西江下游流域水質(zhì)與不同空間尺度土地利用的響應(yīng)關(guān)系

王一舒，吳仁人，榮 楠，王 欣，張 楊

(1.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510530； 2.國家環(huán)境保護水環(huán)境模擬與污染控制重點實驗室，廣東 廣州 510530； 3.廣東省水與大氣污染防治重點實驗室，廣東 廣州 510530)

水質(zhì)問題是當(dāng)前及今后很長一段時間內(nèi)困擾人類發(fā)展的重大問題[1-3]，現(xiàn)已成為眾多學(xué)者和各級政府關(guān)注的焦點。影響水質(zhì)變化的因素非常多，其中土地利用是水質(zhì)變化最重要的驅(qū)動因素之一[4-6]。土地是人類賴以生存的重要載體，人類對自然資源的改造和利用直接表現(xiàn)為人類對土地的利用方式[7]。河流水質(zhì)與土地利用的響應(yīng)關(guān)系，一方面表現(xiàn)在土地利用方式及其變化對流域水文過程有著顯著影響[8]，另一方面污染物進入河流前在地表遷移、轉(zhuǎn)化過程中會受到土地利用空間組成及人類活動方式的影響，如地表環(huán)境(土壤、植被)及城鎮(zhèn)化、工業(yè)化等[9]。

水質(zhì)與土地利用結(jié)構(gòu)響應(yīng)關(guān)系研究方面，楊琴等[10]對淮河流域(河南段)的研究表明，氮磷濃度與旱地和城鎮(zhèn)面積雖正相關(guān)關(guān)系，與林地、草地和荒地面積雖負相關(guān)關(guān)系；曹芳芳等[11]研究了新安江流域土地利用結(jié)構(gòu)對水質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)耕地對總氮、氨氮影響最大，草地對總磷影響最大；汪昱昆等[12]針對上海地區(qū)河網(wǎng)水質(zhì)空間分異性研究了不同緩沖區(qū)與水質(zhì)類別的響應(yīng)強度關(guān)系。此外，也有一些研究表明，土地利用對水環(huán)境影響從小尺度到流域等不同空間尺度上不盡相同，如李昆等[9]識別了景觀格局對河流水質(zhì)影響最有效的河岸帶空間尺度；Ding等[13]對東江流域的研究表明，對河流水質(zhì)影響程度，流域尺度大于河岸緩沖區(qū)尺度；Xu等[14]發(fā)現(xiàn)河岸緩沖區(qū)尺度土地利用對烏江流域河流水質(zhì)保護作用較流域尺度更大。可見，一方面由于流域的獨特性，不同流域水質(zhì)與土地利用響應(yīng)關(guān)系有所差異；另一方面不同空間尺度土地利用對流域水質(zhì)影響的有效性也不盡相同。

珠三角地區(qū)正面臨著水質(zhì)型缺水問題。隨著珠三角區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展，大量排放的廢污水造成淡水資源受到污染，盡管水量豐富，但清潔水源嚴重不足，水質(zhì)型缺水進一步加大了城市的供水壓力[15]。西江是廣東省最重要的飲用水源河流之一[16]，惠及4 000多萬廣東人民，澳門居民用水99%源于西江。西江水環(huán)境質(zhì)量受到多方關(guān)注，開展西江流域水質(zhì)與土地利用響應(yīng)關(guān)系研究對流域水環(huán)境管理具有十分重要的意義。本文以西江下游(廣東段)流域作為研究區(qū)域，基于2005—2017年流域內(nèi)11個監(jiān)測斷面水質(zhì)數(shù)據(jù)以及2005年、2010年、2018年遙感影像數(shù)據(jù)，利用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法、冗余分析等方法，開展全流域尺度和不同緩沖區(qū)尺度條件下土地利用結(jié)構(gòu)對不同水期的水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系研究，以期為西江下游流域水環(huán)境保護與管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

西江是珠江水系中最長的河流，發(fā)源于云南省曲靖市烏蒙山余脈的馬雄山東麓，經(jīng)貴州、廣西流入廣東，全長2 075 km。西江下游段位于廣東省境內(nèi)，從廣西梧州流入肇慶市封開縣后，自西向東流經(jīng)封開、郁南、德慶、云安、高要、端州、鼎湖等3縣4區(qū)，全長約225 km，主要支流包括賀江、羅定江、南山河和新興江(圖1)。該區(qū)域?qū)儆谀蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，冬季干冷、夏季高溫多雨，年平均氣溫21.2 ℃，年平均降水量約1 650 mm，降雨主要集中在4—10月[17]。

圖1 西江下游流域水系及水質(zhì)監(jiān)測斷面分布

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

水質(zhì)數(shù)據(jù)包括西江干流及主要支流賀江、羅定江、南山河和新興江11個常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測斷面2005—2017年的年均值數(shù)據(jù)和2015—2017年的月均值數(shù)據(jù)。水質(zhì)指標包括GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》表1中規(guī)定的24項。

遙感影像數(shù)據(jù)選取覆蓋研究區(qū)范圍2005年、2010年和2018年的Landsat遙感影像，經(jīng)過融合、幾何校正、鑲嵌、裁剪等預(yù)處理后，進行面向?qū)ο蠓诸悾诸惡筇幚淼玫阶罱K土地利用數(shù)據(jù)。根據(jù)研究需要，進一步將土地利用類型劃分為城鎮(zhèn)用地、林地、水體、旱地、水田坑塘5種類型(圖2)。

(a) 2005年

2.2 水質(zhì)評價及趨勢分析方法

流域水質(zhì)類別評價采用單因子指數(shù)法，評價指標為24項水質(zhì)指標中除水溫、總氮和糞大腸菌群外的21項。為進一步分析流域內(nèi)整體水質(zhì)狀況，利用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對斷面21項指標污染指數(shù)進行計算，采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法對斷面水質(zhì)變化趨勢進行分析。

2.3 土地利用類型與水質(zhì)的相關(guān)性分析方法

2.3.1空間分析

本文空間分析主要采用流域和河岸緩沖區(qū)兩種尺度。利用Arcgis10.2將西江下游流域劃分為7個子流域(圖3)，將子流域邊界與行政區(qū)邊界進行配準，為流域尺度下土地利用與水質(zhì)相關(guān)性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。河岸緩沖區(qū)選用帶狀緩沖區(qū)法劃分，以河流沿岸向兩側(cè)劃分100 m、200 m、400 m、800 m、1 500 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m和 5 000 m 等9種尺度的帶狀緩沖區(qū)寬度(圖4)，沿河流流向緩沖區(qū)長度主要參考HJ 338—2018《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》中一、二級保護區(qū)及準保護區(qū)范圍，以控制斷面為中心，上游延伸5 000 m、下游延伸500 m范圍。根據(jù)緩沖區(qū)寬度和長度以11個水質(zhì)站點為中心最終劃定99個空間單元。

圖3 子流域劃分結(jié)果

圖4 1 500 m緩沖區(qū)范圍

2.3.2統(tǒng)計分析

利用SPSS22.0統(tǒng)計軟件，采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法定性分析土地利用類型與水質(zhì)指標的相關(guān)性。采用約束排序分析法分析土地利用類型結(jié)構(gòu)對河流水質(zhì)的解釋能力，冗余分析(RDA)和典型對應(yīng)分析(CCA)是約束排序分析的兩種方法，兩種方法均能獲得響應(yīng)變量與解釋變量之間的關(guān)系，并能夠計算解釋變量對響應(yīng)變量的貢獻率。在采用約束排序法之前，需先通過除趨勢對應(yīng)分析(DCA)根據(jù)排序軸最大梯度選擇約束排序分析的方法，當(dāng)最大梯度小于3時，采用冗余分析法[18]。本文將水質(zhì)指標作為響應(yīng)變量，將土地利用類型結(jié)構(gòu)作為解釋變量，可以計算出土地利用類型結(jié)構(gòu)對水質(zhì)指標的解釋度，同時可用二維排序圖直觀展示響應(yīng)變量與解釋變量的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)時空變化特征

3.1.1年際變化趨勢

2005—2017年西江干流水質(zhì)穩(wěn)定保持在地表水Ⅱ類，其主要支流賀江水質(zhì)穩(wěn)定保持在Ⅱ類，羅定江水質(zhì)優(yōu)于Ⅲ類。南山河水質(zhì)存在惡化趨勢，2014年前一直穩(wěn)定保持在Ⅱ類，2016年下降到Ⅳ類，到2017年惡化為劣Ⅴ類。新興江2013年前水質(zhì)保持在Ⅲ類，到2017年持續(xù)惡化為劣Ⅴ類。利用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法對各斷面主要水質(zhì)指標變化趨勢進行分析，結(jié)果見表1，西江干流封開城上、都騎斷面21項指標內(nèi)梅羅污染指數(shù)呈下降趨勢，水質(zhì)整體有所改善，但永安斷面總磷存在上升趨勢；賀江水質(zhì)類別雖穩(wěn)定保持在Ⅱ類，但氨氮濃度存在明顯上升趨勢；南山河、新興江均存在總磷明顯上升趨勢，羅定江水質(zhì)變化趨勢不明顯。

表1 主要水質(zhì)指標Spearman秩相關(guān)系數(shù)

3.1.2季節(jié)變化趨勢

西江汛期一般為每年4—10月，其余為非汛期。將2015—2017年逐月氨氮、總磷濃度以及內(nèi)梅羅指數(shù)按照汛期和非汛期進行統(tǒng)計分析。西江干流不同水期內(nèi)梅羅指數(shù)差異不大，未表現(xiàn)出明顯規(guī)律。西江支流賀江、羅定江及南山河不同水期內(nèi)梅羅指數(shù)差異較小，新興江差異較大。西江干流封開城上、黃崗斷面氨氮濃度汛期較非汛期高，古封、都騎和永安斷面則表現(xiàn)為非汛期高于汛期。除黃崗斷面外，西江干流斷面總磷濃度汛期均較非汛期高，且汛期與非汛期之間的總磷濃度差值呈現(xiàn)出逐年增長趨勢，表明西江干流總磷濃度的變化受面源影響較大，且面源影響在一定程度上持續(xù)加大。西江支流中賀江、羅定江氨氮、總磷濃度均表現(xiàn)為汛期高于非汛期，南山河則是非汛期高于汛期，這是因為南山河橫穿人口密集的云浮城區(qū)，河流污染主要以生活源污染為主[19]。新興江氨氮濃度表現(xiàn)為汛期高于非汛期，總磷濃度表現(xiàn)為非汛期高于汛期。新興江水質(zhì)污染來源較為復(fù)雜，主要以生活源污染和農(nóng)業(yè)畜禽養(yǎng)殖污染為主[20]。

3.2 土地利用時空變化特征

西江下游流域面積約1.54萬km2，主要以林地為主，占全流域面積70%以上，其次為水田坑塘、旱地、城鎮(zhèn)用地和水體。2005—2018年城鎮(zhèn)用地面積增加，占比從3.49%增長為3.96%，旱地面積占比從7.90%下降為6.71%，隨著人口增長、城鎮(zhèn)化率不斷提高，城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積不斷增加，甚至擠占部分旱地，使旱地面積減少。水田坑塘面積占比從12.75%上升為13.56%，主要是因為西江下游流域地區(qū)水產(chǎn)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，且畜禽養(yǎng)殖廢水大多通過坑塘進行消納處理。流域內(nèi)水體和林地面積占比變化不大。

由于水質(zhì)監(jiān)測斷面上游地區(qū)所有土地利用的組成和變化都對該位置的水質(zhì)有直接或間接的影響，因此本文將每個監(jiān)測斷面上游符合產(chǎn)匯流機制的所有子流域之和作為該斷面的子流域范圍[21-22]。基于2018年流域土地利用數(shù)據(jù)，各水質(zhì)監(jiān)測斷面對應(yīng)子流域土地利用均以林地為主，西江干流從上至下古封、都騎、黃崗和永安4個監(jiān)測斷面子流域城鎮(zhèn)用地、水田坑塘、旱地面積占比逐漸增大，林地和水體面積占比逐漸減少。在支流子流域中，南山河永豐橋斷面城鎮(zhèn)用地面積占比較其他支流大，羅定江南江口斷面旱地和水田坑塘面積占比相對較高(圖5)。針對11個水質(zhì)監(jiān)測斷面9種帶狀緩沖區(qū)寬度劃定的99個空間單元，基于2018年土地利用類型進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖6。隨著緩沖區(qū)寬度增大，城鎮(zhèn)用地、水田坑塘面積占比呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，林地面積占比呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，旱地、水體面積占比變化趨勢不明顯。

圖5 2018年各斷面子流域土地利用類型面積占比

圖6 2018年不同尺度緩沖區(qū)土地利用類型面積占比統(tǒng)計

3.3 水質(zhì)對土地利用響應(yīng)關(guān)系

由以上分析結(jié)果可知，河流水質(zhì)在不同水期表現(xiàn)出明顯差異，各子流域土地利用類型結(jié)構(gòu)也不盡相同。考慮到西江流域氨氮和總磷濃度存在一定上升趨勢，而COD是水污染總量控制的主要指標之一，因此將COD、氨氮和總磷作為河流水質(zhì)的代表性指標進行相關(guān)性分析。利用2017年監(jiān)測斷面水質(zhì)指標年均值、汛期和非汛期水質(zhì)與對應(yīng)流域土地利用類型結(jié)構(gòu)進行Spearman相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。從表2可見，水質(zhì)指標與城鎮(zhèn)用地、水體均呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性，其中水質(zhì)指標與城鎮(zhèn)用地呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與水體呈顯著負相關(guān)關(guān)系，其余水質(zhì)指標與林地主要呈負相關(guān)關(guān)系，與旱地呈正相關(guān)關(guān)系，COD、氨氮和總磷濃度與水田坑塘主要呈正相關(guān)關(guān)系，與水質(zhì)整體狀況呈負相關(guān)關(guān)系。城鎮(zhèn)用地代表人類活動頻繁區(qū)域，人類活動中工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)市政污水排放，均會給水體帶來一定污染負荷，非汛期水質(zhì)指標與城鎮(zhèn)用地相關(guān)性高于年均值和汛期，進一步說明城鎮(zhèn)用地主要給河流帶來點源污染。水質(zhì)指標與水體的負相關(guān)達到了顯著水平，說明水域面積對水質(zhì)具有明顯正效應(yīng)，水體有污染物自然降解作用，這個作用的強弱往往與流量、流速、水體背景水質(zhì)狀況有一定的相關(guān)性，隨著污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化，污染物得到有效降解。水質(zhì)指標與林地呈負相關(guān)關(guān)系，一方面林地的植被比較豐富，植被根系吸收和土壤截流過程可以有效減少污染物[23-24]；另一方面林地人類活動往往較弱，能達到減輕污染的效果[25-26]。水質(zhì)指標與旱地和水田坑塘主要表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，一方面農(nóng)作物在耕作過程中往往需要大量的氮肥，另一方面水田坑塘涉及畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖，未被完全利用的營養(yǎng)元素隨著降雨的沖刷與徑流一同匯入河流，給水體帶來污染。

表2 土地利用類型面積占比與水質(zhì)指標的相關(guān)系數(shù)

通過Canoco4.5進行除趨勢對應(yīng)分析，排序軸最大梯度均小于3，因此選取冗余分析法評估緩沖區(qū)土地利用類型結(jié)構(gòu)對河流水質(zhì)指標的影響。河流水質(zhì)指標與土地利用的冗余分析統(tǒng)計結(jié)果表明，100 m緩沖區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)與河流水質(zhì)指標的相關(guān)系數(shù)在第一軸上為0.869，在第二軸上為0.617，第一軸對河流水質(zhì)指標的解釋度為91.30%，累計解釋率為99.20%。隨著緩沖區(qū)尺度的增大，第一軸解釋率先增大后減小，1 500 m時達到最大96.10%。

為更直觀表示緩沖區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)對水質(zhì)指標的解釋能力，將不同尺度緩沖區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)與11個監(jiān)測斷面水質(zhì)指標冗余分析結(jié)果作圖，結(jié)果如圖7所示，圖中箭頭線的長度代表土地利用對水質(zhì)參數(shù)影響的大小，箭頭線越長代表影響越大，土地利用箭頭線方向與水質(zhì)指標箭頭線方向夾角的余弦代表兩者的相關(guān)程度。不同尺度緩沖區(qū)土地利用類型對河流水質(zhì)指標的解釋度存在差異，緩沖區(qū)寬度小于1 500 m時，城鎮(zhèn)用地、林地和水田坑塘對水質(zhì)指標解釋度較高，緩沖區(qū)寬度大于1 500 m后，城鎮(zhèn)用地、旱地和水體對水質(zhì)指標解釋度較高。所有尺度緩沖區(qū)的水質(zhì)指標都與水體和林地呈負相關(guān)關(guān)系，在3個指標中，COD與林地的負相關(guān)程度最大，緩沖區(qū)寬度達到3 000 m時，林地對水質(zhì)的影響明顯減弱。隨著緩沖區(qū)范圍增大，水體對水質(zhì)的影響逐漸增大，水體能夠緩解河流水質(zhì)惡化。水質(zhì)指標與城鎮(zhèn)用地、水田坑塘和旱地呈正相關(guān)關(guān)系，緩沖區(qū)范圍內(nèi)城鎮(zhèn)用地一直保持對水質(zhì)指標較高的解釋度，城鎮(zhèn)用地主要對河流中COD濃度影響較大，在800 m緩沖區(qū)時與氨氮、總磷濃度呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性。旱地箭頭線在100～800 m緩沖區(qū)段時，幾乎與氨氮和總磷箭頭線正交，說明在800 m寬度范圍內(nèi)水質(zhì)指標與旱地相關(guān)性不強，當(dāng)緩沖區(qū)寬度增大到1 500 m時，水質(zhì)指標與旱地相關(guān)性顯著上升，5 000 m時相關(guān)性達到最大。水田坑塘則表現(xiàn)出與旱地相反的情況，在 100～800 m緩沖區(qū)段，氨氮和總磷濃度與水田坑塘的相關(guān)性較大，當(dāng)緩沖區(qū)寬度增大到1 500 m后，水田坑塘對水質(zhì)的影響程度逐漸減弱。旱地和水田坑塘產(chǎn)生的污染物主要是隨著降雨匯入河流，對水體造成污染。西江下游流域肇慶市和云浮市均為養(yǎng)殖大市，養(yǎng)殖方式主要以在魚塘塘基上養(yǎng)殖為主，養(yǎng)殖廢水直接沖入魚塘后隨著魚塘換水排出，對周邊河流水體造成污染。建議對西江下游流域河岸800 m寬度范圍內(nèi)城鎮(zhèn)用地、水田坑塘以及1 500 m緩沖區(qū)外旱地加強污染管控。

圖7 不同尺度緩沖區(qū)土地利用類型與水質(zhì)指標冗余分析

4 結(jié) 論

a.2005—2017年西江干流水質(zhì)穩(wěn)定保持在地表水Ⅱ類，除永安斷面總磷濃度呈顯著上升趨勢外，其他斷面水質(zhì)呈整體向好趨勢。支流賀江、羅定江水質(zhì)優(yōu)良，其中賀江氨氮濃度呈顯著上升趨勢。南山河、新興江水質(zhì)惡化明顯，總磷濃度呈明顯上升趨勢。從不同時期水質(zhì)來看，西江干流總磷濃度汛期高于非汛期，賀江、新興江氨氮濃度汛期明顯高于非汛期。

b.西江下游流域主要以林地為主，2005—2018年城鎮(zhèn)用地、水田坑塘面積占比呈上升趨勢，旱地面積占比呈下降趨勢，林地、水體面積占比變化不大。從空間上來看，隨著緩沖區(qū)寬度的增大，城鎮(zhèn)用地、水田坑塘面積占比呈現(xiàn)出逐漸下降趨勢，林地面積占比呈現(xiàn)出逐漸上升趨勢，旱地、水體面積占比變化趨勢不明顯。

c.在流域尺度下，水質(zhì)指標與城鎮(zhèn)用地、水體顯著相關(guān)，水質(zhì)指標與城鎮(zhèn)用地顯著正相關(guān)，與水體顯著負相關(guān)。在河岸緩沖區(qū)尺度下，水質(zhì)指標與林地、水體負相關(guān)，水質(zhì)指標與城鎮(zhèn)用地、水田坑塘和旱地正相關(guān)。城鎮(zhèn)用地對COD解釋度較高，800 m緩沖區(qū)城鎮(zhèn)用地對氨氮和總磷解釋度最高；水質(zhì)指標與旱地相關(guān)性在緩沖區(qū)尺度達到1 500 m后顯著上升；800 m緩沖區(qū)內(nèi)水田坑塘對水質(zhì)指標影響較大。