土地生態(tài)健康評價中地表水污染特征分析:以河南省臺前縣為例

陳太政，于 斌，梁留科，李湘豫，劉曉靜，王少華

(河南大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 開封475004)

0 引言

A.Leopold提出“土地健康”概念，并把土地亞健康(land sickness)描述為土地生態(tài)系統(tǒng)功能紊亂［1］。Howard T.Odum認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)是一個有機(jī)整體，健康的生態(tài)系統(tǒng)具有恢復(fù)力(resilience)，保持著內(nèi)在穩(wěn)定性(homeostasis)，是具有自我調(diào)節(jié)和反饋功能的有機(jī)體［2］。D.J.Rapport等認(rèn)為，健康的生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該包括滿足人類社會合理要求能力和生態(tài)系統(tǒng)本身自我維持與更新能力2個方面的內(nèi)涵［3］。L.R.Schaeffer等在給生態(tài)系統(tǒng)健康定義新的概念中，把生態(tài)系統(tǒng)健康定義為生態(tài)系統(tǒng)健康是沒有疾病的生態(tài)系統(tǒng)(absence of disease)，生態(tài)系統(tǒng)功能閾限沒有超過最大恢復(fù)調(diào)節(jié)度時生態(tài)系統(tǒng)仍然是健康的［4］。T.Page認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)的組成部分保持著一個動態(tài)平衡狀態(tài)，在受到來自生態(tài)系統(tǒng)外界干擾時能通過自身調(diào)節(jié)恢復(fù)平衡，并為人類社區(qū)提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能［5］。R.Costanza對生態(tài)系統(tǒng)健康概念進(jìn)行了總結(jié)，即生態(tài)系統(tǒng)隨著時間推移維持自身組織，對外力脅迫具有抵抗力，這樣的生態(tài)系統(tǒng)就是健康的生態(tài)系統(tǒng)［6］。我國土地健康專家陳美球等認(rèn)為，土地生態(tài)系統(tǒng)健康是指土地維持自身正常新陳代謝的一種狀態(tài)，系統(tǒng)本身恢復(fù)調(diào)節(jié)能力可緩和外界干擾，使土地與人之間、生物體與生物體之間、生物體與無機(jī)環(huán)境之間的共生、互生、再生過程得到持續(xù)發(fā)展［7］。蔡為民等，梁流濤等，王麗萍將土地生態(tài)系統(tǒng)健康概括為結(jié)構(gòu)合理，功能正常發(fā)揮，所產(chǎn)生的生態(tài)效益、社會經(jīng)濟(jì)效益能滿足人類需要的土地生態(tài)系統(tǒng)［8-10］。在這個動態(tài)平衡系統(tǒng)中，地表水質(zhì)量情況對土地生態(tài)系統(tǒng)健康影響極其重要，不但影響水中生物大量繁殖，造成水體缺氧，直接危害生物成長，同時產(chǎn)生氨氮、亞硝酸鹽、硫化氫等影響生態(tài)環(huán)境健康。COD(化學(xué)需氧量)、氨氮作為反映水體有機(jī)污染程度的重要指標(biāo)，已受到國內(nèi)外更多學(xué)者的關(guān)注［11-18］，但對土地生態(tài)系統(tǒng)健康中COD、氨氮的影響研究較為鮮見。本研究根據(jù)河南省臺前縣金堤河的2011年水質(zhì)動態(tài)連續(xù)觀測及水樣實驗，重點分析研究期間COD、氨氮的含量變化及其對土地生態(tài)系統(tǒng)健康的影響。

1 研究區(qū)概況

臺前縣位于河南省東北部，介于北緯35°53＇50″～35°55＇28″，東經(jīng) 115°48＇40″～ 115°50＇58″之間，總面積454 km2。地貌系中國第三階梯的中后部分，屬黃河沖積平原，地形呈西南向東北自然傾斜，海拔均在48～58 m之間。氣候受東南季風(fēng)環(huán)流的控制，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)型大陸性氣候。金堤河系黃河北側(cè)支流，源于新鄉(xiāng)縣司張排水溝，自安陽市滑縣入濮陽境，經(jīng)濮陽縣、范縣、臺前縣，于臺前縣吳壩鄉(xiāng)張莊村北匯入黃河。境內(nèi)河流長125 km，流域面積1 750 km2，年平均流量5.26 m3/s，年均徑流量1.66×109m3。金堤河與黃河橫穿全縣，將縣域境內(nèi)分割為黃河灘地和背河洼地兩大部分，形成“三堤兩河一灘”的地貌特征。研究區(qū)域內(nèi)地勢平坦，土層深厚，墾殖率高，絕大部分已開辟為農(nóng)田，是河南省糧食主產(chǎn)區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定，金堤河是黃河下游北側(cè)的重要河流，該河流作為灌溉用水對土地生態(tài)健康具有很大影響。因此，本研究選擇黃河與金堤河之間的臺前縣縣域作為研究區(qū)域。

2 材料與方法

研究于2011年1月1日至12月19日在黃河下游北側(cè)的一條重要支流金堤河進(jìn)行，為了完整地反映研究區(qū)地表水對河南省臺前縣土地生態(tài)系統(tǒng)健康影響及地表水因子的變化狀況特征，對金堤河水樣進(jìn)行了全年動態(tài)觀測。根據(jù)土地生態(tài)系統(tǒng)健康評價要求掌握地表水體中COD、氨氮含量的變化特征，分別對研究區(qū)的入境斷面和出境斷面同時采集水樣，采樣頻率為6～9次/月，檢測項目為COD(化學(xué)需氧量)和氨氮總量、河流流量3個指標(biāo)。樣品采集地點分別來自臺前縣過境河流金堤河的子路堤斷面(入境處)、賈垓橋斷面(出境處)，通過實驗分析計算入境和出境河流水中COD、氨氮含量的差異變化，探尋地表水對土地生態(tài)系統(tǒng)健康的影響?；瘜W(xué)需氧量(COD)的測定方法依據(jù)國標(biāo)(HJ/T 399—2007)測定方法要求［19］，采用快速消解分光光度法在強(qiáng)酸性溶液中用硫酸銀作催化劑，用0.25 mol/L的重鉻酸鉀作氧化劑，于165℃恒溫加熱器中氧化水樣10 min，一定量的Cr6+被水中的還原性物質(zhì)還原為Cr3+，于波長600 nm處對Cr3+進(jìn)行分光光度法的測定，根據(jù)Cr3+含量計算 COD濃度［20］。氨氮的測定方法依據(jù)國標(biāo)(HJ 535—2009)要求［21］，采用納氏試劑分光光度法使水中氨與鈉氏試劑(K2HgI4)在堿性條件下生成黃棕色化合物(NH2Hg2OI)，在420 nm波長范圍內(nèi)其色度與氨氮含量成正比，用可見分光光度法進(jìn)行測定［22-25］。

2.1 COD測定方法

2.1.1 儀器與試劑。722型分光光度計;氧化劑(重鉻酸鉀)和催化劑(硫酸銀);鄰苯二甲酸氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液(稱取105℃ ～110℃下干燥2 h的鄰苯二甲酸氫鉀0.425 l g溶于水中，稀釋至500 mL定容備用，該溶液的COD理論值 為1 000 mg/L)。

2.1.2 測定步驟。取適量水樣(＜500 mg/L)于試管中，加水至3.0 mL，加入氧化劑 1.0 mL，再加入催化劑5.5 mL，置入恒溫加熱器中，在(165±2)℃條件下氧化水樣10 min，冷至室溫后，高量程方法在(600±20)nm波長處用3 cm比色皿，以二次蒸餾水為參比液用分光光度計測定吸光度;低量程方法(600±20)nm波長處用3 cm比色皿，以二次蒸餾水為參比液用分光光度計測定吸光度。在(600±20)nm波長處測定時，水樣COD值ρ=n［k(As-Ab)+a］;在(440 ±20)nm波長處測定時，水樣COD 值ρ=n［k(Ab-As)+a］。式中:ρ為水樣 COD 值(mg/L);n為水樣稀釋倍數(shù);k為校準(zhǔn)曲線靈敏度，單位為(mg/L)/1;As為試樣測定的吸光度值;Ab為空白試驗測定的吸光度值;a為校準(zhǔn)曲線截距(mg/L)。

2.2 氨氮測定方法

2.2.1 儀器與試劑?？梢姺止夤舛扔?無氨水;輕質(zhì)氧化鎂;鹽酸;納氏試劑;酒石酸鉀鈉溶液;硫酸鈉溶液;硫酸鋅溶液;氫氧化納溶液;鹽酸溶液;硼酸溶液;溴百里酚藍(lán)指示劑;淀粉-碘化鉀試紙;吸取5.00 mL氨氮標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液于500 mL容量瓶中稀釋至刻度線備用。

2.2.2 測定步驟。取適量預(yù)處理后的樣品作為試料，轉(zhuǎn)入50 mL比色管，不到50 mL的定容到50 mL，濃度稍大時可進(jìn)行稀釋，使氨氮含量控制在測定的線性范圍內(nèi)，加入1.0 mL酒石酸鉀鈉溶液，搖勻后再加1.5 mL納氏試劑搖勻，放置10 min后在420 nm波長處用20 mm比色皿以水為參比，測量吸光度，其計算結(jié)果表示為:ρN=(As-Ab-a)(b× V)。式中:ρN為水樣中氨氮的質(zhì)量濃度(mg/L);As為試樣測定的吸光度值;Ab為空白試驗測定的吸光度值;a為校準(zhǔn)曲線的截距;b為校準(zhǔn)曲線的斜率;V為試料體積(mL)。

3 結(jié)果與分析

3.1 COD變化特征

入境COD含量在5月9日達(dá)到最高含量53.80 mg/L，比入境年平均含量(34.69 mg/L)高55%，全年變化趨勢不大，呈現(xiàn)整體小幅度減小的趨勢(圖1a)。出境COD在1月10日達(dá)到最高含量50.50 mg/L，比出境年平均含量(32.29 mg/L)高57%，全年變化趨勢呈現(xiàn)出波動，相對入境變化趨勢減小明顯(圖1b)。出境COD含量在5月2日之前，一直高于入境含量。之后，首次于5月9日明顯低于入境含量，此后與入境含量相當(dāng)，持續(xù)一段時間后再次出現(xiàn)低于入境含量的情況。直到8月底以后，出境COD含量明顯低于入境含量，且表現(xiàn)出入境含量差別最大的特征(圖2)。與此同時，8月底以后表現(xiàn)出入境COD含量在這段時間相對于出境大量增加，以9月份上、中旬最為明顯(圖3a)。從全年月平均COD含量變化趨勢(表1)來看，9月份平均含量增加到17.05 mg/L，且全年月平均含量的變化呈現(xiàn)增大的趨勢，并呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系(圖3b)。

3.2 氨氮變化特征

入境氨氮含量1—2月份平緩增加，在5月9日達(dá)到最大含量3.48 mg/L，比入境年平均含量(1.11 mg/L)高214%。此后緩慢減少，直至9月下旬后再次呈現(xiàn)出增加的趨勢(圖4a)。出境與入境氨氮含量保持著相應(yīng)的變化特征趨勢(圖4b)，在5月9日達(dá)到全年最大值(3.48 mg/L)，比出境年平均含量 (1.09 mg/L)高219%。無論從出境氨氮變化趨勢還是從出入境氨氮變化趨勢和出入境氨氮趨勢線對比分析來看，出境氨氮含量都表現(xiàn)出整體含量減小的趨勢(圖5)。全年凈增加含量也保持著與出境變化相類似的特征(表1)，6月28日達(dá)到最大值1.54 mg/L，呈現(xiàn)總趨勢微弱減小的變化動態(tài)(圖6a)。月平均增加含量在6月份達(dá)到最高值0.274mg/L，此后持續(xù)減小，直到11月減小到最低值-0.37 mg/L，并具有良好的線性關(guān)系(圖6b)。

表1 COD和氨氮月平均含量增加值 mg/LTab.1 The average monthly added value of COD and Amindnia

3.3 相關(guān)分析

相關(guān)系數(shù)是描述2個變量之間的離散程度的指標(biāo)。用于判斷2個變量的變化是否相關(guān)，即一個變量的較大值是否和另一個變量的較大值相關(guān)聯(lián)(正相關(guān));或一個變量的較小值是否和另一個變量的較大值相關(guān)聯(lián)(負(fù)相關(guān));或是2個變量中的值互不關(guān)聯(lián)(相關(guān)系數(shù)近似于0)。設(shè)(X，Y)為二元隨機(jī)變量，那么:

式中:ρ為隨機(jī)變量X和Y的相關(guān)系數(shù)，度量X和Y之間線性相關(guān)的密切程度;Y為自變量;X為因變量。

圖7 化學(xué)需氧量(COD)與氨氮之間的關(guān)系Fig.7 The correlation between COD and Ammonia

從數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)論能夠看出，研究區(qū)COD與氨氮之間的線性關(guān)系不顯著(圖7)，且相關(guān)系數(shù)R2均小于0.100 00。COD和COD增加量之間的線性相關(guān)系數(shù)R2為-0.830 36，呈現(xiàn)良好的負(fù)相關(guān)。(1)R2檢驗:在回歸統(tǒng)計區(qū)域中，給出的 R2為0.689 053，調(diào)整后的 R2為0.682 896，均接近1，說明研究區(qū)COD和COD增加量的關(guān)系很密切(圖8，圖9)。(2)F檢驗:在方差分析區(qū)域中，給出的F 檢驗值為104.370 1，遠(yuǎn)大于F0.05，說明研究區(qū)COD和COD增加量的回歸效果非常顯著。(3)t檢驗:在回歸模型區(qū)域中，給出了回歸系數(shù) β0，β1，β2，β3的估計值及其標(biāo)準(zhǔn)誤差以及t檢驗值和回歸系數(shù)估計區(qū)間的下限等。由于各回歸系數(shù)的t檢驗值分別為10.901 52，-10.216 2，研究區(qū)COD和COD增加量有顯著相關(guān)(圖10)。綜合上述計算和檢驗結(jié)果，可得回歸模型:

3.4 水質(zhì)分類

COD、氨氮對土地健康影響值與地表水(河流)流量有很大的關(guān)系，在分析COD、氨氮影響時首先考慮流量的變化對COD、氨氮的影響。從全年的入境流量和出境流量來看，河流的流量變化不大(圖11)，幾乎保持出入動態(tài)平衡的狀態(tài)。河流月平均流量增加值除受季節(jié)影響7月份增加520 m3/h外，其他均保持在穩(wěn)定的狀態(tài)(圖12)。在分析COD、氨氮對土地健康影響時可以排除流量的因子作用。地表水中COD、氨氮含量在流經(jīng)研究區(qū)后發(fā)生改變，含量大小變化視為對土地生態(tài)健康的影響，含量增大則影響強(qiáng)，含量減小則影響弱。通過對河流經(jīng)過研究區(qū)前后的實驗測定，以平均值、最大值 最小值、累計增加值4項指標(biāo)數(shù)據(jù)反映COD、氨氮對研究區(qū)土地生態(tài)健康的影響(表2)。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值，COD的最小值16.90 mg/L，歸屬Ⅲ類;平均值32.29 mg/L，應(yīng)歸屬于Ⅴ類;最高值 50.50 mg/L，遠(yuǎn)大于Ⅴ類最高標(biāo)準(zhǔn)值，按最高分類標(biāo)準(zhǔn)歸屬于劣Ⅴ類。氨氮的最小值0.32 mg/L，歸屬Ⅱ類;平均值1.09 mg/L，歸屬Ⅳ類;最大值3.37 mg/L，超出最高標(biāo)準(zhǔn)限值(2.00 mg/L)按最高標(biāo)準(zhǔn)值分類歸屬，隸屬于劣Ⅴ類。

表2 COD、氨氮統(tǒng)計值 mg/LTab.2 The statistics of Ammonia and COD

3.5 污染評價

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)、《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848—93)、《河南省環(huán)境質(zhì)量報告書》(2006—2010年)［26］、《濮陽市環(huán)境質(zhì)量報告書》(2006—2010年)［27］規(guī)定的水環(huán)境質(zhì)量評價方法，以市控河流監(jiān)測斷面所代表的河流作為一個城市地表水環(huán)境質(zhì)量的評價域，分別計算單個斷面或區(qū)域污染物算術(shù)平均值和區(qū)域(或河流)平均綜合污染指數(shù)，公式如下:

式中:P為區(qū)域(或河流)平均綜合浸染指數(shù);Pj為第j個斷面的平均綜合污染指數(shù);Pi為第i個因子的污染指數(shù);Ci為第i個因子年平均濃度值(mg/L);Si為第i因子的評價標(biāo)準(zhǔn)值(mg/L);m為區(qū)域(或河流)內(nèi)的監(jiān)測斷面數(shù);n為評介因子數(shù)。

采取公式(1)通過對實測數(shù)據(jù)計算，研究區(qū)臺前縣金堤河2011年統(tǒng)計時段內(nèi)的COD平均濃度為33.49 mg/L，氨氮平均濃度為1.10 mg/L。采取公式(2)，基于COD、氨氮2項指標(biāo)的實測值進(jìn)行計算，2011年度內(nèi)臺前縣金堤河綜合污染指數(shù)為0.35，屬于輕污染級別。根據(jù)《濮陽市環(huán)境質(zhì)量報告書》(2006—2010年)統(tǒng)計的2010年度內(nèi)金堤河水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果包括氨氮、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、高錳酸鉀、揮發(fā)酚、氰化物、總砷、總汞、鉻(六價)、總鉛、總鎘11項指標(biāo)的統(tǒng)計值，按公式(2)計算，2010年度內(nèi)研究區(qū)金堤河綜合污染指數(shù)為0.50，屬輕污染級別。

4 結(jié)論與討論

土地生態(tài)系統(tǒng)健康不僅要求生態(tài)系統(tǒng)自身具有恢復(fù)力、穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)力，而且在土地肥力、大氣、地表水等因子參與下足以能夠維持其與外界環(huán)境之間形成能量流動和物質(zhì)循環(huán)，達(dá)到一個動態(tài)平衡的土地生態(tài)系統(tǒng)。在這個動態(tài)的循環(huán)過程中，水?dāng)y帶的營養(yǎng)物質(zhì)以及水體本身的質(zhì)量情況對土地健康起著舉足輕重的作用。為此，通過對土地健康因子地表水中的COD、氨氮等指標(biāo)分析得出以下結(jié)論。

1)研究時段內(nèi)COD、氮氮含量變化。入境COD、氨氮2項指標(biāo)在未經(jīng)過研究區(qū)之前，最大含量值同時出現(xiàn)在測量時間段內(nèi)(5月9日)，出境COD最大含量48.20 mg/L出現(xiàn)在4月6日，出境氨氮的最高含量卻5月9日同時出現(xiàn)。2項指標(biāo)含量的入境變化較穩(wěn)定，出境COD含量呈較大的減小趨勢，出境氨氮卻變化甚微。與此同時，COD年平均增加趨勢明顯，氨氮變化較穩(wěn)定。

2)研究時段內(nèi)COD、氨氮相關(guān)分析。研究區(qū)COD與氨氮之間和氨氮之間的相關(guān)系數(shù)為-0.830 36，為0.689 503，呈現(xiàn)良好的線性回歸;COD和COD增加量的回歸效果非常顯著，具有良好的一元線性回歸模型關(guān)系。

3)研究時段內(nèi)地表水環(huán)境質(zhì)量分級。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值，根據(jù)COD含量的平均值32.29 mg/L和最大值50.50 mg/L歸屬于Ⅴ類，但最大值超出Ⅴ類最高標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)在最高分類標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增加一個級別，歸屬于劣Ⅴ類;根據(jù)氨氮含量的平均值1.09 mg/L和最大值3.37 mg/L歸屬Ⅴ類，但最大值超出最高標(biāo)準(zhǔn)限值，亦應(yīng)隸屬于劣Ⅴ類。

4)研究時段內(nèi)地表水污染指數(shù)。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)及《河南省環(huán)境質(zhì)量報告書》(2006—2010年)規(guī)定的水環(huán)境質(zhì)量評價方法，以市控河流監(jiān)測斷面所代表的河流作為一個城市地表水環(huán)境質(zhì)量的評價域，分別計算單個斷面或區(qū)域污染物算術(shù)平均值和區(qū)域(或河流)平均綜合污染指數(shù)，臺前縣金堤河的浸染物算術(shù)平均值分別為:COD平均濃度為33.49 mg/L，氨氮平均濃度為1.10 mg/L;2011年基于COD、氨氮2項指標(biāo)的綜合污染指數(shù)為0.35，2010年基于COD、氨氮等11項指標(biāo)的綜合污染指數(shù)為0.50。

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