云南省农用地土壤生态环境基准与质量标准建立的思考及建议
The Establishment of Soil Eco-Environmental Criteria and Environmental Quality Standards for Agricultural Land in Yunnan Province
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摘要: 自2016年《土壤污染防治行动计划》颁布以来,土壤环境质量问题受到广泛关注。农用地土壤环境状况直接关系到农产品质量安全、生态安全和人体健康,亟需制定农用地土壤环境质量标准及各地方标准。为满足云南省高原特色农业的可持续发展,制定更适用于当地的农用地土壤环境质量标准,需全面分析我国农用地土壤环境质量标准的不足和国内外农用地土壤筛选值的制定方法。建议从云南省土壤实际情况出发,综合运用土壤环境地球化学法、健康风险评估法、生态风险评估法和地下水保护目标法来制定云南省农用地土壤生态环境基准和环境质量标准。Abstract: With the promulgation of the Action Plan for Prevention and Control of Soil Pollution in 2006, the soil environmental quality issue has been widely concerned. The soil environment quality of agricultural land is directly related to the quality safety of agricultural products, ecological safety and human health. Therefore, it is urgent to establish soil environmental quality standards for agricultural land and local authorities. In order to meet the sustainable development of plateau characteristic agriculture in Yunnan Province and formulate relatively reasonable soil environmental quality standards for local agricultural land, it is necessary to thoroughly analyze the deficiency of soil environmental quality standard of agricultural land in China and the establishment method of soil screening value of agricultural land at home and abroad. It is suggested that soil environmental geochemical method, health risk assessment method, ecological risk assessment method and groundwater protection objective method should be comprehensively used to establish soil eco-environmental criteria and environmental quality standards for agricultural land based on the actual situation of soil in Yunnan Province.
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水库具有养殖、航运、灌溉、防洪和供水等多种生态功能,是我国重要的地表水源[1]。相比于江河,水库流速缓慢、水面宽阔、水体较深,库内水体更替缓慢,各种有机物、营养盐等物质易于在库区富集,进而引起水华季节性爆发等问题[2]。根据平均水深可将水库湖泊分为三类:浅水型 (<10 m) 、亚深水型 (10~50 m) 和深水型水库 (>50 m) 。水库环境和生态系统受水深影响显著,其中深水型水库在夏秋季节更容易出现垂直热分层现象,从而抑制热量、氮磷营养盐及溶解氧的纵向输移,影响水质及藻类群落的分布[3-4]。另外,由于水库本底营养盐水平较高,库底沉积物中的氮磷营养物质易于在夏季释放至水体中,从而造成深水型水库水华现象频发。罗婧等[5]对红枫湖沉积物磷释放通量的估算后发现,磷在夏季的释放通量达到6.3~8.0 t,约占水体磷物质总量的22%~28%。曾明正等[6]对我国北方地区周村水库进行研究后发现,水体分层期处于4—11月,此时优势藻属由绿藻门 (45.9%) 变化为硅藻门 (58.4%) ;混合期为12月至来年3月。因此,深水型水库分层现象导致的水质因子变化是影响藻类群落演替与爆发的主要因素,明晰水库垂向分布水质因子和藻类群落变化规律有助于防范和治理水库“藻华”现象的发生。
近年来,国内相关深水型水库藻类爆发问题频发,对水库生态环境造成严重影响[7-8]。东圳水库位于莆田市,核准水位为88.1 m,总库容为4.35
×108 本研究以2019年12月至2020年6月间东圳水库水质和藻类群落监测数据为基础,探究水库不同时期环境因子和藻类群落的垂向分布特征,通过RDA分析(redundancy analysis, RDA)明确二者之间的相互作用。根据不同季节环境因子与藻类群落垂向变化的分布热图,进一步探讨环境因子变化造成水库藻类爆发的关联机制,并提出防范水库“水华”的相关措施,以期为该水库“水华”现象的精准防控提供参考。
1. 材料与方法
1.1 研究区域
根据东圳水库面积大小、形态特点及项目研究需要,结合实地考察,确定布设水环境采样点S1 (118°58’37”N, 25°29’2”E) 为分层采集样品点位。自水面至水底均匀分为3层,分别取采集表层 (水下0.5 m) 、中层 (水下10 m) 、深层 (水下20 m) 的样品。
1.2 样品采集
据《水质样品的保存和管理技术规定》(HJ493-2009)相关规范,采取瞬时水样,每层采水样3 L,装入有编码的样品袋,4 ℃冷藏保存带回实验室。水深、水温、溶解氧 (dissolved oxygen,DO)、pH现场检测记录,总氮 (total nitrogen,TN) 、总磷 (total phosphorus,TP) 、化学需氧量 (chemical oxygen demand,CODMn) 等指标带回实验室监测分析。
1.3 水质参数测定
水质分析方法参照《水和废水监测分析方法》 (国家环境保护总局编委会,2002) 。TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 (HJ 636-2012) 测定;TP采用钼酸铵分光光度法 (GB 11893-89) 测定;CODMn采用高锰酸盐指数的测定方法 (GB 11892-89) 测定;叶绿素a (Chlorophyll a,Chl-a) 采用丙酮法 (SL 88-2012) 测定。
1.4 浮游藻类鉴定及计数
取混匀水样50 mL,加入5%甲醛溶液固定保存样品,依据《中国淡水生物图谱》、《中国淡水藻志》和《中国淡水藻类—系统、分类及生态》进行藻类种类鉴定。浮游植物定量检测时,吸取0.1 mL置于0.1 mL计数框内 (面积20 mm×20 mm) 进行计数,在10×40倍镜下选择3~5行逐行计数。若部分点位浮游植物数量很少,则全片计数。各样品均计数2片,取平均值。藻类数量计算见式 (1) 。
N=N0N1×V1V0×Pn (1) 式中:N为1 L水样中浮游植物的数量,个;N0为计数框总格数,个;N1为计数过的方格数,个;V1为1 L水样经浓缩后的体积,mL;
V0为 Pn 1.5 数据处理与分析
采用CANOCO 5.0对各项指标进行RDA分析,分析前利用蒙特卡罗检验排除贡献小的环境因子。采用Origin 2017中的数据拟合功能实现对水环境因子及藻类群落的垂向分布拟合。
2. 结果与讨论
2.1 水质变化分析
如表1所示,东圳水库水温随季节变化较大。12月、1月和3月水温平均值分别为 (16.33±0.21) ℃、 (13.77±0.15) ℃和 (16.97±0.23) ℃。此阶段属于水库混合期,水温垂向差异较小。4月—6月水温平均值分别为 (18.43±2.50) ℃、 (21.03±5.37) ℃和 (26.60±4.47) ℃。此阶段属于水库分层期,水温垂向差异较大。pH与水深呈负相关,表层水体呈弱碱性,而深层水体呈弱酸性;且分层期pH的降幅更为明显,6月份最为显著,表层、中层和深层pH分别为8.23、6.00和5.73。这是由于分层期表层水体光照充足,水温较高,导致藻类数量较多、活性较强,大量藻类的光合作用改变了水体中的碳酸盐平衡,导致pH较高[14];而底层水体由于温度升高、DO较低,底部沉积物水解酸化加剧,导致深层水体pH远低于表层水体。溶解氧 (DO) 随深度增加不断降低,混合期 (12月—3月) DO随水深变化较弱,分层期 (4月—6月) 受水深影响显著,呈现表层浓度高,深层浓度低的规律。此现象与高锐等[15]对潘家口水库DO与温度呈正相关,且受热分层影响显著的研究结论一致。TN和TP垂向差异较小, TN在5月最低,平均质量浓度为 (0.21±0.08) mg·L−1;在6月最高,平均质量浓度为 (0.55±0.04) mg·L−1。TP为0.01~0.03 mg·L−1,深层水体TP略高于表层水体,这可能是由于厌氧条件下水库沉积物中磷物质的释放所致[16-17]。由此可见,东圳水库TP释放浓度较低,且季节性变化不明显,水库平均N/P达到32.4 (最低值为10,最高值为59) ,属于典型的磷限制型水库 (N/P>16)[18]。
表 1 东圳水库2020 年12月至2021年6 月期间水质参数变化特征Table 1. Variation characteristics of water quality parameters of Dongzhen Reservoir from Dec. 2020 to Jun. 2021垂直分布 月份 水温/ pH DO/ TN/ TDN/ NO3-N/ NH3-N/ TP/ CODMn/ Chl-a/( ℃ (mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) (mg·L−1) Cells·L−1) 表层 0.5 m 12 16.50 7.01 7.26 0.41 0.39 0.26 0.37 0.01 2.68 3.61 1 13.60 5.32 7.88 0.30 0.26 0.27 0.03 0.01 2.63 6.97 3 17.10 6.85 8.94 0.27 0.26 0.25 0.06 0.01 4.38 3.22 4 20.90 7.99 9.45 0.34 0.23 0.31 0.04 0.01 3.12 7.59 5 27.00 9.15 9.24 0.14 0.13 0.07 0.05 0.03 4.57 12.08 6 31.30 8.23 8.4 0.52 0.38 0.44 0.03 0.01 4.62 5.82 中层10 m 12 16.40 6.96 7.1 0.47 0.36 0.23 0.31 0.02 2.87 3.00 1 13.80 5.08 7.94 0.30 0.28 0.24 0.02 0.01 2.73 6.97 3 17.10 6.95 8.92 0.27 0.22 0.23 0.07 0.01 4.3 1.95 4 18.50 7.25 7.09 0.40 0.14 0.35 0.08 0.01 2.85 2.65 5 19.50 6.80 2.57 0.20 0.18 0.17 0.09 0.02 4.06 6.62 6 26.10 6.00 4.3 0.54 0.41 0.43 0.05 0.01 4.59 11.10 深层20 m 12 16.10 7.03 7.61 0.39 0.38 0.31 0.03 0.01 2.78 4.80 1 13.90 5.12 7.76 0.29 0.20 0.22 0.02 0.01 2.25 7.12 3 16.70 6.90 6.73 0.30 0.33 0.27 0.02 0.01 4.96 1.92 4 15.90 6.82 2.81 0.47 0.25 0.45 0.14 0.02 2.85 3.42 5 16.60 6.70 1.97 0.29 0.23 0.18 0.15 0.01 4.11 1.76 6 22.40 5.73 4.17 0.59 0.36 0.25 0.30 0.01 4.65 6.00 2.2 藻类群落结构的垂向分层与季节性变化
东圳水库藻类群落结构(属水平)随深度的分布规律如图1 所示。监测期内共检出浮游藻类7门39属,其中硅藻9属、蓝藻6属、绿藻16属、金藻和甲藻各2属、裸藻和隐藻各1属。水库全年浮游藻类群落结构主要以硅藻、蓝藻、绿藻和隐藻为主,且受到水深和季节变化的影响显著。硅藻和隐藻密度在1月份 (混合期) 深层水体达到最高;4月至6月期间,硅藻和隐藻主要集中于中层 (4~10 m) 水体。隐藻由于具有特殊的细胞膜和光合色素,其鞭毛可使其向水层中高营养盐浓度区域迁移以满足生长需求,因此在不同浓度营养盐环境中均能占优势[19-20]。此外,隐藻兼具自养和异养生长功能,高有机质的水体中利于其生长[21]。杨威等[22]对刘桥湖研究发现,秋季湖水透明度较低、营养盐含量较高及适宜的水温,为卵形隐藻的生长提供了条件。东圳水库隐藻门类也可能以卵形隐藻为主,且具有较高生物量。而绿藻因其趋光性较强以及更适宜于较高水温,浓度在6月达到最高,主要集中于表层-中层 (0~10 m) 水体。何少钦等[9]对东圳水库2019—2020年的藻类变化研究也发现,藻细胞浓度在6—8月份后相对处于较低水平。 进一步对藻类属水平的垂向分布可知,在表层水体, 12月和1月份尖头藻 (Raphidiopsis) 和直链藻 (Melosira) 的占比分别达到90.76%和88.26%;在3—4月,直链藻 (Melosira) 和隐藻 (Cryptophyta) 占比之和分别达到95.19%和92.6%;在5—6月,其他藻类占比显著增加,藻类多样性升高,以绿藻和蓝藻为主。中层 (10 m) 水体优势藻类与表层水体大致类似,但藻细胞浓度有所下降,其中针杆藻 (Synedra acus) 和曲壳藻 (Achnanthes) 占比有所升高。深层水体藻类密度和多样性进一步降低,优势藻类仍以直链藻 (Melosira) 、针杆藻 (Synedra acus) 、尖头藻 (Raphidiopsis)、细鞘丝藻 (Lyngbya) 和隐藻 (Cryptophyta) 为主。其中在温度较低的12~1月,直链藻 (Melosira) 、尖头藻 (Raphidiopsis) 之和的占比仍达到94.70%和88.78%;3—5月份主要以直链藻为主,占比分别达到94.21%、97.66%和52.99%;而6月份则又以尖头藻 (Raphidiopsis) 为主,占比达到91.79%。在20 m深的水库水体,直链藻为优势藻类。该藻属于典型硅藻门,常作为优势藻类在我国深水库源中被检测到[23-24]。参照优势藻类分布与水体营养盐判定[25],东圳水库水体呈现“富营养”状态。
2.3 不同深度藻类与水质因子偶联关系分析
采用RDA分析研究藻类群落与不同水质指标之间的偶联关系。图2 (a) 为藻类群落与环境因子的整体RDA分析结果,其中RDA1占比达到43.54%,RDA2占比达到24.18%,较好地解释了数据总差异。整体来看,水温、DO、pH、TN等水质因子对甲藻、蓝藻、绿藻和裸藻门生长具有一定促进作用,但对硅藻和隐藻门群落影响较弱。水温和TN对藻类群落影响显著[26],本研究中的绿藻、蓝藻和甲藻门也呈现相似规律,但隐藻和硅藻则与水温、pH、CODMn和TN呈较弱相关性或是负相关。这主要是由于硅藻门和隐藻门的特异性导致。这与甄卓[27]对东圳水库蓝藻群落结构及多样性研究中的RDA分析结果一致。在表层水体 (图2 (b) ) ,绿藻、蓝藻和甲藻门显著受到水温、TN、pH和CODMn的影响。其中,水温是最主要因素,硅藻、隐藻和裸藻则受DO影响较大。在中层水体 (图2 (c) ) ,绿藻门与水温呈现极其显著的相关性 (P<0.01) 。在深层水体 (图2 (d) ) ,蓝藻和绿藻门与环境因子相关性较差,甲藻和裸藻与水温、TN和CODMn相关性显著,隐藻和硅藻则与DO相关性较大。闫苗苗等[28]也发现,表层水体藻类群落与水温、DO、pH、浊度、TP、NH4+-N和Chl-a等多种水质指标因子有关,在水深6 m处的藻类群落主要受到TN、电导率和铁盐的影响。
图3表示不同时期水质因子与藻类群落的垂向交互影响。如图3 (a) 所示,水库在12月至次年3月的混合期垂向温度差异较小;而4—6月的分层期水温垂向最大温差可达7.9 oC。李衍庆等[29]在对陕西李家河水库的研究中也发现类似现象。水温是影响水库水质的重要因子,温度差异导致水体分层,影响营养盐扩散,同时也影响藻类同化作用、细胞酶活性和代谢速率,进而改变藻类群落生长和分布特征[30]。根据图3中不同门类藻的垂向分布变化可知,混合期硅藻门和隐藻门在深层水体的密度高于表层水体,绿藻门则呈现相反规律;在分层期,表层水体中硅藻、隐藻和绿藻门的生物量明显高于深层水体,且与水温呈显著正相关关系。如图3 (d) 所示,混合期DO同水温呈现相似规律,DO垂向差异较小;分层期DO的垂向分布差异显著。尤其在6月份,DO在0~1 m的区域较高,水深大于1 m的水体DO骤降。这主要是因为表层水体与空气接触密切,易于与外界交换补充溶解氧,而较深水域光照强度较弱,水体结构较稳定,DO沿水体垂向混合作用较弱。硅藻、绿藻、隐藻、蓝藻和裸藻在5—6月达到最高,且主要分布于2~8 m处。如图3 (k) 和图3 (d) 所示,甲藻数量主要在6月达到最高,且主要分布于水体0~2 m,其垂向分布与DO呈现一致性。
图3还表明,混合期TN受水深影响较小,而分层期TN随着水深增加明显升高,水库在6月份表层、中层和深层TN浓度分别达到0.523、0.536和0.589 mg·L−1。这主要是因为分层期水库水温升高,但溶解氧的置换作用减弱,下层水体以酸性厌氧环境为主,有利于水库沉积物中氮物质的释放,导致下层总氮浓度偏高。另外,值得注意的是,3—6月水库TN整体呈现上升趋势,但在5月份时,表层、中层和深层的TN均骤降。曾明正等[6]在对周村水库水体季节性分层现象及其水质响应特性的研究中也发现类似现象。分析其原因是周村水库4—5月期间,浮游植物密度不断上升,TN持续下降。根据图3 (f) ,在3月、5月和6月, CODMn整体呈现上升趋势,并在6月达到最高。但在4月份时水库CODMn骤降,混合期CODMn远低于分层期,较TN骤降提前了一个月。这可能与藻类将水体中的NO3-N转化为NH4+-N才能利用有关[31],NO3−-N被吸收转化为藻细胞内部氨基酸或含碳化合物的同时,伴随部分当量化合物和骨架碳等物质的消耗[32]。
图4表示监测期间水库中不同形态氮的转化比例。在12月份,表层、中层和深层水体NH4+-N的质量浓度分别为0.37、0.31和0.03 mg·L−1,明显高于其他月份,这可能与外源输入有关。在1—3月,TN不断升高;而在4—5月,TN整体下降,其中NO3−-N质量浓度明显下降,NH4+-N质量浓度却略有升高。NH4+-N质量浓度在表层、中层和深层水体分别上升20.0%、11.1%和6.7%,NO3−-N质量浓度分别下降77.4%、51.4%和60.0%。此现象与藻类生长爆发有关,5月份表层和中层水体叶绿素a质量浓度相对4月分别上升了37.2%和60.0%,深层水体叶绿素a质量浓度降低了94.3%。陈文煊等[33]在对富营养化藻类爆发过程中不同形态氮的利用研究中发现,随着微囊藻生物量的上升,NH4+-N质量浓度在前期呈现较大波动,后期缓慢上升;而NO3−-N质量浓度则在一开始就呈现不断降低的规律现象。这说明藻类主要利用NO3−-N,表层水体由于光照充足、DO高,NO3−-N被藻类的利用率也最高。
2.4 针对水质因子垂向分层与季节性变化的藻类防控措施
深水型水库随季节变迁具有明显的水体分层特征和水质时空差异性,影响东圳水库浮游植物群落分布的环境因子主要有光照、水温、DO、pH和氮素等。东圳水库藻类群落垂向分布及氮形态转化过程如图5所示。水库氮素污染由外源输入和内源释放为主,混合期主要为NH4 +-N输入过程,表层好氧环境下NH4 +-N转化为NO3−-N,向水库底部沉积。在分层期,表层仍以外源性氮输入为主,而深层水体沉积物发生氮的内源性释放,且随着条件变化NH4 +-N和NO3−-N形态间发生转化。如图5 (a) 所示,混合期优势藻类为硅藻和隐藻,且在垂向均匀分布。水温、光照等因子主要影响水体藻-菌联合体系对氨氮和硝态氮的吸收转化速率,进而影响藻类群落分布及变化规律[34]。如图5 (b) 所示,分层期由于水热分层现象的发生,表层水体受光照、水温和DO等物理因素与氮、磷和CODMn等化学因素的综合影响,外源输入的NH4+-N在好氧环境下发生硝化反应,转换为NO3−-N,因此藻细胞质量浓度达到最高,优势藻类以趋光性较强的绿藻门和蓝藻门为主。相关研究也表明[35],水库春季多以低温、小型且高比表面积型的绿藻、硅藻和甲藻为主;而夏季多以高温、大型或团状且低比表面积型的蓝藻、绿藻和硅藻为主。深层水体由于水温升高,但DO较低,厌氧条件加剧底层沉积物水解酸化、氮磷释放,优势藻类以硅藻和隐藻为主,造成藻类群落演替的主要因素为氮、磷物质,其中氮形态仍以NO3−-N为主,但由于异化还原为铵 (dissimilatory nitrate reduction to ammonium, DNRA) 作用,NH4+-N占比升高,此现象在深层水体最为明显。根据2017年对东圳水库氮磷污染源的调查结果[36],水库TP、NH4+-N和TN的外源性输入总量分别达到20.54、83.25和135.43 t,流域主要污染物为NH4+-N和TN,其中农业面源污染贡献总氮符合达到66.3%,农村生活污水贡献占比达到11.6%。相关学者对东圳水库2018年污染负荷的预测也发现,由农业面源导致流域内TP、NH4+-N和TN的污染负荷分别占入库总量的66.6%、65.4%和67. 9%,污染源以流域内分布的57.33 km2枇杷树为主,果园每平方千米年平均化肥施用量达307.5 t[37]。
综上所述,东圳水库在时间上分为混合期和分层期2个阶段,水库主要受到来自农业面源的氮污染,季节变化使得水温、DO和光照等环境因子发生变化,导致氮的浓度和形态发生变化。尤其在夏季,库体水温和DO升高、光照增强,水库发生明显分层现象,由外界输入至表层的外源性氮素无法沉淀到底部,底部沉积物中的内源性氮发生释放,为藻类提供营养条件,属于水华风险易发期。水华治理可将水体水质因子与浮游植物生长策略相结合[38]。针对东圳水库水华防治方案见图6。具体措施有如下4点。1) 严控点源污染:通过现场水处理站对当地农业、工业等排放的点源性高浓度污染物集中处理后再排放,直接减少污染物向水库的直接输入。2) 降低农业面源污染输入[39]:通过对流入水库的水体进行前置处理可有效减轻水库水质污染,降低入库水体浊度,削减水库氮、磷输入量,是水库生态系统良性发展的重要措施。边博等[40]采用复合型前置库减少塘马水库污染物输入量时发现,系统滞水1天,入库水体氮、磷、COD平均削减率可分别达67.2%、68.2%及89.3%。3) 建设水力扰动设施:东圳水库属于深水型水库,夏季具有明显分层现象,水力扰动可有效破坏库体热分层结构、改善光照条件以及抑制深层水体氮磷营养盐的释放作用,从而改变藻类生境条件,降低水华现象的发生风险。目前该技术在天津于桥水库、西安黑河水库和太原汾河水库等水体的水华防治工程中见到显著效果[41-43]。4) 增设原位修复装置[44-45]:当发生水华时,可通过机械除藻、黏土除藻、控造船原位打捞等技术,实现水库水华的修复与治理。
3. 结论
1) 东圳水库共检出浮游藻类7门39属,其中硅藻9属、蓝藻6属、绿藻16属、金藻和甲藻各2属、裸藻和隐藻各1属。全年浮游藻类群落结构主要以硅藻、蓝藻、绿藻和隐藻为主。
2) 藻类群落垂向分布受不同水质指标影响,且呈显著差异性。表层水体藻类群落显著受水温、TN和CODMn影响。在中层水体,绿藻、蓝藻和甲藻门与水温和TN呈显著相关性,硅藻、隐藻和裸藻门与DO和pH值呈负相关性。在深层水体,蓝藻和绿藻门与环境因子相关性较差,甲藻和裸藻主要受水温、TN和CODMn的影响,DO是影响隐藻和硅藻的主要水质因子。
3) 水温、pH和溶解氧是影响氮形态转化的关键因子,进而影响藻类群落。分层期表层水体优势藻类以绿藻门和蓝藻门为主;深层水体由于厌氧条件以及水温升高等因素驱动沉积物中的氮释放及其形态转化,优势藻类以硅藻和隐藻为主。
4) 东圳水库氮磷污染物来源以农业输入为主,水华风险易发生于夏季分层期,垂向分布于0~10 m水体范围内。当地政府可通过严控点源污染、减少农业面源输入、建设水力扰动设施和增设原位修复装置等措施,全方位加强水库富营养化治理,防控东圳水库水华现象的发生。
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