三岔河流域不同尺度土地利用對水質的影響

段少瓊 安艷玲# 蘇孝良 吳起鑫,3 金 桃 侯祎亮 吳旌滔

(1.貴州大學喀斯特環境與地質災害防治教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550003； 2.貴州省科學技術廳，貴州 貴陽 550002； 3.中國科學院地球化學研究所，環境地球化學國家重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

三岔河流域不同尺度土地利用對水質的影響

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.貴州大學喀斯特環境與地質災害防治教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550003； 2.貴州省科學技術廳，貴州 貴陽 550002； 3.中國科學院地球化學研究所，環境地球化學國家重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

以2013年8月的三岔河流域水體采樣數據為基礎，結合土地利用數據，利用地理信息系統(GIS)技術，分別從子流域和緩沖區尺度分析河流水質指標與土地利用之間的關系。結果表明，在子流域尺度上，水質對土地利用類型的響應更加顯著。林地、草地對水質起“匯”的作用，耕地和建設用地主要起“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，總磷與未利用地、水域面積比例顯著相關。冗余分析進一步表明，耕地是氮素的主要來源，未利用地是磷素的主要來源。

土地利用 水質 尺度 冗余分析 三岔河

隨著流域范圍內人類活動的加劇，全球水環境污染問題日益突出。人為活動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。流域內土地利用與水質關系的研究，可以為流域內土地利用方式優化提供科學依據，為流域內非點源污染的深入研究提供借鑒[2]。

目前，國內外學者對土地利用與水質的關聯性的研究，主要從匯水區[3]、子流域[4]287-288、河岸緩沖區[5-6]等尺度，采用對比分析、統計分析、空間分析和模型分析等方法，從而定量研究兩者之間的相關性以及尺度效應和距離效應。SLIVA等[7]采用匯水區與0.1 km河岸緩沖區尺度，研究安大略湖北部3個子流域在3個季度內土地利用變化對河流水質的影響。曹芳芳等[8]和於夢秋等[9]1025-1026分別采用子流域和圓形緩沖區尺度，研究新安江上游流域和太湖流域入湖河流烏溪港、武進港土地利用與水質之間的相關關系，結果表明，土地利用類型對水質具有顯著影響。然而，由于每個流域的自然屬性不盡相同，利用流域尺度還是緩沖區尺度分析土地利用類型對水質影響更有效仍存在爭論[10-11]。

三岔河作為長江重要支流烏江的正源，流域內碳酸鹽巖廣布，喀斯特地貌發育典型，石漠化強烈，植被覆蓋率低，生態本底脆弱[12]。近些年，隨著流域內人為活動逐年加強，一些生態環境問題(如水土流失、陡坡墾荒、山地石漠化、鄉鎮企業污染等)更加突出，直接影響河流水質[13]。關注三岔河水質、改善水環境質量，對烏江水質保護也至關重要。因此，本研究以三岔河為研究區，通過設置8個監測點，結合地理信息系統(GIS)和遙感(RS)技術，分別從子流域和緩沖區尺度分析土地利用對水質的影響，為三岔河流域水污染控制以及水環境管理提供科學依據。

1 研究區概況

烏江源區三岔河流域地處云南高原向貴州高原過渡的烏蒙山區，由西向東逐漸傾斜，呈現西北高、東南低走勢，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325.6 km，流經畢節市、六盤水市和安順市。流域經緯度為104°18′E ～106°18′E、26°10′N～27°0′N，除西北部威寧縣地勢較高地區屬暖溫帶氣候外，其余地區均屬亞熱帶季風氣候，全年氣候溫和濕潤，雨量充沛，年降水量為833.3～1 480.0 mm。流域內的土地利用類型主要以耕地、林地、草地、水域、建設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。三岔河干流水質總體為中度污染，其中非點源總氮、總磷負荷分別占整個烏江流域的14.70%、15.73%[14]。

2 研究方法

2.1 流域監測點設置及水質測定

基于三岔河流域1∶100 000數字高程模型(DEM)圖(數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站，像元分辨率為30 m×30 m)，在ArcGIS 10.1的Hydrology中提取流域的河網水系并將整個流域劃分為8個子流域。

在三岔河流域干流及主要支流上共布設8個監測點(見圖1)，各監測點污染物濃度對應其所在子流域污染物的輸出強度。其中，1#～4#監測點位于三岔河主干流上，從上游布設至下游，因為河流干流監測點水質會受到河流上游整個匯水區影響，因此干流上監測點的污染物濃度代表河流上游整個匯水區污染物的輸出強度；5#～8#監測點位于主要支流的4個出口處，其污染物濃度代表整個支流污染物的輸出強度。三岔河流域處于亞熱帶，大部分降雨集中在5—10月，非點源污染也主要發生在該時段，因此最終選擇2013年8月(豐水期)進行野外實地水樣采集。采樣過程中每個監測點所在的子流域均設置2～3組重復，每組均取3個平行樣品。

綜合考慮三岔河流域水環境主要污染因子，選取總氮、總磷、氨氮和正磷酸鹽作為關鍵水質指標。各指標均在實驗室內按照文獻[15]進行測定，取各個指標平均值作為監測點的水質數據。

2.2 土地利用類型的確定及各子流域和緩沖區土地利用結構分析

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的支持下進行校正、配準、鑲嵌、裁剪等預處理后得到三岔河流域的影像圖，運用監督分類和目視解譯相結合的方法提取研究區土地利用信息，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(見圖2)。為確保土地分類精度，在影像上選取150個控制點，進行野外校驗。分類精度評價結果的Kappa系數為0.86，符合本研究精度要求。應用ArcGIS 10.1，統計8個子流域土地利用類型的面積，又以8個子流域內水系為中心在垂直河道的方向上設置0.2、0.5、1.0、2.0 km緩沖區(見圖1)，獲得各緩沖區內土地利用類型的面積比例，作為進一步分析土地利用對三岔河水質影響的基礎。

圖1 監測點分布和緩沖區分割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 統計分析

本研究主要采用相關分析和冗余分析，分別借助于SPSS 15.0和 Canoco for Windows 4.5進行數據分析處理。進行相關分析前采用K-S檢驗，判斷數據是否滿足正態分布，發現有不滿足的變量存在，因此采用Spearman秩相關分析判斷土地利用類型與水質指標之間的相關性。冗余分析直觀展現解釋變量與響應變量之間的關系，反映眾多土地利用類型對水質指標的綜合作用，本研究通過對水質指標的去趨勢分析和梯度計算，選擇冗余分析線性模型分析影響水質的關鍵因子。

3 結果與分析

3.1 水質狀況

在2013年豐水期，三岔河流域8個監測點的水質指標統計結果如圖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為干流監測點的濃度高于支流監測點，正磷酸鹽在1#、2#、4#和7#監測點濃度較高。總氮在4#、5#和8#監測點的濃度較高。氨氮在2#、3#、4#、5#和8#監測點濃度較高。

3.2 土地利用狀況

以各監測點上游匯水區為作用區，分別計算其子流域和緩沖區兩個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。在緩沖區尺度上，耕地、林地和草地3類土地利用類型也占主導地位，且隨著緩沖區半徑增大，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。

3.3 土地利用對水質的影響

土地利用類型面積比例與水質指標的相關分析結果如表1所示。由表1可以看出：緩沖區尺度上，耕地面積比例與總氮和氨氮均呈正相關，當緩沖半徑為0.2 km時，與氨氮呈顯著正相關；林地面積比例與總氮和氨氮均呈負相關，當緩沖半徑分別為0.5、1.0、2.0 km時，與氨氮呈顯著負相關；耕地面積比例與總磷和正磷酸鹽均呈負相關，而林地面積比例與總磷和正磷酸鹽均呈正相關，這與於夢秋等[9]1029的研究結果不一致，可能是因為三岔河上游存在磷素的點源污染。在緩沖區尺度，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指標的相關性也發生改變。草地面積比例與總磷、正磷酸鹽大體呈負相關，但在0.2 km緩沖區，與總磷和正磷酸鹽均呈現正相關；未利用地面積比例與總磷在0.5、1.0 km緩沖區均呈顯著正相關，而在其他緩沖區的相關性不顯著。

圖3 三岔河流域水質指標的空間分布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；Sx代表子流域；1～8分別代表1#～8#監測點。例如，Sa1代表1#監測點的0.2 km緩沖區。

圖4緩沖區和子流域內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，耕地和建設用地面積比例與水質指標大體呈正相關，林地和草地面積比例與水質指標大體呈負相關；耕地、林地和建設用地面積比例均與氨氮相關顯著，未利用地和水域面積比例與總磷相關顯著。這與COLLIER[16]的研究結果一致，表明耕地和建設用地對水質有“源”作用，林地和草地對水質有“匯”作用。

圖5反映了各監測點水質指標與土地利用類型面積比例的關系。由圖5可以看出，三岔河流域的4#、5#監測點對氮素的貢獻最大，可能因為4#、5#監測點所在子流域的耕地面積比例相對較高(見圖4)，在子流域尺度上，耕地面積比例與總氮、氨氮呈正相關(見表1)，耕地可能是氮素的主要來源；且正值雨季，耕地中因施肥過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#監測點對磷素的貢獻最大，1#、2#監測點所在子流域的未利用地面積比例較高(見圖4)，磷素可能主要受到未利用地的影響。一方面，研究區域喀斯特地貌顯著，未利用地的主要類型包括石漠化土地以及裸露地，風化現象明顯，隨著礦物的風化，磷素進入土壤[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隨著土壤流失更多進入河流中。

表1 不同尺度下土地利用類型面積比例與水質指標的相關性1)

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

注：①～⑧分別代表1#～8#監測點；a、b、c和d分別代表0.2、0.5、1.0、2.0 km緩沖區；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。

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

與緩沖區相比，在子流域尺度上，水質對土地利用類型的響應更加顯著，該結果和蔡宏等[4]289-290在赤水河的研究結果相一致，而於夢秋等[9]1029-1031在太湖流域入湖河流土地利用類型對水質影響的研究發現，河流近域的土地利用對水質有更大影響。研究結果的差異可能是因為流域所處的自然環境不同：三岔河和赤水河都位于西南山區，而太湖流域位于平原地區。此外，每個流域特征污染物的遷移轉化過程不同，結果可能也會有所不同。

4 結論與建議

(1) 與緩沖區尺度相比，在子流域尺度上水質對土地利用類型的響應更為明顯。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相關，而耕地、建設用地與總氮、總磷、氨氮和正磷酸鹽呈大體正相關。從削減非點源污染出發，建議在整個流域范圍內實行退耕還林還草，建設防護林效果。

(2) 在緩沖區尺度，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指標的相關性也會發生變化。

(3) 耕地是豐水期河流中氮素的主要來源，未利用地是河流中磷素的主要來源，隨著流域內耕作施肥和裸露地風化，氮素、磷素隨著土壤流失進入到河流。因此，在喀斯特地貌為主導的流域內，合理規劃和開發土地資源，是改善流域內生態環境的有效措施。

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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，研究方向為生態環境。#

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10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.013