土地生态健康评价中地表水污染特征分析:以河南省台前县为例

陈太政，于 斌，梁留科，李湘豫，刘晓静，王少华

(河南大学 环境与规划学院，河南 开封475004)

0 引言

A.Leopold提出“土地健康”概念，并把土地亚健康(land sickness)描述为土地生态系统功能紊乱［1］。Howard T.Odum认为生态系统是一个有机整体，健康的生态系统具有恢复力(resilience)，保持着内在稳定性(homeostasis)，是具有自我调节和反馈功能的有机体［2］。D.J.Rapport等认为，健康的生态系统应该包括满足人类社会合理要求能力和生态系统本身自我维持与更新能力2个方面的内涵［3］。L.R.Schaeffer等在给生态系统健康定义新的概念中，把生态系统健康定义为生态系统健康是没有疾病的生态系统(absence of disease)，生态系统功能阈限没有超过最大恢复调节度时生态系统仍然是健康的［4］。T.Page认为生态系统的组成部分保持着一个动态平衡状态，在受到来自生态系统外界干扰时能通过自身调节恢复平衡，并为人类社区提供生态系统服务功能［5］。R.Costanza对生态系统健康概念进行了总结，即生态系统随着时间推移维持自身组织，对外力胁迫具有抵抗力，这样的生态系统就是健康的生态系统［6］。我国土地健康专家陈美球等认为，土地生态系统健康是指土地维持自身正常新陈代谢的一种状态，系统本身恢复调节能力可缓和外界干扰，使土地与人之间、生物体与生物体之间、生物体与无机环境之间的共生、互生、再生过程得到持续发展［7］。蔡为民等，梁流涛等，王丽萍将土地生态系统健康概括为结构合理，功能正常发挥，所产生的生态效益、社会经济效益能满足人类需要的土地生态系统［8-10］。在这个动态平衡系统中，地表水质量情况对土地生态系统健康影响极其重要，不但影响水中生物大量繁殖，造成水体缺氧，直接危害生物成长，同时产生氨氮、亚硝酸盐、硫化氢等影响生态环境健康。COD(化学需氧量)、氨氮作为反映水体有机污染程度的重要指标，已受到国内外更多学者的关注［11-18］，但对土地生态系统健康中COD、氨氮的影响研究较为鲜见。本研究根据河南省台前县金堤河的2011年水质动态连续观测及水样实验，重点分析研究期间COD、氨氮的含量变化及其对土地生态系统健康的影响。

1 研究区概况

台前县位于河南省东北部，介于北纬35°53＇50″～35°55＇28″，东经 115°48＇40″～ 115°50＇58″之间，总面积454 km2。地貌系中国第三阶梯的中后部分，属黄河冲积平原，地形呈西南向东北自然倾斜，海拔均在48～58 m之间。气候受东南季风环流的控制，属暖温带半湿润季风型大陆性气候。金堤河系黄河北侧支流，源于新乡县司张排水沟，自安阳市滑县入濮阳境，经濮阳县、范县、台前县，于台前县吴坝乡张庄村北汇入黄河。境内河流长125 km，流域面积1 750 km2，年平均流量5.26 m3/s，年均径流量1.66×109m3。金堤河与黄河横穿全县，将县域境内分割为黄河滩地和背河洼地两大部分，形成“三堤两河一滩”的地貌特征。研究区域内地势平坦，土层深厚，垦殖率高，绝大部分已开辟为农田，是河南省粮食主产区，生态系统较为稳定，金堤河是黄河下游北侧的重要河流，该河流作为灌溉用水对土地生态健康具有很大影响。因此，本研究选择黄河与金堤河之间的台前县县域作为研究区域。

2 材料与方法

研究于2011年1月1日至12月19日在黄河下游北侧的一条重要支流金堤河进行，为了完整地反映研究区地表水对河南省台前县土地生态系统健康影响及地表水因子的变化状况特征，对金堤河水样进行了全年动态观测。根据土地生态系统健康评价要求掌握地表水体中COD、氨氮含量的变化特征，分别对研究区的入境断面和出境断面同时采集水样，采样频率为6～9次/月，检测项目为COD(化学需氧量)和氨氮总量、河流流量3个指标。样品采集地点分别来自台前县过境河流金堤河的子路堤断面(入境处)、贾垓桥断面(出境处)，通过实验分析计算入境和出境河流水中COD、氨氮含量的差异变化，探寻地表水对土地生态系统健康的影响。化学需氧量(COD)的测定方法依据国标(HJ/T 399—2007)测定方法要求［19］，采用快速消解分光光度法在强酸性溶液中用硫酸银作催化剂，用0.25 mol/L的重铬酸钾作氧化剂，于165℃恒温加热器中氧化水样10 min，一定量的Cr6+被水中的还原性物质还原为Cr3+，于波长600 nm处对Cr3+进行分光光度法的测定，根据Cr3+含量计算 COD浓度［20］。氨氮的测定方法依据国标(HJ 535—2009)要求［21］，采用纳氏试剂分光光度法使水中氨与钠氏试剂(K2HgI4)在碱性条件下生成黄棕色化合物(NH2Hg2OI)，在420 nm波长范围内其色度与氨氮含量成正比，用可见分光光度法进行测定［22-25］。

2.1 COD测定方法

2.1.1 仪器与试剂。722型分光光度计;氧化剂(重铬酸钾)和催化剂(硫酸银);邻苯二甲酸氢钾标准溶液(称取105℃ ～110℃下干燥2 h的邻苯二甲酸氢钾0.425 l g溶于水中，稀释至500 mL定容备用，该溶液的COD理论值 为1 000 mg/L)。

2.1.2 测定步骤。取适量水样(＜500 mg/L)于试管中，加水至3.0 mL，加入氧化剂 1.0 mL，再加入催化剂5.5 mL，置入恒温加热器中，在(165±2)℃条件下氧化水样10 min，冷至室温后，高量程方法在(600±20)nm波长处用3 cm比色皿，以二次蒸馏水为参比液用分光光度计测定吸光度;低量程方法(600±20)nm波长处用3 cm比色皿，以二次蒸馏水为参比液用分光光度计测定吸光度。在(600±20)nm波长处测定时，水样COD值ρ=n［k(As-Ab)+a］;在(440 ±20)nm波长处测定时，水样COD 值ρ=n［k(Ab-As)+a］。式中:ρ为水样 COD 值(mg/L);n为水样稀释倍数;k为校准曲线灵敏度，单位为(mg/L)/1;As为试样测定的吸光度值;Ab为空白试验测定的吸光度值;a为校准曲线截距(mg/L)。

2.2 氨氮测定方法

2.2.1 仪器与试剂。可见分光光度计;无氨水;轻质氧化镁;盐酸;纳氏试剂;酒石酸钾钠溶液;硫酸钠溶液;硫酸锌溶液;氢氧化纳溶液;盐酸溶液;硼酸溶液;溴百里酚蓝指示剂;淀粉-碘化钾试纸;吸取5.00 mL氨氮标准贮备溶液于500 mL容量瓶中稀释至刻度线备用。

2.2.2 测定步骤。取适量预处理后的样品作为试料，转入50 mL比色管，不到50 mL的定容到50 mL，浓度稍大时可进行稀释，使氨氮含量控制在测定的线性范围内，加入1.0 mL酒石酸钾钠溶液，摇匀后再加1.5 mL纳氏试剂摇匀，放置10 min后在420 nm波长处用20 mm比色皿以水为参比，测量吸光度，其计算结果表示为:ρN=(As-Ab-a)(b× V)。式中:ρN为水样中氨氮的质量浓度(mg/L);As为试样测定的吸光度值;Ab为空白试验测定的吸光度值;a为校准曲线的截距;b为校准曲线的斜率;V为试料体积(mL)。

3 结果与分析

3.1 COD变化特征

入境COD含量在5月9日达到最高含量53.80 mg/L，比入境年平均含量(34.69 mg/L)高55%，全年变化趋势不大，呈现整体小幅度减小的趋势(图1a)。出境COD在1月10日达到最高含量50.50 mg/L，比出境年平均含量(32.29 mg/L)高57%，全年变化趋势呈现出波动，相对入境变化趋势减小明显(图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日明显低于入境含量，此后与入境含量相当，持续一段时间后再次出现低于入境含量的情况。直到8月底以后，出境COD含量明显低于入境含量，且表现出入境含量差别最大的特征(图2)。与此同时，8月底以后表现出入境COD含量在这段时间相对于出境大量增加，以9月份上、中旬最为明显(图3a)。从全年月平均COD含量变化趋势(表1)来看，9月份平均含量增加到17.05 mg/L，且全年月平均含量的变化呈现增大的趋势，并呈现一定的线性关系(图3b)。

3.2 氨氮变化特征

入境氨氮含量1—2月份平缓增加，在5月9日达到最大含量3.48 mg/L，比入境年平均含量(1.11 mg/L)高214%。此后缓慢减少，直至9月下旬后再次呈现出增加的趋势(图4a)。出境与入境氨氮含量保持着相应的变化特征趋势(图4b)，在5月9日达到全年最大值(3.48 mg/L)，比出境年平均含量 (1.09 mg/L)高219%。无论从出境氨氮变化趋势还是从出入境氨氮变化趋势和出入境氨氮趋势线对比分析来看，出境氨氮含量都表现出整体含量减小的趋势(图5)。全年净增加含量也保持着与出境变化相类似的特征(表1)，6月28日达到最大值1.54 mg/L，呈现总趋势微弱减小的变化动态(图6a)。月平均增加含量在6月份达到最高值0.274mg/L，此后持续减小，直到11月减小到最低值-0.37 mg/L，并具有良好的线性关系(图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 相关分析

相关系数是描述2个变量之间的离散程度的指标。用于判断2个变量的变化是否相关，即一个变量的较大值是否和另一个变量的较大值相关联(正相关);或一个变量的较小值是否和另一个变量的较大值相关联(负相关);或是2个变量中的值互不关联(相关系数近似于0)。设(X，Y)为二元随机变量，那么:

式中:ρ为随机变量X和Y的相关系数，度量X和Y之间线性相关的密切程度;Y为自变量;X为因变量。

图7 化学需氧量(COD)与氨氮之间的关系Fig.7 The correlation between COD and Ammonia

从数据统计结论能够看出，研究区COD与氨氮之间的线性关系不显著(图7)，且相关系数R2均小于0.100 00。COD和COD增加量之间的线性相关系数R2为-0.830 36，呈现良好的负相关。(1)R2检验:在回归统计区域中，给出的 R2为0.689 053，调整后的 R2为0.682 896，均接近1，说明研究区COD和COD增加量的关系很密切(图8，图9)。(2)F检验:在方差分析区域中，给出的F 检验值为104.370 1，远大于F0.05，说明研究区COD和COD增加量的回归效果非常显著。(3)t检验:在回归模型区域中，给出了回归系数 β0，β1，β2，β3的估计值及其标准误差以及t检验值和回归系数估计区间的下限等。由于各回归系数的t检验值分别为10.901 52，-10.216 2，研究区COD和COD增加量有显著相关(图10)。综合上述计算和检验结果，可得回归模型:

3.4 水质分类

COD、氨氮对土地健康影响值与地表水(河流)流量有很大的关系，在分析COD、氨氮影响时首先考虑流量的变化对COD、氨氮的影响。从全年的入境流量和出境流量来看，河流的流量变化不大(图11)，几乎保持出入动态平衡的状态。河流月平均流量增加值除受季节影响7月份增加520 m3/h外，其他均保持在稳定的状态(图12)。在分析COD、氨氮对土地健康影响时可以排除流量的因子作用。地表水中COD、氨氮含量在流经研究区后发生改变，含量大小变化视为对土地生态健康的影响，含量增大则影响强，含量减小则影响弱。通过对河流经过研究区前后的实验测定，以平均值、最大值 最小值、累计增加值4项指标数据反映COD、氨氮对研究区土地生态健康的影响(表2)。根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)地表水环境质量标准基本目标标准限值，COD的最小值16.90 mg/L，归属Ⅲ类;平均值32.29 mg/L，应归属于Ⅴ类;最高值 50.50 mg/L，远大于Ⅴ类最高标准值，按最高分类标准归属于劣Ⅴ类。氨氮的最小值0.32 mg/L，归属Ⅱ类;平均值1.09 mg/L，归属Ⅳ类;最大值3.37 mg/L，超出最高标准限值(2.00 mg/L)按最高标准值分类归属，隶属于劣Ⅴ类。

表2 COD、氨氮统计值 mg/LTab.2 The statistics of Ammonia and COD

3.5 污染评价

根据《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)、《地下水质量标准》(GB/T14848—93)、《河南省环境质量报告书》(2006—2010年)［26］、《濮阳市环境质量报告书》(2006—2010年)［27］规定的水环境质量评价方法，以市控河流监测断面所代表的河流作为一个城市地表水环境质量的评价域，分别计算单个断面或区域污染物算术平均值和区域(或河流)平均综合污染指数，公式如下:

式中:P为区域(或河流)平均综合浸染指数;Pj为第j个断面的平均综合污染指数;Pi为第i个因子的污染指数;Ci为第i个因子年平均浓度值(mg/L);Si为第i因子的评价标准值(mg/L);m为区域(或河流)内的监测断面数;n为评介因子数。

采取公式(1)通过对实测数据计算，研究区台前县金堤河2011年统计时段内的COD平均浓度为33.49 mg/L，氨氮平均浓度为1.10 mg/L。采取公式(2)，基于COD、氨氮2项指标的实测值进行计算，2011年度内台前县金堤河综合污染指数为0.35，属于轻污染级别。根据《濮阳市环境质量报告书》(2006—2010年)统计的2010年度内金堤河水质监测结果包括氨氮、化学需氧量、五日生化需氧量、高锰酸钾、挥发酚、氰化物、总砷、总汞、铬(六价)、总铅、总镉11项指标的统计值，按公式(2)计算，2010年度内研究区金堤河综合污染指数为0.50，属轻污染级别。

4 结论与讨论

土地生态系统健康不仅要求生态系统自身具有恢复力、稳定性、调节力，而且在土地肥力、大气、地表水等因子参与下足以能够维持其与外界环境之间形成能量流动和物质循环，达到一个动态平衡的土地生态系统。在这个动态的循环过程中，水携带的营养物质以及水体本身的质量情况对土地健康起着举足轻重的作用。为此，通过对土地健康因子地表水中的COD、氨氮等指标分析得出以下结论。

1)研究时段内COD、氮氮含量变化。入境COD、氨氮2项指标在未经过研究区之前，最大含量值同时出现在测量时间段内(5月9日)，出境COD最大含量48.20 mg/L出现在4月6日，出境氨氮的最高含量却5月9日同时出现。2项指标含量的入境变化较稳定，出境COD含量呈较大的减小趋势，出境氨氮却变化甚微。与此同时，COD年平均增加趋势明显，氨氮变化较稳定。

2)研究时段内COD、氨氮相关分析。研究区COD与氨氮之间和氨氮之间的相关系数为-0.830 36，为0.689 503，呈现良好的线性回归;COD和COD增加量的回归效果非常显著，具有良好的一元线性回归模型关系。

3)研究时段内地表水环境质量分级。根据《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)地表水环境质量标准基本目标标准限值，根据COD含量的平均值32.29 mg/L和最大值50.50 mg/L归属于Ⅴ类，但最大值超出Ⅴ类最高标准值，应在最高分类标准的基础上增加一个级别，归属于劣Ⅴ类;根据氨氮含量的平均值1.09 mg/L和最大值3.37 mg/L归属Ⅴ类，但最大值超出最高标准限值，亦应隶属于劣Ⅴ类。

4)研究时段内地表水污染指数。根据《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)及《河南省环境质量报告书》(2006—2010年)规定的水环境质量评价方法，以市控河流监测断面所代表的河流作为一个城市地表水环境质量的评价域，分别计算单个断面或区域污染物算术平均值和区域(或河流)平均综合污染指数，台前县金堤河的浸染物算术平均值分别为:COD平均浓度为33.49 mg/L，氨氮平均浓度为1.10 mg/L;2011年基于COD、氨氮2项指标的综合污染指数为0.35，2010年基于COD、氨氮等11项指标的综合污染指数为0.50。

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