南方山丘區水源地土地利用結構對河庫水質的影響
——以珊溪水庫流域為例

陳豐禹, 王為木,2, 劉 慧,2, 夏繼紅,2, 馬 飄

(1.河海大學 農業工程學院, 江蘇 南京 210098;2.河海大學 南方地區高效灌排與農業水土環境教育部重點實驗室, 江蘇 南京 210098)

水資源作為人類生存生活的基礎條件，在社會發展中的地位越來越重要。隨著人口增長以及工、農業的快速發展，人類活動對水源地的干擾也越來越強[1-2]。土地是承載人類生產生活活動的重要載體，不同土地利用類型通過改變地形地貌及地表徑流特征而影響污染物的遷移轉化過程，進而對河流、湖庫水體帶來不同影響[3-4]。因此，土地利用結構與流域水質安全、生態健康之間的相關關系已成為環境、生態安全研究領域的熱點問題之一。有研究表明，面源污染已取代點源污染成為水環境惡化的主要原因[5-7]，而面源污染負荷強度受土地利用方式的顯著影響，因此流域土地利用結構與區域水體水質之間有較高的相關性[8-10]。建設用地承載了高強度的人類活動，農業用地有高量的化肥和農藥投入，這兩類土地中的氮、磷、農藥等污染物隨地表徑流進入水體，對水質起“源”的作用；林地和草地在一定程度上可以攔截、吸收部分污染物，對水質起“匯”的作用[11-14]。通過人為調控土地利用類型，識別并重點整治污染物產生與流失的關鍵源區，可以達到控制面源污染，改善流域水質狀況的目的[15-17]。當前隨著人類活動的加劇，土地利用/土地覆被的變化，加上農業生產農藥化肥的使用，使得河流水體富營養化問題日趨嚴重，給生態環境、人類生產生活均造成了較大影響。隨著社會的不斷發展，人民對水源地水質要求也在日益提高，因此探討水源地土地利用結構對水源地內水庫水質影響，具有較大應用價值。本研究以我國東南浙江珊溪水庫流域為例，通過實地水質監測，結合GIS空間分析方法，劃定不同子流域。分析流域內不同土地利用方式對水庫水質影響，并探討流域不同空間位置上土地利用類型對水庫水質影響差異，其研究成果可為水源地水庫流域土地利用與水質保護關系提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

珊溪水庫位于浙江省南部溫州境內飛云江干流中游(119°36′54″—120°04′37″E，27°26′38″—27°58′37″N)，距溫州市區117 km，距文成縣城28 km。水庫流域面積1 545.85 km2，北及西北面以洞宮山脈之支脈與甌江小溪流域為界，西面以仙霞嶺與福建交溪交界，南面以雁蕩山與敖江分界，主流發源于泰順縣與景寧縣交界處的白云尖。珊溪水庫流域位于新華夏系構造一級隆起帶上，屬山地河流地貌，河谷形態為寬谷。地勢西高東低，上中游為中低山區，下游為低山丘陵及河谷平原。庫區屬江南丘陵山地紅壤區，土壤主要是紅壤、黃壤、紫色土、粗骨土、潮土和水稻土。庫區氣候濕潤，年平均氣溫19.6 ℃，年平均降水量為1 876.9 mm，降水年內分配不均勻，其中4—9月雨量占全年的74.7%。珊溪水庫正常蓄水位142 m，總庫容1.84×109m3，是溫州市城市供水的主要水源，同時兼具灌溉、發電和防洪等功能。

1.2 研究方法

1.2.1 水樣采集和分析 在研究區河庫上共布設23個監測斷面，其中18，19，20，21，22，23號屬于入庫河流與庫區交界斷面，水樣監測數據代表該河流各污染物平均入庫濃度；其余斷面位于珊溪水庫庫區。研究區子流域的劃分及監測斷面的布置如圖1所示。每個斷面布設左岸、右岸、岸中3個采集點，利用水質分析儀(Hydrolab DS5X)現場測定溶解氧(DO)，利用5 L有機玻璃采水器采集水面下0.5 m處水樣，裝入500 ml潔凈聚乙烯瓶，調節pH<2并放于加冰保溫箱中，速運回實驗室，在48 h內完成指標測定。總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法，總磷(TP)采用酸性過硫酸鉀消解—鉬酸銨分光光度法，高錳酸鹽指數(CODMn)采用酸性高錳酸鉀氧化法。每個樣品重復測定3次。

圖1 珊溪水庫子流域劃分及采樣斷面分布

1.2.2 土地利用結構及坡度提取 利用2016年Landsat TM衛星遙感影像圖結合ENVI4.8遙感軟平臺，基于最大似然法監督分類提取地物信息。在滿足分類精度條件下，利用實地調查結果進行人機交互解譯。根據研究目標、遙感影像圖精度等，結合《土地利用現狀分類(GB/T21010-2017)》的規定，將研究區土地利用類型分為林草地、耕地、園地、建設用地、水域和未利用地6類。本研究在ArcGIS 10.5軟件的Hydrology模塊下提取河網水系，將水庫集水區劃分為8個子流域，分別為：洪口溪流域、莒江溪流域、三插溪流域、峃作口溪流域、黃坦坑流域、珊溪流域上游、珊溪流域中游、珊溪流域下游。利用Spatial Analyst模塊進行坡度提取并重分類，得到0°～15°，15°～25°，>25°三種坡度等級，統計每種坡度等級的土地類型及面積。

1.2.3 土地利用類型與水質相關性分析 計算各個子流域不同土地利用類型面積所占此流域面積的百分比，利用SPSS19.0軟件計算TN，TP，CODMn，DO與不同坡度各類土地利用類型比例間的Spearman相關系數，以分析不同坡度下土地利用類型對水質狀況的影響。

2 結果與分析

2.1 土地利用結構分析

珊溪水庫流域子流域土地利用類型比例如圖2所示。全流域范圍內，林草地面積1 090.69 km2，比例最大，為70.56%；耕地面積170.79 km2，比例為11.05%，僅次于林草地；其它4類型土地比例總和僅為18.39%。各子流域中，洪口溪、三插溪、峃作口溪流域林草地面積比例均超過70%，黃坦坑流域林草地面積比例最小，僅為50.51%。在珊溪流域上、中、下子流域中，林草地面積比例順序為：上游>中游>下游。泰順縣城位于洪口溪流域內；黃坦坑流域面積較小，且黃坦鎮位于其中；莒江溪流域沿河岸一帶居民人口較多，因此洪口溪、黃坦坑及莒江溪流域建設用地比例均超過5%。

圖2 珊溪水庫子流域土地利用類型比例

2.2 不同流域坡度分析

對各子流域3種坡度類型和不同土地利用類型進行疊加分析，結果詳見表1。三插溪流域中，坡度>25°的土地比例為38.8%，多為林草地；洪口溪流域、黃坦坑流域、莒江溪流域及珊溪流域上、中、下游坡度>25°的土地比例都低于25%；黃坦坑流域坡度>25°的土地比例僅為6.97%，而坡度<15°的土地比例高達62.8%，其中耕地、建設用地及園地比例總和為46.8%。分析以上結果可知，珊溪水庫流域各子流域的土地利用類型受坡度影響顯著。林草地多分布于坡度較陡(>15°)地區，耕地與建設用地主要分布在坡度相對較低(<15°)的地區。

表1 珊溪水庫子流域不同坡度下土地利用類型比例 %

注：θ(1)坡度為<15°；θ(2)坡度為15°～25°；θ(3)坡度為>25°。下同。

2.3 珊溪水庫流域水質時空分布特征

2.3.1 時間變化特征 珊溪水庫流域水體重要水質指標統計特征如表2所示。CODMn濃度變化范圍在1.08～6.98 mg/L之間。豐水期濃度明顯高于枯水期，豐水期CODMn平均濃度5.86 mg/L，優于國家地表水Ⅲ類水環境質量標準，枯水期為1.98 mg/L，優于Ⅰ類水標準。TN濃度變化范圍在0.22～1.08 mg/L之間。豐水期平均濃度為0.68 mg/L，優于Ⅲ類水標準，枯水期為0.34 mg/L，優于Ⅱ類水標準。TP濃度變化范圍在0.004～0.032 mg/L之間，豐水期平均濃度為0.016 mg/L，枯水期為0.014 mg/L，均優于Ⅱ類水標準。DO濃度在6.34～8.98 mg/L之間，豐水期平均值為7.54 mg/L，枯水期為7.96 mg/L，均優于Ⅰ類水標準。由上述結果可知，珊溪水庫流域水體枯水期水質優于豐水期，其中CODMn和TN表現更為顯著。

表2 不同水情期珊溪水庫流域水體重要水質指標統計特征

2.3.2 空間分布特征 珊溪水庫流域河庫水質存在顯著的空間異質性(圖3)。CODMn濃度在13號斷面較高，其中豐水期高于Ⅳ類水標準，枯水期低于Ⅱ類水標準，可能與此斷面靠近百丈鎮，人類活動頻繁有關。豐水期TN濃度在黃坦坑溪入庫的18號斷面最高，大于Ⅳ類水標準，枯水期在三插溪入庫的22號斷面最高，但仍小于Ⅱ類水標準。調研得知，黃坦坑流域在庫區實行移民之前，有大量的畜禽養殖場，至今仍有部分放養畜禽。22號斷面靠近司前畬族鎮，人為影響較為嚴重。TP含量空間分布與TN相似，均表現為豐水期18號斷面最高、枯水期22號斷面最高的特征，兩者均高于Ⅲ類水標準。DO在靠近大壩的1，2號斷面處數值最低，高于Ⅱ類水標準，可能與水體流動性差、有機物增多、浮游生物大量繁殖有關。

圖3 珊溪水庫流域水體重要水質指標空間分布特征

2.4 河庫水質與土地利用結構的相關性

珊溪水庫流域河庫各水質指標與土地利用類型相關系數詳見表3。由表3可以看出，在子流域尺度下，林草地面積比例與TN，TP，CODMn污染物濃度呈負相關關系，與DO濃度呈正相關關系；耕地、園地、未利用地、建設用地比例與TN，TP，CODMn污染物濃度呈正相關關系，與DO濃度呈負相關關系。上述關系表明，各種土地利用類型中，林草地對水質有正面影響，而耕地、園地、建設用地、未利用地呈負面影響。不同土地利用方式一般從兩方面對水質造成影響。一方面土地利用類型的改變必然造成污染源類型及強度的改變，例如退耕還林可以減少水土流失，從而對水質提升有積極的作用。但無保護性開墾農田，建造房屋、工廠等卻提高水體污染的風險；另一方面不同土地利用類型通過改變地表形態，影響污染物運移過程，從而使得氮磷元素、有機物等在流失過程中降解、吸收方式發生變化，導致最終入河量相應的增加或減少[18]。林草地比例與TN，TP，CODMn濃度呈負顯著相關，與DO呈顯著正相關，表明林地比例越大，水體水質越好。豐水期相關性強于枯水期，且在坡度較高的地區(15°～25°，>25°)尤為明顯。一方面這與子流域范圍內林草地多分布于中高坡度地區的情況相符，另一方面也說明在夏季植物生長茂盛，對含有氮磷、有機污染物的地表徑流有較強的攔截作用，林下植物、土壤可以減少雨水沖刷后帶入水體中的營養鹽，減少其入河負荷量，對水質提升有積極的正效應。珊溪水庫流域林地表面多有深厚的枯落層，疏松的土壤結構有利于地表水下滲，并促進溶解性氮素隨水滲透到更深層土壤，降低地表徑流對可溶性氮的轉運能力。歐陽等[19]分析了密云水庫上游流域，認為流域尺度內樹林及林下植物在豐水期生長旺盛，對營養鹽吸收量較大，也對強地表徑流的攔截能力有所增加，因此豐水期與水質的相關性更強。森林、林下植被和草地對氮、磷等養分和鹽分具有較強的吸收和過濾功能，可降低匯入河流的污染物質量濃度[20]。

耕地與TN，TP兩種污染物的相關性在不同水期存在一定差異。 ①豐水期。TN與15°～25°坡度的耕地比例呈顯著正相關； ②枯水期，TN，TP與坡度>25°的耕地比例呈顯著正相關。這說明豐水期位于中等坡度的耕地是水體中氮磷的主要來源，而枯水期坡度>25°的耕地是水體中氮磷元素的重要來源。豐水期流域內降雨豐富，地表徑流作用強，坡度大的耕地更易發生水土流失；枯水期雨量少，只有在>25°陡坡上的耕地才能產生較明顯的地表侵蝕。因此，加強>15°中高坡度帶耕地的保護，采取適合丘陵山區地形的水保措施是降低水體氮磷負荷量，提高區域水環境質量的有效途徑。任坤等[21]對珊溪水庫的研究也得到相似結果。低坡度(<15°)的建設用地與TP在枯水期呈顯著正相關，主要原因可能是居民排放的污水中有大量有機磷，進入河道后因為河流流動性差，污染物擴散分解速度慢導致，這與22，13兩個城鎮點附近水體斷面冬季TP含量較高的監測結果相吻合，其它各水質指標與建設用地比例的相關性不強，這可能與流域范圍內建設用地面積較小，村落分布較為分散有關。范志平等[22]認為居民生活污水中含有大量有機磷，排入河道后導致水體總磷含量較高。王鵬等[23]認為城鎮多為不透水地面，污水通過排水管網直接進入河道，成為N，P元素的重要來源。

表3 珊溪水庫流域土地利用結構與水體水質相關性

注：**在0.01水平(雙側)顯著相關；*在0.05水平(雙側)顯著相關；“整”為不分坡度。

珊溪水庫流域位于浙南低山丘陵區域，季節變化導致水質的變異也尤為重要。不同土地利用類型對污染物運移的影響差別巨大。耕地中氮素易在強降雨情況下流失，在沒有林地草地攔截營養鹽的情況下，河流自凈作用不足以消解此部分氮素，極易造成水體中TN升高，而這種現象多發生在夏季豐水期。與本研究相反，黃金良等[24]對九龍江流域的研究表明，耕地并不是一個預測水質下降的主導因子，這可能與研究區耕地比例不高，沿岸帶林地減輕了水土流失，從而降低污染物入河量有關。水體、園地及未利用地未表現出與水質的顯著相關性，這可能與這3種用地類型面積比例低，空間分布不均相關。陸君等[25]對安徽黃山太平湖流域研究得出污染物的濃度與園地比例相關性不強的結論。園地主要分布在坡度較高的區域，遠離沿河流域，因此盡管種植過程中伴隨農藥化肥污染，但由于其面積比例與林草地相比十分微弱，對河流水質的影響程度不明顯。地形因子在低山丘陵地帶對水質有重要影響，坡度是影響地表徑流和土壤侵蝕的重要因素，從土地利用對水質影響角度來分析，坡度大的地區匯流速度快，地表沖刷性更強，攜帶更多地表營養鹽輸入水體，使得中高坡度帶(>15°)耕地對對水質的負效應尤為突出。與本研究結果相似，張殷俊等[26]在對巢湖流域研究后，得出在山區各類用地對水質的負面效應更明顯的相近結論。雖然山區河流流速快，自凈能力強，水質一般好于平原地區。但從土地利用對水質影響來分析，坡度大的山區匯流速度快，形成的地表徑流對地表沖刷更強烈。因而更多地將地表營養鹽輸入河流，使得土地利用對河流水質的負效應更突出。

3 結 論

(1) 珊溪水庫流域內林草地占流域總面積比例最高，其次是耕地，兩者比例總和超過80%。林地多分布于中高坡度帶地區，耕地多分布于中低坡度帶。水質空間分布具有較大差異性，CODMn在上游部分較差，TN，TP在黃坦坑流域以及三插溪流域水體中較差。

(2) 豐水期河庫水質與土地利用結構的相關性較枯水期更明顯。TN，TP與林草地比例呈顯著負相關、與耕地比例成顯著正相關。豐水期耕地是氮磷元素的主要輸出源，而林草地則在一定程度下削減了氮磷元素的入河量。

(3) 不同坡度下河庫水質與土地利用類型的相關性存在顯著差異。低坡度帶(<15°)CODMn與耕地比例呈顯著正相關；中坡度帶(15°～25°)TN，TP，DO與林草地、耕地比例呈顯著負相關；高坡度帶(>25°)TN，TP與耕地比例有顯著正相關。