喀斯特石漠化区农业土地利用对浅层地下水质量的影响.docx

1、喀斯特石漠化区农业土地利用对浅层地下水质量的影响中国农业科学 2007, 40(6:1214-1221Scientia Agricultura Sinica喀斯特石漠化区农业土地利用对浅层地下水质量的影响 刘 方1,2,罗海波2,刘元生1,刘鸿雁2,何腾兵1,龙健3(1贵州大学环境与资源研究所,贵阳 550003;2贵州省喀斯特环境与地质灾害防治重点实验室,贵阳 550003;3贵州师范大学地理科学系,贵阳 550002摘要:【目的】探讨农业土地利用过程中喀斯特浅层地下水化学变化及农业种植活动对地下水质量的影响。【方法】在贵州中部喀斯特石漠化地区对不同生态区(阔叶林区、农林交错区、旱作农业区、

2、复合农业区进行植被和土壤调查及浅层地下水和地表径流水的采样分析。【结果】喀斯特石漠化区生态模式从阔叶林生态系统-农林生态系统-旱作农业生态系统-复合农业生态系统方向的演替过程中,其浅层地下水的HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+ 、Na+、K+ 、NH4+、Cl- 、PO43-、NO3-、Pb的含量发生了明显的变化,在以种植玉米为主的低复种指数地区表现为NH4+及Pb、Cd含量的增加,而在以种指玉米或水稻、疏菜或油菜的高复种指数地区则表现在NO3-、SO42-、NH4+及Pb、Cr和Cd含量的增加。【结论】高复种指数农业区地下水的化学组成发生了明显地变化,浅层地下水质量出现一定程度的下降

3、;作物种植结构和施肥水平是影响地下水质量的重要因素,在喀斯特地区发展农业生产的同时要兼顾地下水资源的保护。关键词:喀斯特;石漠化;农业土地利用;浅层地下水;水质The Effect of Agricultural Land Usage on Shallow Groundwater Quality in Karst Rocky Desertification AreaLIU Fang1,2, LUO Hai-bo2, LIU Yuan-sheng1, LIU Hong-yan2, HE Teng-bin1, LONG Jian3 (1Environment and Resource Instit

4、ute of Guizhou University, Guiyang 550003; 2 The Key Laboratory of Karst Environment and Geological Disaster Prevention of Guizhou Province, Guiyang 550003; 3Geography Department of Guizhou Normal University,Guiyang 550002Abstract:【Objective】This paper focused on chemical composition changes of shal

5、low groundwater in agricultural land usage and the effects of agricultural planting activity on the quality of shallow groundwater. 【Method】The vegetations and soils were investigated, and groundwater and runoff were sampled in various agricultural ecological areas of karst rocky desertification are

6、as in Guizhou province. 【Result】Under the order of ecological pattern from forest ecological system, forest-agriculture ecological system, dry farming ecological system to complex agriculture ecological system in karst rocky desertification areas, the contents of HCO3, SO42, Ca2+, Mg2+ , Na+, K+, NO

7、3, Cl, NH4+, PO43, Pb in the groundwater markedly changed, which the contents of NH4+, Pb, Cd obviously increased in the groundwater from the regions with lower index of planting crops and the contents of SO42, NO3, NH4+, Pb, Cd, Cr significantly increased in the groundwater from the regions with hi

8、gher index of planting crops. 【Conclusion】The chemical composition of shallow groundwater distinctively varied and groundwater quality decreased to some extent in the regions with higher index of planting crops. The main impact factors on the quality of groundwater were the structures of planting cr

9、ops and fertilizing level. In karst areas, mre attention on groundwater resource protection are called on during agricultural production.Key words: Karst; Rocky desertification; Agricultural land usage; Shallow groundwater; Water quality收稿日期:2006-09-22;接受日期:2006-12-08基金项目:国家重点基础研究项目(2006CB403200和贵州省

10、省长人才基金(2003-04-018项目资助作者简介:刘 方(1964-,男,贵州天柱人,博士,教授。研究方向为土壤环境化学。Tel:139*;Fax:0851-*;E-mail:Lfang123 tom. com6期刘方等:喀斯特石漠化区农业土地利用对浅层地下水质量的影响 12150 引言【研究意义】喀斯特地区多为峰林、峰丛、峡谷地貌,溶蚀、水蚀作用显著,形成的土壤浅薄,土被不连续,生态环境脆弱,在人为干扰下南方喀斯特森林普遍出现退化,植被覆盖率明显下降,土壤和表层岩溶带水环境退化,出现类似荒漠的石漠化景观1。喀斯特石漠化地区大部分土层较厚的土壤被开垦为耕地,形成以玉米为主体的农业生态系统,

11、生态系统结构简化,而人类活动强度加大,进一步加剧了石漠化的发展。由于农业土地利用改变了原本的植被类型、覆盖状况及土壤理化性质等,使得地表物质大量迁移进入水文循环系统,不仅造成自然植被退化与水土流失,还加剧了农业面源污染及地下水污染的发生24。研究喀斯特石漠化区不同生态模式下浅层地下水质量的演变,有助于了解农田生态对水文环境的影响。【前人研究进展】喀斯特地区的环境问题最集中的体现在植被退化、水土流失及水环境污染方面35。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

12、,总资源量减少和水质退化68。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地下水环境产生了明显地影响9,10。制定区域的环境管理政策,限制农用化学物质的施用,保护地下水资源,成为喀斯特地区环境保护的主要目标之一11。【本研究切入点】目前国内学者在喀斯特水文特征、地表水和岩溶水化学特征以及土地利用方式对地下水质量的影响方面进行了一些研究3,4,68, 1215,就农业土地利用过程中对喀斯特地下水质量的影响还缺乏系统的研究。本文从喀斯特生态系统的角度,把植物(作物-土壤-水体作为一个整体,系统的研究喀斯特农业土地利用过程中浅层地下水质量的演变。【拟解决的关键问题】针对不同

13、农业活动强度的喀斯特生态区,了解浅层地下水化学组成的演变过程,评价农业种植活动对地下水质量的影响,探讨影响地下水质的主要因素及有效的农业管理途径。1 材料与方法1.1 调查地区的基本概括本研究调查区属典型的亚热带湿润气候,年均温为1516,年降雨量为1 1001 200 mm,海拔变化范围在9001 300 m,成土母岩主要是白云质灰岩、泥质灰岩,其次是白云岩,土壤类型主要是黑色石灰土、黄色石灰土,调查区内大部分地区植被稀疏,多数地区森林覆盖率在5%20%,植被覆盖率为30% 70%,基岩裸露率(没有植被覆盖情况下岩石出露的面积占土地面积的百分率在20%60%,土地开垦率(长期种植农作物的耕地

14、面积占土地面积的百分率在10%50%。从整体来看,属轻度至中度石漠化区。野外调查分4个区域进行,第一区域为阔叶林区,该地区部分原生植被和大部分次生植被保护比较完好,森林群落优势种主要有香椿(Toona sinensis、乌桕(Sapium rotundifolium、香叶树(Lindera communis、密花树(Rapanea neriifolia、枫香(Liquidambar formosana、朴树(Celtis sinensis、圆果化香(Platycarya longipes等,森林覆盖率达20%70%,仅有局部地段零星种植作物,形成以次生林为主的森林生态系统。第二区域为农林交错区

15、,该地区原生植被绝大部分受到破坏,局部地方存在稀疏的次生阔叶林,多数为灌木草丛,灌木群落优势种主要有花椒(Zanthoxylum bungeanum maxim.、火棘(Pyracantha floruneana、小果蔷薇(Rosa cymosa、月月青(Itea ilicifolia、悬钩子(Rubus sp.等,草本群落优势种主要有五节芒(Miscanthus floridulus、扭黄茅(Heteropogon contortus、狗芽根(Cynodon dactylon、莎草(Cyperus sp.等,森林覆盖率仅有5%10%,土地开垦率在20%40%,农林地交错分布,复种指数低,形成

16、以玉米和灌木或花椒为主的农林生态系统。第三区域为旱作农业区,该地区多数土地开垦为耕地,主要种植玉米、烤烟、小麦、油菜,土地开垦率在40%70%,旱地占耕地面积的80% 90%,局部低洼的地方有稻田分布,复种指数较高,形成以玉米和油菜为主的旱作农业生态系统。第四区域为复合农业区,该区域以村寨为中心,在村寨周围地势较高的地段为长期种植作物的旱地,主要种植蔬菜、玉米、烤烟、油菜等,旱地边缘局部种植有核桃、石榴、竹类等;在地势低洼的地段主要种植水稻、油菜,稻田占耕地面积的30%50%,形成高复种指数的复合农业生态系统。在上述四个区域中,采用样地调查的方法,在地形地貌、坡度以及岩性(白云质灰岩和石灰岩相

17、对一致下,设置样地(n=20进行植被和土壤调查。1.2 野外土壤样品和地表径流水样采集和测定方法于2005年56月在阔叶林区、农林交错区、旱1216 中国农业科学40卷作农业区、复合农业区的样地上进行土壤样品的采集,每个样方内选取58个样点,采集样地表层土壤(0 15 cm混合样品。土壤样品风干后,研磨通过1 mm 筛孔,供实验与测试分析。土壤测定项目有pH值、有机质、碱解氮、有效磷、有效钾、有效硫、有效钙和镁以及粘粒含量,其中有效磷采用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,有效硫采用硫酸钡比色法测定,其它项目采用常规的方法测定1

18、6。同时,在调查的样地上,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17,在相同时间的自然降雨条件下(降雨量为2040 mmh-1进行地表径流样品的收集。采集的地表径流水样,盛于清洁的塑料瓶中,并及时送实验室分析。室内量取200 ml径流液通过0.45 m滤膜,对过滤的水样进行分析测定,测定项目有NO3-、NH4+、PO43-、SO42-,其中NH4+ 采用靛酚蓝比色法测定,NO3-采用紫外分光光度法测定,PO43-采用异丁醇萃取-钼蓝比色法测定,SO42-采用EDTA间接滴定法测定16。1.3浅层地下水样品的采集和测定方法在调查的阔叶林区、农林交错区、旱作农业区、复合农业区样地附

19、近,选择相应的地段,采集从岩层裂隙中常年渗出的泉水(这部分出露的地下渗透水受降雨季节性的明显影响作为浅层地下水水样(阔叶林区为15 号水样,农林交错区为610 号水样,旱作农业区为1115 号水样,复合农业区为1620 号水样。室内量取500 ml水溶液通过0.45m滤膜,对过滤的水样进行水化学参数的测定,测定项目有pH值、电导率(EC、高锰酸钾指数、10种离子浓度(HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、NO3-、Cl-、Na+、NH4+、PO43-以及Pb、Cr、Cd含量,其中NH4+ 采用靛酚蓝比色法测定,NO3-采用紫外分光光度法测定,PO43-采用异丁醇萃取-钼蓝比色法测定

20、,HCO3- 采用电位滴定法测定,SO42-采用EDTA间接滴定法测定,Ca2+ 和Mg2+ 采用EDTA滴定法测定, 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,Cl- 采用硝酸银滴定法测定, Pb、Cr、Cd 采用原子吸收分光光度法测定15。2 结果与分析2.1喀斯特石漠化区不同生态模式下浅层地下水化学的变化喀斯特石漠化区大面积土地的农业利用改变了原 有地表植被类型及覆盖度和微地形,这种变化对降雨、径流、土壤水分的空间再分配产生了重要的影响。随着农业种植面积的增加,生态系统结构由复杂向简单过程演变,其改变了自然生态系统中水环境的空间结构,使大气降水的再分配在时空

21、分布上变得极不均匀,地表径流强度加大,减少了岩层裂隙水的有效补给量,降低了森林植被和土壤对岩层裂隙水的涵养性和对地下水的调蓄能力,使地表水与地下水分配结构引起较大变化,同时降低了水体的自净能力,也直接影响浅层地下水的化学组成及水体质量。从表1看出,喀斯特浅层地下水的阳离子主要是Ca2+、Mg2+,其浓度的变化范围分别为26.9145.0 mgL-1、4.661.3 mgL-1,阴离子主要是HCO3-、SO42-,其浓度变化范围分别为151.9384.3 mgL-1、43.0 211.2 mgL-1,该区喀斯特浅层地下水化学类型以HCO3-Ca型为主。但是,不同生态模式下喀斯特地下水的化学组成发

22、生改变,阔叶林区、农林交错区、旱作农业区、复合农业区的地下水中Ca2+ 含量占离子总量(HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、NO3-、Cl-、Na+、NH4+、PO43-之和的平均百分数(n=5分别是21.9%、13.6 %、12.3%和19.5%,而Mg2+ 含量则分别是4.9%、4.1%、6.6%和4.8%;阔叶林区、农林交错区、旱作农业区、复合农业区的地下水中HCO3- 含量占离子总量的平均百分数分别是51.3%、57.8%、52.1%和40.6%,而SO42- 含量占离子总量则分别是16.1%、18.0%、21.6%和25.5%。特别是喀斯特生态模式从阔叶林生态系统向复合

23、农业生态系统的演替,其地下水的HCO3- 比例明显的减少,而SO42- 比例出现明显的增加。由于喀斯特石漠化区以旱作农业为主,旱生环境条件变化强烈,一方面加快了土壤有机硫的分解速率18,在土壤水的淋溶过程中使地下水SO42- 含量增加;另一方面,磷肥(过磷酸钙和钾肥(硫酸钾的施用增加了土壤硫的来源,部分水溶性硫从土壤向地下水体迁移,导致浅层地下水SO42- 含量升高。从表1中看出,旱作农业区、复合农业区地下水中SO42- 平均含量分别是阔叶林区地下水的2.42 和1.46倍;而HCO3-平均含量仅分别是阔叶林区地下水的 1.16 和1.07倍。可见,喀斯特农业生态系统中浅层地下水化学组成的变化

24、主要是SO42- 含量的增加,特别是高复种指数的农业区。为了寻找喀斯特浅层地下水化学变化的主导因子,采用DPS软件对16种水化学参数进行因子分析。因子分析是基于主成分为初始因子,通过对载荷阵作6期刘方等:喀斯特石漠化区农业土地利用对浅层地下水质量的影响 1217表1喀斯特石漠化区不同生态模式下浅层地下水化学的变化Table 1Chemical changes of groundwater under various ecological patterns in karst rocky desertification areas水化学指标Water chemical index样号NO. pH

25、EC HCO3- SO42- Cl- NO3- PO43- Ca2+ Mg2+NH4+Na+K+ KI Pb Cr Cd1 7.19 620 261.1 96.0 7.9 2.0 0.0165117.2 18.5 0.0100.7 0.1 1.0 0.005 0.005 0.00052 7.27 454 151.9 64.3 7.6 3.3 0.0085 92.2 4.6 0.031 1.4 0.3 0.9 0.015 0.019 0.00063 7.47 627 250.7 48.0 10.8 3.7 0.0043104.6 23.6 0.0150.8 0.1 1.2 0.020 0.008

26、 0.00144 7.66 590 270.2 88.8 11.1 14.2 0.0136 88.0 44.4 0.022 3.0 0.4 1.8 0.016 0.012 0.00055 7.11 588 301.6 76.8 8.9 12.4 0.0046108.0 24.1 0.021 2.2 0.7 1.0 0.002 0.008 0.00126 7.59 243 207.5 48.1 3.7 4.7 0.0113 47.5 19.0 0.071 3.5 4.6 1.6 0.010 0.010 0.00047 7.55 194 193.0 57.4 6.5 9.2 0.0212 26.9

27、 14.2 0.046 2.0 5.1 2.0 0.005 0.008 0.00168 7.52 201 167.4 53.0 5.4 14.1 0.0054 37.1 9.5 0.051 1.8 7.0 1.5 0.060 0.009 0.00129 7.70 194 154.9 73.0 3.6 5.1 0.0182 76.4 15.3 0.089 3.4 7.5 1.7 0.020 0.012 0.002410 7.53 354 225.2 64.8 4.5 5.8 0.0271 35.5 8.9 0.045 1.7 6.2 1.8 0.015 0.006 0.003011 7.75 2

28、74 217.0 77.1 7.6 7.6 0.0360 47.3 19.0 0.064 3.5 15.4 1.8 0.035 0.007 0.002212 7.79 243 217.1 143.0 4.4 9.0 0.0265 51.9 17.7 0.036 5.7 7.0 1.3 0.021 0.012 0.001013 7.67 330 264.7 82.7 3.8 11.5 0.0382 49.5 39.0 0.081 3.1 8.0 2.0 0.050 0.009 0.004514 7.54 273 235.1 43.0 4.6 9.1 0.0291 37.8 27.5 0.070

29、2.5 5.8 1.9 0.025 0.014 0.006215 7.03 1120 384.3 199.7 10.7 24.1 0.0716126.0 63.1 0.04828.1 15.6 1.9 0.024 0.018 0.0058 16 7.22 1011 313.5 211.2 10.4 24.3 0.0100142.5 51.6 0.01717.0 8.6 1.9 0.012 0.062 0.0072 17 7.10 917 296.4 148.8 9.7 27.6 0.0199138.2 37.2 0.03017.4 13.6 1.4 0.070 0.032 0.0044 18

30、7.25 810 260.8 172.8 10.9 45.7 0.0693122.0 21.6 0.02414.4 23.7 2.2 0.045 0.046 0.0124 19 7.23 979 323.3 164.2 10.8 37.8 0.0123145.0 32.1 0.04720.0 4.1 1.9 0.065 0.028 0.0056 20 7.40 873 243.4 206.4 6.2 21.6 0.0185142.1 27.6 0.10112.2 6.0 1.5 0.044 0.009 0.0118离子、元素浓度单位为mgL-1;电导率(EC单位为scm-1;KI为高锰酸钾指数

31、Anion or cation concentration unit: mgL-1, electric conductivity unit: scm-1; KI: KMnO4 index方差最大旋转实现的。按所选主因子的信息量之和占总体信息量的90%,得出主因子(M=6的特征值和贡献率(表2,再考虑特征值大于1的主因子,得出由4个主因子组成的因子模型,考虑到水化学参数之间存在一定的联系,选用经 Primax 旋转后的斜交参考因子结构矩阵(表3,在第14主因子中提取负荷值大于0.70的因子来评价水化学的变化。由此可知,第一主因子主要由pH、EC、HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Cl-

32、、Na+ 所决定,第二主因子主要由PO43-、K+ 所决定,第三主因子主要由NO3-、Pb 所决定,第四主因子主要由NH4+、Cl-所决定。喀斯特石漠化区生态模式演变后,地下水HCO3- 含量出现显著的变化,其次是Ca2+、Mg2+ 、Na+、SO42-、Cl-,这些离子含量的变化改变了地下水的电导率和酸碱度。同时,生态模式的演变也引起地下水PO43-、K+ 、NO3-、NH4+ 、Pb含量出现明显的变化。2.2 农业土地利用对浅层地下水质量的影响参考目前采用的地下水质量标准的化学参数,选用上述明显变化的SO42-、Ca2+、Mg2+、NO3-、NH4+、Na+、Cl-、PO43-、Pb作为评价地下水质量变化的指标,其中Na+、Cl反映地下水盐度的变化,Ca2+、Mg2+ 、SO42-反映地下水pH值及矿化度的变化,而PO43-、NO3- 、NH4+是造成水体富营养化的重要因素,Pb是污染地下水体的主要重金属之一。对这9个指标的数值采用DPS软件对数据进行标准化处理,计算