人类活动导致土地利用变化下大型流域河流水质时空变异特征及其健康风险研究

《Scientific Reports》：Spatial–temporal variations of river water quality under human-induced land use changes in large river basins

本研究针对高强度人类活动与气候变化压力下地表水污染机制与生态风险识别的迫切需求，通过跨流域综合评估揭示了松辽流域三条典型河流（大辽河、双台子河、挠力河）22项水质参数的时空分异规律。研究人员创新性地结合主成分分析(PCA)、冗余分析(RDA)和健康风险评价模型，解析了不同土地利用方式（旱地、水田、建设用地等）对水体理化指标、营养盐和重金属的差异化驱动机制，发现农业活动主导的砷(As)污染对儿童构成显著致癌风险（8.44×10-5年-1），为协调流域发展与生态保护提供了科学依据，对实现可持续发展目标6(SDG 6)具有重要实践意义。

　　

在全球水资源安全面临严峻挑战的背景下，河流水质恶化已成为威胁水生生态系统和人类健康的重大环境问题。随着城市化进程加速和农业活动强化，土地利用格局的改变通过多种途径向河流输入污染物，导致水体富营养化、重金属积累等连锁生态风险。特别是在气候变化加剧的当下，理解人类活动如何通过改变土地利用方式影响水质，成为流域精准治理的关键科学问题。

以往研究多局限于单一流域或少数水质参数，难以揭示多污染物在复杂人类活动驱动下的协同演变规律。面对这一挑战，大连理工大学研究团队在《Scientific Reports》发表的最新研究，创新性地对松辽流域内三条典型河流（大辽河DLR、双台子河STR、挠力河NLR）展开系统性对比研究。通过涵盖丰水期、枯水期和农灌期的多季节同步监测，结合多元统计方法与健康风险评价模型，首次揭示了不同土地利用背景下水质参数的时空分异规律与驱动机制。

研究方法与技术路径

研究团队在2019年9月（丰水期）、2020年6月（农灌期）和2020年12月（枯水期）对39个采样点进行水样采集，检测涵盖理化指标（水温WT、pH、溶解氧DO等）、营养盐（总氮TN、硝酸盐NO₃^-、氨氮NH₄⁺等）和重金属（砷As、锌Zn等）共22项参数。采用主成分分析(PCA)识别关键污染组分，运用冗余分析(RDA)解析土地利用与水质参数的耦合关系，并通过加拿大水质指数(CCME-WQI)和美国环保署健康风险模型进行综合评估。土地利用数据来源于中国科学院空天院2020年30米分辨率数据集，利用ArcGIS水文工具划定各采样点汇水区。

水质参数时空变异规律

研究发现三条河流污染物组成存在显著空间分异：大辽河与双台子河受氮营养盐和重金属（锌Zn、锰Mn、铅Pb）影响突出，而挠力河以总磷(TP)污染为主。季节性分析表明，大辽河与双台子河水质组分在枯水期出现明显聚类，总氮(TN)浓度分别高达6.31 mg/L和5.64 mg/L，主要归因于河流稀释能力下降与持续污水排放。农灌期磷污染显著加剧，总磷(TP)和磷酸盐(PO₄^3-)浓度峰值与施肥活动高度同步，并驱动叶绿素a(Chl-a)在大辽河中期采样点（DLR5）和双台子河（STR5）分别达到14.27μg/L和25.59μg/L。

重金属分布与健康风险

重金属检测显示挠力河部分点位（NLR10、NLR17）总浓度达0.26 mg/L，锰(Mn)和钼(Mo)为主要贡献因子。健康风险评价揭示挠力河农灌期儿童总健康风险值达8.44×10^-5年^-1，超出国际辐射防护委员会(ICRP)限值（5×10^-5年^-1），其中致癌物砷(As)贡献率超90%。双台子河河口区域（STR10）受石油开采与化工废水影响，镍(Ni)和锌(Zn)通过潮汐上溯形成累积效应。

土地利用的驱动机制

冗余分析(RDA)表明，溶解氧(DO)和高锰酸盐指数(COD_(Mn))与旱地、林地呈正相关，而营养盐和叶绿素a(Chl-a)与水田、建设用地关系密切。农灌期所有水质参数均与水田表现出强关联，印证了农业施肥的核心驱动作用。空间上，挠力河下游湿地与林地（占比33.3%）发挥天然滤池功能，使水质提升至优良等级；而大辽河与双台子河下游受高强度城市化影响，建设用地占比分别达19.3%和16.4%，导致河口点位（STR10）水质指数(CCME-WQI)降至60.74的边际水平。

研究结论与战略意义

该研究通过多尺度解析证实，土地利用格局通过“源-汇”过程调控污染物入河通量：挠力河流域以面源农业污染为主导，而大辽河与双台子河流域受点源（工业废水）与面源（畜禽养殖）复合压力。季节性调控策略应差异化实施——枯水期需强化污水截流，农灌期重点管控农业面源，丰水期加强地表径流净化。研究成果为协调流域发展与生态保护提供了三方面支撑：一是建立基于土地利用结构的风险预警阈值（如旱地比例超过54%时水质显著恶化）；二是明确砷(As)为松辽流域优先管控重金属；三是证实自然湿地（挠力河下游）与人工湿地（双台子河口）对水质改善的协同增效潜力，为达成可持续发展目标6(SDG 6)提供了空间明确的治理路径。