柴达木盆地主要绿洲农业区水质现状评价

郭庆波，黄懿梅，贾鹏辉，李好好

（西北农林科技大学资源与环境学院，农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100）

青藏高原被称为亚洲水塔，是世界40%人口的水源地，随着社会经济的发展，青藏高原生态系统不稳定性增加，水资源压力加重[1]。柴达木盆地位于青藏高原东北部，是青海省重要的农、牧业生产基地[2]，盆地内水系封闭，一旦有污染即会使整个盆地的水资源遭到破坏[3]。盆地内农业用水占到总用水量的77.26%[4]，现有研究表明农业耕作对区域水质变化有重要影响[5-6]，农业用地面积百分比与河流水质的关系密切[7]，全处于耕作期的农田要比部分处于耕作期的农田对水质影响更大[8]，降雨和施肥的叠加是导致流域面源污染发生的主要因素[9]，化肥是农田氮、磷投入的最主要来源[10]。目前对柴达木盆地水质的研究主要集中在湖泊、河流的水化学特征和主要河流的水质变化方面[11-13]，农业耕作对其水质的影响尚不清楚。

目前对水质的评价方法有很多[1，13-14]，其中水质标识指数法可以定性、定量地评价综合水质状况，不会因个别水质指标较差就否定综合水质[15-16]。因此，本文以柴达木盆地主要绿洲农业区的水体为研究对象，通过水质标识指数法评价柴达木盆地农业耕作对水质的影响，以期为柴达木盆地农业面源污染关键区识别及防控提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地区概况

柴达木盆地位于90°16′～99°16′E、35°00′～39°20′N，90%的面积属于青海省海西蒙古族藏族自治州。盆地内属高原大陆性气候，年降水量自东南向西北递减，年均温在5 ℃以下，气温变化剧烈。德令哈市、格尔木市和都兰县是柴达木盆地主要的绿洲农业区和人口聚集地，海西州统计局数据显示2017年三县（市）耕地面积占海西州耕地总面积的85.87%，第六次全国人口普查数据显示三县（市）人口占到海西州总人口的75.62%。

1.2 样点布设及水样采集

2019 年7 月在德令哈市、格尔木市和都兰县3 个县（市），各选3个以耕地为主的乡镇进行调查和采样，地表水采样点分别布设在每个乡镇耕地灌溉引水渠上游河流取水口（对照水质）以及灌溉水在耕地的进水和排水口，地下水采自相应乡镇的灌溉机井和饮用水井，每个采样点取1 L 水样冷冻保存带回实验室分析化学指标。根据农药使用情况，在 S2、S5、S6、S16、S20、S22、S24、S30、S31、S40、S42、S44、S45、S51、D3 15个采样点用HLB固相萃取柱萃取500 mL水样带回实验室分析农药。采样点编号和分布见表1和图1。

1.3 测定指标及分析方法

pH、溶解氧和电导率现场用哈希HQ30d 数字化多参数分析仪测定；化学需氧量（COD）采用快速消解分光光度法（HJ/T 399—2007）测定；镉、铅、铜、锌、砷和镍6 种重金属采用电感耦合等离子体质谱法（HJ 700—2014）测定；啶虫脒、哒螨灵、阿维菌素、毒死蜱、滴滴涕和氯氰菊酯6 种农药用液相色谱质谱法测定；其余水质指标均按照标准方法进行测定。

1.4 数据处理及评价方法

数据处理和制图使用Excel 2016 和Origin 2019，地表水选取溶解氧、COD、总磷、六价铬、铜和锌6 个指标，参照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）计算水质标识指数。地下水选取硝酸盐氮、氯化物、硫酸盐、六价铬、铜和锌6个指标，参照《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）计算水质标识指数；依据《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）判断地下水能否饮用。使用SPSS 26.0 进行灌溉进排水水质变化LSD检验方差分析和指标间的Spearman秩相关分析。

单因子水质标识指数P表示为Pi=X1.X2X3，X1代表水质指标的水质类别（X1=1即为Ⅰ类水），X2代表监测数据在X1类水质变化区间内所处的位置，X3代表水质类别与评价标准的比较差值。综合水质标识指数为Iwq=X1.X2X3X4，X1为水质的综合水质类别，X2为综合水质在X1类水质变化区间内所处位置，X3为参与综合水质评价的水质指标中劣于评价标准的单项指标个数，X4为综合水质类别与评价标准的差值，具体计算及评价方法参照文献[15]和文献[16]。在水质标识指数评价中，地表水执行《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准，地下水执行适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水的《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）Ⅲ类标准。

2 结果与分析

2.1 地表水水质特征

不同采样点地表水中总磷、硫酸盐、氯化物、硝酸盐氮、COD 和锌浓度分布如图2 所示。总磷浓度在0.01～0.90 mg·L-1，78%的采样点低于Ⅲ类水上限值0.2 mg·L-1，8个采样点高于Ⅴ类水上限值0.4 mg·L-1，其中7 个位于香日德镇和察汗乌苏镇；硝酸盐氮浓度在 0.01～11.89 mg·L-1，仅位于格尔木市东的S30 高于10 mg·L-1标准限值；氯化物浓度在 19.95～1 071.33 mg·L-1，20%的采样点超过250 mg·L-1标准限值，超标采样点中格尔木市占83.33%，位于郭勒木德镇的S22超地表水标准限值4.2 倍；硫酸盐浓度在31.12～455.53 mg·L-1，6.67%的采样点超过地表水标准250 mg·L-1标准限值，格尔木市的 S22、S25、S28 和 S30 分别超标准限值 1.3、1.5、1.7 倍和 1.8 倍；COD 浓度在 0～38.97 mg·L-1，23.33%的采样点超过Ⅲ类水上限值20 mg·L-1，其中79%位于德令哈市，怀头他拉镇的S12浓度最高，超Ⅲ类水标准1.95倍；锌浓度范围在8.65～261.09 μg·L-1，31.67%的采样点超过Ⅰ类水限值0.05 mg·L-1，但均未超过Ⅱ类水上限值。重金属镉、铅、铜和砷浓度远低于Ⅰ类水限值，镍为地表水标准限值的0.14%～20.61%，未作进一步分析。

表1 柴达木盆地采样乡镇及采样点编号Table 1 Sampling towns and sampling point numbers in Qaidam Basin

如表2 所示，综合水质标识指数显示柴达木盆地绿洲农业区地表水综合水质为Ⅱ类，优于Ⅲ类水评价标准要求。在各乡镇中，尕海镇、郭勒木德镇、格尔木市东和大格勒乡综合水质标识指数均为1.900，水质为Ⅰ类；柯鲁柯镇、怀头他拉镇、宗加镇、香日德镇和察汗乌苏镇水质为Ⅱ类。怀头他拉镇在9 个乡镇中水质最差，水质综合标识指数为2.710，无劣于Ⅲ类水质的乡镇存在。

对各单因子水质标识指数分析发现，溶解氧总体为Ⅱ类，尕海镇达到Ⅰ类水质；COD 总体为Ⅰ类，但在柯鲁柯镇和怀头他拉镇为Ⅳ类；总磷总体为Ⅲ类，在尕海镇最低，单因子标识指数为1.70，在香日德镇最高，单因子标识指数为6.03，为Ⅴ类；六价铬总体为Ⅱ类，其中4 个乡镇为Ⅰ类，5 个乡镇为Ⅱ类；铜和锌在各乡镇均为Ⅰ类。柯鲁柯镇、怀头他拉镇COD 超标，香日德镇总磷超标，其余乡镇均不存在指标超标情况。

表2 柴达木盆地各乡镇地表水水质标识指数Table 2 Comprehensive water quality index of towns and villages in Qaidam Basin

2.2 地下水水质特征

地下水水质特征如表3 所示，pH 呈弱碱性，属于Ⅰ类；硝酸盐氮平均浓度属于Ⅱ类，格尔木市东浓度最高为6.48 mg·L-1，达到Ⅲ类水质；氯化物平均浓度属于Ⅲ类，怀头他拉镇为Ⅴ类水350 mg·L-1限值的2.02 倍，大格勒乡和察汗乌苏镇均为Ⅳ类；硫酸盐平均浓度属于Ⅲ类，怀头他拉镇和格尔木市东为劣Ⅴ类，分别为Ⅴ类水350 mg·L-1限值的1.37 倍和1.35倍，其余乡镇均为Ⅱ类。地下水中电导率、氯化物、硫酸盐和硝酸盐氮平均浓度分别为地表水的1.29、1.24、1.45 倍和 2.26 倍。除锌在 D2、D3 和 D9 采样点、镉在D6 采样点和镍在D8 采样点浓度略高于Ⅰ类水限值，其余重金属浓度均低于Ⅰ类水限值。

如表4 所示，地下水综合水质标识指数显示柴达木盆地绿洲农业区地下水综合水质为Ⅱ类。郭勒木德镇综合水质标识指数为1.800，水质为Ⅰ类；怀头他拉镇综合水质标识指数为3.831，水质为Ⅲ类，有3 个指标超标。硝酸盐氮总体为Ⅱ类，格尔木市东硝酸盐氮状况最差，为Ⅲ类水质；氯化物和硫酸盐总体为Ⅲ类，怀头他拉镇、大格勒乡和察汗乌苏镇的氯化物以及怀头他拉镇和格尔木市东的硫酸盐浓度超Ⅲ类水标准，其中怀头他拉镇的氯化物和硫酸盐以及格尔木市东的硫酸盐均为劣Ⅴ类；六价铬、铜和锌总体为Ⅰ类，仅怀头他拉镇的锌超过Ⅲ类水标准，其余乡镇均符合标准要求。

地下水各采样点的pH、硝酸盐氮和重金属均符合生活饮用水卫生标准，怀头他拉镇、大格勒乡和察汗乌苏镇的氯化物以及怀头他拉镇的硫酸盐分别为生活饮用水卫生标准250 mg·L-1限值的2.83、1.13、1.07倍和1.92倍，无法直接饮用。

2.3 柴达木盆地农药残留情况

对柴达木盆地15 个样点的农药测定发现，尕海镇的S16、格尔木市东的S30 和宗加镇的S40 和S42 4个采样点均检测到啶虫脒，浓度在0.05～1.44 μg·L-1；而仅在S42 检出阿维菌素和毒死蜱，阿维菌素浓度为0.02 μg·L-1，毒死蜱浓度为 0.28 μg·L-1。根据《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006），毒死蜱浓度为限值的0.93%；由于目前国内还没有啶虫脒和阿维菌素相关标准限值，以人体每日允许摄入量的10 倍为浓度限值，啶虫脒浓度限值为0.7 mg·L-1，阿维菌素浓度限值为0.02 mg·L-1，柴达木盆地啶虫脒和阿维菌素浓度分别为限值的0.01%～0.21%和0.12%。

表3 柴达木盆地地下水统计结果Table 3 Groundwater statistics of Qaidam Basin

2.4 农田灌溉进排水水质变化特征

选取pH、溶解氧、COD、总磷、硝酸盐氮、硫酸盐、氯化物和电导率等变异系数较大的指标分析其灌溉前后变化，结果如图3所示。溶解氧和COD在经过耕地灌溉后浓度分别降低了1.93%和6.42%；电导率、总磷、硝酸盐氮、硫酸盐和氯化物在经过耕地灌溉后浓度升高明显，分别升高了28.80%、37.80%、24.43%、33.06%和27.41%。

3 讨论

3.1 农业耕作对地表水的影响

综合水质标识指数显示柴达木盆地绿洲农业区地表水水质为Ⅱ类，整体水质较好，盆地内地表径流大多引自附近雪山融水及水库存水，流程短，污染环节少[17]，因此水质较好。地表水中总磷和硝酸盐氮平均浓度较低，灌溉水经过农田后总磷和硝酸盐氮浓度分别增加了37.80%和24.43%，调查发现柴达木盆地灌溉方式以大水漫灌为主，灌溉主要在3—10 月，其中以 6—9 月最为频繁，平均10～15 d 灌溉一次；施肥以氮肥和磷肥为主，平均施肥量在225～450 kg·hm-2，柴达木盆地氮肥和磷肥施用量占总施肥量的46.66%和38.28%。灌溉和降雨形成的径流会将耕地中氮磷元素输入附近水体[9]，Spearman 相关分析显示总磷和悬浮物存在极显著正相关关系，相关系数为0.64（P＜0.01），泥沙和悬浮物中会吸附大量的有机磷和无机磷[18]，怀头他拉镇和香日德镇排水中悬浮物含量较高，导致其水中总磷浓度增加。灌溉还可以洗去土壤中的盐分[19]，造成硫酸盐、氯化物浓度升高，格尔木市氯化物和硫酸盐浓度较高，该区地层含盐量高，冲积洪积扇上有硫酸盐的淀积层，淋溶作用携带大量氯化物和硫酸盐进入水体。COD 在德令哈市浓度较高，这可能与当地的村庄生活污水排放有关，研究表明农村生活污水中存在大量的有机物[20]，调查发现德令哈市村庄与农田交错分布，生活污水随沟渠汇入灌溉排水，从而造成COD 浓度偏高。各乡镇中，尕海镇水质最好，该镇近年来地下水位上升，有自喷井不断向外冒水，导致镇南部大量农田无法耕种，减少了耕作活动对水体的影响，而且地表水不断得到补充和更新，因此整体水质最好。

3.2 农业耕作对地下水的影响

柴达木盆地绿洲农业区地下水水质为Ⅱ类，呈弱碱性水，淋溶作用使大量碳酸氢盐进入水体，造成水体偏碱性[21]。研究区地下水电导率、氯化物、硫酸盐和硝酸盐氮浓度高于地表水，盆地内地下水以山区降水和地表水下渗补给为主，地表径流淋溶大量可溶盐，蒸发作用使可溶盐浓度升高，导致地下水Cl-、SO2-4等离子含量增加[22]，Spearman 相关分析发现电导率与氯化物和硫酸盐存在极显著正相关关系，相关系数分别为0.88 和0.78（P＜0.01），大量导电离子造成电导率整体水平较高[23]。怀头他拉镇地下水硫酸盐和氯化物浓度超标明显，无法直接饮用，现场调查发现怀头他拉镇地表水无法满足其灌溉需求，近年来大量抽取地下水用于灌溉，地下水过度开发，水量减少，会导致硫酸盐、氯化物浓度升高[24]。柴达木盆地地表径流下渗作用显著，施用氮肥以及含氮废物随雨水下渗等会造成地下水硝酸盐氮浓度增加[25]，位于格尔木市东的地下水总磷和硝酸盐氮浓度均最高，该采样点位于温室大棚内，井深仅十余米，井水用于灌溉大棚内瓜果、蔬菜，并无外排，下渗过程携带大量施肥后未利用的氮磷元素，导致该区域地下水氮磷浓度增加。虽然当前地下水硝酸盐氮浓度还未超标，但其会造成恶性循环，应加以关注。

4 结论

（1）柴达木盆地绿洲农业区地表水综合水质标识指数为Ⅱ类，其中尕海镇、郭勒木德镇、格尔木市东、大格勒乡地表水综合水质达到了Ⅰ类；个别区域受到污染，其中德令哈市的COD、香日德镇和察汗乌苏镇的总磷、格尔木市的硫酸盐和氯化物超标占比较大。

（2）地下水综合水质标识指数为Ⅱ类，怀头他拉镇的氯化物和硫酸盐、大格勒乡和察汗乌苏镇的氯化物均超过生活饮用水卫生标准，无法饮用。

（3）重金属浓度较低，其中铅、铜和砷最高浓度均低于Ⅰ类水标准限值，农药中检测到啶虫脒、阿维菌素和毒死蜱存在，但浓度均远低于标准限值。

（4）施肥和灌溉会使水体中氮磷及含盐量增加，温室大棚的使用会造成地下水氮磷浓度升高，且硝酸盐氮增加明显。