汾河下游土地利用類型對河流無機氮的影響

董銳　汪銀龍

關鍵詞：土地利用;無機氮;冗余分析;汾河下游

中圖分類號：TV211.1 文獻標志碼：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型對河流無機氮的影響[J].人民黃河，2022，44（3）：91-96.

近些年西北地區工農業快速發展的同時，產生了大量廢水，加之農藥和化肥的施用等，大量無機氮進入環境中，引起了學者們的廣泛關注[1-4]。土地利用類型對流域水環境中無機氮含量具有重要影響，Li等[5]認為，河流總氮負荷與旱地面積占比正相關，但與稻田面積占比負相關;Jacobs等[6]研究發現，土地利用類型影響水體中硝酸鹽的濃度，農業用地增加、化肥施用量增加導致無機氮輸出增加;Nielsen等[7]認為，流域中水流的輸運機制決定了水體營養鹽的輸入與輸出，因此流域水體無機鹽的輸入、輸出應在整個流域尺度上考慮;Cunningham等[8]研究表明，無機鹽輸移過程中，土壤或者植物會吸收無機鹽，因此應重點研究河流周邊的土地利用類型。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型對水體水質的影響不同。李艷利等[9-10]研究表明，相對于河岸緩沖帶尺度，土地利用類型在子流域尺度上對水體水質的影響更為顯著。但是歐洋等[11-12]研究認為，在不同半徑河岸緩沖帶劃分尺度下，緩沖帶與水體水質的相關性更顯著。

近幾年，頻繁的農業活動以及煤炭開采、工業廢水排放等導致汾河的污染越來越嚴重[13]。汾河下游沿岸經濟發達，工業化指數高，汾河流入臨汾段后污染更加嚴重，有學者研究表明，2015年汾河下游臨汾、柴莊斷面為地表水劣Ⅴ類水，其中臨汾斷面氨氮較地表水Ⅴ類水超標7.4倍，柴莊斷面氨氮超標6.3倍[14]。因此，以汾河下游9個代表性斷面無機氮數據及土地利用數據為基礎，研究近域土地利用類型與河流無機氮含量的關系，以期為該地區水土資源的合理利用提供依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

汾河是黃河第二大支流，也是山西的母親河。汾河流域承擔著山西糧食生產的重任，是重要的糧食生產區，同時該區域人口聚集，是山西省重要的工業生產區。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，水資源相對匱乏。近幾年，受人類頻繁的農業活動以及工業污水排放影響，汾河污染越來越嚴重，其中氮素污染較為明顯。

1.2數據來源

2018年7月（豐水期）和12月（枯水期）沿汾河下游趙城鎮到入黃口進行水樣采集。考慮汾河下游流經區域的土地利用類型，共布置9個采樣點，分別為趙城鎮（M1）、洪洞（M2）、臨汾（M3）、澇河口（M4）、襄汾（M5）、澮河口（M6）、豐喜工業區（M7）、河津（M8）、入黃口（M9），見圖1。

土地利用類型數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心的全國土地利用數據庫，基于2018年LandsatTM/ETM等遙感影像得到汾河下游土地利用類型[15]，包括耕地、林地、草地、水域、城鄉建設用地和未利用地。

1.3研究方法

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

（2）統計分析。利用SPSS軟件分析緩存區各種土地利用類型面積占比與無機氮濃度的Pearson相關系數，根據相關系數分析不同土地利用類型對無機氮濃度的影響。采用CANOCO5.0軟件進行土地利用類型面積與河流無機氮濃度關系分析。采用冗余分析（RDA）研究不同土地利用類型對無機氮濃度的影響，根據排序圖分析無機氮與土地利用類型之間的相關性。

2結果與討論

2.1汾河下游無機氮時空變化特征

2.2近岸緩沖帶土地利用類型組成分析

300、500、1000、1500m范圍緩沖帶不同土地利用類型面積占比，見圖2。從圖2可以看出，不同范圍緩沖帶各類型土地面積占比不同，但總體上，耕地和城鄉建設用地是主要土地利用類型。在不同范圍緩沖帶中，耕地、城鄉建設用地和水域3種土地利用類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主要的景觀類型，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。耕地及城鄉建設用地作為緩沖帶中面積占比較大的土地利用類型，在不同范圍緩沖帶中面積占比不同。當緩沖帶距離為300m時耕地、城鄉建設用地面積占比分別為37.32%、32.15%，當緩沖帶距離為1500m時耕地、城鄉建設用地面積占比分別為44.63%、27.00%。可以看出，隨著緩沖帶距離的增加，總體上城鄉建設用地面積占比減小，耕地面積占比增加。

2.3近岸土地利用類型對河流無機氮含量的影響

在氣溫變化影響下，土地利用類型對河流水質的影響不同。枯水期降水量較小，農業活動較少，多數河道受到冰蓋的阻隔作用，人為因素對河流無機氮的影響較小;豐水期河流徑流量較大，農業活動較頻繁，受農業活動影響，河流水質變化較明顯。因此研究豐水期（7月）、枯水期（12月）土地利用類型對河流無機氮含量的影響。枯水期和豐水期各類型土地面積與無機氮濃度相關系數見表2。

2.4近岸土地利用類型與河流無機氮關系冗余分析

冗余分析（RDA）可以研究兩個矩陣之間的關系。土地利用類型和水文條件是影響水體水質時空變化的主要因素[16]，使用RDA評估不同緩沖帶土地利用類型對河水無機氮含量的影響。由表3可知，當緩沖帶為300m時，總解釋能力達到99.40%，但隨著緩沖帶距離的增加，土地利用類型和水文變量的關系更加復雜，水文變量的解釋能力越來越低。

為了更直觀說明土地利用類型對河流無機氮變化的解釋能力，在不同時空尺度下，用9個斷面的無機氮數據和6種土地利用類型進行冗余分析，見圖3。

在不同緩沖帶，影響水體無機氮濃度的主要土地利用類型不同。在300、500m緩沖帶，豐水期與枯水期無機氮濃度主要受耕地、水域和城鄉建設用地的影響，其中水域的影響較大;在1000、1500m緩沖帶，影響水體無機氮濃度的土地利用類型主要為耕地和城鄉建設用地，其次為林地和草地。總體而言，林地和草地對水體水質有改善作用，受人為因素影響較大的土地利用類型（耕地和城鄉建設用地）對水體無機氮濃度貢獻較大。另外，豐水期各土地利用類型對河流無機氮濃度的影響更顯著。

2.5近岸土地利用類型與河流無機氮的關系

為了驗證相關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型對無機氮影響的回歸方程（見表4）。結果表明：回歸方程分析結果與相關分析、冗余分析結果基本一致，耕地、城鄉建設用地是影響河流無機氮濃度的主要土地利用類型。由表4可以看出，枯水期無機氮濃度受城鄉建設用地影響較大，主要原因是，城鄉建設用地多數為居民及工業區，其污水排放對河流水質影響較大;城鎮硬質地面增加了匯水區的徑流量，大量污染物隨著徑流進入河流，從而污染河流水體。從各個回歸方程的擬合度看，豐水期土地利用類型與無機氮濃度回歸模型的擬合度好于枯水期的。

3結論

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

不同水期土地利用類型對水體無機氮的影響有明顯差異，豐水期土地利用類型對無機氮的影響大于枯水期的。豐水期人為因素對河流水環境變化有較大影響，耕地和城鄉建設用地對水體無機氮濃度影響較大，大量污染物排入河流，造成河流水質惡化;枯水期人為活動較少，污染物遷移量較少，對水體無機氮濃度影響較小。可見，汾河下游枯水期土地利用類型對水體無機氮濃度的影響不大，而豐水期土地利用類型對水體無機氮濃度有直接影響。

【責任編輯 呂艷梅】