湖库型水源地富营养状况及土地利用对水质的影响

易玉敏 祝家能 刘 鹏

（云南省生态环境工程评估中心，云南 昆明 650228）

水资源短缺和水体污染已成为现代经济发展的制约因素，饮水安全事关人民群众的健康和生命安全[1]。随着我国经济社会的高速发展，人为活动对环境的影响加剧，导致污染物排放量快速增长。目前中国约有30%左右的水库处于富营养状态[2]，饮用水体富营养化问题已成为中国饮用水安全保障以及水资源与水环境保护面临的重大问题[3]，对水源地的保护工作迫在眉睫。目前，国内外已有关于湖库型水源地水环境、水生态方面的研究。主要集中在水环境人体健康风险评价[4]、水体富营养化变化趋势[5-6]、移动污染源对水源地水体的影响[7]。也有研究者致力于水源地景观结构与涵养功能间的内在机理研究[8]及景观格局动态演变特征[9]。针对水源地不同土地利用方式与水质响应关系构建已成研究热点。随着工业现代化，人口密度增加，以湖库汇水区为单元的流域面源污染形式多样，且随机性、复杂性、不确定性更强[10]，明晰湖库型水源地不同类型土地利用方式对水体富营养化的贡献显得至关重要。

洪金淑[11]对滇东南36个湖库型水源地进行水质评价，结果有17个水库年度水质不合格，占评价水源地总数的39.5%。不合格水源地中，粪大肠菌群超标最为严重，其次是高锰酸盐指数、5日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH4+-N）。集中分布在经济发达、人口密度大的区域。滇东南大部分区域（西畴、砚山）属于典型的岩溶地貌，水土极易流失。化肥施用管控失当、投肥养殖使氮磷等营养物质过剩、农药及其他有机或无机物的污染物通过地表径流造成湖库水体污染[12]。且水源地保护区内不同的土地利用方式影响污染物的排放和传输过程，对湖库水环境质量具有重要影响。

近年来，由于水土流失、降雨侵蚀、陡坡耕作、施肥以及畜禽养殖等导致的农业面源污染远比点源污染要严重得多[13]。仅仅对水环境质量进行监测评价和点源污染管控措施很难解决农业面源带来的水环境恶化问题，与面源污染控制密切相关的区域景观格局与水质的相互关系成为国内外学者关注的重点[14]。研究表明，氮磷等污染物从产生到迁移再到形态转化与流域土地利用方式及景观组成特征息息相关[15]。本研究通过对8个湖库型水源地水体中总磷（TP）、总氮（TN）、NH4+-N、水温、pH、溶解氧（DO）、BOD5和化学需氧量（CODCr）的监测评价及水源地保护区内土地利用结构的深入剖析，揭示典型湖库型水源地水体富营养化状况时间异质性，并探究土地利用结构与水质指标是否存在相关性，进而建立土地利用结构与水质的响应关系。旨在为湖库型水源地面源污染治理及土地利用规划提供科学依据，对开展水环境综合治理有重要的实践意义。

1 研究区概况

1.1 水源地概况

本研究选取了滇东南远近冲水库、江东水库及红舍克水库等8个在用水源地为研究区。其中丰收水库为中型水库，其余均为小（一）型。远近冲水库位于开远市中和营，年供水量59.13万m3，属于西江水系，在云南省地表水环境功能区划中执行Ⅲ类水考核标准。江东水库位于文山州西畴县，年供水量216万m3，泸江水系，Ⅲ类水考核标准。红舍克、黑所、丰收、阿额4个水库位于文山州砚山县，位于清水江流域，年供水量分别为93.60万、71.54万、67.33万、35.60万m3，均执行Ⅲ类水考核标准。红旗水库、合作水库在玉溪市红塔区境内，年供水量超过400万m3，属于玉溪大河水系，均执行Ⅱ类水考核标准。根据《饮用水水源保护区划分技术规范》（HJ 338—2018）[16]湖库型饮用水源保护区分为一级、二级保护区及准保护区，本研究8个湖库型水源地各级保护区面积见表1。

表1 水源地各级保护区面积Table 1 Areas of water source reserve at various levels km2

1.2 农业面源景观结构特征

保护区内不同土地利用类型面积比见表2。各水库一级保护区内景观多样性以红舍克水库、江东水库最为丰富。有3种土地利用类型，即耕地、园地和住宅用地。合作水库次之，其余水库均只有耕地1种类型。二级保护区中丰收、红舍克、江东、红旗和合作水库的土地利用类型为3种，其余水库则无园地。

表2 保护区内不同土地利用类型面积比Table 2 Land-use composition for reserve %

各水库一级区内耕地面积占保护区面积比例介于0.12%～37.02%，均值为13.84%，其中江东水库最高，红舍克水库次之。一级区中住宅用地和园地占比较低，均少于1%；二级区中，耕地占比的最小值、最大值分别为1.22%和51.59%。住宅用地占比均值为1.64%，较一级区要高。园地类型中仅江东水库占比超过1%，为1.22%。

2 材料与方法

导航定位在丰收水库和红旗水库各选取了10个点位进行实地调查，对分类结果进行手工修正，一级分类的判读精度为93%。

本研究水质监测数据来源于云南省千吨万人级饮用水源地保护区划分成果，由红河州、文山州和玉溪市环境监测中心站提供。

2.2 水样采集与处理

在每个水库的取水口位置设采样点，共8个采样点，于2019年5—7月各进行1次采样。采样时，使用803M4型采样器收集0.5 m深表层水，仅留存采样器中段水样。带回实验室后，1～4 ℃环境贮存。测试指标为TP、TN、NH4+-N、水温、pH、DO、BOD5和CODCr。参照《水和废水监测分析方法》[18]进行水样的预处理及室内分析，其中水温、pH、DO质量浓度采用SC-01A系列便携型监测仪现场测定。TP和TN分别使用钼酸铵分光光度法和碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法，检出限分别为0.01、0.05 mg/L，使用纳式试剂光度法检测NH4+-N含量，CODCr采用重铬酸钾法。

2.3 水体营养状态评价方法

2.1 数据来源及处理

采集各水库所在地2019年土地利用调查变更数据，为实地调查提供辅助信息。根据《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017）[17]，建立各水源地保护区内土地利用分类遥感影像解译标志，设置解译判读图斑大小规则和精度控制要求。借助ArcGIS软件完成遥感图像的人机交互解译，将水源地保护区内土地利用类型划分为耕地、住宅用地和园地，2019年10月11—14日，课题组针对无法确定分类的地理点位，借助GPS

2.3.1 综合富营养状态指数法

本研究从8个指标中选取了TP、TN、NH4+-N这3个营养指标以及衡量水体自净能力的物化指标DO对水体富营养状态进行评价。湖泊富营养化评价指标的分级标准[19]见表3。TP、TN、NH4+-N质量浓度的分级标准的选取参照修正卡森指数[20]（TSIm）。根据TSIc分级标准，将富营养化划分为：极贫、贫、中、富、重富、极富6级标准，而DO分级标准则参考了国内其他湖泊、水库营养状态评价的经验值[21-22]。

将表3中的4项指标的各级标准分指数值代入式（1），可得到各评价指标富营养状态的指数（Ij）值：

式中：Cj为指标j的实测值，Cjmax为指标j的极富标准值。

本研究采用对数型幂函数普适指数公式计算水体富营养化评价综合指数（EI）[18,21]，并依据富营养状态的分级标准（表4）评价水体所处的营养状态。计算方法为：

表4 水体富营养化评价综合指数的分级标准Table 4 Classification of comprehensive index for water eutrophication assessment

式中：Wj为指标j的归一化权值，多数情况下，各指标可视作等权，故Wj=1/n，n为参与评价的指数个数，n=4。

2.3.2 主要污染因子筛选

对单因子评价结果进行排序，对于标准指数（实测值/标准值）位于前3位的污染因子，或标准指数大于0.8的污染因子，均列为主要污染项目；将标准指数大于0.6，小于0.8的污染因子列为潜在污染项目。将监测点水质超过Ⅲ类标准的项目全部作为主要污染项目（pH、溶解氧不参与计算）。如果水库富营养化评分值小于60，则表明化学污染占据主导，则仅按上面的方法筛选主要污染项目；如果评分值大于60，除按上面的方法筛选主要化学污染项目外，可确定氮、磷为主要污染项目。

2.4 数据分析

采用Pearson相关性分析各土地利用类型与水质指标间的相互关系，该统计分析过程在SPSS 21.0中完成；Canoco 5.0软件进行冗余分析（RDA），用于揭示单个景观变量对水源地水质变化的贡献。基于上述统计分析手段，建立并分析各水源地水质指标对保护区内土地利用类型的响应状况。

3 结果与分析

3.1 水体富营养状况

由实测数据（表5、表6）可知，NH4+-N、DO和CODCr水质指标浓度均值在3个月均满足《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）[23]中的Ⅱ类水及以上标准。可红旗水库、合作水库在采样周期内均为Ⅲ类水，未达到考核标准，主要超标因子为TN和TP。此外，6月期间黑所水库、阿额水库以及7月的红舍克水库均出现BOD5含量较高而导致水环境质量下降的异常现象。总体上，水体氮磷超标现象持续发生，水质趋于恶化。

表5 水质状况评价结果Table 5 Evaluation results of water quality status

表6 水质指标描述性统计Table 6 Descriptive statistics of water quality parameter

续表 6

从水质指标时间序列上看，TP浓度均值在研究周期内均为Ⅱ类水（表6），可TN含量却相对偏高，最大值达0.58 mg/L，在5月、7月时为Ⅲ类水。其余水质指标在3个月中均Ⅰ类水标准。

由图1可知，结合富营养状态分级标准，除5月的江东水库和7月的江东、红旗水库外湖库水体均处于贫营养化状态。江东水库在5月时EI值最大为31.34，达到中度富营养化，该水库7月EI值也超过30（中度富营养化标准限值）。此外，红旗水库7月时达到中度富营养化状态，EI值为30.20。从趋势上来看，江东水库呈先降低后升高，红舍克水库反之，其余水库则均为逐渐升高趋势。

图1 富营养化评价结果Fig. 1 Evaluation results of eutrophication

对照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）[23]Ⅲ类标准限值要求，从监测最大值（溶解氧为最小值）评价，DO单因子评价指数大于1（表7），即超过Ⅲ类水质标准；BOD5、TN单因子指数大于1.0；CODCr单因子指数接近1。从监测平均值评价，DO单因子评价指数大于1，即超过Ⅲ类水质标准；BOD5、TN单因子指数大于0.5；CODCr单因子指数接近0.5。综上所述，DO为主要污染项目，BOD5、TN为潜在污染项目。

表7 单因子指数法评价结果Table 7 Evaluation results of single factor

3.2 不同土地利用类型对水质的影响

3.2.1 土地利用与水质的Pearson相关性

相关性分析结果见表8。一级保护区内，5—6月耕地与DO呈显著负相关关系（P＜0.05），5月住宅用地与TN呈极显著正相关（P＜0.01），6月与水温呈显著正相关（P＜0.05）；二级保护区内，6月水温与园地显著正相关（P＜0.05），与耕地为极显著负相关（P＜0.01），且园地、住宅用地与CODCr呈极显著正相关（P＜0.01）。5—6月耕地、住宅用地与DO之间均为显著负相关关系（P＜0.05）。5月园地与NH4+-N呈显著正相关（P＜0.05）与BOD5显著负相关（P＜0.05）。7月园地与TP表现为显著正相关（P＜0.05）。不同的土地利用类型在时间上对水质的影响存在一定的差异，但总体上来说5—6月影响均大于7月。

表8 土地利用类型与水质指标的相关性Table 8 Correlation between landscape pattern and water quality indicators

3.2.2 土地利用与水质的冗余分析

土地利用与水质指标的RDA结果见图2。从RDA排序可以看出，5月、7月TN、TP、NH4+-N和CODcr与园地比例（Gar%）均集中在排序轴的同一象限，表明该时期与其他景观类型相比，园地对保护区内氮、磷等面源污染物的输出的影响较大。在6月，住宅用地（Res%）与TN之间表现出极显著负相关关系（箭头夹角接近180°，P＜0.01）。7月耕地（Far%）与水温表现出极显著负相关（P＜0.01），Res%与BOD5为极显著正相关（夹角接近0°，P＜0.01）。景观类型中耕地对水质指标的影响较园地和住宅用地要大。

图2 土地利用与水质指标的RDA排序Fig. 2 RDA ranking of land use and water quality index

3.2.3 土地利用与水质的单因素分析

耕地与水质指标的单因素分析结果见图3。5月BOD5、CODCr整体位于蓝色圈内，表明耕地与该水质指标呈极显著负相关（P＜0.01）。6月NH4+-N穿过红色圈，其他指标均穿过蓝色圈，表明耕地与NH4+-N呈显著正相关（P＜0.05），而其余指标与耕地呈显著负相关（P＜0.05）。7月BOD5、DO、CODCr穿过红色圈，而TN、TP和水温则穿过蓝色圈，表明耕地与BOD5、DO、CODCr呈显著正相关（P＜0.05），而与TN、TP有显著负相关关系（P＜0.05）。

图3 耕地与水质指标的单因素分析Fig. 3 Single factor analysis of cultivated land and water quality indicators

住宅用地与水质指标的单因素分析结果见图4。5月BOD5、CODCr整体位于红色圈内，说明BOD5、CODCr与住宅用地呈极显著正相关（P＜0.01），而NH4+-N与住宅用地显著呈负相关（P＜0.05）。6月仅CODCr穿过红色圈，CODCr与住宅用地呈显著正相关（P＜0.05），而其余指标均与两个线圈相切，表明两者并无相关性。7月水温、DO穿过红色圈，TN、TP、BOD5和CODCr则穿过蓝色圈，表明水温、DO与住宅用地呈显著正相关（P＜0.05），而TN、TP、BOD5和CODCr与住宅用地呈显著负相关（P＜0.05）。

图4 住宅用地与水质指标的单因素分析Fig. 4 Single factor analysis of residential land and water quality indicators

园地与水质指标的单因素分析结果见图5。5—7月除了BOD5、NH4+-N、水温和DO以外其余指标均分别穿过红色圈，而BOD5、NH4+-N、水温和DO穿过蓝色圈。表明在5—7月BOD5、NH4+-N、水温和DO分别与园地呈显著负相关（P＜0.05），其他指标在5—7月均与园地均有显著正相关关系（P＜0.05）。

图5 园地与水质指标的单因素分析Fig. 5 Single factor analysis of garden plot and water quality indicators

4 结论与讨论

本研究以滇东南8个湖库型饮用水源地3个时间段内水质监测数据为基础，结合土地利用类型遥感解译结果，通过Pearson相关性分析、冗余分析和单因素方法手段，旨在厘清各水质指标对不同土地利用结构的响应过程，得出如下结论：1）红旗、合作水库采样周期内未达到水质考核标准，超标因子为TN和TP。5月、6月水源地水环境质量明显优于7月。2）整体上，8个湖库型饮用水源地水体均处于贫营养化状态；单因子评价结果表明：DO为主要驱动因子，BOD5、TN为潜在污染项目；江东水库向中营养化演变趋势尤为明显，亟需开展水环境保护工作。3）湖库型水源地水质对保护区内土地利用类型的响应较好。具体表现为：Pearson相关性分析中住宅用地、园地与TN、TP间呈显著正相关。RDA分析时园地面积比例（Gar%）与TP、CODCr均在同一象限，与DO则呈显著负相关，表明这2种土地利用类型是面源污染物输出的主要源景观。

5月开始各水源地水体富营养化程度逐渐升高。究其原因，与降雨径流和农业耕作制度有关。非点源污染的形成离不来降雨和地表径流，且降雨是土壤养分流失的重要驱动力。滇东南属于亚热带季风气候区，降雨周期短，单次降雨量大，水土更易流失。此外，调查发现，研究区域内耕地主要种植玉米和烤烟。玉米（Zea mays）在6月末7月初拔节前施氮肥，其间还要视情况喷施农药以防治病虫害。同时期烤烟也要进行施肥、覆膜等农事活动，且农药的施用量更大。在这样的耕作背景下，加之降雨的外力驱动，导致水质恶化，水体富营养化程度升高。

本研究中江东水库富营养化状况在时间序列上差异较大，分析原因可能和耕地景观类型有关。该水库一级保护区内耕地面积占比为8个水库之最，二级保护区内耕地占比亦超过30%。另一方面，该水库的保护区面积仅为2.96 km2，汇水面较小的同时也就意味着污染物的输移距离较短，衰减周期较短[24]。坡耕地中产生的氮磷等污染物在地表径流的作用下很快进入湖库水体，入库量相对于产生量削减不明显。

由于不同土地利用方式和人类活动强度的差异，不同类型景观上污染物负荷有所不同。水质退化的主要贡献源来自于住宅用地，受人为活动影响较大[25-26]。本研究中住宅用地与TN、CODCr均为极显著正相关，与溶解氧为显著负相关关系。本研究中红旗水库住宅用地面积最大，3个月水质采样分析均为Ⅲ类水，超标因子为TN。汛期正值高温高湿高热季节，微生物活动加强，居民区堆放的生活垃圾在微生物的分解作用下，表现出较高的氮磷含量[24]，加之强降雨对不透水面的冲刷作用，使得本已失去植被和土壤对氮磷的过滤吸收和转化存储功能的住宅区表现出较高的氮素输出[26]。另外，人类活动产生的生活废水排入水体，也是造成水质恶化的主要原因。

本研究中耕地与水质指标间的相关性显著，这与其他研究结论是一致的：潮河流域[27]耕地面积与TN、TP间表现为正相关性，说明耕地是污染物负荷的主要贡献源。而张海艳[28]的研究发现于桥水库流域内耕地与水质呈负相关关系。另外，滇东南地区的耕作大都采用翻耕形式，也一定程度上增加了土壤养分流失的可能。表明库区水质受耕地的影响尤为强烈，因此，通过改变耕作方式、种植生物等水土保持措施对农田土壤养分侵蚀流失具有遏制作用，从而有效地控制面源污染物的流失。

包姗姗等[29]认为流域内水体营养盐高负荷与园地所占面积比例有着很强的关联性。本研究中园地的面积比与TN和CODCr具有显著正相关性。这与实际调查中所获知的果农施肥对氮肥的依赖程度较高情况相符。不同的是，吉冬青等[30]的研究发现园地与CODCr、TP、NH4+-N之间呈负相关，与NO3-N+、NO2-N呈正相关。这表明园地与水质间相互关系指向性尚无确切定论，这主要是由于园地使用的化肥、农药通过地表径流进入河流会使河流营养盐增加，但其地表植被又对污染物有吸附、吸收和滞留的作用，流域管理方式及水质监测频次等都是产生这种不确定性的主要原因。

土地利用结构对区域水文过程和水质的重要性已被充分证实，针对面源污染较严重流域的“源”“汇”景观空间布局进行调控是一种最佳的策略。孔佩儒等[31]提出：沿水岸带设置400～800 m缓冲带，优化效果最为明显，对流域现有面源污染风险具有宏观调控作用。黄宁等[32]从流域和斑块两个层次针对不同的关键“源”景观类型，制定了9类调控与优化方法，系统地构建了一套以面源污染控制为目标的景观格局调控框架。上述研究从不同土地利用类型空间配置的角度出发，提出的优化和控制措施，对湖库型水源地面源污染控制有着极高的借鉴意义和参考价值。