土地利用对兴凯湖入湖河流水质影响及生态修复策略

2023-11-30徐宜雪谢自建王昊李春华李季魏伟伟郑烨叶春

环境工程技术学报 2023年6期

徐宜雪，谢自建，王昊，李春华*，李季，魏伟伟，郑烨，叶春

1.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室, 中国环境科学研究院

2.鸡西市生态环境局

兴凯湖位于黑龙江省鸡西市东部，是亚洲东北部最大的淡水湖，属中俄跨境湖泊，也是我国粮食主产区三江平原上最大的湖泊，同时也是重要的水产养殖基地[1]。20 世纪50 年代以来，高强度的农业开发和人类活动导致兴凯湖水质污染严重、湿地面积锐减、生物多样性大幅降低[2-3]。根据《2021 年黑龙江省生态环境状况公报》[4]，大、小兴凯湖属于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类和Ⅳ类水体，营养状态为轻度富营养，总磷、总氮、高锰酸盐指数是主要的超标因子。入湖河流是兴凯湖水资源的主要来源，也是氮、磷等营养盐从陆地输移到湖泊的重要通道[5-6]，入湖河流水质状况对兴凯湖水质有着重要影响。因此，开展兴凯湖入湖河流水质分析是全面剖析兴凯湖水质变化的重要途径。

土地利用变化与河流水质状况存在显著相关性[7-9]，是人类活动对自然环境影响的直观反映[10-11]。湖泊流域土地利用变化影响氮、磷等营养盐的产生、迁移和转化，是造成流域内水环境质量下降的关键影响因素[12-13]。探明兴凯湖流域土地利用对入湖河流水质的影响，对制定合理的生态修复策略、改善流域水环境质量具有重要的意义。目前，关于兴凯湖生态环境的研究主要集中在湖泊水质评价、沉积物、水生生物等方面[14-17]，对兴凯湖入湖河流的关注多集中于穆棱河[18]，而从兴凯湖流域层面开展入湖河流的研究较少。

笔者以兴凯湖流域为研究区域，以兴凯湖主要入湖河流为研究对象，通过调查、评价兴凯湖入湖河流水质污染特征，建立主要入湖河流水质状况与土地利用结构的响应关系，探究不同水期、不同子流域选择的情况下，土地利用结构对河流水质影响的方式及程度的差异性，并基于研究结果分类提出具有针对性的入湖河流治理与修复策略，以期为兴凯湖流域生态环境治理和保护提供参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

兴凯湖由大、小兴凯湖组成，小兴凯湖位于兴凯湖北部，水面面积约176 km2；大兴凯湖为跨境湖泊，水面面积约4 380 km2，以松阿察河河口与白棱河河口连线为界，北属中国，南属俄罗斯，大兴凯湖中国湖区（简称大兴凯湖）面积约1 240 km2[19]。大、小兴凯湖通过第一、第二泄洪闸相连（图1）。

图1 研究区水系与采样点位置示意Fig.1 Skematic diagram of watersystem and distribution of sampling points in the study area

兴凯湖流域属中纬度温带大陆性季风气候区，多年平均气温为2.5~4.3 ℃，多年平均降水量为500~550 mm，降水集中于夏季（6—8 月），约占全年降水量的2/3。根据资源环境科学与数据中心（https://www.resdc.cn）的土壤及植被数据，流域内土壤类型包括暗棕壤、白浆土类、草甸土类等10 类，以暗棕壤为主；主要植被类型有阔叶林、栽培植物、草甸等7 类，以阔叶林和栽培植物为主，栽培植物主要包括玉米、水稻。

根据兴凯湖流域入湖河流水系分布情况，以兴凯湖中国境内的9 条主要入湖河流及其流域为研究对象（图1）。其中，子流域1~5 分别是洛格河、北沟、白泡子、白泡子东侧沟渠和金银库河，流入大兴凯湖；子流域6~9 分别是承紫河、小黑河、大西地河和穆棱河，流入小兴凯湖。

1.2 样品采集与测定

入湖河流的水质监测时间为2021 年7—10 月，每月中旬左右采集水样，其中7—8 月为丰水期，降水丰富，9—10 月为平水期，降水相对较少，但是稻田退水量大。每条入湖河流设置1 个采样点，共9 个采样点，采样点设置在近入湖河口处。水体化学需氧量、高锰酸盐指数、总氮、总磷、氨氮等指标分别参照HJ 828—2017《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》[20]、GB 11892—89《水质高锰酸盐指数的测定》[21]、HJ 636—2012《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》[22]、GB 11893—89《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》[23]、HJ 535—2009《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》[24]测定。

1.3 土地利用数据来源与前处理

土地利用数据来源于国家基础地理信息中心（http://www.globallandcover.com），为30 m 全球地表覆盖数据GlobeLand30 2020 年版。根据经纬度范围获取兴凯湖流域相关图幅，利用ArcGIS 10.7 进行多幅栅格数据的镶嵌拼接，然后用子流域边界对土地利用数据进行裁剪，再对子流域土地利用类型的面积进行统计分析。根据GlobeLand30 分类系统，本研究涉及土地利用类型共7 种，包括耕地、林地、草地、水体、人造地表、湿地和裸地，其中人造地表包括居民地、工矿、交通设施等人工建造活动形成的地表，不包括建设用地内部连片绿地和水体。

1.4 水质污染状况评价方法

采用内梅罗污染指数评价入湖河流水质污染程度，其特点是兼顾各因子污染指数平均值与最高值，突出污染最严重的因子对综合指数的影响[25-26]。计算公式如下：

式中：I为内梅罗污染指数；P为污染指数平均值；Pi,max为第i项评价因子中污染指数的最大值；Pi为第i项评价因子的污染指数；Ci为第i项评价因子的实测值；Coi为第i项评价因子的评价标准值。Pi计算公式适用于浓度增大导致水质变差的水质因子。

内梅罗污染指数评价标准：I<1，属清洁；1≤I≤2，属轻度污染；25，属严重污染。

1.5 数据分析

采用SPSS 26 软件进行双因素方差分析，以时间、空间为自变量，时间上分为丰水期、平水期2 个水平，空间上分为大兴凯湖入湖河流、小兴凯湖入湖河流2 个水平，分析兴凯湖入湖河流水质在时空上的差异性；采用Canoco 5 软件[27-28]进行冗余分析，探究不同时期兴凯湖入湖河流水质状况与流域内不同土地利用类型间的关系；采用SPSS 26 软件进行系统聚类，基于河流水质状况和流域土地利用结构将兴凯湖入湖河流进行聚类。

2 结果与讨论

2.1 入湖河流水质特征分析与评价

2.1.1 水质特征分析

参照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，兴凯湖主要入湖河流水质类别为Ⅲ类~劣Ⅴ类，以Ⅲ类水质标准为阈值，入湖河流超标因子包括化学需氧量、总磷、高锰酸盐指数，其中化学需氧量是主要超标因子，而所有入湖河流的氨氮浓度均达标。

兴凯湖入湖河流水质时空差异较大。大兴凯湖入湖河流水质整体优于小兴凯湖，大兴凯湖入湖河流仅存在化学需氧量超标，超标比例达90%，平均超标倍数为0.49 倍，其余指标均达到或优于Ⅲ类水质；小兴凯湖入湖河流化学需氧量、高锰酸盐指数、总磷均存在超标现象，超标比例分别为100%、50%、75%，平均超标倍数分别达0.66、0.20 和0.62 倍。兴凯湖入湖河流丰水期水质总体优于平水期，丰水期入湖河流化学需氧量、高锰酸盐指数、总磷超标，超标比例为89%、22%、22%，平均超标倍数为0.50、0.40、1.00 倍；平水期超标比例分别为100%、22%、44%，平均超标倍数分别为0.63、0.41、0.43 倍（图2）。

图2 兴凯湖入湖河流不同水期水质Fig.2 Water quality of the rivers flowing into Xingkai Lake during different water periods

2.1.2 水质时空差异性分析

通过双因素方差分析兴凯湖入湖河流水质在时间（丰水期、平水期）和空间（入大兴凯湖、入小兴凯湖）影响下的差异，结果显示，各水质指标均符合正态分布，除总磷外，其余水质指标的方差齐性检验P均大于0.05，满足方差齐性（表1）。

表1 兴凯湖入湖河流水质方差分析结果Table 1 Variance analysis results of water quality of rivers flowing into Xingkai Lake

在空间水平上，小兴凯湖入湖河流的高锰酸盐指数、总氮浓度总体上显著高于大兴凯湖入湖河流（P<0.05）。在时间水平上，平水期兴凯湖入湖河流总氮浓度显著高于丰水期（P<0.05），原因可能是9—10 月兴凯湖流域大面积水稻田集中退水。

2.1.3 水质综合评价

参照Ⅲ类水质标准，选择高锰酸盐指数、化学需氧量、总磷、氨氮指标对兴凯湖入湖河流水质状况进行综合评价，结果如表2 所示。小兴凯湖入湖河流内梅罗污染指数高于大兴凯湖入湖河流，平水期污染程度高于丰水期。大兴凯湖入湖河流在丰水期、平水期污染程度为清洁到轻度污染，丰水期、平水期清洁河流数量占比分别为40%和20%；小兴凯湖入湖河流在丰水期污染程度为清洁到轻度污染，清洁河流数量占比为25%，平水期全部为轻度污染。

表2 兴凯湖入湖河流水质综合评价结果Table 2 Comprehensive evaluation results of water quality of rivers flowing into Xingkai Lake

各入湖河流中，洛格河内梅罗污染指数最低，丰水期、平水期内梅罗污染指数均小于1，处于清洁状态；白泡子、承紫河在丰水期内梅罗污染指数较低，处于清洁状态，平水期处于轻度污染状态；穆棱河水质最差，丰水期、平水期内梅罗污染指数分别为1.75 和1.83，属轻度污染，且接近一般污染等级。

2.2 入湖河流子流域土地利用类型分析

根据采样点所处汇水区域统计入湖河流子流域土地利用类型占比，结果如表3 所示。子流域1 土地利用类型以林地为主，面积占比为51.3%，其次为耕地（38.6%），林地主要分布在流域的中上游，对水源涵养有重要的作用。子流域2~8 土地利用类型以耕地为主，面积占比为61.0%~92.1%，其中，子流域2~5 属于大兴凯湖流域，耕地面积平均占比为71.5%，低于小兴凯湖流域内的子流域6~8（耕地面积平均占比为89.1%），这些子流域内的人类活动以农业生产为主，农业开发强度大，农业活动强度影响可能是引起河流水质差异的主要原因。子流域9 的穆棱河是兴凯湖最大的入湖河流，流域内土地利用类型以耕地和林地为主，面积占比分别为43.3%和43.0%，该子流域面积广阔，涵盖穆棱市、鸡西市、密山市等城市，工业、农业、旅游业活动频繁，影响流域内水质的因素更为复杂。

表3 兴凯湖入湖河流流域土地利用类型占比Table 3 Proportion of land use types in the river basin of Xingkai Lake

2.3 入湖河流水质与土地利用相关性分析

选择兴凯湖入湖河流7—8 月（丰水期）和9—10 月（平水期）水质状况为响应变量、各入湖河流子流域的不同土地利用类型面积占比为解释变量进行冗余分析，其中水质选择化学需氧量、高锰酸盐指数、总氮、总磷、氨氮5 个指标，土地利用类型选择各子流域面积占比较高的林地、耕田、草地、水体、人造地表5 种类型，结果如图3 所示。丰水期和平水期模型第1 轴~第4 轴的累积解释变量分别为52.31%和45.38%，P分别为0.042 和0.040，达到显著性水平，模型拟合效果较好。

图3 入湖河流水质与土地利用类型面积占比的冗余分析结果Fig.3 Redundancy analysis results of water quality and land use type area proportion of inflow rivers

在丰水期，兴凯湖入湖河流总磷、总氮与人造地表面积占比呈正相关，与水体、草地、耕地面积占比相关性较小，与林地面积占比呈负相关；高锰酸盐指数、化学需氧量与人造地表、耕地面积占比呈正相关，与林地、草地、水体面积占比呈负相关；氨氮与耕地面积占比呈正相关，与其他类型用地面积占比相关性较小。表明丰水期人造地表增加会造成入湖河流水体总氮、总磷浓度与高锰酸盐指数、化学需氧量升高；耕地面积增加会导致入湖河流高锰酸盐指数、化学需氧量与氨氮浓度升高，而流域内林地、草地、水体面积增加则有利于降低河流高锰酸盐指数、化学需氧量。

在平水期，兴凯湖入湖河流水体总氮、总磷浓度及化学需氧量与耕地、草地面积占比呈正相关，与林地、水体、人造地表面积占比呈负相关；氨氮浓度与草地、林地、水体、人造地表面积占比呈正相关，与耕地面积占比呈负相关；高锰酸盐指数与耕地面积占比呈正相关，与草地、人造地表面积占比呈负相关，与林地、水体面积占比相关性较小。表明平水期耕地、草地面积增加会造成入湖河流水质下降，林地、水体、人造地表面积增加会导致入湖河流水体总氮、总磷浓度与化学需氧量降低。

耕地在丰水期、平水期对入湖河流水质起到负面影响，水体、林地在丰水期、平水期都对入湖河流水质起到改善作用，草地、人造地表与入湖河流水质的关系则受到水期的影响。丰水期降水量较大，降水冲刷增加流域内面源污染输出负荷，人造地表和耕地是产生面源污染的主要用地类型，对水质起到负面影响；林地、草地能拦截地表径流、消纳污染物，对水质改善起到积极作用；水域增加可以增强水体对污染物的净化和稀释作用，进而改善河流水质。平水期是兴凯湖流域内稻田集中退水时期，稻田水中大量营养盐排入河流，导致平水期耕地面积占比对河流水质有显著的负面影响。草地对流域水质的影响方式较为复杂，段少琼等[29-30]认为草地可减缓水污染，梁旭等[31-33]认为草地面积增加导致水质恶化；也有研究认为草地对水质的影响存在时间差异，在丰水期草地面积占比增加对水质有改善作用，而在平水期草地面积占比增加使水质恶化[34-35]，这与本研究结果类似。草地对流域水质的影响方式可能受到草地的生长、管理状况等诸多因素的影响，兴凯湖流域平水期草地植被枯萎，对污染物的拦截净化能力减弱，甚至成为污染物输出的源，可能是导致平水期草地面积占比增加对水质产生负面影响的原因。人造地表在丰水期对水质产生负面影响，在平水期则产生积极影响，这可能是由于平水期降水较少，由人造地表产生的面源污染明显降低所致，周娟[36]研究表明人造地表对河流水质影响与降水有关，人造地表与河流水质的相关性在汛期明显高于非汛期。因此，应加强流域内与人类活动相关的人造地表径流污染防治和农田面源污染治理。

穆棱河是兴凯湖最大的入湖河流，其入湖水量约占小兴凯湖入湖总水量的70%，流域面积占兴凯湖流域面积的96%。兴凯湖入湖河流中大部分子流域耕地面积占比为61.0%~92.1%，属典型的农业小流域，仅洛格河流域与穆棱河流域的耕地面积占比低于50%。洛格河流域与穆棱河流域各种土地利用类型面积占比相近，即二者具有相同土地利用结构，但从水质内梅罗污染指数分析结果来看，洛格河水质最好，穆棱河水质却是入湖河流中水质最差的，表明穆棱河的水质可能受到土地利用结构之外的其他因素影响，如流域内点源污染排放。

考虑到穆棱河与其他入湖河流的明显差异，对穆棱河以外的其他入湖河流水质及其流域内土地利用类型面积占比再次进行冗余分析，结果如图4 所示。不考虑穆棱河时，模型第1 轴~第4 轴的累积解释变量丰水期和平水期分别为49.09%和45.16%，P在丰水期和平水期分别为0.038 和0.020，相比加入穆棱河分析时，模型累积解释变量略有下降，但显著性明显提高，尤其是在平水期，P由0.04 降低到0.02。从拟合结果来看，土地利用类型占比和各水质指标的相关关系基本没有变化，但相关性明显增强，表明在尽量排除土地利用结构以外其他可能影响河流水质的因素差异后，河流水质与流域土地利用类型能体现出更好的响应关系[37]。值得注意的是，穆棱河流量大、水质差，是兴凯湖外源营养盐输入的主要来源，在今后的研究中需进一步加强穆棱河水质的影响因素研究[38-39]。

图4 入湖河流（穆棱河除外）水质与土地利用类型面积占比的冗余分析结果Fig.4 Redundancy analysis results of water quality and land use type area proportion of inflow rivers (except Muling River)

2.4 入湖河流治理与生态修复策略

2.4.1 入湖河流聚类分析

基于兴凯湖入湖河流水质状况及子流域内土地利用类型面积占比数据，采用系统聚类分析法对兴凯湖入湖河流进行分类，结果如图5 所示。可将入湖河流分为3 类，洛格河、白泡子为第1 类，北沟、白泡子东侧沟渠、金银库河、承紫河、小黑河、大西地河为第2 类，穆棱河为第3 类。

图5 兴凯湖入湖河流聚类分析结果Fig.5 Cluster analysis results of inflow rivers of Xingkai Lake

结合水质状况和土地利用类型面积占比情况，第1 类河流水质最好，该类别的2 条河流在不同时期内梅罗污染指数平均值均小于1，且子流域内林地面积占比高，分别达51.3%、32.9%，可归为生态保育型河流。第2 类河流不同时期内梅罗污染指数平均值为1.12~1.42，流域内耕地面积占比较高（74.4%~92.1%），可归为生态修复型河流。第3 类河流只有穆棱河，其水质为所有入湖河流中最差，不同时期内梅罗污染指数平均值达1.79，土地利用类型以林地和耕地为主，考虑到穆棱河流域内污染来源的复杂性，将其归为综合治理型河流（表4）。

表4 不同类型入湖河流特征Table 4 Characteristics of different types of inflow rivers

2.4.2 分类修复策略

基于入湖河流分类结果，结合入湖河流水质与土地利用的相关性分析，提出具有针对性的兴凯湖入湖河流分类治理与修复策略（图6）。

图6 兴凯湖入湖河流分类修复策略Fig.6 Classified restoration strategy of inflow rivers of Xingkai Lake

生态保育型河流以生态保育为主，注重加强其上游、中游林草地的保护和管理，防止林草地破坏，保护流域水源涵养区，保障清水产流机制，为下游提供足够的清水[40]，保障河流水质清洁、生态良好。

生态修复型河流流域内耕地和人造地表面积占比较高，耕地、人造地表对河流水质有显著的负面影响。因此，对于生态修复型河流采用流域面源污染防控与河流生态修复相结合的策略。面源污染防控主要针对流域内的种植业面源污染和农村生活污染，主要修复措施包括农田生态沟渠、村落绿篱建设等，降低面源污染入河负荷；河流生态修复可通过河滨缓冲带建设、水生植物恢复等手段提升河流的污染物净化能力，改善河流水质。

对于综合治理型河流穆棱河，为改善其水质，需从工业点源污染控制、城镇污水收集处理、农业面源污染防控、河流湿地生态修复等方面开展流域综合治理与修复。鸡西市以煤炭、石墨、绿色食品、生物医药为主导产业[41]，穆棱河流域内分布着众多矿业企业、工业园区，工业点源污染控制需加强矿区、工业园区污水处理以及重点企业排污监管。穆棱河中下游沿岸种植业发达，化肥、农药施用带来严重的面源污染，此外农村生活污染、分散畜禽养殖业污染也不容忽视，加强农业农村面源控制对穆棱河水质改善也十分重要。再者，穆棱河流经穆棱市、鸡西市，流域内2020 年城镇人口约107.65 万人，城镇生活污水是穆棱河重要的污染来源，提升城镇污水处理能力是削减城镇生活污染负荷的重要手段。此外，应加强推进退耕还湿及退化湿地修复，特别是入湖河口湿地的修复，建立穆棱河与小兴凯湖之间的生态缓冲区，这对穆棱河水质净化和兴凯湖生态改善至关重要。