浑河上游清原流域河流氮素污染时空变异及其与土地利用的关系

郑尧文, 魏建兵, 张 娜, 吴尚遇, 石新竹

(沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

自20世纪中后期,淡水资源短缺和水源地水质恶化问题引发全球对饮用水安全和水源地保护的关注.中国非点源污染负荷比重正在逐歩上升,氮和磷已经成为水体的主要污染物,由此诱发的水环境问题己经严重威胁到我国的饮用水安全[1].

氮是支撑生命系统最重要的元素之一,但逐渐增强的人类活性氮输入,极大地改变了氮的自然循环过程,严重威胁着自然生态系统的健康和人类生存环境的安全[2-4].人类输入的超负荷氮素随降雨径流、壤中流和地下潜流进入水体,造成河流、 湖库和河口海岸富营养化以及地下水硝酸盐污染已经成为世界性的水环境问题[5-9].

湖库型水源地氮素污染主要有两大类:一类是点源污染,另一类是非点源污染,随着国家对水源保护区生态保护的重视以及对环境污染整治力度的加大,近年来重要的湖库型水源地点源污染已经得到基本控制,多数排污型工厂已经搬迁或安装污水处理设备[1],非点源污染成为这些地区水体氮素污染的主要形式.这些地区非点源污染的来源主要有以下几种途径:一是农业耕作中不合理的化肥施用;二是部分工业污水偷排;三是农村生活污水无组织分散排放;四是畜禽养殖过程中产生的动物排泄物等.这些物质在降雨冲刷等动力作用下进入水体[10-12].非点源污染的负荷和排放路径与汇水范围内的土地利用类型、强度、格局等有着密不可分的关系[13-15].

近年来,众多的学者针对流域尺度河流水质的时空变异及其与自然环境和人类活动特征的关系开展了大量的研究[16-19],找到了一些水质参数动态变化以及与土地利用指标关系的基本规律,但在不同地区结论存在不确定性[20-22],而且大多研究水质监测的时段较短、集中在夏季且频次较少,没有关注到寒冷地区春季土壤冻融和积雪融化对分散源污染物质的冲刷效应[23-24].

浑河是我国七大水系之一辽河的最大支流,其上游是国家九大集中式饮用水源地之一大伙房水库的集水区,供给沈阳、抚顺、大连等7个城市2 300万人口的工业和生活用水,在辽宁省经济社会发展中具有举足轻重的战略地位.据环境管理部门的监测,虽然大伙房水库的水质近年来总体保持着良好等级,但氮、磷超标的问题始终没有解决.本文以该水库主要支流之一浑河上游汇水区,即清原流域为研究区,开展年度尺度上不同季节、上中下游不同支流总氮、氨氮和硝态氮的质量浓度动态及其与土地利用的关系研究,旨在探讨不同时空条件下水体氮素污染程度及其与土地利用的关系,为流域水环境管理和土地利用优化决策提供参考依据.

1 研究区概况

浑河上游清原流域位于辽宁省抚顺市清原满族自治县(图1),面积2 319 km2,是清原县面积的2/3;属温带大陆性季风气候,年平均温度5.3 ℃,冬冷夏热,全年冻期长,年平均降水量806.5 mm,6—8月为雨季,占全年降水量的61.9%;地势东南高西北低,低山丘陵与河谷交错,中部沿浑河河谷平原向西逐步低缓,境内山脉属长白山龙岗支脉.土壤种类包括暗棕壤、棕壤、白浆土、草甸土、沼泽土和水稻土;植被属长白植物区系,兼有华北植物群落,现多为次生林和人工林,植被覆盖率约80%.经济活动以农业生产为主,有部分矿业开采和木材加工企业;该区域水资源较为丰富,清原流域有1级和2级支流30余条.

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

2 研究方法

2.1 流域、水系提取、子流域划分及采样点设置

利用清原县1∶5万DEM(数字高程模型)数据,在ArcGIS 10.2水文分析模块支持下提取浑河上游清原县境内流域边界及水系分布,结合实地调查,以一级支流和部分二级支流为汇水单元,将流域划分为39个子流域,在每个子流域出水口设置监测断面,另在主干流上中下游各设置1个监测断面,整个流域共设置42个水质断面采样点,分别用1#～42#编码监测点(图2),所对应的的子流域编码为wa1～wa42.

2.2 水样采集及测试分析

2018年7月至2019年4月,根据研究区的气象、物候与农作时历特征,按春、夏、秋、冬4个季节划分,于2018年7月、10月、12月和2019年的4月进行河流断面水样采集,分别对应研究区丰水期、平水期、枯水期和冻融期.每个调查断面采用不锈钢采水器采集河流表层水样(0～20 cm),分装于2个500 mL的聚乙烯瓶,所有样品均使用医用冷藏箱避光保存,48 h内运回实验室进行分析测试.总氮和硝态氮质量浓度采用连续流动分析仪测定(荷兰SAN+++),氨氮质量浓度采用纳氏试剂分光光度法测定(UVmini-1040).

图2 清原流域子流域及采样点分布Fig.2 Distribution of sub-watersheds and sampling sites of surface water in Qingyuan watershed

使用SPSS 22.0统计软件对42个采样点168个水样三氮指标进行描述性统计,并使用单指标法评价其超标率.以《地表水环境质量标准》(GB 3828—2002)中的Ⅱ类水标准作为评价标准分析总氮和氨氮超标率,由于上述标准中没有硝态氮指标,硝态氮评价参考《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006).

2.3 土地利用分类

使用研究区2017年ALOS遥感影像,在ENVI 5.1软件和ArcGIS 10.2软件支持下对遥感影像进行几何校正、研究区裁切等处理.参考国家《土地利用现状分类标准》(GB/T 21010—2007)将研究区土地利用类型分类为水田、旱田、林地、草地、水域、建设用地、未利用地和工矿用地8种类型,结合浑河流域发展现状、相关规划、斑块类型以及其分布情况进行目视解译,制作土地利用分类图,通过与GoogleEarth高分辨率影像数据定位比对和野外实地调查等验证,分类精度达到87%,满足本研究使用目标.

使用42个监测点子流域边界矢量数据裁切流域土地利用分类图,获得42个子流域的土地利用数据.运用景观分析软件Fragstats 4.2统计各个子流域的土地利用类型面积百分比.

2.4 统计分析

运用SPSS 22.0统计软件,以标准差为表征指标,分析42个子流域间三氮水质指标的季节和空间差异性;以42个子流域三氮水质指标质量浓度和土地利用类型百分比为样本,采用Spearman秩相关分析考察水质与土地利用的相关性.

3 研究结果

3.1 氮素质量浓度总体特征

通过对浑河清原流域各个监测点168个水样的野外采样、实验室检测、数据处理,得到水质样本氮素描述性统计结果(见表1).通过与水质标准对照分析,总氮超标率为90.13%,氨氮超标率42.76%,硝态氮的超标率为0.该河流氮素污染总体较重.

表1 168个水质样本氮素描述性统计结果Table 1 Descriptive nitrogen statistics of 168 water quality samples

3.2 氮素季节变异特征

清原流域地表水不同形态氮质量浓度季节分布如图3所示,总氮和硝态氮质量浓度在冬季(枯水期)最高,夏季(丰水期)质量浓度最低,在春、秋季(冻融期和平水期)处于中间水平;氨氮质量浓度在夏季(丰水期)最高,冬季(枯水期)质量浓度最低,春、秋季(冻融期和平水期)处于中间水平.

图3 清原流域地表水不同形态氮质量浓度季节分布

Fig.3 Seasonal distribution of mass concentration of nitrogen in surface water in Qingyuan watershed

3.3 氮素空间变异特征

从清原流域不同形态氮质量浓度空间变化上(图4)来看,研究区水质氮素的空间变异明显,从上游到中、下游,3种形态氮质量浓度指标均逐渐升高,氮素污染程度从上游至下游逐渐加重.上游27#、28#、32#和35#监测点总氮和硝态氮质量浓度偏高,中游20#监测点总氮和硝态氮质量浓度偏高,下游3#、7#、8#和10#监测点总氮和硝态氮质量浓度偏高,其中7#监测点氨氮质量浓度异常高.

图4 清原流域不同形态氮质量浓度空间变化图Fig.4 Spatial variation of nitrogen mass concentration in different forms in Qingyuan watershed

3.4 土地利用类型分布特征

图5(见封2)为清原流域土地利用图,从图中可以看出,流域的土地利用类型总体特征是以林地为主,占比75.65%,其他土地类型中农田和城乡建设用地占比较大,分别为17.85%、2.84%.草地、水域、工矿用地和未利用地占比较小,均小于1%.农田中的水田主要分布在主干流两侧附近.中上游的林地面积占比较大,建设用地的面积占比较小,旱地面积占比处于中间水平,下游的旱地与建设用地面积占比较大.

图6为各子流域不同土地利用类型面积百分比分布图,从图中可以看出,所有子流域林地面积占比均最大,在40.96%～97.39%之间;旱地面积占比在1.68%～37.93%之间,平均占比为15.6%,其中旱地面积占比大于20%的子流域共有12个,个别流域超过30%,主要分布在中下游;建设用地面积占比在0.12%～15%之间,建设用地超过10%的子流域有2个,分别在2#和7#监测点子流域.虽然水域、水田、未利用地、工矿用地的面积占比很小,但是这几种土地类型对整个流域的水质有着重要的影响,水域和水田在各个子流域均有分布, 未利用地与工矿用地多数位于下游区域.从土地利用类型的分布来看,整个流域的土地利用类型分布差异较大,下游子流域的土地利用类型较为复杂,中上游子流域的土地利用类型比较单一,以林地与旱田为主.

图6 各子流域不同土地利用类型面积百分比分布Fig.6 Percentage of area of land use types in each sub-watershed

3.5 氮素质量浓度与土地利用特征的相关性

土地利用与氮素质量浓度的相关系数如表2所示,从全年看,河流氮素质量浓度与旱田、建设用地和水域有显著正相关性,与林地呈显著负相关性,与水田、草地、未利用地、工矿用地相关性不显著.其中,总氮与林地呈极显著负相关(P<0.01), 硝态氮与水域和建设用地无显著相关性,氨氮与水域和建设用地呈极显著正相关(P<0.01).

从季节分布来看,春季河流总氮、硝态氮与旱田和未利用地呈显著正相关(P<0.05),与建设用地呈极显著正相关(P<0.01),与林地呈极显著负相关(P<0.01);氨氮与旱田和水域呈显著正相关(P<0.05),与建设用地呈极显著正相关(P<0.01),与与林地呈极显著负相关(P<0.01).夏季河流总氮与草地呈显著负相关(P<0.05);硝态氮与土地利用没有显著相关性;氨氮与水域呈显著正相关(P<0.05),与建设用地呈极显著正相关(P<0.01),与林地、草地呈显著负相关(P<0.05).秋季河流总氮与旱田、建设用地呈显著正相关(P<0.05),与林地呈显著负相关(P<0.05);硝态氮与旱地呈显著正相关(P<0.05);氨氮与水田呈显著正相关(P<0.05).冬季河流总氮、硝态氮与旱田呈显著正相关(P<0.05),与林地呈显著负相关(P<0.05);氨氮与旱地、建设用地呈极显著正相关(P<0.01),与林地呈显著负相关(P<0.05).

表2 不同土地利用类型与氮素质量浓度的相关系数Table 2 Correlation between land use and nitrogen content in Qingyuan watershed

注: *表示显著性P<0.05,显著相关;**表示显著性P<0.01,极显著相关.

4 讨 论

4.1 氮素质量浓度总体特征

浑河清原流域虽以森林景观为主,近十几年来也进行了系列环境整治行动,以关闭污染型企业和截封排污口为主的措施基本控制住了点源排放,但该流域分布有清原县城与红透山、南口前、北三家、英额门、湾甸子、大苏河和敖家堡等镇区,以及众多的农村居民点,农田面积也占近20%的面积,非点源排放已经成为了该流域主要的污染方式.水环境方面主要体现在地表水的氮、磷超标.本研究河流不同形态氮素质量浓度平均值与国内其他水源保护区不同形态氮素质量浓度平均值的对比,如表3所示.与其他地区相比,该流域的总氮和硝态氮质量浓度平均值偏高,污染程度较重,氨氮质量浓度平均值偏低,污染处于中等偏低的程度.

4.2 氮素季节变异特征

从流域河流氮素季节变异特征看,流域氮污染枯水期较为严重.冬季是枯水期,气温降低,12月份采样时部分河流已经结冰,环境温度较低使得河流中的微生物基本失去活性,多数植物停止生长,无法继续对环境、水体的氮素进行降解、吸收与拦截,部分城镇和农村生活污水无组织排放、秋季晚期秸秆焚烧、冬季取暖排烟沉降等大量人为活性氮输入到水环境中,再加枯水期河流径流量较小,因此总氮、硝态氮质量浓度高,达到了全年的最大值,氨氮比平水期也有一定增加.

表3 本研究与国内其他水源保护区不同形态氮素质量浓度平均值对比Table 3 Comparison of nitrogen concentrations with other rivers of water resource protect area in China mg·L-1

春季该地区有少量降雨, 同时植物开始生长, 气温逐渐回升, 微生物的活性逐渐增强, 吸附水体中的氮素, 加上春季初期人为活动对流域的干扰相对较小, 且冰层融化, 加强了水体与环境的联系, 所以污染物质量浓度相比于冬季有少许下降.

夏季是丰水期,是该地区的雨季,夏季降雨量占全年降雨量的70%,尽管夏季是该地区施肥的主要季节,但大量降雨汇流导致河流水量增加,对河流氮素污染物有稀释作用;同时,河道里植物的生长会吸收水体中的氮素,流域内的林地对氮素污染也有一定的滞留作用,使得夏季的总氮、硝态氮质量浓度最低.该流域夏季氨氮浓度偏高可能与畜禽养殖较多有关[31],畜禽排泄物通过径流冲刷大量进入河流,另外畜禽养殖过程中大量的氨氮进入大气,通过干湿沉降作用进入到流域水体,根据支撑本研究的科研项目测得的干湿沉降数据分析,干湿沉降中氨氮质量浓度占总氮的60%以上,因此夏季河流氨氮的质量浓度达到最大值.

秋季属于平水期,水量逐渐减少,该地区的植被停止生长,由于东北地区的温度较低,秸秆不能自然堆肥,研究区里大面积秸秆燃烧,导致大量氮素进入环境中,氮素污染物在秋季质量浓度增加.

4.3 氮素空间变异特征

流域河流氮素空间变异特征是与人为活动强度相适应的.无论整个流域还是子流域均是上游以森林植被为主,农田和建设用地分布在中下游河流两侧,下游冲击平原分布有更多的农田和城镇社区,耕作和其他生产生活人为氮素输入也遵从上游到中下游分布逐渐增强的规律.而局地的特殊生产类型同时也造成了河流氮素浓度呈现一定的斑块状分布,如3#监测点上游的木材加工厂,7#监测点上游的铜矿和污水处理厂,8#、27#、28#、32#和35#监测点上游的养牛场,10#监测点上游的屠宰场和20#监测点附近的养鸡场.

4.4 土地利用类型分布特征及其与河流氮素质量浓度的相关性

流域的土地利用特征格局是由当地的低山丘陵地形地貌、土地开发的难易程度、服务生产生活的便宜度和政府对该地区功能定位等因素综合决定的.作为辽宁省重要的水源地,工矿企业的发展受到严格的准入和规模限制,经济活动以农业生产为主,实现森林保护和水源涵养的主要功能.因此,该流域的水质好坏主要取决于生产生活污水排放、农业种植化肥施用和养殖业畜禽粪便的规模与管理水平.

该流域土地类型占比和氮素质量浓度的相关性分析结果也说明了这点.旱地占比与3种形态的氮素质量浓度均呈显著正相关,旱地的面积越多,施用的化肥量越大,秋季秸秆燃烧沉降越多,流域水体的氮素质量浓度越高,水质越差;总氮、硝态氮与城乡建设用地呈极显著相关,硬化地表径流汇流以及生活污水无组织排放是污染流域水体的重要原因.林地占比与河流3种氮素质量浓度呈极显著负相关,林地面积占比增大,相对产污土地减少,同时,林草地对过量氮、磷等营养性物质具有截留、吸收等作用,水质状况会得到改善;氮素质量浓度和水域占比呈正相关性主要是由于本流域河流流量均较小,水域普遍受到污染,面积增大及水量增加尚不足以有效稀释污染物质,反而汇聚了更多的活性氮素.

土地类型占比和氮素质量浓度的相关性在季节变化上没有表现出明显的差异性,总体趋势与全年平均基本一致.这可能与该流域人为活动相对较少,河流径流量变化较为平缓有关.需要重点关注春季冰雪消融携带的未利用地污染物输入河流,该流域草地面积较小,很多的未利用地被荒草覆盖,成为当地农民放养牛羊和鸡的主要场所,秋冬季会累计较多的畜禽粪便,冰雪融化径流携带下成为春季河流氮素的来源之一.另外,秋季稻田排干水径流氮素水质管理也要引起注意.

5 结 论

浑河上游作为大伙房水库的水源地,土地利用较为复杂,环境敏感,经济欠发达,在东北低山丘陵地区水库型水源保护区具有典型的代表性.本文以浑河上游清原流域为工作区,开展了流域地表水氮素污染的时空变异及其土地利用影响研究,主要结论如下.

1) 地表水总氮超标率为90.13%,氨氮超标率42.76%.与我国其他地区水源地相比,总氮和硝态氮污染处于偏高程度,氨氮污染处于中等偏低程度.

2) 河流氮素污染在不同季节出现较大的差异性,丰水期的水质最好,枯水期的水质最差,秋季平水期和春季融雪融冻期的水质处于中间水平.总氮与硝态氮的质量浓度在枯水期最大,丰水期最小;氨氮浓度在丰水期最大,秋季平水期最小.

3) 河流氮素污染空间变异明显,氮素污染水平从上游至下游逐渐加重.氮素空间变异特征与人为活动强度梯度相对应.同时,局部的特殊集中用地方式也造成了河流氮素质量浓度呈现一定的斑块状分布.

4) 河流氮素主要来源于旱田、城镇和农村建设用地以及畜禽养殖集中区,林地面积占比的增加有利于降低氮素污染程度.未利用地放养牛羊累积的排泄物,冰雪消融期冲刷和稻田排水径流水质管理需要受到关注.

5) 控制工农业生产强度,研究生态补偿方式,规划和实践非点源污染最佳管理措施(BMPs)是实现该水源保护区或其他地区类似流域地表水环境氮素污染管理的有效途径之一.