萬(wàn)柯均,鄧歐平,2*,鄧良基,吳 銘,寇長(zhǎng)江,張宇豪

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周邊土地利用類型對(duì)川西平原西河氮素的影響

萬(wàn)柯均1,鄧歐平1,2*,鄧良基1,吳 銘3,寇長(zhǎng)江1,張宇豪1

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院,四川 成都 611130；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院,四川 成都 611130；3.四川省農(nóng)科院土壤肥料研究所,四川 成都 610066)

以四川盆地西部典型農(nóng)業(yè)小流域?yàn)檠芯繀^(qū),于2015年3月~2016年2月持續(xù)監(jiān)測(cè)河流氮素(NH4+-N、NO3--N、TN)和pH,結(jié)合遙感解譯、地理信息系統(tǒng)和相關(guān)性分析等技術(shù),探討了監(jiān)測(cè)斷面周邊流域土地利用類型與河流氮素及pH值的關(guān)系.結(jié)果表明,研究區(qū)河流氮素濃度的季節(jié)變化均表現(xiàn)為冬季最高(2.063mg/L)、春秋次之(1.536mg/L;1.432mg/L)、夏季最低(1.085mg/L),同時(shí)月均NO3--N濃度(0.891mg/L)顯著高于NH4+-N(0.425mg/L)(<0.01),且NO3--N受到典型土地利用類型的顯著影響.隨著緩沖區(qū)半徑的增加,耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和水域的面積與NO3--N和TN濃度相關(guān)性逐漸降低,且在250m緩沖區(qū)內(nèi),城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積與NO3--N濃度呈顯著正相關(guān)(<0.05);交通運(yùn)輸用地面積與所有氮組分的相關(guān)性均增大,且在750m緩沖區(qū)內(nèi),交通運(yùn)輸用地面積與NO3--N和TN濃度呈極顯著正相關(guān)(<0.01).城鄉(xiāng)建設(shè)用地和交通運(yùn)輸用地可能是河流NO3--N的“源”.

西河；氮；土地利用類型；緩沖區(qū)；影響

氮素作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要營(yíng)養(yǎng)元素之一,是動(dòng)植物體維持生命活動(dòng)的必需元素,對(duì)物質(zhì)循環(huán)過(guò)程具有重要影響[1].隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,以及人口的迅速膨脹,改變了自然界的氮循環(huán)過(guò)程,大量的氮被活化后引發(fā)了溫室效應(yīng)、酸雨、臭氧層破壞等重大環(huán)境問(wèn)題,特別是在水生態(tài)系統(tǒng)中造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象尤為嚴(yán)重[2-4].而河流生態(tài)系統(tǒng)同時(shí)受到自然要素與人為活動(dòng)的影響[5-6],不合理的人為活動(dòng)能通過(guò)改變土地利用方式破壞河流生態(tài)系統(tǒng),例如農(nóng)業(yè)設(shè)施用地(如規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng))的增加導(dǎo)致大量的氮磷隨地表徑流進(jìn)入水體,引起河流富營(yíng)養(yǎng)化[7-8].同時(shí),近年來(lái)我國(guó)主要水系非點(diǎn)源氮素負(fù)荷的總量也在明顯增加[8],因此,對(duì)于氮污染的定量溯源和總量控制的研究已成為水環(huán)境和生態(tài)保護(hù)工作的重點(diǎn)[9].基于此,眾多學(xué)者研究表明在以非點(diǎn)源污染為主的流域,不同的土地利用類型及其景觀分布格局會(huì)對(duì)非點(diǎn)源污染形成不同的作用,分別表示為“源”和“匯”的作用[10],因此可通過(guò)探究河流兩岸土地利用類型與水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系,揭示其流域污染源,從而改變土地利用方式以控制非點(diǎn)源污染[11-15].Bu等[16-17]研究發(fā)現(xiàn),江河流域的土地利用類型對(duì)河流氮污染有顯著影響,建設(shè)用地、旱地和水田均會(huì)加劇河流氮污染,而林地則能減弱河流氮污染;官寶紅等[18]開(kāi)展的研究表明當(dāng)緩沖區(qū)距離為100m時(shí),土地利用結(jié)構(gòu)和格局與總氮呈顯著相關(guān)性,其中典型城市用地是造成城市河流污染的最主要因素.說(shuō)明不同的土地利用類型構(gòu)成與空間分布特征,會(huì)造成土地利用與氮素之間的關(guān)系發(fā)生變化[19].雖然目前國(guó)內(nèi)外已對(duì)這方面開(kāi)展了較多的研究工作,但是由于不同的流域具有各自的差異性,比如各流域的地質(zhì)地貌、土地利用結(jié)構(gòu)、農(nóng)業(yè)措施、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等不一樣,使得土地利用類型與水質(zhì)關(guān)系的最顯著響應(yīng)尺度問(wèn)題仍未形成一個(gè)統(tǒng)一的定論[20-21].因此,應(yīng)通過(guò)具體的研究分析對(duì)各流域管理采取有效的景觀規(guī)劃和多尺度措施來(lái)改善水質(zhì)[20],同時(shí)為今后的深入研究提供基礎(chǔ)參考和數(shù)據(jù)積累.

西河流域位于岷江中上游成都平原西部,水資源豐富,是成都市的主要飲用水源保護(hù)地,其水質(zhì)安全對(duì)整個(gè)成都平原乃至整個(gè)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的飲水安全都至關(guān)重要.而成都市經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和農(nóng)業(yè)活動(dòng)的加劇嚴(yán)重制約了成都周邊生態(tài)環(huán)境的治理,成都市的非點(diǎn)源污染已成為當(dāng)下生態(tài)環(huán)境治理的首要問(wèn)題之一.因此本研究通過(guò)分析西河氮素指標(biāo),及其與上游土地利用類型面積之間的相關(guān)性來(lái)探討河流氮素污染的來(lái)源,據(jù)此優(yōu)化流域的土地利用方式,以期為區(qū)域氮素控制管理提供支撐和依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西河流域位于岷江中上游川西平原西部,坐落于東經(jīng)103°07'~103°49'、北緯30°30'~30°53'之間,總面積為1090km2.西河是崇州市境內(nèi)最具有代表性的河流,為岷江中上游的一級(jí)支流,河道全長(zhǎng)109km,市境內(nèi)長(zhǎng)96.8km,為全市最長(zhǎng)的河流,流經(jīng)14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),穿過(guò)崇州市城區(qū),最終于毗鄰的新津縣匯入岷江.研究區(qū)氣候?yàn)榈湫偷膩啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候,四季分明,春秋短,冬夏長(zhǎng),雨量充沛,日照偏少.年平均氣溫15.9℃;年平均降雨量1012.4mm,雨日和雨量均為夏多冬少,春季為176.1mm,夏季為588.0mm,秋季218.4mm,冬季為29.9mm.崇州地處亞熱帶常綠闊葉林、常綠、落葉闊葉林中,森林覆蓋率為42.1%,森林植被類型豐富,樹(shù)種繁多,共有65科200余種.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

圖1 采樣點(diǎn)位

本研究于2015年3月至2016年2月進(jìn)行周期一年的實(shí)地水樣采集,監(jiān)測(cè)頻次為每月1次.共設(shè)置12個(gè)水樣采集樣點(diǎn)(圖1),每個(gè)樣點(diǎn)均取3個(gè)平行樣品.所有監(jiān)測(cè)指標(biāo)參照國(guó)家環(huán)保部推薦的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析測(cè)定[22],共完成了12次采樣和實(shí)驗(yàn)室分析工作.其中,pH值使用德國(guó)SEBA公司生產(chǎn)的MPS便攜式多參數(shù)測(cè)量?jī)x進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)、總氮(TN)則需要將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定.

采用2016年8月獲取的Landsat-8TM遙感影像(分辨率為30m),對(duì)其進(jìn)行幾何校準(zhǔn),使像元匹配誤差縮小到小于0.5個(gè)像元.通過(guò)選擇訓(xùn)練區(qū)、監(jiān)督分類、分類后處理、人工修正的步驟進(jìn)行解譯.并參考成都和崇州統(tǒng)計(jì)年鑒(2017年)以及土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)數(shù)據(jù),將研究區(qū)域土地利用類型劃分為6類:交通運(yùn)輸用地、園地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、林地、水域和耕地(圖1).通過(guò)實(shí)地調(diào)查河流兩岸的土地利用類型和空間分布,結(jié)合應(yīng)用ArcGIS 10.2地理信息系統(tǒng)軟件,沿河流上游方向設(shè)置以采樣點(diǎn)為圓心、直徑垂直于河流流向的半圓形緩沖區(qū),并選取250m、500m、750m和1000m四種不同尺度(圖2),同時(shí)提取出每種尺度緩沖區(qū)下各土地利用類型的面積(km2).

圖2 2號(hào)樣點(diǎn)設(shè)置的250m、500m、750m和1000m四種尺度緩沖區(qū)類型

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA),分析數(shù)據(jù)在各季節(jié)之間的差異性;并利用非參數(shù)分析對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn),對(duì)于滿足正態(tài)分布的參數(shù)使用Pearson相關(guān)分析,而對(duì)于不滿足正態(tài)分布的參數(shù)則采用Spearman秩相關(guān)分析.使用Excel 2007繪制圖表.

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土地利用狀況

結(jié)合Arcgis軟件工具,對(duì)不同空間尺度下12個(gè)樣點(diǎn)所在流域的土地利用特征進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析(圖3),結(jié)果表明,西河周邊的土地利用類型較為豐富,且隨著緩沖區(qū)半徑的增大,土地利用類型的種類逐漸增加,但主要?jiǎng)t以耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和水域?yàn)橹?從上游至下游河段,水域面積逐漸增大,上游的8、9、10、11、12號(hào)樣點(diǎn)分別位于3條支流上,下游匯合于西河后,河道變寬.其中,林地類型僅出現(xiàn)在5、7、8和11號(hào)樣點(diǎn),即河流中上游地區(qū),特別是上游靠近山地的河段周圍.研究區(qū)域的土地利用類型中耕地面積比例最大,為41.56%.且由于西河流經(jīng)城市和城郊區(qū)域,建設(shè)用地也占土地利用類型的一大部分.2-12號(hào)樣點(diǎn)都有交通運(yùn)輸用地類型,并且2號(hào)樣點(diǎn)所占比例較多,平均為20.75%.

圖3 西河流域監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同半徑緩沖區(qū)內(nèi)土地利用類型構(gòu)成

2.2 河流氮素的季節(jié)變化特征

12個(gè)樣點(diǎn)的河水NH4+-N在春、夏、秋、冬季的平均濃度范圍分別為0.348~0.679、0.155~ 0.301、0.303~0.505和0.467~0.749mg/L (圖4).除10號(hào)樣點(diǎn)春、冬兩季差異不顯著外,其余各點(diǎn)均表現(xiàn)為冬季顯著高于春、夏、秋季(<0.05),夏季濃度含量最低,春秋季居中且兩季相差不大的趨勢(shì).分析原因可能是研究區(qū)受亞熱帶季風(fēng)氣候影響顯著,夏季降水量大,河流的流量大,自凈能力強(qiáng),使得河流水質(zhì)比冬季好.

圖4 2015年3月~2016年2月河水NH4+-N平均濃度的季變化特征

不同字母代表NH4+-N平均濃度在不同季節(jié)間差異達(dá)顯著水平,<0.05

12個(gè)樣點(diǎn)的河水NO3--N在春、夏、秋、冬季的平均濃度范圍分別為0.749~0.946、0.357~0.987、0.580~1.174和0.991~1.325mg/L(圖5).同樣為冬季最高、夏季最低且冬季顯著高于春、夏、秋季(<0.05)的規(guī)律.但與各樣點(diǎn)NH4+-N濃度普遍為春季高于秋季的情況不同,有一半樣點(diǎn)的NO3--N濃度則表現(xiàn)為春季低于秋季(1號(hào)、2號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、10號(hào)和11號(hào)).說(shuō)明研究區(qū)河水NO3--N濃度也主要受降水量的影響較大.

12個(gè)樣點(diǎn)的河水TN在春、夏、秋、冬季的平均濃度范圍分別為1.347~1.777、0.616~1.381、1.056~1.837和1.725~2.315mg/L(圖6).基本表現(xiàn)為冬>春>秋>夏,與NH4+-N的規(guī)律相同,主要影響因子為降水量.同時(shí)由于研究區(qū)域在冬季種植冬季作物時(shí),施肥量增大,在春季氣溫回升,氨氣揮發(fā)快,而在秋季則是對(duì)水稻進(jìn)行收割,農(nóng)業(yè)措施較少,因此,研究區(qū)的河水TN濃度基本表現(xiàn)為春季高于秋季.

圖5 2015年3月~2016年2月河水NO3--N平均濃度的季變化特征

不同字母代表NO3--N平均濃度在不同季節(jié)間差異達(dá)顯著水平,<0.05

圖6 2015年3月~2016年2月河水TN平均濃度的季變化特征

不同字母代表TN平均濃度在不同季節(jié)間差異達(dá)顯著水平,<0.05

2.3 河流氮素與pH值的空間變化特征

分析一年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn),研究區(qū)域河流中的NO3--N濃度表現(xiàn)為中上游段普遍高于中下游段.NH4+-N和TN空間變化規(guī)律不明顯,其中各樣點(diǎn)(僅除8號(hào)樣點(diǎn)外)NH4+-N年均濃度均小于1.0mg/L,達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) GB 3838-2002)[23],而各樣點(diǎn)的TN年均濃度超過(guò)地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)但未超過(guò)地表水Ⅴ類(2.0mg/L)標(biāo)準(zhǔn),大部分只達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn).研究區(qū)域河流的pH值無(wú)顯著變化,在7.50~8.15之間,符合國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的正常范圍.其中,2號(hào)、10號(hào)和11號(hào)樣點(diǎn)的NH4+-N濃度都顯著高于其余各點(diǎn),3號(hào)樣點(diǎn)的NH4+-N濃度為所有樣點(diǎn)中最低;8號(hào)樣點(diǎn)的NO3--N濃度為所有樣點(diǎn)中最高,5號(hào)樣點(diǎn)的最低;3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)與11號(hào)樣點(diǎn)的TN濃度普遍低于其余各點(diǎn),2號(hào)樣點(diǎn)濃度最高.結(jié)合各監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)土地利用類型構(gòu)成(圖3)來(lái)看,本研究區(qū)域主要影響河流氮素的土地利用類型為交通運(yùn)輸用地,上游8~12號(hào)樣點(diǎn)的交通運(yùn)輸用地類型占比相對(duì)于中下游較大,而下游2號(hào)樣點(diǎn)的交通運(yùn)輸用地面積是所有樣點(diǎn)中最大的.所以總體來(lái)說(shuō),研究區(qū)河流上游和下游的氮素濃度大于中游的氮素濃度(表1).

表1 河流氮素濃度(mg/L)與pH值的年平均值

2.4 河流氮素和pH值與土地利用類型的相關(guān)關(guān)系

河水pH值和NH4+-N、NO3--N、TN濃度與監(jiān)測(cè)斷面上游流域土地利用存在多尺度的相關(guān)關(guān)系(表2).結(jié)果表明,各土地利用類型面積與NO3--N濃度的相關(guān)性強(qiáng)于NH4+-N.隨著緩沖區(qū)半徑的增加,耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和水域與NO3--N和TN濃度相關(guān)性逐漸降低.其中,在250m范圍內(nèi)水域與NO3--N和TN呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05);城鄉(xiāng)建設(shè)用地與NO3--N和TN濃度呈正相關(guān)關(guān)系,且與NO3--N濃度顯著相關(guān)(<0.05),但在500m處發(fā)生轉(zhuǎn)變,說(shuō)明此種土地利用類型在近河岸區(qū)域?qū)恿鞯赜嘘P(guān)鍵性的影響作用;交通運(yùn)輸用地與所有氮組分濃度的相關(guān)性均增大,且在750m緩沖區(qū)達(dá)到最大,在750~1000m范圍內(nèi)又呈下降趨勢(shì),且500~750m范圍內(nèi)的變化趨勢(shì)大于750~1000m范圍,說(shuō)明在本研究區(qū)域,河流氮素受交通運(yùn)輸用地影響的最顯著響應(yīng)尺度在500~750m之間. 同時(shí)750m緩沖區(qū)范圍內(nèi)的耕地面積與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01).

表2 不同緩沖區(qū)范圍的每種土地利用類型占地面積與河流氮素濃度和pH值的相關(guān)性分析

注: * 表示在=0.05水平顯著相關(guān); ** 表示在=0.01水平極顯著相關(guān).

3 討論

3.1 河流氮素的季節(jié)變異

研究區(qū)一年中河流水體pH值變化不大,而河流中的NH4+-N、NO3--N和TN濃度卻隨季節(jié)改變而存在一定的變化規(guī)律,總體來(lái)說(shuō),各氮素濃度在冬季最高、春秋季次之、夏季最低.由于研究區(qū)域受亞熱帶季風(fēng)氣候影響顯著,冬季降雨量小,而夏季降雨量較大,為豐水期,水流湍急,河流自凈能力相對(duì)較高[24];且冬季氣壓升高,導(dǎo)致氣體在大氣中的分壓升高,使氣體向水體擴(kuò)散;同時(shí)在枯水期,會(huì)種植冬小麥和油菜等冬季作物,化肥農(nóng)藥等施用量增多,春季氣溫回升,氨氣揮發(fā)快,因此使得各氮組分濃度在冬季顯著高于夏季.各樣點(diǎn)在春夏秋冬四季的NO3--N濃度都高于NH4+-N濃度.研究區(qū)域的農(nóng)業(yè)措施主要實(shí)行稻麥輪作方式,且使用的氮肥類型主要為尿素,其損失途徑以氨揮發(fā)、氧化亞氮等氣態(tài)形式損失以及施入土壤后大部分轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮而未被植物吸收利用的,則以硝酸鹽形式經(jīng)雨水沖刷而大量流失.有研究表明,由于銨態(tài)氮帶正電荷易被帶負(fù)電荷的土壤膠體表面吸附而被固定于土壤中,硝態(tài)氮是以帶負(fù)電荷的硝酸鹽形式存在的,則最容易被淋洗,這是徑流中硝態(tài)氮濃度明顯高于銨態(tài)氮的重要原因[25].於夢(mèng)秋等[26]研究還發(fā)現(xiàn)部分NO3--N還可能來(lái)自林地、草地的土壤氮素淋洗;同時(shí)NH4+-N易揮發(fā)而且由于土壤的硝化作用較強(qiáng),導(dǎo)致NH4+-N濃度較低;研究區(qū)域的工業(yè)廢氣和汽車尾氣的排放,會(huì)使得氮氧化物進(jìn)入大氣,而又通過(guò)大氣氮沉降方式[27]進(jìn)入水體等原因,導(dǎo)致整個(gè)研究區(qū)域全年內(nèi)河流水體的NO3--N濃度都高于NH4+-N濃度.因此,在土地利用過(guò)程中,應(yīng)尤其注意對(duì)農(nóng)忙時(shí)期耕地耕作措施的管控.

3.2 土地利用與河流氮素的尺度效應(yīng)及響應(yīng)關(guān)系

目前眾多學(xué)者使用不同的研究方法,表明了流域土地利用變化是造成河流水質(zhì)、水量以及沿岸植被變化的重要原因[28],工業(yè)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和城市等[29-30]的不平衡發(fā)展都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生負(fù)面影響.同時(shí),研究已確定土地利用與河流水質(zhì)存在尺度效應(yīng),但由于土地使用模式和規(guī)模效應(yīng)的異質(zhì)性,對(duì)于這兩者間的最佳尺度關(guān)系還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)論[20].

在本研究區(qū)域中,隨著交通運(yùn)輸用地面積的增大,河水中NO3--N和TN濃度顯著變化,在500m緩沖區(qū)范圍內(nèi)與TN顯著正相關(guān)(<0.05);在750m緩沖區(qū)范圍內(nèi)與NO3--N和TN極顯著正相關(guān)(<0.01);在1000m緩沖區(qū)范圍內(nèi)與NO3--N顯著正相關(guān)(<0.05)、與TN極顯著正相關(guān)(<0.01)(圖7).并且2號(hào)樣點(diǎn)的交通運(yùn)輸用地類型較其余各點(diǎn)最多,其所測(cè)河流中TN濃度在所有樣點(diǎn)中也是最高的(圖3,表1).由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市化進(jìn)程的加快,交通運(yùn)輸業(yè)也越來(lái)越發(fā)達(dá),但同時(shí)汽車尾氣的排放也成為當(dāng)今環(huán)境污染的一個(gè)重大問(wèn)題,比如汽車尾氣中的主要污染物有一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸衔?、二氧化硫、含鉛化合物和固體顆粒物等,引發(fā)了溫室效應(yīng)、酸雨、霧霾等大氣環(huán)境問(wèn)題.在本研究區(qū)域,高強(qiáng)度的交通氮排放量由于受到西南季風(fēng)的影響,使得氮污染物進(jìn)入到大氣中,可通過(guò)遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸最后以大氣干濕沉降等方式進(jìn)入水體,造成河流水質(zhì)的污染[31].因此,在此區(qū)域交通運(yùn)輸用地對(duì)河流氮素具有遠(yuǎn)距離的影響.由研究結(jié)果可知,在西河流域氮素對(duì)交通運(yùn)輸用地的最顯著效應(yīng)尺度為500~750m之間,所以建議在本流域距河流半徑為750m范圍內(nèi)應(yīng)盡量減少交通運(yùn)輸用地的存在.

本研究中城鄉(xiāng)建設(shè)用地與河流氮素濃度主體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但在250m范圍內(nèi)與NO3--N、TN呈正相關(guān)關(guān)系,且與NO3--N顯著正相關(guān)(<0.05)(表2).張殷俊等[32]、項(xiàng)頌等[21]的研究結(jié)果為在各尺度上建設(shè)用地與總氮、總磷、氨氮水質(zhì)指標(biāo)等呈正相關(guān),即建設(shè)用地對(duì)水質(zhì)具有消極作用,是由于建設(shè)用地作為高密度人口聚集區(qū),社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁,污染物的排放強(qiáng)度高,建設(shè)用地以不透水地面為主,更容易產(chǎn)生地表徑流,增加附近河流中的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度,造成水體的污染.但本研究的結(jié)果中城鄉(xiāng)建設(shè)用地僅在近距離范圍內(nèi)對(duì)河流造成氮污染,而在更大范圍則與各氮素指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,分析其原因可能是研究區(qū)域位于平原地區(qū),平緩的坡度對(duì)于進(jìn)入河流的徑流有一定的緩沖滯留作用,即當(dāng)坡度越小,使得地表徑流的流速變低,流經(jīng)緩沖帶的時(shí)間變長(zhǎng),而提高了污染物的截留與降解效率[33-34],最后表現(xiàn)為城鄉(xiāng)建設(shè)用地僅在近河岸區(qū)域?qū)恿鞯赜邢麡O影響.因此,平原區(qū)小流域在距河流250m的范圍內(nèi)應(yīng)盡量禁止城鄉(xiāng)建設(shè)用地的出現(xiàn),同時(shí)應(yīng)該結(jié)合研究區(qū)河流水質(zhì)污染特點(diǎn)和地表植被特征創(chuàng)建一定的河岸緩沖帶[35],以改善河道水質(zhì).

水域與河流氮素濃度為負(fù)相關(guān)關(guān)系,并且在250m緩沖區(qū)范圍內(nèi)與NO3--N和TN為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.05).由于采樣點(diǎn)位于河流中,為各緩沖區(qū)的中心點(diǎn),因此在250m緩沖區(qū)范圍內(nèi)的土地利用類型主要為水域,水域面積越大,河流水流量越大,河流自凈能力越強(qiáng),物質(zhì)交換越快,污染物不容易殘留,使得河流水質(zhì)越好[36].

研究區(qū)的土地利用類型中,最豐富的是耕地,耕地面積與河流中的氮素濃度呈正相關(guān)關(guān)系,與pH值在0~750m緩沖區(qū)范圍內(nèi)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且當(dāng)緩沖區(qū)范圍為750m時(shí)相關(guān)性顯著(<0.01,表2).西河流域位于成都平原西緣,為平原至山區(qū)的過(guò)渡地形,在上游的丘陵和山區(qū)中,耕地多出現(xiàn)了撂荒的情況;而位于平原的農(nóng)業(yè)區(qū)為四川省糧食集中生產(chǎn)區(qū),實(shí)行規(guī)模化標(biāo)準(zhǔn)化的農(nóng)業(yè)措施和施肥技術(shù),降低了肥料在使用中的浪費(fèi)與損失[37].因此在本研究中,耕地面積的增加對(duì)河流中的氮素沒(méi)有顯著作用.另外,西河流域水體呈弱堿性,耕地對(duì)水體pH值的影響可能源于施用的農(nóng)藥,大多數(shù)的農(nóng)藥為弱酸性,進(jìn)入河流后造成水體pH值的變化.

對(duì)于林地與河流氮素濃度之間的相關(guān)性,曹芳芳等[36]的研究結(jié)果為林地與水質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,對(duì)改善水質(zhì)具有積極作用.而張玉玲等[38]的研究結(jié)果則發(fā)現(xiàn)在不同的利用方式下土壤供氮潛力為林地>旱地>水田;并且西歐一些國(guó)家已觀測(cè)到森林已不是氮循環(huán)的匯,而成為了源,使得每年都有大量的氮從森林遷入水體[3].原因可能是處于不同地區(qū)的林地受到不同氣候、土壤等因素的影響,導(dǎo)致林地類型多樣,而典型的闊葉落葉林,每年要向土壤歸還大量的枯枝落葉,日積月累使得林地土壤腐殖物質(zhì)增多,土壤有機(jī)物質(zhì)豐富,C/N比值較大,致使林地土壤可提供大量的有機(jī)氮[39];同時(shí),林地距離農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)和特大城市較近時(shí),受其影響導(dǎo)致氮沉降通量高,從而促進(jìn)了林地的氮流失[40].但是,在本研究中,由于研究區(qū)采樣點(diǎn)周邊分布的林地面積太少,而不能評(píng)估此種土地利用類型對(duì)河流氮素濃度的影響情況.

4 結(jié)論

4.1 對(duì)西河流域河流水體進(jìn)行監(jiān)測(cè),其氮素與pH值均未超標(biāo),但僅達(dá)到Ⅲ~Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明水質(zhì)狀況仍需進(jìn)行改善.

4.2 河水中NH4+-N、NO3--N和TN濃度均表現(xiàn)為夏季最低、冬季最高,且月均NO3--N濃度顯著高于NH4+-N濃度(<0.01).主要與降水、農(nóng)業(yè)耕作措施與城市交通運(yùn)輸和工業(yè)廢氣排放有關(guān).

4.3 西河流域的交通運(yùn)輸用地面積與河水中NO3--N和TN濃度在750m緩沖區(qū)范圍內(nèi)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01);城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積與NO3--N濃度在250m緩沖區(qū)范圍內(nèi)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.05);水域面積與NO3--N和TN濃度在250m緩沖區(qū)內(nèi)呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05),耕地和林地面積與河流氮素?zé)o顯著相關(guān)性.交通運(yùn)輸用地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地起“源”作用.因此建議在滿足人類生活需求的情況下,在近河岸地區(qū)(250m以內(nèi))設(shè)立河流緩沖帶以及推廣環(huán)境友好型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù),并在距河流半徑為750m范圍內(nèi)盡量避免出現(xiàn)交通運(yùn)輸用地類型.

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WAN Ke-jun1, DENG Ou-ping1,2*, DENG Liang-ji1, WU Ming3, KOU Chang-jiang1, ZHANG Yu-hao1

(1.College of Recourse, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China；2.College of Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China；3.Soil and Fertilizer Research Institute of Sichuan Province, Chengdu 610066, China)., 2018,38(12)：4669~4677

This research was conducted in a typical agricultural small watershed in the western Sichuan Basin. The nitrogen (NH4+-N, NO3--N, TN) concentration and pH in Xihe river were continuously monitored from March 2015 to February 2016. Using different techniques, such as remote-sensing interpretation, geographic information systems, and correlation analysis, the relationship between nitrogen concentration and pH in the river with surrounding land use typed area was explored. Results showed that river nitrogen concentration was higher in the winter (2.063mg/L) than in spring and autumn (1.536mg/L; 1.432mg/L), followed by summer (1.085mg/L). Concurrently, the monthly average concentration of NO3--N (0.891mg/L) was significantly higher than that of NH4+-N (0.425mg/L) (<0.01), and NO3--N was remarkably affected by typical land use types. As the buffer zone radius increased, the correlation of cultivated land, urban-rural construction land, and water area with NO3--N and TN concentrations gradually decreased. In the 250m buffer zone, the area of urban–rural construction land was significantly positively correlated with NO3--N concentration (<0.05), and the transportation land was increasingly correlated with all nitrogen components. In the 750m buffer zone, the area of transportation land was significantly positively correlated with NO3--N and TN concentrations (<0.01). Urban-rural construction land and transportation land may be the “source” of river NO3--N.

Xihe River；nitrogen；land use types；buffer zone；effects

X171

A

1000-6923(2018)12-4669-09

萬(wàn)柯均(1994-),女,云南麗江人,四川農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事土水資源與可持續(xù)利用研究.

2018-04-24

四川省科技廳國(guó)際合作項(xiàng)目(2016HH0085)

* 責(zé)任作者, 講師, 182338008@qq.com