陕西大理河流域枯水期土地利用结构对河流水质的影响

刘 然，徐国策*，李占斌，王 斌，徐怀宇

(1. 西安理工大学 西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048; 2. 西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048; 3. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

0 引 言

土地利用类型和结构变化是人类活动对生态环境影响的直观反映，其对流域非点源污染的影响是导致水环境恶化的重要因素之一。土地利用方式主要通过影响污染物的排放和传输过程，进而影响河流水质。研究表明：农药化肥的大量使用、水土流失、城镇建设等都在无形之中造成了非点源污染，非点源污染与水土流失相互交错叠加，对流域水体质量和水环境会造成不同程度的破坏。土地利用方式的不合理性成为了河流、湖泊水质恶化的关键因素，同时，土地利用方式的多尺度性和分布格局差异也导致了土地利用方式对河流水质影响研究的不同结果。冯娜娜等研究发现辽河保护区河流水体氨氮(NH-N)浓度、总磷(TP)、总氮(TN)和化学需氧量(COD)与林地和草地面积占比成负相关关系，与农业用地和建设用地面积占比成正相关关系；溶解氧(DO)浓度与林地和草地面积占比成正相关关系，与农业用地和建设用地面积占比成负相关关系。唐廉等探讨得出了林地、草地能够缓解水质恶化，相当于“汇”，耕地、建设用地、水体会导致水质恶化，相当于“源”；其中建设用地是对水质恶化影响最大的因素，其次是耕地。郭羽羽等以黄河流域为研究对象，探讨多时空尺度土地利用与水质的关系，结果表明土地利用在1 000 m河段缓冲区尺度下对水质影响最显著，且耕地和林地、未利用地对水质影响最为显著。因此，可以通过改变土地利用结构来控制流域的非点源污染，进而改善流域水质状况。

目前研究较多的是直接分析耕地、居民用地等土地利用方式与河流水质的相关性，不同范围、不同尺度下的土地利用方式对河流水质的影响研究相对较少，黄河中游水土流失严重地区土地利用与水质关系的研究鲜见报道。《2019年陕西省生态环境状况公报》报道黄河流域中下游(陕西段)水质总体轻度污染。大理河作为黄河的重要二级支流，水土流失严重。该流域处在黄土丘陵沟壑的地理格局下，山高坡陡，土层极薄，耕作粗放；近年来，由于水土流失导致土壤肥力不断降低，迫使农民不断增加农药、化肥使用量，造成恶性循环，致使大量坡耕地成为水土流失和非点源污染的主要源地；广大农村人口聚居区生活污水及垃圾防治欠缺，将未经妥善处理的污水随意排放进入河流，导致水体质量下降；耕地资源和水资源有限的生态条件不可忽视。因此，明确大理河流域土地利用结构对水质的影响具有重要意义。

基于此，本文以黄土丘陵沟壑区大理河流域为研究对象，分析大理河流域水质的空间特征以及土地利用结构对水质的影响，以期为有效保护流域水质与生态管理提供科学的参考依据。

1 研究区概况

大理河是黄河支流无定河最大的一级支流，发源于陕西省靖边县南部的白于山东侧，经度范围为109°14′E～110°13′E，纬度范围为37°30′N～37°56′N。其流域面积为3 906 km，干流全长为170 km，主要支流有小理河、岔巴沟等，地形支离破碎，水土流失严重。流域主要土壤类型为黄绵土和新积土，特殊的土壤类型使得降雨更容易将耕地中的农药、化肥等污染残留冲刷进河道。流域主要有黄土梁硷河源丘陵沟壑区和黄土梁峁丘陵沟壑区两种不同的地貌类型区。梁峁坡地垦殖指数不高，荒地较多，林草稀少，覆盖度低，大约在20%以下，主要为耐寒抗旱和耐盐碱的零星杂草、灌丛、乳酸刺、沙柳、柠条、狼牙刺等灌木，和羽茅、马牙草及蒿类等。丘陵区为干旱草原和落叶阔叶林的过渡带，人为破坏严重，林草稀少，植被种类为柠条、狼牙刺、山杨、刺槐，和羽茅、马牙草、蒿类等。大理河流域属于典型大陆性季风气候，年平均气温为7.8 ℃～9.6 ℃，最高为38.0 ℃，最低为-32 ℃；多年平均降水量为400～500 mm，主要降水集中在6月至9月，其他月份降水量较少。由于政府的支持政策和低廉的劳动力，大理河沿河分布的工厂、企业(例如煤矿、粉条厂等)近年来有所增加，所以耕地、建设用地等成为了重点污染来源。

2 样品采集与分析方法

依据《水质采样技术指导》(HJ 494—2009)，综合考虑陕西大理河河长和地形地貌实际情况，于2020年10月在大理河干、支流布设21个采样断面，采样点分布如图1所示。1～14号点为干流采样点，15～21号点为支流采样点。每个采样点采集3个表层水体样本(0.5 m深度处)。溶解氧浓度使用HACH便携式水质多参数分析仪(仪器型号为HQ30d，美国)现场测定。采集水样之前，将500 mL聚乙烯塑料瓶用采样点的水样润洗2、3次后，再放入水样，另用封口膜封口，低温保存并尽快带回实验室。水样经过滤，使用全自动间断化学分析仪(ADA，仪器型号为CleverChem200，德国)测定氨氮浓度，溶解态的总氮和总磷使用过硫酸钾前期处理后测得。

图1 大理河流域采样点分布Fig.1 Distribution of Sample Sites in Dali River Basin

大理河流域土地利用数据来源于清华大学2017年全球10 m分辨率地表覆盖数据(http:∥data.ess.tsinghua.edu.cn/)。元数据中共有耕地、林地、草地、灌木、湿地、水域、苔原、不透水路面、裸地以及冰原等10种分类。参照《生态环境状况评价技术规范》(HJ 192—2015)，结合研究区的实际情况，将土地利用类别重新整合，共划分为耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地6种类型(图2)。

图2 大理河流域土地利用类型Fig.2 Land Use Types in Dali River Basin

土地利用类型对水质的影响有一定范围约束，需要选择一个最敏感、最有效的范围来进行研究。超过一定范围后，土地利用与水质之间的关系会出现假相关关系。根据地形等因素，并考虑流域实际面积，将采样点控制的区域划分为点缓冲区和河网缓冲区。以采样点为出水口提取子流域，以采样点为圆心，分别设置半径为100 m与200 m的点缓冲区；沿监测点上溯，以子流域为边界截取河流向左、右两岸延伸100 m与200 m生成对应河网缓冲区。

3 研究方法

1974年，美国叙拉古大学教授Nemerow在其著作《Scientific Stream Pollution Analysis》中提出：内梅罗污染指数法不仅能将污染最为严重的污染因子突出，也可以将其他水质较好的参评因子一定程度上兼顾，还能避免在计算过程中人为地赋予各因子权重的主观影响。其计算公式为

(1)

(2)

(3)

表1 内梅罗污染指数等级Table 1 Degree of Nemerow Pollution Index

因为溶解氧浓度与其他指标不同，溶解氧浓度越高，水质情况越好，所以其污染指数计算公式为

(4)

土地利用类型与流域水质通常成显著相关关系。本研究将土地利用面积占比与水质参数进行Spearman相关分析来研究不同空间尺度土地利用与水质的定量关系，这样不仅有利于优化土地利用结构，还可以有效进行水质管理。逐步多元回归分析能够将回归方程中不重要的自变量剔除，保留对因变量影响显著的关键变量，从而建立最优模型。采用逐步多元回归分析对大理河流域土地利用类型和水质参数进行探讨，并用指数模型来表征它们之间的关系。其表达式为

NPS=·exp(++++)

式中：NPS为流域中测定的水质指标；为常数；～分别为5种土地利用类型(耕地、林地、草地、建设用地、未利用地)面积占比与水质指标之间的相关系数；～分别代表5种土地利用类型(耕地、林地、草地、建设用地、未利用地)。

当为正值时，表明第种土地利用类型对这种污染物起“源”的作用；当为负值时，表明第种土地利用类型对该污染物起“汇”的作用。将水质数据进行ln转化，运用SPSS软件进行逐步多元回归分析，计算土地利用结构对水质指标的影响。

4 结果分析与讨论

4.1 不同尺度下缓冲区土地利用结构

大理河流域点缓冲区和河网缓冲区土地利用结构如图3所示。在点缓冲区和河网缓冲区，100 m及200 m范围均以未利用地和耕地为主，占各范围土地利用总面积的60.0%以上。林地占比最少，在100 m及200 m范围均不足3.0%。

图3 不同尺度缓冲区土地利用类型占比Fig.3 Proportions of Land Use Types in the Buffer Zone at Different Scales

在点缓冲区，100 m范围内耕地平均占比为44.2%，林地平均占比为1.8%；200 m范围内耕地平均占比为44.4%，林地平均占比为2.0%。在河网缓冲区，100 m范围内耕地平均占比为36.2%，林地平均占比为2.3%；200 m范围内耕地平均占比为34.2%，林地平均占比为2.6%。耕地面积占比大，一方面会增加水土流失的压力，另一方面会增加污染来源，应适当加强监测与分析，特别是对周围环境可能产生的影响。两个缓冲区内6种土地利用类型占比从大到小都依次为耕地、未利用地、建设用地、草地、水域、林地。这与流域山地较多，不宜远距离开垦的情况相符。有较强人类活动的土地利用类型(如耕地与建设用地等)都分布在河道附近。

林地占比在点缓冲区和河网缓冲区200 m范围较100 m范围有所增长。随着林地占比增加，未利用地在点缓冲区200 m范围占比较100 m范围有所减少，耕地在河网缓冲区200 m范围占比较100 m范围有所减少。支流的未利用地占比相对干流较多，因此，其受人类活动和农业生产的影响也相对较小。

4.2 流域干、支流水质空间变化

大理河流域干、支流总氮、总磷、氨氮浓度、溶解氧浓度的空间变化如图4所示。

图4 总氮、总磷、氨氮浓度、溶解氧浓度分布Fig.4 Distributions of TN, TP, NH3-N Concentration and DO Concentration

在流域干流，总氮平均值为3.110 mg·L。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，除5号采样点(总氮为1.094 mg·L)外，其余采样点总氮均超出Ⅴ类标准(≥2.000 mg·L)。其中，7号采样点总氮最高，为3.910 mg·L；结合实地调查，7号采样点处于一座工厂下游，工厂排放的污水汇入河道；此外，7号采样点周围是大面积玉米地，农耕施肥时期残留的氮肥在雨水的侵蚀冲刷下向河流迁移富集。总磷平均值为0.051 mg·L，干流采样点均未超出Ⅱ类标准(≤0.100 mg·L)，其中，3号采样点总磷最高，为0.085 mg·L。氨氮浓度平均值为0.148 mg·L，均未超过Ⅲ类标准(≤1.000 mg·L)；其中，3号采样点氨氮浓度最高，为0.551 mg·L，超过Ⅱ类标准(≥0.500 mg·L)。总磷与氨氮浓度在3号采样点较高，这是因为采样点附近分布着较为密集的居民区，居民生产生活污水排放频繁。5号采样点建设用地占比较多，但实际却是开阔公路等不透水路面，样点周边没有城镇村落，人为活动稀少，且此处水面更加宽阔，水环境容量变大，因此，污染物浓度相对较低。溶解氧浓度平均值为10.335 mg·L，均符合Ⅰ类标准(≥7.500 mg·L)。

在流域支流，总氮平均值为1.595 mg·L。除20号采样点(总氮为0.896 mg·L)外，总氮全都超出Ⅲ类标准(≥1.000 mg·L)，15号采样点(总氮为3.752 mg·L)超出Ⅴ类标准。总磷平均值为0.046 mg·L，7个采样点均满足Ⅱ类标准。氨氮浓度平均值为0.176 mg·L，均符合Ⅲ类标准。溶解氧浓度平均值为11.514 mg·L，均符合Ⅰ类标准。

支流总氮平均值(1.595 mg·L)低于干流总氮平均值(3.110 mg·L)。支流总磷、氨氮浓度与溶解氧浓度的平均值与干流无明显差异。因此，大理河流域在枯水期有必要加强对氮污染的控制，尤其是对工厂污水排放的管控，需实施入河排污口排查整治等措施，开展专项检查，提升污水处理能力。

4.3 流域污染指数特征

大理河流域内梅罗污染指数分布如图5所示。流域内梅罗污染指数整体呈现出干流高、支流低的特点。流域内梅罗污染指数平均值为1.9，变化范围为0.7～2.9。其中，干流内梅罗污染指数平均值为2.3，支流平均值为1.2。根据表1可知，干流为中度污染，支流为轻度污染。流域水体清洁的采样点占采样点总数的23.8%。干流采样点中，5号采样点内梅罗污染指数为0.8，水体清洁，其他采样点均为中度污染。支流采样点中，16、17号采样点内梅罗污染指数分别为1.4和1.0，属于轻度污染，其他采样点水体清洁。16、17号采样点位于大理河下游支流，地势较其他支流平坦，人类活动较多，水质在所有支流里相对较差。结合流域总氮与溶解氧浓度分布[图4(a)、(d)]，5号采样点及支流采样点总氮均较低，溶解氧浓度较高。内梅罗污染指数的分布与总氮分布趋势极为相似，与溶解氧浓度分布趋势基本相反。这说明总氮是大理河流域水质的重要影响因素；而溶解氧浓度越高，水质越好。

图5 内梅罗污染指数分布Fig.5 Distribution of Nemerow Pollution Index

枯水季节，降雨补给少，水流流速慢，对水中污染物的稀释净化能力差，故大理河流域部分采样点污染物浓度积累较高。由于地形等因素，大理河流域企业工厂大多分布在干流上，干流的人类活动强度较支流更为剧烈。大多居民沿河道而居，生活污水和人类排泄物等随意流淌入河，城市化水平低，污水收集和处理能力十分有限，污染物排放多，部分采样点污染防治较为急迫，水质问题亟待解决。

4.4 流域土地利用类型与水质的相关关系

流域土地利用类型与水质显著相关，二者之间的关系越来越受到重视。点缓冲区土地利用类型与水质参数的Spearman相关分析如表2所示。由表2可知：在100 m范围和200 m范围，总氮与建设用地成显著正相关关系，且在200 m范围比100 m范围相关性更高；氨氮浓度在100 m范围与建设用地成显著正相关关系，在200 m范围与林地成显著负相关关系；在200 m范围，总磷与耕地成显著正相关关系，与林地成显著负相关关系。

表2 点缓冲区土地利用类型与水质参数的Spearman相关分析结果Table 2 Spearman Correlation Analysis Results of Land Use Types and Water Quality Parameters in the Point Buffer Zone

表3为河网缓冲区土地利用类型与水质参数的Spearman相关分析。由表3可知：在100 m范围，总氮与耕地成显著正相关关系，与草地成显著负相关关系；在100 m范围和200 m范围，总磷与草地成显著负相关关系，且相关性在100 m范围高于200 m范围；在100 m范围和200 m范围，氨氮浓度与建设用地成显著正相关关系，且在100 m范围比200 m范围相关性更高。

表3 河网缓冲区土地利用类型与水质参数的Spearman相关分析结果Table 3 Spearman Correlation Analysis Results of Land Use Types and Water Quality Parameters in the River Network Buffer Zone

在点缓冲区与河网缓冲区，除溶解氧浓度外，总氮、总磷和氨氮浓度均与林地、草地成负相关关系，与耕地、建设用地、水域成正相关关系。出现此现象的原因主要在于耕地中残留的农药以及城镇排放的污水会随着地表径流进入水体。一方面，林地和草地相较于其他土地利用类型来说，植被覆盖率较高，即使在枯水期也有着较为丰富的植物根系，可以通过植物根系吸收、土壤滞留等生物化学作用减少地表径流的污染物，对进入河流的污染物有截留作用，从而改善水质；另一方面，林地、草地以及平(双侧)上显著相关。

未利用地的增加会引起耕地以及建设用地的减少，污染物经陆域传输的途径也随之减少。

4.5 流域径流水质变化的主控因素

在点缓冲区和河网缓冲区100 m范围与200 m范围内，水质参数与土地利用类型逐步多元回归分析结果见表4。

表4 土地利用类型与水质参数的逐步多元回归分析结果Table 4 Stepwise Multiple Regression Analysis Results of Land Use Types and Water Quality Parameters

在所有回归模型中，出现的变量有耕地、建设用地、林地和草地，这表明大理河流域水质主要受这4种土地利用类型的影响。其中，耕地与建设用地都符合“源”作用，林地与草地都符合“汇”作用。秋冬季节流域植被覆盖度较低，对污染物的截留作用较弱，因此，林地和草地进入回归模型较少。

在点缓冲区200 m范围，林地对总氮有“汇”的作用。100 m范围，总氮与建设用地成显著相关关系，但耕地对总氮“源”作用更为显著。这说明100 m范围的耕地对流域总氮污染贡献更大，曹芳芳等也得出了类似的结论。这与流域土地利用在点缓冲区的分布有关。相较于建设用地与林地，100 m范围内分布更多的是耕地和草地；而耕地的分布较建设用地的污染排放更为连续广泛，污染物输出较为稳定。因此，耕地“源”作用更显著，200 m范围林地“汇”作用更显著。总磷在河网缓冲区同时受草地的“汇”作用与建设用地的“源”作用。

在点缓冲区和河网缓冲区，对总磷和氨氮浓度起主导作用的土地利用类型为建设用地，对总氮起主导作用的土地利用类型为耕地。这表明耕地和建设用地是水体氮、磷的主要来源。其原因在于：农业活动中化肥和农药的使用，农药不会完全被植物根系吸收，经雨水冲刷或其他不同形式进入了河道；建设用地会增加不透水面，其内部存在高强度的人类活动，如城市生活污水、工厂企业废水等有相当部分未经处理直接汇入河流，或经人为作用致使含氮、磷物质富集到流域水体。在回归模型中，林地是一个重要的影响水质的负相关参数。林地在水土保持、截留固体污染、降低污染物浓度等方面有显著作用，是不可忽视的“汇”，这对于当地的生态环境保护是一个值得关注的信号，有必要加强对林地和草地的管理。

5 结 语

(1)陕西大理河流域水质主要是总氮污染，总氮超出《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类标准，且超出此标准的采样点占所有采样点总数95%以上，有61%的采样点总氮超出Ⅴ类标准。

(2)大理河流域干流内梅罗污染指数为2.3，属于中度污染，整体水环境不容乐观，水体水质有待改善。支流内梅罗污染指数为1.2，水质相对较好。

(3)在点缓冲区，耕地是产生磷污染的主要土地利用类型，建设用地是产生氮污染的主要土地利用类型。200 m范围，林地是截留污染物的主要土地利用类型；在河网缓冲区，耕地与建设用地都是产生氮污染的主要土地利用类型。100 m范围，草地是截留污染物的主要土地利用类型。

(4)总氮、总磷和氨氮浓度均与耕地、建设用地成正相关关系，相当于“源”，均与林地、草地成负相关关系，相当于“汇”。建设用地对大理河流域水质影响最大，是氨氮浓度与总磷的主要来源；耕地是总氮的主要来源。

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