筍溪河面源污染及其與河岸帶土壤有機碳、氮、磷的關系

侯文寧, 王海燕, 孟 海, 寧一泓, 趙 晗, 崔 雪

(北京林業大學 林學院/森林培育與保護教育部重點實驗室, 北京100083)

隨著點源污染的逐漸控制,以水體富營養化為重要表現形式的面源污染已成為威脅生態環境的主要因素。氮和磷是水生生態系統中浮游植物生長和分布的必需營養元素,當其濃度達到較高水平時,將存在富營養化風險,造成水質惡化、公共飲用水安全風險以及漁業和其他行業的經濟損失[1]。三峽水庫是目前世界上規模最大的水利工程之一,是長江流域重要的淡水資源戰略儲備庫,在長江流域及國家資源戰略配置中的作用意義深遠[2]。然而,自三峽大壩建成以來,三峽庫區面源污染問題日益嚴峻,成為國內外關注的焦點[3]。近年來工業發展迅速,人類活動加劇,化肥施用量逐漸增多,導致農田肥料過剩,再加上庫區生態脆弱,水土流失嚴重,泥沙中攜帶的土壤氮、磷和未被利用的化肥顆粒在降雨或灌溉后通過地表徑流或地下水進入水體,導致面源污染加劇[4]。

河岸帶是銜接“水—陸”生態系統的重要樞紐,其生境狀況由多個相對獨立、相互影響的環境體系按照生物地球化學循環的變化規律結合在一起,具有一定的生態邊界,主要由近岸土壤和水體等核心物質構成,且體系之間存在較高的相關性,其中以河流為主的水體和受流水作用的土壤是河岸帶物質循環和能量交換的重要媒介[5-6]。河岸帶土壤是河岸帶物質組成的基礎,其與生境的關系極其密切,能夠隨時響應河岸帶生境的變化,是研究河岸帶生態的重要內容。有研究表明,河岸帶土壤受地形地貌、河流水體、沿岸土地利用及覆蓋植被等多重空間特征及其演變的影響,進而影響土壤理化性質的空間異質性[7],最終導致河岸帶土壤有機碳、氮、磷元素分布特征的差異。近年來,已有眾多學者對河岸帶土壤有機碳、氮、磷進行相關研究,王智等[8]和楊春璐等[9]在分別研究崇明島和海城河河岸帶土壤養分分布特征后發現有機碳和氮素在土壤表層聚集;Qian等[10]研究發現太湖流域河岸帶土壤各形態磷含量均隨土層深度的增加而降低;趙清賀等[11]發現群落結構和海拔梯度對黃河中下游典型河段河岸帶土壤性質的影響顯著;李銳等[12]對長江上游江津段德感壩河岸帶進行了1 a的研究后發現,該河岸帶對陸源氮磷有較強的攔截作用。

重慶江津區是長江上游兼三峽庫尾較為典型的生態脆弱區,境內流域面積最大的河流是筍溪河。筍溪河流域受華鎣山脈斷裂及川東褶皺帶的影響,河岸帶從上游到下游具有多個典型的地形地貌和相對固定的農業生產結構,土地利用類型相對穩定,河岸植被類型單一,表現出一定的生態適應性[13]。同時,筍溪河是三峽庫區典型的上游入庫河流,其河岸帶的生態健康狀況對三峽庫尾地區及長江流域的生態環境治理具有重要的參考價值。近年來由于人口增長,城鎮化速度加快,為獲得最大經濟效益,大量地帶性植被逐漸被農田和園地所取代,加上大力發展旅游業,導致人地矛盾突出,土地利用方式發生改變,植被覆蓋度降低,嚴重影響了河岸帶土壤有機碳、氮、磷的循環過程[14]。前人對于水體及河岸帶土壤有機碳、氮、磷的研究或集中在獨立的陸地生態系統,或重在研究獨立的水體生態系統氮、磷的時空分布特征,又或是側重水體—沉積物間氮、磷元素的形態分布特征及相互轉化,而將陸地—水體綜合起來,分析同時期內河岸帶生態系統碳、氮、磷的含量特征和存在形態的研究較少。孟海等[13]研究了河岸帶水體—土壤—植物氮磷特征及其對環境因子的響應,但在土壤氮磷對水體面源污染的影響方面還有待深入。為此,本研究以重慶市江津區筍溪河流域干流的河岸帶為切入點,基于沿河樣點地形信息對全河段進行上、中、下游的劃分,依次研究各河段水體面源污染狀況以及河岸帶土壤的有機碳、氮、磷含量狀況,明晰河岸帶水體和土壤的空間異質性,并分析河岸帶土壤有機碳、氮、磷含量對水體面源污染的影響程度,以期為筍溪河河岸帶的生態系統穩定性提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

筍溪河(28°37′—29°13′N,106°15′—106°31′E)坐落于重慶直轄市內西南方向,屬于長江上游及三峽庫尾區域。河長120 km,流域面積1 198 km2,多年平均流速19.9 m3/s。自然落差980 m。河流自南向北,經四面山鎮、柏林鎮、傅家鎮、中山鎮、李市鎮、夾灘鎮,最終注入綦江。總體地勢南高北低,海拔落差大,在150～1 800 m間,地形屬川東丘陵。研究區為北半球亞熱帶濕潤季風氣候,多年平均氣溫16.7℃,月平均最低和最高氣溫分別在1月(-5.5℃)和8月(31.5℃)。河岸帶土壤受張力作用和外營力(流水和地質構造)強烈沖蝕切割作用,抗侵蝕能力較弱。由于地形限制,其干流河岸帶以慈竹(Bambusaemeiensis)等竹類植物為主,并形成帶狀林地,向河岸帶外向區域演替。

1.2 樣點選擇與區段劃分

在2018—2020年多次野外踏查的基礎上,依據《環境影響評價技術導則地表水環境》(HJ2.3-2018)、《環境影響評價技術導則土壤環境》(HJ964-2018)和《生物多樣性觀測技術導則陸生維管植物》(HJ710.1-2014),在兼顧筍溪河實際情況和可操作性的基礎上,布設河岸帶樣點44個(圖1),樣點間隔為(3.0±1.0) km。同時根據記錄的各樣點海拔、坡度和坡向等環境信息,在R中進行聚類分析,從而將筍溪河河段劃分為上、中、下游,基本信息見表1。

表1 筍溪河樣點地理信息統計

圖1 筍溪河流域采樣點

1.3 樣品的采集與測定

2020年5月,在距離河岸3～5 m內的河流中使用聚乙烯瓶進行水樣采集,滴加硫酸調節pH為2左右,低溫保存于便攜式冰箱,帶回實驗室。水體溶解氧采用電化學探頭法測定,化學需氧量采用重鉻酸鹽法,總氮采用堿性過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法,硝酸鹽氮采用紫外分光光度法,總磷和可溶性磷酸鹽采用鉬酸銨分光光度法測定[16]。

在河岸帶各樣點100 m范圍內的未受人為擾動的林地,沿河岸“S”形隨機布設5個采樣點,用土鉆分別采集0—20與20—40 cm的土樣,并混合均勻。部分新鮮土壤樣品存于便攜式冰箱,用于硝態氮的測定(酚二磺酸比色法),另一部分土樣經風干、磨細、過篩后測定有機碳(重鉻酸鉀容量法—稀釋熱法)、全氮(凱氏定氮法)、全磷(酸溶—鉬銻抗比色法)和有效磷(碳酸氫鈉浸提法)[17]。

1.4 數據計算

內梅羅指數法在水質評價中具有一定的普遍性,是最大值法中最典型和應用最廣的方法,突出了最大分指數項的影響,兼顧了平均分指數的影響。計算公式[18]如下:

(1)

式中:p為綜合指數;C測為指標測量值;S標為指標標準值;n為參與評價的水質指標數量;max為水質評價指標的最大值。筍溪河水質以《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)的Ⅲ類標準為基礎,選擇溶解氧、化學需氧量、總氮與總磷進行內梅羅綜合污染指數計算,得到本文污染等級標準(表2)。

表2 筍溪河河岸帶水環境質量分級Table 2 Classification of water environment quality in the riparian zone of the Sunxi River

1.5 數據處理

在Microsoft Excel 2010進行數據的整理;使用ArcGIS 10.8繪制采樣點圖;使用R 4.1.3進行聚類分析;河岸帶水體不同形態氮、磷和土壤有機碳、氮、磷的全量和有效量的單因素方差分析和LSD多重比較、獨立樣本t檢驗以及河岸帶水體氮、磷與土壤有機碳、氮、磷間的相關性分析均在SPSS 23完成;運用Canoco 5進行河岸帶水體不同形態氮、磷與土壤有機碳、氮、磷全量和有效量之間的冗余分析。

2 結果與分析

2.1 筍溪河水質污染現狀評價

水質的內梅羅綜合評價指數在上、中、下游有較大的差異。上、中游的內梅羅綜合評價指數分別為1.40與1.30,較為接近,均為Ⅳ類水質,屬重度污染。下游內梅羅綜合評價指數為2.20,為劣Ⅴ類水質,屬極度污染,且是上、中游的1.5倍多。從全河段來看,內梅羅綜合評價指數為1.60,屬嚴重污染。

2.2 筍溪河水體氮、磷空間分布特征

水體的總氮、硝酸鹽氮、總磷和可溶性磷酸鹽隨河流走向表現出不同的變化規律(表3)。水體總氮與硝酸鹽氮在全河段的含量分別為(1.82±0.74),(1.29±0.27) mg/L,均高于上游與中游而低于下游,呈現出先減后增、總體增大的變化規律;全河段總磷與可溶性磷酸鹽含量分別為(0.05±0.02),(0.02±0.02) mg/L,高于其上游,低于下游,呈現出逐漸增大的趨勢。

表3 筍溪河河岸帶水體氮、磷空間分布特征Table 3 Spatial distribution characteristics of nitrogen and phosphorus in the riparian zone of the Sunxi River

上、中游總氮、總磷與可溶性磷酸鹽含量極顯著低于下游,硝酸鹽氮在下游極顯著高于中游(p<0.01),說明水體總氮、硝酸鹽氮、總磷與可溶性磷酸鹽受河流區段的影響,下游與上、中游間存在較大差異。而水體N/P(總氮/總磷)在全河段差異不顯著(p>0.05)。

2.3 河岸帶土壤有機碳、氮、磷及其化學計量比空間分布特征

土壤有機碳、全氮、硝態氮、全磷和有效磷含量在河流區段和土壤垂直方向上有較大差異(表4)。土壤有機碳在0—20,20—40 cm土層表現出中游<上游<下游,即先減后增、總體增大的變化規律;筍溪河河流區段顯著影響著20—40 cm土層土壤有機碳的變化,表現為中游深層土壤有機碳顯著小于下游(p<0.05)。0—20,20—40 cm土層土壤全氮、硝態氮在各河段之間無顯著差異(p>0.05)。兩個土層土壤全磷和有效磷含量變化趨勢相同,表現為隨河流走向顯著增大。0—20 cm土壤全磷在中、下游顯著高于上游,20—40 cm土壤全磷與0—40 cm土壤有效磷在各河段間差異顯著,表現為上游<中游<下游(p<0.05)。各河段以及全河段的土壤有機碳、全氮、硝態氮、全磷和有效磷在不同土層間均表現出相同的變化趨勢:0—20 cm土壤各指標含量均顯著高于20—40 cm(p<0.05),表聚現象明顯。

表4 筍溪河河岸帶土壤有機碳、氮、磷及其化學計量比空間分布特征Table 4 Spatial distribution characteristics of soil organic carbon, nitrogen, phosphorus and their stoichiometric ratios in the riparian zone of the Sunxi River

河流區段對土壤C/N(有機碳/全氮)、C/P(有機碳/全磷)和N/P(全氮/全磷)的影響各不相同。在0—20,20—40 cm土層,河岸帶各區段土壤C/N之間差異不顯著(p>0.05),而土壤C/P和N/P變化趨勢相同,均表現為下游<中游<上游,即沿河流走向,C/P和N/P逐漸減小,0—20 cm土層上游C/P顯著高于下游,20—40 cm土層C/P與0—40 cm土層N/P在上游顯著高于中、下游(p<0.05)。各河段以及全河段的C/N,C/P和N/P均表現為0—20 cm高于20—40 cm,但僅中游和全河段C/P在兩個土層之間呈顯著差異(p<0.05)。

2.4 河岸帶水體氮、磷與土壤有機碳、氮、磷的相關分析

河岸帶水體氮、磷與土壤有機碳、氮、磷存在一定的相關關系(表5)。在0—20 cm土層,除土壤全磷與水體可溶性磷酸鹽無顯著相關性外,土壤全磷和有效磷均與水體總氮、硝酸鹽氮、總磷和可溶性磷酸鹽呈顯著或極顯著正相關,土壤C/P和N/P與水體總氮和總磷呈顯著或極顯著負相關(p<0.05或p<0.01),其他指標間無顯著相關性(p>0.05)。在20—40 cm土層,土壤有機碳、全磷和有效磷均與水體總氮、硝酸鹽氮、總磷呈極顯著正相關(p<0.01),土壤有效磷與水體可溶性磷酸鹽呈極顯著正相關(p<0.01),其他指標間無顯著相關性(p>0.05)。由此可見,土壤全磷和有效磷與水體各形態氮、磷存在密切關系。

表5 筍溪河河岸帶水體氮、磷與土壤有機碳、氮、磷的相關分析Table 5 Correlation analysis of water nitrogen and phosphorus with soil organic carbon, nitrogen and phosphorus in the riparian zone of the Sunxi River

2.5 筍溪河河岸帶土壤有機碳、氮、磷與水體氮、磷的冗余分析

為進一步探究影響筍溪河水體面源污染的因素,以土壤有機碳、氮、磷及其化學計量比作為解釋變量,水體氮、磷和N/P作為響應變量,進行冗余分析(RDA)。由RDA排序圖(圖2)可得,對水體總氮、硝酸鹽氮、總磷和可溶性磷酸鹽影響較大的有土壤有效磷、全磷、C/P,N/P。RDA1約束軸的解釋率為59.84%,RDA2的解釋率為4.31%,這表明大部分水體氮、磷的變化都可以通過土壤有機碳、氮、磷來解釋。兩個土層土壤全磷和有效磷、20—40 cm有機碳與水體總氮、硝酸鹽氮、總磷、可溶性磷酸鹽之間夾角較小、方向相同,可以認為具有較強的正相關關系,0—20 cm土層C/P和N/P與水體總氮、總磷之間夾角較大、方向相反,具有較強的負相關關系。土壤全磷、有效磷、C/P在RDA1軸上投影較長,因此對其貢獻較大,而RDA2軸只有土壤全磷、有效磷貢獻較大。由此可知,水體氮、磷受土壤有機碳、氮、磷的影響,主要來源于土壤全磷和有效磷的作用。水體總氮、總磷對土壤有機碳、氮、磷的響應較硝酸鹽氮、可溶性磷酸鹽更加明顯。

注：N/P指水體總氮與總磷之比,C/N1,C/P1,N/P1和C/N2,C/P2,N/P2分別為土壤有機碳與全氮、有機碳與全磷、全氮與全磷在0—20與20—40 cm土層之比。

3 討 論

筍溪河水質的變化特征,反映了水體的健康狀況和受污染程度,可為水環境的治理、保護提供支撐。筍溪河上游與中游水質的內梅羅綜合評價指數分別為1.40與1.30,屬重度污染;下游水質的內梅羅綜合評價指數為2.20,超過Ⅴ類1.97的標準,屬劣Ⅴ類,對匯入三峽水庫及長江均存在較高的風險。

水環境特征及其承載力是衡量流域可持續發展的重要指標之一[19]。筍溪河水體的總氮、硝酸鹽氮、總磷與可溶性磷酸鹽具有一定的空間異質性,且受影響的程度因河流區段而異。水體的化學成分及其分布特征是流域水資源質量、環境化學性質和元素循環轉化的基礎[20]。在河流各區段的空間變化中,筍溪河水體總氮、硝酸鹽氮、總磷與可溶性磷酸鹽均呈極顯著差異(p<0.01)。其中,水體總氮與硝酸鹽氮表現出中游<上游<下游的變化規律;總磷與可溶性磷酸鹽呈現出上游<中游<下游的變化趨勢。研究結果與庫區香溪河、澎溪河的氮、磷空間分布規律相同,均表現為下游含量較高[1],但與Xiang等[21]三峽庫區中游總氮、總磷最高,上、下游次之的結論有所不同,這是因為筍溪河上游海拔較高,河岸帶坡度大,硝酸鹽氮遷移能力強,較中游而言,更容易隨地下水和地表徑流進入河流。中下游村鎮漸多,人口有所增加,常有村民在河畔浣洗衣物,生活污水和農業生產活動的輸入導致水體中離子濃度有所增加,加上中游存在回水區,水流速度緩慢,且隨著兩條大支流的匯入積累了更多的磷,因此,總磷與可溶性磷酸鹽在中游略高于上游。下游海拔低,為取得更高的經濟效益,抗侵蝕性強的林地逐漸被花椒園、果園及耕地等取代,此外,隨著人畜糞便、生活污水及未被耕地作物吸收的肥料進入水體,導致下游各形態氮、磷顯著高于上、中游[22]。氮、磷作為限制水體中藻類生長繁殖的重要元素,可指示水體富營養化風險。已知N/P在10～15時為藻類生長的最佳條件,當N/P<10時,藻類生長受氮的限制,反之,當N/P>15時,藻類生長受磷的限制,而氮的供應充足[23]。本研究結果顯示筍溪河流域水體N/P為50.67,說明氮素供應過多,是造成筍溪河水體富營養化的主要風險元素。

土壤有機碳、氮、磷及其化學計量比的空間分布狀況,直接關系著土壤質量及河岸帶生境的穩定性,也是生態價值評價的基礎。筍溪河0—20 cm土層的土壤有機碳、全氮和全磷分別為(7.85±2.34),(0.70±0.23),(0.29±0.11) g/kg,而20—40 cm土層為(4.96±1.89),(0.54±0.21),(0.23±0.09) g/kg,與庫區內香溪河流域河岸帶土壤有機碳(24.80 g/kg),全氮(2.12 g/kg)和全磷(1.38 g/kg)和涪陵段王家溝流域的6種土地利用類型的全氮(1.14～1.49 g/kg)和全磷(0.76～1.32 g/kg)的結果相比,均較小[24]。由前人的研究結果可知香溪河沿岸地帶工業開采及農業施肥較多,導致近河岸帶土壤吸收、截留了大量碳、氮、磷等物質,而筍溪河兩岸以天然慈竹林為主,樹種類型及林分結構過于單一,未能形成大量枯落物增加土壤養分含量,且受河流水文作用明顯,養分的累積量也較小,因此明顯低于相近流域不同土地利用類型的土壤。筍溪河河岸帶0—20 cm土層的土壤有機碳、全氮、硝態氮、全磷和有效磷的含量均顯著高于20—40 cm土層(p<0.05),這與霍莉莉等[25]在興凱湖地區沼澤濕地和蔡雅梅等[26]在汾河河岸帶得出的隨土層深度增加,土壤養分逐漸減少的結論一致,由于表層枯枝落葉多,微生物活動旺盛,供植物吸收利用的養分豐富,加上根系大多數存在于0—20 cm土層,其對土壤有機碳、氮、磷的吸收作用大于20—40 cm土層。筍溪河下游土壤有機碳、全磷和有效磷顯著高于上、中游(p<0.05),沿河流走向,海拔逐漸降低,影響土壤有機碳分解的水熱等環境條件發生變化,下游多農田,施肥量大,在移動過程中極易被河岸帶土壤固定[9]。研究區0—40 cm土層土壤C/N,C/P,N/P均值分別為11.55,26.71,2.38,其中C/N略小于中國陸地平均水平(11.9),C/P,N/P均明顯低于我國平均水平(61,5.2)[27],C/N是土壤氮素礦化的標志,C/N越大,其釋放的有效氮量則越少[28],C/P,N/P分別是量度土壤微生物礦化有機質釋放磷或從環境中固定磷的能力和判斷限制性養分的重要指標,較低的土壤C/P,N/P說明微生物分解枯枝落葉受磷的限制較小,N/P<14說明河岸帶土壤處于氮素缺乏狀態,這主要是因為氮易溶于水,易隨水流失,而磷是一種沉積性物質,在土壤中遷移率相對較低[29]。

筍溪河河岸帶水體總氮、硝酸鹽氮、總磷、可溶性磷酸鹽與土壤全磷和有效磷呈顯著正相關關系(p<0.05),而與土壤有機碳、C/P和N/P的相關性受土層深度的影響存在較大差異,如:水體總氮、總磷與0—20 cm土層土壤的C/P和N/P均呈顯著負相關(p<0.05),而總氮、硝酸鹽氮和總磷僅與20—40 cm土層的有機碳呈顯著正相關(p<0.05)。這與孫婷婷等[24]水體總氮與土壤全氮呈顯著負相關的結論相反。香溪河位于三峽庫區庫首,其河岸帶土壤受河流水位漲消因素、沿岸土地利用類型和污染原排放的影響較為強烈,而筍溪河位于三峽庫尾,所受影響較小。筍溪河河岸帶水體N/P為50.67,而土壤中N/P僅為2.38,河岸帶水體高氮低磷,而土壤則處于高磷低氮的狀態,且土壤中全磷和有效磷與水體氮、磷含量密切相關,說明筍溪河河岸帶土壤全磷和有效磷含量是水體面源污染的主導因子,在今后的生產生活中應注意減少磷肥的施用,減少生活污水及人畜糞便未經處理直接排入河內。水體氮、磷的含量受植被種類、水文條件、地形地貌和土地利用等多種因素的影響,本文僅分析了土壤有機碳、氮、磷對其的影響,今后應從多角度、多尺度、多因子探索筍溪河水體面源污染的原因,為保障三峽庫尾生態系統的穩定提供更全面的數據支撐。

4 結 論

(1) 筍溪河水體全河段屬嚴重污染,其中上、中游屬重度污染,下游屬極度污染。

(2) 水體氮、磷含量表現出明顯的空間異質性。總氮、硝酸鹽氮、總磷與可溶性磷酸鹽均有明顯的下游匯聚現象,分別為(2.86±0.32),(1.50±0.28),(0.07±0.02),(0.04±0.01) mg/L,總氮和硝酸鹽氮呈現中游<上游<下游的變化規律,總磷與可溶性磷酸鹽為上游<中游<下游,逐漸增大。

(3) 土壤有機碳、全氮、硝態氮、全磷和有效磷含量均表現出表層富集和下游聚集的變化特征,有機碳、全氮和全磷在下游0—20 cm土層的含量分別為(8.80±2.47),(0.78±0.24),(0.37±0.10) g/kg。下游20—40 cm土層土壤有機碳含量顯著高于中游,20—40 cm土層土壤全磷和0—40 cm土層土壤有效磷在各河段間差異顯著(p<0.05),空間異質性明顯。此外,河岸帶土壤有機碳、全氮、硝態氮、全磷和有效磷含量,以及中游和全河段土壤C/P在0—20,20—40 cm土層間均呈顯著差異(p<0.05);兩個土層的土壤N/P和20—40 cm C/P在上游顯著高于中、下游(p<0.05)。

(4) 水體氮、磷含量受土壤有機碳、氮、磷因素的影響。土壤全磷和有效磷是影響水體總氮、硝酸鹽氮、總磷和可溶性磷酸鹽含量變化的主導因子。