土地利用变化、水坝与调水工程对河流可持续性影响的综合评估

《Heliyon》：Assessing the impact of land use changes, dams, and water transfers on river sustainability

　　

摘要专业翻译 土地利用变化（LUC）与河流过度开发对水生生态系统的可持续性构成了严峻挑战。本研究对人类干预措施——具体而言即土地利用变化、水坝建设及调水工程——对河流水质及环境流量需求（EFR）违犯情况的影响，提供了一项新颖且全面的评估。通过采用MODIS影像分析流域内的土地利用变化趋势，本研究利用ENVI 5.0、ArcGIS 10.8及Google Earth平台上的先进栅格与矢量处理技术，引入了量化多条河流盐度（EC）、酸碱度（pH）、总溶解固体（TDS）及硝酸盐浓度长期变化的创新方法。环境流量需求（EFR）的违犯情况采用四种水文方法计算的平均EFR确定，这四种方法包括：变月流量法（VMF）、Tessmann法、Smakhtin法及Tennant法。研究发现，森林和农业用地面积显著下降，年变化率分别为1.1%和1.5%，与此同时，牧场和居民区面积分别以1.5%和1%的年增长率增加。虽然EC和TDS水平保持相对稳定，但观察到pH值（6.8-8.8）和硝酸盐浓度（2.4-19.9 mg L?1）的显著变化，这些变化与森林面积减少及耕地扩张所导致的环境流量需求（EFR）违犯加剧相关。重要的是，本研究发现Tajan河上的水坝建设以及来自Talar河的调水工程显著加剧了土地利用变化（LUC）的影响，使环境流量需求（EFR）违犯率分别从9.7%增至30.1%以及从12.2%增至22.2%。这项研究不仅量化了土地利用变化（LUC）与环境流量需求（EFR）违犯之间的关系，还为人为干预对河流生态系统的累积效应提供了关键见解。研究结果强调了采取优先考虑生态系统健康的综合土地和水资源管理战略的迫切需要，并指出现行发展计划正危及流域生态系统及人类福祉。

论文主体解读

一、研究背景与问题提出

土地利用变化（Land Use Change, LUC）与河流过度开发已成为21世纪人类面临的重大可持续性挑战。全球范围内，人口快速增长、城市化进程加速以及农业扩张，尤其是在发展中国家，导致了显著的土地利用格局改变。1960年至2019年间，地球约17%的陆地表面经历了某种形式的改变，主要表现为森林向农业、牧场和城市用地的转化。这一时期，全球森林面积减少了约80万平方公里，而农业和牧场用地分别增加了100万和90万平方公里。森林砍伐不仅驱动温室气体排放、加剧气候变化，还导致土壤有机碳大量流失、水土流失加剧、水文平衡改变、生物多样性丧失以及空气和水资源污染等一系列生态环境问题。河流作为关键的生态系统服务提供者，其水量和水质受到土地利用变化的深刻影响。已有研究表明，自然森林覆盖的减少会降低河流径流量，城市和农业扩张则对水质产生负面影响。河流径流减少和水质退化限制了水体的自净能力，因此满足河流的环境流量需求（Environmental Flow Requirements, EFR）——即保护淡水生态系统及其基本功能所需的最小水流——对于缓解土地利用变化的负面影响至关重要。在伊朗北部马赞德兰省，土地利用变化已持续数十年，对当地生计、土壤健康、水资源和森林生态系统服务构成威胁。尽管已有研究在单一子流域进行了局部评估，但在区域尺度上，缺乏将土地利用变化动态与环境流量需求违犯相联系的综合性、多流域、多尺度分析。此外，土地利用变化与基础设施开发（如水坝和调水工程）之间的相互作用及其对环境流量需求的综合影响仍未得到充分探索。因此，本研究旨在通过扩展至覆盖马赞德兰省全部七大主要河流流域的省级多流域框架，填补这一研究空白。

二、研究内容与结论

本研究围绕三个核心目标展开：一是利用时间序列MODIS影像和先进的地理空间处理技术，量化历史土地利用变化对环境流量需求的影响；二是考察森林砍伐、农业集约化和城市扩张如何驱动环境流量需求违犯并恶化水质参数（盐度、pH、总溶解固体和硝酸盐）；三是评估水坝和调水工程对这些违犯的放大作用。研究结果显示，所有研究流域的土地利用均发生了显著转变。2002年至2019年间，各流域森林覆盖率均出现下降，其中Chalus流域降幅最大（21.1%），其次为Babolroud（20.9%）和Haraz（20.4%）。农业用地面积同样呈现收缩趋势，Talar流域降幅最大（28.3%），其次为Tajan（22.2%）。与此同时，牧场用地在各流域均有所增加，增幅介于1.2%至10.1%之间；居民用地也逐步扩张，Haraz流域增幅最大（18.9%）。水质分析表明，除Tajan河外，各河流的电导率（EC）和总溶解固体（TDS）总体呈下降趋势，而pH值在6.8至8.8之间逐渐上升，平均值为7.9。硝酸盐浓度方面，Tajan河在过去十年持续上升，平均浓度为10.5 mg L^?1，显著高于其他河流。径流分析显示，除Haraz河外，所有河流均呈现流量下降趋势，其中Babolroud河月均流量降幅最大。水坝建设和调水工程显著加剧了流量减少。Tajan河上Shahid Rajaei大坝（1997年建成，库容162.5 MCM）和Farim大坝（2000年建成，库容3 MCM）的合计库容约占该河长期年均径流量的49%，导致建坝后月径流量平均下降44.9%。Talar河自2007年向Semnan省调水13.2 MCM后，年均径流量从252.1 MCM降至215.5 MCM，降幅14.5%。Babolroud河在Alborz大坝运行后，月均径流量下降约24.1%。环境流量需求违犯分析显示，受人类干预较少的Haraz、Chalus和Cheshme-Kileh流域，违犯率增幅低于5%；而Tajan、Talar、Nekaroud和Babolroud流域的违犯率则显著上升。Tajan河在Shahid Rajaei大坝建成后，环境流量需求违犯率从9.7%升至30.1%；Talar河在调水后违犯率从12.2%升至22.2%。土地利用变化与环境流量需求违犯之间的关系分析表明，森林和牧场面积减少与农业用地扩张与环境流量需求违犯加剧呈正相关。各流域平均环境流量需求违犯率为12.9%，其中Tajan流域最高（31.1%），其次为Nekaroud（21.8%）、Talar（18.5%）和Babolroud（12.8%）。

三、主要技术方法

研究人员利用MODIS（中分辨率成像光谱仪）土地覆盖类型产品（MCD12Q1，Version 6）获取2001至2019年间的年度土地利用数据，空间分辨率为500米，采用IGBP（国际地圈-生物圈计划）分类方案。影像预处理（包括大气校正和辐射校正）使用ENVI 5.0软件完成，训练样本通过Google Earth目视解译和简单随机抽样（SRS）采集，最大似然算法用于影像分类，最终将17个类别合并为农业、牧场、森林和居民区四种主要土地利用类型。矢量处理和制图使用ArcGIS 10.8完成。水质参数数据（EC、pH、TDS）收集自1989至2019年各流域出口代表性水文站，硝酸盐（NO₃）数据覆盖2011至2019年。环境流量需求评估采用四种水文方法：变月流量法（VMF）、Tessmann法、Smakhtin法和Tennant法，基于1989至2018年的水文数据计算。

四、研究结果分述

土地利用变化方面：通过时间序列MODIS影像分析发现，2002至2019年间所有流域的森林和农业用地面积显著减少，牧场和居民用地面积增加。森林覆盖率降幅最大的为Chalus流域（21.1%），农业用地降幅最大的为Talar流域（28.3%），而居民用地增幅最大的为Haraz流域（18.9%）。

水质变化方面：基于1989至2019年水质监测数据分析显示，除Tajan河外，各河流EC和TDS总体呈下降趋势。Tajan河平均EC最高（841.5 μS cm^?1），且呈上升趋势。各河流pH值在6.8至8.8之间波动，整体呈缓慢上升趋势。硝酸盐浓度方面，Tajan河呈持续上升趋势，平均浓度为10.5 mg L^?1，高于其他河流。

河流径流与环境流量需求违犯方面：基于1989至2018年水文数据分析发现，除Haraz河外，所有河流均呈流量下降趋势。水坝建设和调水工程显著加剧了流量减少和环境流量需求违犯。Tajan河在Shahid Rajaei大坝建成后月径流量平均下降44.9%，环境流量需求违犯率从9.7%升至30.1%。Talar河在调水工程实施后年均径流量下降14.5%，环境流量需求违犯率从12.2%升至22.2%。

土地利用对环境流量需求的影响方面：通过土地利用类型占比与环境流量需求违犯率的关联分析发现，农业用地占比较高的流域（如Nekaroud为23.7%、Babolroud为21%）通常具有较高的环境流量需求违犯率，而农业用地占比较低的流域（如Haraz为6.1%、Chalus为0.57%）违犯率较低，表明农业扩张与森林减少对环境流量需求违犯具有显著驱动作用。

五、讨论与结论

讨论部分指出，本研究观察到的农业和森林用地同时减少是一个值得关注的重要问题。尽管伊朗政府在过去20年的多个发展计划中采取了促进可持续林业、平衡畜牧与牧场利用、恢复森林等措施，但森林和农业用地减少的速度仍然惊人。马赞德兰省人口增长、旅游业发展以及来自德黑兰的移民涌入加剧了土地利用变化压力。水质方面，Tajan河较高的EC和硝酸盐浓度与其流域内灌溉农业集约化密切相关，特别是Tajan灌溉排水网络（TIDN）区域内水稻田的过度氮肥施用。水坝建设和调水工程对河流径流的负面影响与已有研究一致，人类活动对河流流量变化的影响远大于气候变化。环境流量需求违犯的加剧会导致栖息地物理条件改变、水生生态系统破坏、溶解氧依赖生物受胁迫、化学物质在环境中积累以及水循环紊乱等生态后果。研究局限性包括历史土地利用记录存在缺口，以及未深入探讨环境流量需求违犯的生态影响。研究结论表明，所有研究流域的土地利用均发生了显著转变，森林面积减少对环境流量需求达标产生了显著影响，违犯率随时间推移而增加。Tajan流域的平均环境流量需求违犯率从第一个十年的9.6%增至第三个十年的39.3%。研究建议严格执行和更新土地利用法规、促进森林发展计划、调整种植模式以采用低耗水农业实践、确保大坝在关键时期释放环境流量需求、建立地方或区域环境流量需求法规、实施稳健的监测实践，并鼓励公众和非政府组织参与环境教育。