内蒙古典型草原区土地利用动态变化及其对水质的影响

　　摘要：探讨流域土地利用变化及其水质效应，有利于从源头控制水污染。以内蒙古自治区典型草原区河流海拉尔河为研究对象，综合 Gis 技术、多元统计及偏最小二乘回归模型，对 2005—2015 年间流域土地利用的动态变化及其对水质的影响进行分析。结果表明，2005—2015 年研究区各土地利用类型面积发生较大变化，其中草地面积大幅锐减、水域面积明显萎缩，而林地、农田、城镇用地、未利用地面积增多，特别是在中上游流域土地利用类型变化较明显;土地利用格局整体呈现景观破碎化程度加剧、形状趋于复杂化、多样性增加、聚集度减弱的趋势，下游流域土地利用格局变化较明显。海拉尔河中上游水质基本满足环境功能区要求，下游水质浓度大幅升高，高锰酸盐指数(CODMn)全年超标，研究时段内河流水质总体平稳改善。偏最小二乘回归模型显示，与水质呈显著正相关的主要土地利用指标为凝聚度(COHE)、蔓延度指数(CONTAG)，负相关指标为农田面积占比(AGRI)、香农多样性指数(SHDI)，主要水质污染指标 CODMn 对土地利用的显著响应均出现在雨季。研究表明，土地利用变化是影响区域非点源污染的重要因素，是海拉尔河有机污染的驱动因子之一，建议加强区域土地利用空间管控。

　　关键词：土地利用;景观格局;水质效应;偏最小二乘回归模型

　　项颂; 庞燕; 杨天学; 刁兆岩 农业环境科学学报 2021-12-27

　　土地利用/覆被变化(Land use and cover change,LUCC)作为全球环境变化的重要原因，是人类可持续发展和全球环境变化研究的核心主题之一[1]。土地利用/覆被变化的环境效应表现在对气候、土壤、水文、生态系统等生态环境要素的影响上[2]，已有研究表明 LUCC 是影响非点源污染最关键的因素之一，通过改变地表水文循环过程，增加营养盐、重金属及悬浮物的入河通量，造成水体富营养化和水污染[3-4]。因此，在当前地表水体污染严重、湖泊水库藻华频发的背景下[5]，探讨 LUCC 与地表水水质的内在联系，对非点源污染控制有重要意义[6,7]。

　　LUCC对水质的影响，一方面是由于土地利用类型的改变，导致地表水文循环过程改变，从而间接地对河流水质起作用[8-10]，已有研究表明不同土地利用类型对水质的影响不同，单一地类中以农业用地和建设用地的影响最大 [11-13]。另一方面土地利用格局变化会引起景观中物质循环和能量分配的变化，影响养分等非点源污染物发生、迁移和转化产生过程，从而影响区域水质[14-15]，一般采用景观指数来反映景观单元类型及其空间布局的变化[16-17]。鉴于水土耦合系统的复杂性，研究多采用数学模型进行土地利用与水质的定量研究，早期主要采用经验模型[18]，随着计算机技术及3S技术的发展，最小二乘回归(OLS)、地理加权回归(GWR)、逐步多元回归(SMR)、主成分分析(PCA)等统计模型逐渐兴起[3-4,10-11]，这些多元统计模型在进行水土关联分析时能给出定量结果，但仍存在一些问题，主要是由于大部分土地利用指标间存在高度共线性，违背了多元回归模型解释变量间不相关的古典假设，将带来冗余信息，使模型评估失真或者不准确[19]。偏最小二乘回归(PLSR)在普通多元回归的基础上，结合了主成分分析PCA和典型相关分析CCA的思想，解决了回归分析中自变量多重共线性的问题，特别当两组变量的个数很多，且都存在多重相关性，而样本量又较少时，用偏最小二乘回归建立的模型具有传统经典回归分析等方法所没有的优点[20]。现有的研究产生了大量有益的成果，但针对水土复合系统联动机理方面的研究仍薄弱，两者时空耦合的研究也较少;研究尺度主要集中于特定区域，而区域的特异性和指标的各异性使得结果难以进行比较，较难形成统一的结论;分析手段仍以传统统计模型为主，可广泛推广应用的科学方法尚未完全建立。

　　海拉尔河作为中国北方重要生态安全屏障呼伦贝尔草原的生命之源，是地区经济持续发展和流域人民赖以生存的基础[21]。已有研究[22-24]发现，近年，由于自然过程、人类活动的影响，海拉尔河流域生态环境遭到破坏，面临草地退化、土地沙化、水土流失、水污染等环境问题的威胁。针对流域日益凸出的生态环境问题，地方政府启动了退耕还林还草、三北防护林建设、水污染防治等专项工作，但传统的以畜禽养殖为主的生产生活方式无法快速根本转变，农业非点源污染问题仍然突出，流域生态环境并未完全好转。因此，针对流域现状问题，本文从土地利用的角度揭示 2005—2015 年间海拉尔河流域土地利用和水质的变化，并采用偏最小二乘回归分析土地利用与水质的耦合关系，以期为流域农业面源污染控制、环境保护决策的科学制定、自然资源合理利用提供科学支撑，也为流域经济、资源、环境的协调发展提供理论指导价值。

　　1 材料和方法 1.1 研究区概况及水质断面设置

　　海拉尔河流域(117° 48' 30″ ～122° 28' 5″ E，47°32'30″～50°16'2″N) 位于内蒙古自治区呼伦贝尔市西南部，流域面积 5. 48 万 km2。流域属中温带半湿润半干旱大陆性季风气候，多年年均气温和降水量分别为 5.34 ℃和 348 mm，降雨主要集中在 6—9 月，占全年降雨总量的 80%。流域最大的河流海拉尔河干流全长 1 430 km，自西向东流经牙克石市、海拉尔区、陈巴尔虎旗、新巴尔虎左旗，汇入额尔古纳河，河流两岸森林、草原、煤炭等资源丰富，其主要支流有免渡河、伊敏河等(图 1)。海拉尔河流域是呼伦贝尔市人口、经济以及产业聚集区，也是内蒙古自治区重要的能源、畜牧业和林业基地，因此保护好流域水环境对区域社会经济发展意义重大[23-24]。

　　海拉尔河主体为地表水Ⅲ类水环境功能区，发源于有机质背景值高的大兴安岭林区，上游地形起伏大，河谷呈“V”形，两岸主要分布有原始林和次生林。自牙克石市以下，河流进入高平原，横贯呼伦贝尔大草原，河流中游流经牙克石市、海拉尔区，人类活动密集。到与伊敏河汇合处以下，地势开阔平坦，处于河流下游。根据海拉尔河地理条件、水文特征以及周边土地利用分布差异，海拉尔河现有水质监测点分布如下：上游设有八号牧场(BHMC)、大屯桥(DTQ)段面，中游设有牙克石(YKS)断面，下游设有五牧场(WMC)、陶海(TH)、嵯岗(CG)断面，水质监测断面分布见图 1。

　　1.2 数据来源

　　DEM 为中国科学院计算机网络信息中心 ASTER GDEM 30 m 分辨率高程数据，流域 2005 年、2010 年和 2015 年三期的遥感影像来自中国科学院计算机网络信息中心 Landsat8 卫星数据。水质数据为 2005—2015 年海拉尔河 6 个监测点的数据，由呼伦贝尔市水质监测站提供，样品采集及分析测试方法参照《水和废水监测分析方法》第 4 版。基于已有河流污染现状研究[23,24,25]，选取高锰酸盐指数(CODMn)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)为分析参数，依据区域季节性变化和水文特征，将参数划分为雨季(6—9 月)和旱季(10—12 月、1—5 月)进行分析。研究区降雨量数据为多年(1981—2010 年)降雨量数据，数据来源为中国气象数据网。

　　1.3 数据处理 1.3.1 空间分析

　　在 Arcgis 10.4(ESRI)平台，结合监测点的位置，基于流域 DEM 划分为 6 个断面小流域[20,26](图 1);基于 2005 年、2010 年和 2015 年三期的遥感影像，参照最新土地分类标准《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2007)，采用非监督分类法进行土地利用分类，并结合现场踏勘进行修正，最终将 3 个时期的土地利用统一分为农田(AGRI)、林地(FOREST)、草地(GRASS)、水域(WATER)、城乡工矿居民用地 (URBAN)、未利用地(UNUSE)6 类(图 2)，其中城乡工矿居民用地包括城镇建设用地、农村聚落、工交建设用地。选用土地利用类型面积百分比表征土地利用类型组分，选用斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、分维度数(FRAC_MN)、凝聚度(COHE)、蔓延度指数(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)这 6 个景观指数表征土地利用空间格局(表 1)，通过 Fragstats 4. 2 得到各景观指数值。基于马尔科夫模型，利用 Arcgis10.4(ESRI)计算土地利用转移矩阵，定量揭示土地利用变化。

　　1.3.2 统计分析

　　利用 SPSS 25 进行数据异常值排除和标准化去量纲后，采用描述性统计分析方法对河流水质数据进行描述统计分析;在 0.05 的显著性水平下进行水质数据的 K-S 正态性检验，基于检验结果选用非参数 Kruskal-Wallis 检验进行水质数据的季节性差异分析。在偏最小二乘回归(PLSR)之前，采用 Person 相关性分析对自变量进行共线性诊断，经分析发现 PLSR 模型多个自变量间相关系数均大于 0.9，存在较严重的多重共线性，加之样本数少于变量个数，故采用偏最小二乘回归法分析河流水质与土地利用的关联，建模后采用留一交叉验证法确定因子个数。

　　2 结果 2.1 土地利用特征 2.1.1 土地利用空间分布

　　2005、2010 和 2015 年研究区的土地利用状况如图 2 所示，优势地类为草地、林地、农田。土地利用空间分布差异明显，上游流域主要分布有林地和耕地，占比分别为 30%~48%、19%~31%;中游流域为耕地，占比为 30%~41%;下游流域为草地，占比为 60%~88%。

　　2.1.2 土地利用类型变化

　　10 年间研究区主要土地利用类型转移矩阵如表 2 所示。2005—2015 年间，研究区草地面积大幅锐减，减少 1713.73km2，未利用地面积增加 1067.18km2;其次农田开垦，林地面积扩大，两者面积分别增加 396.92km2、382.96km2，再者水域萎缩 251.04km2，城镇用地扩张 117.72km2。2005—2010 年、2010—2015 年，研究区土地利用类型变化规律与整体 10 年的变化趋势基本一致，但 2005—2010 年水域面积扩大， 2010—2015 年农田面积减少。空间上，中上游流域草地锐减现象明显，其次是农田和林地面积增多;下游流域草地锐减、未利用地面积增多现象明显，其次水域萎缩，总体上游流域土地利用类型变化更明显。

　　2.1.3 土地利用格局变化

　　2005—2015 年研究区土地利用格局如图 3 所示，10 年间研究区土地利用景观格局变化主要表现为， PD、LSI、FRAC_MN、SHDI 值升高，CONTAG、COHE 值降低。2005—2010 年研究区土地格局变化规律与 10 年整体的变化规律较一致，但 2010—2015 年则略有不同，主要表现为期间 COHE 值升高。空间上，中上游八号牧场、大屯桥、牙克石流域的 PD、LSI、FRAC_MN、SHDI 值较高，下游五牧场、陶海、嵯岗流域的 CONTAG、COHE 值较高。

　　2.2 河流水质特征 2.2.1 河流水质时空变化特征

　　参照地表水Ⅲ类水环境功能区要求，海拉尔河中上游水质基本满足要求，下游断面出现 TN、CODMn 超标现象(图 4)。季节性变化显示，TN、TP、NH3-N 浓度在海拉尔河上游，均呈现雨季高于旱季的现象，在中下游则相反;CODMn 浓度则全河雨季高于旱季。空间上，河流水质指标自上游至下游浓度升高，尤其是下游段水质浓度大幅升高。水质差异性分析显示，在 0.05 的显著性水平下，TN、NH3-N 浓度在下游断面季节性差异显著，TP 浓度上游断面季节性差异显著，CODMn 浓度各断面均存在显著季节性差异。

　　2.2.2 河流水质变化趋势

　　2005—2015 年海拉尔河水质变化趋势如图 5 所示，图 5 表明 10 年间河流水质指标浓度整体降低，水质改善，其中 TN、TP、NH3-N 浓度在 2005—2010 年、2011—2015 年均呈降低趋势，且下降幅度较 2005 —2015 年大。

　　2.3 土地利用与水质的关联分析 2.3.1 成分提取

　　首先采用留一交叉验证法确定最优因子数，当 PLS 模型在不同主成分个数下对应的预测均方根误差 (RMSEP)相对小时，结合各因子对因变量的累计贡献率，确定最终的因子数(表 3)。

　　2.3.2 回归模型建立

　　3 个时段土地利用与水质指标的偏最小二乘回归系数如表 4 所示。由表 4 可知，对水质影响显著的主要正相关指标为 COHE、CONTAG，负相关指标为 AGRI、SHDI。水质对土地利用的响应存在季节性差异，水质显著响应指标在 2015 年为雨季 CODMn和旱季 TN，2010 年为雨季 NH3-N 和旱季 TP，2005 年为雨季 CODMn和旱季 NH3-N，其中水质主要污染指标 CODMn对土地利用的显著响应出现在雨季。

　　3 讨论 3.1 土地利用动态变化

　　研究发现，10 年间受人类活动影响，研究区优势地类草地大幅锐减，林地和农田面积增加。王治良等[27]针对呼伦贝尔草原区的研究也发现 2000—2010 年草原减少、耕地增加，但林地减少，他分析造成草原减少的主要原因，一方面是由于人类活动导致草地被大量侵占，另外在区域气象、植被特征以及人类过度放牧、牲畜踩踏的多重影响下，草地沙化面积加大;耕地对其它生态用地的挤占，虽然一定程度上受限于区域实施的退耕还草等生态工程，但在目前政策对耕地的保护和耕地开垦的经济利益驱使下，耕地面积仍呈增加趋势;呼伦贝尔草原区林地面积减少主要是由 2006 年鄂温克红花尔基特大火灾导致，由于本研究区不涉及到火灾区，退耕还林、三北防护林建设等工程的实施使流域林地面积增加。流域水域萎缩、未利用地增多、城镇扩张等现象也有发生，这主要受区域社会经济发展及人口增长带来的影响。

　　土地利用格局整体呈现景观破碎化程度加剧、形状趋于复杂化、聚集度减弱、多样性增加的趋势，其中景观形状及多样性的变化趋势同王治良的研究一致，破碎化及粘合度的变化趋势与李攀的研究一致，这说明一方面流域社会经济发展下人类活动对土地的不合理利用仍在继续，另一方面实施的草原生态保护工程等相关环保政策也在发挥效益，此外地形、气象等自然驱动因子也对其有一定影响[22,27]。另外本文发现不同空间区域土地利用变化存在差异，牙克石市及以上的区域人类活动干扰相对少、多受自然因素影响，主要以土地利用类型变化为主，而下游区域海拉尔区为人类活动密集区，对土地利用的影响相对深入，主要影响土地空间分布格局。因此，后续在流域水环境治理时应统筹考虑山水林田湖草的综合空间管控，仍应以林地扩增，草地和农田均衡发展为主要宗旨，同时制定中上游自然修复、下游综合治理的分类保护策略。

　　3.2 水质变化

　　本文发现 2005—2015 年海拉尔河水质主要污染指标为 CODMn，在河流下游断面全年超标，且雨季浓度高，这与前期[23-25]的研究结论类似。海拉尔河水质的时空差异是区域气象、水文及人为活动特征的综合体现，海拉尔河属降水和融雪补给型河流，它发源于大兴安岭林区，该区域土壤有机质背景值较高，当进入融雪期(5 月)，冰雪迅速融化，形成大量山洪，尤其进入 6—9 月降雨期，降雨沿途冲刷腐殖质入河，有机污染加重;加之干流下游流经牙克石市、海拉尔区等人类活动密集区，人类活动加剧，由此产生的外来污染物入河更加重了水体有机污染。

　　研究时段内河流水质整体呈好转趋势，这与人类活动下土地利用类型及格局转变的复合效应有关，主要是由于优势地类草地大幅锐减、林地面积增加，加之分布格局整体呈现破碎化程度加剧、聚集度减弱、多样性增加的趋势，一方面会减少区域畜禽养殖等农业非点源污染物产排及入河量，增加植被覆盖率，提升对入河污染物的拦截、净化能力，另一方面区域土地利用分布越分散，对水质调节功能的类型越丰富，越有利于污染物的逐步削减从而减轻了水质污染[22]。同时水质的变化与区域环保工程的实施密不可分，自 2003 年以来地方政府加强了海拉尔河的保护与治理，在海拉尔河干流设置了国家和省级监测点，开展水质常规监测;同时在流域启动了环保专项整治，大力开展天然林保护、草原生态修复、沙区综合治理、畜禽养殖污染防治等工程，取得了较好的环境效益[25,28]。

　　因此后续应继续积极推进河流水生态保护与修复相关工程，在采取修复措施时，除考虑河流自身水质状况，还应协同考虑河流周边生态空间对河流生态系统的协同效应。同时由于表征流域有机物污染的指标 CODMn存在显著的季节性差异，气象、水文等自然条件的作用也应纳入进一步研究中。

　　3.3 土地利用与水质的关联

　　强烈的人类活动下土地利用变化对水质的作用明显，且不同土地利用类型对水质的影响各异。已有研究表明，农田与水质的关系受研究区坡度、地形、耕作方式、种植模式等自然和人为因素的综合影响，呈现出复杂的耦合关系[13,26,29]。本研究发现，农田面积百分比 AGRE 与河流多项水质呈显著负相关，这与 JOHNSON 等[12]、SLIVA 等[30]、Dai 等[31]的研究结论一致，主要是由于海拉尔河流域农业活动以传统畜禽养殖业为主，农田分散、面积小且化肥施用少，农田内作物植被对污染物的截留吸附作用大于种植活动对水质的负效应，因此呈现出综合正效应。作为流域的优势地类，林草地在 2005 年对水质的影响作用较显著，林地主要发挥拦截污染物、净化水质的作用，草地作为流域畜禽养殖业的生产生活载体，是污染产生的源区，后随着流域土地利用的变化，林草地对水质的作用逐渐减弱，2015 年两者与水质的关系均不显著。此外受区域社会经济发展所限，区域城镇化程度低，由此产生的水质效应也不显著。

　　河流作为景观的重要组成部分，其水质受到流域土地利用景观格局的重要影响[15,17]。研究发现 COHE、CONTAG、SHDI 是对水质有显著影响的景观指标，COHE、CONTAG 对水质有显著负效应， SHDI 则相反。COHE 是反映斑块类型之间物理连通性的指标，其值越大，表明斑块之间的连通性越好; CONTAG 表征景观破碎程度，高 CONTAG 值意味着景观斑块越集中;SHDI 从斑块的分布均衡程度和类型两方面反映了景观异质性和多样性，高 SHDI 值表明景观多样性越高，异质性越大[14,16]。本研究结果表明，斑块间的高连通性有助于污染物的迁移，加之流域畜禽养殖业发达，当流域优势地类牧草地越集中，畜禽养殖产生的污染更集中，排放入河强度更大，水质污染更重;而当流域优势地类草地的控制作用减弱，地类多样性越丰富，分布越均衡，水体受到的污染越轻，水质越好。这与李艳利等[32]、孙芹芹等[33]的研究结论一致，却与 Lee 等[34]、XIAO 等[35]的研究结论不符。

　　可见由于土地利用类型与格局的复杂性，虽然土地利用变化对水质存在较为明显的影响这一观点已得到普遍认同，但两者耦合关系还具有不确定性[12,36]，后续研究还需从两者关系的空间依赖性、不同类型区域指标选取的科学性等方面进一步加强研究。此外研究发现河流主要污染因子 CODMn 对土地利用的显著响应均出现在雨季，进一步验证了土地利用变化是影响区域非点源污染的重要因素，是海拉尔河有机污染的驱动因子之一，因此后续制定海拉尔河水质改善、农业面源防治策略时，建议加强土地利用空间管控。

　　4 结论

　　(1)2005—2015 年间，研究区草地面积大幅锐减，其次农田开垦，林地面积扩大，再者水域萎缩现象明显，城镇用地也存在扩张;土地利用格局整体呈现景观破碎化程度加剧、形状趋于复杂化、聚集度减弱，但多样性增加的趋势;中上游流域以土地利用类型变化为主，下游流域以土地分布格局变化为主。

　　(2)2005—2015 年间海拉尔河中上游水质基本满足水功能区要求，下游水质较差，主要污染指标 CODMn全年超标，但 10 年间河流水质整体呈改善趋势。

　　(3)对水质影响显著的主要土地利用正相关指标为 COHE、CONTAG，负相关指标为 AGRI、 SHDI。水质对土地利用的响应存在季节性差异，主要污染指标 CODMn对土地利用的显著响应均出现在雨季。