湖庫型水源地富營養狀況及土地利用對水質的影響

易玉敏 祝家能 劉 鵬

（云南省生態環境工程評估中心，云南 昆明 650228）

水資源短缺和水體污染已成為現代經濟發展的制約因素，飲水安全事關人民群眾的健康和生命安全[1]。隨著我國經濟社會的高速發展，人為活動對環境的影響加劇，導致污染物排放量快速增長。目前中國約有30%左右的水庫處于富營養狀態[2]，飲用水體富營養化問題已成為中國飲用水安全保障以及水資源與水環境保護面臨的重大問題[3]，對水源地的保護工作迫在眉睫。目前，國內外已有關于湖庫型水源地水環境、水生態方面的研究。主要集中在水環境人體健康風險評價[4]、水體富營養化變化趨勢[5-6]、移動污染源對水源地水體的影響[7]。也有研究者致力于水源地景觀結構與涵養功能間的內在機理研究[8]及景觀格局動態演變特征[9]。針對水源地不同土地利用方式與水質響應關系構建已成研究熱點。隨著工業現代化，人口密度增加，以湖庫匯水區為單元的流域面源污染形式多樣，且隨機性、復雜性、不確定性更強[10]，明晰湖庫型水源地不同類型土地利用方式對水體富營養化的貢獻顯得至關重要。

洪金淑[11]對滇東南36個湖庫型水源地進行水質評價，結果有17個水庫年度水質不合格，占評價水源地總數的39.5%。不合格水源地中，糞大腸菌群超標最為嚴重，其次是高錳酸鹽指數、5日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH4+-N）。集中分布在經濟發達、人口密度大的區域。滇東南大部分區域（西疇、硯山）屬于典型的巖溶地貌，水土極易流失。化肥施用管控失當、投肥養殖使氮磷等營養物質過剩、農藥及其他有機或無機物的污染物通過地表徑流造成湖庫水體污染[12]。且水源地保護區內不同的土地利用方式影響污染物的排放和傳輸過程，對湖庫水環境質量具有重要影響。

近年來，由于水土流失、降雨侵蝕、陡坡耕作、施肥以及畜禽養殖等導致的農業面源污染遠比點源污染要嚴重得多[13]。僅僅對水環境質量進行監測評價和點源污染管控措施很難解決農業面源帶來的水環境惡化問題，與面源污染控制密切相關的區域景觀格局與水質的相互關系成為國內外學者關注的重點[14]。研究表明，氮磷等污染物從產生到遷移再到形態轉化與流域土地利用方式及景觀組成特征息息相關[15]。本研究通過對8個湖庫型水源地水體中總磷（TP）、總氮（TN）、NH4+-N、水溫、pH、溶解氧（DO）、BOD5和化學需氧量（CODCr）的監測評價及水源地保護區內土地利用結構的深入剖析，揭示典型湖庫型水源地水體富營養化狀況時間異質性，并探究土地利用結構與水質指標是否存在相關性，進而建立土地利用結構與水質的響應關系。旨在為湖庫型水源地面源污染治理及土地利用規劃提供科學依據，對開展水環境綜合治理有重要的實踐意義。

1 研究區概況

1.1 水源地概況

本研究選取了滇東南遠近沖水庫、江東水庫及紅舍克水庫等8個在用水源地為研究區。其中豐收水庫為中型水庫，其余均為小（一）型。遠近沖水庫位于開遠市中和營，年供水量59.13萬m3，屬于西江水系，在云南省地表水環境功能區劃中執行Ⅲ類水考核標準。江東水庫位于文山州西疇縣，年供水量216萬m3，瀘江水系，Ⅲ類水考核標準。紅舍克、黑所、豐收、阿額4個水庫位于文山州硯山縣，位于清水江流域，年供水量分別為93.60萬、71.54萬、67.33萬、35.60萬m3，均執行Ⅲ類水考核標準。紅旗水庫、合作水庫在玉溪市紅塔區境內，年供水量超過400萬m3，屬于玉溪大河水系，均執行Ⅱ類水考核標準。根據《飲用水水源保護區劃分技術規范》（HJ 338—2018）[16]湖庫型飲用水源保護區分為一級、二級保護區及準保護區，本研究8個湖庫型水源地各級保護區面積見表1。

表1 水源地各級保護區面積Table 1 Areas of water source reserve at various levels km2

1.2 農業面源景觀結構特征

保護區內不同土地利用類型面積比見表2。各水庫一級保護區內景觀多樣性以紅舍克水庫、江東水庫最為豐富。有3種土地利用類型，即耕地、園地和住宅用地。合作水庫次之，其余水庫均只有耕地1種類型。二級保護區中豐收、紅舍克、江東、紅旗和合作水庫的土地利用類型為3種，其余水庫則無園地。

表2 保護區內不同土地利用類型面積比Table 2 Land-use composition for reserve %

各水庫一級區內耕地面積占保護區面積比例介于0.12%～37.02%，均值為13.84%，其中江東水庫最高，紅舍克水庫次之。一級區中住宅用地和園地占比較低，均少于1%；二級區中，耕地占比的最小值、最大值分別為1.22%和51.59%。住宅用地占比均值為1.64%，較一級區要高。園地類型中僅江東水庫占比超過1%，為1.22%。

2 材料與方法

導航定位在豐收水庫和紅旗水庫各選取了10個點位進行實地調查，對分類結果進行手工修正，一級分類的判讀精度為93%。

本研究水質監測數據來源于云南省千噸萬人級飲用水源地保護區劃分成果，由紅河州、文山州和玉溪市環境監測中心站提供。

2.2 水樣采集與處理

在每個水庫的取水口位置設采樣點，共8個采樣點，于2019年5—7月各進行1次采樣。采樣時，使用803M4型采樣器收集0.5 m深表層水，僅留存采樣器中段水樣。帶回實驗室后，1～4 ℃環境貯存。測試指標為TP、TN、NH4+-N、水溫、pH、DO、BOD5和CODCr。參照《水和廢水監測分析方法》[18]進行水樣的預處理及室內分析，其中水溫、pH、DO質量濃度采用SC-01A系列便攜型監測儀現場測定。TP和TN分別使用鉬酸銨分光光度法和堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法，檢出限分別為0.01、0.05 mg/L，使用納式試劑光度法檢測NH4+-N含量，CODCr采用重鉻酸鉀法。

2.3 水體營養狀態評價方法

2.1 數據來源及處理

采集各水庫所在地2019年土地利用調查變更數據，為實地調查提供輔助信息。根據《土地利用現狀分類》（GB/T 21010—2017）[17]，建立各水源地保護區內土地利用分類遙感影像解譯標志，設置解譯判讀圖斑大小規則和精度控制要求。借助ArcGIS軟件完成遙感圖像的人機交互解譯，將水源地保護區內土地利用類型劃分為耕地、住宅用地和園地，2019年10月11—14日，課題組針對無法確定分類的地理點位，借助GPS

2.3.1 綜合富營養狀態指數法

本研究從8個指標中選取了TP、TN、NH4+-N這3個營養指標以及衡量水體自凈能力的物化指標DO對水體富營養狀態進行評價。湖泊富營養化評價指標的分級標準[19]見表3。TP、TN、NH4+-N質量濃度的分級標準的選取參照修正卡森指數[20]（TSIm）。根據TSIc分級標準，將富營養化劃分為：極貧、貧、中、富、重富、極富6級標準，而DO分級標準則參考了國內其他湖泊、水庫營養狀態評價的經驗值[21-22]。

將表3中的4項指標的各級標準分指數值代入式（1），可得到各評價指標富營養狀態的指數（Ij）值：

式中：Cj為指標j的實測值，Cjmax為指標j的極富標準值。

本研究采用對數型冪函數普適指數公式計算水體富營養化評價綜合指數（EI）[18,21]，并依據富營養狀態的分級標準（表4）評價水體所處的營養狀態。計算方法為：

表4 水體富營養化評價綜合指數的分級標準Table 4 Classification of comprehensive index for water eutrophication assessment

式中：Wj為指標j的歸一化權值，多數情況下，各指標可視作等權，故Wj=1/n，n為參與評價的指數個數，n=4。

2.3.2 主要污染因子篩選

對單因子評價結果進行排序，對于標準指數（實測值/標準值）位于前3位的污染因子，或標準指數大于0.8的污染因子，均列為主要污染項目；將標準指數大于0.6，小于0.8的污染因子列為潛在污染項目。將監測點水質超過Ⅲ類標準的項目全部作為主要污染項目（pH、溶解氧不參與計算）。如果水庫富營養化評分值小于60，則表明化學污染占據主導，則僅按上面的方法篩選主要污染項目；如果評分值大于60，除按上面的方法篩選主要化學污染項目外，可確定氮、磷為主要污染項目。

2.4 數據分析

采用Pearson相關性分析各土地利用類型與水質指標間的相互關系，該統計分析過程在SPSS 21.0中完成；Canoco 5.0軟件進行冗余分析（RDA），用于揭示單個景觀變量對水源地水質變化的貢獻。基于上述統計分析手段，建立并分析各水源地水質指標對保護區內土地利用類型的響應狀況。

3 結果與分析

3.1 水體富營養狀況

由實測數據（表5、表6）可知，NH4+-N、DO和CODCr水質指標濃度均值在3個月均滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）[23]中的Ⅱ類水及以上標準。可紅旗水庫、合作水庫在采樣周期內均為Ⅲ類水，未達到考核標準，主要超標因子為TN和TP。此外，6月期間黑所水庫、阿額水庫以及7月的紅舍克水庫均出現BOD5含量較高而導致水環境質量下降的異常現象。總體上，水體氮磷超標現象持續發生，水質趨于惡化。

表5 水質狀況評價結果Table 5 Evaluation results of water quality status

表6 水質指標描述性統計Table 6 Descriptive statistics of water quality parameter

續表 6

從水質指標時間序列上看，TP濃度均值在研究周期內均為Ⅱ類水（表6），可TN含量卻相對偏高，最大值達0.58 mg/L，在5月、7月時為Ⅲ類水。其余水質指標在3個月中均Ⅰ類水標準。

由圖1可知，結合富營養狀態分級標準，除5月的江東水庫和7月的江東、紅旗水庫外湖庫水體均處于貧營養化狀態。江東水庫在5月時EI值最大為31.34，達到中度富營養化，該水庫7月EI值也超過30（中度富營養化標準限值）。此外，紅旗水庫7月時達到中度富營養化狀態，EI值為30.20。從趨勢上來看，江東水庫呈先降低后升高，紅舍克水庫反之，其余水庫則均為逐漸升高趨勢。

圖1 富營養化評價結果Fig. 1 Evaluation results of eutrophication

對照《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）[23]Ⅲ類標準限值要求，從監測最大值（溶解氧為最小值）評價，DO單因子評價指數大于1（表7），即超過Ⅲ類水質標準；BOD5、TN單因子指數大于1.0；CODCr單因子指數接近1。從監測平均值評價，DO單因子評價指數大于1，即超過Ⅲ類水質標準；BOD5、TN單因子指數大于0.5；CODCr單因子指數接近0.5。綜上所述，DO為主要污染項目，BOD5、TN為潛在污染項目。

表7 單因子指數法評價結果Table 7 Evaluation results of single factor

3.2 不同土地利用類型對水質的影響

3.2.1 土地利用與水質的Pearson相關性

相關性分析結果見表8。一級保護區內，5—6月耕地與DO呈顯著負相關關系（P＜0.05），5月住宅用地與TN呈極顯著正相關（P＜0.01），6月與水溫呈顯著正相關（P＜0.05）；二級保護區內，6月水溫與園地顯著正相關（P＜0.05），與耕地為極顯著負相關（P＜0.01），且園地、住宅用地與CODCr呈極顯著正相關（P＜0.01）。5—6月耕地、住宅用地與DO之間均為顯著負相關關系（P＜0.05）。5月園地與NH4+-N呈顯著正相關（P＜0.05）與BOD5顯著負相關（P＜0.05）。7月園地與TP表現為顯著正相關（P＜0.05）。不同的土地利用類型在時間上對水質的影響存在一定的差異，但總體上來說5—6月影響均大于7月。

表8 土地利用類型與水質指標的相關性Table 8 Correlation between landscape pattern and water quality indicators

3.2.2 土地利用與水質的冗余分析

土地利用與水質指標的RDA結果見圖2。從RDA排序可以看出，5月、7月TN、TP、NH4+-N和CODcr與園地比例（Gar%）均集中在排序軸的同一象限，表明該時期與其他景觀類型相比，園地對保護區內氮、磷等面源污染物的輸出的影響較大。在6月，住宅用地（Res%）與TN之間表現出極顯著負相關關系（箭頭夾角接近180°，P＜0.01）。7月耕地（Far%）與水溫表現出極顯著負相關（P＜0.01），Res%與BOD5為極顯著正相關（夾角接近0°，P＜0.01）。景觀類型中耕地對水質指標的影響較園地和住宅用地要大。

圖2 土地利用與水質指標的RDA排序Fig. 2 RDA ranking of land use and water quality index

3.2.3 土地利用與水質的單因素分析

耕地與水質指標的單因素分析結果見圖3。5月BOD5、CODCr整體位于藍色圈內，表明耕地與該水質指標呈極顯著負相關（P＜0.01）。6月NH4+-N穿過紅色圈，其他指標均穿過藍色圈，表明耕地與NH4+-N呈顯著正相關（P＜0.05），而其余指標與耕地呈顯著負相關（P＜0.05）。7月BOD5、DO、CODCr穿過紅色圈，而TN、TP和水溫則穿過藍色圈，表明耕地與BOD5、DO、CODCr呈顯著正相關（P＜0.05），而與TN、TP有顯著負相關關系（P＜0.05）。

圖3 耕地與水質指標的單因素分析Fig. 3 Single factor analysis of cultivated land and water quality indicators

住宅用地與水質指標的單因素分析結果見圖4。5月BOD5、CODCr整體位于紅色圈內，說明BOD5、CODCr與住宅用地呈極顯著正相關（P＜0.01），而NH4+-N與住宅用地顯著呈負相關（P＜0.05）。6月僅CODCr穿過紅色圈，CODCr與住宅用地呈顯著正相關（P＜0.05），而其余指標均與兩個線圈相切，表明兩者并無相關性。7月水溫、DO穿過紅色圈，TN、TP、BOD5和CODCr則穿過藍色圈，表明水溫、DO與住宅用地呈顯著正相關（P＜0.05），而TN、TP、BOD5和CODCr與住宅用地呈顯著負相關（P＜0.05）。

圖4 住宅用地與水質指標的單因素分析Fig. 4 Single factor analysis of residential land and water quality indicators

園地與水質指標的單因素分析結果見圖5。5—7月除了BOD5、NH4+-N、水溫和DO以外其余指標均分別穿過紅色圈，而BOD5、NH4+-N、水溫和DO穿過藍色圈。表明在5—7月BOD5、NH4+-N、水溫和DO分別與園地呈顯著負相關（P＜0.05），其他指標在5—7月均與園地均有顯著正相關關系（P＜0.05）。

圖5 園地與水質指標的單因素分析Fig. 5 Single factor analysis of garden plot and water quality indicators

4 結論與討論

本研究以滇東南8個湖庫型飲用水源地3個時間段內水質監測數據為基礎，結合土地利用類型遙感解譯結果，通過Pearson相關性分析、冗余分析和單因素方法手段，旨在厘清各水質指標對不同土地利用結構的響應過程，得出如下結論：1）紅旗、合作水庫采樣周期內未達到水質考核標準，超標因子為TN和TP。5月、6月水源地水環境質量明顯優于7月。2）整體上，8個湖庫型飲用水源地水體均處于貧營養化狀態；單因子評價結果表明：DO為主要驅動因子，BOD5、TN為潛在污染項目；江東水庫向中營養化演變趨勢尤為明顯，亟需開展水環境保護工作。3）湖庫型水源地水質對保護區內土地利用類型的響應較好。具體表現為：Pearson相關性分析中住宅用地、園地與TN、TP間呈顯著正相關。RDA分析時園地面積比例（Gar%）與TP、CODCr均在同一象限，與DO則呈顯著負相關，表明這2種土地利用類型是面源污染物輸出的主要源景觀。

5月開始各水源地水體富營養化程度逐漸升高。究其原因，與降雨徑流和農業耕作制度有關。非點源污染的形成離不來降雨和地表徑流，且降雨是土壤養分流失的重要驅動力。滇東南屬于亞熱帶季風氣候區，降雨周期短，單次降雨量大，水土更易流失。此外，調查發現，研究區域內耕地主要種植玉米和烤煙。玉米（Zea mays）在6月末7月初拔節前施氮肥，其間還要視情況噴施農藥以防治病蟲害。同時期烤煙也要進行施肥、覆膜等農事活動，且農藥的施用量更大。在這樣的耕作背景下，加之降雨的外力驅動，導致水質惡化，水體富營養化程度升高。

本研究中江東水庫富營養化狀況在時間序列上差異較大，分析原因可能和耕地景觀類型有關。該水庫一級保護區內耕地面積占比為8個水庫之最，二級保護區內耕地占比亦超過30%。另一方面，該水庫的保護區面積僅為2.96 km2，匯水面較小的同時也就意味著污染物的輸移距離較短，衰減周期較短[24]。坡耕地中產生的氮磷等污染物在地表徑流的作用下很快進入湖庫水體，入庫量相對于產生量削減不明顯。

由于不同土地利用方式和人類活動強度的差異，不同類型景觀上污染物負荷有所不同。水質退化的主要貢獻源來自于住宅用地，受人為活動影響較大[25-26]。本研究中住宅用地與TN、CODCr均為極顯著正相關，與溶解氧為顯著負相關關系。本研究中紅旗水庫住宅用地面積最大，3個月水質采樣分析均為Ⅲ類水，超標因子為TN。汛期正值高溫高濕高熱季節，微生物活動加強，居民區堆放的生活垃圾在微生物的分解作用下，表現出較高的氮磷含量[24]，加之強降雨對不透水面的沖刷作用，使得本已失去植被和土壤對氮磷的過濾吸收和轉化存儲功能的住宅區表現出較高的氮素輸出[26]。另外，人類活動產生的生活廢水排入水體，也是造成水質惡化的主要原因。

本研究中耕地與水質指標間的相關性顯著，這與其他研究結論是一致的：潮河流域[27]耕地面積與TN、TP間表現為正相關性，說明耕地是污染物負荷的主要貢獻源。而張海艷[28]的研究發現于橋水庫流域內耕地與水質呈負相關關系。另外，滇東南地區的耕作大都采用翻耕形式，也一定程度上增加了土壤養分流失的可能。表明庫區水質受耕地的影響尤為強烈，因此，通過改變耕作方式、種植生物等水土保持措施對農田土壤養分侵蝕流失具有遏制作用，從而有效地控制面源污染物的流失。

包姍姍等[29]認為流域內水體營養鹽高負荷與園地所占面積比例有著很強的關聯性。本研究中園地的面積比與TN和CODCr具有顯著正相關性。這與實際調查中所獲知的果農施肥對氮肥的依賴程度較高情況相符。不同的是，吉冬青等[30]的研究發現園地與CODCr、TP、NH4+-N之間呈負相關，與NO3-N+、NO2-N呈正相關。這表明園地與水質間相互關系指向性尚無確切定論，這主要是由于園地使用的化肥、農藥通過地表徑流進入河流會使河流營養鹽增加，但其地表植被又對污染物有吸附、吸收和滯留的作用，流域管理方式及水質監測頻次等都是產生這種不確定性的主要原因。

土地利用結構對區域水文過程和水質的重要性已被充分證實，針對面源污染較嚴重流域的“源”“匯”景觀空間布局進行調控是一種最佳的策略。孔佩儒等[31]提出：沿水岸帶設置400～800 m緩沖帶，優化效果最為明顯，對流域現有面源污染風險具有宏觀調控作用。黃寧等[32]從流域和斑塊兩個層次針對不同的關鍵“源”景觀類型，制定了9類調控與優化方法，系統地構建了一套以面源污染控制為目標的景觀格局調控框架。上述研究從不同土地利用類型空間配置的角度出發，提出的優化和控制措施，對湖庫型水源地面源污染控制有著極高的借鑒意義和參考價值。