付凱,高紅杰,李發(fā)東,吳坤,張秋英*,李兆,,毛珊珊,李曹樂,王健祺
(1.中國環(huán)境科學研究院,北京 100012;2.新疆師范大學地理科學與旅游學院,烏魯木齊 830054;3.中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101;4.中國科學院大學,北京 100049;5.茂名市生態(tài)環(huán)境局,廣東 茂名 525400)
我國農業(yè)發(fā)展在取得巨大成就的同時,面臨著水資源短缺、耕地數量減少、農業(yè)環(huán)境污染和水環(huán)境污染等問題[1?2]。隨著農業(yè)現代化的推進,農業(yè)區(qū)水環(huán)境形勢愈發(fā)嚴峻[3]。與城市河流相比,農業(yè)區(qū)河流面積廣,水環(huán)境污染不僅直接影響居民的日常生活,還影響農業(yè)可持續(xù)發(fā)展[4]。我國人均水資源占有率遠低于世界平均水平,且地理分布極其不均衡[5],保護水資源對生態(tài)環(huán)境至關重要[6]。水質評價是水資源管理的關鍵[7],通過水質評估可以了解水質的狀況、趨勢并確定水質變化的關鍵決定因素[8]。水質評價有多種方法,包括統(tǒng)計分析、模型模擬和水質指數(Water Quality Index,WQI)等方法,水質指數廣泛應用于地表水(尤其是河流)和地下水的水質評價[9?10]。Gao 等[11]采用WQI對長江、黃河、淮河、海河和遼河流域微量元素進行評價,結果表明五個流域整體水質優(yōu)良;Tong等[12]采用WQI評價我國地表水和地下水微量元素,結果表明大部分地表水微量元素平均值高于地下水;Ustao?lu 等[13]采用WQI評價土耳其亞熱帶河流水質,結果表明水質特征很好。
白沙河位于廣東省高州市,河流水質目標為Ⅳ類。白沙河流域工業(yè)化和城鎮(zhèn)化正處于快速發(fā)展時期,流域內主要土地利用類型為水田和農村居民用地。白沙河經過多年治理,雖有成效,但是河流污染問題仍未從根本上得到解決。根據實地調查和資料分析,白沙河流域以農業(yè)種植為主,農業(yè)種植集約化和信息化程度較低,農藥和化肥被大量使用,導致面源污染問題相對突出;流域內生活污水處理設施不完善,并開展水產養(yǎng)殖和畜禽養(yǎng)殖,生活廢水和養(yǎng)殖廢水進入河流造成污染;同時,流域內還存在工業(yè)污染。本研究通過采集白沙河干支流樣品,運用多元統(tǒng)計、主成分分析和水質指數等方法,研究白沙河流域水污染的時空變化特征、來源及水質狀況。本研究旨在:(1)比較旱季和雨季河流水質及影響因素;(2)比較旱季和雨季河流灌溉水質及影響因素;(3)探討河流水質與土地利用類型之間的關系。研究結果可以為白沙河流域水環(huán)境污染綜合治理、水資源利用和可持續(xù)發(fā)展提供重要數據信息。
白沙河流域位于廣東省高州市西南端,年平均氣溫22.8 ℃,年降雨量1 892.7 mm,雨季為4—9 月,旱季為10 月至次年3 月。流域內地形地貌復雜,丘陵、平原交錯,地勢東北高、西南低,河床平緩,水流自北向南流動。白沙河是小東江一級支流,發(fā)源于高州市泗水鎮(zhèn)謝牛嶺(左源)及石仔嶺街道塘背村五指山(右源),流經深河、車田屋等村,最后于鄒屋附近流入茂南區(qū)[14]。白沙河全長40 km,總流域面積234 km2,枯水期流量約0.5~2.0 m3·s?1,平均流量5.72 m3·s?1。白沙河在高州市境內的流域面積為76.9 km2,干流(主河道)長度為12 km。白沙河高州段農業(yè)活動劇烈,沿岸以種植水稻為主,同時還分布荔枝、龍眼、香蕉和玉米等農作物。目前沿岸僅存一家大型生豬養(yǎng)殖場,水產養(yǎng)殖分布廣泛,牛、雞和鴨等畜禽養(yǎng)殖零散分布。沿岸工業(yè)主要集中于金山工業(yè)園以及下游造紙廠。
分別于2022 年3 月和6 月采集水樣35 個,共70個,采集時用GPS 記錄采樣點坐標(圖1)。采樣瓶浸入水面下20~50 cm,樣品用蒸餾水清洗過的聚乙烯塑料瓶保存,每個點采集水樣500 mL,采用便攜式多參數儀(SL1000,HACH,美國)現場測定pH 和電導率(EC)。樣品在野外避光保存,運回后立即存放在4~5 ℃冰箱中。經0.45μm 濾膜過濾后,總磷(TP)、銨態(tài)氮(?N)用紫外分光光度計(UV?2550,島津公司,日本)測定,在中國科學院禹城綜合實驗站完成。主要陽離子(Ca2+、Mg2+、Na+、K+)用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP?OES,PerkinElmer,美國)測定,陰離子用離子色譜儀(ICS?900,Thermo Fish?er Scientific,美國)測定,所有元素分析誤差控制在5%以內,測試精度為±0.001 mg·L?1,樣品水化學分析在中國科學院地理科學與資源研究所完成。
圖1 白沙河流域高州段采樣點分布Figure 1 Sampling points distribution of Baisha River basin
1.3.1 水質評價
水質指數(WQI)是常用的水質評價指標,計算方法如公式(1)和公式(2)所示。根據WQI值,水質可分為五類:WQI<50,水質優(yōu);50≤WQI<100,水質良好;100≤WQI<200,水質差;200≤WQI<300,水質很差;WQI≥300,不能飲用[6]。
式中:wi為每個參數的權重;∑wi為所有參數的權重之和[15];Ci為測量的微量元素濃度,mg·L?1;Si為飲用水標準的微量元素濃度,mg·L?1。
1.3.2 灌溉用水評價
地下水中高濃度的鹽分會導致鹽漬土的產生,而灌溉水中的高鈉會提高堿度。灌溉用水中鈉的危害可以用鈉吸附比(SAR)表示。SAR是評估鈉與鈣和鎂濃度相關的危害的指標[16],計算方法見公式(3):
灌溉水質也可以通過鈉百分比(SP)評估[17],計算方法見公式(4):
土地利用數據來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數據中心數據平臺。數據分辨率為30 m×30 m,包括7種土地利用類型的信息(圖2、表1):①水田;②旱地;③林地;④草地;⑤水庫坑塘;⑥農村居民點;⑦建設用地。
表1 子流域土地利用分布(%)Table 1 Land use distribution at the sub?basin(%)
在地理空間數據云下載30 m×30 m 分辨率的數字高程模型(DEM),利用ArcGIS 10.8 提取流域范圍?;诹饔駾EM 和河流水系,劃分8 個子流域(圖1),比較土地利用類型與水質之間的關系。利用ArcGIS 10.8 計算8 個子流域的土地利用類型比例。在結合先前研究[18?20]的基礎上,根據白沙河流域實際情況,選擇50、100、150、200、250 m和300 m(圖2)為緩沖區(qū)半徑,并與土地利用類型數據疊加獲得不同空間尺度的土地利用數據。
對于水質特性,分別計算旱季和雨季流域的兩個統(tǒng)計特征,即平均值和標準差。對對數轉換后的水質值進行單向方差分析(ANOVA 檢驗),以確定兩個季節(jié)之間的差異顯著性。
采用約束排序分析法分析土地利用類型對河流水質的解釋能力,典型對應分析(CCA)和冗余分析(RDA)是約束排序分析的兩種方法,這兩種方法均可獲得因變量和解釋變量之間的關系。在排序分析之前需對水質數據進行除趨勢對應分析(DCA)。本研究以水質為因變量,以土地利用類型為解釋變量,分析土地利用類型對水質指標的解釋能力,同時用二維排序圖直觀展示出來。利用SPSS 26.0、Canoco 5 和Origin 2022b實現數據分析和繪圖。
表1 顯示了各子流域的土地利用分布情況。水田、農村居民點和林地是該流域最常見的土地利用類型。旱地、草地、水庫坑塘和建設用地是子流域中相對較小的組成部分。水田是大多數子流域的主要土地利用類型,面積占比從29.27%到71.56%不等(平均約為54%)。在大多數子流域觀察到大量的農村居民點,占比在7.10%~26.04%之間。8 個子流域中有7個擁有大量林地(>2.0%),其中南再嶺段子流域林地面積占比達42.48%。
旱季河水表現為輕度堿性特征,pH值為7.09~9.34,平均值為8.09;雨季河水表現為輕度酸性特征,pH值為4.47~7.27,平均值為5.60(表2)。河水的EC值在旱季為74.40~590.00μS·cm?1,雨季為55.50~157.60μS·cm?1。
表2 白沙河理化參數及WQI計算參數統(tǒng)計Table 2 Statistics of physicochemical parameters and parameters used for WQI calculation in the Baisha River
白沙河不同采樣點水質參數濃度季節(jié)變化見圖3。pH 和EC 的峰值分別為9.34 和590.00 μS·cm?1,和F?的峰值分別為9.20、7.07、39.42、10.05、70.10、42.27、75.01、40.85、66.06 mg·L?1和0.7 mg·L?1,均出現在旱季。水質參數平均值呈現季節(jié)變化特征季節(jié)變化較大,TP、F?和季節(jié)變化較小。TP在旱季平均值為劣Ⅴ類,雨季為Ⅳ類。
圖3 白沙河流域旱季和雨季水質空間對比Figure 3 Spatial comparisons of water quality indexes in dry season and rainy season in Baisha River basin
續(xù)圖3 白沙河流域旱季和雨季水質空間對比Continued figure 3 Spatial comparison of water quality in dry season and rainy season in Baisha River basin
將本研究白沙河水質參數與《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)[22]和《農田灌溉水質標準》(GB 5084—2021)[25]進行比較:旱季20% 的樣品TP 超過地表水環(huán)境質量Ⅳ類標準,雨季達到54%;旱季26%的樣品pH 值超過農田灌溉用水標準(>8.5),雨季46%的樣品則低于農田灌溉用水標準(<5.5)。
旱季WQI值介于24.12~804.98之間(圖4)。水樣WQI值為“優(yōu)”的樣品約占29%,42%的樣品為“良好”,20%的樣品為“差”,9%的樣品為“不能飲用”。白沙河中WQI值為“差”的樣點分布于農業(yè)生產區(qū)、工廠和居民區(qū)周邊;分布在工業(yè)園排水口下游、居民點和農田下游的水樣WQI值為“不能飲用”。對水樣WQI值貢獻最大的兩個參數是和TP,旱季和TP濃度高,主要來源于排放的生活污水和農業(yè)生產施用的氨肥、磷肥[26?27]。
圖4 白沙河流域WQI空間分布格局Figure 4 Spatial distribution pattern of WQI in the Baisha River basin
雨季的WQI值介于22.59~137.23 之間。大約66%的樣品質量為“優(yōu)”,31%的樣品質量為“良好”,3%的樣品質量為“差”。B34 采樣點樣品為“差”,雨季河水的WQI值小于旱季,這可能是由于?N 是B34 水樣的最大貢獻參數,其與上游農業(yè)和工業(yè)生產活動有關。因此,白沙河的主要污染源是工業(yè)、城鎮(zhèn)生活污水和農業(yè)污染??傮w而言,河流上游水質最好,中游次之,下游質量最差,劣質水樣分布在農業(yè)及工業(yè)區(qū)周邊。
不達標的水源灌溉會導致土壤質量下降和農作物減產,對人體構成潛在威脅[28]。USSL 和Wilcox 圖法是兩種常用的能綜合反映灌溉水質的方法[29],既能反映灌溉水水質對土壤的影響,也能反映對植物的影響[30]。鹽度和堿度危害都可以使用USSL 圖[31]更好地展示,分別用EC 和SAR表示。美國鹽度實驗室將EC 分為四類:C1,低(<250μS·cm?1);C2,中等(250~<750 μS·cm?1);C3,高(750~<2 250 μS·cm?1);C4,很高(≥2 250 μS·cm?1)[31]。同樣,高SAR值也分為:S1,低(<10);S2,中等(10~18);S3,高(>18~26);S4,很高(>26)。白沙河是農業(yè)活躍地區(qū),河流水質對當地農業(yè)生產具有重要意義。旱季SAR值在2.22~14.95之間變化,平均值為5.83。在USSL 圖(圖5)中,可以觀察到在C1S1 和C2S1 區(qū)域中樣本數量最多,這說明這些水樣沒有風險,水質適合灌溉。旱季部分水樣屬于C2S2(中鹽中堿)區(qū),這表明該區(qū)域河水在采取預防措施后可以用于灌溉。
圖5 白沙河河水灌溉等級USSL圖Figure 5 Irrigation water grade of river water in Baisha River basin by USSL diagram
灌溉水中過量的鈉會取代土壤水中的鈣和鎂,降低土壤的滲透性,導致土壤無法耕種[31]。當土壤中鈉的濃度增加時,會限制空氣循環(huán)并導致形成不適合植物生長的堅硬而致密的干燥土壤[32]。灌溉用水可溶性鈉百分比的最大允許限值為60[31]。圖6中的可溶性鈉百分比表明,與旱季相比,雨季河水灌溉水質良好,可直接用于灌溉,合理的灌溉不會造成鹽害和堿害。在旱季,26%的樣品SP值超過60,因此不適合直接灌溉使用,需要在灌溉前進行特殊處理。
圖6 白沙河河水灌溉等級Wilcox圖Figure 6 Irrigation water grade of river water in Baisha River basin by Wilcox diagram
Kolmogorov Smirnov擬合優(yōu)度檢驗表明,旱季變量中和Na+不符合正態(tài)分布(P<0.05),因此,對這些變量進行了對數變換,以便進一步分析。對數變換結果表明,除Cl?和外,所有的對數變換水質參數符合正態(tài)分布(P>0.05),因此Cl?和未用于相關性分析。雨季變量中,?N、TP 和pH 不符合正態(tài)分布(P<0.05),因此,對這些變量進行了對數變換,以便進一步分析。對數變換結果表明,除?N 和pH 外,所有的對數變換水質參數符合正態(tài)分布(P>0.05),因此?N和pH 未用于相關性分析。從表3 可見,旱季TP 與建設用地呈現正相關關系,與水田呈負相關關系;F?與林地呈現正相關關系。雨季K+、和F?與建設用地均呈負相關關系,同時水田和農村居民點與F?均呈正相關關系。
表3 雨季和旱季土地利用類型與水質指標之間的皮爾遜相關系數Table 3 Pearson correlation coefficient between land use types and water quality index in rainy and dry seasons
表4 白沙河河流水質指標主要成分解釋總方差Table 4 Total variance of the interpretation of the main components of Baisha River water quality indexes
RDA 分析結果表明,在子流域水系中,旱季農村居民點與Mg2+、K+、Ca2+、pH 和?N 呈正相關,與和TP呈負相關;水庫坑塘面積占比與和Na+呈正相關,與F?、pH、TP和呈負相關;林地與EC、TP、Ca2+、、Na+和F?呈正相關,與呈負相關(圖7);旱地和建設用地與pH、TP 和均呈正相關。在雨季水田和農村居民點與EC、TP、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、和F?均呈正相關;旱地和建設用地與水質指標均呈負相關;林地與呈正相關;水庫坑塘與EC、TP、K+、Ca2+和Mg2+呈正相關(圖8)。
圖7 旱季水質與土地利用類型RDA分析Figure 7 RDA analysis of water quality and land use type in dry season
根據Kaiser Meyer?Olkin(KMO)檢驗分析,旱季和雨季的KMO 值分別為0.56 和0.76,Bartlett 球形檢驗的顯著性為0,表明本研究中的數據適合進行主成分分析(PCA)[33]。運用SPSS 22.0 對旱季和雨季水質指標進行主成分分析,得到水質指標的特征值和方差的貢獻率(表4),根據相關研究[33],將特征值大于1 的成分確定為主成分,因此在旱季和雨季分別提取3 個主成分,累積方差貢獻率分別達到75.78%和81.71%。
旱季和雨季河流水質指標旋轉因子荷載情況見圖9。旱季提取到的第一主成分特征值為4.98,方差貢獻率為41.46%,主要荷載指標為和Na+。河水中Cl?主要來源于農業(yè)化合物(KCl)、含鹽的生活污水(NaCl 為主)等[34];和K+主要來源于居民生活廢水、農業(yè)生產的化肥等[35],來源于農藥中含硫化合物[35]及工業(yè)活動[36],第一主成分中的水質指標主要受人類活動影響,水質指標之間的相關性呈現相同的特征。旱季第二主成分特征值為2.62,方差貢獻率為21.83%,主要荷載指標為K+、Mg2+和Ca2+。河水中K+主要來源于生活廢水及化肥,Mg2+和Ca2+主要受巖石風化影響[37]。旱季第三主成分特征值為1.50,方差貢獻率為12.49%,主要荷載指標為?N和TP,氮磷污染與農業(yè)灌溉退水及畜禽養(yǎng)殖排水、居民生活污水排放有關[38?39]。雨季提取到的第一主成分特征值為7.10,方差貢獻率為59.18%,主要荷載指標為EC、Ca2+、K+、Mg2+、Cl?、、和TP。雨季第二主成分特征值為1.61,方差貢獻率為13.44%,主要荷載指標為F?和K+;雨季第三主成分特征值為1.09,方差貢獻率為9.09%,主要荷載指標為?N。
圖9 白沙河流域水質指標的旋轉因子荷載矩陣Figure 9 Rotation factor loading matrix of water quality indexes in Baisha River basin
雨季水質指標污染來源與旱季保持一致,主要與農業(yè)面源[40]、生活污水、工業(yè)生產有關(圖10)。白沙河流域是高州市經濟最發(fā)達的地區(qū),工業(yè)發(fā)展迅速、農業(yè)生產活動頻繁、居住人口眾多,污水處理設施缺乏有效運維,導致部分生活污水直排,且農業(yè)生產過程中的化肥和牲畜糞便也會排入白沙河,導致水質變差。
圖10 白沙河流域河流污染來源Figure 10 Sources of river pollution in Baisha River basin
從時間變化上來看,旱季河水表現為輕度堿性特征,雨季河水表現為輕度酸性特征,雨季水質優(yōu)于旱季。旱季主控因素為、Ca2+和Cl?;雨季主控因素為、Ca2+和。流域內主要農作物有水稻、玉米和蔬菜,3 月份農業(yè)施肥和農藥噴灑量低,6 月份農業(yè)施肥和農藥用量增加。3 月份河流流量低,河水自凈能力較差,工業(yè)區(qū)和生活廢水排放導致和Cl?含量增加;6 月份進入雨季,河流流量增加,河流自凈能力得到提高[41],濃度雖然低于旱季但仍為主要控制因素,濃度雖低于但比旱季明顯增加。
土地利用是人類活動在空間上的綜合反映,一是通過不同人類活動方式以不同強度影響營養(yǎng)鹽進入水體的輸入量;二是通過用地方式改變地表粗糙度從而影響地表徑流過程和營養(yǎng)鹽進入水體的過程。本研究采用水質和土地利用類型監(jiān)測及數理統(tǒng)計的方法,觀察并分析白沙河流域用地類型與水質參數間存在的規(guī)律性。
RDA 分析結果表明,在子流域尺度上,旱地和建設用地面積占比在旱季與?N 和TP 呈正相關,這與已有研究結論一致[42],說明旱地和建設用地是水體潛在的污染物的來源。旱地由于耕作和施肥等農業(yè)活動,土壤中氮、無機物和農藥等污染物經降雨和灌溉沖刷后隨徑流輸入河流[42],導致水體污染。建設用地與大量高強度的人類活動有關,容易產生生活污水和工業(yè)廢水,從而污染水體。水田和水庫坑塘面積占比與K+呈正相關,這與農田在耕作中大量施肥有關,水庫坑塘涉及水產養(yǎng)殖,營養(yǎng)物質進入水體造成污染。雨季農村居民點和水田面積占比與所有污染物均呈正相關,這可能是由于在雨季水田中施用的農藥化肥隨地表徑流進入河流造成污染;旱地和建設用地面積占比與所有污染物呈負相關,可能與旱地土壤對污染物的吸附有關,可以起到截流納污的效果;而建設用地由于地表不透水性,在雨季初期污染物隨地表徑流進入水體,后期地表殘留較少;林地與呈正相關,由于研究區(qū)內林地以種植荔枝和龍眼為主,雨季地表徑流攜帶農藥和化肥等污染物進入河流造成污染。
在緩沖區(qū)尺度上,旱季除旱地在300 m 緩沖區(qū)與TP 不相關,在50~250 m 緩沖區(qū)內均呈正相關,在50~300 m 緩沖區(qū)水田和建設用地面積占比與TP 和呈正相關,白沙河流域水田和建設用地主要沿河兩岸分布,污染物易通過農田和工業(yè)排水進入河流造成污染。旱地和建設用地面積占比均與pH 呈正相關;50~250 m 緩沖區(qū)水庫坑塘與EC、K+、Ca2+、Mg2+和呈正關,50~300 m 緩沖區(qū)水庫坑塘與pH、TP和?N 呈負相關,白沙河流域水庫坑塘以水產養(yǎng)殖為主,大量的飼料溶于水后通過排水進入河流;林地面積占比在各緩沖區(qū)內與EC、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、和F?正相關,流域內林地以種植荔枝和龍眼為主并沿河分布,水樣采集期正處于果樹施肥期間,營養(yǎng)物易進入河流。雨季農村居民點與各緩沖區(qū)內的污染物均呈正相關關系,可能與農村居民點內居民生活污水收集處理率不高及污水處理設施在雨季出現溢流有關。各緩沖區(qū)內旱地和建設用地面積占比與F?呈正相關,與其他水質指標呈負相關;50 m 緩沖區(qū)水庫坑塘面積占比與Mg2+、Na+、和TP 呈正相關,水
田和林地與Na+、Mg2+、和TP無相關性,與K+、Ca2+、EC、Cl?和F?呈負相關;100~300 m 緩沖區(qū)水庫坑塘面積占比與Na+、Mg2+、和TP 正相關;旱季和雨季林地在各緩沖區(qū)尺度上與TP 和?N 存在負相關關系,與東江源流域[18]、河湟谷地[19]和潭江流域[43]的研究結論一致,表明隨著林地占比增大水體質量趨好,同時林地對以上兩種污染物具有明顯的削減作用。
相關性分析表明,旱季建設用地與TP呈正相關,建設用地是人類活動頻繁的區(qū)域,工業(yè)用水和城鎮(zhèn)污水排放給河水帶來點源污染[44]。
由圖11 可知,在所有空間尺度下,旱季250 m 緩沖區(qū)尺度水田對河流的水質解釋率最高,雨季250 m緩沖區(qū)尺度農村居民點對河流水質解釋最高。其中旱季主要的土地利用類型為水田和建設用地,雨季主要的土地利用類型為農村居民點和林地。
圖11 不同時空尺度下土地利用類型的解釋度Figure 11 Explained variance of land use types at different spatio?temporal scales
本研究采用水質監(jiān)測與數理統(tǒng)計結合的方法,以白沙河流域為例觀察分析典型農業(yè)區(qū)水質指標的變化及影響因素,結論如下:
(2)WQI水質評價結果顯示,白沙河流域雨季河流水質明顯優(yōu)于旱季,66%水樣為“優(yōu)”,降水對白沙河水質有一定的改善作用。旱季水質較差的水樣集中于工業(yè)園排水渠旁、居民區(qū)和農業(yè)耕種區(qū)。灌溉水質評價表明,雨季河流水質適合灌溉。旱季26%的水樣超過鈉百分比(SP)限值,需要在灌溉前進行處理。
(3)主成分分析表明,白沙河流域水質主要受農業(yè)面源、居民生活污水及工業(yè)園排水影響。影響水質的關鍵因子是。
(4)土地利用類型分析表明,白沙河流域旱季主要影響因子為水田和建設用地,雨季主要影響因子是農村居民點和林地;250 m 緩沖區(qū)尺度下,在旱季和雨季,水田和農村居民點與水質的關聯(lián)性均較強。
研究結果可以為白沙河流域近流域土地利用優(yōu)化和水污染防治提供科學依據。此外,通過相關性分析得到的部分規(guī)律難以解釋,如流域范圍內水質指標與旱地沒有呈現顯著的相關關系,在流域尺度上面源污染特征不明顯,需要進一步加強水質監(jiān)測來進行分析研究。