城郊地区位于城市的边缘地带, 是城市生态系统向农业/自然生态系统的过渡区域.城郊地区土地利用类型多样, 景观破碎且结构复杂, 使其相应的水土过程变得极为复杂^[1].城郊地区水土环境同时受到城市、工业和农业污染物的复合影响, 给城郊地区水土安全带来了极大的挑战^{[2, 3]}.在过去几十年里, 抗生素被广泛应用于人类或动物有关疾病的治疗以及作为畜禽养殖中的生长促进剂^{[4, 5]}.但抗生素无法被人体和动物完全吸收, 大量未被吸收利用的抗生素随着人或动物的新陈代谢排放到环境中^[6], 使得水体和土壤环境中的抗生素含量持续增加, 并通过食物链等途径进入人体, 对人类健康和环境安全带来威胁, 这一问题在城郊地区尤为突出^{[1, 7~9]}.

城郊地区土地利用组成及其空间分布对水体环境中的抗生素组成及浓度具有重要影响.^[10]在解析这一过程的研究中, 大量的研究使用水文模型或数理统计等方法来研究土地利用格局特征和流域水体环境的关系.其中, 水文模型一般较为复杂, 需要大量的基础空间数据和长时间序列的观测数据, 模拟精度也在很大程度上取决于数据的质量^[11].利用景观格局指数等空间统计学方法来研究土地利用格局与水环境的关系, 也是一种重要的方法^[12~14].例如, 胡和兵等^[15]从景观和类型水平上研究了南京九乡河流域景观格局对河流水质状况的影响, 发现景观格局对流域水质有显著的影响, 而不同土地利用的聚集与连接度对水质指标的影响效应则有所不同.Bu等^[16]将太子河流域的水质指标与景观格局指数进行耦合分析, 探讨了土地利用模式与河流水质的关系.景观格局指数能定量化景观格局信息, 但当前景观格局指数只考虑了景观类型、面积、形状等信息, 而没有很好地耦合生态过程, 导致景观格局指数的生态学意义并不明确^{[17, 18]}.为解决这一问题, 源汇景观格局理论将景观格局和生态过程有效结合, 能够将景观类型、空间位置、地形特征与具体的生态过程融合在一起, 解决了景观格局与生态过程脱节的问题^[19].根据该理论“源”是指一个生态过程的源头, “汇”是指一个生态过程消失的地方^[18].在抗生素等污染物的迁移过程中, 由于人类活动强度不同, 各土地利用类型表现出不同的源或者汇的功能, 例如农田等由于有机肥的施用, 极易成为水体抗生素的源景观, 林地等则对抗生素污染起到削减的作用^{[6, 20]}.合理的土地利用布局可以通过空间上源、汇功能的改变减少流域出口的污染物, 但如果土地利用布局不合理, 则会促进污染物的富集.因而定量评价流域的源汇景观格局对水环境抗生素的影响, 对于城郊生态系统水土安全和居民环境健康具有重要的科学意义和应用价值^{[11, 19, 21]}.

本研究基于源汇景观格局理论, 采用自主开发的源汇景观模型, 以长三角典型城郊小流域为例, 对不同子流域的水体抗生素组成和含量进行分析, 探讨流域源汇景观格局对水体抗生素的影响, 以期为快速城市化发展过程中水环境健康的维持提供科学参考.

研究区位于浙江省宁波市城郊樟溪流域(29°45′~29°51′ N, 121°13′~121°20′ E), 研究区总面积89.7 km², 属于亚热带季风气候, 气候温和湿润, 雨量充足, 多年平均降水量在1 470 mm左右.研究区内樟溪为奉化江支流, 上游为皎口水库, 流经章水、龙观和鄞江这3个乡镇, 全长14.5 km.研究区位于四明山区向宁绍平原的过渡地带, 植被覆盖率较高, 主要土地利用类型有城镇建设用地、农田、林地、园地和水库等, 近年来土地利用受城镇化影响较大.农田主要以贝母、花生和蔬菜种植为主, 园地主要以果蔬和苗圃为主, 林地主要为亚热带常绿阔叶林.

基于流域的土地利用、水文路径和地形特征, 设置了16个监测断面用于地表水的长期定位监测.根据监测断面的位置, 将研究区划分为16个不同的子流域(图 1).图 2表示了不同子流域的等级关系, 例如W1子流域位于流域上游的位置, W2监测断面位于W1的下方, 其流域范围相对较大且包含了整个W1子流域.在每个子流域的出水口采集水样, 采样时间为2017年3~9月, 采样时每个采样点一次性采集水样1L, 放入棕色玻璃瓶中带回实验室分析.

图 1

Fig. 1

图 1 研究区土地利用和采样点分布示意 Fig. 1 Land use and water sampling sites of the study area

图 2

Fig. 2

图 2 研究区不同等级子流域示意 Fig. 2 Schematic diagram of different sub-watersheds in the study area

实验仪器：超高效液相串联三重四级杆质谱仪、24孔固相萃取仪、氮吹浓缩仪、Oasis HLB小柱和pH计等.

实验试剂：本实验中所用到的丙酮、甲醇、乙酸、甲酸和乙二胺四乙酸二钠均为分析纯, 实验用水为超纯水.目标抗生素的标准品均购自Dr.Ehrenstorfer GmbH(德国), 目标抗生素共包含四大类：①磺胺类抗生素(SAs)：磺胺嘧啶(SDZ)、磺胺砒啶(SPD)、磺胺二甲基嘧啶(SMZ)、磺胺氯哒嗪(SCP)和磺胺甲唑(SMX)；②四环素类抗生素(TCs)：土霉素(OTC)、金霉素(CTC)和四环素(TC)；③喹诺酮类抗生素(QNs)：氧氟沙星(OFL)、环丙沙星(CIP)、达氟沙星(DANO)、恩诺沙星(ENR)和喹酸(OXA)：④大环内酯类抗生素(MLs)：克拉霉素(CLA)、罗红霉素(ROX)、林可霉素(LIM)和红霉素(ERY).

水样中抗生素的富集萃取参考文献[22, 23]中的方法, 将水样经过0.45 μm的玻璃纤维进行过滤, 然后用10%的乙酸将溶液的pH调节至3.5, 加入0.2 g乙二胺四乙酸二钠, 将溶液混合均匀；Oasis HLB小柱预先用6 mL丙酮、6 mL甲醇、6 mL乙酸铵和6 mL超纯水进行活化, 之后使上面混匀的溶液匀速流过小柱；用5 mL超纯水和5 mL 5%的甲醇溶液淋洗小柱, 抽真空20 min, 再用3 mL甲醇、5 mL含1%甲酸的甲醇溶液将抗生素洗脱, 最后用氮气吹干；用混合溶剂(甲醇:含1%甲酸的水溶液=1 :1, 体积比)定容至1 mL, 密封于棕色样品瓶中, 冷藏于-20℃冰箱待高效液相色谱-串联质谱(HPLC-MS/MS)测定.

高效液相色谱(Thermo Dionex Ulitmate 3000)串联三重四级杆质谱仪(Thermo TsQ Vantange), 配液相色谱柱(Waters Acquity UPLC BEH C18, 100 mm×2.1 mm, 1.7 μm).色谱条件采用Inertsil^Ⓡ ODS-SP液相色谱柱(4.60 mm×150 mm, 5 μm), 质谱条件采用LC-MS/MS的多反应监测(MRM)模式.

采用外标法定量, 分别配置标准溶液(30、70、100、150、200和300 ng ·L^-1), 使用一系列浓度的标准曲线, 保证标准曲线的理论点与实际点之间的偏差不超过15%.最后得到的抗生素的标准曲线R²＞0.99, 抗生素回收率在64.45% ~107.59%范围内波动, 标准差均小于20%.

源汇景观模型(source-sink landscape model, SSLM)是中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室开发的空间分布式评价模型.源汇景观模型将源汇景观空间负荷比指数^[11]开发为ArcGIS的toolbox, 目前模型版本为1.0版.源汇景观模型的输入数据为DEM数据、土地利用数据和流域出口位置.运行模型需定义源景观和汇景观类型, 并根据具体的生态过程赋予不同源景观和汇景观权重.通过源汇景观模型可以快捷地进行水文路径计算、流域划分、空间分析和流域土地利用数据提取等, 并通过海拔、坡度和距离等参数绘制不同源和汇景观的洛伦兹曲线, 最终计算出源汇景观负荷比指数.

根据研究区的土地利用特征、有机肥的使用情况, 将城镇、农田和园地划分为“源”景观, 将林地和水库划分为“汇”景观.根据源汇景观功能的定义, 对于某一特定生态/环境过程而言, 景观作为源的功能越强, 其权重就越大；而景观作为汇的功能越强, 其权重也越大.由于不同土地利用类型对水体抗生素污染的贡献是不同的, 本研究借鉴通用土壤流失方程中植被覆盖与管理因子C值来表征各土地利用类型对水体抗生素污染的贡献^{[11, 24, 25]}, 各土地利用类型的权重值如表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 源汇景观类型及权重 Table 1 Weights of source landscape and sink landscape 项目 土地利用类型 权重值 城镇 0.90 源景观 农田 0.80 园地 0.50 汇景观 林地 0.10 水库 0.80

表 1 源汇景观类型及权重 Table 1 Weights of source landscape and sink landscape

源汇景观负荷比指数由源汇景观模型(SSLM)进行计算, 基于Bray-Curtis距离和聚类的非度量多维尺度分析(NMDS)识别不同子流域中抗生素的分布特征, 通过冗余分析(RDA)识别影响水体中抗生素的环境因素, 以上统计分析及作图均在R 3.4.3中完成.

研究区土地利用分析表明, W9、W7、W16、W15和W8子流域城镇、农田和园地面积较大, 所占的比例分别为31.43%、24.72%、22.44%、22.22%和22.17%.在上游地区, 如W1、W3、W5和W11子流域以林地为主；而在中下游地区, 如W16、W13和W15子流域, 城镇面积明显增加.研究区从上游至下游, “源”景观面积逐渐增加, “汇”景观面积则逐渐减少(图 3).

图 3

Fig. 3

图 3 不同子流域土地利用比例 Fig. 3 Land use proportion in different sub-watersheds

基于源汇景观模型分析, 得到16个子流域的源汇景观负荷比指数.由图 4可知, 不同子流域源汇景观负荷比指数差异较大, 其中, W2、W4、W6~W8、W13和W15~W16的源汇景观负荷比指数较高, 而W3、W5、W11和W14的景观负荷比指数较低.由于从研究区的上游到下游, “源”景观的面积逐渐增大而“汇”景观的面积逐渐减小, 相应地, 源汇景观负荷比指数从上游至下游也逐渐增大；另一方面, “源”景观和“汇”景观在地理空间上的布局, 也影响了源汇景观负荷比指数在空间上的分布特征.由此可见, 研究区“源”景观多位于河流下游区域, 抗生素更容易在河流富集, 增加水体污染强度, 而“汇”景观多位于河流上游区域, 不能够有效地对抗生素进行阻隔.

图 4

Fig. 4

图 4 不同子流域景观负荷比指数 Fig. 4 Location-weighted landscape index (LWLI) in different sub-watersheds

研究区水体抗生素总浓度的变化范围为1.12~53.74 ng ·L^-1, 四大类目标抗生素在不同子流域内均有检测到.其中喹诺酮类抗生素的总浓度最高, 浓度为53.74 ng ·L^-1, 其次为大环内酯类抗生素(24.21 ng ·L^-1).除喹酸在各子流域中未检出之外, 其他种类抗生素均有检出, 其中, 磺胺甲唑(SMX)、氧氟沙星(OFL)、罗红霉素(ROX)3种抗生素在16个子流域均有检出, 说明这3种抗生素在研究区内有较为广泛的分布.研究区水环境中抗生素的检出浓度均为ng级别, 与其他流域相比含量较低, 例如山东省小清河流域抗生素的浓度范围为nd~3 900 ng·L^-1[26], 海河流域水体抗生素的浓度范围为0.12~385 ng ·L^-1[27], 黄浦江表层水中抗生素的含量为36.71~313.44 ng ·L^-1[28].这可能有两方面的原因：一方面主要由于研究区位于城郊地区, 是自然生态系统向城市生态系统的过渡区域, 且林地面积比例较大(图 3), 人类活动强度相对其他流域较弱, 抗生素的使用量也相对较少；另一方面也由于研究区位于长三角地区, 降水相对较为丰富, 使得流域内抗生素不易在水体中留存, 从而使得研究区水环境中抗生素的检出浓度相对较低.

各类抗生素在不同子流域水体中的浓度差异较大, 喹诺酮类与大环内酯类抗生素的浓度明显高于磺胺类和四环素类抗生素, 喹诺酮类抗生素在W7子流域中浓度最高, 达到了17.08ng ·L^-1, 大环内酯类抗生素在W15子流域的浓度最高, 为8.95ng ·L^-1, 但是四环素类抗生素的检出量很少, 在某些子流域甚至未检出, 这可能与四环素类抗生素吸附性强, 且易发生光解反应有关^{[29, 30]}.由图 5可知, 在W2~W3、W6~W9和W15~W16子流域水体抗生素的浓度分别出现了3个高峰, 进一步分析发现这3个区域具有较大面积的城镇和农田分布, 这表明城镇和农田这种高人类活动强度的土地利用类型是水体抗生素的重要来源.如表 2所示, W15子流域含有抗生素种类最多, 达到11种, 这可能与其毗邻城镇、并且河流沿岸分布有一定面积的农田和园地有关.这种土地利用格局使得药用和有机肥中的抗生素容易随着地表径流进入水体环境中, 影响水体中抗生素的种类和浓度.基于聚类的非度量多维尺度分析(NMDS), 可以将16个子流域分为3组, 同组内的抗生素种类和含量具有相似性.进一步结合各组内子流域的土地利用格局发现, 各组内的“源汇”景观组成具有一定的相似性(图 6), 如Group1中子流域W1、W4、W5、W11和W12内均包含较大面积的“源”景观, 如农田、城镇, 而“汇”景观的面积相对较小, 而Group2和Group3中子流域所包含的“源”景观面积较小, 而“汇”景观面积较大.这一结果表明, 具有相似“源汇”景观格局的子流域中, 水体抗生素的组成和含量也具有一定的相似性.

图 5

Fig. 5

图 5 不同子流域水体抗生素浓度 Fig. 5 Concentration of antibiotics in surface water of different sub-watersheds

图 6

Fig. 6

图 6 基于聚类的非度量多维尺度分析(NMDS) Fig. 6 Non-metric multidimensional scaling (NMDS) ordination sub-watersheds based on cluster

表 2 (Table 2)

表 2 不同子流域水体抗生素种类 Table 2 Types of antibiotics in surface water in different sub-watersheds 子流域 农田 城镇 林地 水库 园地 抗生素种类 抗生素种类数 W1 √ √ √ — — SMX、OFL、ROX、LIM 4 W2 √ √ √ — — SMX、OFL、ROX、TC、ENR、CLA、LIM、ERY 8 W3 √ — √ — — SMX、OFL、ROX、CIP、CLA、LIM、ERY 7 W4 √ √ √ — — SMX、OFL、ROX 3 W5 √ √ √ — — SMX、OFL、ROX、ERY 4 W6 √ √ √ — — SMX、OFL、ROX、CTC、CLA、LIM、ERY 7 W7 √ √ √ — — SMX、OFL、ROX、OTC、TC、CLA、LIM、ERY 8 W8 √ √ √ — — SMX、OFL、ROX、LIM 4 W9 √ √ √ — — SMX、OFL、ROX、OTC、TC、CLA、LIM、ERY 8 W10 √ √ √ √ √ SMX、OFL、ROX、SCP、LIM 5 W11 — √ √ — — SMX、OFL、ROX、DANO 4 W12 √ √ √ √ √ SMX、OFL、ROX、LIM、ERY 5 W13 √ √ √ √ √ SMX、OFL、ROX、SCP、TC、CLA、LIM、ERY 8 W14 √ √ √ √ √ SMX、OFL、ROX、LIM、ERY 5 W15 √ √ √ √ √ SMX、OFL、ROX、SDZ、SPD、SMZ、SCP、TC、CLA LIM、ERY 11 W16 √ √ √ √ √ SMX、OFL、ROX、SPD、CLA、LIM、ERY 7

表 2 不同子流域水体抗生素种类 Table 2 Types of antibiotics in surface water in different sub-watersheds

源汇景观模型将源汇景观格局和水文过程结合起来, 能够更清晰地揭示水体抗生素的汇集过程, 定量评价水体抗生素的相对污染程度, 明确不同的景观类型和空间配置对水体抗生素污染的贡献.

由研究区水体抗生素浓度与土地利用类型和景观负荷比指数的相关分析可知, 磺胺类抗生素(SAs)与各土地利用百分比均呈正相关, 而四环素类抗生素(TCs)与喹诺酮类抗生素(QNs)与各土地利用百分比均呈负相关(图 7).除磺胺类抗生素与基于距离的景观负荷比指数(LWLI.D)和基于坡度的景观负荷比指数(LWLI.S)呈负相关之外, 水体抗生素总浓度以及其他种类抗生素均与源汇景观负荷比指数呈正相关关系, 说明源汇景观负荷比指数越大的子流域, 水体抗生素的浓度越高.进一步进行冗余分析(RDA)可知(图 8), 景观负荷比指数和各土地利用比例对水体中各类抗生素的影响程度不同, 大环内酯类抗生素与源汇景观负荷比指数(LWLI)的关系密切, 喹诺酮类抗生素受土地利用的坡度分布(LWLI.S)影响最大, 磺胺类抗生素受园地面积比例的影响较大.但四环素类抗生素受源汇景观负荷比指数和土地利用影响较小, 这可能与四环素类抗生素本身易光解且吸附性强的特点有关, 导致流域中四环素类抗生素的含量变异较大.

图 7

Fig. 7

图 7 水体抗生素浓度与景观特征的相关分析 Fig. 7 Correlations between antibiotic concentrations in surface water and landscape characteristics

图 8

Fig. 8

图 8 抗生素浓度与景观特征冗余分析(RDA) Fig. 8 Redundancy analysis (RDA) showing antibiotic concentrations in relation to landscape characteristics

研究区水体抗生素的浓度受源汇景观格局的影响较大, 在源汇景观负荷比指数大的子流域, 如W15(0.863)和W16(0.795)子流域, 其位于河流下游, 城镇、农田和园地等“源”景观面积较大, 且靠近子流域出口位置, 而林地等“汇”景观面积较小, 且远离子流域出口, 水体抗生素污染的来源多且不容易受到“汇”景观的拦截；在源汇景观负荷比指数较小的子流域, 如W5(0.004)、W11(0.000 5)和W14(0.198), 其均位于河流上游, “源”景观面积较小而“汇”景观面积较大, 水体抗生素的来源少且不容易富集, 因而检测出的水体抗生素浓度也较低.

基于以上分析可知, 源汇景观模型能够较为准确和方便地揭示影响水体抗生素污染的主要景观特征, 有助于景观格局优化设计和水体污染物的控制.城郊地区城镇和农田分布广泛, 且“源”景观破碎化程度较高, 通过景观格局的优化使“源”“汇”景观在空间上更为合理地分布, 在控制“源”景观中污染物释放的同时, 增强“汇”景观在污染物传输过程中的调节功能, 从而改善流域水体抗生素污染状况.

(1) 研究区上游至下游, “源”景观如城镇和农田, 面积逐渐增大, “汇”景观如林地等, 面积逐渐减小, 源汇景观负荷比指数从上游至下游逐渐增大.研究区“源”景观多位于河流下游, 导致抗生素容易在河流富集, 而“汇”景观多位于河流上游区域, 不能够有效地对抗生素进行阻隔.

(2) 研究区不同子流域水体中四类抗生素均有检出, 抗生素总浓度的变化范围为1.12~53.74 ng ·L^-1, 喹诺酮类抗生素的浓度最高, 其次为大环内酯类抗生素；在不同子流域, 抗生素的浓度和种类差异较大.源汇景观格局相似的子流域中的抗生素的组成和含量具有一定的相似性.

(3) 源汇景观负荷比指数与水体抗生素的浓度呈正相关关系, 源汇景观负荷比指数较大的子流域中, “源汇”景观空间布局不够合理, “源”景观面积较大而“汇”景观面积较小, 且“源”景观分布于接近流域出口的位置, 使得水体抗生素富集风险增加.通过格局优化使“源”“汇”景观在空间上更为合理地分布, 可以改善流域水体抗生素污染状况.