汾河下游土地利用类型对河流无机氮的影响

董锐　汪银龙

关键词：土地利用;无机氮;冗余分析;汾河下游

中图分类号：TV211.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.018

引用格式：董锐，汪银龙.汾河下游土地利用类型对河流无机氮的影响[J].人民黄河，2022，44（3）：91-96.

近些年西北地区工农业快速发展的同时，产生了大量废水，加之农药和化肥的施用等，大量无机氮进入环境中，引起了学者们的广泛关注[1-4]。土地利用类型对流域水环境中无机氮含量具有重要影响，Li等[5]认为，河流总氮负荷与旱地面积占比正相关，但与稻田面积占比负相关;Jacobs等[6]研究发现，土地利用类型影响水体中硝酸盐的浓度，农业用地增加、化肥施用量增加导致无机氮输出增加;Nielsen等[7]认为，流域中水流的输运机制决定了水体营养盐的输入与输出，因此流域水体无机盐的输入、输出应在整个流域尺度上考虑;Cunningham等[8]研究表明，无机盐输移过程中，土壤或者植物会吸收无机盐，因此应重点研究河流周边的土地利用类型。流域划分方式有子流域尺度与河岸缓冲带尺度，不同划分尺度的土地利用类型对水体水质的影响不同。李艳利等[9-10]研究表明，相对于河岸缓冲带尺度，土地利用类型在子流域尺度上对水体水质的影响更为显著。但是欧洋等[11-12]研究认为，在不同半径河岸缓冲带划分尺度下，缓冲带与水体水质的相关性更显著。

近几年，频繁的农业活动以及煤炭开采、工业废水排放等导致汾河的污染越来越严重[13]。汾河下游沿岸经济发达，工业化指数高，汾河流入临汾段后污染更加严重，有学者研究表明，2015年汾河下游临汾、柴庄断面为地表水劣Ⅴ类水，其中临汾断面氨氮较地表水Ⅴ类水超标7.4倍，柴庄断面氨氮超标6.3倍[14]。因此，以汾河下游9个代表性断面无机氮数据及土地利用数据为基础，研究近域土地利用类型与河流无机氮含量的关系，以期为该地区水土资源的合理利用提供依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

汾河是黄河第二大支流，也是山西的母亲河。汾河流域承担着山西粮食生产的重任，是重要的粮食生产区，同时该区域人口聚集，是山西省重要的工业生产区。汾河下游流域面积11276km，年平均地表水资源总量为6.3亿m，人均占有水资源量247m，水资源相对匮乏。近几年，受人类频繁的农业活动以及工业污水排放影响，汾河污染越来越严重，其中氮素污染较为明显。

1.2数据来源

2018年7月（丰水期）和12月（枯水期）沿汾河下游赵城镇到入黄口进行水样采集。考虑汾河下游流经区域的土地利用类型，共布置9个采样点，分别为赵城镇（M1）、洪洞（M2）、临汾（M3）、涝河口（M4）、襄汾（M5）、浍河口（M6）、丰喜工业区（M7）、河津（M8）、入黄口（M9），见图1。

土地利用类型数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心的全国土地利用数据库，基于2018年LandsatTM/ETM等遥感影像得到汾河下游土地利用类型[15]，包括耕地、林地、草地、水域、城乡建设用地和未利用地。

1.3研究方法

（1）空间分析。以干流河道为中心，沿河流两侧建立不同距离的缓冲带。利用ArcGIS软件，对汾河下游干流建立4种不同距离的缓冲带，分别为300、500、1000、1500m。

（2）统计分析。利用SPSS软件分析缓存区各种土地利用类型面积占比与无机氮浓度的Pearson相关系数，根据相关系数分析不同土地利用类型对无机氮浓度的影响。采用CANOCO5.0软件进行土地利用类型面积与河流无机氮浓度关系分析。采用冗余分析（RDA）研究不同土地利用類型对无机氮浓度的影响，根据排序图分析无机氮与土地利用类型之间的相关性。

2结果与讨论

2.1汾河下游无机氮时空变化特征

2.2近岸缓冲带土地利用类型组成分析

300、500、1000、1500m范围缓冲带不同土地利用类型面积占比，见图2。从图2可以看出，不同范围缓冲带各类型土地面积占比不同，但总体上，耕地和城乡建设用地是主要土地利用类型。在不同范围缓冲带中，耕地、城乡建设用地和水域3种土地利用类型的面积占缓冲带总面积的近75%或更高，林地与草地面积占缓冲带总面积比例较小。水域、林地及草地是研究区主要的景观类型，但随着缓冲带距离的增加，水域的面积占比有所下降，水域面积占比由最高30.54%（300m缓冲带）下降到10.76%（1500m缓冲带），而林地和草地的面积占比有所上升。耕地及城乡建设用地作为缓冲带中面积占比较大的土地利用类型，在不同范围缓冲带中面积占比不同。当缓冲带距离为300m时耕地、城乡建设用地面积占比分别为37.32%、32.15%，当缓冲带距离为1500m时耕地、城乡建设用地面积占比分别为44.63%、27.00%。可以看出，随着缓冲带距离的增加，总体上城乡建设用地面积占比减小，耕地面积占比增加。

2.3近岸土地利用类型对河流无机氮含量的影响

在气温变化影响下，土地利用类型对河流水质的影响不同。枯水期降水量较小，农业活动较少，多数河道受到冰盖的阻隔作用，人为因素对河流无机氮的影响较小;丰水期河流径流量较大，农业活动较频繁，受农业活动影响，河流水质变化较明显。因此研究丰水期（7月）、枯水期（12月）土地利用类型对河流无机氮含量的影响。枯水期和丰水期各类型土地面积与无机氮浓度相关系数见表2。

2.4近岸土地利用类型与河流无机氮关系冗余分析

冗余分析（RDA）可以研究两个矩阵之间的关系。土地利用类型和水文条件是影响水体水质时空变化的主要因素[16]，使用RDA评估不同缓冲带土地利用类型对河水无机氮含量的影响。由表3可知，当缓冲带为300m时，总解释能力达到99.40%，但随着缓冲带距离的增加，土地利用类型和水文变量的关系更加复杂，水文变量的解释能力越来越低。

为了更直观说明土地利用类型对河流无机氮变化的解释能力，在不同时空尺度下，用9个断面的无机氮数据和6种土地利用类型进行冗余分析，见图3。

在不同缓冲带，影响水体无机氮浓度的主要土地利用类型不同。在300、500m缓冲带，丰水期与枯水期无机氮浓度主要受耕地、水域和城乡建设用地的影响，其中水域的影响较大;在1000、1500m缓冲带，影响水体无机氮浓度的土地利用类型主要为耕地和城乡建设用地，其次为林地和草地。总体而言，林地和草地对水体水质有改善作用，受人为因素影响较大的土地利用类型（耕地和城乡建设用地）对水体无机氮浓度贡献较大。另外，丰水期各土地利用类型对河流无机氮浓度的影响更显著。

2.5近岸土地利用类型与河流无机氮的关系

为了验证相关性分析与冗余分析的合理性，采用多元逐步回归方法建立土地利用类型对无机氮影响的回归方程（见表4）。结果表明：回归方程分析结果与相关分析、冗余分析结果基本一致，耕地、城乡建设用地是影响河流无机氮浓度的主要土地利用类型。由表4可以看出，枯水期无机氮浓度受城乡建设用地影响较大，主要原因是，城乡建设用地多数为居民及工业区，其污水排放对河流水质影响较大;城镇硬质地面增加了汇水区的径流量，大量污染物随着径流进入河流，从而污染河流水体。从各个回归方程的拟合度看，丰水期土地利用类型与无机氮浓度回归模型的拟合度好于枯水期的。

3结论

在丰水期和枯水期，汾河下游不同土地利用类型对水体无机氮的影响具有较大差异，河流近岸不同缓冲带对无机氮的影响也不同。300m缓冲带土地利用类型对无机氮浓度的影响最显著，500m缓冲带的影响次之，超过1000m缓冲带土地利用类型对无机氮浓度的影响越来越小。在小尺度缓冲带（300、500m）条件下多样的土地利用类型之所以对河流无机氮浓度影响显著，与林地及草地对无机氮有“汇”的作用有关，因此应在河流近岸种植适量的植被，降低河流无机氮浓度。

不同水期土地利用类型对水体无机氮的影响有明显差异，丰水期土地利用类型对无机氮的影响大于枯水期的。丰水期人为因素对河流水环境变化有较大影响，耕地和城乡建设用地对水体无机氮浓度影响较大，大量污染物排入河流，造成河流水质恶化;枯水期人为活动较少，污染物迁移量较少，对水体无机氮浓度影响较小。可见，汾河下游枯水期土地利用类型对水体无机氮浓度的影响不大，而丰水期土地利用类型对水体无机氮浓度有直接影响。

【責任编辑 吕艳梅】