张尘月, 刘子琦, 刘肇军, 李 渊, 邢 锴

(贵州师范大学 喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心, 贵州 贵阳55 001)

喀斯特地区是典型的生态环境脆弱区，其脆弱性表现为生态系统变异敏感度高，灾变承受能力低，环境容量小[1]。中国西南喀斯特地区是世界上最大的喀斯特集中连片分布带[2]，面积约5.50×105km2,占全国喀斯特面积的15.97%[3]，其中贵州施秉发育着世界上古老、保存完整的质纯白云岩喀斯特[4]，世界遗产委员会评价它是“白云岩喀斯特的典型范例[5]。施秉白云岩喀斯特在全球具有唯一性，对其生态环境的保护尤为重要。喀斯特地区贫困人口集中,人地矛盾尖锐，致使生态环境遭到破坏,出现了一系列的生态环境问题[6],主要集中体现在植被退化、水土流失及水环境污染方面[7-9]。保护水资源，成为喀斯特地区环境保护的主要目标之一[10]。

对水环境的保护与治理，首先要对其水环境质量现状、污染特征进行分析评价，确定污染源[11-12]。通过阅读文献发现，关于水质评价学者们采用的方法较多且并不统一[13-17]，但国内外学者[18-22]统一认为通过多元统计分析可以更全面和精确地反映研究区的通过水质状况，进而分析其污染源。因此，本研究结合实际情况，通过单因素评价法、均值型指数综合评价法以及多元统计分析法对位于贵州省施秉县的白云岩喀斯特遗产地的水质现状进行分析评价，以期为遗产地的环境保护和流域水质的管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

施秉白云岩喀斯特世界自然遗产地位于贵州省东部施秉县，地处中国云贵高原东部边缘向湘西低山丘陵过渡的山原斜坡地带，即中国阶梯地势第二级与第三级的过渡地区。地势北高南低，平均海拔912 m。喀斯特强烈发育，地形破碎，成为一个河流深切的中亚热带喀斯特峡谷区[23-24]。该区年均温度16 ℃，年均降水1 220 mm，具有春暖夏凉、四季如春、降水丰沛的中亚热带山地湿润气候特点[25-26]。黄洲河流域位于施秉喀斯特世界自然遗产地内，由遗产地的东部流向西南汇入杉木河，河流长度14 km。因其由缓冲区流经核心区，缓冲区白垛乡一带人口密度大，居民的生产生活都在此进行，而核心区旅游人数较多，易使河流健康受到威胁，进而影响到遗产地的生态环境[27]，故本文选取黄洲河流域作为遗产地内代表性河流，对其进行水质污染综合分析。

1.2 样品采集与处理

本研究选取黄洲河流域8个代表性采样点分别为泉眼(DT)支流汇集处(CGH),水库(SK)，大量居民居住处(BD)，施秉喀斯特遗产地核心区(DYQ)，黄洲河与杉木河交汇处(HZH)，杉木河漂流终点(NJY)，河流流出缓冲区前(JGY)。采样点之间具有连续性，可反映河流水质在流动过程中的变化情况。采样时间为2017年10月和2018年4月，样品采集后装于聚乙烯瓶中带回实验室。根据遗产地以及黄洲河流域的实际情况，共选取了TP，TN，NH3-N，CODMn，DO,水温,浊度,粪大肠菌群、叶绿素a这几种水质监测指标作为评价因子进行研究分析。具体试验数据详见表1。

各种水质监测指标均按照《水和废水监测分析方法(第4版)》[28]在贵州师范大学山地重点实验室进行，其中DO、水温采用多参数水质监测仪现场测定：TP采用碱性过硫酸钾消解—钼酸铵分光光度法；TN采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法；NH3-N采用纳氏分光光度法；CODMn采用酸性高锰酸钾滴定法；Chl-a采用乙醇和分光光度法；粪大肠菌群的测定采用多管发酵法。

表1 黄洲河流域各监测点水质指标平均值和标准差

1.3 数据分析方法

本文数据采用Excel以及IBM SPSS Statistics 19.0处理。Excel代入公式进行水质指标的平均值和标准差计算绘制表格并利用数据绘制春秋平水期水质状况特征图，SPSS进行水质指标的聚类分析以及主成份分析。本文采用系统聚类，通过组间连接以及平方Euclidean距离法生成平水期采样点聚类树状图。并对春秋平水期水质指标进行主成分分析。

1.4 评价标准

根据《中国南方喀斯特第二期申遗文本》及《中国南方喀斯特第二期世界自然遗产提名地保护管理规划文本》中的要求，遗产地核心区地表水环境质量按(GB3838-2002)Ⅰ类标准控制，缓冲区地表水环境质量按(GB3838-2002)Ⅲ类水标准控制，具体限制详见表2。其中DYQ,HZH执行国家地表水Ⅰ类标准，其余采样点执行国家地表水(GB3838-2002)Ⅲ类标准。

表2 水质监测指标评价标准及标准值

2 结果与分析

2.1 黄洲河流域春、秋平水期水质状况特征对比

由图1—8可知，研究区不同采样点的水质指标差异明显。个别水质指标10月和4月折线图变化具有明显相似性，变化规律较为一致，折线呈现逐渐降低趋势。表明秋季平水期和春季平水期水质总氮、高锰酸盐、溶解氧，浊度差异较小且随着河流由上游至下游具有一定的变化规律，由上游至下游水质污染减少，水体具有一定的自净能力。10月份各采样点均未测出粪大肠菌群，4月份BD，JGY检测出极少量粪大肠菌群。10月份水质氨氮、高锰酸盐指数、溶解氧含量、叶绿素a整体优于4月份，4月份水质总磷含量整体优于10月份，其他水质指标差别较小。

图1 研究区4月和10月总磷含量变化 图2 研究区4月和10月总氮含量变化

图3 研究区4月和10月氨氮含量变化 图4 研究区4月和10月高锰酸盐含量变化

图5 研究区4月和10月溶解氧含量变化 图6 研究区4月和10月浊度含量变化

图7 研究区4月和10月粪大肠菌群含量 图8 研究区4月和10月叶绿素a含量

2.2 黄洲河流域水质现状及污染分析

2.2.1 黄洲河流域水质单因素分析[29]单项污染指数计算方法如下所示:其中Ci为指标i的实测浓度；Si为指标i的评价标准值。Pi>1说明该污染物超标，Pi≤1说明该污染物没有超标。

Pi=Ci/Si

通过相关文献及实地调查，发现施秉喀斯特世界自然遗产提名地远离城市和工厂，较少受到“三废”的污染。但是缓冲区内有农业生产，化肥和农药的使用对提名地水环境的保护存在威胁且上游缓冲区的河流周边居民随意丢弃的生活垃圾会随着大水流到下游提名地内，造成水面污染[27]。故确定TP,TN，NH3-N,CODMn作为评价指标。表3为2017年10月和2018年4月水质单因素评价结果。10月位于遗产地核心区的DYQ，HZH总磷含量超Ⅰ类水标准，DYQ总氮含量超I类水标准，HZH总氮含量超Ⅱ类水标准。位于缓冲区的DT，CGH，SK总氮含量超出Ⅲ类水标准。BD，NJY，JGY所有指标均符合Ⅲ类水标准。4月位于遗产地核心区的DYQ，HZH总氮含量超Ⅰ类水标准，其他指标均符合Ⅰ类水标准。位于缓冲区的DT，CGH，SK总氮含量超出Ⅲ类水标准，BD，NJY，JGY所有指标均符合Ⅲ类水标准。

表3 10月和4月水质单因素评价结果

2.2.2 黄洲河流域水质均值型指数综合评价 水质单因素评价法仅能够清晰的表现出不同月份各采样点的每种水质指标是否超标，为了综合评价各采样点的水质状况，则采用均值型指数评价法进行评价，并通过表4查询[30]各采样点水质污染级别，绘制水质污染状况详见表5。综合污染指数计算方法为：

式中：Pi——单项污染指数;P——综合污染指数;n——所选取的指标个数。

由于采样点由上至下反映的是河流上游至下游的关系，由表4可知，河流的上游到下游水质状况逐渐改善(DYQ，HZH水质评价标准相对于其他点不同)，由重污染转变为重污染轻污染以及尚清洁。且10月份和4月份水质污染状况保持一致。通过折线图、水质单因素评价以及水质均值型指数评价可知，从黄洲河上游至下游，水质污染状况相对改善，水体有较强的自净能力，但由于核心区和缓冲区执行的地表水环境质量标准不同，上游产生的大量污染虽然随着河流流动得到净化，但仍会对遗产地核心区水质产生较大影响，找出上游的污染源并对其进行控制才是保护遗产地核心区的水环境质量的关键，因此本文将继续对黄洲河流域水质进行多元统计分析。

表4 地表水质量分级标准

表5 研究区10月和4月水质指标均值型指数

2.3 黄洲河流域水质多元统计分析

2.3.1 聚类分析 基于黄洲河流域采样点聚类结果如图9所示。在空间区域上划分为A，B两类A又分为A1和A2两类。A1类水质较好，包括HZH，JGY，DYQ，NJY，表示遗产地核心区以及核心区下游的水质状况，遗产地提名地远离城市和工厂，较少受到污染，因此水质较好。A2类水质中等，主要包括SK，BD，表示核心区上游的缓冲区内的水质状况，此区域流经小型水库、耕地和乡镇，居民生活污水以及农业面源污染以及上游污染负荷对该区域水质影响较大。B类水质较差，包括DT，CGH，表示更为上游的缓冲区内泉眼以及支流交汇处水质状况，此区域流经大面积耕地区以及零散的居民区，主要受到农业面源污染影响。黄洲河流域采样点水质聚类分析结果跟水质均值型指数综合评价结果一致，表现为流域内上游缓冲区污染较严重，水质较差，下游核心区主要为河水流动带来的上游污染，由于水体有一定的自净能力，因此水质较好，且水质由上游至下游逐渐转好。

图9 黄洲河流域采样点空间聚类

2.3.2 主成分分析 在本研究中，KMO统计量为0.517,Bartlett的球形检验值小于0.001,说明独立变量存在相互关系,符合主成分分析要求。利用特征值大1.0的原则筛选提取出前3个主成分(表6),它们解释了原始变量81.009%的结果,基本反映了原数据所包含的信息。各主成分的特征值、方差贡献率详见表7。

表6 黄洲河流域水质监测指标相关性分析

注：*表示显著相关，**表示极显著相关。

表7 相关矩阵的特征值、方差和累积方差贡献率

黄洲河流域平水期水质指标主成分分析结果详见表8，载荷图如图10所示，共提取3个主成分。第1主成分的方差差贡献率为40.247%，其中浊度、CODMn和Chl-a所占因子载荷较大，与第1主成分的相关系数均超过了0.900。CODMn是有机污染的标志，Chl-a间接反应了水体富营养化水平，而浊度则表示水中悬浮物质造成的浑浊现象，中上游分布大量居民区，生活污水、固体垃圾随雨水流入河流，烤烟等农作物的大量种植，水质主要受到居民生活污水以及农业面源污染的影响。第1主成分反映了大量有机污染影响下水体的富营养状态以及浮游植物繁殖而造成的水体浑浊。该区域第2主成分的方差贡献率为23.636%，与第2主成分密切相关的因子载荷是TN和DO，TN第2主成分呈正相关，DO与第2主成分成负相关，高浓度的总氮一般反应农业径流引起的地表水中氮物质超标，引起微生物大量繁殖，消耗水中溶解氧。第3主成分的方差贡献率为17.126%，与第3主成分密切相关的因子载荷是粪大肠菌群，是人、畜粪便流入水体带来的污染，反映了水体受到生活污染以及家禽养殖的影响。

表8 黄洲河流域平水期水质指标主成分分析

图10 黄洲河流域平水期水质主成份载荷图

3 结论与讨论

3.1 结 论

(1) 水质指标单因素分析法显示，黄洲河流域春季和秋季平水期缓冲区水质总体符合(GB3838-2002)Ⅲ类水标准，核心区水质部分不满足(GB3838-2002)Ⅰ类水标准，污染物质主要为总氮。

(2) 水质均值型指数综合评价法结果表明，春季平水期和秋季平水期水质污染情况基本相同，总体10月优于4月。黄洲河上游至下游，水质污染状况相对改善，水体有较强的自净能力，上游产生的大量污染虽然随着河流流动得到净化，但还是会对遗产地核心区水质产生较大影响，找出上游的污染源并对其进行控制才是保护遗产地核心区的水环境质量的关键。

(3) 为了便于流域水质管理，利用聚类分析将采样点的水污染情况在空间上分为三组：核心区上游的缓冲区内的水质状况；更为上游的缓冲区内泉眼以及支流交汇处水质状况；遗产地核心区以及核心区下游的水质状况。相关性分析和主成分分析结果表明：平水期黄洲河流域的污染源主要为生活污水、固体垃圾以及农业面源污染。

3.2 讨 论

由研究可知，施秉白云岩喀斯特黄洲河流域平水期的主要污染因子为总氮，污染源主要是农业面源污染，以及生活污水、固体垃圾的排放。因此对施秉白云岩喀斯特遗产地进行环境保护和流域水质综合管理时应大力推行生态平衡施肥技术和生态防治技术，减少遗产地居民对氮、磷肥料的长期大量施用，防止未被土壤吸收的肥料通过地表径流、农田排水流入周边地表和地下水体从而引发氮、磷等污染物超标,造成水体富营养化和有机污染。同时在农田与水体之间设置植被缓冲带,缓冲农业面源污染物对水体带来的污染；因地制宜选择适应性强的污水处理模式、垃圾处理方式，防止生活污水的随意排放以及生活垃圾进入地下水和河道，造成水体严重污染。