長(zhǎng)期不同農(nóng)作行為對(duì)貴州貓洞小流域淺層地下水的影響

長(zhǎng)期不同農(nóng)作行為對(duì)貴州貓洞小流域淺層地下水的影響

由于農(nóng)業(yè)人口眾多，生產(chǎn)區(qū)的負(fù)荷較大，種植面積也比較低。在有限的耕地上提高復(fù)種指數(shù)和施肥是提高作物產(chǎn)量的主要措施,這也造成土壤氮磷含量的增加,進(jìn)而影響了水環(huán)境質(zhì)量?？λ固鼐哂歇?dú)特的二元水文結(jié)構(gòu),地下水的動(dòng)態(tài)變化與地表水存在直接的聯(lián)系,農(nóng)業(yè)活動(dòng)已成為喀斯特地下水污染的重要原因,特別是化學(xué)肥料和農(nóng)藥的施用對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生了明顯地影響。本文通過(guò)對(duì)作物-土壤-水體間變化及其相互影響研究,闡明喀斯特農(nóng)業(yè)土地利用過(guò)程中不同農(nóng)作方式對(duì)淺層地下水環(huán)境質(zhì)量的影響,以期為喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)及水資源的保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1農(nóng)業(yè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件普定縣位于貴州省中部偏西,處于烏江上游三岔河(屬長(zhǎng)江水系)與打幫河(屬珠江水系)分水嶺的北坡。貓洞小流域位于三岔河在普定縣下游的貓洞鄉(xiāng)境內(nèi),位于三岔河南岸,涉及可處、補(bǔ)堆、大荒地、紅巖、熬硝壩、掛多等村寨,面積約15km2,屬于峰叢型小流域。小流域內(nèi)部分山頂有保存較好的喬木林,也有因人為破壞而導(dǎo)致退化的灌木林地和灌叢草地。本區(qū)大部分成壤母質(zhì)以碳酸鹽巖(石灰?guī)r和白云巖)為主,碳酸鹽巖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期風(fēng)化而形成的石灰土,土層淺薄且不連續(xù),一般厚度為30~50cm,土壤質(zhì)地粘重,呈弱堿性。緩坡土層厚的地方為主要旱耕地,溝谷溪水兩側(cè)分布少量水田,溝谷坡上分布著村落。本區(qū)域農(nóng)業(yè)人口多,種植業(yè)比重大,以旱作農(nóng)業(yè)為主,玉米產(chǎn)量一般在3000~4500kg·hm-2,產(chǎn)量較低,施肥是提高作物產(chǎn)量的主要措施。依舊根據(jù)農(nóng)戶對(duì)土地的利用方式,把本小流域劃分為3個(gè)區(qū)域:低復(fù)種旱作農(nóng)業(yè)區(qū)、高復(fù)種旱作農(nóng)業(yè)區(qū)、高復(fù)種復(fù)合農(nóng)業(yè)區(qū),簡(jiǎn)稱低復(fù)種旱作區(qū),高復(fù)種旱作區(qū),高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)。1.2樣地的選取和土壤混合于2007年7—9月(酶活性較高的夏末秋初)選取有代表性且母質(zhì)相同(石灰?guī)r)的3類農(nóng)作區(qū)各7塊樣地。每個(gè)樣地內(nèi)選取5~8個(gè)樣點(diǎn),采集樣點(diǎn)表層土壤(0~15cm)混合。土壤有效磷采用Olsen法測(cè)定,有效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定,有效鈣和鎂采用醋酸銨浸提-EDTA滴定法測(cè)定,其他項(xiàng)目采用常規(guī)方法測(cè)定。1.3測(cè)定指標(biāo)及方法在相應(yīng)的農(nóng)業(yè)區(qū)采集從巖層裂隙中常年滲出的巖溶水作為淺層地下水水樣。采集的流水樣,盛于清潔的塑料瓶中,并在24h內(nèi)送實(shí)驗(yàn)室分析。水樣經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾,測(cè)定其水化學(xué)參數(shù),具體指標(biāo)包括pH值、高錳酸鉀指數(shù)、8種離子濃度(HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、NO3-、Cl-、NH4+、PO43-)。NH4+采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定;NO3-采用紫外分光光度法測(cè)定;PO43-采用異丁醇萃取-鉬藍(lán)比色法測(cè)定;HCO3-采用電位滴定法測(cè)定;SO42-采用EDTA間接滴定法測(cè)定;Ca2+和Mg2+采用EDTA滴定法測(cè)定;K+和Na+采用火焰光度法測(cè)定;高錳酸鉀指數(shù)采用酸性高錳酸鉀氧化法測(cè)定;Cl-采用硝酸銀滴定法測(cè)定。1.4數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和處理數(shù)據(jù)經(jīng)Excel整理后,采用SPSS(10.0)和DPS(V7.05)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。2結(jié)果與分析2.1淺層地下水主要離子和元素濃度分布特征從表1看出,淺層地下水中陽(yáng)離子主要是Ca2+、Mg2+,其濃度變化范圍分別為67.8~136.04mg·L-1、14.01~35.44mg·L-1。陰離子主要是HCO3-、SO42-,其濃度變化范圍分別為83.8~225.8mg·L-1、63.3~166.4mg·L-1?？梢?小流域內(nèi)喀斯特淺層地下水化學(xué)類型以HCO3-Ca型為主。低復(fù)種旱作區(qū)、高復(fù)種旱作區(qū)、高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)的地下水中Ca2+含量占離子總量(HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、NO3-、Cl-、NH4+、PO43-之和)的平均百分?jǐn)?shù)(n=7)分別是19.61%、16.31%和21.98%,而Mg2+含量則分別是4.05%、5.96%和5.73%;低復(fù)種旱作區(qū)、高復(fù)種旱作區(qū)、高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)的地下水中HCO3-含量占離子總量的平均百分?jǐn)?shù)分別是52.07%、46.39%和36.48%?？梢?不同農(nóng)用條件下淺層地下水的化學(xué)組成發(fā)生改變,影響了淺層地下水水質(zhì)。通過(guò)對(duì)淺層地下水中主要離子和元素濃度進(jìn)行多重比較(SSR),隨著復(fù)種強(qiáng)度的不同,淺層地下水中主要離子和元素濃度有較大差異(見表1)。從低復(fù)種指數(shù)旱作區(qū)、高復(fù)種指數(shù)旱作區(qū)到高復(fù)種指數(shù)復(fù)合農(nóng)作區(qū),淺層地下水中的NO3-、NH4+、PO43-、高錳酸鉀指數(shù)和SO42-的含量依次增大,其中NO3-、NH4+、PO43-、高錳酸鉀指數(shù)的含量均呈顯著上升趨勢(shì)。低復(fù)種指數(shù)旱作區(qū)淺層地下水中NO3-含量與高復(fù)種旱作區(qū)、高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)的差異達(dá)極顯著水平,而高復(fù)種旱作區(qū)與高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)間的差異不顯著;低復(fù)種指數(shù)旱作區(qū)淺層地下水PO43-含量與高復(fù)種旱作區(qū)、高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)差異均達(dá)顯著水平,而高復(fù)種旱作區(qū)與高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)間的差異也不顯著;淺層地下水NH4+、K+含量和高錳酸鉀指數(shù)從低復(fù)種指數(shù)旱作區(qū)、高復(fù)種旱作區(qū)到高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū)依次增大,但差異均未達(dá)顯著水平。各農(nóng)作區(qū)間淺層地下水中SO42-含量差異均達(dá)顯著或極顯著水平。隨著種植模式改變,從低復(fù)種旱作區(qū)、高復(fù)種旱作區(qū)到高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū),其地下水的SO42-比例出現(xiàn)明顯增加。由此可見,從低復(fù)種旱作區(qū)、高復(fù)種旱作區(qū)到高復(fù)種復(fù)合農(nóng)作區(qū),淺層地下水中PO43-、NH4+、NO3-、有機(jī)質(zhì)等富營(yíng)養(yǎng)化因子和K+含量明顯增加,從而影響水環(huán)境質(zhì)量。2.2土壤性質(zhì)與平坦地下水質(zhì)量的關(guān)系2.2.1土壤養(yǎng)分含量與土壤nh4+的關(guān)系不同農(nóng)作方式下,該區(qū)域的土壤性質(zhì)發(fā)生較大變化,將土壤理化指標(biāo)與淺層地下水進(jìn)行分析可見(表2),淺層地下水中PO43-含量與土壤全磷和速效磷含量達(dá)極顯著正相關(guān);淺層地下水中NO3-含量與土壤有機(jī)質(zhì)、腐植酸、全氮、堿解氮含量呈正相關(guān),但不顯著。淺層地下水中NH4+與土壤CEC、交換鎂達(dá)顯著和極顯著正相關(guān)。淺層地下水高錳酸鉀指數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)、腐植酸、粘粒(<0.01mm和0.001mm)指標(biāo)間的均達(dá)顯著或極顯著性相關(guān)。2.2.2影響淺層地下水中po33-含量的主要因素有多元回歸方程能描述隨機(jī)變量在多個(gè)回歸因子中的平均變化規(guī)律,通徑分析則是標(biāo)準(zhǔn)化的多元線性回歸分析。將徑流中NO3-、PO43-、NH4+和高錳酸鉀指數(shù)(KI)與土壤基本理化指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行回歸,得到以下4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)多元回歸方程:其中:y1、y2、y3、y4分別為標(biāo)準(zhǔn)化淺層地下水中的NO3-、PO43-、NH4+和KI;x1~x14為標(biāo)準(zhǔn)化的土壤理化性質(zhì)(x1為有機(jī)質(zhì),x2為腐植酸,x3為CEC,x4為交換鈣,x5為交換鎂,x6為全氮,x7為堿解氮,x8為全磷,x9為速效磷,x10為全鉀,x11為速效鉀,x12為容重,x13為>0.01mm粘粒,x14為>0.001mm粘粒)。方程中的系數(shù)即為直接通徑系數(shù),它乘以各肥力因子之間的相關(guān)系數(shù)就得到間接通徑系數(shù),表略。按絕對(duì)值大小,對(duì)淺層地下水中NO3-含量的直接影響力排序依次為:全氮>堿解氮>腐植酸>CEC>有機(jī)質(zhì)>交換鈣>全磷>粘粒>0.01mm>粘粒>0.001mm>交換鎂>容重>速效磷>速效鉀>全鉀。對(duì)淺層地下水中PO43-含量的直接影響為:全磷>堿解氮>CEC>速效鉀>交換鈣>>0.001mm粘粒>全氮>容重>有機(jī)質(zhì)>腐植酸>交換鎂>速效磷>>0.01mm粘粒>全鉀。對(duì)淺層地下水NH4+含量直接影響是:CEC>全磷>堿解氮>交換鈣>粘粒>0.001mm>速效鉀>容重>全氮>全鉀>有機(jī)質(zhì)>腐植酸>>0.01mm粘粒>速效磷>交換鎂。對(duì)淺層地下水KI直接影響是:全氮>堿解氮>有機(jī)質(zhì)>腐植酸>CEC>>0.01mm粘粒>粘粒>0.001mm>全鉀>速效磷>交換鈣>交換鎂>容重>速效鉀>全磷。逐步回歸和通徑分析表明:淺層地下水中NO3-含量的受土壤全氮、堿解氮、腐植酸、CEC、有機(jī)質(zhì)的直接影響力較大,直接通徑系數(shù)分別高達(dá)2.4023、-2.2893、-1.3617、-1.2014、1.1943。土壤容重對(duì)淺層地下水中NO3-含量直接影響不大,間接通徑影響系數(shù)為0.2121,但通過(guò)土壤有機(jī)質(zhì)、腐植酸對(duì)水中NO3-含量的間接影響系數(shù)卻為-0.8569、0.8988?？梢?淺層地下水中NO3-流失受土壤有機(jī)質(zhì)、腐植酸、全氮和堿解氮的影響最大。淺層地下水中PO43-含量受土壤全磷、堿解氮、CEC的直接影響很大,直接通徑系數(shù)分別高達(dá)2.1408、-2.0377、-1.7278。土壤速效磷直接對(duì)淺層地下水PO43-含量直接影響不大(直接通徑系數(shù)是0.2457),通過(guò)全磷對(duì)地下水中PO43-含量的間接通徑系數(shù)是1.804。淺層地下水中NH4+含量受土壤CEC、全磷、堿解氮、交換鈣、粘粒>0.001mm的直接影響較大,直接通徑系數(shù)分別是2.4372、-1.3791、1.1015、1.8973、1.1881、1.1446。土壤全氮、有機(jī)質(zhì)和腐植酸直接對(duì)淺層地下水中NH4+直接通徑系數(shù),僅是其通過(guò)堿解氮對(duì)淺層地下水中NH4+含量間接通徑系數(shù)的1/2以下?？梢?土壤堿解氮、全氮、有機(jī)質(zhì)和腐植酸對(duì)淺層地下水中NH4+含量影響較大。此外,土壤CEC和土壤質(zhì)地對(duì)淺層地下水NH4+含量流失影響很大。淺層地下水高錳酸鉀指數(shù)受土壤全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、腐植酸的直接影響較大,直接通徑系數(shù)分別是2.85162、-2.3095、2.027858、-1.40174?？梢娡寥乐杏袡C(jī)質(zhì)、腐植酸、全氮和堿解氮對(duì)淺層地下水中有機(jī)質(zhì)的影響最大。綜上所述,在農(nóng)業(yè)用地下,淺層地下水中NO3-、PO43-、NH4+含量和高錳酸鉀指數(shù)一定程度上受土壤質(zhì)量和植被變化的影響,土壤氮磷及有機(jī)物含量一定程度上影響了淺層地下水水環(huán)境質(zhì)量。2.3城市淺層地下水質(zhì)量影響因素分析為了尋找喀斯特淺層地下水化學(xué)變化的主導(dǎo)因子,對(duì)13種水化學(xué)參數(shù)進(jìn)行因子分析(主成分法)。結(jié)果如表3?？梢?第一主成分的方差貢獻(xiàn)率最大,為49.03%,加上第二、第三、第四主成分方差貢獻(xiàn)率,其累積方差貢獻(xiàn)率為86.423%(大于85%),因此前4個(gè)主成分能基本反映淺層地下水的變異信息。再將土壤主成分進(jìn)行分權(quán)計(jì)算,并計(jì)算出各因子在各主成分上的載荷(表4)。在第一至四主因子中提取負(fù)荷值大于0.70的因子來(lái)評(píng)價(jià)水化學(xué)的變化。由此可知,第一主因子主要由pH、EC、SO42-、NO3-、PO43-、Ca2+、Mg2+、Na+所決定,第二主因子主要由HCO3-、高錳酸鉀指數(shù)、NH4+所決定,第三主因子主要由K+所決定。僅Cl-對(duì)淺層地下水影響不明顯。選用上述發(fā)生明顯變化的12個(gè)指標(biāo)(除Cl-)作為評(píng)價(jià)地下水質(zhì)量變化的指標(biāo),采用歐氏最短距離法對(duì)不同農(nóng)用生態(tài)區(qū)的淺層地下水質(zhì)量水平進(jìn)行聚類分析,結(jié)果表明(圖1)這些地下水的質(zhì)量等級(jí)可大致分為3大類型(1~7、14~15號(hào)樣地為一類,8、10~13號(hào)樣地為一類,16~21號(hào)樣地為一類)。根據(jù)聚類分析結(jié)果,選取主要富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)3類樣地進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表5),參考我國(guó)目前采用的地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848—1993),可初步將對(duì)地下水的影響程度分為3類:第一類型為以低復(fù)種旱作區(qū)的地下水為主體構(gòu)成,NO3-含量部分達(dá)Ⅱ~Ⅲ類地下水體的標(biāo)準(zhǔn),高錳酸鉀指數(shù)部分超Ⅱ類地下水體的標(biāo)準(zhǔn),NH4+部分超Ⅱ類地下水體的標(biāo)準(zhǔn),淺層地下水受到一定程度的影響;第二類型以高復(fù)種旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的地下水為主體,NO3-含量達(dá)Ⅱ~Ⅲ類地下水體的標(biāo)準(zhǔn),高錳酸鉀指數(shù)部分超Ⅱ類地下水體的標(biāo)準(zhǔn)定,NH4+部分超Ⅱ類地下水體的標(biāo)準(zhǔn),這類淺層地下水受到了影響;第三類型以復(fù)合農(nóng)業(yè)區(qū)的地下水為主體構(gòu)成,NO3-含量部分超Ⅲ類地下水體的標(biāo)準(zhǔn),高錳酸鉀指數(shù)達(dá)Ⅱ~Ⅲ類地下水體的標(biāo)準(zhǔn),NH4+部分超Ⅱ類地下水體的標(biāo)準(zhǔn),這類淺層地下水的質(zhì)量受到的影響?？梢娹r(nóng)業(yè)土地利用過(guò)程中,在喀斯特地區(qū)由于特殊的二元水文結(jié)構(gòu),水環(huán)境質(zhì)量易受土壤質(zhì)量等環(huán)境因素影響。與非喀斯特地區(qū)相比,當(dāng)?shù)販\層地下水更易受到污染。3不同生態(tài)模式下地下水質(zhì)量變化(1)不同農(nóng)作區(qū)淺層地下水化學(xué)組分也有明顯不同。從低復(fù)種指數(shù)的旱作區(qū)、高復(fù)種指數(shù)的旱作區(qū)到高復(fù)種指數(shù)的復(fù)合農(nóng)作區(qū),淺層地下水中的NO3-、NH4+、PO43-、高錳酸鉀指數(shù)和SO42-的含量依次增大,呈顯著上升趨勢(shì)。相關(guān)分析及通徑分析表明:淺層地下水中NO3-、PO43-、NH4+含量和高錳酸鉀指數(shù)受土壤質(zhì)量的影響。(2)對(duì)13種水化學(xué)參數(shù)進(jìn)行因子分析(主成分法)可知,僅Cl-對(duì)淺層地下水影響不明顯。將上述明顯變化的12個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)地下水質(zhì)量變化的指標(biāo)