黑河沉積物氮、磷和有機(jī)質(zhì)的空間分布特征及來源解析

孔德星, 姚天欣, 波蘭汗·開肯

(新疆水利水電科學(xué)研究院,新疆 烏魯木齊 830049)

沉積物作為流域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,不僅是氮磷營養(yǎng)物質(zhì)的重要儲(chǔ)存載體,亦是水生動(dòng)植物物質(zhì)交換和能量循環(huán)的重要媒介[1]。進(jìn)入水體的氮磷營養(yǎng)元素在顆粒物的吸附或與鐵、鋁等元素的膠凝作用下最終累積于沉積物[2]。而沉積物中累積的高濃度營養(yǎng)鹽則在物理、化學(xué)及生物過程作用下進(jìn)入沉積物間隙水,并通過濃度梯度、懸浮擾動(dòng)等過程重新進(jìn)入上層水體[3]。因此,沉積物既是流域外源污染的“匯”,也是水環(huán)境潛在的“源”,其營養(yǎng)鹽的分布特征不僅能夠反映水體污染狀況,亦可表明流域外部環(huán)境變化的累積影響[4-5]。因此,研究流域沉積物氮磷營養(yǎng)鹽的空間分異性及來源對(duì)于河流生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和管理具有重要意義。

目前,國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)沉積物營養(yǎng)鹽的賦存形態(tài)和釋放通量做了大量研究,如Denis等[6]認(rèn)為沉積物中營養(yǎng)鹽的賦存形態(tài)與循環(huán)釋放能力存在顯著相關(guān)性;Bai等[7]對(duì)沉積物性質(zhì)與水體理化參數(shù)、沉水植物的關(guān)系進(jìn)行了研究;武建茹等[8]對(duì)濱海水庫沉積物鹽分釋放水化學(xué)特征進(jìn)行研究。而有關(guān)河流氮磷營養(yǎng)鹽的分布及來源研究多是以水體為主要研究對(duì)象,對(duì)沉積物營養(yǎng)鹽分布特征及來源解析研究較少[9]。黑河作為西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河,是張掖、酒泉等河西五市經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和工農(nóng)業(yè)用水的重要水資源基地[10]。近年來,流域上游梯級(jí)水庫的修建及中游城市的快速發(fā)展,導(dǎo)致了沉積物營養(yǎng)鹽的增加,已造成流域生態(tài)環(huán)境破壞[11]。為此,本研究以黑河上中游為對(duì)象,分析沉積物氮磷營養(yǎng)鹽的空間分布特征,并對(duì)黑河水體及沉積物營養(yǎng)鹽主要來源進(jìn)行解析,結(jié)合不同尺度土地利用對(duì)營養(yǎng)鹽空間分異性進(jìn)行解釋度計(jì)算,以期為內(nèi)陸河流域富營養(yǎng)化治理及環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑河流域(97°06′E—102.00°E,37°42′N—42°42′N)發(fā)源于青海省,經(jīng)甘肅省最終匯入內(nèi)蒙古自治區(qū)居延海,是河西五市重要的水資源基地[10]。流域以鶯落峽、正義峽為界,劃分為上、中、下游。本研究選擇黑河上中游地區(qū)(96°42′E—102°04′E,37°45′N—42°40′N)。其中,上游海拔落差較大,介于2 600～4 300 m之間,年降水量較高,氣候陰寒潮濕[11]。植被垂直帶分布異常明顯,包括草甸植被、灌叢草甸、山地森林等[12]。中游地區(qū)作為黑河流域最主要的利用區(qū),年降水量不足300 mm,但蒸發(fā)量高達(dá)1 400 mm,工農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá),污水排放較為嚴(yán)重[13]。

表1 黑河上中游河道及水文要素特征Table 1 Channel characteristics and hydrological features of the upper and middle Heihe River

黑河流域水能資源最為豐富的區(qū)域是上游干流山區(qū)部分,其水能資源蘊(yùn)藏量106×104kW,可開發(fā)量52.8×104kW,年發(fā)電量38.48×108kW·h。根據(jù)地形情況,干流從上到下共規(guī)劃了9座梯級(jí)電站[14]。

1.2 樣品的采集與分析

為研究黑河沉積物營養(yǎng)鹽分布特征及其主要來源,選擇22個(gè)主要控制斷面進(jìn)行調(diào)查,分別在上游支流河段(S1、S2、S3、S4)、上游筑壩河段(T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13、T14)、中游自然河段(Z15、Z16、Z17、Z18、Z19、Z20、Z21、Z22)設(shè)置典型斷面(圖1)。于2019年7月使用彼得遜采泥器進(jìn)行實(shí)地采樣,在各典型斷面采集500 g表層沉積物,置于恒溫箱(4 ℃)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,測(cè)定總氮(TN)、總磷(TP)、硝態(tài)氮(NO3-N)、氨態(tài)氮(NH3-N)、有機(jī)碳(TOC)等指標(biāo)。TN、TP、NH3-N、NO3-N、TOC分別采用半微量開氏法、高氯酸-硫酸法、靛酚藍(lán)比色法、紫外分光光度法、重鉻酸鉀氧化法測(cè)定。根據(jù)國標(biāo)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017),將黑河流域土地利用類型按一級(jí)分類體系劃分為林地、裸地、水域等8類,利用2019年Landsat衛(wèi)星地圖,經(jīng)ERDAS軟件目視解譯計(jì)算出各土地利用類型面積占比。

圖1 研究區(qū)域及取樣點(diǎn)、水文站分布Figure 1 Study area and distribution of sampling sites and hyclropwer stations

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

首先采用K-S檢驗(yàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn),采用非參數(shù)檢驗(yàn)處理不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)。使用Pearson相關(guān)分析計(jì)算不同緩沖區(qū)尺度下土地利用類型面積占比與沉積物營養(yǎng)鹽之間的相關(guān)性,不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用SPearson相關(guān)分析計(jì)算,同時(shí)以各尺度土地利用類型作為自變量,沉積物營養(yǎng)鹽作為因變量,構(gòu)建多元線性回歸模型,再根據(jù)赤池信息量法則法篩選出沉積物指標(biāo)的最簡(jiǎn)約模型,構(gòu)建模型的調(diào)整后R2值代表解釋變量對(duì)響應(yīng)變量的解釋度。而后利用冗余分析方法分析土地利用類型對(duì)沉積物營養(yǎng)鹽變異的解釋能力,并采用蒙特卡羅方法檢驗(yàn)冗余分析(RDA)結(jié)果的顯著度(R>0.5)。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物營養(yǎng)鹽的空間分布特征

黑河流域沉積物氮磷及有機(jī)碳含量的沿程分布如圖2、圖3所示。沉積物TP、TN、NO3-N、NH3-N和TOC含量均值分別為224.83、245.32、55.76、30.25和8.42 mg/kg。在各河段中,中游自然河段沉積物TP、TN含量均較高,分別為318.50、449.09 mg/kg,是上游筑壩河段的2.28、5.79倍,表明中游自然河段沉積物污染較為嚴(yán)重。從差異性來看,中游自然河段沉積物TP含量與上游支流河段、上游筑壩河段的TP含量存在顯著差異(P<0.01),而沉積物TN含量在各河段的差異性不顯著。NO3-N含量高于NH3-N含量,且與TN在P<0.05水平上呈顯著相關(guān),表明沉積物氮素以NO3-N為主。另外,TN也與TOC在Sig<0.05水平上呈顯著相關(guān),表明沉積物氮素及有機(jī)質(zhì)具有同源性。

圖2 黑河流域沉積物氮含量Figure 2 The nitrogen concentrations of sediment in the Heihe River

圖3 黑河流域沉積物TP與TOC含量Figure 3 The phosphorus and TOC concentrations of sediment in the Heihe River

2.2 土地利用狀況

各典型斷面不同緩沖區(qū)尺度和匯水區(qū)的土地利用類型面積所占比例如圖4所示。整體而言,黑河流域土地利用類型以草地、裸地及耕地的占比較大,分別為56.38%、18.40%及13.43%,濕地、水域和建設(shè)用地的占比較小,均不足1%。從不同河段來看,上游支流河段與筑壩河段在小尺度(200～1 000 m)緩沖區(qū)內(nèi)的土地利用類型以草地、水域?yàn)橹?在大尺度(2 000～10 000 m)緩沖區(qū)內(nèi)以草地、耕地及林地為主;中游自然河段在小尺度范圍內(nèi)的水域、草地面積占比較大,在大尺度緩沖區(qū)內(nèi)的耕地、建設(shè)用地和裸地的面積占比較大,且在Z15(采樣點(diǎn))之后,大尺度范圍內(nèi)的建設(shè)用地與耕地面積成倍數(shù)增加,占比超50%以上。

圖4 不同緩沖區(qū)尺度下的土地利用類型面積占比(緩沖區(qū)尺度單位:m)Figure 4 Percentages of land use types in different buffer zone scales

2.3 沉積物營養(yǎng)鹽與土地利用的相關(guān)性分析

利用沉積物營養(yǎng)鹽與不同緩沖區(qū)土地利用的相關(guān)性分析各尺度土地利用類型對(duì)沉積物營養(yǎng)鹽的“源”/“匯”作用,結(jié)果(表2)表明緩沖區(qū)土地利用類型與沉積物營養(yǎng)鹽具有顯著的相關(guān)關(guān)系。其中,TP與各尺度緩沖區(qū)及匯水區(qū)域內(nèi)的草地均呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)系數(shù)隨緩沖區(qū)尺度的增大而逐漸增加,在5 000 m緩沖區(qū)內(nèi)的相關(guān)度最高(r=-0.610,P<0.01)。同時(shí),TP與大尺度緩沖區(qū)內(nèi)林地也具有顯著的負(fù)相關(guān)性,在10 000 m緩沖區(qū)內(nèi)的相關(guān)性最為顯著(r=-0.577,P<0.01);而TP與耕地、建設(shè)用地呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,且其相關(guān)性均在匯水區(qū)最為顯著,r分別為0.703(P<0.01)和0.711(P<0.01)。另外,濕地、水域也在匯水區(qū)域與TP具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系r分別為-0.514(P<0.05)和-0.589(P<0.01)。

與TP相比,TN與各尺度土地利用類型的相關(guān)性較低,僅與200 m、2 000 m緩沖區(qū)內(nèi)的灌叢(r分別為0.480、0.533,P<0.05)及200 m、500 m、5 000 m緩沖區(qū)的建設(shè)用地(r分別為0.492、0.454、0.460,P<0.05)呈顯著正相關(guān)。NO3-N與200～5 000 m緩沖區(qū)內(nèi)的灌叢、200～500 m緩沖區(qū)內(nèi)的濕地呈正相關(guān)關(guān)系,小尺度緩沖區(qū)的相關(guān)性大于大尺度緩沖區(qū)的相關(guān)性,其中與200m緩沖區(qū)內(nèi)的灌叢、濕地的相關(guān)系數(shù)最大(r分別為0.938、0.575,P<0.01)。NH3-N僅與1 000～2 000 m緩沖區(qū)內(nèi)的林地的相關(guān)性較為顯著,r分別為0.541(P<0.01)和0.471(P<0.05)。TOC與200～2 000 m緩沖區(qū)內(nèi)的水域呈顯著負(fù)相關(guān),與200～10 000 m緩沖區(qū)內(nèi)的建設(shè)用地呈顯著正相關(guān),相關(guān)性均隨緩沖區(qū)尺度的增大而逐漸減小,且在200 m緩沖區(qū)的相關(guān)性最為顯著(r分別為-0.556,0.710,P<0.01)。

表2 沉積物營養(yǎng)鹽與不同緩沖區(qū)尺度土地利用類型相關(guān)性Table 2 Pearson’s correlations between sediment nutrients and land use types in different buffer zone scales

2.4 土地利用對(duì)沉積物營養(yǎng)鹽的解釋度分析

以各土地利用方式作為解釋變量,沉積物不同營養(yǎng)鹽指標(biāo)作為響應(yīng)變量構(gòu)建多元線性模型,分析土地利用對(duì)營養(yǎng)鹽指標(biāo)的解釋度。結(jié)果(圖5)表明,小尺度緩沖區(qū)內(nèi)的土地利用類型對(duì)NO3-N、TOC具有較高的解釋度(調(diào)整后R2值),且其解釋度隨緩沖區(qū)尺度的增大而逐漸降低,在200 m緩沖區(qū)內(nèi)的解釋最高(R2=0.875、0.677);對(duì)TP的解釋度在大尺度緩沖區(qū)較高,且隨緩沖區(qū)尺度的增大而逐漸增加,在匯水區(qū)域的解釋度最高(R2=0.481);對(duì)TN、NH3-N的解釋度分別在10 000 m、1 000 m緩沖區(qū)最大(R2=0.613、0.325),但隨緩沖區(qū)尺度的增加無明顯的變化趨勢(shì)。

圖5 不同緩沖區(qū)尺度的土地利用方式多元線性回歸模型Figure 5 Multiple linear regression models of land use patterns at different buffer zone scales

對(duì)水質(zhì)參數(shù)的解釋度(R2值)冗余分析分析結(jié)果表明(表3),草地在各緩沖區(qū)尺度內(nèi)均對(duì)沉積物營養(yǎng)鹽具有較高解釋度,且其解釋度隨緩沖區(qū)尺度的增加而逐漸增大;耕地、林地和建設(shè)用地僅在大尺度緩沖區(qū)范圍內(nèi)對(duì)沉積物營養(yǎng)鹽的解釋度較高,其解釋度隨緩沖區(qū)尺度的增加而逐漸增大;而灌叢、濕地、水域?qū)Τ练e物營養(yǎng)鹽的解釋度較低。此外,在匯水區(qū)域內(nèi),耕地、草地、濕地、水域及建設(shè)用地均對(duì)沉積物營養(yǎng)鹽具有較高的解釋度。

3 討 論

本研究表明,黑河流域沉積物TP與大尺度緩沖區(qū)尺度內(nèi)的草地、林地呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,且緩沖區(qū)尺度越大相關(guān)性越顯著,這表明大尺度緩沖區(qū)內(nèi)的草地、林地對(duì)磷素具有顯著的過濾和截留能力。這是因?yàn)榱姿貢?huì)顯著增加林地、草地內(nèi)的絕對(duì)生物量,進(jìn)而加速磷的形態(tài)轉(zhuǎn)化及植物對(duì)可利用磷的吸收利用,使得大量磷素在輸移過程中被顆粒物吸附或植物吸收[15-16],較高的面積占比也使得草地在不同緩沖區(qū)尺度與TP呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系。與此相反,沉積物TP與大尺度緩沖區(qū)內(nèi)的耕地呈顯著正相關(guān)關(guān)系,其相關(guān)性隨緩沖區(qū)尺度的增加而逐漸增大,這是由于黑河流域農(nóng)作物以玉米、小麥為主,而玉米、小麥作為典型的磷敏感型作物,在穗形成接近成熟期時(shí),根系需吸收大量磷肥,大量磷肥的使用使得部分磷素隨地表徑流進(jìn)入沉積物,使得沉積物磷素含量增加[17-18]。但在小尺度緩沖區(qū)內(nèi)的相關(guān)性較差,這可能是由于黑河流域耕地主要集中在中游河段,且小尺度范圍內(nèi)的耕地占比較低,這也與以往研究結(jié)果一致[19]。與TP相比,NO3-N與土地利用類型的相關(guān)性較弱,僅與200～5 000 m緩沖區(qū)內(nèi)的灌叢呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系,這可能與灌叢土壤中硝化細(xì)菌較多有關(guān)[20]。研究表明,硝化細(xì)菌會(huì)加速土壤有機(jī)質(zhì)的硝化反應(yīng),加速有機(jī)質(zhì)分解,因此灌叢與NO3-N的相關(guān)性較為顯著[20]。建設(shè)用地在部分緩沖區(qū)與沉積物TP、TN和TOC呈顯著正相關(guān)關(guān)系,這是因?yàn)榻ㄔO(shè)用地密集的人類活動(dòng)產(chǎn)生了大量的工業(yè)廢水及生活污水,這些污水中的營養(yǎng)鹽及有機(jī)物質(zhì)在進(jìn)入河流過程中會(huì)在微生物及動(dòng)植物的分解作用下被吸收或者沉淀在沉積物中,進(jìn)而形成“氮源”和“磷源”[21]。整體而言,土地利用與沉積物磷素的相關(guān)性比沉積物氮素的相關(guān)性更為顯著,這與磷素的賦存形態(tài)及遷移方式有關(guān)。流域內(nèi)的磷素會(huì)與鐵錳等元素形成膠凝顆粒態(tài),化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定,易與泥沙一起沉積,因此土地利用與沉積物磷素的相關(guān)性更為顯著。

表3 基于冗余分析(RDA)的多尺度土地利用類型對(duì)沉積物空間分異的解釋結(jié)果Table 3 Interpretation of sediment spatial differentiation by multi-scale land use types based on redundancy analysis (RDA)

多元回歸分析表明,土地利用類型對(duì)沉積物NO3-N、TOC的解釋度較高、TP、TN的解釋度次之,NH3-N的解釋度最低,這與以往研究有所不同[22]。有學(xué)者認(rèn)為,無機(jī)污染物可被生產(chǎn)者直接吸收、利用,因此多元回歸模型對(duì)TOC的解釋度要優(yōu)于其他指標(biāo)[19]。但在本研究中,模型對(duì)于沉積物NO3-N的解釋度較高,這是由于黑河屬于典型的內(nèi)陸河流,上游支流河段與筑壩河段動(dòng)植物數(shù)量遠(yuǎn)低于低海拔、溫?zé)釒饬骱?生物循環(huán)吸收利用能力較弱,因而模型對(duì)NO3-N具有較高的解釋度[23]。但模型對(duì)TOC也具有較高的解釋度,且解釋度隨緩沖區(qū)尺度的增加而逐漸降低,結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果,認(rèn)為小尺度緩沖區(qū)內(nèi)建設(shè)用地的工業(yè)及生活用水會(huì)攜帶大量有機(jī)質(zhì)直接進(jìn)入河流,直接影響沉積物TOC含量,因而對(duì)沉積物TOC的解釋度較高。但建設(shè)用地主要分布于中游自然河段,夏季溫度較高,大量的地表生物會(huì)加速有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化,大尺度緩沖區(qū)內(nèi)的廢水受動(dòng)植物分解作用的影響較大,因而模型解釋度隨緩沖區(qū)尺度的增加而逐漸降低。

冗余分析結(jié)果表明,小尺度緩沖區(qū)內(nèi)的土地利用比大尺度緩沖區(qū)內(nèi)的土地利用對(duì)沉積物營養(yǎng)鹽空間變異的解釋度要低,且在不同尺度土地利用類型的解釋度也不盡相同。例如,草地對(duì)沉積物營養(yǎng)鹽空間變異的解釋度隨緩沖區(qū)尺度的增加呈先增后降的變化趨勢(shì),而與草地相關(guān)性最為顯著的是沉積物TP,但多元線性模型對(duì)TP的解釋度隨緩沖區(qū)尺度的增加而持續(xù)增加,這是因?yàn)槌练e物TP含量不僅與草地面積有關(guān),還受到耕地、林地、建設(shè)用地的影響。在大尺度范圍內(nèi)的耕地、林地及建設(shè)用地面積較大,對(duì)TP的影響也逐漸增加,RDA分析也表明,耕地、林地及建設(shè)用地對(duì)沉積物營養(yǎng)鹽空間差異性的解釋度在大尺度范圍內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增加的變化趨勢(shì)。因此耕地、林地、草地及建設(shè)用地是沉積物TP的主要影響因子。大尺度緩沖區(qū)建設(shè)用地比小尺度緩沖區(qū)建設(shè)用地對(duì)沉積物營養(yǎng)鹽空間變異的解釋度要更為顯著,與建設(shè)用地相關(guān)性最為顯著的是沉積物TOC與TP,多元線性模型對(duì)TOC的解釋度隨緩沖區(qū)尺度的增加而逐漸降低,表明小尺度范圍內(nèi)建設(shè)用地對(duì)TOC的影響高于大尺度的影響。

4 結(jié) 論

通過對(duì)黑河流域沉積物營養(yǎng)鹽空間分布特征的分析表明中游自然河段沉積物污染較為嚴(yán)重,其沉積物TP、TN含量是上游筑壩河段的2.28、5.79倍。建設(shè)用地、灌叢是沉積物有機(jī)質(zhì)及硝態(tài)氮主要來源,而林地、草地及耕地對(duì)營養(yǎng)鹽存在顯著的“匯”的作用?？傮w而言,土地利用對(duì)沉積物磷素的解釋度要優(yōu)于氮素的解釋度,這與黑河流域上游梯級(jí)開發(fā)有關(guān)。針對(duì)上述問題,在黑河流域水資源保護(hù)過程中,應(yīng)當(dāng)實(shí)行增加植被覆蓋面積,控制建設(shè)用地,避免污水直接進(jìn)入河流的系統(tǒng)治理模式,并根據(jù)上游梯級(jí)水庫的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)調(diào)整治理策略。