袁河流域土地利用方式對河流水體碳、氮、磷的影響

黃益平, 王 鵬*, 徐啟渝, 舒 旺, 丁明軍, 張 華, 曾 婷

1.江西師范大學地理與環(huán)境學院, 江西 南昌 330022 2.江西師范大學鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室, 江西 南昌 330022

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

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]. 河流中含碳物質以DOC為主[1,17]，占輸送有機碳的60%[18-19]；氮素以溶解無機氮(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)略的實施，城鎮(zhèn)化速度加快，流域土地利用方式變化顯著，導致河流碳、氮、磷濃度不斷升高[11]. 以往研究多側重于土地利用方式對整體水質的影響[4,6]，缺乏對主要富營養(yǎng)化指標碳、氮、磷濃度影響的研究，成果難以應用到實際的流域管理. 為此，探明不同空間尺度下土地利用方式對碳、氮、磷變化的影響具有重要意義.

袁河為贛江一級支流，流域匯水最終通過贛江進入鄱陽湖. 近年來，受流域內人類活動的影響，河流水質下降. 徐啟渝等[22]研究表明，100和 1 000 m緩沖區(qū)景觀結構是影響袁河水質變化的關鍵尺度；雷呈等[23]的研究則認為，200 m緩沖區(qū)土地利用方式對袁河流生境質量的影響更大. 以往研究從不同方面對袁河水質進行評價，但不同空間尺度土地利用方式差異對水體碳、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河流碳、氮、磷濃度的影響，闡明土地利用方式對干、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管理及其他重點流域水污染防治和管理提供科學參考依據.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據采集

袁河發(fā)源于江西省萍鄉(xiāng)市武功山，主要流經萍鄉(xiāng)、宜春和新余3市地域，于樟樹市境內匯入贛江，集水面積 6 262 km2. 流域地處亞熱帶季風氣候區(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)域內主要的鋼鐵企業(yè)，農業(yè)以種植水稻為主. 近年來，區(qū)域內城市化水平快速發(fā)展，據《江西省統(tǒng)計年鑒(2018年)》顯示，2017年新余、萍鄉(xiāng)城市化水平分別為70.01%、68.21%，城市化水平相對較高，宜春城市化水平也達到48.11%.

研究[25-27]表明，200～1 000 km緩沖區(qū)內土地利用方式對水質有顯著影響. 該研究結合流域DEM數(shù)據及流域范圍，基于ArcGIS 10.2軟件中的SWAT插件以各采樣點(干流設置16個采樣點，用Y01～Y16表示；支流22個采樣點，用T01～T22表示)為匯水點將流域劃分為38個子流域〔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)面積計算以采樣點為斷面上溯至源頭，如Y02采樣點的控制流域為Y01和Y02. 袁河流域土地利用方式的數(shù)據為2017年Landsat 8衛(wèi)星30 m精度遙感影像數(shù)據，由國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據中心共享服務平臺(http://www.geodata.cn)提供. 由于濕地、裸地、灌叢面積在各緩沖區(qū)及子流域內占比均不足1%，后續(xù)分析時剔除，只保留農田、森林、草地、水體和建設用地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)對采樣點表層(50 cm)河水進行采集，采集后用冷藏保溫箱帶回實驗室通過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)計分析

采用Shapiro-Wilk檢驗對所有變量進行正態(tài)檢驗，將不符合正態(tài)分布的變量進行對數(shù)轉換使其盡量正態(tài)后進行相關性分析. 通過冗余分析(redundancy analysis, RDA)方法，將采樣點水質指標濃度視為物種變量(響應變量)，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水質參數(shù)變化的解釋量. 冗余分析能夠有效地對多個環(huán)境變量進行統(tǒng)計檢驗，保持各環(huán)境變量對物種變量的方差貢獻率[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分析結果，得到各土地利用方式對水體碳、氮、磷濃度變化的解釋量. 所有數(shù)據分析在統(tǒng)計軟件R3.6.1中完成.

2 結果與分析

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、農田為主，其次為建設用地，草地和水域的面積占比較小(見圖2). 干流緩沖區(qū)農田面積占比最大，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%)，其次為農田(28.6%)和建設用地(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%成為主導的土地利用方式. 這與支流山地較多，不宜開墾為農田而適宜發(fā)展為林果業(yè)的實際情況相符. 建設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，農田、森林和建設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GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》，豐水期干流NH4+-N濃度在Y7采樣點水質為Ⅱ類，其余采樣點為Ⅰ類，枯水期4個采樣點為Ⅰ類，其余采樣點為Ⅱ類或Ⅲ類，較大值出現(xiàn)在城市下游的Y7和Y12采樣點. 干流TP濃度在豐、枯水期無顯著性差異，除枯水期Y14采樣點TP濃度為Ⅳ類外，其余采樣點均為Ⅱ類或Ⅲ類. 支流除位于城市下游的T9、T10和T18采樣點NH4+-N濃度較高外，其余采樣點均為Ⅰ類或Ⅱ類；除豐水期T6、T15和T20采樣點TP濃度異常偏高外，其余采樣點均在Ⅲ類標準范圍內.

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、磷濃度的相關性分析

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

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

續(xù)表1

2.4 土地利用方式對袁河水體碳、氮、磷濃度變化的解釋量

RDA分析結果(見表2)表明，土地利用方式對干流碳、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分析對水體碳、氮、磷濃度變化的解釋量

回歸分析結果(見表3)表明，土地利用方式對袁河水體碳、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水質指標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水質指標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水體碳、氮、磷濃度變化的解釋量

3 討論

根據土地利用方式與袁河水體碳、氮、磷濃度的Pearson相關性分析結果(見表1)，認為建設用地是影響河流碳、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. 建設用地包括城鄉(xiāng)居住用地、工礦企業(yè)等，是人類利用強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、磷通過排水溝渠進入河流[4,20]. 此外，流域內河流還受到城鎮(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，高強度畜禽養(yǎng)殖可產生大量的氮、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，可能與水產養(yǎng)殖產生的殘餌和排泄物有關. 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生大量氮、磷進入水體或沉積在底泥中[37]，夏季水溫高，微生物分解能力強，加上夏季降雨強度大，對水體、底泥擾動大，養(yǎng)殖區(qū)內的氮、磷元素易隨徑流進入河流. 農田面積占比與支流DOC濃度在枯水期呈顯著正相關，這與支流農田面積占比相對較高有關. 河流DOC濃度的物理控制因素是流域內植被凋落物的產量[38]，第二季水稻收割后，水稻秸稈經收割機粉碎直接殘留在農田，分解產生大量DOC. 這表明除建設用地外，水域和農田也是河流碳、氮、磷濃度的影響因素.

回歸分析結果(見表3)表明：干流土地利用方式對豐水期TP、NH4+-N、NO3--N濃度變化的解釋量高于枯水期，對DOC濃度變化的解釋量低于豐水期；支流土地利用方式對豐水期NO3--N濃度變化的解釋量高于枯水期，對TP、NH4+-N、DOC濃度變化的解釋量低于枯水期. Huang等[39]對九龍江流域的研究表明，相對于有機污染物，無機污染物(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，對土壤的沖刷侵蝕作用也相對較強，污染源產生的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隨徑流在較長時間的運移過程中被土壤吸附，濃度信息不斷衰減[27,32]. 河流DOC濃度不僅受流域內植被凋落物分解的影響，還與微生物對DOC的降解有關[40-41]，豐水期溫度高，土壤微生物數(shù)量多，代謝速度快，對DOC的降解也快，因此從陸源進入河流的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性較小(見表1). 因此，與干流相比，土地利用方式對袁河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. 由于已有分析結果無法確定NO3--N來源，因此暫無法解釋其豐、枯水期關系.

RDA分析結果(見表2)表明，土地利用方式對干流碳、氮、磷濃度的影響大于支流. 洪超等[10]對灌河流域的研究則得出相反結論，認為支流水質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，農業(yè)用地面積占比顯著高于干流有關. 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、枯水期干流建設用地所分配的解釋量均最高(見表2). 干流水質不僅受到上游來水的影響，還與局部土地利用方式有關. 該研究在計算空間影響范圍時采用采樣點上溯至源頭，未考慮局部土地利用方式對河流碳、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碳、氮、磷濃度影響的差異.

RDA分析和回歸分析結果(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]的研究結果一致. 有研究[3,43]表明，緩沖區(qū)尺度內，植被、農業(yè)用地和建設用地構成優(yōu)勢地類，優(yōu)勢地類組分復雜且各地類對水質影響效果各異，疊加作用下對水質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)勢地類為農田、森林和建設用地，Pearson相關性分析結果(見表1)表明，農田和建設用地面積占比與碳、氮、磷濃度均呈顯著正相關，分配的方差解釋量也均較高，二者對水質都為負效應[25,32]，而對水質起正效應的森林[27,32]只在部分尺度與DOC和TP濃度呈顯著負相關，因此，建設用地、農田的負效應與森林的正效應疊加作用較小，緩沖區(qū)土地利用方式對碳、氮、磷濃度變化依然有著較強的解釋能力. 隨緩沖區(qū)尺度的增加，土地利用方式對水體碳、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. 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碳、氮、磷的利用轉化差異有關. 陳豐禹等[32]對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)對碳、氮、磷元素的吸收利用也存在差異[44-45].

4 結論

a) 建設用地、農田和水域是影響袁河碳、氮、磷濃度的主要因素，對水質起負效應. 建設用地對NH4+-N、DOC和TP濃度的影響最大，水域、農田分別對NO3--N、DOC濃度產生較大影響，森林、草地對水質的正效應并不明顯，可見控制建設用地污染物排放有助于袁河水質保護.

b) 干流建設用地面積占比較高，河流碳、氮、磷濃度受人類活動影響較大. 土地利用方式對干流碳、氮、磷濃度變化的解釋量高于支流，不同季節(jié)土地利用方式對干流碳、氮、磷濃度的影響存在差異，豐水期對TP、NH4+-N、NO3--N濃度變化的解釋量更高，枯水期對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，對干流枯水期和支流豐水期的解釋能力逐漸增強.