汾河下游土地利用類(lèi)型對(duì)河流無(wú)機(jī)氮的影響

董銳　汪銀龍

關(guān)鍵詞：土地利用;無(wú)機(jī)氮;冗余分析;汾河下游

中圖分類(lèi)號(hào)：TV211.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.018

引用格式：董銳，汪銀龍.汾河下游土地利用類(lèi)型對(duì)河流無(wú)機(jī)氮的影響[J].人民黃河，2022，44（3）：91-96.

近些年西北地區(qū)工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，產(chǎn)生了大量廢水，加之農(nóng)藥和化肥的施用等，大量無(wú)機(jī)氮進(jìn)入環(huán)境中，引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注[1-4]。土地利用類(lèi)型對(duì)流域水環(huán)境中無(wú)機(jī)氮含量具有重要影響，Li等[5]認(rèn)為，河流總氮負(fù)荷與旱地面積占比正相關(guān)，但與稻田面積占比負(fù)相關(guān);Jacobs等[6]研究發(fā)現(xiàn)，土地利用類(lèi)型影響水體中硝酸鹽的濃度，農(nóng)業(yè)用地增加、化肥施用量增加導(dǎo)致無(wú)機(jī)氮輸出增加;Nielsen等[7]認(rèn)為，流域中水流的輸運(yùn)機(jī)制決定了水體營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入與輸出，因此流域水體無(wú)機(jī)鹽的輸入、輸出應(yīng)在整個(gè)流域尺度上考慮;Cunningham等[8]研究表明，無(wú)機(jī)鹽輸移過(guò)程中，土壤或者植物會(huì)吸收無(wú)機(jī)鹽，因此應(yīng)重點(diǎn)研究河流周邊的土地利用類(lèi)型。流域劃分方式有子流域尺度與河岸緩沖帶尺度，不同劃分尺度的土地利用類(lèi)型對(duì)水體水質(zhì)的影響不同。李艷利等[9-10]研究表明，相對(duì)于河岸緩沖帶尺度，土地利用類(lèi)型在子流域尺度上對(duì)水體水質(zhì)的影響更為顯著。但是歐洋等[11-12]研究認(rèn)為，在不同半徑河岸緩沖帶劃分尺度下，緩沖帶與水體水質(zhì)的相關(guān)性更顯著。

近幾年，頻繁的農(nóng)業(yè)活動(dòng)以及煤炭開(kāi)采、工業(yè)廢水排放等導(dǎo)致汾河的污染越來(lái)越嚴(yán)重[13]。汾河下游沿岸經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，工業(yè)化指數(shù)高，汾河流入臨汾段后污染更加嚴(yán)重，有學(xué)者研究表明，2015年汾河下游臨汾、柴莊斷面為地表水劣Ⅴ類(lèi)水，其中臨汾斷面氨氮較地表水Ⅴ類(lèi)水超標(biāo)7.4倍，柴莊斷面氨氮超標(biāo)6.3倍[14]。因此，以汾河下游9個(gè)代表性斷面無(wú)機(jī)氮數(shù)據(jù)及土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究近域土地利用類(lèi)型與河流無(wú)機(jī)氮含量的關(guān)系，以期為該地區(qū)水土資源的合理利用提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

汾河是黃河第二大支流，也是山西的母親河。汾河流域承擔(dān)著山西糧食生產(chǎn)的重任，是重要的糧食生產(chǎn)區(qū)，同時(shí)該區(qū)域人口聚集，是山西省重要的工業(yè)生產(chǎn)區(qū)。汾河下游流域面積11276km，年平均地表水資源總量為6.3億m，人均占有水資源量247m，水資源相對(duì)匱乏。近幾年，受人類(lèi)頻繁的農(nóng)業(yè)活動(dòng)以及工業(yè)污水排放影響，汾河污染越來(lái)越嚴(yán)重，其中氮素污染較為明顯。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

2018年7月（豐水期）和12月（枯水期）沿汾河下游趙城鎮(zhèn)到入黃口進(jìn)行水樣采集?？紤]汾河下游流經(jīng)區(qū)域的土地利用類(lèi)型，共布置9個(gè)采樣點(diǎn)，分別為趙城鎮(zhèn)（M1）、洪洞（M2）、臨汾（M3）、澇河口（M4）、襄汾（M5）、澮河口（M6）、豐喜工業(yè)區(qū)（M7）、河津（M8）、入黃口（M9），見(jiàn)圖1。

土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心的全國(guó)土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)，基于2018年LandsatTM/ETM等遙感影像得到汾河下游土地利用類(lèi)型[15]，包括耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用地。

1.3研究方法

（1）空間分析。以干流河道為中心，沿河流兩側(cè)建立不同距離的緩沖帶。利用ArcGIS軟件，對(duì)汾河下游干流建立4種不同距離的緩沖帶，分別為300、500、1000、1500m。

（2）統(tǒng)計(jì)分析。利用SPSS軟件分析緩存區(qū)各種土地利用類(lèi)型面積占比與無(wú)機(jī)氮濃度的Pearson相關(guān)系數(shù)，根據(jù)相關(guān)系數(shù)分析不同土地利用類(lèi)型對(duì)無(wú)機(jī)氮濃度的影響。采用CANOCO5.0軟件進(jìn)行土地利用類(lèi)型面積與河流無(wú)機(jī)氮濃度關(guān)系分析。采用冗余分析（RDA）研究不同土地利用類(lèi)型對(duì)無(wú)機(jī)氮濃度的影響，根據(jù)排序圖分析無(wú)機(jī)氮與土地利用類(lèi)型之間的相關(guān)性。

2結(jié)果與討論

2.1汾河下游無(wú)機(jī)氮時(shí)空變化特征

2.2近岸緩沖帶土地利用類(lèi)型組成分析

300、500、1000、1500m范圍緩沖帶不同土地利用類(lèi)型面積占比，見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，不同范圍緩沖帶各類(lèi)型土地面積占比不同，但總體上，耕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地是主要土地利用類(lèi)型。在不同范圍緩沖帶中，耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和水域3種土地利用類(lèi)型的面積占緩沖帶總面積的近75%或更高，林地與草地面積占緩沖帶總面積比例較小。水域、林地及草地是研究區(qū)主要的景觀類(lèi)型，但隨著緩沖帶距離的增加，水域的面積占比有所下降，水域面積占比由最高30.54%（300m緩沖帶）下降到10.76%（1500m緩沖帶），而林地和草地的面積占比有所上升。耕地及城鄉(xiāng)建設(shè)用地作為緩沖帶中面積占比較大的土地利用類(lèi)型，在不同范圍緩沖帶中面積占比不同。當(dāng)緩沖帶距離為300m時(shí)耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積占比分別為37.32%、32.15%，當(dāng)緩沖帶距離為1500m時(shí)耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積占比分別為44.63%、27.00%?？梢钥闯觯S著緩沖帶距離的增加，總體上城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積占比減小，耕地面積占比增加。

2.3近岸土地利用類(lèi)型對(duì)河流無(wú)機(jī)氮含量的影響

在氣溫變化影響下，土地利用類(lèi)型對(duì)河流水質(zhì)的影響不同?？菟诮邓枯^小，農(nóng)業(yè)活動(dòng)較少，多數(shù)河道受到冰蓋的阻隔作用，人為因素對(duì)河流無(wú)機(jī)氮的影響較小;豐水期河流徑流量較大，農(nóng)業(yè)活動(dòng)較頻繁，受農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響，河流水質(zhì)變化較明顯。因此研究豐水期（7月）、枯水期（12月）土地利用類(lèi)型對(duì)河流無(wú)機(jī)氮含量的影響。枯水期和豐水期各類(lèi)型土地面積與無(wú)機(jī)氮濃度相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表2。

2.4近岸土地利用類(lèi)型與河流無(wú)機(jī)氮關(guān)系冗余分析

冗余分析（RDA）可以研究?jī)蓚€(gè)矩陣之間的關(guān)系。土地利用類(lèi)型和水文條件是影響水體水質(zhì)時(shí)空變化的主要因素[16]，使用RDA評(píng)估不同緩沖帶土地利用類(lèi)型對(duì)河水無(wú)機(jī)氮含量的影響。由表3可知，當(dāng)緩沖帶為300m時(shí)，總解釋能力達(dá)到99.40%，但隨著緩沖帶距離的增加，土地利用類(lèi)型和水文變量的關(guān)系更加復(fù)雜，水文變量的解釋能力越來(lái)越低。

為了更直觀說(shuō)明土地利用類(lèi)型對(duì)河流無(wú)機(jī)氮變化的解釋能力，在不同時(shí)空尺度下，用9個(gè)斷面的無(wú)機(jī)氮數(shù)據(jù)和6種土地利用類(lèi)型進(jìn)行冗余分析，見(jiàn)圖3。

在不同緩沖帶，影響水體無(wú)機(jī)氮濃度的主要土地利用類(lèi)型不同。在300、500m緩沖帶，豐水期與枯水期無(wú)機(jī)氮濃度主要受耕地、水域和城鄉(xiāng)建設(shè)用地的影響，其中水域的影響較大;在1000、1500m緩沖帶，影響水體無(wú)機(jī)氮濃度的土地利用類(lèi)型主要為耕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地，其次為林地和草地?？傮w而言，林地和草地對(duì)水體水質(zhì)有改善作用，受人為因素影響較大的土地利用類(lèi)型（耕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地）對(duì)水體無(wú)機(jī)氮濃度貢獻(xiàn)較大。另外，豐水期各土地利用類(lèi)型對(duì)河流無(wú)機(jī)氮濃度的影響更顯著。

2.5近岸土地利用類(lèi)型與河流無(wú)機(jī)氮的關(guān)系

為了驗(yàn)證相關(guān)性分析與冗余分析的合理性，采用多元逐步回歸方法建立土地利用類(lèi)型對(duì)無(wú)機(jī)氮影響的回歸方程（見(jiàn)表4）。結(jié)果表明：回歸方程分析結(jié)果與相關(guān)分析、冗余分析結(jié)果基本一致，耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地是影響河流無(wú)機(jī)氮濃度的主要土地利用類(lèi)型。由表4可以看出，枯水期無(wú)機(jī)氮濃度受城鄉(xiāng)建設(shè)用地影響較大，主要原因是，城鄉(xiāng)建設(shè)用地多數(shù)為居民及工業(yè)區(qū)，其污水排放對(duì)河流水質(zhì)影響較大;城鎮(zhèn)硬質(zhì)地面增加了匯水區(qū)的徑流量，大量污染物隨著徑流進(jìn)入河流，從而污染河流水體。從各個(gè)回歸方程的擬合度看，豐水期土地利用類(lèi)型與無(wú)機(jī)氮濃度回歸模型的擬合度好于枯水期的。

3結(jié)論

在豐水期和枯水期，汾河下游不同土地利用類(lèi)型對(duì)水體無(wú)機(jī)氮的影響具有較大差異，河流近岸不同緩沖帶對(duì)無(wú)機(jī)氮的影響也不同。300m緩沖帶土地利用類(lèi)型對(duì)無(wú)機(jī)氮濃度的影響最顯著，500m緩沖帶的影響次之，超過(guò)1000m緩沖帶土地利用類(lèi)型對(duì)無(wú)機(jī)氮濃度的影響越來(lái)越小。在小尺度緩沖帶（300、500m）條件下多樣的土地利用類(lèi)型之所以對(duì)河流無(wú)機(jī)氮濃度影響顯著，與林地及草地對(duì)無(wú)機(jī)氮有“匯”的作用有關(guān)，因此應(yīng)在河流近岸種植適量的植被，降低河流無(wú)機(jī)氮濃度。

不同水期土地利用類(lèi)型對(duì)水體無(wú)機(jī)氮的影響有明顯差異，豐水期土地利用類(lèi)型對(duì)無(wú)機(jī)氮的影響大于枯水期的。豐水期人為因素對(duì)河流水環(huán)境變化有較大影響，耕地和城鄉(xiāng)建設(shè)用地對(duì)水體無(wú)機(jī)氮濃度影響較大，大量污染物排入河流，造成河流水質(zhì)惡化;枯水期人為活動(dòng)較少，污染物遷移量較少，對(duì)水體無(wú)機(jī)氮濃度影響較小?？梢?jiàn)，汾河下游枯水期土地利用類(lèi)型對(duì)水體無(wú)機(jī)氮濃度的影響不大，而豐水期土地利用類(lèi)型對(duì)水體無(wú)機(jī)氮濃度有直接影響。

【責(zé)任編輯 呂艷梅】