南方山丘區(qū)水源地土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)河庫(kù)水質(zhì)的影響
——以珊溪水庫(kù)流域?yàn)槔?/h1>
2019-06-03 07:15:06陳豐禹王為木夏繼紅
水土保持通報(bào) 2019年2期
陳豐禹, 王為木,2, 劉 慧,2, 夏繼紅,2, 馬 飄
(1.河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院, 江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué) 南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210098)
水資源作為人類生存生活的基礎(chǔ)條件，在社會(huì)發(fā)展中的地位越來(lái)越重要。隨著人口增長(zhǎng)以及工、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)水源地的干擾也越來(lái)越強(qiáng)[1-2]。土地是承載人類生產(chǎn)生活活動(dòng)的重要載體，不同土地利用類型通過(guò)改變地形地貌及地表徑流特征而影響污染物的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，進(jìn)而對(duì)河流、湖庫(kù)水體帶來(lái)不同影響[3-4]。因此，土地利用結(jié)構(gòu)與流域水質(zhì)安全、生態(tài)健康之間的相關(guān)關(guān)系已成為環(huán)境、生態(tài)安全研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。有研究表明，面源污染已取代點(diǎn)源污染成為水環(huán)境惡化的主要原因[5-7]，而面源污染負(fù)荷強(qiáng)度受土地利用方式的顯著影響，因此流域土地利用結(jié)構(gòu)與區(qū)域水體水質(zhì)之間有較高的相關(guān)性[8-10]。建設(shè)用地承載了高強(qiáng)度的人類活動(dòng)，農(nóng)業(yè)用地有高量的化肥和農(nóng)藥投入，這兩類土地中的氮、磷、農(nóng)藥等污染物隨地表徑流進(jìn)入水體，對(duì)水質(zhì)起“源”的作用；林地和草地在一定程度上可以攔截、吸收部分污染物，對(duì)水質(zhì)起“匯”的作用[11-14]。通過(guò)人為調(diào)控土地利用類型，識(shí)別并重點(diǎn)整治污染物產(chǎn)生與流失的關(guān)鍵源區(qū)，可以達(dá)到控制面源污染，改善流域水質(zhì)狀況的目的[15-17]。當(dāng)前隨著人類活動(dòng)的加劇，土地利用/土地覆被的變化，加上農(nóng)業(yè)生產(chǎn)農(nóng)藥化肥的使用，使得河流水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日趨嚴(yán)重，給生態(tài)環(huán)境、人類生產(chǎn)生活均造成了較大影響。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人民對(duì)水源地水質(zhì)要求也在日益提高，因此探討水源地土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)水源地內(nèi)水庫(kù)水質(zhì)影響，具有較大應(yīng)用價(jià)值。本研究以我國(guó)東南浙江珊溪水庫(kù)流域?yàn)槔?，通過(guò)實(shí)地水質(zhì)監(jiān)測(cè)，結(jié)合GIS空間分析方法，劃定不同子流域。分析流域內(nèi)不同土地利用方式對(duì)水庫(kù)水質(zhì)影響，并探討流域不同空間位置上土地利用類型對(duì)水庫(kù)水質(zhì)影響差異，其研究成果可為水源地水庫(kù)流域土地利用與水質(zhì)保護(hù)關(guān)系提供參考依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
珊溪水庫(kù)位于浙江省南部溫州境內(nèi)飛云江干流中游(119°36′54″—120°04′37″E，27°26′38″—27°58′37″N)，距溫州市區(qū)117 km，距文成縣城28 km。水庫(kù)流域面積1 545.85 km2，北及西北面以洞宮山脈之支脈與甌江小溪流域?yàn)榻?，西面以仙霞嶺與福建交溪交界，南面以雁蕩山與敖江分界，主流發(fā)源于泰順縣與景寧縣交界處的白云尖。珊溪水庫(kù)流域位于新華夏系構(gòu)造一級(jí)隆起帶上，屬山地河流地貌，河谷形態(tài)為寬谷。地勢(shì)西高東低，上中游為中低山區(qū)，下游為低山丘陵及河谷平原。庫(kù)區(qū)屬江南丘陵山地紅壤區(qū)，土壤主要是紅壤、黃壤、紫色土、粗骨土、潮土和水稻土。庫(kù)區(qū)氣候濕潤(rùn)，年平均氣溫19.6 ℃，年平均降水量為1 876.9 mm，降水年內(nèi)分配不均勻，其中4—9月雨量占全年的74.7%。珊溪水庫(kù)正常蓄水位142 m，總庫(kù)容1.84×109m3，是溫州市城市供水的主要水源，同時(shí)兼具灌溉、發(fā)電和防洪等功能。
1.2 研究方法
1.2.1 水樣采集和分析 在研究區(qū)河庫(kù)上共布設(shè)23個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，其中18，19，20，21，22，23號(hào)屬于入庫(kù)河流與庫(kù)區(qū)交界斷面，水樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)代表該河流各污染物平均入庫(kù)濃度；其余斷面位于珊溪水庫(kù)庫(kù)區(qū)。研究區(qū)子流域的劃分及監(jiān)測(cè)斷面的布置如圖1所示。每個(gè)斷面布設(shè)左岸、右岸、岸中3個(gè)采集點(diǎn)，利用水質(zhì)分析儀(Hydrolab DS5X)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定溶解氧(DO)，利用5 L有機(jī)玻璃采水器采集水面下0.5 m處水樣，裝入500 ml潔凈聚乙烯瓶，調(diào)節(jié)pH<2并放于加冰保溫箱中，速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，在48 h內(nèi)完成指標(biāo)測(cè)定?？偟?TN)采用堿性過(guò)硫酸鉀消解—紫外分光光度法，總磷(TP)采用酸性過(guò)硫酸鉀消解—鉬酸銨分光光度法，高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)采用酸性高錳酸鉀氧化法。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。
圖1 珊溪水庫(kù)子流域劃分及采樣斷面分布
1.2.2 土地利用結(jié)構(gòu)及坡度提取 利用2016年Landsat TM衛(wèi)星遙感影像圖結(jié)合ENVI4.8遙感軟平臺(tái)，基于最大似然法監(jiān)督分類提取地物信息。在滿足分類精度條件下，利用實(shí)地調(diào)查結(jié)果進(jìn)行人機(jī)交互解譯。根據(jù)研究目標(biāo)、遙感影像圖精度等，結(jié)合《土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T21010-2017)》的規(guī)定，將研究區(qū)土地利用類型分為林草地、耕地、園地、建設(shè)用地、水域和未利用地6類。本研究在ArcGIS 10.5軟件的Hydrology模塊下提取河網(wǎng)水系，將水庫(kù)集水區(qū)劃分為8個(gè)子流域，分別為：洪口溪流域、莒江溪流域、三插溪流域、峃作口溪流域、黃坦坑流域、珊溪流域上游、珊溪流域中游、珊溪流域下游。利用Spatial Analyst模塊進(jìn)行坡度提取并重分類，得到0°～15°，15°～25°，>25°三種坡度等級(jí)，統(tǒng)計(jì)每種坡度等級(jí)的土地類型及面積。
1.2.3 土地利用類型與水質(zhì)相關(guān)性分析 計(jì)算各個(gè)子流域不同土地利用類型面積所占此流域面積的百分比，利用SPSS19.0軟件計(jì)算TN，TP，CODMn，DO與不同坡度各類土地利用類型比例間的Spearman相關(guān)系數(shù)，以分析不同坡度下土地利用類型對(duì)水質(zhì)狀況的影響。
2 結(jié)果與分析
2.1 土地利用結(jié)構(gòu)分析
珊溪水庫(kù)流域子流域土地利用類型比例如圖2所示。全流域范圍內(nèi)，林草地面積1 090.69 km2，比例最大，為70.56%；耕地面積170.79 km2，比例為11.05%，僅次于林草地；其它4類型土地比例總和僅為18.39%。各子流域中，洪口溪、三插溪、峃作口溪流域林草地面積比例均超過(guò)70%，黃坦坑流域林草地面積比例最小，僅為50.51%。在珊溪流域上、中、下子流域中，林草地面積比例順序?yàn)椋荷嫌?中游>下游。泰順縣城位于洪口溪流域內(nèi)；黃坦坑流域面積較小，且黃坦鎮(zhèn)位于其中；莒江溪流域沿河岸一帶居民人口較多，因此洪口溪、黃坦坑及莒江溪流域建設(shè)用地比例均超過(guò)5%。
圖2 珊溪水庫(kù)子流域土地利用類型比例
2.2 不同流域坡度分析
對(duì)各子流域3種坡度類型和不同土地利用類型進(jìn)行疊加分析，結(jié)果詳見(jiàn)表1。三插溪流域中，坡度>25°的土地比例為38.8%，多為林草地；洪口溪流域、黃坦坑流域、莒江溪流域及珊溪流域上、中、下游坡度>25°的土地比例都低于25%；黃坦坑流域坡度>25°的土地比例僅為6.97%，而坡度<15°的土地比例高達(dá)62.8%，其中耕地、建設(shè)用地及園地比例總和為46.8%。分析以上結(jié)果可知，珊溪水庫(kù)流域各子流域的土地利用類型受坡度影響顯著。林草地多分布于坡度較陡(>15°)地區(qū)，耕地與建設(shè)用地主要分布在坡度相對(duì)較低(<15°)的地區(qū)。
表1 珊溪水庫(kù)子流域不同坡度下土地利用類型比例 %
注：θ(1)坡度為<15°；θ(2)坡度為15°～25°；θ(3)坡度為>25°。下同。
2.3 珊溪水庫(kù)流域水質(zhì)時(shí)空分布特征
2.3.1 時(shí)間變化特征 珊溪水庫(kù)流域水體重要水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征如表2所示。CODMn濃度變化范圍在1.08～6.98 mg/L之間。豐水期濃度明顯高于枯水期，豐水期CODMn平均濃度5.86 mg/L，優(yōu)于國(guó)家地表水Ⅲ類水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，枯水期為1.98 mg/L，優(yōu)于Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)。TN濃度變化范圍在0.22～1.08 mg/L之間。豐水期平均濃度為0.68 mg/L，優(yōu)于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，枯水期為0.34 mg/L，優(yōu)于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。TP濃度變化范圍在0.004～0.032 mg/L之間，豐水期平均濃度為0.016 mg/L，枯水期為0.014 mg/L，均優(yōu)于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。DO濃度在6.34～8.98 mg/L之間，豐水期平均值為7.54 mg/L，枯水期為7.96 mg/L，均優(yōu)于Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)。由上述結(jié)果可知，珊溪水庫(kù)流域水體枯水期水質(zhì)優(yōu)于豐水期，其中CODMn和TN表現(xiàn)更為顯著。
表2 不同水情期珊溪水庫(kù)流域水體重要水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征
2.3.2 空間分布特征 珊溪水庫(kù)流域河庫(kù)水質(zhì)存在顯著的空間異質(zhì)性(圖3)。CODMn濃度在13號(hào)斷面較高，其中豐水期高于Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，枯水期低于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，可能與此斷面靠近百丈鎮(zhèn)，人類活動(dòng)頻繁有關(guān)。豐水期TN濃度在黃坦坑溪入庫(kù)的18號(hào)斷面最高，大于Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，枯水期在三插溪入庫(kù)的22號(hào)斷面最高，但仍小于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)研得知，黃坦坑流域在庫(kù)區(qū)實(shí)行移民之前，有大量的畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)，至今仍有部分放養(yǎng)畜禽。22號(hào)斷面靠近司前畬族鎮(zhèn)，人為影響較為嚴(yán)重。TP含量空間分布與TN相似，均表現(xiàn)為豐水期18號(hào)斷面最高、枯水期22號(hào)斷面最高的特征，兩者均高于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。DO在靠近大壩的1，2號(hào)斷面處數(shù)值最低，高于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，可能與水體流動(dòng)性差、有機(jī)物增多、浮游生物大量繁殖有關(guān)。
圖3 珊溪水庫(kù)流域水體重要水質(zhì)指標(biāo)空間分布特征
2.4 河庫(kù)水質(zhì)與土地利用結(jié)構(gòu)的相關(guān)性
珊溪水庫(kù)流域河庫(kù)各水質(zhì)指標(biāo)與土地利用類型相關(guān)系數(shù)詳見(jiàn)表3。由表3可以看出，在子流域尺度下，林草地面積比例與TN，TP，CODMn污染物濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與DO濃度呈正相關(guān)關(guān)系；耕地、園地、未利用地、建設(shè)用地比例與TN，TP，CODMn污染物濃度呈正相關(guān)關(guān)系，與DO濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。上述關(guān)系表明，各種土地利用類型中，林草地對(duì)水質(zhì)有正面影響，而耕地、園地、建設(shè)用地、未利用地呈負(fù)面影響。不同土地利用方式一般從兩方面對(duì)水質(zhì)造成影響。一方面土地利用類型的改變必然造成污染源類型及強(qiáng)度的改變，例如退耕還林可以減少水土流失，從而對(duì)水質(zhì)提升有積極的作用。但無(wú)保護(hù)性開(kāi)墾農(nóng)田，建造房屋、工廠等卻提高水體污染的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面不同土地利用類型通過(guò)改變地表形態(tài)，影響污染物運(yùn)移過(guò)程，從而使得氮磷元素、有機(jī)物等在流失過(guò)程中降解、吸收方式發(fā)生變化，導(dǎo)致最終入河量相應(yīng)的增加或減少[18]。林草地比例與TN，TP，CODMn濃度呈負(fù)顯著相關(guān)，與DO呈顯著正相關(guān)，表明林地比例越大，水體水質(zhì)越好。豐水期相關(guān)性強(qiáng)于枯水期，且在坡度較高的地區(qū)(15°～25°，>25°)尤為明顯。一方面這與子流域范圍內(nèi)林草地多分布于中高坡度地區(qū)的情況相符，另一方面也說(shuō)明在夏季植物生長(zhǎng)茂盛，對(duì)含有氮磷、有機(jī)污染物的地表徑流有較強(qiáng)的攔截作用，林下植物、土壤可以減少雨水沖刷后帶入水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽，減少其入河負(fù)荷量，對(duì)水質(zhì)提升有積極的正效應(yīng)。珊溪水庫(kù)流域林地表面多有深厚的枯落層，疏松的土壤結(jié)構(gòu)有利于地表水下滲，并促進(jìn)溶解性氮素隨水滲透到更深層土壤，降低地表徑流對(duì)可溶性氮的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。歐陽(yáng)等[19]分析了密云水庫(kù)上游流域，認(rèn)為流域尺度內(nèi)樹(shù)林及林下植物在豐水期生長(zhǎng)旺盛，對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽吸收量較大，也對(duì)強(qiáng)地表徑流的攔截能力有所增加，因此豐水期與水質(zhì)的相關(guān)性更強(qiáng)。森林、林下植被和草地對(duì)氮、磷等養(yǎng)分和鹽分具有較強(qiáng)的吸收和過(guò)濾功能，可降低匯入河流的污染物質(zhì)量濃度[20]。
耕地與TN，TP兩種污染物的相關(guān)性在不同水期存在一定差異。 ①豐水期。TN與15°～25°坡度的耕地比例呈顯著正相關(guān)； ②枯水期，TN，TP與坡度>25°的耕地比例呈顯著正相關(guān)。這說(shuō)明豐水期位于中等坡度的耕地是水體中氮磷的主要來(lái)源，而枯水期坡度>25°的耕地是水體中氮磷元素的重要來(lái)源。豐水期流域內(nèi)降雨豐富，地表徑流作用強(qiáng)，坡度大的耕地更易發(fā)生水土流失；枯水期雨量少，只有在>25°陡坡上的耕地才能產(chǎn)生較明顯的地表侵蝕。因此，加強(qiáng)>15°中高坡度帶耕地的保護(hù)，采取適合丘陵山區(qū)地形的水保措施是降低水體氮磷負(fù)荷量，提高區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的有效途徑。任坤等[21]對(duì)珊溪水庫(kù)的研究也得到相似結(jié)果。低坡度(<15°)的建設(shè)用地與TP在枯水期呈顯著正相關(guān)，主要原因可能是居民排放的污水中有大量有機(jī)磷，進(jìn)入河道后因?yàn)楹恿髁鲃?dòng)性差，污染物擴(kuò)散分解速度慢導(dǎo)致，這與22，13兩個(gè)城鎮(zhèn)點(diǎn)附近水體斷面冬季TP含量較高的監(jiān)測(cè)結(jié)果相吻合，其它各水質(zhì)指標(biāo)與建設(shè)用地比例的相關(guān)性不強(qiáng)，這可能與流域范圍內(nèi)建設(shè)用地面積較小，村落分布較為分散有關(guān)。范志平等[22]認(rèn)為居民生活污水中含有大量有機(jī)磷，排入河道后導(dǎo)致水體總磷含量較高。王鵬等[23]認(rèn)為城鎮(zhèn)多為不透水地面，污水通過(guò)排水管網(wǎng)直接進(jìn)入河道，成為N，P元素的重要來(lái)源。
表3 珊溪水庫(kù)流域土地利用結(jié)構(gòu)與水體水質(zhì)相關(guān)性
注：**在0.01水平(雙側(cè))顯著相關(guān)；*在0.05水平(雙側(cè))顯著相關(guān)；“整”為不分坡度。
珊溪水庫(kù)流域位于浙南低山丘陵區(qū)域，季節(jié)變化導(dǎo)致水質(zhì)的變異也尤為重要。不同土地利用類型對(duì)污染物運(yùn)移的影響差別巨大。耕地中氮素易在強(qiáng)降雨情況下流失，在沒(méi)有林地草地?cái)r截營(yíng)養(yǎng)鹽的情況下，河流自凈作用不足以消解此部分氮素，極易造成水體中TN升高，而這種現(xiàn)象多發(fā)生在夏季豐水期。與本研究相反，黃金良等[24]對(duì)九龍江流域的研究表明，耕地并不是一個(gè)預(yù)測(cè)水質(zhì)下降的主導(dǎo)因子，這可能與研究區(qū)耕地比例不高，沿岸帶林地減輕了水土流失，從而降低污染物入河量有關(guān)。水體、園地及未利用地未表現(xiàn)出與水質(zhì)的顯著相關(guān)性，這可能與這3種用地類型面積比例低，空間分布不均相關(guān)。陸君等[25]對(duì)安徽黃山太平湖流域研究得出污染物的濃度與園地比例相關(guān)性不強(qiáng)的結(jié)論。園地主要分布在坡度較高的區(qū)域，遠(yuǎn)離沿河流域，因此盡管種植過(guò)程中伴隨農(nóng)藥化肥污染，但由于其面積比例與林草地相比十分微弱，對(duì)河流水質(zhì)的影響程度不明顯。地形因子在低山丘陵地帶對(duì)水質(zhì)有重要影響，坡度是影響地表徑流和土壤侵蝕的重要因素，從土地利用對(duì)水質(zhì)影響角度來(lái)分析，坡度大的地區(qū)匯流速度快，地表沖刷性更強(qiáng)，攜帶更多地表營(yíng)養(yǎng)鹽輸入水體，使得中高坡度帶(>15°)耕地對(duì)對(duì)水質(zhì)的負(fù)效應(yīng)尤為突出。與本研究結(jié)果相似，張殷俊等[26]在對(duì)巢湖流域研究后，得出在山區(qū)各類用地對(duì)水質(zhì)的負(fù)面效應(yīng)更明顯的相近結(jié)論。雖然山區(qū)河流流速快，自凈能力強(qiáng)，水質(zhì)一般好于平原地區(qū)。但從土地利用對(duì)水質(zhì)影響來(lái)分析，坡度大的山區(qū)匯流速度快，形成的地表徑流對(duì)地表沖刷更強(qiáng)烈。因而更多地將地表營(yíng)養(yǎng)鹽輸入河流，使得土地利用對(duì)河流水質(zhì)的負(fù)效應(yīng)更突出。
3 結(jié) 論
(1) 珊溪水庫(kù)流域內(nèi)林草地占流域總面積比例最高，其次是耕地，兩者比例總和超過(guò)80%。林地多分布于中高坡度帶地區(qū)，耕地多分布于中低坡度帶。水質(zhì)空間分布具有較大差異性，CODMn在上游部分較差，TN，TP在黃坦坑流域以及三插溪流域水體中較差。
(2) 豐水期河庫(kù)水質(zhì)與土地利用結(jié)構(gòu)的相關(guān)性較枯水期更明顯。TN，TP與林草地比例呈顯著負(fù)相關(guān)、與耕地比例成顯著正相關(guān)。豐水期耕地是氮磷元素的主要輸出源，而林草地則在一定程度下削減了氮磷元素的入河量。
(3) 不同坡度下河庫(kù)水質(zhì)與土地利用類型的相關(guān)性存在顯著差異。低坡度帶(<15°)CODMn與耕地比例呈顯著正相關(guān)；中坡度帶(15°～25°)TN，TP，DO與林草地、耕地比例呈顯著負(fù)相關(guān)；高坡度帶(>25°)TN，TP與耕地比例有顯著正相關(guān)。
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陳豐禹, 王為木,2, 劉 慧,2, 夏繼紅,2, 馬 飄
(1.河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院, 江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué) 南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210098)
水資源作為人類生存生活的基礎(chǔ)條件，在社會(huì)發(fā)展中的地位越來(lái)越重要。隨著人口增長(zhǎng)以及工、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)水源地的干擾也越來(lái)越強(qiáng)[1-2]。土地是承載人類生產(chǎn)生活活動(dòng)的重要載體，不同土地利用類型通過(guò)改變地形地貌及地表徑流特征而影響污染物的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，進(jìn)而對(duì)河流、湖庫(kù)水體帶來(lái)不同影響[3-4]。因此，土地利用結(jié)構(gòu)與流域水質(zhì)安全、生態(tài)健康之間的相關(guān)關(guān)系已成為環(huán)境、生態(tài)安全研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。有研究表明，面源污染已取代點(diǎn)源污染成為水環(huán)境惡化的主要原因[5-7]，而面源污染負(fù)荷強(qiáng)度受土地利用方式的顯著影響，因此流域土地利用結(jié)構(gòu)與區(qū)域水體水質(zhì)之間有較高的相關(guān)性[8-10]。建設(shè)用地承載了高強(qiáng)度的人類活動(dòng)，農(nóng)業(yè)用地有高量的化肥和農(nóng)藥投入，這兩類土地中的氮、磷、農(nóng)藥等污染物隨地表徑流進(jìn)入水體，對(duì)水質(zhì)起“源”的作用；林地和草地在一定程度上可以攔截、吸收部分污染物，對(duì)水質(zhì)起“匯”的作用[11-14]。通過(guò)人為調(diào)控土地利用類型，識(shí)別并重點(diǎn)整治污染物產(chǎn)生與流失的關(guān)鍵源區(qū)，可以達(dá)到控制面源污染，改善流域水質(zhì)狀況的目的[15-17]。當(dāng)前隨著人類活動(dòng)的加劇，土地利用/土地覆被的變化，加上農(nóng)業(yè)生產(chǎn)農(nóng)藥化肥的使用，使得河流水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日趨嚴(yán)重，給生態(tài)環(huán)境、人類生產(chǎn)生活均造成了較大影響。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人民對(duì)水源地水質(zhì)要求也在日益提高，因此探討水源地土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)水源地內(nèi)水庫(kù)水質(zhì)影響，具有較大應(yīng)用價(jià)值。本研究以我國(guó)東南浙江珊溪水庫(kù)流域?yàn)槔?，通過(guò)實(shí)地水質(zhì)監(jiān)測(cè)，結(jié)合GIS空間分析方法，劃定不同子流域。分析流域內(nèi)不同土地利用方式對(duì)水庫(kù)水質(zhì)影響，并探討流域不同空間位置上土地利用類型對(duì)水庫(kù)水質(zhì)影響差異，其研究成果可為水源地水庫(kù)流域土地利用與水質(zhì)保護(hù)關(guān)系提供參考依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
珊溪水庫(kù)位于浙江省南部溫州境內(nèi)飛云江干流中游(119°36′54″—120°04′37″E，27°26′38″—27°58′37″N)，距溫州市區(qū)117 km，距文成縣城28 km。水庫(kù)流域面積1 545.85 km2，北及西北面以洞宮山脈之支脈與甌江小溪流域?yàn)榻?，西面以仙霞嶺與福建交溪交界，南面以雁蕩山與敖江分界，主流發(fā)源于泰順縣與景寧縣交界處的白云尖。珊溪水庫(kù)流域位于新華夏系構(gòu)造一級(jí)隆起帶上，屬山地河流地貌，河谷形態(tài)為寬谷。地勢(shì)西高東低，上中游為中低山區(qū)，下游為低山丘陵及河谷平原。庫(kù)區(qū)屬江南丘陵山地紅壤區(qū)，土壤主要是紅壤、黃壤、紫色土、粗骨土、潮土和水稻土。庫(kù)區(qū)氣候濕潤(rùn)，年平均氣溫19.6 ℃，年平均降水量為1 876.9 mm，降水年內(nèi)分配不均勻，其中4—9月雨量占全年的74.7%。珊溪水庫(kù)正常蓄水位142 m，總庫(kù)容1.84×109m3，是溫州市城市供水的主要水源，同時(shí)兼具灌溉、發(fā)電和防洪等功能。
1.2 研究方法
1.2.1 水樣采集和分析 在研究區(qū)河庫(kù)上共布設(shè)23個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，其中18，19，20，21，22，23號(hào)屬于入庫(kù)河流與庫(kù)區(qū)交界斷面，水樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)代表該河流各污染物平均入庫(kù)濃度；其余斷面位于珊溪水庫(kù)庫(kù)區(qū)。研究區(qū)子流域的劃分及監(jiān)測(cè)斷面的布置如圖1所示。每個(gè)斷面布設(shè)左岸、右岸、岸中3個(gè)采集點(diǎn)，利用水質(zhì)分析儀(Hydrolab DS5X)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定溶解氧(DO)，利用5 L有機(jī)玻璃采水器采集水面下0.5 m處水樣，裝入500 ml潔凈聚乙烯瓶，調(diào)節(jié)pH<2并放于加冰保溫箱中，速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，在48 h內(nèi)完成指標(biāo)測(cè)定?？偟?TN)采用堿性過(guò)硫酸鉀消解—紫外分光光度法，總磷(TP)采用酸性過(guò)硫酸鉀消解—鉬酸銨分光光度法，高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)采用酸性高錳酸鉀氧化法。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。
圖1 珊溪水庫(kù)子流域劃分及采樣斷面分布
1.2.2 土地利用結(jié)構(gòu)及坡度提取 利用2016年Landsat TM衛(wèi)星遙感影像圖結(jié)合ENVI4.8遙感軟平臺(tái)，基于最大似然法監(jiān)督分類提取地物信息。在滿足分類精度條件下，利用實(shí)地調(diào)查結(jié)果進(jìn)行人機(jī)交互解譯。根據(jù)研究目標(biāo)、遙感影像圖精度等，結(jié)合《土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T21010-2017)》的規(guī)定，將研究區(qū)土地利用類型分為林草地、耕地、園地、建設(shè)用地、水域和未利用地6類。本研究在ArcGIS 10.5軟件的Hydrology模塊下提取河網(wǎng)水系，將水庫(kù)集水區(qū)劃分為8個(gè)子流域，分別為：洪口溪流域、莒江溪流域、三插溪流域、峃作口溪流域、黃坦坑流域、珊溪流域上游、珊溪流域中游、珊溪流域下游。利用Spatial Analyst模塊進(jìn)行坡度提取并重分類，得到0°～15°，15°～25°，>25°三種坡度等級(jí)，統(tǒng)計(jì)每種坡度等級(jí)的土地類型及面積。
1.2.3 土地利用類型與水質(zhì)相關(guān)性分析 計(jì)算各個(gè)子流域不同土地利用類型面積所占此流域面積的百分比，利用SPSS19.0軟件計(jì)算TN，TP，CODMn，DO與不同坡度各類土地利用類型比例間的Spearman相關(guān)系數(shù)，以分析不同坡度下土地利用類型對(duì)水質(zhì)狀況的影響。
2 結(jié)果與分析
2.1 土地利用結(jié)構(gòu)分析
珊溪水庫(kù)流域子流域土地利用類型比例如圖2所示。全流域范圍內(nèi)，林草地面積1 090.69 km2，比例最大，為70.56%；耕地面積170.79 km2，比例為11.05%，僅次于林草地；其它4類型土地比例總和僅為18.39%。各子流域中，洪口溪、三插溪、峃作口溪流域林草地面積比例均超過(guò)70%，黃坦坑流域林草地面積比例最小，僅為50.51%。在珊溪流域上、中、下子流域中，林草地面積比例順序?yàn)椋荷嫌?中游>下游。泰順縣城位于洪口溪流域內(nèi)；黃坦坑流域面積較小，且黃坦鎮(zhèn)位于其中；莒江溪流域沿河岸一帶居民人口較多，因此洪口溪、黃坦坑及莒江溪流域建設(shè)用地比例均超過(guò)5%。
圖2 珊溪水庫(kù)子流域土地利用類型比例
2.2 不同流域坡度分析
對(duì)各子流域3種坡度類型和不同土地利用類型進(jìn)行疊加分析，結(jié)果詳見(jiàn)表1。三插溪流域中，坡度>25°的土地比例為38.8%，多為林草地；洪口溪流域、黃坦坑流域、莒江溪流域及珊溪流域上、中、下游坡度>25°的土地比例都低于25%；黃坦坑流域坡度>25°的土地比例僅為6.97%，而坡度<15°的土地比例高達(dá)62.8%，其中耕地、建設(shè)用地及園地比例總和為46.8%。分析以上結(jié)果可知，珊溪水庫(kù)流域各子流域的土地利用類型受坡度影響顯著。林草地多分布于坡度較陡(>15°)地區(qū)，耕地與建設(shè)用地主要分布在坡度相對(duì)較低(<15°)的地區(qū)。
表1 珊溪水庫(kù)子流域不同坡度下土地利用類型比例 %
注：θ(1)坡度為<15°；θ(2)坡度為15°～25°；θ(3)坡度為>25°。下同。
2.3 珊溪水庫(kù)流域水質(zhì)時(shí)空分布特征
2.3.1 時(shí)間變化特征 珊溪水庫(kù)流域水體重要水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征如表2所示。CODMn濃度變化范圍在1.08～6.98 mg/L之間。豐水期濃度明顯高于枯水期，豐水期CODMn平均濃度5.86 mg/L，優(yōu)于國(guó)家地表水Ⅲ類水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，枯水期為1.98 mg/L，優(yōu)于Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)。TN濃度變化范圍在0.22～1.08 mg/L之間。豐水期平均濃度為0.68 mg/L，優(yōu)于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，枯水期為0.34 mg/L，優(yōu)于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。TP濃度變化范圍在0.004～0.032 mg/L之間，豐水期平均濃度為0.016 mg/L，枯水期為0.014 mg/L，均優(yōu)于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。DO濃度在6.34～8.98 mg/L之間，豐水期平均值為7.54 mg/L，枯水期為7.96 mg/L，均優(yōu)于Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)。由上述結(jié)果可知，珊溪水庫(kù)流域水體枯水期水質(zhì)優(yōu)于豐水期，其中CODMn和TN表現(xiàn)更為顯著。
表2 不同水情期珊溪水庫(kù)流域水體重要水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征
2.3.2 空間分布特征 珊溪水庫(kù)流域河庫(kù)水質(zhì)存在顯著的空間異質(zhì)性(圖3)。CODMn濃度在13號(hào)斷面較高，其中豐水期高于Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，枯水期低于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，可能與此斷面靠近百丈鎮(zhèn)，人類活動(dòng)頻繁有關(guān)。豐水期TN濃度在黃坦坑溪入庫(kù)的18號(hào)斷面最高，大于Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，枯水期在三插溪入庫(kù)的22號(hào)斷面最高，但仍小于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)研得知，黃坦坑流域在庫(kù)區(qū)實(shí)行移民之前，有大量的畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)，至今仍有部分放養(yǎng)畜禽。22號(hào)斷面靠近司前畬族鎮(zhèn)，人為影響較為嚴(yán)重。TP含量空間分布與TN相似，均表現(xiàn)為豐水期18號(hào)斷面最高、枯水期22號(hào)斷面最高的特征，兩者均高于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。DO在靠近大壩的1，2號(hào)斷面處數(shù)值最低，高于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，可能與水體流動(dòng)性差、有機(jī)物增多、浮游生物大量繁殖有關(guān)。
圖3 珊溪水庫(kù)流域水體重要水質(zhì)指標(biāo)空間分布特征
2.4 河庫(kù)水質(zhì)與土地利用結(jié)構(gòu)的相關(guān)性
珊溪水庫(kù)流域河庫(kù)各水質(zhì)指標(biāo)與土地利用類型相關(guān)系數(shù)詳見(jiàn)表3。由表3可以看出，在子流域尺度下，林草地面積比例與TN，TP，CODMn污染物濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與DO濃度呈正相關(guān)關(guān)系；耕地、園地、未利用地、建設(shè)用地比例與TN，TP，CODMn污染物濃度呈正相關(guān)關(guān)系，與DO濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。上述關(guān)系表明，各種土地利用類型中，林草地對(duì)水質(zhì)有正面影響，而耕地、園地、建設(shè)用地、未利用地呈負(fù)面影響。不同土地利用方式一般從兩方面對(duì)水質(zhì)造成影響。一方面土地利用類型的改變必然造成污染源類型及強(qiáng)度的改變，例如退耕還林可以減少水土流失，從而對(duì)水質(zhì)提升有積極的作用。但無(wú)保護(hù)性開(kāi)墾農(nóng)田，建造房屋、工廠等卻提高水體污染的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面不同土地利用類型通過(guò)改變地表形態(tài)，影響污染物運(yùn)移過(guò)程，從而使得氮磷元素、有機(jī)物等在流失過(guò)程中降解、吸收方式發(fā)生變化，導(dǎo)致最終入河量相應(yīng)的增加或減少[18]。林草地比例與TN，TP，CODMn濃度呈負(fù)顯著相關(guān)，與DO呈顯著正相關(guān)，表明林地比例越大，水體水質(zhì)越好。豐水期相關(guān)性強(qiáng)于枯水期，且在坡度較高的地區(qū)(15°～25°，>25°)尤為明顯。一方面這與子流域范圍內(nèi)林草地多分布于中高坡度地區(qū)的情況相符，另一方面也說(shuō)明在夏季植物生長(zhǎng)茂盛，對(duì)含有氮磷、有機(jī)污染物的地表徑流有較強(qiáng)的攔截作用，林下植物、土壤可以減少雨水沖刷后帶入水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽，減少其入河負(fù)荷量，對(duì)水質(zhì)提升有積極的正效應(yīng)。珊溪水庫(kù)流域林地表面多有深厚的枯落層，疏松的土壤結(jié)構(gòu)有利于地表水下滲，并促進(jìn)溶解性氮素隨水滲透到更深層土壤，降低地表徑流對(duì)可溶性氮的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。歐陽(yáng)等[19]分析了密云水庫(kù)上游流域，認(rèn)為流域尺度內(nèi)樹(shù)林及林下植物在豐水期生長(zhǎng)旺盛，對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽吸收量較大，也對(duì)強(qiáng)地表徑流的攔截能力有所增加，因此豐水期與水質(zhì)的相關(guān)性更強(qiáng)。森林、林下植被和草地對(duì)氮、磷等養(yǎng)分和鹽分具有較強(qiáng)的吸收和過(guò)濾功能，可降低匯入河流的污染物質(zhì)量濃度[20]。
耕地與TN，TP兩種污染物的相關(guān)性在不同水期存在一定差異。 ①豐水期。TN與15°～25°坡度的耕地比例呈顯著正相關(guān)； ②枯水期，TN，TP與坡度>25°的耕地比例呈顯著正相關(guān)。這說(shuō)明豐水期位于中等坡度的耕地是水體中氮磷的主要來(lái)源，而枯水期坡度>25°的耕地是水體中氮磷元素的重要來(lái)源。豐水期流域內(nèi)降雨豐富，地表徑流作用強(qiáng)，坡度大的耕地更易發(fā)生水土流失；枯水期雨量少，只有在>25°陡坡上的耕地才能產(chǎn)生較明顯的地表侵蝕。因此，加強(qiáng)>15°中高坡度帶耕地的保護(hù)，采取適合丘陵山區(qū)地形的水保措施是降低水體氮磷負(fù)荷量，提高區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的有效途徑。任坤等[21]對(duì)珊溪水庫(kù)的研究也得到相似結(jié)果。低坡度(<15°)的建設(shè)用地與TP在枯水期呈顯著正相關(guān)，主要原因可能是居民排放的污水中有大量有機(jī)磷，進(jìn)入河道后因?yàn)楹恿髁鲃?dòng)性差，污染物擴(kuò)散分解速度慢導(dǎo)致，這與22，13兩個(gè)城鎮(zhèn)點(diǎn)附近水體斷面冬季TP含量較高的監(jiān)測(cè)結(jié)果相吻合，其它各水質(zhì)指標(biāo)與建設(shè)用地比例的相關(guān)性不強(qiáng)，這可能與流域范圍內(nèi)建設(shè)用地面積較小，村落分布較為分散有關(guān)。范志平等[22]認(rèn)為居民生活污水中含有大量有機(jī)磷，排入河道后導(dǎo)致水體總磷含量較高。王鵬等[23]認(rèn)為城鎮(zhèn)多為不透水地面，污水通過(guò)排水管網(wǎng)直接進(jìn)入河道，成為N，P元素的重要來(lái)源。
表3 珊溪水庫(kù)流域土地利用結(jié)構(gòu)與水體水質(zhì)相關(guān)性
注：**在0.01水平(雙側(cè))顯著相關(guān)；*在0.05水平(雙側(cè))顯著相關(guān)；“整”為不分坡度。
珊溪水庫(kù)流域位于浙南低山丘陵區(qū)域，季節(jié)變化導(dǎo)致水質(zhì)的變異也尤為重要。不同土地利用類型對(duì)污染物運(yùn)移的影響差別巨大。耕地中氮素易在強(qiáng)降雨情況下流失，在沒(méi)有林地草地?cái)r截營(yíng)養(yǎng)鹽的情況下，河流自凈作用不足以消解此部分氮素，極易造成水體中TN升高，而這種現(xiàn)象多發(fā)生在夏季豐水期。與本研究相反，黃金良等[24]對(duì)九龍江流域的研究表明，耕地并不是一個(gè)預(yù)測(cè)水質(zhì)下降的主導(dǎo)因子，這可能與研究區(qū)耕地比例不高，沿岸帶林地減輕了水土流失，從而降低污染物入河量有關(guān)。水體、園地及未利用地未表現(xiàn)出與水質(zhì)的顯著相關(guān)性，這可能與這3種用地類型面積比例低，空間分布不均相關(guān)。陸君等[25]對(duì)安徽黃山太平湖流域研究得出污染物的濃度與園地比例相關(guān)性不強(qiáng)的結(jié)論。園地主要分布在坡度較高的區(qū)域，遠(yuǎn)離沿河流域，因此盡管種植過(guò)程中伴隨農(nóng)藥化肥污染，但由于其面積比例與林草地相比十分微弱，對(duì)河流水質(zhì)的影響程度不明顯。地形因子在低山丘陵地帶對(duì)水質(zhì)有重要影響，坡度是影響地表徑流和土壤侵蝕的重要因素，從土地利用對(duì)水質(zhì)影響角度來(lái)分析，坡度大的地區(qū)匯流速度快，地表沖刷性更強(qiáng)，攜帶更多地表營(yíng)養(yǎng)鹽輸入水體，使得中高坡度帶(>15°)耕地對(duì)對(duì)水質(zhì)的負(fù)效應(yīng)尤為突出。與本研究結(jié)果相似，張殷俊等[26]在對(duì)巢湖流域研究后，得出在山區(qū)各類用地對(duì)水質(zhì)的負(fù)面效應(yīng)更明顯的相近結(jié)論。雖然山區(qū)河流流速快，自凈能力強(qiáng)，水質(zhì)一般好于平原地區(qū)。但從土地利用對(duì)水質(zhì)影響來(lái)分析，坡度大的山區(qū)匯流速度快，形成的地表徑流對(duì)地表沖刷更強(qiáng)烈。因而更多地將地表營(yíng)養(yǎng)鹽輸入河流，使得土地利用對(duì)河流水質(zhì)的負(fù)效應(yīng)更突出。
3 結(jié) 論
(1) 珊溪水庫(kù)流域內(nèi)林草地占流域總面積比例最高，其次是耕地，兩者比例總和超過(guò)80%。林地多分布于中高坡度帶地區(qū)，耕地多分布于中低坡度帶。水質(zhì)空間分布具有較大差異性，CODMn在上游部分較差，TN，TP在黃坦坑流域以及三插溪流域水體中較差。
(2) 豐水期河庫(kù)水質(zhì)與土地利用結(jié)構(gòu)的相關(guān)性較枯水期更明顯。TN，TP與林草地比例呈顯著負(fù)相關(guān)、與耕地比例成顯著正相關(guān)。豐水期耕地是氮磷元素的主要輸出源，而林草地則在一定程度下削減了氮磷元素的入河量。
(3) 不同坡度下河庫(kù)水質(zhì)與土地利用類型的相關(guān)性存在顯著差異。低坡度帶(<15°)CODMn與耕地比例呈顯著正相關(guān)；中坡度帶(15°～25°)TN，TP，DO與林草地、耕地比例呈顯著負(fù)相關(guān)；高坡度帶(>25°)TN，TP與耕地比例有顯著正相關(guān)。
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