三岔河流域不同尺度土地利用對(duì)水質(zhì)的影響

段少瓊 安艷玲# 蘇孝良 吳起鑫,3 金 桃 侯祎亮 吳旌滔

(1.貴州大學(xué)喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550003； 2.貴州省科學(xué)技術(shù)廳，貴州 貴陽(yáng) 550002； 3.中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所，環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550002)

三岔河流域不同尺度土地利用對(duì)水質(zhì)的影響

段少瓊1安艷玲1#蘇孝良2吳起鑫1,3金 桃1侯祎亮1吳旌滔1

(1.貴州大學(xué)喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550003； 2.貴州省科學(xué)技術(shù)廳，貴州 貴陽(yáng) 550002； 3.中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所，環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550002)

以2013年8月的三岔河流域水體采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)，分別從子流域和緩沖區(qū)尺度分析河流水質(zhì)指標(biāo)與土地利用之間的關(guān)系。結(jié)果表明，在子流域尺度上，水質(zhì)對(duì)土地利用類型的響應(yīng)更加顯著。林地、草地對(duì)水質(zhì)起“匯”的作用，耕地和建設(shè)用地主要起“源”的作用，其中氨氮與耕地、林地、建筑用地面積比例顯著相關(guān)，總磷與未利用地、水域面積比例顯著相關(guān)。冗余分析進(jìn)一步表明，耕地是氮素的主要來(lái)源，未利用地是磷素的主要來(lái)源。

土地利用 水質(zhì) 尺度 冗余分析 三岔河

隨著流域范圍內(nèi)人類活動(dòng)的加劇，全球水環(huán)境污染問(wèn)題日益突出。人為活動(dòng)引起的土地利用變化是造成水體污染的主要因素之一[1]93-94。流域內(nèi)土地利用與水質(zhì)關(guān)系的研究，可以為流域內(nèi)土地利用方式優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，為流域內(nèi)非點(diǎn)源污染的深入研究提供借鑒[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土地利用與水質(zhì)的關(guān)聯(lián)性的研究，主要從匯水區(qū)[3]、子流域[4]287-288、河岸緩沖區(qū)[5-6]等尺度，采用對(duì)比分析、統(tǒng)計(jì)分析、空間分析和模型分析等方法，從而定量研究?jī)烧咧g的相關(guān)性以及尺度效應(yīng)和距離效應(yīng)。SLIVA等[7]采用匯水區(qū)與0.1 km河岸緩沖區(qū)尺度，研究安大略湖北部3個(gè)子流域在3個(gè)季度內(nèi)土地利用變化對(duì)河流水質(zhì)的影響。曹芳芳等[8]和於夢(mèng)秋等[9]1025-1026分別采用子流域和圓形緩沖區(qū)尺度，研究新安江上游流域和太湖流域入湖河流烏溪港、武進(jìn)港土地利用與水質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明，土地利用類型對(duì)水質(zhì)具有顯著影響。然而，由于每個(gè)流域的自然屬性不盡相同，利用流域尺度還是緩沖區(qū)尺度分析土地利用類型對(duì)水質(zhì)影響更有效仍存在爭(zhēng)論[10-11]。

三岔河作為長(zhǎng)江重要支流烏江的正源，流域內(nèi)碳酸鹽巖廣布，喀斯特地貌發(fā)育典型，石漠化強(qiáng)烈，植被覆蓋率低，生態(tài)本底脆弱[12]。近些年，隨著流域內(nèi)人為活動(dòng)逐年加強(qiáng)，一些生態(tài)環(huán)境問(wèn)題(如水土流失、陡坡墾荒、山地石漠化、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)污染等)更加突出，直接影響河流水質(zhì)[13]。關(guān)注三岔河水質(zhì)、改善水環(huán)境質(zhì)量，對(duì)烏江水質(zhì)保護(hù)也至關(guān)重要。因此，本研究以三岔河為研究區(qū)，通過(guò)設(shè)置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感(RS)技術(shù)，分別從子流域和緩沖區(qū)尺度分析土地利用對(duì)水質(zhì)的影響，為三岔河流域水污染控制以及水環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏江源區(qū)三岔河流域地處云南高原向貴州高原過(guò)渡的烏蒙山區(qū)，由西向東逐漸傾斜，呈現(xiàn)西北高、東南低走勢(shì)，河流源頭自河口自然落差1 397.91 m，平均比降0.429%，流域總面積7 264 km2，河流全長(zhǎng)325.6 km，流經(jīng)畢節(jié)市、六盤水市和安順市。流域經(jīng)緯度為104°18′E ～106°18′E、26°10′N～27°0′N，除西北部威寧縣地勢(shì)較高地區(qū)屬暖溫帶氣候外，其余地區(qū)均屬亞熱帶季風(fēng)氣候，全年氣候溫和濕潤(rùn)，雨量充沛，年降水量為833.3～1 480.0 mm。流域內(nèi)的土地利用類型主要以耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地以及未利用地為主；未利用地主要是裸露地以及石漠化的土地。三岔河干流水質(zhì)總體為中度污染，其中非點(diǎn)源總氮、總磷負(fù)荷分別占整個(gè)烏江流域的14.70%、15.73%[14]。

2 研究方法

2.1 流域監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置及水質(zhì)測(cè)定

基于三岔河流域1∶100 000數(shù)字高程模型(DEM)圖(數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站，像元分辨率為30 m×30 m)，在ArcGIS 10.1的Hydrology中提取流域的河網(wǎng)水系并將整個(gè)流域劃分為8個(gè)子流域。

在三岔河流域干流及主要支流上共布設(shè)8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物濃度對(duì)應(yīng)其所在子流域污染物的輸出強(qiáng)度。其中，1#～4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于三岔河主干流上，從上游布設(shè)至下游，因?yàn)楹恿鞲闪鞅O(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)會(huì)受到河流上游整個(gè)匯水區(qū)影響，因此干流上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的污染物濃度代表河流上游整個(gè)匯水區(qū)污染物的輸出強(qiáng)度；5#～8#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于主要支流的4個(gè)出口處，其污染物濃度代表整個(gè)支流污染物的輸出強(qiáng)度。三岔河流域處于亞熱帶，大部分降雨集中在5—10月，非點(diǎn)源污染也主要發(fā)生在該時(shí)段，因此最終選擇2013年8月(豐水期)進(jìn)行野外實(shí)地水樣采集。采樣過(guò)程中每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在的子流域均設(shè)置2～3組重復(fù)，每組均取3個(gè)平行樣品。

綜合考慮三岔河流域水環(huán)境主要污染因子，選取總氮、總磷、氨氮和正磷酸鹽作為關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)。各指標(biāo)均在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按照文獻(xiàn)[15]進(jìn)行測(cè)定，取各個(gè)指標(biāo)平均值作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)。

2.2 土地利用類型的確定及各子流域和緩沖區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)分析

本次研究采用2013年的4幅Landsat 8 陸地成像儀(OLI)影像圖，軌道號(hào)分別為127/41、127/42、128/41和128/42。選擇其中的2、3、4、5、6、7波段，在Erdas Imagine 9.2的支持下進(jìn)行校正、配準(zhǔn)、鑲嵌、裁剪等預(yù)處理后得到三岔河流域的影像圖，運(yùn)用監(jiān)督分類和目視解譯相結(jié)合的方法提取研究區(qū)土地利用信息，將土地利用類型分為林地、草地、耕地、建筑用地、水域和未利用地6類(見(jiàn)圖2)。為確保土地分類精度，在影像上選取150個(gè)控制點(diǎn)，進(jìn)行野外校驗(yàn)。分類精度評(píng)價(jià)結(jié)果的Kappa系數(shù)為0.86，符合本研究精度要求。應(yīng)用ArcGIS 10.1，統(tǒng)計(jì)8個(gè)子流域土地利用類型的面積，又以8個(gè)子流域內(nèi)水系為中心在垂直河道的方向上設(shè)置0.2、0.5、1.0、2.0 km緩沖區(qū)(見(jiàn)圖1)，獲得各緩沖區(qū)內(nèi)土地利用類型的面積比例，作為進(jìn)一步分析土地利用對(duì)三岔河水質(zhì)影響的基礎(chǔ)。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布和緩沖區(qū)分割Fig.1 Location of monitoring sites and segmentation of buffer zones

圖2 三岔河流域土地利用類型Fig.2 Land use types in Sancha River basin

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

本研究主要采用相關(guān)分析和冗余分析，分別借助于SPSS 15.0和 Canoco for Windows 4.5進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。進(jìn)行相關(guān)分析前采用K-S檢驗(yàn)，判斷數(shù)據(jù)是否滿足正態(tài)分布，發(fā)現(xiàn)有不滿足的變量存在，因此采用Spearman秩相關(guān)分析判斷土地利用類型與水質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性。冗余分析直觀展現(xiàn)解釋變量與響應(yīng)變量之間的關(guān)系，反映眾多土地利用類型對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的綜合作用，本研究通過(guò)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的去趨勢(shì)分析和梯度計(jì)算，選擇冗余分析線性模型分析影響水質(zhì)的關(guān)鍵因子。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)狀況

在2013年豐水期，三岔河流域8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，干流的磷素濃度總體較高，其中總磷在空間上表現(xiàn)為干流監(jiān)測(cè)點(diǎn)的濃度高于支流監(jiān)測(cè)點(diǎn)，正磷酸鹽在1#、2#、4#和7#監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度較高?？偟?#、5#和8#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的濃度較高。氨氮在2#、3#、4#、5#和8#監(jiān)測(cè)點(diǎn)濃度較高。

3.2 土地利用狀況

以各監(jiān)測(cè)點(diǎn)上游匯水區(qū)為作用區(qū)，分別計(jì)算其子流域和緩沖區(qū)兩個(gè)尺度的土地利用類型覆蓋面積。由圖4可以看出，三岔河流域整體土地利用類型以林地和耕地為主，約占總面積的80%。在子流域尺度上，土地利用類型也以耕地和林地為主，其次是草地，這3類土地利用類型占總面積的90%以上。在緩沖區(qū)尺度上，耕地、林地和草地3類土地利用類型也占主導(dǎo)地位，且隨著緩沖區(qū)半徑增大，耕地和建筑用地面積比例逐漸減少，而林地和草地的面積比例呈增加趨勢(shì)。

3.3 土地利用對(duì)水質(zhì)的影響

土地利用類型面積比例與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果如表1所示。由表1可以看出：緩沖區(qū)尺度上，耕地面積比例與總氮和氨氮均呈正相關(guān)，當(dāng)緩沖半徑為0.2 km時(shí)，與氨氮呈顯著正相關(guān)；林地面積比例與總氮和氨氮均呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)緩沖半徑分別為0.5、1.0、2.0 km時(shí)，與氨氮呈顯著負(fù)相關(guān)；耕地面積比例與總磷和正磷酸鹽均呈負(fù)相關(guān)，而林地面積比例與總磷和正磷酸鹽均呈正相關(guān)，這與於夢(mèng)秋等[9]1029的研究結(jié)果不一致，可能是因?yàn)槿砗由嫌未嬖诹姿氐狞c(diǎn)源污染。在緩沖區(qū)尺度，隨著緩沖半徑的變化，草地、建筑用地、未利用地和水域面積比例與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性也發(fā)生改變。草地面積比例與總磷、正磷酸鹽大體呈負(fù)相關(guān)，但在0.2 km緩沖區(qū)，與總磷和正磷酸鹽均呈現(xiàn)正相關(guān)；未利用地面積比例與總磷在0.5、1.0 km緩沖區(qū)均呈顯著正相關(guān)，而在其他緩沖區(qū)的相關(guān)性不顯著。

圖3 三岔河流域水質(zhì)指標(biāo)的空間分布Fig.3 Spatial distribution of water quality indicators in Sancha River basin

注：Sa、Sb、Sc和Sd分別代表0.2、0.5、1.0、2.0 km緩沖區(qū)；Sx代表子流域；1～8分別代表1#～8#監(jiān)測(cè)點(diǎn)。例如，Sa1代表1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的0.2 km緩沖區(qū)。

圖4緩沖區(qū)和子流域內(nèi)土地利用類型面積比例
Fig.4 Proportion of land use types of the sub-basin and buffer zones

在子流域尺度上，耕地和建設(shè)用地面積比例與水質(zhì)指標(biāo)大體呈正相關(guān)，林地和草地面積比例與水質(zhì)指標(biāo)大體呈負(fù)相關(guān)；耕地、林地和建設(shè)用地面積比例均與氨氮相關(guān)顯著，未利用地和水域面積比例與總磷相關(guān)顯著。這與COLLIER[16]的研究結(jié)果一致，表明耕地和建設(shè)用地對(duì)水質(zhì)有“源”作用，林地和草地對(duì)水質(zhì)有“匯”作用。

圖5反映了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)與土地利用類型面積比例的關(guān)系。由圖5可以看出，三岔河流域的4#、5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)氮素的貢獻(xiàn)最大，可能因?yàn)?#、5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在子流域的耕地面積比例相對(duì)較高(見(jiàn)圖4)，在子流域尺度上，耕地面積比例與總氮、氨氮呈正相關(guān)(見(jiàn)表1)，耕地可能是氮素的主要來(lái)源；且正值雨季，耕地中因施肥過(guò)量而未被作物利用的氮素可能隨著土壤流失到河流中。1#、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)磷素的貢獻(xiàn)最大，1#、2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在子流域的未利用地面積比例較高(見(jiàn)圖4)，磷素可能主要受到未利用地的影響。一方面，研究區(qū)域喀斯特地貌顯著，未利用地的主要類型包括石漠化土地以及裸露地，風(fēng)化現(xiàn)象明顯，隨著礦物的風(fēng)化，磷素進(jìn)入土壤[1]95-96。趙海東等[17]研究表明，裸露地的正磷酸鹽流失量大于其他的土地利用類型。因此，未利用地中的磷素會(huì)隨著土壤流失更多進(jìn)入河流中。

表1 不同尺度下土地利用類型面積比例與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性1)

注：1)采用Spearman秩相關(guān)分析；*表示在α=0.05水平顯著相關(guān)，**表示在α=0.01水平顯著相關(guān)。

注：①～⑧分別代表1#～8#監(jiān)測(cè)點(diǎn)；a、b、c和d分別代表0.2、0.5、1.0、2.0 km緩沖區(qū)；X代表子流域；1～6依次代表耕地、草地、林地、建筑用地、未利用土地和水域。例如，a1代表耕地的0.2 km緩沖區(qū)。

圖5土地利用類型面積比例與水質(zhì)指標(biāo)的冗余分析排序
Fig.5 Redundancy analysis ordination plot of area ratios of land use types and water quality indicators

與緩沖區(qū)相比，在子流域尺度上，水質(zhì)對(duì)土地利用類型的響應(yīng)更加顯著，該結(jié)果和蔡宏等[4]289-290在赤水河的研究結(jié)果相一致，而於夢(mèng)秋等[9]1029-1031在太湖流域入湖河流土地利用類型對(duì)水質(zhì)影響的研究發(fā)現(xiàn)，河流近域的土地利用對(duì)水質(zhì)有更大影響。研究結(jié)果的差異可能是因?yàn)榱饔蛩幍淖匀画h(huán)境不同：三岔河和赤水河都位于西南山區(qū)，而太湖流域位于平原地區(qū)。此外，每個(gè)流域特征污染物的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程不同，結(jié)果可能也會(huì)有所不同。

4 結(jié)論與建議

(1) 與緩沖區(qū)尺度相比，在子流域尺度上水質(zhì)對(duì)土地利用類型的響應(yīng)更為明顯。在子流域尺度上，林地、草地與總氮、總磷、氨氮和正磷酸鹽呈大體負(fù)相關(guān)，而耕地、建設(shè)用地與總氮、總磷、氨氮和正磷酸鹽呈大體正相關(guān)。從削減非點(diǎn)源污染出發(fā)，建議在整個(gè)流域范圍內(nèi)實(shí)行退耕還林還草，建設(shè)防護(hù)林效果。

(2) 在緩沖區(qū)尺度，緩沖半徑不同，草地、建筑用地、未利用地和水域面積比例與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性也會(huì)發(fā)生變化。

(3) 耕地是豐水期河流中氮素的主要來(lái)源，未利用地是河流中磷素的主要來(lái)源，隨著流域內(nèi)耕作施肥和裸露地風(fēng)化，氮素、磷素隨著土壤流失進(jìn)入到河流。因此，在喀斯特地貌為主導(dǎo)的流域內(nèi)，合理規(guī)劃和開(kāi)發(fā)土地資源，是改善流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的有效措施。

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Effectsofmulti-scalelanduseonwaterqualityinSanchaRiver

DUANShaoqiong1,ANYanling1,SUXiaoliang2,WUQixin1,3,JINTao1,HOUYiliang1,WUJingtao1.

(1.KeyLaboratoryofKarstEnvironmentandGeohazardPrevention,MinistryofEucation,GuizhouUniversity,GuiyangGuizhou550003;2.ScienceandTechnologyDepartmentofGuizhouProvince,GuiyangGuizhou550002;3.StateKeyLaboratoryofEnvironmentalGeochemistry,InstituteofGeochemistry,ChineseAcademyofSciences,GuiyangGuizhou550002)

The relations between land use and water quality were analyzed on the sub-basin scale and riparian buffer zone scale by using geographic information system (GIS) technique based on water sampling data collected in the Sancha River basin in August 2013. Land use data were also obtained. Results showed that the water quality were significantly affected by land use in a sub-basin scale. The forest-land and grass-land were the sources of the water quality. Conversely,the farm-land and the building-land mainly were the sinks. The ammonia nitrogen was significantly influenced by area ratios of farm-land,forest-land and building-land,while the total phosphorus was significantly influenced by area ratios of unused-land and water-land. The result of redundancy analysis further demonstrated that the farm-land was the main source of nitrogen,and the unused-land was the main source of phosphorus.

land use; water quality; scale; redundancy analysis; Sancha River

2016-04-07)

段少瓊，女，1989年生，碩士研究生，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境。#

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10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.013