黄河源区水质时空变异特征及驱动机制研究

《Ecological Indicators》：Spatiotemporal variations and drivers of water quality in the source region of the Yellow River

本研究针对黄河源区水质研究相对匮乏的现状，通过2021年9月和2022年6月两期野外调查，综合运用Wilcoxon检验、Spearman相关分析、聚类分析和主成分分析等方法，系统揭示了该区域水质的时空分异规律。研究发现黄河源区水质可划分为三个特征区域，其上中游水质空间变异主要受地形特征和土地利用类型控制，而下游人类活动干扰则促进了生物地球化学热点的形成。结构方程模型表明气候变量对水质具有中等影响，水文输送过程通过稀释效应影响营养盐和有机物浓度。该研究为高海拔脆弱生态区的水质保护和预测提供了重要科学依据，对制定适应性管理策略具有重要意义。

　　

被誉为"中华水塔"的黄河源区，位于青藏高原东北部，是亚洲水塔的重要组成部分，也是东亚人口密集区的重要水源地。然而，这片看似纯净的高原秘境正面临着前所未有的挑战。近几十年来，青藏高原经历了显著的暖湿化和绿化过程，导致水文情势发生深刻变化，积雪融化和径流增强，这些水文气候变化极大地改变了黄河源区的营养盐通量和水文循环过程。

在全球气候变化背景下，黄河流域的生态保护与高质量发展已成为中国生态文明建设的关键环节。但令人担忧的是，尽管黄河源区贡献了全流域约35%的径流量，针对该区域水质的系统性研究却相对匮乏。更严峻的是，整个黄河流域仅有127个自动水质监测站，其中黄河源区仅设有1个，这严重限制了对该区域水质季节性变化特征和驱动因素的深入理解。高原持续变暖可能加剧河流源区的水质退化，因此亟需开展黄河源区水质动态的连续监测研究。

为填补这一知识空白，西南大学资源环境学院的研究团队在《Ecological Indicators》上发表了最新研究成果。研究人员于2021年9月和2022年6月两个关键时期，在黄河源区主要支流附近设置了87个水质采样点，包括36个河流采样点和13个湖泊采样点，系统监测了21项水质指标，并结合地形、土地利用、降水和温度数据，采用地学统计分析和多种统计方法，旨在揭示黄河源区水质的时空变异规律及其驱动机制。

研究团队采用了多学科交叉的技术方法体系。通过野外实地采样获取水样，使用便携式多参数仪现场测定浊度、电导率(EC)、溶解氧(DO)和pH值等基础参数。利用GPS设备记录采样点的地理坐标和海拔高程，基于SRTM数字高程模型(DEM)提取坡度、地形湿度指数(TWI)和平均高程等地形指标。采用Wilcoxon检验分析水质参数的时序差异，运用Spearman相关分析探讨变量间关系，通过聚类分析(CA)和主成分分析(PCA)识别水质空间格局，并构建结构方程模型(SEM)解析环境因子对水质的直接和间接影响。

3.1. 水质空间分布与水体型格局

研究发现黄河源区水质存在明显的空间异质性。聚类分析将研究区水质划分为三个特征区域：集群1包含西部和东部地区，涵盖约77%的湖泊和具有低地形、高TWI值的河流点，该区域以高锰酸盐指数(PMI)和砷(As)浓度为特征；集群2位于研究区中部，坡度较大、TWI较低，森林和城市建设用地分布较多，水体铜(Cu)浓度较高；位于流域出口处的两个采样点(唐纳和卡里岗村)表现出独特特征，总氮(TN)、总磷(TP)、浊度、生化需氧量(BOD)、氧化还原电位(ORP)和Cu浓度相对较高，而EC值较低，这可能是农业活动和城市化影响的结果。

湖泊与河流水质存在显著差异。湖泊主要分布在地形平坦(坡度<10°)、TWI值高(>5°)、海拔较高(4123米)且无人为活动的区域，而河流采样点则分布在坡度较陡、支流流域较大、人类活动影响较强的下游地区。湖泊pH值显著高于河流，平均值分别为8.94和8.15；PMI也呈现类似规律，湖泊平均值(3.85)高于河流(2.84)；而河流浊度(38.07 JTU)显著高于湖泊(22.36 JTU)。

3.2. 水质时序变化特征

两个采样期(2021年9月和2022年6月)的气温、降雨和水质存在显著时序差异。6月气温高于9月，与实测水温和海拔格局一致。研究区中部和南部降水量较高，总体表现为6月暖干、9月冷湿的特征。6月浊度和ORP显著高于9月，而9月DO浓度最高。6月BOD、TN和Cu浓度高于9月，而9月六价铬(Cr₆)、总盐度(TS)、氟化物(F)和SO₄浓度相对较高。

3.3. 水质变异的主要驱动因素

Spearman相关分析表明，地形指标(坡度、TWI和海拔)与大多数土地利用类型、EC和PMI显著相关。海拔与水体pH值呈强正相关(r=0.56)。农业用地与F显著正相关，与氨氮(NH₃-N)负相关。降水和气温与大多数水质参数显著相关，特别是TS、BOD、S、叶绿素a(Chl_a)、Cu和Cr₆。

主成分分析前两个和三个主成分分别解释了总方差的51.4%和68.4%。第一主成分反映了从自然原始环境到农业用地的环境梯度，海拔和TWI呈高正载荷，而农业用地、坡度和TN呈高负载荷。第二主成分代表草地-未利用地梯度。PCA结果聚类显示，集群1、2、3分别与TWI、草地和农业用地一致。两个采样期的分组差异反映了气候梯度，2021年9月采样期与降水和pH格局一致，而2022年6月采样期与气温和TN变化一致。

4.1. 景观对水质空间格局的控制作用

黄河源区水质的空间异质性是由地形指标、土地利用类型和水文气候参数共同作用形成的。集群1西部区域属于扎陵湖高寒草甸水带，海拔高、蒸发强、生化过程减弱、盐诱导结晶作用明显，表现为高EC和pH值、低营养盐浓度；东部区域与沼泽草甸带相关，营养盐浓度低，蒸发/结晶速率较低，EC值低于高海拔区。集群1组成了相对原始环境、低坡度、高水域比例、较长水力停留时间和减弱生物地球化学过程的区域。集群2以草地灌木为主，坡度陡，导致TWI低、水文输送弱、营养盐浓度、PMI和重金属含量低。集群1和2处于相对自然环境，而集群3位于流域出口，尽管农业和建设用地有限，但仍反映出其对水质的强烈影响。

湖泊与河流水质差异体现了流速和海拔特征的联合效应。黄河源区湖泊海拔高于河流，水面面积更大，增强了辐射和蒸发作用。湖泊较大的表面积和较慢的流速(0.15 m/s，河流为2.7 m/s)也影响水质。由于陡峭地形和较高TWI，湖泊中生物地球化学过程更为强烈，通过增加EC、TS、PMI和碱性环境影响黄河源区湖泊的水质特征。

4.2. 水质参数的季节动态

水质季节变化受水文气候条件和生物地球化学过程的交互作用驱动。2021年9月相对湿润寒冷，2022年6月温暖干燥，为评估驱动因素的季节效应提供了自然实验。结果表明降雨与全流域水污染物如TN、BOD和Cu呈显著负相关，表明工业径流相对不足。而TS、S和pH等天然水参数与降雨呈显著正相关，说明通过径流从上游到下游盆地尺度有充足的盐类和无机物供应。

气温和降水的变化会显著影响水质。气温和降水变化导致自然过程(如岩石风化)中化学组分的可变释放，从而改变水体中控制水质的机制。温度与水污染物的正相关关系可能表明黄河源区人类活动对温度的响应与其他地区相似。

4.3. 环境变化下水质管理的启示

土地利用变化显著影响水质变异模式。结构方程模型结果表明土地利用直接影响水质，海拔和TWI是影响土地利用的重要地形指标。黄河源区显著的海拔梯度对人类活动产生强烈的直接控制作用，特别是在相对原始的上游地区，海拔和TWI协同塑造土地利用组成。相比之下，研究区水质退化直接由低海拔、高TWI下游农业区的人类活动引起。因此，农业区水质主要受人类活动影响。鉴于青藏高原的生态脆弱性及其对土地利用变化的敏感性，限制农业和建设用地的扩张尤为重要。

理解水质对水文气候变率的时序响应对于有效预测和管理未来水质趋势至关重要。研究表明水文条件的强烈影响导致黄河源区营养盐流出存在季节差异。与全球平均水平相比，这些河流TN浓度增加速率更高。此外，整个青藏高原的均匀增温和大部分地区的湿润趋势使得未来水质保护和预测更加困难。

准确的水质预测和驱动因素分析需要利用长期监测时间序列数据。本研究主要为加强黄河源区长期水质监测提供重要参考。定期长期监测水质和水文气候变量，特别是对极端事件的响应，对于预测未来变化和制定适应这一高海拔黄河源区独特条件的适应性管理策略至关重要。

本研究揭示了黄河源区水质因地形、土地利用和气候条件的交互作用而产生的复杂时空异质性。研究明确了地形因素对黄河源区水质空间分布的控制作用，进一步增强了土地利用类型和季节气候变异的影响。聚类和主成分分析结果强调了空间背景在理解水文和生物地球化学过程中的重要性。农业活动对水质的影响日益凸显，特别是在地形敏感区域。主成分分析揭示了三个已识别集群中从自然到人为背景的转变效应。湖泊与河流之间的显著统计差异突出了气候因素和水力停留时间在塑造水体生物地球化学特征中的重要性。研究区水质的复杂时序动态表明，气候变量和人类活动通过多种交互途径共同影响水质。这些发现为源头流域生物地球化学热点的空间显性管理提供了基础。随着气候变化和人类压力在这一生态脆弱高海拔地区的持续加剧，我们的时空框架为识别脆弱区域提供了宝贵见解，在这些区域实施针对性干预可以最大化生态效益并减缓水质恶化。本研究为青藏高原及其他类似敏感山区的水资源保护提供了进一步的科学依据。