土地利用对水质影响的空间尺度效应研究——以华北城市河流为例

《Earth Critical Zone》：Spatial scale effects of the relationships between land use and water quality: Example from the urban rivers, Northern China

本研究针对人类世背景下土地利用与河流水质关系的空间尺度效应问题，在华北平原海河流域开展多尺度景观格局与水质参数关联性分析。通过冗余分析和多元线性回归揭示关键带内土地利用驱动的传输过程是影响河流主要离子和氮素浓度的关键因素，发现旱季小尺度缓冲区对氮素具有净化作用。研究成果为优化土地利用格局和流域管理提供了重要的空间尺度视角。

　　

在人类世背景下，全球范围内的人类活动正在以前所未有的规模和速度改变着地球景观和河流系统。随着工业化进程加速和农业集约化发展，越来越多的国家和地区面临水质恶化问题，这对水生生态系统构成了严重威胁。特别是在快速城市化的华北平原地区，海河流域作为中国七大流域之一，承载着全国11%的人口和10.8%的GDP，却面临着严重的水资源短缺和水污染问题。过度农业用水导致地下水超采，工业化进程带来污染物排放，这些人类活动与自然因素交织在一起，通过复杂的关键区过程影响着河流水质。

以往的研究虽然证实了土地利用与水质之间存在关联，但对于这种关系如何受到空间尺度的影响，特别是在半干旱的平原河流地区，仍缺乏系统认识。不同季节水文条件的动态变化、景观格局的空间配置特征、以及地理经济因素的共同作用，使得土地利用对水质的影响机制变得尤为复杂。为了深入理解这些复杂关系，天津师范大学水资源与环境重点实验室的研究团队在《Earth Critical Zone》上发表了最新研究成果。

研究人员采用了系统的技术方法开展此项研究：基于2021年3-12月的季节性野外采样，在海河流域主要河流及支流设置了32个采样点，监测了包括水温、pH、电导率、溶解氧、叶绿素a、硝酸盐氮(NO₃^--N)、溶解有机碳(DOC)等13项水质参数；利用30米分辨率DEM数据提取了100m、300m、500m、700m、1000m五种河岸缓冲区尺度和流域尺度，通过FRAGSTATS软件计算了耕地、林地、草地、建设用地等景观类型的组成和构型指标；运用冗余分析(RDA)和多元线性回归(MLR)等统计方法，建立了景观格局与水质参数的多尺度关系模型。

3.1. 水质参数特征与时空变化

研究结果显示，河流水体总体呈弱碱性，pH值在7.65-9.55之间。除叶绿素a、SO₄^2-、Cl^-、Na⁺、Mg²⁺、盐度和总溶解固体外，其他水质参数均表现出显著的季节性差异。丰水期水温、电导率、氧化还原电位、K⁺等参数平均值显著高于枯水期，而pH、溶解氧、NO₃^--N、Ca²⁺、DOC、δ¹³C、溶解无机碳等参数则显著降低或相当。空间分布上，北部河流(JY、CB、YD)的NO₃^--N浓度在枯水期明显高于南部河流(HH、DLJ)，DOC浓度在海河干流显著低于其他河流。

3.2. 多尺度景观格局特征

景观格局指标在五种缓冲区尺度和流域尺度上呈现规律性变化。随着缓冲区尺度增大，建设用地、林地和草地的比例逐渐减少，而耕地比例略有增加。在所有尺度上，耕地和建设用地是主要的土地利用类型，草地和林地覆盖率相对较低(<10%)。所有土地利用类型的斑块密度(PD)随尺度增大而减小，景观形状指数(LSI)和聚集指数(AI)则呈现相反趋势。耕地和林地的最大斑块指数(LPI)和AI值明显高于草地和林地。

3.3. 流域地理特征

14个子流域的地理特征存在显著差异。流域面积从31km²到1843km²不等，平均海拔变化范围为0.74-89.81m，地形起伏度为2.55-12.02m，平均坡度在1.18°-6.38°之间。流域密度和地形湿度指数(TWI)分别变化在0.03-8.5m·km^-2和8.48-12.40范围内。人口密度和GDP值分别介于373-2927人·km^-2和1767-60036元·km^-2，反映出人类活动强度的显著空间差异。

3.4. 景观格局与水质关系分析

冗余分析结果表明，前两轴解释了水质变异的主要部分，第一轴解释度(53.46%)高于第二轴(22.95%)。在不同尺度上，景观格局与水质参数的关系存在明显差异。土地利用在100m至1000m缓冲区尺度对水质变异的解释能力最强，而在流域尺度的解释度仅超过30%。景观格局指标与水质参数的相关性在枯水期比丰水期更为显著。

多元线性回归模型显示，不同水质参数的最佳预测尺度存在差异。在枯水期，NO₃^--N在1000m缓冲区尺度同时受到建设用地(β=0.626)和草地(β=-0.307)的影响；而在丰水期，仅受建设用地(β=0.625)影响。河流DOC在枯水期由100m缓冲区尺度的人工地表(建设用地)预测(β=0.699)，在丰水期则由自然地表(草地)预测(β=-0.663)。

4.1. 景观格局对水质的影响机制

研究表明，林地和草地对水质改善具有积极作用，而耕地和建设用地则对水质产生负面影响。建设用地斑块密度(2PD)与枯水期NO₃^--N呈显著正相关，这与上游密集的污水排放有关。林地和草地与大多数水质参数在流域尺度具有更强的相关性， riparian缓冲带的森林残留有助于减少污染物，对维持和改善河流水质起着关键作用。

研究还发现，与组成指标相比，构型指标(如AI和LPI)与水质参数的关系更为密切。较高的聚集指数意味着污染物进入水体的浓度较低，而景观形状指数(LSI)与建设用地呈显著正相关，表明空间格局特征对水质具有重要影响。

4.2. 空间尺度效应分析

景观格局对水质的影响表现出明显的尺度依赖性。在流域尺度上，景观格局指标对水质变异的整体解释能力优于缓冲区尺度。建设用地与理化参数的相关性在流域尺度更强，这主要与非点源污染的直接影响有关。耕地与水质参数(除NO₃^--N外)在较大尺度上相关性更强，表明农业非点源污染控制应重点关注流域尺度的管理实践。

水文连通性在溶质传输中起着重要作用，特别是在丰水期。海河流域山区中小河流对降水的响应通常快于平原地区，表明平原地区从陆地到河流的溶质传输较为缓慢。

4.3. 地理特征与水质关联

地理指标与水质参数在较大尺度(1000m缓冲区和流域尺度)上表现出显著相关性。GDP在流域尺度与水质参数呈显著正相关，表明大规模区域经济发展对河流水质产生负面影响。地形湿度指数(TWI)与枯水期DOC浓度呈正相关，说明地形对地下水位和土壤水分的影响促进了颗粒有机碳向DOC的转化。

人口密度和GDP在枯水期1000m尺度与DOC和NO₃^--N呈负相关，可能与人口密集和经济发达地区的水体净化作用有关。流域面积和平均海拔与两个季节的电导率、阳离子/阴离子呈负相关，表明这些地理特征与河水矿物质含量相关。

研究结论表明，关键区内的传输过程和关联的土地利用类型是影响河流水质参数的主要因素。氮素和DOC是受土地利用关联影响最显著的水质参数，旱季小尺度缓冲区对氮素具有净化作用。水质与土地利用的关系受到水文条件和人类活动的共同影响，这种影响存在区域和空间分布的差异性。

该研究强调了土地利用关联和景观格局对河流水质的年际季节性差异效应，为半干旱地区可持续水资源管理提供了直接依据。流域地理特征在人类世背景下对景观格局影响水质的过程中发挥着重要作用，多空间尺度的管理和环境保护策略应在土地利用规划中得到充分考虑。研究成果不仅为优化海河流域土地利用格局提供了科学依据，也为类似地区的流域管理实践提供了重要参考。