不同农作行为下的喀斯特山区小流域地表径流水质量分析

不同农作行为下的喀斯特山区小流域地表径流水质量分析

喀什地区生态环境脆弱，系统稳定，自我恢复能力低。喀斯特山区土层较厚的地带大部分被开垦为耕地,形成以玉米为主的农业生态系统。这类生态系统结构简单,在过度的人为干扰作用下,使得原来的植被类型、覆盖状况及土壤质量发生了很大的变化。由于喀斯特具有独特的二元水文结构,地下水的动态变化与地表水存在直接的联系,生态环境退化引起地下水系统自我调蓄能力与净化能力降低,使赋存于岩层中的地下水资源量的时空分布变得极不均匀,总资源量减少和水质退化。农业活动已成为喀斯特地下水污染的重要原因,特别是化学肥料和农药的施用对水环境产生了明显地影响。笔者把作物-土壤-水体作为一个整体,系统研究喀斯特农业土地利用过程中不同农作方式对水环境质量的影响,以期为喀斯特地区生态环境恢复及水资源的保护提供科学依据。1学习方法1.1普定县下游猫洞乡缓坡土层厚度和土壤条件2007年7-9月,选择贵州中部喀斯特山区普定县猫洞小流域进行试验。普定县位于贵州省中部偏西,处于乌江上游三岔河(属长江水系)与打帮河(属珠江水系)分水岭的北坡。猫洞小流域位于三岔河在普定县下游的猫洞乡境内,位于三岔河南岸,涉及可处、补堆、大荒地、红岩、熬硝坝和挂多等村寨,面积约15km2,属于峰丛型小流域。小流域内部分有保存较好的乔木林,也有因人为破坏而导致退化的灌木林地和灌丛草地。本区成壤母质以石灰岩和白云岩为主,土壤为碳酸盐岩经过长期风化而形成的石灰土,土层浅薄且不连续,一般厚度为30～50cm,土壤质地黏重,呈弱碱性。缓坡土层厚的地方主要为旱耕地,沟谷溪水两侧分布少量水田,沟谷坡上分布着村落。本区域农业人口多,种植业比重大,以旱作农业为主,玉米产量一般3000～4500kg/hm2,产量较低,施肥是提高作物产量的主要措施。1.2小流域划分及各区调查根据农户对土地的利用方式,可将普定县猫洞小流域划分为3个区域:低复种旱作农业区、高复种旱作农业区、高复种复合农业区,简称低复种旱作区,高复种旱作区,高复种复合区。1.3水质评价指标选用pH值、EC(电导率)、KI(高锰酸钾指数)和9种离子浓度(HCO-3、SO2−442-、Cl-、NO-3、PO3−443-、Ca2+、Mg2+、NH+4、K+)共计12个指标作为水质评价指标。1.4土壤呼吸及土壤酶活性测定选择土壤酶活性较高的夏末秋初,在3类农作区各选取7块有代表性且母质相同(石灰岩)的样地。每个样地内选取5～8个样点,采集样点表层土壤(0～15cm)混合。每一样点采样2份,样品重量1kg左右。一份装入无菌封口塑料袋,并迅速带回实验室进行土壤呼吸的测定,另一份用于测定土壤酶活性及理化性质。土壤有效磷采用Olsen法测定,有效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定,有效钙和镁采用醋酸铵浸提-EDTA滴定法测定,其他项目采用常规方法测定。1.5水化学指标分析在每块样地内,选择坡度较一致的地段,采用无界径流小区法设置径流收集槽,在相同时间的自然降雨条件下进行地表径流样品的收集。采集的流水样盛于清洁的塑料瓶中,并在24h内送实验室分析。水样经0.45μm滤膜过滤,测定其水化学参数,具体指标包括pH值、高锰酸钾指数和9种离子浓度。HCO-3采用电位滴定法测定,SO2−442-采用EDTA间接滴定法测定,Ca2+和Mg2+采用EDTA滴定法测定,NO-3采用紫外分光光度法测定,Cl-采用硝酸银滴定法测定,NH+4采用靛酚蓝比色法测定,PO3−443-采用异丁醇萃取-钼蓝比色法测定,K+和Na+采用火焰光度法测定,高锰酸钾指数采用酸性高锰酸钾氧化法测定。1.6数据的统计和处理数据采用Excel和DPS及SPSS10.0软件处理。2结果与分析2.1地表径流富营养化因子含量变化分析结果表明,农作区地表径流的阳离子主要为Ca2+、Mg2+,地表径流中阴离子主要为HCO-3、SO2−442-,且在高复种指数的农区SO2−442-超过了HCO-3。说明,喀斯特农作区施用了大量的肥料,岩溶作用较非农用区弱。通过对地表径流水中主要化学离子和元素浓度进行多重比较(SSR),结果(表1)表明:随着复种指数的不同,地表径流主要化学离子和元素浓度有较大差异。从低复种指数旱作区、高复种指数旱作区到高复种指数复合农作区,地表径流中的NO-3、NH+4、PO3−443-、SO2−442-的含量和高锰酸钾指数依次增大。其中,富营养化指标中NO-3、NH+4、PO3−443-的含量和高锰酸钾指数均呈显著上升趋势。高复种指数复合农作区径流中NO-3平均含量分别是低复种指数的旱作区、高复种指数旱作区的2.4倍和1.86倍,PO3−443-平均含量分别是低复种指数的旱作区、高复种指数旱作区的3.6倍和3.3倍。此外,低复种指数的旱作区地表径流中高锰酸钾指数、PO3−443-、SO2−442-含量与高复种旱作区、高复种复合农作区的差异达显著水平,低复种指数的旱作区地表径流中NH+4含量与高复种旱作区、高复种复合农作区的差异均达显著或极显著水平。随着复种指数增大,农地地表径流Ca2+和K+的含量也逐渐增大,且低复种旱作区与高复种旱作区、高复种复合农作区的差异达显著水平。其他指标均没有达到显著差异。与非农用地相比,农用地地表径流的NO-3、NH+4、PO3−443-及SO2−442-含量更高,特别是高复种指数农作区径流中氮磷含量更高,这可能与耕地中投入了更多的肥料等因素有关。由此可见,从低复种旱作区、高复种旱作区到高复种复合农作区,地表径流中PO3−443-、NH+4、NO-3、有机质等富营养化因子的输出量明显增加。这部分养分的流失一方面造成土壤养分的下降,需要增加肥料的投入。另一方面,PO3−443-、NH+4、有机质、NO-3进入受纳水体后,造成水体富营养化,从而影响水环境质量。说明,地表径流氮磷的输出和迁移,将对水环境质量产生影响。2.2土壤结构对地表径流的影响2.2.1土壤nh+4-养分含量与土壤全磷、代金种含量的关系从表2可见,地表径流中NO-3含量与土壤中全氮、碱解氮含量间呈显著正相关,径流中NH+4含量与土壤有机质、>0.01mm黏粒、>0.001mm黏粒含量呈显著正相关,径流中PO3−443-含量与土壤速效磷含量之间呈极显著正相关,与土壤全磷、速效钾含量呈显著正相关。而地表径流高锰酸钾指数与土壤质量指标间也未达显著性水平。2.2.2径流生长与理化性质关系为进一步找出土壤性质与地表径流中氮磷和高锰酸钾指数(富营养化指标)之间的相互关系,进行逐步回归分析,构建回归方程,从而进一步探讨两者关系。将径流中NO-3、PO3−443-、NH+4和高锰酸钾指数与土壤基本理化指标的测定结果进行回归,得到4个标准多元回归方程:y1=-1.15558x1+1.032784x2+0.016009x3-0.08943x4+0.199033x5-0.76036x6+0.322182x7+0.562891x8+0.407832x9-1.06458x10+0.228892x11+0.352797x12+0.823069x13+0.626148x14y2=0.676783x1-0.60786x2+0.21019x3-0.38634x4+0.5691523x5-1.62578x6+1.513385x7+1.038512x8-0.45268x9-0.80522x10+0.134884x11+0.083889x12+0.551301x13+0.976331x14y3=0.645041x1-0.43995x2-2.0534x3+0.857154x4+0.832364x5+1.389608x6-2.1522x7+1.307088x8+0.279713x9-0.17242x10-0.52746x11+0.994228x12-0.68087x13+1.017569x14y4=0.487324x1-0.80841x2+1.101453x3-0.38602x4-0.57017x5-1.37911x6+2.437206x7-0.89919x8-0.05447x9-0.28997x10+0.78297x11-0.64626x12-0.08167x13-0.67655x14式中,y1、y2、y3、y4分别为标准化地表径流中的NO-3、PO3−443-、NH+4和高锰酸钾指数,x1为有机质,x2为腐殖酸,x3为CEC(土壤阳离子交换量),x4为交换钙,x5为交换镁,x6为全氮,x7为碱解氮,x8为全磷,x9为速效磷,x10为全钾,x11为速效钾,x12为>0.01mm黏粒,x13为>0.001mm黏粒,x14为孔隙度。x1～x14为标准化的土壤理化性质。多元回归方程能描述随机变量在多个回归因子中的平均变化规律,通径分析则是标准化的多元线性回归分析。方程中的系数即为直接通径系数,它乘以各肥力因子之间的相关系数即得到间接通径系数。逐步回归和通径分析表明:按绝对值大小,对径流中NO-3含量的直接影响力排序依次为有机质>全钾>腐殖酸>(>0.001mm黏粒)>全氮>孔隙度>全磷>速效磷>(>0.01mm黏粒)>碱解氮>速效钾>交换镁>交换钙>CEC。对径流中PO3−443-含量的直接影响为全氮>碱解氮>全磷>孔隙度>全钾>有机质>腐殖酸>交换镁>(>0.001mm黏粒)>速效磷>交换钙>CEC>速效钾>(>0.01mm黏粒)。对径流NH+4含量直接影响为碱解氮>CEC>全氮>全磷>孔隙度>(>0.01mm黏粒)>交换钙>交换镁>(>0.001mm黏粒)>有机质>速效钾>腐殖酸>速效磷>全钾。对径流高锰酸钾指数直接影响为碱解氮>全氮>CEC>全磷>腐殖酸>速效钾>孔隙度>(>0.01mm黏粒)>交换镁>有机质>交换钙>全钾>(>0.001mm黏粒)>速效磷。进一步分析可见,径流水中NO-3含量受土壤有机质、全钾、腐殖酸的直接影响大,直接通径系数分别高达-1.1556、-1.0646、1.0328。土壤全氮、碱解氮通过土壤有机质、腐殖酸对地表径流水中NO-3含量的间接通径系数大于或略大于其直接影响系数。可见,径流水中NO-3流失受土壤中可溶性有机质(腐殖酸)、全氮和碱解氮等的影响较大。径流中PO3−443-含量受土壤全氮、碱解氮、全磷、孔隙度的直接影响很大,直接通径系数分别高达-1.6258、1.5134、1.0385和0.9763。土壤速效磷直接对地表径流水PO3−443-含量直接影响不大(直接通径系数为-0.4527),通过全磷对径流中PO3−443-含量的间接通径系数为0.8896。可见,不同农作区,土壤的全磷、速效磷以及土壤孔隙度等性状是影响土壤磷流失的最大因素。径流中NH+4含量受土壤碱解氮、CEC、全氮、全磷、孔隙度、>0.01mm黏粒的直接影响较大,直接通径系数分别为:-2.1522、-2.0534、1.3896、1.307和0.9942。且土壤全氮通过土壤碱解氮对径流中NH+4含量间接影响系数为-2.0674,大于其直接通径系数。可见,土壤碱解氮、全氮对径流水中NH+4含量的影响较大。地表径流高锰酸钾指数受土壤碱解氮、全氮、CEC含量直接影响较大,直接通径系数分别是2.4372、-1.3791和1.1015。土壤有机质和腐殖酸对地表径流高锰酸钾指数直接影响不大,直接通径系数分别是0.4873和-0.8084,但其通过土壤碱解氮的间接通径系数分别为1.4934和1.6796,土壤碱解氮、全氮和有机质对径流的高锰酸钾指数影响较大。综上所述,农用地地表径流中NO-3、PO3−443-、NH+4含量和径流中高锰酸钾指数一定程度上受土壤有机质、氮磷含量和植被变化的影响,也影响了径流水的化学组分,对水环境质量的影响程度较大。2.3农作区表径流水质量等级评价选用pH、Ca2+、Mg2+、NO-3、Cl-、SO2−442-、高锰酸钾指数等12个指标作为水质评价指标,采用欧氏最短距离法对调查区不同样地(n=21)的地表径流水质量水平进行聚类分析,结果表明:径流水质量等级大致可分为3大类型:1～6、11号样地为一类,为低复种旱作区;8～10、12～16、18号样地为一类,以高复种旱作区为主,兼部分高复种复合农作区;其余样地为一类,以高复种复合农作区为主。选取主要富营养化指标对3类样地进行统计(表3),参考地表水环境质量等级评价标准(GB/T14848-93),可初步将不同农作区表径流水质量变化的程度分为3个类别:第1类型即低复种旱作区,其地表径流水中NO-3、NH+4、PO3−443-和高锰酸钾指数达Ⅰ类水体的标准,这类地水质量良好;第2类型即以高复种旱作区为主,兼部分高复种复合农作区,NH+4、PO3−443-含量部分达Ⅱ～Ⅲ类水体的标准,高锰酸钾指数达Ⅰ～Ⅱ类水体的标准,水体受到一定程度的影响;第3类型即高复种复合农作区为主,NH+4、NO-3部分超地表Ⅲ类水体标准,PO3−443-含量部分达Ⅱ～Ⅲ类水体的标准,高锰酸钾指数达Ⅰ～Ⅱ类水体的标准,地表径流水质在Ⅱ～Ⅲ类水体标准,部分指标超Ⅲ类水体标准,水体已受到污染。3地表径流指标聚类分析1)不同农作区地表径流中的化学组分有明显不同。从低复种指数的旱作区、高复种指数的旱作区到高复种指数的复合农作区,地表径流中的富营养化因子NO-3、NH+4、PO3−