)水體才能通過自凈作用有效去除污染物[44]。林地與城鎮(zhèn)用地兩種相反的結(jié)果表明,前者能夠優(yōu)化水質(zhì),后者導(dǎo)致水質(zhì)惡化,因此可通過景觀配置影響流域水質(zhì)質(zhì)量。

流域結(jié)構(gòu)特性長期影響水文過程[45],景觀格局改變物質(zhì)流、能量流的傳送過程,它們與污染物之間存在復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系。研究表明,生態(tài)質(zhì)量受不透水面積連通度與聚集度影響,生態(tài)質(zhì)量與不透水區(qū)域內(nèi)的人口密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[46]?？股嘏c土地利用分布和景觀格局特征密切關(guān)聯(lián),景觀格局可以改善水體抗生素污染[47]。綜上,可在坡度較緩的區(qū)域增加保護(hù)措施,減少人為活動,降低藥物污染進(jìn)入水環(huán)境的概率。確保流域環(huán)境景觀多樣性的基礎(chǔ)上,通過合理規(guī)劃流域周邊用地,增加林地面積,減少城鎮(zhèn)用地,并且保證景觀的連通度和聚集度,實(shí)現(xiàn)上述流域空間特性指標(biāo)的調(diào)控作用。因此,可通過調(diào)控平均坡度、蔓延度指數(shù)、面積加權(quán)平均形狀因子和最大斑塊景觀面積比來影響流域藥物匯集。

3 結(jié)論

(1) 象山灣海灣藥物污染嚴(yán)重,以抗生素和抗癲癇藥物為主要污染因子。

(2) 象山灣地貌結(jié)構(gòu)指標(biāo)與藥物污染水平密切相關(guān),其中平均坡度指標(biāo)與藥物總濃度呈顯著負(fù)相關(guān),面積高程曲線斜率與β受體阻滯劑之間呈顯著負(fù)相關(guān)。

(3) 流域景觀格局指數(shù)是藥物污染水平的影響因子,其中藥物與蔓延度指數(shù)顯著負(fù)相關(guān),藥物與均勻度指數(shù)顯著正相關(guān)。斑塊指數(shù)在城鎮(zhèn)和林地不同斑塊水平呈相反的趨勢,最大斑塊景觀面積比和面積加權(quán)平均形狀因子是與藥物濃度相關(guān)的兩種斑塊指數(shù)。