項頌，龐燕，楊天學，刁兆巖

（中國環(huán)境科學研究院，北京 100012）

土地利用/覆被變化（Land use and cover change，LUCC）作為全球環(huán)境變化的重要原因，是人類可持續(xù)發(fā)展和全球環(huán)境變化研究的核心主題之一。土地利用/覆被變化的環(huán)境效應表現(xiàn)在對氣候、土壤、水文、生態(tài)系統(tǒng)等生態(tài)環(huán)境要素的影響上，研究表明LUCC 是影響非點源污染最關鍵的因素之一，通過改變地表水文循環(huán)過程，增加營養(yǎng)鹽、重金屬及懸浮物的入河通量，造成水體富營養(yǎng)化和水污染。因此，在當前地表水體污染嚴重、湖泊水庫藻華頻發(fā)的背景下，探討LUCC 與地表水水質的內在聯(lián)系，對非點源污染控制有重要意義。

LUCC 對水質的影響，一方面是土地利用類型的變化導致地表水文循環(huán)過程改變，從而間接地對河流水質產生影響，已有研究表明不同土地利用類型對水質的影響不同，單一地類中以農業(yè)用地和建設用地的影響最大。另一方面土地利用格局變化會引起景觀中物質循環(huán)和能量分配的改變，影響?zhàn)B分等非點源污染物發(fā)生、遷移和轉化過程，從而影響區(qū)域水質。一般采用景觀指數(shù)來反映景觀單元類型及其空間布局的變化。鑒于水土耦合系統(tǒng)的復雜性，研究多采用數(shù)學模型進行土地利用與水質的定量研究，早期主要采用經驗模型，隨著計算機技術及3S 技術的發(fā)展，最小二乘回歸（OLS）、地理加權回歸（GWR）、逐步多元回歸（SMR）、主成分分析（PCA）等統(tǒng)計模型逐漸興起，這些多元統(tǒng)計模型在進行水土關聯(lián)分析時能給出定量結果，但仍存在一些問題，主要是大部分土地利用指標間存在高度共線性，違背了多元回歸模型解釋變量間不相關的古典假設，帶來冗余信息，使模型評估失真或者不準確。偏最小二乘回歸（PLSR）在普通多元回歸的基礎上，結合了主成分分析（PCA）和典型相關分析（CCA）的思想，解決了回歸分析中自變量多重共線性的問題，特別當兩組變量個數(shù)較多且都存在多重相關性，而樣本量又較少時，用偏最小二乘回歸建立的模型具有傳統(tǒng)經典回歸分析等方法所沒有的優(yōu)點?，F(xiàn)有研究產生了大量有益的成果，但針對水土復合系統(tǒng)聯(lián)動機理方面的研究仍較為薄弱，兩者時空耦合的研究也較少；研究尺度主要集中于特定區(qū)域，而區(qū)域的特異性和指標的各異性使得結果難以比較，較難形成統(tǒng)一的結論；分析手段仍以傳統(tǒng)統(tǒng)計模型為主，可廣泛推廣應用的科學方法尚未完全建立。

海拉爾河作為我國北方重要生態(tài)安全屏障——呼倫貝爾草原的生命之源，是地區(qū)經濟持續(xù)發(fā)展和流域人民賴以生存的基礎。已有研究發(fā)現(xiàn)，近年來，由于自然過程和人類活動的影響，海拉爾河流域生態(tài)環(huán)境遭到破壞，面臨草地退化、土地沙化、水土流失、水污染等環(huán)境問題。針對流域日益凸顯的生態(tài)環(huán)境問題，地方政府啟動了退耕還林還草、三北防護林建設、水污染防治等專項工作，但傳統(tǒng)以畜禽養(yǎng)殖為主的生產生活方式無法快速根本轉變，農業(yè)非點源污染問題仍然突出，流域生態(tài)環(huán)境并未完全好轉。因此，針對流域現(xiàn)狀問題，本文從土地利用的角度揭示2005—2015 年間海拉爾河流域土地利用和水質的變化，采用偏最小二乘回歸分析二者的耦合關系，以期為流域農業(yè)面源污染控制、環(huán)境保護決策的科學制定、自然資源合理利用提供科學支撐，也為流域經濟、資源、環(huán)境的協(xié)調發(fā)展提供理論指導。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況及水質斷面設置

海拉爾河流域（117°48'30″~122°28'5″E，47°32'30″~50°16'2″N）位于內蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市西南部，流域面積5.48 萬km。流域屬中溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，多年年均氣溫和降水量分別為5.34 ℃和348 mm，降雨主要集中在6—9月，占全年降雨總量的80%。流域最大的河流海拉爾河干流全長1 430 km，自東向西流經牙克石市、海拉爾區(qū)、陳巴爾虎旗、新巴爾虎左旗，匯入額爾古納河，河流兩岸森林、草原、煤炭等資源豐富，其主要支流有免渡河、伊敏河等（圖1）。海拉爾河流域是呼倫貝爾市人口、經濟以及產業(yè)聚集區(qū)，也是內蒙古自治區(qū)重要的能源、畜牧業(yè)和林業(yè)基地，因此保護好流域水環(huán)境對區(qū)域社會經濟發(fā)展意義重大。

海拉爾河主體為地表水Ⅲ類水環(huán)境功能區(qū)，發(fā)源于有機質背景值高的大興安嶺林區(qū)，上游地形起伏大，河谷呈“V”形，兩岸主要分布有原始林和次生林。自牙克石市以下，河流進入高平原，橫貫呼倫貝爾大草原，河流中游流經牙克石市、海拉爾區(qū)，人類活動密集。到與伊敏河匯合處以下，地勢開闊平坦，處于河流下游。根據海拉爾河地理條件、水文特征以及周邊土地利用分布差異，海拉爾河現(xiàn)有水質監(jiān)測點分布如下：上游設有八號牧場（BHMC）、大屯橋（DTQ）斷面，中游設有牙克石（YKS）斷面，下游設有五牧場（WMC）、陶海（TH）、嵯崗（CG）斷面，水質監(jiān)測斷面分布見圖1。

圖1 研究區(qū)及監(jiān)測點分布Figure 1 Study area and its monitoring sites

1.2 數(shù)據來源

DEM 為中國科學院計算機網絡信息中心ASTER GDEM 30 m分辨率高程數(shù)據，流域2005年、2010年和2015 年的遙感影像來自中國科學院計算機網絡信息中心Landsat8衛(wèi)星數(shù)據。

水質數(shù)據來源于2005—2015 年海拉爾河6 個監(jiān)測點，由呼倫貝爾市水質監(jiān)測站提供，樣品采集及分析測試方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第4 版）》?；谝延泻恿魑廴粳F(xiàn)狀研究，選取高錳酸鹽指數(shù)（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH-N）為分析參數(shù)，依據區(qū)域季節(jié)性變化和水文特征，將參數(shù)劃分為雨季（6—9 月）和旱季（10—12 月、1—5 月）進行分析。多年（1981—2010 年）降雨量數(shù)據來源為中國氣象數(shù)據網。

1.3 數(shù)據處理

1.3.1 空間分析

采用ArcGIS 10.4（ESRI）平臺，結合監(jiān)測點的位置，基于流域DEM 將流域劃分為6 個斷面小流域（圖 1）；基于 2005 年、2010 年和 2015 年的遙感影像，參照最新土地分類標準《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010—2007），采用非監(jiān)督分類法進行土地利用分類，并結合現(xiàn)場踏勘進行修正，最終將3 個時期的土地利用統(tǒng)一分為農田（AGRI）、林地（FOREST）、草地（GRASS）、水域（WATER）、城鄉(xiāng)工礦居民用地（UR?BAN）、未利用地（UNUSE）6 類（表1），其中城鄉(xiāng)工礦居民用地包括城鎮(zhèn)建設用地、農村聚落、工業(yè)和交通建設用地。不同監(jiān)測斷面流域土地利用類型見圖2。

圖2 不同監(jiān)測斷面流域土地利用類型組成Figure 2 Land use compositions in different monitoring sectional watersheds

選用土地利用類型面積百分比表征土地利用類型組分，選用斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、分維度數(shù)（FRAC_MN）、凝聚度（COHE）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、香農多樣性指數(shù)（SHDI）這6個景觀指數(shù)表征土地利用空間格局（表1），通過Fragstats 4.2得到各景觀指數(shù)值。基于馬爾科夫模型，利用ArcGIS 10.4（ESRI）計算土地利用轉移矩陣，定量揭示土地利用變化規(guī)律。

表1 土地利用指標概況Table 1 Descriptions of selected variables for land use

1.3.2 統(tǒng)計分析

利用SPSS 25 進行數(shù)據異常值排除和標準化去量綱后對河流水質數(shù)據進行描述性統(tǒng)計分析；在0.05的顯著性水平下進行水質數(shù)據的K-S正態(tài)性檢驗，基于檢驗結果選用非參數(shù)Kruskal-Wallis檢驗進行水質數(shù)據的季節(jié)性差異分析。在偏最小二乘回歸（PLSR）之前，采用Person相關性分析對自變量進行共線性診斷，經分析發(fā)現(xiàn)PLSR 模型多個自變量間相關系數(shù)均大于0.9，存在較嚴重的多重共線性，加之樣本數(shù)少于變量個數(shù)，故采用偏最小二乘回歸法分析河流水質與土地利用的關聯(lián)，建模后采用留一交叉驗證法確定因子個數(shù)。

2 結果與分析

2.1 土地利用特征

2.1.1 土地利用空間分布

2005、2010年和2015年研究區(qū)的土地利用狀況如圖2 所示，優(yōu)勢地類為草地、林地、農田。土地利用空間分布差異明顯，上游流域主要分布有林地和耕地，占比分別為30%~48%、19%~31%；中游流域主要為耕地，占比為30%~41%；下游流域主要為草地，占比為60%~88%。

2.1.2 土地利用類型變化

10 a間研究區(qū)主要土地利用類型轉移矩陣如表2所示。2005—2015 年，研究區(qū)草地面積大幅銳減，減少1 713.74 km，未利用地面積增加1 067.18 km；其次是農田開墾和林地面積擴大，兩者面積分別增加396.90 km、382.96 km，再次是水域萎縮 251.04 km，城鎮(zhèn)用地擴張 117.72 km。2005—2010 年、2010—2015 年，研究區(qū)土地利用類型變化規(guī)律與整體10 a的變化趨勢基本一致，但2005—2010 年水域面積擴大，2010—2015 年農田面積減少?？臻g上，中上游流域草地銳減現(xiàn)象明顯，農田和林地面積增多；下游流域草地銳減，未利用地面積增多，水域萎縮，總體上游流域土地利用類型變化更明顯。

表2 2005—2015年研究區(qū)土地利用類型轉移矩陣（km2）Table 2 Land use type transfer matrix in the study area during 2005—2015

2.1.3 土地利用格局變化

2005—2015年研究區(qū)土地利用格局如圖3所示，10 a 間研究區(qū)土地利用景觀格局變化主要表現(xiàn)為PD、LSI、FRAC_MN、SHDI值升高，CONTAG、COHE 值降低。2005—2010年研究區(qū)土地格局變化規(guī)律與10 a整體的變化規(guī)律較一致，但2010—2015 年則略有不同，主要表現(xiàn)為COHE 值升高。空間上，中上游八號牧場、大屯橋、牙克石流域的 PD、LSI、FRAC_MN、SHDI 值較高，下游五牧場、陶海、嵯崗流域的CON?TAG、COHE值較高。

圖3 不同監(jiān)測斷面流域土地利用空間格局Figure 3 Land use spatial pattern in different monitoring sectional watersheds

2.2 河流水質特征

2.2.1 河流水質時空變化特征

參照地表水Ⅲ類水環(huán)境功能區(qū)要求，海拉爾河中上游水質基本滿足要求，下游斷面出現(xiàn)TN、COD超標現(xiàn)象（圖4）。季節(jié)性變化顯示，TN、TP、NH-N濃度在海拉爾河上游均呈現(xiàn)雨季高于旱季的現(xiàn)象，在中下游則相反；COD濃度均為雨季高于旱季。空間上，河流水質指標自上游至下游濃度升高，尤其是下游段水質污染物濃度大幅升高。水質差異性分析顯示，在0.05 的顯著性水平下，TN、NH-N 濃度在下游斷面季節(jié)性差異顯著，TP 濃度上游斷面季節(jié)性差異顯著，COD濃度各斷面均存在顯著季節(jié)性差異。

圖4 河流水質時空變化Figure 4 Spatial-temporal variation of river water quality

2.2.2 河流水質變化趨勢

2005—2015 年海拉爾河水質變化趨勢如圖5 所示，10 a間河流水質指標濃度整體降低，水質改善，其中TN、TP、NH-N 濃度在2005—2010 年、2011—2015年均呈降低趨勢，且下降幅度較2005—2015年大。

圖5 河流水質年際變化Figure 5 Interannual variations of river water quality

2.3 土地利用與水質的關聯(lián)分析

2.3.1 成分提取

首先采用留一交叉驗證法確定最優(yōu)因子數(shù)，當PLSR 模型在不同主成分個數(shù)下對應的預測均方根誤差（RMSEP）相對小時，結合各因子對因變量的累計貢獻率，確定最終的因子數(shù)（表3）。

表3 初步偏最小二乘回歸累計方差貢獻率Table 3 Cumulative percent of variance of partial least squares regression

2.3.2 回歸模型建立

3 個時段土地利用與水質指標的偏最小二乘回歸系數(shù)如表4 所示。由表4 可知，對水質影響顯著的主要正相關指標為COHE、CONTAG，負相關指標為AGRI、SHDI。水質對土地利用的響應存在季節(jié)性差異，水質顯著響應指標在2015 年為雨季COD和旱季 TN，2010 年為雨季 NH-N 和旱季 TP，2005 年為雨季COD和旱季NH-N，其中水質主要污染指標COD對土地利用的顯著響應出現(xiàn)在雨季。

表4 2005、2010、2015年不同季節(jié)土地利用與水質指標的回歸系數(shù)Table 4 Regression coefficients between land use variables and water quality in the wet and dry seasons of 2005,2010,and 2015

3 討論

3.1 土地利用動態(tài)變化

研究發(fā)現(xiàn)，10 a 間受人類活動影響，研究區(qū)優(yōu)勢地類草地大幅銳減，林地和農田面積增加。王治良等針對呼倫貝爾草原區(qū)的研究也發(fā)現(xiàn)2000—2010年草原減少、耕地增加、林地減少，分析造成草原減少的主要原因，可能是人類活動導致草地被大量侵占，另外在區(qū)域氣象、植被特征以及人類過度放牧、牲畜踩踏的多重影響下，草地沙化面積加大。耕地對其他生態(tài)用地的擠占，雖然一定程度上受限于區(qū)域實施的退耕還草等生態(tài)工程，但在目前政策對耕地的保護和耕地開墾的經濟利益驅使下，耕地面積仍呈增加趨勢。呼倫貝爾草原區(qū)林地面積減少主要是由2006 年鄂溫克紅花爾基特大火災導致，由于本研究區(qū)不涉及到火災區(qū)，且退耕還林、三北防護林建設等工程的實施使流域林地面積增加。流域水域萎縮、未利用地增多、城鎮(zhèn)擴張等現(xiàn)象也有發(fā)生，這主要受區(qū)域社會經濟發(fā)展及人口增長的影響。

土地利用格局整體呈現(xiàn)景觀破碎化程度加劇、形狀趨于復雜化、聚集度減弱、多樣性增加的趨勢，其中景觀形狀及多樣性的變化趨勢同王治良等的研究一致，破碎化及黏合度的變化趨勢與李攀的研究一致，這說明一方面流域社會經濟發(fā)展下人類活動對土地的不合理利用仍在繼續(xù)，另一方面實施的草原生態(tài)保護工程等相關環(huán)保政策也在發(fā)揮效益，此外地形、氣象等自然驅動因素也對其有一定影響。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)不同空間區(qū)域土地利用變化存在差異，牙克石市及以上的區(qū)域人類活動干擾相對少，多受自然因素影響，以土地利用類型變化為主，而下游區(qū)域海拉爾區(qū)為人類活動密集區(qū)，對土地空間分布格局影響較大。因此，在流域水環(huán)境治理時應統(tǒng)籌考慮山水林田湖草的綜合空間管控，仍應以林地擴增、草地和農田均衡發(fā)展為主要宗旨，同時制定中上游自然修復、下游綜合治理的分類保護策略。

3.2 水質變化

本研究發(fā)現(xiàn)2005—2015 年海拉爾河水質主要污染指標為COD，在河流下游斷面全年超標，且雨季濃度高，這與前期的研究結論類似。海拉爾河水質的時空差異是區(qū)域氣象、水文及人為活動的綜合體現(xiàn)，海拉爾河屬降水和融雪補給型河流，它發(fā)源于大興安嶺林區(qū)，該區(qū)域土壤有機質背景值較高，當進入融雪期（5 月），冰雪迅速融化，形成大量山洪，尤其在6—9 月降雨期，降雨沿途沖刷腐殖質入河，有機污染加重；加之干流下游流經牙克石市、海拉爾區(qū)等人類活動密集區(qū)，由此產生的外來污染物入河更加重了水體有機污染。

研究時段內河流水質整體呈好轉趨勢，這與人類活動下土地利用類型及格局轉變的復合效應有關，主要是由于優(yōu)勢地類草地大幅銳減、林地面積增加，分布格局整體呈現(xiàn)破碎化程度加劇、聚集度減弱、多樣性增加的趨勢，一方面會減少區(qū)域畜禽養(yǎng)殖等農業(yè)非點源污染物產排及入河量，增加植被覆蓋率，提升對入河污染物的攔截、凈化能力；另一方面，區(qū)域土地利用分布越分散，對水質調節(jié)功能的類型越豐富，越有利于污染物的逐步削減，從而減輕河水污染。水質的變化與區(qū)域環(huán)保工程的實施密不可分，自2003 年以來地方政府加強了海拉爾河的保護與治理，在海拉爾河干流設置了國家和省級監(jiān)測點，開展水質常規(guī)監(jiān)測；同時在流域啟動了環(huán)保專項整治，大力開展天然林保護、草原生態(tài)修復、沙區(qū)綜合治理、畜禽養(yǎng)殖污染防治等工程，取得了較好的環(huán)境效益。后續(xù)應繼續(xù)積極推進河流水生態(tài)保護與修復相關工程，在采取修復措施時，除考慮河流自身水質狀況，還應考慮河流周邊生態(tài)空間對河流生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同效應。同時由于表征流域有機物污染的指標COD存在顯著的季節(jié)性差異，氣象、水文等自然條件的作用也應進一步研究。

3.3 土地利用與水質的關聯(lián)

強烈的人類活動下土地利用變化對水質的作用明顯，且不同土地利用類型對水質的影響各異。已有研究表明，農田與水質的關系受研究區(qū)坡度、地形、耕作方式、種植模式等自然和人為因素的綜合影響，呈現(xiàn)出復雜的耦合關系。本研究發(fā)現(xiàn)，農田面積百分比（AGRE）與河流多項水質呈顯著負相關，這與JOHNSON 等、SLIVA 等和 DAI 等的研究結論一致，主要是由于海拉爾河流域農業(yè)活動以傳統(tǒng)畜禽養(yǎng)殖業(yè)為主，農田面積小而散，且化肥施用少，農田內作物對污染物的截留吸附作用大于種植活動對水質的負效應，因此呈現(xiàn)出綜合正效應。作為流域的優(yōu)勢地類，林草地在2005 年對水質的影響作用較顯著，林地主要發(fā)揮攔截污染物、凈化水質的作用，而草地作為流域畜禽養(yǎng)殖業(yè)的生產生活載體，是污染產生的源區(qū)，隨著流域土地利用的變化，林草地對水質的作用逐漸減弱，2015 年兩者與水質的關系均不顯著。此外受區(qū)域社會經濟發(fā)展所限，區(qū)域城鎮(zhèn)化程度低，由此產生的水質效應也不顯著。

河流作為景觀的重要組成部分，其水質受到流域土地利用景觀格局的影響。研究發(fā)現(xiàn)COHE、CONTAG、SHDI 是對水質有顯著影響的景觀指標，COHE、CONTAG 對水質有顯著負效應，SHDI則相反。COHE 是反映斑塊類型之間物理連通性的指標，其值越大，表明斑塊之間的連通性越好；CONTAG 表征景觀破碎程度，高CONTAG 值意味著景觀斑塊較為集中；SHDI 從斑塊的分布均衡程度和類型兩方面反映了景觀異質性和多樣性，高SHDI 值表明景觀多樣性高，異質性大。本研究結果表明，斑塊間的高連通性有助于污染物的遷移，由于流域畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，優(yōu)勢地類牧草地越集中，畜禽養(yǎng)殖產生的污染也越集中，排放入河強度更大，水質污染更重；而當流域優(yōu)勢地類草地的控制作用減弱，地類多樣性更豐富，分布更均衡，水體受到的污染減輕，水質變好。這與李艷利等、孫芹芹等的研究結論一致，卻與LEE等、XIAO等的研究結論不符。

由于土地利用類型與格局的復雜性，雖然土地利用變化對水質存在較為明顯的影響，但兩者耦合關系仍具有不確定性，后續(xù)研究還需從兩者的空間依賴性、不同類型區(qū)域指標選取的科學性等方面進一步研究。此外研究發(fā)現(xiàn)河流主要污染因子COD對土地利用的顯著響應均出現(xiàn)在雨季，進一步驗證了土地利用變化是影響區(qū)域非點源污染的重要因素，是海拉爾河有機污染的驅動因子之一，因此后續(xù)制定海拉爾河水質改善、農業(yè)面源防治策略時，建議加強土地利用空間管控。

4 結論

（1）2005—2015 年間，研究區(qū)草地面積銳減，其次農田開墾增加、林地面積擴大、水域萎縮現(xiàn)象明顯，城鎮(zhèn)用地也存在擴張；土地利用格局整體呈現(xiàn)景觀破碎化程度加劇、形狀趨于復雜、聚集度減弱但多樣性增加的趨勢；中上游流域以土地利用類型變化為主，下游流域以土地分布格局變化為主。

（2）2005—2015年間海拉爾河中上游水質基本滿足水功能區(qū)要求，下游水質較差，主要污染指標COD全年超標，但10 a間河流水質整體呈改善趨勢。

（3）對水質影響顯著的主要土地利用正相關指標為COHE、CONTAG，負相關指標為AGRI、SHDI。水質對土地利用的響應存在季節(jié)性差異，主要污染指標COD對土地利用的顯著響應均出現(xiàn)在雨季。