袁河流域土地利用方式對(duì)河流水體碳、氮、磷的影響

黃益平, 王 鵬*, 徐啟渝, 舒 旺, 丁明軍, 張 華, 曾 婷

1.江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院, 江西 南昌 330022 2.江西師范大學(xué)鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江西 南昌 330022

土地利用作為人類活動(dòng)的產(chǎn)物，通過改變流域的水文循環(huán)、水土流失等生態(tài)過程對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響[1]，分析土地利用方式對(duì)河流水質(zhì)的影響已成為近年來國內(nèi)外水生態(tài)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)[2-4]. 有研究表明，不同空間尺度下，土地利用方式對(duì)河流水質(zhì)的影響存在差異[5]，而對(duì)于影響河流水質(zhì)的最佳空間尺度并未形成統(tǒng)一結(jié)論[6-7]，如Zhang等[8-9]的研究認(rèn)為河岸緩沖區(qū)土地利用方式比子流域尺度更能預(yù)測水質(zhì)變化，而Zhou等[7]則得出相反的結(jié)論. 此外，干支流水質(zhì)狀況也存在差異，如洪超等[10]對(duì)灌河流域的研究發(fā)現(xiàn)干流水質(zhì)好于支流，而郭茹等[11]對(duì)太湖苕溪流域的研究發(fā)現(xiàn)其干流水質(zhì)略差于支流.

碳、氮、磷是自然界最基本的生源要素[4,12-13]，氮、磷作為限制性營養(yǎng)鹽，過量輸入會(huì)造成水體富營養(yǎng)化和其他生態(tài)損害，威脅人們所依賴的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與功能[14-15]，碳元素則可通過與水體中氮、磷的耦合，影響污染物的遷移、降解過程[16]. 河流中含碳物質(zhì)以DOC為主[1,17]，占輸送有機(jī)碳的60%[18-19]；氮素以溶解無機(jī)氮(DIN)為主，在水體中主要以NO3--N和NH4+-N形式存在[20-21]. 近年來，隨著城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，城鎮(zhèn)化速度加快，流域土地利用方式變化顯著，導(dǎo)致河流碳、氮、磷濃度不斷升高[11]. 以往研究多側(cè)重于土地利用方式對(duì)整體水質(zhì)的影響[4,6]，缺乏對(duì)主要富營養(yǎng)化指標(biāo)碳、氮、磷濃度影響的研究，成果難以應(yīng)用到實(shí)際的流域管理. 為此，探明不同空間尺度下土地利用方式對(duì)碳、氮、磷變化的影響具有重要意義.

袁河為贛江一級(jí)支流，流域匯水最終通過贛江進(jìn)入鄱陽湖. 近年來，受流域內(nèi)人類活動(dòng)的影響，河流水質(zhì)下降. 徐啟渝等[22]研究表明，100和 1 000 m緩沖區(qū)景觀結(jié)構(gòu)是影響袁河水質(zhì)變化的關(guān)鍵尺度；雷呈等[23]的研究則認(rèn)為，200 m緩沖區(qū)土地利用方式對(duì)袁河流生境質(zhì)量的影響更大. 以往研究從不同方面對(duì)袁河水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，但不同空間尺度土地利用方式差異對(duì)水體碳、氮、磷的影響并不清楚. 研究選取DOC、NH4+-N、TP和NO3--N表征河流碳、氮、磷濃度，基于Pearson相關(guān)性分析、冗余分析(redundancy analysis, RDA)和回歸分析等方法，量化不同土地利用方式對(duì)河流碳、氮、磷濃度的影響，闡明土地利用方式對(duì)干、支流碳、氮、磷濃度影響的差異，揭示影響袁河水體碳、氮、磷濃度變化的最佳空間尺度，以期為袁河流域水質(zhì)管理及其他重點(diǎn)流域水污染防治和管理提供科學(xué)參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)采集

袁河發(fā)源于江西省萍鄉(xiāng)市武功山，主要流經(jīng)萍鄉(xiāng)、宜春和新余3市地域，于樟樹市境內(nèi)匯入贛江，集水面積 6 262 km2. 流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量 1 678 mm，4—9月徑流量占全年的64%[24]，主要工業(yè)有煤、鋼鐵、鉭鈮等，新余鋼鐵廠是區(qū)域內(nèi)主要的鋼鐵企業(yè)，農(nóng)業(yè)以種植水稻為主. 近年來，區(qū)域內(nèi)城市化水平快速發(fā)展，據(jù)《江西省統(tǒng)計(jì)年鑒(2018年)》顯示，2017年新余、萍鄉(xiāng)城市化水平分別為70.01%、68.21%，城市化水平相對(duì)較高，宜春城市化水平也達(dá)到48.11%.

研究[25-27]表明，200～1 000 km緩沖區(qū)內(nèi)土地利用方式對(duì)水質(zhì)有顯著影響. 該研究結(jié)合流域DEM數(shù)據(jù)及流域范圍，基于ArcGIS 10.2軟件中的SWAT插件以各采樣點(diǎn)(干流設(shè)置16個(gè)采樣點(diǎn)，用Y01～Y16表示；支流22個(gè)采樣點(diǎn)，用T01～T22表示)為匯水點(diǎn)將流域劃分為38個(gè)子流域〔見圖1(a)〕，并以河岸為基線作平行于河岸、垂直距離為100、200、300、400、500、1 000、2 000 m的帶狀緩沖區(qū)〔見圖1(b)〕. 子流域、緩沖區(qū)面積計(jì)算以采樣點(diǎn)為斷面上溯至源頭，如Y02采樣點(diǎn)的控制流域?yàn)閅01和Y02. 袁河流域土地利用方式的數(shù)據(jù)為2017年Landsat 8衛(wèi)星30 m精度遙感影像數(shù)據(jù)，由國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心共享服務(wù)平臺(tái)(http://www.geodata.cn)提供. 由于濕地、裸地、灌叢面積在各緩沖區(qū)及子流域內(nèi)占比均不足1%，后續(xù)分析時(shí)剔除，只保留農(nóng)田、森林、草地、水體和建設(shè)用地5種土地利用方式.

圖1 袁河流域土地利用方式、緩沖區(qū)劃分及采樣點(diǎn)示意Fig.1 Land use, buffer zone division and schematic diagram of land sampling sites in the Yuan River Basin

該研究于2018年8月(豐水期)和2019年1月(枯水期)對(duì)采樣點(diǎn)表層(50 cm)河水進(jìn)行采集，采集后用冷藏保溫箱帶回實(shí)驗(yàn)室通過0.45 μm孔徑醋酸纖維濾膜過濾后，使用TOC分析儀(Shimadzu TOC-L，CPH，日本)測定DOC濃度，使用全自動(dòng)間斷分析儀(Smartchem 200，Brookfield，美國)測定NH4+-N、NO3--N和TP濃度.

1.2 統(tǒng)計(jì)分析

采用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)對(duì)所有變量進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，將不符合正態(tài)分布的變量進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換使其盡量正態(tài)后進(jìn)行相關(guān)性分析. 通過冗余分析(redundancy analysis, RDA)方法，將采樣點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)濃度視為物種變量(響應(yīng)變量)，子流域和緩沖區(qū)土地利用方式的面積占比視為環(huán)境變量(解釋變量)，獲得土地利用方式對(duì)水質(zhì)參數(shù)變化的解釋量. 冗余分析能夠有效地對(duì)多個(gè)環(huán)境變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，保持各環(huán)境變量對(duì)物種變量的方差貢獻(xiàn)率[28]，并通過基于層次分割(Hierarchical Partitioning)理論[29]的hier.part和rdacca.hp程序包分解RDA分析結(jié)果，得到各土地利用方式對(duì)水體碳、氮、磷濃度變化的解釋量. 所有數(shù)據(jù)分析在統(tǒng)計(jì)軟件R3.6.1中完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 袁河流域土地利用方式占比

袁河流域土地利用方式以森林、農(nóng)田為主，其次為建設(shè)用地，草地和水域的面積占比較小(見圖2). 干流緩沖區(qū)農(nóng)田面積占比最大，平均為38.1%～49.0%，其次為森林(29.8%～45.4%)和建設(shè)用地(11.7%～14.7%). 干流子流域的土地利用方式稍有不同，森林面積占比最大(59.8%)，其次為農(nóng)田(28.6%)和建設(shè)用地(6%). 支流土地利用方式與干流相似，但隨緩沖區(qū)尺度增加，農(nóng)田面積占比從58.2%降至36.5%，而森林面積占比由31.1%升至53.8%成為主導(dǎo)的土地利用方式. 這與支流山地較多，不宜開墾為農(nóng)田而適宜發(fā)展為林果業(yè)的實(shí)際情況相符. 建設(shè)用地面積占比在緩沖區(qū)的范圍為5.6%～6.2%，變化較小. 支流子流域土地利用方式與干流子流域相似，農(nóng)田、森林和建設(shè)用地面積占比分別為30.9%、57%和7.6%.

圖2 袁河干、支流各尺度土地利用方式面積占比Fig.2 Percentages of land use types at different spatial scales in the main and tributaries of Yuan River

2.2 袁河水體碳、氮、磷濃度分布特征

由圖3可見，袁河水體碳、氮、磷濃度具有不同的時(shí)空分布特征. NO3--N、TP、NH4+-N濃度在豐、枯水期無顯著性差異，空間上干流NO3--N濃度高于支流，而支流TP、NH4+-N濃度高于干流. DOC濃度為枯水期高于豐水期，支流高于干流. 根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，豐水期干流NH4+-N濃度在Y7采樣點(diǎn)水質(zhì)為Ⅱ類，其余采樣點(diǎn)為Ⅰ類，枯水期4個(gè)采樣點(diǎn)為Ⅰ類，其余采樣點(diǎn)為Ⅱ類或Ⅲ類，較大值出現(xiàn)在城市下游的Y7和Y12采樣點(diǎn). 干流TP濃度在豐、枯水期無顯著性差異，除枯水期Y14采樣點(diǎn)TP濃度為Ⅳ類外，其余采樣點(diǎn)均為Ⅱ類或Ⅲ類. 支流除位于城市下游的T9、T10和T18采樣點(diǎn)NH4+-N濃度較高外，其余采樣點(diǎn)均為Ⅰ類或Ⅱ類；除豐水期T6、T15和T20采樣點(diǎn)TP濃度異常偏高外，其余采樣點(diǎn)均在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi).

圖3 袁河干、支流水體碳、氮、磷濃度分布特征Fig.3 Distribution characteristics of carbon, nitrogen and phosphorus concentrations in the main and tributaries of Yuan River

2.3 土地利用方式與袁河水體碳、氮、磷濃度的相關(guān)性分析

由表1可見：土地利用方式對(duì)袁河水體碳、氮、磷濃度的影響存在顯著的時(shí)空差異. DOC濃度在豐水期與干流建設(shè)用地面積占比和部分尺度農(nóng)田面積占比、支流部分尺度草地面積占比均呈顯著正相關(guān)，在枯水期與干流建設(shè)用地面積占比呈顯著正相關(guān)，與支流農(nóng)田面積占比呈顯著正相關(guān)，與支流森林面積占比呈顯著負(fù)相關(guān)；TP濃度在豐水期與干流草地面積占比呈顯著負(fù)相關(guān)，與干流水域、建設(shè)用地面積占比均呈顯著正相關(guān)，與支流土地利用方式面積占比均不顯著相關(guān)，在枯水期與干流建設(shè)用地面積占比呈顯著正相關(guān)，與支流部分尺度森林面積占比呈顯著負(fù)相關(guān)；NO3--N濃度在豐水期與干、支流草地面積占比均呈顯著負(fù)相關(guān)，與干流水域面積占比呈顯著正相關(guān)，在枯水期與土地利用方式面積占比均不顯著相關(guān)；NH4+-N濃度與建設(shè)用地面積占比呈顯著正相關(guān)，與其他土地利用方式面積占比相關(guān)性較小，干、支流差異不顯著.

表1 不同尺度水質(zhì)參數(shù)與土地利用方式之間的Pearson相關(guān)系數(shù)

續(xù)表1

2.4 土地利用方式對(duì)袁河水體碳、氮、磷濃度變化的解釋量

RDA分析結(jié)果(見表2)表明，土地利用方式對(duì)干流碳、氮、磷濃度的影響大于支流. 在豐水期土地利用方式對(duì)干流碳、氮、磷濃度變化的平均解釋量為47.2%，隨緩沖區(qū)尺度增加，解釋量先升后降；在枯水期土地利用方式對(duì)干流碳、氮、磷濃度變化的平均解釋量為36.7%，隨緩沖區(qū)尺度增加，解釋量呈上升趨勢. 在豐水期土地利用方式對(duì)支流碳、氮、磷濃度變化的平均解釋量為23.2%，隨緩沖區(qū)尺度增加，解釋量呈上升趨勢；在枯水期土地利用方式對(duì)支流碳、氮、磷濃度變化的平均解釋量為26.4%，隨緩沖區(qū)尺度增加，解釋量先升后降. 可見，影響袁河水體碳、氮、磷濃度的最佳緩沖區(qū)尺度在豐、枯水期及干、支流并不一致. 子流域尺度土地利用方式對(duì)碳、氮、磷濃度的影響較小，除豐水期在支流高于部分緩沖區(qū)尺度，其余均低于緩沖區(qū)尺度.

表2 不同尺度土地利用方式RDA分析對(duì)水體碳、氮、磷濃度變化的解釋量

回歸分析結(jié)果(見表3)表明，土地利用方式對(duì)袁河水體碳、氮、磷濃度變化的解釋量在干、支流以及豐、枯水期均存在差異. 豐水期各尺度土地利用方式對(duì)水質(zhì)指標(biāo)濃度變化的解釋量在干流表現(xiàn)為TP>NH4+-N>NO3--N>DOC，在支流表現(xiàn)為DOC>NO3--N>NH4+-N>TP；枯水期各尺度土地利用方式對(duì)水質(zhì)指標(biāo)濃度變化的解釋量均表現(xiàn)為DOC>NH4+-N>TP>NO3--N.

表3 不同尺度土地利用方式多元線性回歸模型對(duì)水體碳、氮、磷濃度變化的解釋量

3 討論

根據(jù)土地利用方式與袁河水體碳、氮、磷濃度的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果(見表1)，認(rèn)為建設(shè)用地是影響河流碳、氮、磷濃度變化的主要因素，其與NH4+-N、DOC和TP濃度在各緩沖區(qū)尺度均呈顯著正相關(guān). 建設(shè)用地包括城鄉(xiāng)居住用地、工礦企業(yè)等，是人類利用強(qiáng)度最高的土地利用方式[20,30-31]，排放的廢棄物也較其他土地利用方式多[4,20,32]. 城鄉(xiāng)居民生活污水中大量的氮、磷通過排水溝渠進(jìn)入河流[4,20]. 此外，流域內(nèi)河流還受到城鎮(zhèn)地區(qū)養(yǎng)殖、制藥等工業(yè)企業(yè)廢水排放的影響. 宜春地區(qū)生豬養(yǎng)殖數(shù)量占江西省的1/5，高強(qiáng)度畜禽養(yǎng)殖可產(chǎn)生大量的氮、磷元素[33-34]，而制藥廢水中NH4+-N、DOC和TP濃度可達(dá)自然水體的幾百至上萬倍[35-36]. 水域面積占比與干流TP、NO3--N濃度在豐水期均呈顯著正相關(guān)，可能與水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的殘餌和排泄物有關(guān). 過量投入未被食用的餌料以及養(yǎng)殖物的排泄物可通過微生物的分解產(chǎn)生大量氮、磷進(jìn)入水體或沉積在底泥中[37]，夏季水溫高，微生物分解能力強(qiáng)，加上夏季降雨強(qiáng)度大，對(duì)水體、底泥擾動(dòng)大，養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)的氮、磷元素易隨徑流進(jìn)入河流. 農(nóng)田面積占比與支流DOC濃度在枯水期呈顯著正相關(guān)，這與支流農(nóng)田面積占比相對(duì)較高有關(guān). 河流DOC濃度的物理控制因素是流域內(nèi)植被凋落物的產(chǎn)量[38]，第二季水稻收割后，水稻秸稈經(jīng)收割機(jī)粉碎直接殘留在農(nóng)田，分解產(chǎn)生大量DOC. 這表明除建設(shè)用地外，水域和農(nóng)田也是河流碳、氮、磷濃度的影響因素.

回歸分析結(jié)果(見表3)表明：干流土地利用方式對(duì)豐水期TP、NH4+-N、NO3--N濃度變化的解釋量高于枯水期，對(duì)DOC濃度變化的解釋量低于豐水期；支流土地利用方式對(duì)豐水期NO3--N濃度變化的解釋量高于枯水期，對(duì)TP、NH4+-N、DOC濃度變化的解釋量低于枯水期. Huang等[39]對(duì)九龍江流域的研究表明，相對(duì)于有機(jī)污染物，無機(jī)污染物(如氮、磷)在輸移過程中更容易被土壤顆粒吸附或在微生物作用下發(fā)生反應(yīng)變成氣體(如硝化和反硝化作用). 豐水期降雨量大，徑流匯流速度快，對(duì)土壤的沖刷侵蝕作用也相對(duì)較強(qiáng)，污染源產(chǎn)生的TP、NH4+-N和NO3--N濃度信息能夠快速反映到河流中；枯水期徑流較弱，TP、NH4+-N和NO3--N隨徑流在較長時(shí)間的運(yùn)移過程中被土壤吸附，濃度信息不斷衰減[27,32]. 河流DOC濃度不僅受流域內(nèi)植被凋落物分解的影響，還與微生物對(duì)DOC的降解有關(guān)[40-41]，豐水期溫度高，土壤微生物數(shù)量多，代謝速度快，對(duì)DOC的降解也快，因此從陸源進(jìn)入河流的DOC較少. 不同于干流，支流水體DOC、NH4+-N、NO3--N和TP具有不同來源且其濃度與土地利用方式相關(guān)性較小(見表1). 因此，與干流相比，土地利用方式對(duì)袁河DOC、NH4+-N和TP濃度的影響較小，加上降水的稀釋作用，支流土地利用方式對(duì)DOC、NH4+-N和TP濃度變化的解釋量在豐水期低于枯水期. 由于已有分析結(jié)果無法確定NO3--N來源，因此暫無法解釋其豐、枯水期關(guān)系.

RDA分析結(jié)果(見表2)表明，土地利用方式對(duì)干流碳、氮、磷濃度的影響大于支流. 洪超等[10]對(duì)灌河流域的研究則得出相反結(jié)論，認(rèn)為支流水質(zhì)與其周邊土地利用方式更為密切，這與其研究區(qū)位于蘇北平原，支流流速小于干流，農(nóng)業(yè)用地面積占比顯著高于干流有關(guān). 袁河位于南方丘陵山區(qū)，主要城市沿干流分布，從袁河干、支流土地利用方式(見圖2)可以看出，干流緩沖區(qū)建設(shè)用地的面積占比在14.7%～17.1%之間，顯著高于支流(7.6%～9.1%)，水質(zhì)易受工業(yè)、生活污水排放及通航等的影響[5,25,41]. 各土地利用方式所分配的解釋量也印證豐、枯水期干流建設(shè)用地所分配的解釋量均最高(見表2). 干流水質(zhì)不僅受到上游來水的影響，還與局部土地利用方式有關(guān). 該研究在計(jì)算空間影響范圍時(shí)采用采樣點(diǎn)上溯至源頭，未考慮局部土地利用方式對(duì)河流碳、氮、磷濃度的影響，在今后的研究中需通過劃分圓形緩沖區(qū)，明確局域尺度和全域尺度土地利用方式對(duì)碳、氮、磷濃度影響的差異.

RDA分析和回歸分析結(jié)果(見表2、3)表明，緩沖區(qū)尺度土地利用方式比子流域尺度能更好地解釋河流碳、氮、磷濃度的變化，這與Zhou等[7,42]的研究結(jié)果一致. 有研究[3,43]表明，緩沖區(qū)尺度內(nèi)，植被、農(nóng)業(yè)用地和建設(shè)用地構(gòu)成優(yōu)勢地類，優(yōu)勢地類組分復(fù)雜且各地類對(duì)水質(zhì)影響效果各異，疊加作用下對(duì)水質(zhì)的解釋量較子流域尺度低. 袁河干、支流緩沖區(qū)尺度的優(yōu)勢地類為農(nóng)田、森林和建設(shè)用地，Pearson相關(guān)性分析結(jié)果(見表1)表明，農(nóng)田和建設(shè)用地面積占比與碳、氮、磷濃度均呈顯著正相關(guān)，分配的方差解釋量也均較高，二者對(duì)水質(zhì)都為負(fù)效應(yīng)[25,32]，而對(duì)水質(zhì)起正效應(yīng)的森林[27,32]只在部分尺度與DOC和TP濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，因此，建設(shè)用地、農(nóng)田的負(fù)效應(yīng)與森林的正效應(yīng)疊加作用較小，緩沖區(qū)土地利用方式對(duì)碳、氮、磷濃度變化依然有著較強(qiáng)的解釋能力. 隨緩沖區(qū)尺度的增加，土地利用方式對(duì)水體碳、氮、磷濃度變化的解釋能力在干流豐水期和支流枯水期均先增后降，在干流枯水期和支流豐水期的解釋能力逐漸增強(qiáng). 這可能與干、支流土地利用方式和坡度的差異，以及這種差異下豐、枯水期植物和微生物對(duì)碳、氮、磷的利用轉(zhuǎn)化差異有關(guān). 陳豐禹等[32]對(duì)南方山丘水源地的研究發(fā)現(xiàn)，豐、枯水期水體中的氮、磷來源于不同坡度的耕地；且不同的土地利用方式下，植被、土壤微生物群落差異顯著，在不同季節(jié)對(duì)碳、氮、磷元素的吸收利用也存在差異[44-45].

4 結(jié)論

a) 建設(shè)用地、農(nóng)田和水域是影響袁河碳、氮、磷濃度的主要因素，對(duì)水質(zhì)起負(fù)效應(yīng). 建設(shè)用地對(duì)NH4+-N、DOC和TP濃度的影響最大，水域、農(nóng)田分別對(duì)NO3--N、DOC濃度產(chǎn)生較大影響，森林、草地對(duì)水質(zhì)的正效應(yīng)并不明顯，可見控制建設(shè)用地污染物排放有助于袁河水質(zhì)保護(hù).

b) 干流建設(shè)用地面積占比較高，河流碳、氮、磷濃度受人類活動(dòng)影響較大. 土地利用方式對(duì)干流碳、氮、磷濃度變化的解釋量高于支流，不同季節(jié)土地利用方式對(duì)干流碳、氮、磷濃度的影響存在差異，豐水期對(duì)TP、NH4+-N、NO3--N濃度變化的解釋量更高，枯水期對(duì)DOC濃度變化的解釋量更高.

c) 緩沖區(qū)尺度土地利用方式對(duì)碳、氮、磷濃度的影響大于子流域尺度. 隨緩沖區(qū)尺度的增加，土地利用方式對(duì)水體碳、氮、磷濃度變化的解釋能力在干流豐水期和支流枯水期均先增后降，對(duì)干流枯水期和支流豐水期的解釋能力逐漸增強(qiáng).