土地利用类型对漓江流域会仙岩溶湿地水系氮磷的影响
时间：2023-01-15 19:10:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
潘林艳，谢晓琳，2，代俊峰，吴志强，万祖鹏，徐保利，张红艳
（1.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林 541004；
2.北京国土丹青工程技术有限公司，北京 100083；
3.桂林理工大学广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西桂林 541004；
4.桂林理工大学岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西桂林 541004）
面源污染控制与治理是水环境保护和水生态修复面临的日益严峻的挑战之一［1-3］。氮磷是主要的面源污染物，其迁移转化通常受制于流域地质环境、水文气象条件、土地利用、土壤属性和人类活动等诸多因素［4-12］。TONG 和CHEN［13］应用统计分析和空间分析法研究俄亥俄州小迈阿密河流域土地利用对水质的影响，发现土地利用类型与河水中的氮磷浓度存在显著相关关系，其中农业用地和城市不透水地面的氮磷输出水平较高。耿润哲等［14］应用HSPF模型模拟预测气候变化环境下密云水库入库流量及氮磷污染负荷情况，发现降水量的变化对径流量及氮磷污染负荷影响显著。岩溶区土层浅薄且不连续，形成过程也缓慢［15］，贫瘠的土壤和有限的农业用地使得农业生产需施用更多的肥料，而以溶沟、溶隙和天窗等为特征的岩溶地貌和以管道、溶隙和裂隙为特征的岩溶地下含水层结构，缩短了污染物的滞留时间，降低了衰减能力，使得过量的氮磷养分易通过很少甚至没有天然过滤的方式随径流或渗流快速输送到地表水系或岩溶浅层地下水，大面积水质氮磷污染加剧了岩溶区本就水量型缺水的困境。因此，针对岩溶区流域水文特征，对水系氮磷养分进行长期野外监测，对于岩溶区氮磷输出时空动态特征及其主要影响因素研究有着重要的作用。
会仙岩溶湿地被誉为“漓江之肾”，是中国亚热带、低海拔岩溶区规模较大的天然湿地。近年来随着经济作物种植和畜禽养殖等农业活动的快速发展，会仙岩溶湿地面临水体面积逐渐减少和水生态环境逐渐恶化的困境［16］。会仙岩溶湿地周边区域各类污水的排放，对湿地水环境产生较大的威胁。目前，关于会仙岩溶湿地面源氮磷污染，仅有的少量研究主要是针对地表水系氮、磷的化学计量特征［17-19］，监测频次少且不连续，研究多侧重于浓度分析和水质评价，流域土地利用类型、水文气象因素和岩溶特征等因素对湿地水系氮磷输出的影响鲜见报道。为深入分析会仙岩溶湿地水系氮磷输出的时空变化特征及其主要影响因素，本研究于2017 年10 月至2021 年9月，对以会仙岩溶湿地为核心的376.42 km2集水区范围内的睦洞河、会仙河和相思江水系的氮磷进行了月尺度监测，采用数理统计、灰色关联法和Pearson 相关性分析等方法探究研究区水系氮磷与土地利用类型等因素之间的关系，为会仙岩溶湿地水体氮磷污染防治提供支持。
1.1 研究区概况
研究区为广西壮族自治区桂林市西南方向漓江流域与柳江流域分水岭地带的376.42 km2集水范围（东经110°02"～110°15"，北纬24°57"～25°18"），地处峰林平原与峰丛洼（谷）地的过渡区（图1）。研究区中部核心区为会仙岩溶湿地，地表水系分布较集中，不同流向、不同水源补给的睦洞河、会仙河和相思江在此汇合后向西南流动。研究区地形南高（中低山）北低（丘陵），总体向中部（岩溶峰丛洼地和孤峰平原）倾斜。流域内土壤厚薄不一，洼地、平原和缓坡地带分布的红壤或红黄壤相对较厚（约1～30 m），局部基岩较裸露，上覆浅薄且不连续石灰岩土。研究区属典型的亚热带湿润季风气候区，冬冷夏热，年平均气温约为20 ℃。区域降水量丰富但年内分布不均，多年平均降水量为1 894.4 mm，4-9 月期间的降水量通常为全年的70%左右。
图1 研究区地理位置及土地利用类型分布图Fig.1 Location and land use types of the study area
经现场调查、资料搜集和整理，综合蔡德所［20］等人对区域岩溶地貌的描述，研究区南北两侧为非岩溶区，中部大面积分布覆盖型岩溶，零星分布的岩溶石山为裸露型岩溶（图2）。
在研究区支流睦洞河布设3 个采样断面（M1～M3），支流会仙河布设5 个采样断面（H1～H5），干流相思江布设4 个采样断面（X1～X4）。12 个监测断面将研究区划分为12 个空间尺度范围介于21.79～376.42 km2之间的嵌套集水区（图2）。
图2 研究区岩溶地貌与采样点分布图Fig.2 Karst topography and sampling points in the study area
不同空间尺度集水区内土地利用类型和岩溶地貌面积占比如图1 和表1 所示。研究区地处北面青狮潭水库西干渠灌区，雨季接受西干渠及其马面支渠的灌溉补水（图1）［20］，因此，区内农业发达，各空间尺度集水区内农业用地（水田、旱地和果园）的面积占比较高（介于33.60%～52.50%之间），主要分布于研究区中部及北部（图1）。水稻是研究区水田的主要作物，一般分早稻（4月的上旬-7月的上旬）和晚稻（7月的下旬-10月的下旬）两季种植，部分水田稻蔬轮种，冬季种植蔬菜。农业用地每年施用氮肥（主要为含氮量46%的尿素）及复合肥（主要是氮磷钾含量分别为15%的肥料）约为350 kg/hm2林地集中分布于支流会仙河子流域南部山区，灌木林主要分布在支流睦洞河子流域，灌木林/林地面积占研究区总面积的26.8%。位于研究区中部的睦洞河子流域为会仙岩溶湿地核心区，沟塘纵横，沼泽密布（图1），各集水区内沟塘湿地面积占比较高（介于22.80%～25.20%之间）。覆盖型岩溶和裸露型岩溶在研究区不同空间尺度集水区内均有分布，分别占研究区总面积的53.0% 和13.3%。
表1 研究区12个集水区内土地利用类型和岩溶地貌分布Tab.1 Distribution of land use types and karst of 12 catchments in the study area
1.2 数据采集
为了解研究区水系氮磷排放规律，于2017年10月-2021年9 月期间（2020 年1 月-2020 年4 月因新冠疫情暂停野外监测）每个月对12个监测断面进行一次流量测量和水样采集，每个现场记录的参数包括断面宽度和水深，以及水体pH、溶解氧和水温。降水量数据来自国家基本气象站的桂林市气象站（研究区东北方向约10 km）。将当天采集到的水样存放于实验室0～4 ℃的低温环境中，并在取样后24～48 h内完成样品的处理和分析。
分析前将水样分成两份，其中一份未经过滤的水样测总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）和总磷（TP），另一份经0.45-μm 过滤的水样测定硝态氮（NO3--N）和可溶性总磷酸盐（TDP）。所有的水样均按标准方法（HJ 636-2012、HJ 535-2009、GB 11893-89、HJ/T 346-2007）进行分析。
1.3 数据分析
数理统计分析用于描述水样氮磷指标的统计意义。单因素方差分析法（ANOVA）用于评估各氮磷指标在95%置信水平下（P＜0.05）的季节（旱季、雨季）差异。计算皮尔逊相关系数以定量评估研究区土地利用类型、岩溶地貌分布、水文气象等因素与氮磷浓度之间的相关程度，系数绝对值高低表示相关性大小。灰色关联分析法用于计算比较序列（降水量、pH 和溶解氧等因子）与参考序列（各氮磷指标的排放浓度）之间的关联度大小［21］，关联值高低表示各因子对氮磷排放浓度的影响大小。
2.1 氮磷时空变化特征
表2 显示监测期间（2017 年10 月-2021 年9 月）研究区水系的TN 浓度介于0.30～27.55 mg/L 之间，以NO3--N 为主要形态排放，NO3--N 和NH4+-N 浓度变化范围分别为0.01～10.14 mg/L 和0.05～12.75 mg/L；
TP浓度介于0.03～2.49 mg/L之间，其中TDP浓度变化范围为0.01～0.76 mg/L。研究区水系的氮磷指标应符合桂林市水功能区规划要求和《地表水环境质量标准》［22］。由表2可知，70.3%水样（样本数n=518）的TN＞1.0 mg/L，其中NH4+-N超标率（34.2%）远高于NO3--N（1.2%）；
35.1%水样的TP＞0.2 mg/L，表明研究区水系的TN污染较TP严重。
表2 旱季和雨季氮磷浓度统计性描述及差异性检验Tab.2 Statistical description and difference test of nitrogen and phosphorus concentrations in dry and wet seasons
根据监测期内研究区的降水量年内分布特点（图3），4-9月降水量充足，为雨季，其余月份为旱季。受降水量季节分布不均影响，水系的氮磷浓度变化呈一定的季节性差异，且整体变化趋势与降水量相反，浓度峰值出现在旱季，浓度均值在雨季下降。单因素方差分析（ANOVA）结果（表2）显示，除NH4+-N和TP，旱季和雨季各空间尺度集水区NO3--N、TN 和TDP 浓度均值差异显著（P＜0.05）。水稻是研究区内主要的农作物，冬季仅部分水田用于蔬菜种植，施肥量较小。冬季农业活动少，面源氮磷输入减少，水系氮磷浓度反而升高，表明旱季水系氮磷受流量影响较大，降水量年内分配不均是导致氮磷浓度季节差异的主导因素。
图3 监测期月降水量及氮磷月平均浓度变化Fig.3 Variation of preipitation and mean concentration of N and P monthly during the monitoring period
图4显示，空间分布上，研究区水系氮磷排放浓度均值总体呈现干流相思江（X1～X4监测断面）高于支流睦洞河（M1～M3监测断面）和会仙河（H1～H5 监测断面）的特点，表明相思江上游城镇用地的点源污染排放对干流水质影响较大。
图4 不同河流氮磷浓度均值对比Fig.4 Mean concentration of nitrogen and phosphorus in different rivers
2.2 下垫面属性与氮磷排放相关性
Pearson 相关性分析结果（表3）显示，旱雨两季和整个监测期不同空间尺度集水区的氮磷排放浓度均值与集水区内农业用地（水田、旱地和果园）的面积占比都呈正相关关系，表明集水区内农业用地（水田、旱地和果园）面积占比的增加易导致水系氮磷排放浓度的升高，农业用地（水田、旱地和果园）是水系氮磷污染的关键源区。不同时间尺度各集水区的氮磷排放浓度均值与集水区内灌木林/林地、沟塘湿地的面积占比总体呈负相关关系，表明集水区内灌木林/林地、沟塘湿地面积占比的增加有助于减少水系的氮磷排放浓度。沟塘湿地面积占比与NO3--N 浓度均值的相关性系数绝对值最高，TN 次之，磷素相关系数低于氮素，预示沟塘湿地对氮素浓度的减排潜力可能高于磷素。
以上结论与TONG［13］，宋立芳［23］和庞燕［24］等人的研究成果较为一致。研究区内岩溶发育，各集水区内岩溶地貌占比大于40.5%，岩溶区土壤普遍贫瘠且浅薄；
且研究区是桂林市著名的“粮食基地、蔬菜基地、鱼米之乡”，农业用地是当地居民从事生产活动的核心和高强度区域，具有施肥量大、水土流失严重、土地翻耕剧烈和蔬稻冬夏轮作等特点，易导致未被及时吸收的氮磷养分经降水冲刷或淋溶流失，最终排入水系造成水质污染［25，26］。灌木林/林地通过冠层截留、土壤下渗以及根系吸收等作用涵养水分，当地居民在这类区域从事的生产活动较少且强度较低，氮磷养分输出水平较低，其面积占比的增加有助于降低集水区氮磷输出水平［27-30］。
不同空间尺度集水区内沟塘湿地面积占比与氮磷排放浓度呈负相关关系（表3），体现其削减氮磷污染的能力，与陈媛媛［31］和潘乐［32］等人的研究结果一致。研究区的沟塘湿地广泛分布于水田、草地和水系周边（图1），形成天然的缓冲带和保护屏障，可以截留径流，滞蓄氮磷污染物，有助于降解，从而有效地减少氮磷输出。
不同时间尺度各集水区的氮磷排放浓度与集水区内裸露型岩溶面积占比呈负相关关系，与覆盖型岩溶面积占比则呈正相关关系（表3），表明覆盖型岩溶区氮磷输出水平较高。这是由岩溶地貌类型区的水文地质特性决定的。经对比可发现，裸露型岩溶区主要为生长灌木的石山，覆盖型岩溶区则为当地居民生活和生产活动的核心区。裸露型岩溶区岩层裸露，表层孔隙、裂隙发育，不利于农业生产活动，氮磷养分输出水平相对较低；
反之，覆盖型岩溶区相对较厚的土壤层利于进行各类农业生产，但贫瘠的土壤和有限的土地资源迫使生产者施用更多的肥料，氮磷养分输出水平相对较高［26，33］。
表3 不同季节氮磷浓度与土地利用和岩溶地貌类型的Pearson相关系数Tab.3 Pearson correlation coefficient between N，P concentration and land use and karst landform types in different periods
2.3 环境因子与氮磷排放关联度
表4 显示，2017 年10 月至2021 年9 月期间，研究区月降水量变化范围为5.8～738.1 mm；
水样的pH 值介于6.41～8.71 之间，溶解氧介于0.26～8.15 mg/L 之间。除溶解氧外，旱季和雨季的pH及降水量呈显著季节性差异。
研究区水系氮磷排放浓度与pH、溶解氧及降水量的灰色关联度详见表5。总体而言，雨季水系氮磷排放浓度与pH、溶解氧、降水量之间的关联度强于旱季。pH 与氮素（NH4+-N、NO3--N 和TN）浓度的关联度依次降低，这与水库/湖泊沉积物氮释放影响因素的研究结论相一致［34，35］。水体氨氮以铵离子态（NH4+）还是游离态氨（NH3）形态存在与pH 值息息相关。酸性条件下，水中的H+与同样带正电荷的NH4+竞争吸附于沉积物胶体上，沉积物吸附量有限导致水中NH4+-N 浓度较高；
偏碱性条件下，平衡反应方程式如下所示：
碱性水环境促使平衡反应向右进行，水中NH4+含量降低，改变水环境和沉积物之间NH4+的平衡，在浓度梯度的影响下促使沉积物NH4+释放量增加［36］。本研究显示监测期内河流水环境的pH值变化范围为6.97～8.79（表4），弱碱性水环境既有利于沉积物有机质矿化及氮释放，又能促进沉积物中硝化细菌进行硝化反应［37］（硝化反应最适pH 值介于7.0～9.0 之间［38］），最终导致河水中氮浓度的增加。
表4 旱季和雨季降水量、pH和溶解氧的统计性描述及差异显著性检验Tab.4 Statistical description and significant difference test of precipitation，pH and dissoluble oxygen in dry and wet seasons
表5 显示，磷素（TP 和TDP）排放浓度与降水量的关联度强于氮素（NH4+-N、NO3--N和TN），表明磷素相对氮素更易受到降水量的影响。研究表明，磷素的主要流失形式是颗粒态磷［39］，与磷相比，氮具更高的流动性和溶解度，主要以溶解态氮的形式流失到水系中。雨季，长时间或高强度降水导致地表径流的增加，意味着大量吸附磷的颗粒物被输送到水系中。因此，降水量对不同空间尺度集水区磷素（TP 和TDP）的输出有促进作用，雨季尤为明显。
表5 水系氮磷排放浓度与降水量、pH和溶解氧的灰色关联度Tab.5 Grey correlation degree between concentration of nitrogen and phosphorus and precipitation，pH and dissoluble oxygen
本文结合研究区的土地利用类型、岩溶地貌分布、水文气象等因素分析了2017 年10 月-2021 年9 月四年期间12 个空间尺度范围介于21.79～376.42 km2之间的集水区出水口的氮磷输出的时空变化特征，得到以下结论：
（1）研究区水系的TN污染较TP严重，氮磷浓度峰值在旱季出现，均值在雨季下降。监测期内，TN 和TP 浓度分别介于0.30～27.55 mg/L 和0.03～2.49 mg/L 之间；
70.3%水样（样本数n=518份）的TN＞1.0 mg/L，34.2%水样的TP＞0.2 mg/L，TN浓度超标率大于TP；
受气象水文条件影响，氮磷浓度峰值出现在旱季，均值在雨季下降，旱季和雨季NO3--N、TN 和TDP 浓度均值季节差异显著（P＜0.05）。
（2）水系中氮磷主要来源于受人为活动影响较大的农业用地（水田、旱地、果园）等，覆盖型岩溶区氮磷输出水平较高，沟塘湿地更有助于氮减排。Pearson相关性分析结果显示，不同空间尺度集水区的TN和TP浓度均值与集水区内农业用地（水田、旱地和果园）和覆盖型岩溶面积占比呈正相关关系；
与集水区内沟塘湿地面积占比呈负相关关系，磷素相关系数低于氮素。
（3）相对氮素（NH4+-N、NO3--N 和TN），水系中磷素（TDP和TP）浓度在雨季更易受到降水量变化的影响。灰色关联分析结果显示，雨季水系氮磷的排放浓度与pH、溶解氧、降水量之间的关联度强于旱季；
pH 与氮素排放浓度的关联度依次降低；
磷素排放浓度与降水量的关联度强于氮素。
