黑河沉積物氮、磷和有機質的空間分布特征及來源解析

孔德星, 姚天欣, 波蘭汗·開肯

(新疆水利水電科學研究院,新疆 烏魯木齊 830049)

沉積物作為流域生態系統的重要組成部分,不僅是氮磷營養物質的重要儲存載體,亦是水生動植物物質交換和能量循環的重要媒介[1]。進入水體的氮磷營養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鹽則在物理、化學及生物過程作用下進入沉積物間隙水,并通過濃度梯度、懸浮擾動等過程重新進入上層水體[3]。因此,沉積物既是流域外源污染的“匯”,也是水環境潛在的“源”,其營養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境變化的累積影響[4-5]。因此,研究流域沉積物氮磷營養鹽的空間分異性及來源對于河流生態系統的保護和管理具有重要意義。

目前,國內外學者針對沉積物營養鹽的賦存形態和釋放通量做了大量研究,如Denis等[6]認為沉積物中營養鹽的賦存形態與循環釋放能力存在顯著相關性;Bai等[7]對沉積物性質與水體理化參數、沉水植物的關系進行了研究;武建茹等[8]對濱海水庫沉積物鹽分釋放水化學特征進行研究。而有關河流氮磷營養鹽的分布及來源研究多是以水體為主要研究對象,對沉積物營養鹽分布特征及來源解析研究較少[9]。黑河作為西北地區第二大內陸河,是張掖、酒泉等河西五市經濟持續發展和工農業用水的重要水資源基地[10]。近年來,流域上游梯級水庫的修建及中游城市的快速發展,導致了沉積物營養鹽的增加,已造成流域生態環境破壞[11]。為此,本研究以黑河上中游為對象,分析沉積物氮磷營養鹽的空間分布特征,并對黑河水體及沉積物營養鹽主要來源進行解析,結合不同尺度土地利用對營養鹽空間分異性進行解釋度計算,以期為內陸河流域富營養化治理及環境保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黑河流域(97°06′E—102.00°E,37°42′N—42°42′N)發源于青海省,經甘肅省最終匯入內蒙古自治區居延海,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(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]。中游地區作為黑河流域最主要的利用區,年降水量不足300 mm,但蒸發量高達1 400 mm,工農業較為發達,污水排放較為嚴重[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域是上游干流山區部分,其水能資源蘊藏量106×104kW,可開發量52.8×104kW,年發電量38.48×108kW·h。根據地形情況,干流從上到下共規劃了9座梯級電站[14]。

1.2 樣品的采集與分析

為研究黑河沉積物營養鹽分布特征及其主要來源,選擇22個主要控制斷面進行調查,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)設置典型斷面(圖1)。于2019年7月使用彼得遜采泥器進行實地采樣,在各典型斷面采集500 g表層沉積物,置于恒溫箱(4 ℃)運回實驗室,測定總氮(TN)、總磷(TP)、硝態氮(NO3-N)、氨態氮(NH3-N)、有機碳(TOC)等指標。TN、TP、NH3-N、NO3-N、TOC分別采用半微量開氏法、高氯酸-硫酸法、靛酚藍比色法、紫外分光光度法、重鉻酸鉀氧化法測定。根據國標《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017),將黑河流域土地利用類型按一級分類體系劃分為林地、裸地、水域等8類,利用2019年Landsat衛星地圖,經ERDAS軟件目視解譯計算出各土地利用類型面積占比。

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

1.3 數據分析方法

首先采用K-S檢驗對監測數據進行正態檢驗,采用非參數檢驗處理不符合正態分布的數據。使用Pearson相關分析計算不同緩沖區尺度下土地利用類型面積占比與沉積物營養鹽之間的相關性,不符合正態分布的數據采用SPearson相關分析計算,同時以各尺度土地利用類型作為自變量,沉積物營養鹽作為因變量,構建多元線性回歸模型,再根據赤池信息量法則法篩選出沉積物指標的最簡約模型,構建模型的調整后R2值代表解釋變量對響應變量的解釋度。而后利用冗余分析方法分析土地利用類型對沉積物營養鹽變異的解釋能力,并采用蒙特卡羅方法檢驗冗余分析(RDA)結果的顯著度(R>0.5)。

2 結果與分析

2.1 沉積物營養鹽的空間分布特征

黑河流域沉積物氮磷及有機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,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,表明沉積物氮素及有機質具有同源性。

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尺度和匯水區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)緩沖區內的土地利用類型以草地、水域為主,在大尺度(2 000～10 000 m)緩沖區內以草地、耕地及林地為主;中游自然河段在小尺度范圍內的水域、草地面積占比較大,在大尺度緩沖區內的耕地、建設用地和裸地的面積占比較大,且在Z15(采樣點)之后,大尺度范圍內的建設用地與耕地面積成倍數增加,占比超50%以上。

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

2.3 沉積物營養鹽與土地利用的相關性分析

利用沉積物營養鹽與不同緩沖區土地利用的相關性分析各尺度土地利用類型對沉積物營養鹽的“源”/“匯”作用,結果(表2)表明緩沖區土地利用類型與沉積物營養鹽具有顯著的相關關系。其中,TP與各尺度緩沖區及匯水區域內的草地均呈顯著的負相關關系,且相關系數隨緩沖區尺度的增大而逐漸增加,在5 000 m緩沖區內的相關度最高(r=-0.610,P<0.01)。同時,TP與大尺度緩沖區內林地也具有顯著的負相關性,在10 000 m緩沖區內的相關性最為顯著(r=-0.577,P<0.01);而TP與耕地、建設用地呈顯著的正相關關系,且其相關性均在匯水區最為顯著,r分別為0.703(P<0.01)和0.711(P<0.01)。另外,濕地、水域也在匯水區域與TP具有顯著的負相關關系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性較低,僅與200 m、2 000 m緩沖區內的灌叢(r分別為0.480、0.533,P<0.05)及200 m、500 m、5 000 m緩沖區的建設用地(r分別為0.492、0.454、0.460,P<0.05)呈顯著正相關。NO3-N與200～5 000 m緩沖區內的灌叢、200～500 m緩沖區內的濕地呈正相關關系,小尺度緩沖區的相關性大于大尺度緩沖區的相關性,其中與200m緩沖區內的灌叢、濕地的相關系數最大(r分別為0.938、0.575,P<0.01)。NH3-N僅與1 000～2 000 m緩沖區內的林地的相關性較為顯著,r分別為0.541(P<0.01)和0.471(P<0.05)。TOC與200～2 000 m緩沖區內的水域呈顯著負相關,與200～10 000 m緩沖區內的建設用地呈顯著正相關,相關性均隨緩沖區尺度的增大而逐漸減小,且在200 m緩沖區的相關性最為顯著(r分別為-0.556,0.710,P<0.01)。

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

2.4 土地利用對沉積物營養鹽的解釋度分析

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

圖5 不同緩沖區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

對水質參數的解釋度(R2值)冗余分析分析結果表明(表3),草地在各緩沖區尺度內均對沉積物營養鹽具有較高解釋度,且其解釋度隨緩沖區尺度的增加而逐漸增大;耕地、林地和建設用地僅在大尺度緩沖區范圍內對沉積物營養鹽的解釋度較高,其解釋度隨緩沖區尺度的增加而逐漸增大;而灌叢、濕地、水域對沉積物營養鹽的解釋度較低。此外,在匯水區域內,耕地、草地、濕地、水域及建設用地均對沉積物營養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與大尺度緩沖區尺度內的草地、林地呈顯著負相關關系,且緩沖區尺度越大相關性越顯著,這表明大尺度緩沖區內的草地、林地對磷素具有顯著的過濾和截留能力。這是因為磷素會顯著增加林地、草地內的絕對生物量,進而加速磷的形態轉化及植物對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尺度與TP呈顯著或極顯著相關關系。與此相反,沉積物TP與大尺度緩沖區內的耕地呈顯著正相關關系,其相關性隨緩沖區尺度的增加而逐漸增大,這是由于黑河流域農作物以玉米、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,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]。但在小尺度緩沖區內的相關性較差,這可能是由于黑河流域耕地主要集中在中游河段,且小尺度范圍內的耕地占比較低,這也與以往研究結果一致[19]。與TP相比,NO3-N與土地利用類型的相關性較弱,僅與200～5 000 m緩沖區內的灌叢呈顯著或極顯著正相關關系,這可能與灌叢土壤中硝化細菌較多有關[20]。研究表明,硝化細菌會加速土壤有機質的硝化反應,加速有機質分解,因此灌叢與NO3-N的相關性較為顯著[20]。建設用地在部分緩沖區與沉積物TP、TN和TOC呈顯著正相關關系,這是因為建設用地密集的人類活動產生了大量的工業廢水及生活污水,這些污水中的營養鹽及有機物質在進入河流過程中會在微生物及動植物的分解作用下被吸收或者沉淀在沉積物中,進而形成“氮源”和“磷源”[21]。整體而言,土地利用與沉積物磷素的相關性比沉積物氮素的相關性更為顯著,這與磷素的賦存形態及遷移方式有關。流域內的磷素會與鐵錳等元素形成膠凝顆粒態,化學性質較為穩定,易與泥沙一起沉積,因此土地利用與沉積物磷素的相關性更為顯著。

表3 基于冗余分析(RDA)的多尺度土地利用類型對沉積物空間分異的解釋結果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]。有學者認為,無機污染物可被生產者直接吸收、利用,因此多元回歸模型對TOC的解釋度要優于其他指標[19]。但在本研究中,模型對于沉積物NO3-N的解釋度較高,這是由于黑河屬于典型的內陸河流,上游支流河段與筑壩河段動植物數量遠低于低海拔、溫熱帶外流河,生物循環吸收利用能力較弱,因而模型對NO3-N具有較高的解釋度[23]。但模型對TOC也具有較高的解釋度,且解釋度隨緩沖區尺度的增加而逐漸降低,結合相關性分析結果,認為小尺度緩沖區內建設用地的工業及生活用水會攜帶大量有機質直接進入河流,直接影響沉積物TOC含量,因而對沉積物TOC的解釋度較高。但建設用地主要分布于中游自然河段,夏季溫度較高,大量的地表生物會加速有機質的分解轉化,大尺度緩沖區內的廢水受動植物分解作用的影響較大,因而模型解釋度隨緩沖區尺度的增加而逐漸降低。

冗余分析結果表明,小尺度緩沖區內的土地利用比大尺度緩沖區內的土地利用對沉積物營養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,草地對沉積物營養鹽空間變異的解釋度隨緩沖區尺度的增加呈先增后降的變化趨勢,而與草地相關性最為顯著的是沉積物TP,但多元線性模型對TP的解釋度隨緩沖區尺度的增加而持續增加,這是因為沉積物TP含量不僅與草地面積有關,還受到耕地、林地、建設用地的影響。在大尺度范圍內的耕地、林地及建設用地面積較大,對TP的影響也逐漸增加,RDA分析也表明,耕地、林地及建設用地對沉積物營養鹽空間差異性的解釋度在大尺度范圍內呈現逐漸增加的變化趨勢。因此耕地、林地、草地及建設用地是沉積物TP的主要影響因子。大尺度緩沖區建設用地比小尺度緩沖區建設用地對沉積物營養鹽空間變異的解釋度要更為顯著,與建設用地相關性最為顯著的是沉積物TOC與TP,多元線性模型對TOC的解釋度隨緩沖區尺度的增加而逐漸降低,表明小尺度范圍內建設用地對TOC的影響高于大尺度的影響。

4 結 論

通過對黑河流域沉積物營養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重,其沉積物TP、TN含量是上游筑壩河段的2.28、5.79倍。建設用地、灌叢是沉積物有機質及硝態氮主要來源,而林地、草地及耕地對營養鹽存在顯著的“匯”的作用?？傮w而言,土地利用對沉積物磷素的解釋度要優于氮素的解釋度,這與黑河流域上游梯級開發有關。針對上述問題,在黑河流域水資源保護過程中,應當實行增加植被覆蓋面積,控制建設用地,避免污水直接進入河流的系統治理模式,并根據上游梯級水庫的動態調節調整治理策略。