柴達(dá)木盆地主要綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀評價

郭慶波，黃懿梅，賈鵬輝，李好好

（西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實驗室，陜西 楊凌 712100）

青藏高原被稱為亞洲水塔，是世界40%人口的水源地，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，青藏高原生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定性增加，水資源壓力加重[1]。柴達(dá)木盆地位于青藏高原東北部，是青海省重要的農(nóng)、牧業(yè)生產(chǎn)基地[2]，盆地內(nèi)水系封閉，一旦有污染即會使整個盆地的水資源遭到破壞[3]。盆地內(nèi)農(nóng)業(yè)用水占到總用水量的77.26%[4]，現(xiàn)有研究表明農(nóng)業(yè)耕作對區(qū)域水質(zhì)變化有重要影響[5-6]，農(nóng)業(yè)用地面積百分比與河流水質(zhì)的關(guān)系密切[7]，全處于耕作期的農(nóng)田要比部分處于耕作期的農(nóng)田對水質(zhì)影響更大[8]，降雨和施肥的疊加是導(dǎo)致流域面源污染發(fā)生的主要因素[9]，化肥是農(nóng)田氮、磷投入的最主要來源[10]。目前對柴達(dá)木盆地水質(zhì)的研究主要集中在湖泊、河流的水化學(xué)特征和主要河流的水質(zhì)變化方面[11-13]，農(nóng)業(yè)耕作對其水質(zhì)的影響尚不清楚。

目前對水質(zhì)的評價方法有很多[1，13-14]，其中水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法可以定性、定量地評價綜合水質(zhì)狀況，不會因個別水質(zhì)指標(biāo)較差就否定綜合水質(zhì)[15-16]。因此，本文以柴達(dá)木盆地主要綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)的水體為研究對象，通過水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價柴達(dá)木盆地農(nóng)業(yè)耕作對水質(zhì)的影響，以期為柴達(dá)木盆地農(nóng)業(yè)面源污染關(guān)鍵區(qū)識別及防控提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

柴達(dá)木盆地位于90°16′～99°16′E、35°00′～39°20′N，90%的面積屬于青海省海西蒙古族藏族自治州。盆地內(nèi)屬高原大陸性氣候，年降水量自東南向西北遞減，年均溫在5 ℃以下，氣溫變化劇烈。德令哈市、格爾木市和都蘭縣是柴達(dá)木盆地主要的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)和人口聚集地，海西州統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示2017年三縣（市）耕地面積占海西州耕地總面積的85.87%，第六次全國人口普查數(shù)據(jù)顯示三縣（市）人口占到海西州總?cè)丝诘?5.62%。

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)及水樣采集

2019 年7 月在德令哈市、格爾木市和都蘭縣3 個縣（市），各選3個以耕地為主的鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行調(diào)查和采樣，地表水采樣點(diǎn)分別布設(shè)在每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地灌溉引水渠上游河流取水口（對照水質(zhì)）以及灌溉水在耕地的進(jìn)水和排水口，地下水采自相應(yīng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的灌溉機(jī)井和飲用水井，每個采樣點(diǎn)取1 L 水樣冷凍保存帶回實驗室分析化學(xué)指標(biāo)。根據(jù)農(nóng)藥使用情況，在 S2、S5、S6、S16、S20、S22、S24、S30、S31、S40、S42、S44、S45、S51、D3 15個采樣點(diǎn)用HLB固相萃取柱萃取500 mL水樣帶回實驗室分析農(nóng)藥。采樣點(diǎn)編號和分布見表1和圖1。

1.3 測定指標(biāo)及分析方法

pH、溶解氧和電導(dǎo)率現(xiàn)場用哈希HQ30d 數(shù)字化多參數(shù)分析儀測定；化學(xué)需氧量（COD）采用快速消解分光光度法（HJ/T 399—2007）測定；鎘、鉛、銅、鋅、砷和鎳6 種重金屬采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（HJ 700—2014）測定；啶蟲脒、噠螨靈、阿維菌素、毒死蜱、滴滴涕和氯氰菊酯6 種農(nóng)藥用液相色譜質(zhì)譜法測定；其余水質(zhì)指標(biāo)均按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理及評價方法

數(shù)據(jù)處理和制圖使用Excel 2016 和Origin 2019，地表水選取溶解氧、COD、總磷、六價鉻、銅和鋅6 個指標(biāo)，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）計算水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)。地下水選取硝酸鹽氮、氯化物、硫酸鹽、六價鉻、銅和鋅6個指標(biāo)，參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）計算水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)；依據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）判斷地下水能否飲用。使用SPSS 26.0 進(jìn)行灌溉進(jìn)排水水質(zhì)變化LSD檢驗方差分析和指標(biāo)間的Spearman秩相關(guān)分析。

單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)P表示為Pi=X1.X2X3，X1代表水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別（X1=1即為Ⅰ類水），X2代表監(jiān)測數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處的位置，X3代表水質(zhì)類別與評價標(biāo)準(zhǔn)的比較差值。綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)為Iwq=X1.X2X3X4，X1為水質(zhì)的綜合水質(zhì)類別，X2為綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處位置，X3為參與綜合水質(zhì)評價的水質(zhì)指標(biāo)中劣于評價標(biāo)準(zhǔn)的單項指標(biāo)個數(shù)，X4為綜合水質(zhì)類別與評價標(biāo)準(zhǔn)的差值，具體計算及評價方法參照文獻(xiàn)[15]和文獻(xiàn)[16]。在水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價中，地表水執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，地下水執(zhí)行適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水的《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表水水質(zhì)特征

不同采樣點(diǎn)地表水中總磷、硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽氮、COD 和鋅濃度分布如圖2 所示?？偭诐舛仍?.01～0.90 mg·L-1，78%的采樣點(diǎn)低于Ⅲ類水上限值0.2 mg·L-1，8個采樣點(diǎn)高于Ⅴ類水上限值0.4 mg·L-1，其中7 個位于香日德鎮(zhèn)和察汗烏蘇鎮(zhèn)；硝酸鹽氮濃度在 0.01～11.89 mg·L-1，僅位于格爾木市東的S30 高于10 mg·L-1標(biāo)準(zhǔn)限值；氯化物濃度在 19.95～1 071.33 mg·L-1，20%的采樣點(diǎn)超過250 mg·L-1標(biāo)準(zhǔn)限值，超標(biāo)采樣點(diǎn)中格爾木市占83.33%，位于郭勒木德鎮(zhèn)的S22超地表水標(biāo)準(zhǔn)限值4.2 倍；硫酸鹽濃度在31.12～455.53 mg·L-1，6.67%的采樣點(diǎn)超過地表水標(biāo)準(zhǔn)250 mg·L-1標(biāo)準(zhǔn)限值，格爾木市的 S22、S25、S28 和 S30 分別超標(biāo)準(zhǔn)限值 1.3、1.5、1.7 倍和 1.8 倍；COD 濃度在 0～38.97 mg·L-1，23.33%的采樣點(diǎn)超過Ⅲ類水上限值20 mg·L-1，其中79%位于德令哈市，懷頭他拉鎮(zhèn)的S12濃度最高，超Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)1.95倍；鋅濃度范圍在8.65～261.09 μg·L-1，31.67%的采樣點(diǎn)超過Ⅰ類水限值0.05 mg·L-1，但均未超過Ⅱ類水上限值。重金屬鎘、鉛、銅和砷濃度遠(yuǎn)低于Ⅰ類水限值，鎳為地表水標(biāo)準(zhǔn)限值的0.14%～20.61%，未作進(jìn)一步分析。

表1 柴達(dá)木盆地采樣鄉(xiāng)鎮(zhèn)及采樣點(diǎn)編號Table 1 Sampling towns and sampling point numbers in Qaidam Basin

如表2 所示，綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)顯示柴達(dá)木盆地綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)地表水綜合水質(zhì)為Ⅱ類，優(yōu)于Ⅲ類水評價標(biāo)準(zhǔn)要求。在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，尕海鎮(zhèn)、郭勒木德鎮(zhèn)、格爾木市東和大格勒鄉(xiāng)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)均為1.900，水質(zhì)為Ⅰ類；柯魯柯鎮(zhèn)、懷頭他拉鎮(zhèn)、宗加鎮(zhèn)、香日德鎮(zhèn)和察汗烏蘇鎮(zhèn)水質(zhì)為Ⅱ類。懷頭他拉鎮(zhèn)在9 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中水質(zhì)最差，水質(zhì)綜合標(biāo)識指數(shù)為2.710，無劣于Ⅲ類水質(zhì)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)存在。

對各單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，溶解氧總體為Ⅱ類，尕海鎮(zhèn)達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)；COD 總體為Ⅰ類，但在柯魯柯鎮(zhèn)和懷頭他拉鎮(zhèn)為Ⅳ類；總磷總體為Ⅲ類，在尕海鎮(zhèn)最低，單因子標(biāo)識指數(shù)為1.70，在香日德鎮(zhèn)最高，單因子標(biāo)識指數(shù)為6.03，為Ⅴ類；六價鉻總體為Ⅱ類，其中4 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為Ⅰ類，5 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為Ⅱ類；銅和鋅在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均為Ⅰ類?？卖斂骆?zhèn)、懷頭他拉鎮(zhèn)COD 超標(biāo)，香日德鎮(zhèn)總磷超標(biāo)，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)均不存在指標(biāo)超標(biāo)情況。

表2 柴達(dá)木盆地各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地表水水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)Table 2 Comprehensive water quality index of towns and villages in Qaidam Basin

2.2 地下水水質(zhì)特征

地下水水質(zhì)特征如表3 所示，pH 呈弱堿性，屬于Ⅰ類；硝酸鹽氮平均濃度屬于Ⅱ類，格爾木市東濃度最高為6.48 mg·L-1，達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)；氯化物平均濃度屬于Ⅲ類，懷頭他拉鎮(zhèn)為Ⅴ類水350 mg·L-1限值的2.02 倍，大格勒鄉(xiāng)和察汗烏蘇鎮(zhèn)均為Ⅳ類；硫酸鹽平均濃度屬于Ⅲ類，懷頭他拉鎮(zhèn)和格爾木市東為劣Ⅴ類，分別為Ⅴ類水350 mg·L-1限值的1.37 倍和1.35倍，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)均為Ⅱ類。地下水中電導(dǎo)率、氯化物、硫酸鹽和硝酸鹽氮平均濃度分別為地表水的1.29、1.24、1.45 倍和 2.26 倍。除鋅在 D2、D3 和 D9 采樣點(diǎn)、鎘在D6 采樣點(diǎn)和鎳在D8 采樣點(diǎn)濃度略高于Ⅰ類水限值，其余重金屬濃度均低于Ⅰ類水限值。

如表4 所示，地下水綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)顯示柴達(dá)木盆地綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)地下水綜合水質(zhì)為Ⅱ類。郭勒木德鎮(zhèn)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)為1.800，水質(zhì)為Ⅰ類；懷頭他拉鎮(zhèn)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)為3.831，水質(zhì)為Ⅲ類，有3 個指標(biāo)超標(biāo)。硝酸鹽氮總體為Ⅱ類，格爾木市東硝酸鹽氮狀況最差，為Ⅲ類水質(zhì)；氯化物和硫酸鹽總體為Ⅲ類，懷頭他拉鎮(zhèn)、大格勒鄉(xiāng)和察汗烏蘇鎮(zhèn)的氯化物以及懷頭他拉鎮(zhèn)和格爾木市東的硫酸鹽濃度超Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，其中懷頭他拉鎮(zhèn)的氯化物和硫酸鹽以及格爾木市東的硫酸鹽均為劣Ⅴ類；六價鉻、銅和鋅總體為Ⅰ類，僅懷頭他拉鎮(zhèn)的鋅超過Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

地下水各采樣點(diǎn)的pH、硝酸鹽氮和重金屬均符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，懷頭他拉鎮(zhèn)、大格勒鄉(xiāng)和察汗烏蘇鎮(zhèn)的氯化物以及懷頭他拉鎮(zhèn)的硫酸鹽分別為生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)250 mg·L-1限值的2.83、1.13、1.07倍和1.92倍，無法直接飲用。

2.3 柴達(dá)木盆地農(nóng)藥殘留情況

對柴達(dá)木盆地15 個樣點(diǎn)的農(nóng)藥測定發(fā)現(xiàn)，尕海鎮(zhèn)的S16、格爾木市東的S30 和宗加鎮(zhèn)的S40 和S42 4個采樣點(diǎn)均檢測到啶蟲脒，濃度在0.05～1.44 μg·L-1；而僅在S42 檢出阿維菌素和毒死蜱，阿維菌素濃度為0.02 μg·L-1，毒死蜱濃度為 0.28 μg·L-1。根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006），毒死蜱濃度為限值的0.93%；由于目前國內(nèi)還沒有啶蟲脒和阿維菌素相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值，以人體每日允許攝入量的10 倍為濃度限值，啶蟲脒濃度限值為0.7 mg·L-1，阿維菌素濃度限值為0.02 mg·L-1，柴達(dá)木盆地啶蟲脒和阿維菌素濃度分別為限值的0.01%～0.21%和0.12%。

表3 柴達(dá)木盆地地下水統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Groundwater statistics of Qaidam Basin

2.4 農(nóng)田灌溉進(jìn)排水水質(zhì)變化特征

選取pH、溶解氧、COD、總磷、硝酸鹽氮、硫酸鹽、氯化物和電導(dǎo)率等變異系數(shù)較大的指標(biāo)分析其灌溉前后變化，結(jié)果如圖3所示。溶解氧和COD在經(jīng)過耕地灌溉后濃度分別降低了1.93%和6.42%；電導(dǎo)率、總磷、硝酸鹽氮、硫酸鹽和氯化物在經(jīng)過耕地灌溉后濃度升高明顯，分別升高了28.80%、37.80%、24.43%、33.06%和27.41%。

3 討論

3.1 農(nóng)業(yè)耕作對地表水的影響

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)顯示柴達(dá)木盆地綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)地表水水質(zhì)為Ⅱ類，整體水質(zhì)較好，盆地內(nèi)地表徑流大多引自附近雪山融水及水庫存水，流程短，污染環(huán)節(jié)少[17]，因此水質(zhì)較好。地表水中總磷和硝酸鹽氮平均濃度較低，灌溉水經(jīng)過農(nóng)田后總磷和硝酸鹽氮濃度分別增加了37.80%和24.43%，調(diào)查發(fā)現(xiàn)柴達(dá)木盆地灌溉方式以大水漫灌為主，灌溉主要在3—10 月，其中以 6—9 月最為頻繁，平均10～15 d 灌溉一次；施肥以氮肥和磷肥為主，平均施肥量在225～450 kg·hm-2，柴達(dá)木盆地氮肥和磷肥施用量占總施肥量的46.66%和38.28%。灌溉和降雨形成的徑流會將耕地中氮磷元素輸入附近水體[9]，Spearman 相關(guān)分析顯示總磷和懸浮物存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.64（P＜0.01），泥沙和懸浮物中會吸附大量的有機(jī)磷和無機(jī)磷[18]，懷頭他拉鎮(zhèn)和香日德鎮(zhèn)排水中懸浮物含量較高，導(dǎo)致其水中總磷濃度增加。灌溉還可以洗去土壤中的鹽分[19]，造成硫酸鹽、氯化物濃度升高，格爾木市氯化物和硫酸鹽濃度較高，該區(qū)地層含鹽量高，沖積洪積扇上有硫酸鹽的淀積層，淋溶作用攜帶大量氯化物和硫酸鹽進(jìn)入水體。COD 在德令哈市濃度較高，這可能與當(dāng)?shù)氐拇迩f生活污水排放有關(guān)，研究表明農(nóng)村生活污水中存在大量的有機(jī)物[20]，調(diào)查發(fā)現(xiàn)德令哈市村莊與農(nóng)田交錯分布，生活污水隨溝渠匯入灌溉排水，從而造成COD 濃度偏高。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，尕海鎮(zhèn)水質(zhì)最好，該鎮(zhèn)近年來地下水位上升，有自噴井不斷向外冒水，導(dǎo)致鎮(zhèn)南部大量農(nóng)田無法耕種，減少了耕作活動對水體的影響，而且地表水不斷得到補(bǔ)充和更新，因此整體水質(zhì)最好。

3.2 農(nóng)業(yè)耕作對地下水的影響

柴達(dá)木盆地綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)地下水水質(zhì)為Ⅱ類，呈弱堿性水，淋溶作用使大量碳酸氫鹽進(jìn)入水體，造成水體偏堿性[21]。研究區(qū)地下水電導(dǎo)率、氯化物、硫酸鹽和硝酸鹽氮濃度高于地表水，盆地內(nèi)地下水以山區(qū)降水和地表水下滲補(bǔ)給為主，地表徑流淋溶大量可溶鹽，蒸發(fā)作用使可溶鹽濃度升高，導(dǎo)致地下水Cl-、SO2-4等離子含量增加[22]，Spearman 相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率與氯化物和硫酸鹽存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.88 和0.78（P＜0.01），大量導(dǎo)電離子造成電導(dǎo)率整體水平較高[23]。懷頭他拉鎮(zhèn)地下水硫酸鹽和氯化物濃度超標(biāo)明顯，無法直接飲用，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)懷頭他拉鎮(zhèn)地表水無法滿足其灌溉需求，近年來大量抽取地下水用于灌溉，地下水過度開發(fā)，水量減少，會導(dǎo)致硫酸鹽、氯化物濃度升高[24]。柴達(dá)木盆地地表徑流下滲作用顯著，施用氮肥以及含氮廢物隨雨水下滲等會造成地下水硝酸鹽氮濃度增加[25]，位于格爾木市東的地下水總磷和硝酸鹽氮濃度均最高，該采樣點(diǎn)位于溫室大棚內(nèi)，井深僅十余米，井水用于灌溉大棚內(nèi)瓜果、蔬菜，并無外排，下滲過程攜帶大量施肥后未利用的氮磷元素，導(dǎo)致該區(qū)域地下水氮磷濃度增加。雖然當(dāng)前地下水硝酸鹽氮濃度還未超標(biāo)，但其會造成惡性循環(huán)，應(yīng)加以關(guān)注。

4 結(jié)論

（1）柴達(dá)木盆地綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)地表水綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)為Ⅱ類，其中尕海鎮(zhèn)、郭勒木德鎮(zhèn)、格爾木市東、大格勒鄉(xiāng)地表水綜合水質(zhì)達(dá)到了Ⅰ類；個別區(qū)域受到污染，其中德令哈市的COD、香日德鎮(zhèn)和察汗烏蘇鎮(zhèn)的總磷、格爾木市的硫酸鹽和氯化物超標(biāo)占比較大。

（2）地下水綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)為Ⅱ類，懷頭他拉鎮(zhèn)的氯化物和硫酸鹽、大格勒鄉(xiāng)和察汗烏蘇鎮(zhèn)的氯化物均超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，無法飲用。

（3）重金屬濃度較低，其中鉛、銅和砷最高濃度均低于Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，農(nóng)藥中檢測到啶蟲脒、阿維菌素和毒死蜱存在，但濃度均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值。

（4）施肥和灌溉會使水體中氮磷及含鹽量增加，溫室大棚的使用會造成地下水氮磷濃度升高，且硝酸鹽氮增加明顯。