典型农业区河流水质评价及影响因素分析

2023-05-29付凯高红杰李发东吴坤张秋英李兆毛珊珊李曹乐王健祺

农业资源与环境学报 2023年3期

付凯，高红杰，李发东，吴坤，张秋英*，李兆，，毛珊珊，李曹乐，王健祺

（1.中国环境科学研究院，北京 100012；2.新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054；3.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；4.中国科学院大学，北京 100049；5.茂名市生态环境局，广东茂名 525400）

我国农业发展在取得巨大成就的同时，面临着水资源短缺、耕地数量减少、农业环境污染和水环境污染等问题[1−2]。随着农业现代化的推进，农业区水环境形势愈发严峻[3]。与城市河流相比，农业区河流面积广，水环境污染不仅直接影响居民的日常生活，还影响农业可持续发展[4]。我国人均水资源占有率远低于世界平均水平，且地理分布极其不均衡[5]，保护水资源对生态环境至关重要[6]。水质评价是水资源管理的关键[7]，通过水质评估可以了解水质的状况、趋势并确定水质变化的关键决定因素[8]。水质评价有多种方法，包括统计分析、模型模拟和水质指数（Water Quality Index，WQI）等方法，水质指数广泛应用于地表水（尤其是河流）和地下水的水质评价[9−10]。Gao 等[11]采用WQI对长江、黄河、淮河、海河和辽河流域微量元素进行评价，结果表明五个流域整体水质优良；Tong等[12]采用WQI评价我国地表水和地下水微量元素，结果表明大部分地表水微量元素平均值高于地下水；Ustaoğlu 等[13]采用WQI评价土耳其亚热带河流水质，结果表明水质特征很好。

白沙河位于广东省高州市，河流水质目标为Ⅳ类。白沙河流域工业化和城镇化正处于快速发展时期，流域内主要土地利用类型为水田和农村居民用地。白沙河经过多年治理，虽有成效，但是河流污染问题仍未从根本上得到解决。根据实地调查和资料分析，白沙河流域以农业种植为主，农业种植集约化和信息化程度较低，农药和化肥被大量使用，导致面源污染问题相对突出；流域内生活污水处理设施不完善，并开展水产养殖和畜禽养殖，生活废水和养殖废水进入河流造成污染；同时，流域内还存在工业污染。本研究通过采集白沙河干支流样品，运用多元统计、主成分分析和水质指数等方法，研究白沙河流域水污染的时空变化特征、来源及水质状况。本研究旨在：（1）比较旱季和雨季河流水质及影响因素；（2）比较旱季和雨季河流灌溉水质及影响因素；（3）探讨河流水质与土地利用类型之间的关系。研究结果可以为白沙河流域水环境污染综合治理、水资源利用和可持续发展提供重要数据信息。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

白沙河流域位于广东省高州市西南端，年平均气温22.8 ℃，年降雨量1 892.7 mm，雨季为4—9 月，旱季为10 月至次年3 月。流域内地形地貌复杂，丘陵、平原交错，地势东北高、西南低，河床平缓，水流自北向南流动。白沙河是小东江一级支流，发源于高州市泗水镇谢牛岭（左源）及石仔岭街道塘背村五指山（右源），流经深河、车田屋等村，最后于邹屋附近流入茂南区[14]。白沙河全长40 km，总流域面积234 km2，枯水期流量约0.5～2.0 m3·s−1，平均流量5.72 m3·s−1。白沙河在高州市境内的流域面积为76.9 km2，干流（主河道）长度为12 km。白沙河高州段农业活动剧烈，沿岸以种植水稻为主，同时还分布荔枝、龙眼、香蕉和玉米等农作物。目前沿岸仅存一家大型生猪养殖场，水产养殖分布广泛，牛、鸡和鸭等畜禽养殖零散分布。沿岸工业主要集中于金山工业园以及下游造纸厂。

1.2 样品采集

分别于2022 年3 月和6 月采集水样35 个，共70个，采集时用GPS 记录采样点坐标（图1）。采样瓶浸入水面下20～50 cm，样品用蒸馏水清洗过的聚乙烯塑料瓶保存，每个点采集水样500 mL，采用便携式多参数仪（SL1000，HACH，美国）现场测定pH 和电导率（EC）。样品在野外避光保存，运回后立即存放在4～5 ℃冰箱中。经0.45µm 滤膜过滤后，总磷（TP）、铵态氮（−N）用紫外分光光度计（UV−2550，岛津公司，日本）测定，在中国科学院禹城综合实验站完成。主要阳离子（Ca2+、Mg2+、Na+、K+）用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP−OES，PerkinElmer，美国）测定，阴离子用离子色谱仪（ICS−900，Thermo Fish⁃er Scientific，美国）测定，所有元素分析误差控制在5%以内，测试精度为±0.001 mg·L−1，样品水化学分析在中国科学院地理科学与资源研究所完成。

图1 白沙河流域高州段采样点分布Figure 1 Sampling points distribution of Baisha River basin

1.3 研究方法

1.3.1 水质评价

水质指数（WQI）是常用的水质评价指标，计算方法如公式（1）和公式（2）所示。根据WQI值，水质可分为五类：WQI<50，水质优；50≤WQI<100，水质良好；100≤WQI<200，水质差；200≤WQI<300，水质很差；WQI≥300，不能饮用[6]。

式中：wi为每个参数的权重；∑wi为所有参数的权重之和[15]；Ci为测量的微量元素浓度，mg·L−1；Si为饮用水标准的微量元素浓度，mg·L−1。

1.3.2 灌溉用水评价

地下水中高浓度的盐分会导致盐渍土的产生，而灌溉水中的高钠会提高碱度。灌溉用水中钠的危害可以用钠吸附比（SAR）表示。SAR是评估钠与钙和镁浓度相关的危害的指标[16]，计算方法见公式（3）：

灌溉水质也可以通过钠百分比（SP）评估[17]，计算方法见公式（4）：

1.4 土地利用数据

土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心数据平台。数据分辨率为30 m×30 m，包括7种土地利用类型的信息（图2、表1）：①水田；②旱地；③林地；④草地；⑤水库坑塘；⑥农村居民点；⑦建设用地。

表1 子流域土地利用分布（%）Table 1 Land use distribution at the sub−basin（%）

在地理空间数据云下载30 m×30 m 分辨率的数字高程模型（DEM），利用ArcGIS 10.8 提取流域范围。基于流域DEM 和河流水系，划分8 个子流域（图1），比较土地利用类型与水质之间的关系。利用ArcGIS 10.8 计算8 个子流域的土地利用类型比例。在结合先前研究[18−20]的基础上，根据白沙河流域实际情况，选择50、100、150、200、250 m和300 m（图2）为缓冲区半径，并与土地利用类型数据叠加获得不同空间尺度的土地利用数据。

1.5 统计分析

对于水质特性，分别计算旱季和雨季流域的两个统计特征，即平均值和标准差。对对数转换后的水质值进行单向方差分析（ANOVA 检验），以确定两个季节之间的差异显著性。

采用约束排序分析法分析土地利用类型对河流水质的解释能力，典型对应分析（CCA）和冗余分析（RDA）是约束排序分析的两种方法，这两种方法均可获得因变量和解释变量之间的关系。在排序分析之前需对水质数据进行除趋势对应分析（DCA）。本研究以水质为因变量，以土地利用类型为解释变量，分析土地利用类型对水质指标的解释能力，同时用二维排序图直观展示出来。利用SPSS 26.0、Canoco 5 和Origin 2022b实现数据分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 白沙河流域土地利用分布

表1 显示了各子流域的土地利用分布情况。水田、农村居民点和林地是该流域最常见的土地利用类型。旱地、草地、水库坑塘和建设用地是子流域中相对较小的组成部分。水田是大多数子流域的主要土地利用类型，面积占比从29.27%到71.56%不等（平均约为54%）。在大多数子流域观察到大量的农村居民点，占比在7.10%～26.04%之间。8 个子流域中有7个拥有大量林地（>2.0%），其中南再岭段子流域林地面积占比达42.48%。

2.2 水质参数的时空分布特征

旱季河水表现为轻度碱性特征，pH值为7.09～9.34，平均值为8.09；雨季河水表现为轻度酸性特征，pH值为4.47～7.27，平均值为5.60（表2）。河水的EC值在旱季为74.40～590.00µS·cm−1，雨季为55.50～157.60µS·cm−1。

表2 白沙河理化参数及WQI计算参数统计Table 2 Statistics of physicochemical parameters and parameters used for WQI calculation in the Baisha River

白沙河不同采样点水质参数浓度季节变化见图3。pH 和EC 的峰值分别为9.34 和590.00 µS·cm−1，和F−的峰值分别为9.20、7.07、39.42、10.05、70.10、42.27、75.01、40.85、66.06 mg·L−1和0.7 mg·L−1，均出现在旱季。水质参数平均值呈现季节变化特征季节变化较大，TP、F−和季节变化较小。TP在旱季平均值为劣Ⅴ类，雨季为Ⅳ类。

图3 白沙河流域旱季和雨季水质空间对比Figure 3 Spatial comparisons of water quality indexes in dry season and rainy season in Baisha River basin

续图3 白沙河流域旱季和雨季水质空间对比Continued figure 3 Spatial comparison of water quality in dry season and rainy season in Baisha River basin

2.3 水质评价

将本研究白沙河水质参数与《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）[22]和《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2021）[25]进行比较：旱季20% 的样品TP 超过地表水环境质量Ⅳ类标准，雨季达到54%；旱季26%的样品pH 值超过农田灌溉用水标准（>8.5），雨季46%的样品则低于农田灌溉用水标准（<5.5）。

旱季WQI值介于24.12～804.98之间（图4）。水样WQI值为“优”的样品约占29%，42%的样品为“良好”，20%的样品为“差”，9%的样品为“不能饮用”。白沙河中WQI值为“差”的样点分布于农业生产区、工厂和居民区周边；分布在工业园排水口下游、居民点和农田下游的水样WQI值为“不能饮用”。对水样WQI值贡献最大的两个参数是和TP，旱季和TP浓度高，主要来源于排放的生活污水和农业生产施用的氨肥、磷肥[26−27]。

图4 白沙河流域WQI空间分布格局Figure 4 Spatial distribution pattern of WQI in the Baisha River basin

雨季的WQI值介于22.59～137.23 之间。大约66%的样品质量为“优”，31%的样品质量为“良好”，3%的样品质量为“差”。B34 采样点样品为“差”，雨季河水的WQI值小于旱季，这可能是由于−N 是B34 水样的最大贡献参数，其与上游农业和工业生产活动有关。因此，白沙河的主要污染源是工业、城镇生活污水和农业污染。总体而言，河流上游水质最好，中游次之，下游质量最差，劣质水样分布在农业及工业区周边。

2.4 灌溉用水评价

不达标的水源灌溉会导致土壤质量下降和农作物减产，对人体构成潜在威胁[28]。USSL 和Wilcox 图法是两种常用的能综合反映灌溉水质的方法[29]，既能反映灌溉水水质对土壤的影响，也能反映对植物的影响[30]。盐度和碱度危害都可以使用USSL 图[31]更好地展示，分别用EC 和SAR表示。美国盐度实验室将EC 分为四类：C1，低（<250µS·cm−1）；C2，中等（250～<750 µS·cm−1）；C3，高（750～<2 250 µS·cm−1）；C4，很高（≥2 250 µS·cm−1）[31]。同样，高SAR值也分为：S1，低（<10）；S2，中等（10～18）；S3，高（>18～26）；S4，很高（>26）。白沙河是农业活跃地区，河流水质对当地农业生产具有重要意义。旱季SAR值在2.22～14.95之间变化，平均值为5.83。在USSL 图（图5）中，可以观察到在C1S1 和C2S1 区域中样本数量最多，这说明这些水样没有风险，水质适合灌溉。旱季部分水样属于C2S2（中盐中碱）区，这表明该区域河水在采取预防措施后可以用于灌溉。

图5 白沙河河水灌溉等级USSL图Figure 5 Irrigation water grade of river water in Baisha River basin by USSL diagram

灌溉水中过量的钠会取代土壤水中的钙和镁，降低土壤的渗透性，导致土壤无法耕种[31]。当土壤中钠的浓度增加时，会限制空气循环并导致形成不适合植物生长的坚硬而致密的干燥土壤[32]。灌溉用水可溶性钠百分比的最大允许限值为60[31]。图6中的可溶性钠百分比表明，与旱季相比，雨季河水灌溉水质良好，可直接用于灌溉，合理的灌溉不会造成盐害和碱害。在旱季，26%的样品SP值超过60，因此不适合直接灌溉使用，需要在灌溉前进行特殊处理。

图6 白沙河河水灌溉等级Wilcox图Figure 6 Irrigation water grade of river water in Baisha River basin by Wilcox diagram

2.5 土地利用与水质的关系及时空效应

Kolmogorov Smirnov拟合优度检验表明，旱季变量中和Na+不符合正态分布（P<0.05），因此，对这些变量进行了对数变换，以便进一步分析。对数变换结果表明，除Cl−和外，所有的对数变换水质参数符合正态分布（P>0.05），因此Cl−和未用于相关性分析。雨季变量中，−N、TP 和pH 不符合正态分布（P<0.05），因此，对这些变量进行了对数变换，以便进一步分析。对数变换结果表明，除−N 和pH 外，所有的对数变换水质参数符合正态分布（P>0.05），因此−N和pH 未用于相关性分析。从表3 可见，旱季TP 与建设用地呈现正相关关系，与水田呈负相关关系；F−与林地呈现正相关关系。雨季K+、和F−与建设用地均呈负相关关系，同时水田和农村居民点与F−均呈正相关关系。

表3 雨季和旱季土地利用类型与水质指标之间的皮尔逊相关系数Table 3 Pearson correlation coefficient between land use types and water quality index in rainy and dry seasons

表4 白沙河河流水质指标主要成分解释总方差Table 4 Total variance of the interpretation of the main components of Baisha River water quality indexes

RDA 分析结果表明，在子流域水系中，旱季农村居民点与Mg2+、K+、Ca2+、pH 和−N 呈正相关，与和TP呈负相关；水库坑塘面积占比与和Na+呈正相关，与F−、pH、TP和呈负相关；林地与EC、TP、Ca2+、、Na+和F−呈正相关，与呈负相关（图7）；旱地和建设用地与pH、TP 和均呈正相关。在雨季水田和农村居民点与EC、TP、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、和F−均呈正相关；旱地和建设用地与水质指标均呈负相关；林地与呈正相关；水库坑塘与EC、TP、K+、Ca2+和Mg2+呈正相关（图8）。

图7 旱季水质与土地利用类型RDA分析Figure 7 RDA analysis of water quality and land use type in dry season

2.6 PCA主要影响因素分析

根据Kaiser Meyer−Olkin（KMO）检验分析，旱季和雨季的KMO 值分别为0.56 和0.76，Bartlett 球形检验的显著性为0，表明本研究中的数据适合进行主成分分析（PCA）[33]。运用SPSS 22.0 对旱季和雨季水质指标进行主成分分析，得到水质指标的特征值和方差的贡献率（表4），根据相关研究[33]，将特征值大于1 的成分确定为主成分，因此在旱季和雨季分别提取3 个主成分，累积方差贡献率分别达到75.78%和81.71%。

旱季和雨季河流水质指标旋转因子荷载情况见图9。旱季提取到的第一主成分特征值为4.98，方差贡献率为41.46%，主要荷载指标为和Na+。河水中Cl−主要来源于农业化合物（KCl）、含盐的生活污水（NaCl 为主）等[34]；和K+主要来源于居民生活废水、农业生产的化肥等[35]，来源于农药中含硫化合物[35]及工业活动[36]，第一主成分中的水质指标主要受人类活动影响，水质指标之间的相关性呈现相同的特征。旱季第二主成分特征值为2.62，方差贡献率为21.83%，主要荷载指标为K+、Mg2+和Ca2+。河水中K+主要来源于生活废水及化肥，Mg2+和Ca2+主要受岩石风化影响[37]。旱季第三主成分特征值为1.50，方差贡献率为12.49%，主要荷载指标为−N和TP，氮磷污染与农业灌溉退水及畜禽养殖排水、居民生活污水排放有关[38−39]。雨季提取到的第一主成分特征值为7.10，方差贡献率为59.18%，主要荷载指标为EC、Ca2+、K+、Mg2+、Cl−、、和TP。雨季第二主成分特征值为1.61，方差贡献率为13.44%，主要荷载指标为F−和K+；雨季第三主成分特征值为1.09，方差贡献率为9.09%，主要荷载指标为−N。

图9 白沙河流域水质指标的旋转因子荷载矩阵Figure 9 Rotation factor loading matrix of water quality indexes in Baisha River basin

雨季水质指标污染来源与旱季保持一致，主要与农业面源[40]、生活污水、工业生产有关（图10）。白沙河流域是高州市经济最发达的地区，工业发展迅速、农业生产活动频繁、居住人口众多，污水处理设施缺乏有效运维，导致部分生活污水直排，且农业生产过程中的化肥和牲畜粪便也会排入白沙河，导致水质变差。

图10 白沙河流域河流污染来源Figure 10 Sources of river pollution in Baisha River basin

3 讨论

从时间变化上来看，旱季河水表现为轻度碱性特征，雨季河水表现为轻度酸性特征，雨季水质优于旱季。旱季主控因素为、Ca2+和Cl−；雨季主控因素为、Ca2+和。流域内主要农作物有水稻、玉米和蔬菜，3 月份农业施肥和农药喷洒量低，6 月份农业施肥和农药用量增加。3 月份河流流量低，河水自净能力较差，工业区和生活废水排放导致和Cl−含量增加；6 月份进入雨季，河流流量增加，河流自净能力得到提高[41]，浓度虽然低于旱季但仍为主要控制因素，浓度虽低于但比旱季明显增加。

土地利用是人类活动在空间上的综合反映，一是通过不同人类活动方式以不同强度影响营养盐进入水体的输入量；二是通过用地方式改变地表粗糙度从而影响地表径流过程和营养盐进入水体的过程。本研究采用水质和土地利用类型监测及数理统计的方法，观察并分析白沙河流域用地类型与水质参数间存在的规律性。

RDA 分析结果表明，在子流域尺度上，旱地和建设用地面积占比在旱季与−N 和TP 呈正相关，这与已有研究结论一致[42]，说明旱地和建设用地是水体潜在的污染物的来源。旱地由于耕作和施肥等农业活动，土壤中氮、无机物和农药等污染物经降雨和灌溉冲刷后随径流输入河流[42]，导致水体污染。建设用地与大量高强度的人类活动有关，容易产生生活污水和工业废水，从而污染水体。水田和水库坑塘面积占比与K+呈正相关，这与农田在耕作中大量施肥有关，水库坑塘涉及水产养殖，营养物质进入水体造成污染。雨季农村居民点和水田面积占比与所有污染物均呈正相关，这可能是由于在雨季水田中施用的农药化肥随地表径流进入河流造成污染；旱地和建设用地面积占比与所有污染物呈负相关，可能与旱地土壤对污染物的吸附有关，可以起到截流纳污的效果；而建设用地由于地表不透水性，在雨季初期污染物随地表径流进入水体，后期地表残留较少；林地与呈正相关，由于研究区内林地以种植荔枝和龙眼为主，雨季地表径流携带农药和化肥等污染物进入河流造成污染。

在缓冲区尺度上，旱季除旱地在300 m 缓冲区与TP 不相关，在50～250 m 缓冲区内均呈正相关，在50～300 m 缓冲区水田和建设用地面积占比与TP 和呈正相关，白沙河流域水田和建设用地主要沿河两岸分布，污染物易通过农田和工业排水进入河流造成污染。旱地和建设用地面积占比均与pH 呈正相关；50～250 m 缓冲区水库坑塘与EC、K+、Ca2+、Mg2+和呈正关，50～300 m 缓冲区水库坑塘与pH、TP和−N 呈负相关，白沙河流域水库坑塘以水产养殖为主，大量的饲料溶于水后通过排水进入河流；林地面积占比在各缓冲区内与EC、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、和F−正相关，流域内林地以种植荔枝和龙眼为主并沿河分布，水样采集期正处于果树施肥期间，营养物易进入河流。雨季农村居民点与各缓冲区内的污染物均呈正相关关系，可能与农村居民点内居民生活污水收集处理率不高及污水处理设施在雨季出现溢流有关。各缓冲区内旱地和建设用地面积占比与F−呈正相关，与其他水质指标呈负相关；50 m 缓冲区水库坑塘面积占比与Mg2+、Na+、和TP 呈正相关，水

田和林地与Na+、Mg2+、和TP无相关性，与K+、Ca2+、EC、Cl−和F−呈负相关；100～300 m 缓冲区水库坑塘面积占比与Na+、Mg2+、和TP 正相关；旱季和雨季林地在各缓冲区尺度上与TP 和−N 存在负相关关系，与东江源流域[18]、河湟谷地[19]和潭江流域[43]的研究结论一致，表明随着林地占比增大水体质量趋好，同时林地对以上两种污染物具有明显的削减作用。

相关性分析表明，旱季建设用地与TP呈正相关，建设用地是人类活动频繁的区域，工业用水和城镇污水排放给河水带来点源污染[44]。

由图11 可知，在所有空间尺度下，旱季250 m 缓冲区尺度水田对河流的水质解释率最高，雨季250 m缓冲区尺度农村居民点对河流水质解释最高。其中旱季主要的土地利用类型为水田和建设用地，雨季主要的土地利用类型为农村居民点和林地。