柴達(dá)木盆地主要綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

郭慶波，黃懿梅，賈鵬輝，李好好

（西北農(nóng)林科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100）

青藏高原被稱為亞洲水塔，是世界40%人口的水源地，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，青藏高原生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定性增加，水資源壓力加重[1]。柴達(dá)木盆地位于青藏高原東北部，是青海省重要的農(nóng)、牧業(yè)生產(chǎn)基地[2]，盆地內(nèi)水系封閉，一旦有污染即會(huì)使整個(gè)盆地的水資源遭到破壞[3]。盆地內(nèi)農(nóng)業(yè)用水占到總用水量的77.26%[4]，現(xiàn)有研究表明農(nóng)業(yè)耕作對(duì)區(qū)域水質(zhì)變化有重要影響[5-6]，農(nóng)業(yè)用地面積百分比與河流水質(zhì)的關(guān)系密切[7]，全處于耕作期的農(nóng)田要比部分處于耕作期的農(nóng)田對(duì)水質(zhì)影響更大[8]，降雨和施肥的疊加是導(dǎo)致流域面源污染發(fā)生的主要因素[9]，化肥是農(nóng)田氮、磷投入的最主要來源[10]。目前對(duì)柴達(dá)木盆地水質(zhì)的研究主要集中在湖泊、河流的水化學(xué)特征和主要河流的水質(zhì)變化方面[11-13]，農(nóng)業(yè)耕作對(duì)其水質(zhì)的影響尚不清楚。

目前對(duì)水質(zhì)的評(píng)價(jià)方法有很多[1，13-14]，其中水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法可以定性、定量地評(píng)價(jià)綜合水質(zhì)狀況，不會(huì)因個(gè)別水質(zhì)指標(biāo)較差就否定綜合水質(zhì)[15-16]。因此，本文以柴達(dá)木盆地主要綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)的水體為研究對(duì)象，通過水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法評(píng)價(jià)柴達(dá)木盆地農(nóng)業(yè)耕作對(duì)水質(zhì)的影響，以期為柴達(dá)木盆地農(nóng)業(yè)面源污染關(guān)鍵區(qū)識(shí)別及防控提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

柴達(dá)木盆地位于90°16′～99°16′E、35°00′～39°20′N，90%的面積屬于青海省海西蒙古族藏族自治州。盆地內(nèi)屬高原大陸性氣候，年降水量自東南向西北遞減，年均溫在5 ℃以下，氣溫變化劇烈。德令哈市、格爾木市和都蘭縣是柴達(dá)木盆地主要的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)和人口聚集地，海西州統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示2017年三縣（市）耕地面積占海西州耕地總面積的85.87%，第六次全國(guó)人口普查數(shù)據(jù)顯示三縣（市）人口占到海西州總?cè)丝诘?5.62%。

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)及水樣采集

2019 年7 月在德令哈市、格爾木市和都蘭縣3 個(gè)縣（市），各選3個(gè)以耕地為主的鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行調(diào)查和采樣，地表水采樣點(diǎn)分別布設(shè)在每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地灌溉引水渠上游河流取水口（對(duì)照水質(zhì)）以及灌溉水在耕地的進(jìn)水和排水口，地下水采自相應(yīng)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的灌溉機(jī)井和飲用水井，每個(gè)采樣點(diǎn)取1 L 水樣冷凍保存帶回實(shí)驗(yàn)室分析化學(xué)指標(biāo)。根據(jù)農(nóng)藥使用情況，在 S2、S5、S6、S16、S20、S22、S24、S30、S31、S40、S42、S44、S45、S51、D3 15個(gè)采樣點(diǎn)用HLB固相萃取柱萃取500 mL水樣帶回實(shí)驗(yàn)室分析農(nóng)藥。采樣點(diǎn)編號(hào)和分布見表1和圖1。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及分析方法

pH、溶解氧和電導(dǎo)率現(xiàn)場(chǎng)用哈希HQ30d 數(shù)字化多參數(shù)分析儀測(cè)定；化學(xué)需氧量（COD）采用快速消解分光光度法（HJ/T 399—2007）測(cè)定；鎘、鉛、銅、鋅、砷和鎳6 種重金屬采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（HJ 700—2014）測(cè)定；啶蟲脒、噠螨靈、阿維菌素、毒死蜱、滴滴涕和氯氰菊酯6 種農(nóng)藥用液相色譜質(zhì)譜法測(cè)定；其余水質(zhì)指標(biāo)均按照標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理及評(píng)價(jià)方法

數(shù)據(jù)處理和制圖使用Excel 2016 和Origin 2019，地表水選取溶解氧、COD、總磷、六價(jià)鉻、銅和鋅6 個(gè)指標(biāo)，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）計(jì)算水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)。地下水選取硝酸鹽氮、氯化物、硫酸鹽、六價(jià)鉻、銅和鋅6個(gè)指標(biāo)，參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）計(jì)算水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)；依據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）判斷地下水能否飲用。使用SPSS 26.0 進(jìn)行灌溉進(jìn)排水水質(zhì)變化LSD檢驗(yàn)方差分析和指標(biāo)間的Spearman秩相關(guān)分析。

單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)P表示為Pi=X1.X2X3，X1代表水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別（X1=1即為Ⅰ類水），X2代表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處的位置，X3代表水質(zhì)類別與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比較差值。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)為Iwq=X1.X2X3X4，X1為水質(zhì)的綜合水質(zhì)類別，X2為綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處位置，X3為參與綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)的水質(zhì)指標(biāo)中劣于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的單項(xiàng)指標(biāo)個(gè)數(shù)，X4為綜合水質(zhì)類別與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的差值，具體計(jì)算及評(píng)價(jià)方法參照文獻(xiàn)[15]和文獻(xiàn)[16]。在水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)中，地表水執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，地下水執(zhí)行適用于集中式生活飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水的《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表水水質(zhì)特征

不同采樣點(diǎn)地表水中總磷、硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽氮、COD 和鋅濃度分布如圖2 所示。總磷濃度在0.01～0.90 mg·L-1，78%的采樣點(diǎn)低于Ⅲ類水上限值0.2 mg·L-1，8個(gè)采樣點(diǎn)高于Ⅴ類水上限值0.4 mg·L-1，其中7 個(gè)位于香日德鎮(zhèn)和察汗烏蘇鎮(zhèn)；硝酸鹽氮濃度在 0.01～11.89 mg·L-1，僅位于格爾木市東的S30 高于10 mg·L-1標(biāo)準(zhǔn)限值；氯化物濃度在 19.95～1 071.33 mg·L-1，20%的采樣點(diǎn)超過250 mg·L-1標(biāo)準(zhǔn)限值，超標(biāo)采樣點(diǎn)中格爾木市占83.33%，位于郭勒木德鎮(zhèn)的S22超地表水標(biāo)準(zhǔn)限值4.2 倍；硫酸鹽濃度在31.12～455.53 mg·L-1，6.67%的采樣點(diǎn)超過地表水標(biāo)準(zhǔn)250 mg·L-1標(biāo)準(zhǔn)限值，格爾木市的 S22、S25、S28 和 S30 分別超標(biāo)準(zhǔn)限值 1.3、1.5、1.7 倍和 1.8 倍；COD 濃度在 0～38.97 mg·L-1，23.33%的采樣點(diǎn)超過Ⅲ類水上限值20 mg·L-1，其中79%位于德令哈市，懷頭他拉鎮(zhèn)的S12濃度最高，超Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)1.95倍；鋅濃度范圍在8.65～261.09 μg·L-1，31.67%的采樣點(diǎn)超過Ⅰ類水限值0.05 mg·L-1，但均未超過Ⅱ類水上限值。重金屬鎘、鉛、銅和砷濃度遠(yuǎn)低于Ⅰ類水限值，鎳為地表水標(biāo)準(zhǔn)限值的0.14%～20.61%，未作進(jìn)一步分析。

表1 柴達(dá)木盆地采樣鄉(xiāng)鎮(zhèn)及采樣點(diǎn)編號(hào)Table 1 Sampling towns and sampling point numbers in Qaidam Basin

如表2 所示，綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)顯示柴達(dá)木盆地綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)地表水綜合水質(zhì)為Ⅱ類，優(yōu)于Ⅲ類水評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，尕海鎮(zhèn)、郭勒木德鎮(zhèn)、格爾木市東和大格勒鄉(xiāng)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)均為1.900，水質(zhì)為Ⅰ類；柯魯柯鎮(zhèn)、懷頭他拉鎮(zhèn)、宗加鎮(zhèn)、香日德鎮(zhèn)和察汗烏蘇鎮(zhèn)水質(zhì)為Ⅱ類。懷頭他拉鎮(zhèn)在9 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中水質(zhì)最差，水質(zhì)綜合標(biāo)識(shí)指數(shù)為2.710，無劣于Ⅲ類水質(zhì)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)存在。

對(duì)各單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，溶解氧總體為Ⅱ類，尕海鎮(zhèn)達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)；COD 總體為Ⅰ類，但在柯魯柯鎮(zhèn)和懷頭他拉鎮(zhèn)為Ⅳ類；總磷總體為Ⅲ類，在尕海鎮(zhèn)最低，單因子標(biāo)識(shí)指數(shù)為1.70，在香日德鎮(zhèn)最高，單因子標(biāo)識(shí)指數(shù)為6.03，為Ⅴ類；六價(jià)鉻總體為Ⅱ類，其中4 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)為Ⅰ類，5 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)為Ⅱ類；銅和鋅在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均為Ⅰ類。柯魯柯鎮(zhèn)、懷頭他拉鎮(zhèn)COD 超標(biāo)，香日德鎮(zhèn)總磷超標(biāo)，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)均不存在指標(biāo)超標(biāo)情況。

表2 柴達(dá)木盆地各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地表水水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Table 2 Comprehensive water quality index of towns and villages in Qaidam Basin

2.2 地下水水質(zhì)特征

地下水水質(zhì)特征如表3 所示，pH 呈弱堿性，屬于Ⅰ類；硝酸鹽氮平均濃度屬于Ⅱ類，格爾木市東濃度最高為6.48 mg·L-1，達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)；氯化物平均濃度屬于Ⅲ類，懷頭他拉鎮(zhèn)為Ⅴ類水350 mg·L-1限值的2.02 倍，大格勒鄉(xiāng)和察汗烏蘇鎮(zhèn)均為Ⅳ類；硫酸鹽平均濃度屬于Ⅲ類，懷頭他拉鎮(zhèn)和格爾木市東為劣Ⅴ類，分別為Ⅴ類水350 mg·L-1限值的1.37 倍和1.35倍，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)均為Ⅱ類。地下水中電導(dǎo)率、氯化物、硫酸鹽和硝酸鹽氮平均濃度分別為地表水的1.29、1.24、1.45 倍和 2.26 倍。除鋅在 D2、D3 和 D9 采樣點(diǎn)、鎘在D6 采樣點(diǎn)和鎳在D8 采樣點(diǎn)濃度略高于Ⅰ類水限值，其余重金屬濃度均低于Ⅰ類水限值。

如表4 所示，地下水綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)顯示柴達(dá)木盆地綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)地下水綜合水質(zhì)為Ⅱ類。郭勒木德鎮(zhèn)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)為1.800，水質(zhì)為Ⅰ類；懷頭他拉鎮(zhèn)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)為3.831，水質(zhì)為Ⅲ類，有3 個(gè)指標(biāo)超標(biāo)。硝酸鹽氮總體為Ⅱ類，格爾木市東硝酸鹽氮狀況最差，為Ⅲ類水質(zhì)；氯化物和硫酸鹽總體為Ⅲ類，懷頭他拉鎮(zhèn)、大格勒鄉(xiāng)和察汗烏蘇鎮(zhèn)的氯化物以及懷頭他拉鎮(zhèn)和格爾木市東的硫酸鹽濃度超Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，其中懷頭他拉鎮(zhèn)的氯化物和硫酸鹽以及格爾木市東的硫酸鹽均為劣Ⅴ類；六價(jià)鉻、銅和鋅總體為Ⅰ類，僅懷頭他拉鎮(zhèn)的鋅超過Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

地下水各采樣點(diǎn)的pH、硝酸鹽氮和重金屬均符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，懷頭他拉鎮(zhèn)、大格勒鄉(xiāng)和察汗烏蘇鎮(zhèn)的氯化物以及懷頭他拉鎮(zhèn)的硫酸鹽分別為生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)250 mg·L-1限值的2.83、1.13、1.07倍和1.92倍，無法直接飲用。

2.3 柴達(dá)木盆地農(nóng)藥殘留情況

對(duì)柴達(dá)木盆地15 個(gè)樣點(diǎn)的農(nóng)藥測(cè)定發(fā)現(xiàn)，尕海鎮(zhèn)的S16、格爾木市東的S30 和宗加鎮(zhèn)的S40 和S42 4個(gè)采樣點(diǎn)均檢測(cè)到啶蟲脒，濃度在0.05～1.44 μg·L-1；而僅在S42 檢出阿維菌素和毒死蜱，阿維菌素濃度為0.02 μg·L-1，毒死蜱濃度為 0.28 μg·L-1。根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006），毒死蜱濃度為限值的0.93%；由于目前國(guó)內(nèi)還沒有啶蟲脒和阿維菌素相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值，以人體每日允許攝入量的10 倍為濃度限值，啶蟲脒濃度限值為0.7 mg·L-1，阿維菌素濃度限值為0.02 mg·L-1，柴達(dá)木盆地啶蟲脒和阿維菌素濃度分別為限值的0.01%～0.21%和0.12%。

表3 柴達(dá)木盆地地下水統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Groundwater statistics of Qaidam Basin

2.4 農(nóng)田灌溉進(jìn)排水水質(zhì)變化特征

選取pH、溶解氧、COD、總磷、硝酸鹽氮、硫酸鹽、氯化物和電導(dǎo)率等變異系數(shù)較大的指標(biāo)分析其灌溉前后變化，結(jié)果如圖3所示。溶解氧和COD在經(jīng)過耕地灌溉后濃度分別降低了1.93%和6.42%；電導(dǎo)率、總磷、硝酸鹽氮、硫酸鹽和氯化物在經(jīng)過耕地灌溉后濃度升高明顯，分別升高了28.80%、37.80%、24.43%、33.06%和27.41%。

3 討論

3.1 農(nóng)業(yè)耕作對(duì)地表水的影響

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)顯示柴達(dá)木盆地綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)地表水水質(zhì)為Ⅱ類，整體水質(zhì)較好，盆地內(nèi)地表徑流大多引自附近雪山融水及水庫(kù)存水，流程短，污染環(huán)節(jié)少[17]，因此水質(zhì)較好。地表水中總磷和硝酸鹽氮平均濃度較低，灌溉水經(jīng)過農(nóng)田后總磷和硝酸鹽氮濃度分別增加了37.80%和24.43%，調(diào)查發(fā)現(xiàn)柴達(dá)木盆地灌溉方式以大水漫灌為主，灌溉主要在3—10 月，其中以 6—9 月最為頻繁，平均10～15 d 灌溉一次；施肥以氮肥和磷肥為主，平均施肥量在225～450 kg·hm-2，柴達(dá)木盆地氮肥和磷肥施用量占總施肥量的46.66%和38.28%。灌溉和降雨形成的徑流會(huì)將耕地中氮磷元素輸入附近水體[9]，Spearman 相關(guān)分析顯示總磷和懸浮物存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.64（P＜0.01），泥沙和懸浮物中會(huì)吸附大量的有機(jī)磷和無機(jī)磷[18]，懷頭他拉鎮(zhèn)和香日德鎮(zhèn)排水中懸浮物含量較高，導(dǎo)致其水中總磷濃度增加。灌溉還可以洗去土壤中的鹽分[19]，造成硫酸鹽、氯化物濃度升高，格爾木市氯化物和硫酸鹽濃度較高，該區(qū)地層含鹽量高，沖積洪積扇上有硫酸鹽的淀積層，淋溶作用攜帶大量氯化物和硫酸鹽進(jìn)入水體。COD 在德令哈市濃度較高，這可能與當(dāng)?shù)氐拇迩f生活污水排放有關(guān)，研究表明農(nóng)村生活污水中存在大量的有機(jī)物[20]，調(diào)查發(fā)現(xiàn)德令哈市村莊與農(nóng)田交錯(cuò)分布，生活污水隨溝渠匯入灌溉排水，從而造成COD 濃度偏高。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，尕海鎮(zhèn)水質(zhì)最好，該鎮(zhèn)近年來地下水位上升，有自噴井不斷向外冒水，導(dǎo)致鎮(zhèn)南部大量農(nóng)田無法耕種，減少了耕作活動(dòng)對(duì)水體的影響，而且地表水不斷得到補(bǔ)充和更新，因此整體水質(zhì)最好。

3.2 農(nóng)業(yè)耕作對(duì)地下水的影響

柴達(dá)木盆地綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)地下水水質(zhì)為Ⅱ類，呈弱堿性水，淋溶作用使大量碳酸氫鹽進(jìn)入水體，造成水體偏堿性[21]。研究區(qū)地下水電導(dǎo)率、氯化物、硫酸鹽和硝酸鹽氮濃度高于地表水，盆地內(nèi)地下水以山區(qū)降水和地表水下滲補(bǔ)給為主，地表徑流淋溶大量可溶鹽，蒸發(fā)作用使可溶鹽濃度升高，導(dǎo)致地下水Cl-、SO2-4等離子含量增加[22]，Spearman 相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率與氯化物和硫酸鹽存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.88 和0.78（P＜0.01），大量導(dǎo)電離子造成電導(dǎo)率整體水平較高[23]。懷頭他拉鎮(zhèn)地下水硫酸鹽和氯化物濃度超標(biāo)明顯，無法直接飲用，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)懷頭他拉鎮(zhèn)地表水無法滿足其灌溉需求，近年來大量抽取地下水用于灌溉，地下水過度開發(fā)，水量減少，會(huì)導(dǎo)致硫酸鹽、氯化物濃度升高[24]。柴達(dá)木盆地地表徑流下滲作用顯著，施用氮肥以及含氮廢物隨雨水下滲等會(huì)造成地下水硝酸鹽氮濃度增加[25]，位于格爾木市東的地下水總磷和硝酸鹽氮濃度均最高，該采樣點(diǎn)位于溫室大棚內(nèi)，井深僅十余米，井水用于灌溉大棚內(nèi)瓜果、蔬菜，并無外排，下滲過程攜帶大量施肥后未利用的氮磷元素，導(dǎo)致該區(qū)域地下水氮磷濃度增加。雖然當(dāng)前地下水硝酸鹽氮濃度還未超標(biāo)，但其會(huì)造成惡性循環(huán)，應(yīng)加以關(guān)注。

4 結(jié)論

（1）柴達(dá)木盆地綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)地表水綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)為Ⅱ類，其中尕海鎮(zhèn)、郭勒木德鎮(zhèn)、格爾木市東、大格勒鄉(xiāng)地表水綜合水質(zhì)達(dá)到了Ⅰ類；個(gè)別區(qū)域受到污染，其中德令哈市的COD、香日德鎮(zhèn)和察汗烏蘇鎮(zhèn)的總磷、格爾木市的硫酸鹽和氯化物超標(biāo)占比較大。

（2）地下水綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)為Ⅱ類，懷頭他拉鎮(zhèn)的氯化物和硫酸鹽、大格勒鄉(xiāng)和察汗烏蘇鎮(zhèn)的氯化物均超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，無法飲用。

（3）重金屬濃度較低，其中鉛、銅和砷最高濃度均低于Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，農(nóng)藥中檢測(cè)到啶蟲脒、阿維菌素和毒死蜱存在，但濃度均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值。

（4）施肥和灌溉會(huì)使水體中氮磷及含鹽量增加，溫室大棚的使用會(huì)造成地下水氮磷濃度升高，且硝酸鹽氮增加明顯。