环境科学  2022, Vol. 43 Issue (6): 3016-3026   PDF    
不同尺度土地利用方式对地表水环境质量的影响及驱动机制
宋静雯1, 张学霞1,2, 姜东旸1, 赵丞豪1, 李鹏飞1     
1. 北京林业大学水土保持学院, 北京 100083;
2. 水土保持国家林业和草原局重点实验室, 北京 100083
摘要: 土地利用作为人类活动的重要载体对地表水环境状况有重要影响.以若尔盖湿地为例, 基于面向对象的土地利用类型遥感解译, 结合水质检测数据, 从小流域和缓冲区尺度, 分析不同尺度土地利用方式对地表水环境的影响及驱动机制. 结果发现: 1若尔盖湿地水质为Ⅴ类水, 且整体呈现轻度富营养化, 主要污染物为总氮(TN)和总磷(TP), 污染来自生活污水和放牧; 2土地利用方式与地表水环境质量联系紧密, 水体面积占比与化学需氧量(COD)呈现负相关关系、沼泽面积占比与TN呈现正相关关系和TP呈现负相关关系; 3不同尺度土地利用方式与地表水环境存在显著关联性, 1000 m缓冲范围内的土地利用方式解释度最高, 200 m的土地利用方式对COD的解释度最大, 500 m的土地利用方式对TP和TN的解释度最大, 800 m的土地利用方式对叶绿素(Chl-a)的解释度最大. 本研究结果表明: 若尔盖湿地对污染物和富营养化有一定的净化作用, 但不同的土地利用方式对不同污染物作用存在差异, 水体对Fe2+、COD和Chl-a有净化作用, 沼泽对TP有净化作用但对TN却呈现累积效应. 应控制小尺度(≤1000 m)的土地利用格局, 对水体和沼泽的面积进行重点管控, 重视提升湿地水域的自净能力, 进一步保护和修复若尔盖湿地地表水环境.
关键词: 地表水环境质量      土地利用      水体富营养化      面向对象      若尔盖湿地     
Impact of Land Use Types at Different Scales on Surface Water Environment Quality and Its Driving Mechanism
SONG Jing-wen1 , ZHANG Xue-xia1,2 , JIANG Dong-yang1 , ZHAO Cheng-hao1 , LI Peng-fei1     
1. School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China;
2. Key Laboratory Soil and Water Conservation National Forestry and Grassland Administration Beijing 100083, China
Abstract: As an important carrier of human activities, the spatial type of land use has an important impact on the surface water environment. Taking the Ruoergai wetland as an example, based on object-oriented remote sensing interpretation of land use types combined with water quality examination data, this study analyzed the impact and driving mechanism of land use types at different scales on the surface water environment at the small watershed and buffer scale. ① It was found that the water quality of the Ruoergai wetland could been classified as water grade V, and it was slightly eutrophic as a whole. The main pollutants were total nitrogen(TN)and phosphorus(TP), and the pollution originated from domestic sewage and grazing. ② The environmental quality of surface water was closely related to land use types. There was a negative correlation between chemical oxygen demand(COD)and the proportion of water area, a positive correlation between TN and the proportion of swamp area, and a negative correlation between total TP. ③ There was a significant correlation between spatial land use types at different scales and surface water environment. The land use type within a buffer of 1000 m had the highest interpretation degree for all factors, the land use type within a buffer of 200 m had the greatest interpretation degree for COD, the land use type within a buffer of 500 m zone had the greatest interpretation degree for TP and TN, and the land use type within a buffer of 800 m had the greatest explanation for Chl-a. The results of this study showed that the Ruoergai wetland wetland had a certain purification effect on pollutants and eutrophication. However, different land use types had different effects on different pollutants. The water body had a purification effect on Fe2+, COD, and Chl-a, and the swamp had a purification effect on TP but a cumulative effect on TN. Thus, the small-buffer zone(≤1 000 m)land use type should be controlled, the water body and swamp areas should be controlled, the self-purification capacity of wetland waters should be improved, and the surface water environment of the Ruoergai wetland should be further protected and repaired.
Key words: surface water environment quality      land use      eutrophication of water      body object-oriented      Ruoergai wetland     

改革开放以来, 经济的快速发展和城镇化进程的加快, 对中国土地利用空间格局产生了显著影响, 成为影响国家生态与环境状况以及区域气候变化的关键原因[1]. 基于此, 国家提出了黄河流域生态保护和高质量发展等一系列区域发展与生态保护战略措施. 湿地是介于陆地和海洋之间的生态系统, 具有涵养水源、调节径流、降解污染、碳储存和保护生物多样性等重要功能[2, 3], 也是驱动塑造湿地生态系统结构与功能、引起湿地景观动态变化的重要因子[4]. 若尔盖湿地处于我国“两屏三带”生态环境区, 每年向黄河源干流补水约40×108~50×108 m3, 是黄河流域重要的水源涵养区[5, 6]. 从20世纪中叶开始, 人类活动对该区域的干预更为明显, 尤其是工业化进程的不断加快, 该区域沼泽湿地面积不断下降, 水环境也出现明显的污染[7]. 针对水源地不同土地利用方式与水质响应关系构建已成研究热点[8].

土地利用方式决定植被类型、农田措施和耕作方式, 对水体污染物的输入输出产生影响, 进而影响地表水环境. 土地利用方式是影响地表水水质的重要变量, 了解这些变量与地表水质量之间的关系对于预测污染潜力和发展流域管理实践以消除或减少污染风险至关重要[9]. 有研究表明, 不同尺度下的土地利用类型占比都与地表水环境之间存在一定的响应关系[10~17], 但由于各研究区域的地理位置、气候等自然禀赋和人为干扰等因素存在空间异质性, 土地利用方式对地表水环境的尺度效应存在很大争议. 如: 胡琳等[18]和项颂等[19]的对龙川江和洱海流域的研究认为子流域尺度土地利用对河流水质影响最大, 而田皓予等[20]和方娜[21]等对泰国蒙河和鄱阳湖流域的研究却发现缓冲区尺度的土地利用格局能更好解释水质变化.

湿地水质受到多种土地利用类型和格局的综合影响[22]. 土地利用方式对地表水环境的影响存在尺度效应, 土地利用与生态环境效应的耦合度较低[23]是生态环境保护需要重点关注的领域, 为保障黄河流域水环境安全, 以推动黄河流域生态保护和高质量发展, 本研究以若尔盖湿地为例, 基于遥感影像解译土地利用类型, 结合地表水质检测结果, 分析了土地利用方式对若尔盖湿地地表水环境的关系, 探究不同尺度土地利用格局对地表水环境的驱动机制, 以期为若尔盖湿地地表水环境保护与修复治理提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

若尔盖湿地位于黄河上游(E 102.483°~102.983°, N 33.147°~34.317°), 包括黄河两条主要支流黑河和白河[24], 属于青藏高原东缘, 平均海拔3 500 m, 面积1 665.70 km2. 年平均气温为1.1℃, 年降雨量为630 mm, 降水主要集中在4~6月[25], 蒸发量为450 mm, 为大陆性季风气候[26], 地表经常处于过湿状态, 气候寒冷湿润, 是青藏高原高寒湿地的典型代表[27]. 地势中间低, 四周高, 地形以丘状高原和丘间盆地为主[5], 若尔盖县独特的地理、地貌和气候条件形成了类型多样和分布复杂的植被群落, 以莎草科和禾本科高寒湿生植物为主, 是青藏高原重要的优质高寒牧场, 同时也是中国青藏高原大型泥炭沼泽地之一, 泥炭地分布季节性冻土, 每年9月中下旬土壤开始冻结, 次年5月中旬基本解冻, 冻土厚度可深至70 cm[28]. 主要土地利用类型有建设用地、水体、沼泽、沼泽化草甸、草甸和零星分布的森林. 杜华明[5]和田应兵等[27]的研究发现: 若尔盖境内水体的pH值和Fe2+浓度较高, 水体的有机污染较严重, 湖泊呈现富营养化趋势.

1.2 数据来源及处理

影像数据来自地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/), 包括ASTER GDEM V2数字高程数据和Landsat8 OLI数据, 覆盖研究区域的影像轨道号分别为130037、131036和131037. 过境时间为2020年6月24日和2020年8月20日, 共3期云量低于10%的高质量影像. 基础地理数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/)基于Arcgis10.6完成影像预处理工作, 并进行土地利用特征提取和空间分析.

依据《国家水质采样技术指导》(HJ 494-2009), 于2020年9月27日完成8个采样点的水样采集工作(图 1), 每个采样点于表层0.5 m处取2份500 mL和1份2 L的水样, 用冷藏保温箱保存带回实验室, PHS-3C酸度计测定pH, 重铬酸盐法测定COD, 分光光度法测定石油类、Fe2+、TN、TP和Chl-a等地表水环境质量指标.

图 1 若尔盖地区水环境采样点空间分布示意 Fig. 1 Spatial distribution of water environment sampling points in Ruoergai area

1.3 面向对象的土地利用特征提取

参考张雪等[29]、甄硕等[30]和侯蒙京等[31]的地物分类体系, 结合若尔盖县湿地分布的具体情况, 基于多尺度分割算法, 进行影像分割获取对象, 结合遥感影像波段合成特征和光谱特征, 选择分类样本, 采用最近邻分类方法将研究区域的土地利用类型划分为: 沼泽、沼泽化草甸、草甸、林地、水体、建设用地和裸地这7个地类, 本研究分类结果与文献[31, 32]对若尔盖地区的分类结果一致性达到88.820%.

1.4 缓冲区建立及小流域分割

有研究表明, 200 m~10 km缓冲区内不同尺度的土地利用方式对河流和湖泊水环境有显著影响[19, 21, 33]. 为探究若尔盖地区不同尺度的土地利用方式对水环境的影响情况, 本研究以各个采样点为中心分别提取半径为200 m、500 m、800 m、1 000 m、1 200 m、1 500 m、2 km、5 km和10 km的缓冲区和7个小流域(图 2), 并计算不同尺度范围内的土地利用类型的面积占比.

图 2 不同空间尺度示意 Fig. 2 Schematic diagram of buffer zone and small watershed

1.5 水体富营养化分析

氮磷是藻类生长的主要营养物质, 是水体富营养化的显著标志[34, 35], 同时Chl-a也能直接反映水体营养状态水平, 是水体富营养化的指示指标[36]. COD是指以化学方法测量水样中能被氧化的还原性物质的量, 是一个常用且能较快测定有机物污染的参数[37]. 目前国内使用较为广泛的富营养化评价方法是中国环境监测总站推荐使用的综合营养状态指数法. 基于Chl-a、TP、TN和COD等地表水环境质量指标对水体富营养化程度进行评价, 计算公式如下:

(1)
(2)

式中, TLI(ε)表示综合营养状态指数; Wj表示第j种参数的营养状态指数的相关权重; TLI(j)表示第j种参数的营养状态指数; rij2表示第j中参数与基准参数的相关系数; m表示评价参数的个数.

营养状态指数公式为:

(3)
(4)
(5)

采用0~100连续数字对水体营养状态进行分级, 指数值越高, 营养程度越高. TLI指数将水体富营养化分为贫营养、中营养、富营养、轻度富营养、中度富营养和重度富营养这6个等级.

1.6 统计分析

借助R 4.1.1对不同空间尺度的土地利用面积占比分别与水环境参数进行冗余分析、多元回归分析和相关性分析. 冗余分析用于表达土地利用方式对多个水环境参数变异的解释能力; 以不同尺度下的土地利用类型面积占比作为解释变量, 各个水环境参数为响应变量构建多元线性回归模型, 模型中的R2值代表解释变量对响应变量的解释度; 最后对不同尺度下的土地利用面积占比与各水环境参数进行Pearson相关分析.

2 结果与分析 2.1 土地利用空间格局

基于2020年遥感影像, 采用多尺度分割算法和最近邻法结合实现土地利用特征的提取(图 3). 分析表明在所有的7种地类中, 林地在若尔盖地区面积所占比例最大, 为42.478%, 其次是沼泽化草甸, 占比为21.664%, 草甸占比为15.604%, 沼泽、水体和建设用地占比分别为11.324%、4.335%和2.661%.

图 3 2020年若尔盖湿地土地利用空间格局 Fig. 3 Land use spatial types of Ruoergai wetland in 2020

缓冲区尺度(图 4), 随着缓冲范围的增加, 林地、草甸、沼泽化草甸和裸地面积占比呈现增加趋势, 建设用地、沼泽和水体的面积占比呈现减少态势.

图 4 缓冲区尺度土地利用类型趋势分析 Fig. 4 Trend analysis of land use types at buffer zone scale

具体地(图 5), 200 m缓冲范围内, 面积占比最大的土地利用类型是水体, 占比25.100%, 其中在采样点4水体面积占比优势最明显, 占该缓冲范围内总面积的54.680%; 500~1 000 m缓冲范围内, 面积占比最大的是草甸, 且在采样点4和采样点6占比优势明显; 1 200~5 000 m缓冲范围内, 面积占比最大的是林地, 且在采样点3和采样点5有明显比例优势; 缓冲范围为10 000 m时, 林地在所有采样点中的面积均为最大.

(a)采样点1, (b)采样点2, (c)采样点3, (d)采样点4, (e)采样点5, (f)采样点6, (g)采样点7, (h)采样点8 图 5 缓冲区尺度土地利用类型面积占比 Fig. 5 Proportion analysis of land use types at buffer zone scale

2.2 水质特征分析

若尔盖湿地水体中ρ(COD)范围在6.000~39.000 mg ·L-1 (表 1), 有4个采样点处于Ⅰ类水标准, 一个处于Ⅳ类, 3个处于Ⅴ类; ρ(TP)范围在0.074~0.304 mg ·L-1, 有2个采样点处于Ⅲ类水标准, 5个处于Ⅳ类, 一个处于Ⅴ类; ρ(TN)范围在2.860~6.660 mg ·L-1, 所有采样点均处于Ⅴ类水标准; ρ(Fe2+)在0.030~0.860 mg ·L-1范围, 有2个采样点超过地表水环境标准; pH和石油类都符合国家地表水Ⅰ类标准; ρ(Chl-a)范围在0.388~1.690 μg ·L-1; 单因子评价结果显示[38]: 2020年采样点水环境整体处于Ⅴ类水标准, 且主要污染物为TN和TP, 较田应兵等[27]于2004年的水环境检测结果有明显改善. 进一步通过综合营养状态指数法进行水体富营养化评价, 结果表明(图 6): 若尔盖湿地8个采样点中有5个处于中度富营养状态, 1个中营养, 2个轻度富营养, 水体整体处于轻度富营养化状态, 与文献[7]检测结果一致.

表 1 采样点水环境质量1) Table 1 Water environment test at sampling points

图 6 采样点水体富营养化程度 Fig. 6 Water eutrophication degree of sampling points

2.3 土地利用与水环境参数关系分析

RDA分析结果表明(表 2): 建设用地和水质在200~1 500 m范围内相关性一样, 裸地和水质在800~1 200 m范围内相关性比较大, 沼泽和水质在1 000~2 000 m范围内相关性比较大, 沼泽化草甸和水质在500 m时相关性最大, 水体和水质在200~500 m范围内相关性最大, 林地和水体在1 200 m范围时相关性最大. 总体而言, 相比小流域, 缓冲区尺度土地利用方式对水环境参数的解释度更高, 在200 m时相关性最大, 且随着缓冲范围的增大土地利用方式对水环境参数的解释度呈现减小的趋势, 当缓冲范围为1 200 m时开始出现土地利用类型冗余分析结果为0的情况, 且随缓冲范围的逐渐扩大, 此类情况越显著.

表 2 多尺度土地利用类型对水环境空间分异的解释结果 Table 2 Interpretation results of multi-scale land use types on spatial differentiation of water environment

不同尺度下的土地利用类型面积占比作为解释变量, 各水环境参数作为响应变量构建多元线性回归模型并筛选出每个水环境参数的最优模型, 模型的R2代表土地利用方式对水环境参数的解释度.结果表明(表 3): 土地利用方式的尺度效应对TP的解释度最大, 缓冲范围为200 m的土地利用方式对COD的解释度最大, 缓冲范围为500 m的土地利用方式对TP和TN的解释度最大, 800 m的土地利用方式对Chl-a的解释度最大. 小流域尺度的土地利用方式解释度与缓冲范围为200 m相同.

表 3 不同缓冲区尺度的土地利用方式多元线性回归模型对水环境参数的解释度 Table 3 Interpretation degree of multiple linear regression model of land use types at different buffer zone scales to water environment parameters

将COD、TN、TP和Chl-a与不同空间尺度下各种土地利用类型所占面积比进行相关性分析. 结果表明(表 4), 整体来看, 小流域尺度土地利用方式对水环境参数的相关性并不显著. 缓冲区尺度, COD与水体所占比例呈现负相关关系, 其中与500 m的水体占比相关性最大最显著, 相关系数为-0.894; Chl-a与建设用地面积占比呈正相关关系且与200 m的水体面积占比呈显著负相关, 相关系数为-0.664; TN与沼泽和沼泽化草甸面积占比呈现正相关关系, 与5 000 m的裸地呈现显著的负相关关系, 相关系数为-0.779; TP与沼泽面积比例整体呈现负相关关系, 且在10 000 m的缓冲范围时相关性最大最显著, 相关系数为-0.772.

表 4 不同尺度下土地利用类型与水环境参数之间的Pearson相关系数1) Table 4 Pearson correlation coefficients between land use types and water environment parameters at different scales

3 讨论

本研究表明: 缓冲区尺度, 随着缓冲范围的增加, 林地、草甸、沼泽化草甸和裸地面积占比呈现增加趋势, 建设用地、沼泽和水体的面积占比呈现减少态势. 与缓冲区整体土地利用方式趋势存在差异的是: 随着缓冲区范围的增加, 沼泽在采样点1和采样点6, 建设用地在采样点8呈现增加态势. 采样点1和采样点6属于黑河, 黑河水系发达, 地面平坦低洼, 地下水位持续高于表层土壤[39], 同时由于湿地退化湖泊干涸, 使浅水区的沼泽裸露出来[40], 沼泽面积呈增加现象, 采样点8位于花湖生态旅游区, 为促进旅游产业又好又快发展, 加强了高速公路、景区公路等配套基础设施的建设[41], 是建设用地面积占比增加的重要原因.

若尔盖湿地水质整体处于Ⅴ类水标准, 整体呈现轻度富营养化状态, 主要污染物为TN和TP, 本区域主要为泥炭沼泽, ω(有机质)高达500~600 g ·kg-1, ω(TN)也在20~25 g ·kg-1[42], TN超标主要是由于泥炭沼泽原生环境以及生活污水的排放. 其次该地区畜牧业较为发达, 动物排泄物和植物的腐烂也是造成TN超标的原因之一[43]. TP超标可能是由于湖泊中生物生长茂盛, 死亡后在低温高湿条件下分解缓慢, 以有机残体的形式累积, 成为有机物的重要来源, 湖泊排水不畅导致有机物排除困难[44], 对水体富营养化的治理要严格把控水体附近的点源以及农业面源, 并结合引清调度、底泥疏浚和物理除藻等方式进行治理[45]. Fe2+的浓度在采样点1、4和6存在明显差异. 黑河从采样点1途经若尔盖湿地流至采样点6, Fe2+的浓度由0.560 mg ·L-1下降至0.140 mg ·L-1, 说明若尔盖湿地对黑河水体中的Fe2+有一定的净化作用, 但在采样点4出现升高的现象, 这是由于采样点4为畜牧业发达的黑河牧场, 受牛羊和人为活动干扰较强, 人类活动产生的废水和牛羊的排泄物等导致了Fe2+浓度的复高[46].

冗余分析表明, 在若尔盖地区, 1 200 m为土地利用方式对水环境尺度效应解释度的分界线, 说明1 000 m以内尺度的土地利用方式对地表水环境的影响更显著. 其中200 m缓冲范围的解释度最大, 200 m范围内的土地利用方式中占比最大的是水体, 同时根据多元回归模型分析, 缓冲范围为200 m的土地利用方式对COD的解释度也最大, COD又和水体面积占比呈现负相关关系, 河流的水动力条件不仅影响化学需氧量的降解[47], 也加快了溶解氧的补充从而制约了浮游植物的生长[48], 湿地水体对污染物和富营养化有一定的净化作用[49]; 若尔盖沼泽面积占比与TN呈正相关与TP呈负相关, 可能是因为若尔盖高原湿地水体中的N与植被N累积量存在显著的线性关系, 且与植被多样性呈极显著正相关, 而植被P累积量与水环境P之间的相关关系存在明显的季节性差异, P与植被多样性之间相关性不显著有关[7].

4 结论

(1) 若尔盖湿地水质整体处于Ⅴ类水标准, 整体呈现轻度富营养化状态, 主要污染物为TN和TP. 这不仅与若尔盖湿地特殊的泥炭沼泽原生环境有关也与排放污水和放牧等活动有关. 要严格管控水体附近生活污水的排放和放牧活动, 以改善水体质量.

(2) 地表水环境质量与土地利用方式联系紧密. COD与水体面积占比呈现负相关关系、沼泽面积占比与TN呈现正相关关系、TP呈现负相关关系. 缓冲区尺度土地利用方式对地表水环境参数的相关性和解释度比小流域尺度都更大, 且在1 000 m范围内更为显著.

(3) 对地表水环境影响最大的是水体面积占比. 若尔盖湿地水体对Fe2+、COD和Chl-a等和富营养化有一定的净化作用. 沼泽对TN有净化作用但对TP却呈现聚积作用. 若尔盖湿地的管理应重点控制小尺度(≤1 000 m)的土地利用格局, 对水体和沼泽的面积进行重点管控, 重视提升湿地水域的自净能力, 同时加强旅游和畜牧业管理, 降低人类活动对环境的干扰, 进一步保护若尔盖湿地地表水环境.

致谢: 感谢水土保持国家林业和草原局重点实验室(北京)和若尔盖湿地国家级自然保护区管理局对本研究的大力支持!

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