不同空间尺度土地利用方式对开都河水质的影响_李茹霞.pdf

第4 5卷 第1期2 0 2 3年 2月海 洋 湖 沼 通 报T r a n s a c t i o n so fO c e a n o l o g ya n dL i m n o l o g yV o l.4 5 1F e b.,2 0 2 3不同空间尺度土地利用方式对开都河水质的影响李茹霞1,迪丽努尔阿吉1,2*,赛米热托合提1,王晓兰1,张 敏1(1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院,新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 5 4;2.新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室,新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 5 4)摘 要:为探究开都河不同尺度土地利用方式对水质的影响,于2 0 2 1年6月和1 0月对开都河的1 5个样点进行取样,测定T D S、T N、T P和C O D4个水质指标。结合2 0 2 0年的土地利用数据,提取以水质采样点为圆心建立的1 0 0、2 0 0、5 0 0、8 0 0、10 0 0m缓冲区内的土地利用,运用冗余分析(R D A)、相关性分析、线性回归模型揭示不同尺度土地利用方式对水质的影响。结果表明:开都河水质整体处于类水标准,主要潜在污染物为T N和T P,污染来自农业退水和放牧;R D A分析发现缓冲区尺度土地利用方式对水质指标的解释度在5 0 0m范围内最大。丰水期,T D S、T P、T N、C O D与水域和耕地呈正相关,与裸地、草地呈负相关。平水期,T P、T D S、T N与草地呈正相关,与水域和裸地表现为负相关,而C O D与耕地呈正相关,与裸地、水域和草地呈负相关;不同空间尺度土地利用方式与水质指标的相关关系不同,丰水期,TN在5 0 010 0 0m缓冲区范围内与草地呈显著负相关。平水期,C O D在10 0 0m缓冲区内与草地呈显著负相关。丰水期和平水期,T N、C O D在1 0 010 0 0m缓冲区范围内与耕地呈显著正相关;土地利用方式对水质的影响具有尺度效应,且对水质影响最大的是耕地面积占比,其次为草地。关键词:开都河;土地利用;水质;尺度效应中图分类号:X 5 2 2 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 3-6 4 8 2(2 0 2 3)0 1-0 9 8-0 9D O I:1 0.1 3 9 8 4/j.c n k i.c n 3 7-1 1 4 1.2 0 2 3.0 1.0 1 4引 言土地利用是人类活动作用于生态环境的一种形式,与河流水环境质量之间关系密切,对河流水质影响较大1-2。因此,探讨土地利用与水质之间的关系,对土地利用的管理规划及水生态环境资源的保护具有重要意义。近年来,土地利用对水质指标的影响研究成为国内外学者关注的热点3-4,这些学者主要运用相关分析5、冗余分析6-7、多元线性回归等8方法,研究发现,不同空间尺度土地利用方式对水质指标的影响不同9-1 2。例如,宋静雯等1 3认为,在10 0 0m缓冲区范围内,土地利用方式的解释度最高,不同的土地利用方式对水质指标有不同的尺度效应;胡林等1 4研究龙川河流域发现,小流域尺度土地利用方式与水质的相关性较强,林地对水质有正面影响,耕地和建设用地对水质有负面影响;刘然等1 5发现,在缓冲区内,建设用地对T N的影响在2 0 0m范围比1 0 0m范围大;在河网缓冲区,草地对T P的影响以及建设用地对NH3-N浓度的影响在1 0 0m范围比2 0 0m范围大。因此,研究典型流域不同空间尺度土地利用对水质的影响是非常有必要的。开都河是西北干旱区典型的内陆型河流,作为塔里木河的源流,在国家恢复塔河绿色走廊,实施北水南调工程中发挥重要作用。然而,目前对开都河流域土地利用与水质关系的研究尚不多见,迫切需要开展相关研究,为该流域水土资源保护提供科学支撑。开都河在维护新疆巴音郭楞蒙古自治州的生态系统平衡和促进社会经济发展方面起着不可替代的作用,近年来,由于农业和工业迅速发展,大量生活污水、工 基金项目:国家自然科学基金项目(4 1 6 6 1 0 0 7、4 1 2 6 1 0 0 3)第一作者简介:李茹霞(1 9 9 7),女,硕士研究生,从事自然资源开发与规划研究。E-m a i l:8 2 5 2 6 7 2 8 9q q.c o m*通信作者:迪丽努尔阿吉(1 9 6 8),女,博士,教授,从事干旱区生态水文研究。E-m a i l:2 5 4 8 2 9 0 2 8 1q q.c o m 收稿日期:2 0 2 2-0 3-2 21期不同空间尺度土地利用方式对开都河水质的影响9 9 业废水等排入河流,导致水质恶化,严重影响该地的水资源供给。目前,学者们已开展开都河水文和水环境1 6以及土地利用对径流影响1 7-1 8的研究,但对不同空间尺度土地利用方式与水质之间关系的研究尚缺乏。因此,本研究对开都河不同水期进行野外采样,并结合土地利用方式,探讨开都河水质特征及不同空间尺度土地利用方式对水质的影响,为开都河流域土地利用结构管理及流域水资源安全保障提供科学参考。图1 研究区采样点与土地利用空间分布图F i g.1 S p a t i a l d i s t r i b u t i o nm a po f s a m p l i n gp o i n t sa n d l a n du s e i nt h es t u d ya r e a1 材料与方法1.1 研究区概况开都 河 位 于 新 疆 天 山 南 坡(8 2 5 2 8 6 5 5 E,4 1 4 7 4 3 2 1 N),发源于天山中部海拔50 0 0m的萨尔明山的哈尔尕特和扎克斯台沟,是唯一能常年补给博斯腾湖的河流1 9。开 都 河 全 长5 6 0 k m,流 域 面 积2 20 0 0k m2,地势北高南低,地貌类型多种复杂,山地、盆地、荒漠戈壁、河谷与平原交叉分布;属干旱大陆性气候,年平均气温88.6,年平均降水量4 7.37 5.0mm,夏、秋两季降雨量波动大,水位在夏季(68月)较高,为丰水期,秋季为平水期2 0。研究区共设1 5个水质采样点,其北部和中部的土地利用方式以草地为主,南部以耕地、建设用地为主(图1)。1.2 数据来源与处理D EM数据来自地理空间数据云平台(h t t p:/www.g s c l o u d.c n/),分辨率为10 0 0m,2 0 2 0年土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(h t t p:/www.r e s d c.c n),该数据是以美国陆地卫星L a n d s a t遥感影像数据作为主要信息源,在土地利用研究中应用较为广泛,解译精度可达9 0%,可信度较高2 1-2 2。运用A r c g i s 1 0.6,基于样本面向对象的监督分类进行土地利用信息的提取,参照国家土地利用现状分类标准(G B/T2 1 0 1 02 0 1 7)并结合开都河土地利用实况及解译的可操作性,将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和裸地6类。依据 国家水质采样技术指导(H J 4 9 42 0 0 9),于2 0 2 1年6月和1 0月对1 5个采样点的表层(0.5m)水体进行采样,每个点位采集3个平行样本2 3。利用便携式水质检测仪(A Z 8 3 0 6)现场测定T D S,同时用图2 不同空间尺度示意图F i g.2 S c h e m a t i cd i a g r a mo f d i f f e r e n t s p a t i a l s c a l e s5 0 0m L洁净聚乙烯塑料瓶采集水样,冷藏保温带回实验室,重铬酸盐法测定C O D,钼酸氨分光光度法测定T P,碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定T N。1.3 研究方法1.3.1 空间分析基于A r c g i s 1 0.6完成影像预处理工作,并进行土地利用信息提取和空间分析。有研究表明,1 0 010 0 0m缓冲区内不同尺度的土地利用方式对河流水质的影响较大2 4,为探究开都河不同空间尺度土地利用方式对水质的影响情况,以1 5个采样点为圆心分别建立1 0 0、2 0 0、5 0 0、8 0 0、10 0 0m的缓冲区(图2),将其与遥感1 0 0 海 洋 湖 沼 通 报2023年数据相结合,进而获取各缓冲区内的土地利用数据。1.3.2 统计分析借助O r i g i n对不同空间尺度的土地利用面积占比与水质数据进行冗余分析,用于表达土地利用方式对多个水质指标变异的解释能力。基于S P S S软件以不同尺度下的土地利用类型面积占比作为解释变量,各个水质指标为响应变量构建线性回归模型,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质指标进行相关分析,探讨土地利用方式与水质之间的关系。2 结果与分析2.1 水质特征河流水质特征在丰水期、平水期差异明显(图3)。平水期的T D S高于丰水期,结合开都河气候特征分析,一是平水期降水少,雨水与土壤充分接触,经地表径流和地下径流注入河流,河流中溶解离子浓度高,导致T D S增加;二是平水期的蒸发量大于河流补给,河流含盐量多,也导致T D S增大。C O D的最大值出现在丰水期的S 5采样点,其均值为1 5.7 8m g/L,达到类水质标准,整体水质偏好。T N与T P浓度总体上呈现出丰水期高于平水期,对1 0 0、2 0 0、5 0 0、8 0 0、10 0 0m各缓冲区内土地利用方式定量分析发现,各缓冲区内耕地之和占比分别为4 0.3 7%、3 6.8 1%、3 0.1 7%、2 8.9 6%、3 5.0 6%,其中1 0 0m缓冲区的占比最高,因此农业活动导致河流中污染物浓度高的可能性较大。T N与T P浓度在部分点位为类水质,是河流主要的潜在污染物,据 巴音郭勒统计年鉴2 0 2 0 统计,全州农业生产中氮肥和磷肥分别使用2 5 25 6 7t和1 3 36 1 2t,工业污染排放中T N、T P排放量为1 1 8.0 4 7t、1.3 4 2t,生活污染排放中T N、T P排放量分别为8 5 8.0 1 2t、2 0.2 3 2t,表明农业生产所需的氮、磷肥量和污水排放量多,进而造成环境污染负荷上升。图3 开都河水质时空分布图(m i n:最小值;m a x:最大值;S D:标准差)F i g.3 S p a t i a l a n dt e m p o r a l d i s t r i b u t i o no fw a t e rq u a l i t y i nK a i d uR i v e r1期不同空间尺度土地利用方式对开都河水质的影响1 0 1 2.2 土地利用空间格局基于2 0 2 0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。分析表明在所有的6种地类中,草地在开都河所占面积比例最大,为5 5.8 5%,其次是裸地,占比为3 4.0 7%,耕地、水域、林地和建设用地占比分别为5.9 8%、3.1 6%、0.5 7%和0.3 8%。缓冲区尺度(图4),随着缓冲范围的增加,草地、水域、建设用地、裸地面积占比呈现增加趋势,耕地面积占比呈现减少态势。具体地,1 0 02 0 0m缓冲范围内,面积占比最大的土地利用方式是耕地,占比为4 0.3 7%和3 6.8 1%,且在采样点S 2、S 3和S 4占比优势明显;5 0 010 0 0m缓冲范围内,面积占比最大的是草地,占比分别为3 7.3 4%、3 8.3 2%和3 9.2 7%,且在采样点S 9和S 1 5有明显占比优势。图4 不同空间尺度下土地利用面积比例F i g.4 T h ep r o p o r t i o no f l a n du s ea r e aa td i f f e r e n t s p a t i a l s c a l e s2.3 土地利用方式对水质的影响通过R D A分析,5 0 0m缓冲区土地利用方式对河流水质的解释度最高,需进一步对该空间尺度进行探讨。土地利用方式箭头的长度表示对水质指标的