黑河沉积物氮、磷和有机质的空间分布特征及来源解析

孔德星, 姚天欣, 波兰汗·开肯

(新疆水利水电科学研究院,新疆 乌鲁木齐 830049)

沉积物作为流域生态系统的重要组成部分,不仅是氮磷营养物质的重要储存载体,亦是水生动植物物质交换和能量循环的重要媒介[1]。进入水体的氮磷营养元素在颗粒物的吸附或与铁、铝等元素的胶凝作用下最终累积于沉积物[2]。而沉积物中累积的高浓度营养盐则在物理、化学及生物过程作用下进入沉积物间隙水,并通过浓度梯度、悬浮扰动等过程重新进入上层水体[3]。因此,沉积物既是流域外源污染的“汇”,也是水环境潜在的“源”,其营养盐的分布特征不仅能够反映水体污染状况,亦可表明流域外部环境变化的累积影响[4-5]。因此,研究流域沉积物氮磷营养盐的空间分异性及来源对于河流生态系统的保护和管理具有重要意义。

目前,国内外学者针对沉积物营养盐的赋存形态和释放通量做了大量研究,如Denis等[6]认为沉积物中营养盐的赋存形态与循环释放能力存在显著相关性;Bai等[7]对沉积物性质与水体理化参数、沉水植物的关系进行了研究;武建茹等[8]对滨海水库沉积物盐分释放水化学特征进行研究。而有关河流氮磷营养盐的分布及来源研究多是以水体为主要研究对象,对沉积物营养盐分布特征及来源解析研究较少[9]。黑河作为西北地区第二大内陆河,是张掖、酒泉等河西五市经济持续发展和工农业用水的重要水资源基地[10]。近年来,流域上游梯级水库的修建及中游城市的快速发展,导致了沉积物营养盐的增加,已造成流域生态环境破坏[11]。为此,本研究以黑河上中游为对象,分析沉积物氮磷营养盐的空间分布特征,并对黑河水体及沉积物营养盐主要来源进行解析,结合不同尺度土地利用对营养盐空间分异性进行解释度计算,以期为内陆河流域富营养化治理及环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黑河流域(97°06′E—102.00°E,37°42′N—42°42′N)发源于青海省,经甘肃省最终汇入内蒙古自治区居延海,是河西五市重要的水资源基地[10]。流域以莺落峡、正义峡为界,划分为上、中、下游。本研究选择黑河上中游地区(96°42′E—102°04′E,37°45′N—42°40′N)。其中,上游海拔落差较大,介于2 600～4 300 m之间,年降水量较高,气候阴寒潮湿[11]。植被垂直带分布异常明显,包括草甸植被、灌丛草甸、山地森林等[12]。中游地区作为黑河流域最主要的利用区,年降水量不足300 mm,但蒸发量高达1 400 mm,工农业较为发达,污水排放较为严重[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

黑河流域水能资源最为丰富的区域是上游干流山区部分,其水能资源蕴藏量106×104kW,可开发量52.8×104kW,年发电量38.48×108kW·h。根据地形情况,干流从上到下共规划了9座梯级电站[14]。

1.2 样品的采集与分析

为研究黑河沉积物营养盐分布特征及其主要来源,选择22个主要控制断面进行调查,分别在上游支流河段(S1、S2、S3、S4)、上游筑坝河段(T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12、T13、T14)、中游自然河段(Z15、Z16、Z17、Z18、Z19、Z20、Z21、Z22)设置典型断面(图1)。于2019年7月使用彼得逊采泥器进行实地采样,在各典型断面采集500 g表层沉积物,置于恒温箱(4 ℃)运回实验室,测定总氮(TN)、总磷(TP)、硝态氮(NO3-N)、氨态氮(NH3-N)、有机碳(TOC)等指标。TN、TP、NH3-N、NO3-N、TOC分别采用半微量开氏法、高氯酸-硫酸法、靛酚蓝比色法、紫外分光光度法、重铬酸钾氧化法测定。根据国标《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017),将黑河流域土地利用类型按一级分类体系划分为林地、裸地、水域等8类,利用2019年Landsat卫星地图,经ERDAS软件目视解译计算出各土地利用类型面积占比。

图1 研究区域及取样点、水文站分布Figure 1 Study area and distribution of sampling sites and hyclropwer stations

1.3 数据分析方法

首先采用K-S检验对监测数据进行正态检验,采用非参数检验处理不符合正态分布的数据。使用Pearson相关分析计算不同缓冲区尺度下土地利用类型面积占比与沉积物营养盐之间的相关性,不符合正态分布的数据采用SPearson相关分析计算,同时以各尺度土地利用类型作为自变量,沉积物营养盐作为因变量,构建多元线性回归模型,再根据赤池信息量法则法筛选出沉积物指标的最简约模型,构建模型的调整后R2值代表解释变量对响应变量的解释度。而后利用冗余分析方法分析土地利用类型对沉积物营养盐变异的解释能力,并采用蒙特卡罗方法检验冗余分析(RDA)结果的显著度(R>0.5)。

2 结果与分析

2.1 沉积物营养盐的空间分布特征

黑河流域沉积物氮磷及有机碳含量的沿程分布如图2、图3所示。沉积物TP、TN、NO3-N、NH3-N和TOC含量均值分别为224.83、245.32、55.76、30.25和8.42 mg/kg。在各河段中,中游自然河段沉积物TP、TN含量均较高,分别为318.50、449.09 mg/kg,是上游筑坝河段的2.28、5.79倍,表明中游自然河段沉积物污染较为严重。从差异性来看,中游自然河段沉积物TP含量与上游支流河段、上游筑坝河段的TP含量存在显著差异(P<0.01),而沉积物TN含量在各河段的差异性不显著。NO3-N含量高于NH3-N含量,且与TN在P<0.05水平上呈显著相关,表明沉积物氮素以NO3-N为主。另外,TN也与TOC在Sig<0.05水平上呈显著相关,表明沉积物氮素及有机质具有同源性。

图2 黑河流域沉积物氮含量Figure 2 The nitrogen concentrations of sediment in the Heihe River

图3 黑河流域沉积物TP与TOC含量Figure 3 The phosphorus and TOC concentrations of sediment in the Heihe River

2.2 土地利用状况

各典型断面不同缓冲区尺度和汇水区的土地利用类型面积所占比例如图4所示。整体而言,黑河流域土地利用类型以草地、裸地及耕地的占比较大,分别为56.38%、18.40%及13.43%,湿地、水域和建设用地的占比较小,均不足1%。从不同河段来看,上游支流河段与筑坝河段在小尺度(200～1 000 m)缓冲区内的土地利用类型以草地、水域为主,在大尺度(2 000～10 000 m)缓冲区内以草地、耕地及林地为主;中游自然河段在小尺度范围内的水域、草地面积占比较大,在大尺度缓冲区内的耕地、建设用地和裸地的面积占比较大,且在Z15(采样点)之后,大尺度范围内的建设用地与耕地面积成倍数增加,占比超50%以上。

图4 不同缓冲区尺度下的土地利用类型面积占比(缓冲区尺度单位:m)Figure 4 Percentages of land use types in different buffer zone scales

2.3 沉积物营养盐与土地利用的相关性分析

利用沉积物营养盐与不同缓冲区土地利用的相关性分析各尺度土地利用类型对沉积物营养盐的“源”/“汇”作用,结果(表2)表明缓冲区土地利用类型与沉积物营养盐具有显著的相关关系。其中,TP与各尺度缓冲区及汇水区域内的草地均呈显著的负相关关系,且相关系数随缓冲区尺度的增大而逐渐增加,在5 000 m缓冲区内的相关度最高(r=-0.610,P<0.01)。同时,TP与大尺度缓冲区内林地也具有显著的负相关性,在10 000 m缓冲区内的相关性最为显著(r=-0.577,P<0.01);而TP与耕地、建设用地呈显著的正相关关系,且其相关性均在汇水区最为显著,r分别为0.703(P<0.01)和0.711(P<0.01)。另外,湿地、水域也在汇水区域与TP具有显著的负相关关系r分别为-0.514(P<0.05)和-0.589(P<0.01)。

与TP相比,TN与各尺度土地利用类型的相关性较低,仅与200 m、2 000 m缓冲区内的灌丛(r分别为0.480、0.533,P<0.05)及200 m、500 m、5 000 m缓冲区的建设用地(r分别为0.492、0.454、0.460,P<0.05)呈显著正相关。NO3-N与200～5 000 m缓冲区内的灌丛、200～500 m缓冲区内的湿地呈正相关关系,小尺度缓冲区的相关性大于大尺度缓冲区的相关性,其中与200m缓冲区内的灌丛、湿地的相关系数最大(r分别为0.938、0.575,P<0.01)。NH3-N仅与1 000～2 000 m缓冲区内的林地的相关性较为显著,r分别为0.541(P<0.01)和0.471(P<0.05)。TOC与200～2 000 m缓冲区内的水域呈显著负相关,与200～10 000 m缓冲区内的建设用地呈显著正相关,相关性均随缓冲区尺度的增大而逐渐减小,且在200 m缓冲区的相关性最为显著(r分别为-0.556,0.710,P<0.01)。

表2 沉积物营养盐与不同缓冲区尺度土地利用类型相关性Table 2 Pearson’s correlations between sediment nutrients and land use types in different buffer zone scales

2.4 土地利用对沉积物营养盐的解释度分析

以各土地利用方式作为解释变量,沉积物不同营养盐指标作为响应变量构建多元线性模型,分析土地利用对营养盐指标的解释度。结果(图5)表明,小尺度缓冲区内的土地利用类型对NO3-N、TOC具有较高的解释度(调整后R2值),且其解释度随缓冲区尺度的增大而逐渐降低,在200 m缓冲区内的解释最高(R2=0.875、0.677);对TP的解释度在大尺度缓冲区较高,且随缓冲区尺度的增大而逐渐增加,在汇水区域的解释度最高(R2=0.481);对TN、NH3-N的解释度分别在10 000 m、1 000 m缓冲区最大(R2=0.613、0.325),但随缓冲区尺度的增加无明显的变化趋势。

图5 不同缓冲区尺度的土地利用方式多元线性回归模型Figure 5 Multiple linear regression models of land use patterns at different buffer zone scales

对水质参数的解释度(R2值)冗余分析分析结果表明(表3),草地在各缓冲区尺度内均对沉积物营养盐具有较高解释度,且其解释度随缓冲区尺度的增加而逐渐增大;耕地、林地和建设用地仅在大尺度缓冲区范围内对沉积物营养盐的解释度较高,其解释度随缓冲区尺度的增加而逐渐增大;而灌丛、湿地、水域对沉积物营养盐的解释度较低。此外,在汇水区域内,耕地、草地、湿地、水域及建设用地均对沉积物营养盐具有较高的解释度。

3 讨 论

本研究表明,黑河流域沉积物TP与大尺度缓冲区尺度内的草地、林地呈显著负相关关系,且缓冲区尺度越大相关性越显著,这表明大尺度缓冲区内的草地、林地对磷素具有显著的过滤和截留能力。这是因为磷素会显著增加林地、草地内的绝对生物量,进而加速磷的形态转化及植物对可利用磷的吸收利用,使得大量磷素在输移过程中被颗粒物吸附或植物吸收[15-16],较高的面积占比也使得草地在不同缓冲区尺度与TP呈显著或极显著相关关系。与此相反,沉积物TP与大尺度缓冲区内的耕地呈显著正相关关系,其相关性随缓冲区尺度的增加而逐渐增大,这是由于黑河流域农作物以玉米、小麦为主,而玉米、小麦作为典型的磷敏感型作物,在穗形成接近成熟期时,根系需吸收大量磷肥,大量磷肥的使用使得部分磷素随地表径流进入沉积物,使得沉积物磷素含量增加[17-18]。但在小尺度缓冲区内的相关性较差,这可能是由于黑河流域耕地主要集中在中游河段,且小尺度范围内的耕地占比较低,这也与以往研究结果一致[19]。与TP相比,NO3-N与土地利用类型的相关性较弱,仅与200～5 000 m缓冲区内的灌丛呈显著或极显著正相关关系,这可能与灌丛土壤中硝化细菌较多有关[20]。研究表明,硝化细菌会加速土壤有机质的硝化反应,加速有机质分解,因此灌丛与NO3-N的相关性较为显著[20]。建设用地在部分缓冲区与沉积物TP、TN和TOC呈显著正相关关系,这是因为建设用地密集的人类活动产生了大量的工业废水及生活污水,这些污水中的营养盐及有机物质在进入河流过程中会在微生物及动植物的分解作用下被吸收或者沉淀在沉积物中,进而形成“氮源”和“磷源”[21]。整体而言,土地利用与沉积物磷素的相关性比沉积物氮素的相关性更为显著,这与磷素的赋存形态及迁移方式有关。流域内的磷素会与铁锰等元素形成胶凝颗粒态,化学性质较为稳定,易与泥沙一起沉积,因此土地利用与沉积物磷素的相关性更为显著。

表3 基于冗余分析(RDA)的多尺度土地利用类型对沉积物空间分异的解释结果Table 3 Interpretation of sediment spatial differentiation by multi-scale land use types based on redundancy analysis (RDA)

多元回归分析表明,土地利用类型对沉积物NO3-N、TOC的解释度较高、TP、TN的解释度次之,NH3-N的解释度最低,这与以往研究有所不同[22]。有学者认为,无机污染物可被生产者直接吸收、利用,因此多元回归模型对TOC的解释度要优于其他指标[19]。但在本研究中,模型对于沉积物NO3-N的解释度较高,这是由于黑河属于典型的内陆河流,上游支流河段与筑坝河段动植物数量远低于低海拔、温热带外流河,生物循环吸收利用能力较弱,因而模型对NO3-N具有较高的解释度[23]。但模型对TOC也具有较高的解释度,且解释度随缓冲区尺度的增加而逐渐降低,结合相关性分析结果,认为小尺度缓冲区内建设用地的工业及生活用水会携带大量有机质直接进入河流,直接影响沉积物TOC含量,因而对沉积物TOC的解释度较高。但建设用地主要分布于中游自然河段,夏季温度较高,大量的地表生物会加速有机质的分解转化,大尺度缓冲区内的废水受动植物分解作用的影响较大,因而模型解释度随缓冲区尺度的增加而逐渐降低。

冗余分析结果表明,小尺度缓冲区内的土地利用比大尺度缓冲区内的土地利用对沉积物营养盐空间变异的解释度要低,且在不同尺度土地利用类型的解释度也不尽相同。例如,草地对沉积物营养盐空间变异的解释度随缓冲区尺度的增加呈先增后降的变化趋势,而与草地相关性最为显著的是沉积物TP,但多元线性模型对TP的解释度随缓冲区尺度的增加而持续增加,这是因为沉积物TP含量不仅与草地面积有关,还受到耕地、林地、建设用地的影响。在大尺度范围内的耕地、林地及建设用地面积较大,对TP的影响也逐渐增加,RDA分析也表明,耕地、林地及建设用地对沉积物营养盐空间差异性的解释度在大尺度范围内呈现逐渐增加的变化趋势。因此耕地、林地、草地及建设用地是沉积物TP的主要影响因子。大尺度缓冲区建设用地比小尺度缓冲区建设用地对沉积物营养盐空间变异的解释度要更为显著,与建设用地相关性最为显著的是沉积物TOC与TP,多元线性模型对TOC的解释度随缓冲区尺度的增加而逐渐降低,表明小尺度范围内建设用地对TOC的影响高于大尺度的影响。

4 结 论

通过对黑河流域沉积物营养盐空间分布特征的分析表明中游自然河段沉积物污染较为严重,其沉积物TP、TN含量是上游筑坝河段的2.28、5.79倍。建设用地、灌丛是沉积物有机质及硝态氮主要来源,而林地、草地及耕地对营养盐存在显著的“汇”的作用。总体而言,土地利用对沉积物磷素的解释度要优于氮素的解释度,这与黑河流域上游梯级开发有关。针对上述问题,在黑河流域水资源保护过程中,应当实行增加植被覆盖面积,控制建设用地,避免污水直接进入河流的系统治理模式,并根据上游梯级水库的动态调节调整治理策略。