Полимасштабный анализ связей структуры LULC и качества воды (на примере бассейна р. Ворсклы)

DOI: 10.35595/2414-9179-2025-2-31-317-342

Посмотреть или загрузить статью (Rus)

Об авторе

Хуан Лихуа

Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
ул. Победы, д. 85, Белгород, Россия, 308015,
E-mail: lhhuang0@163.com

Аннотация

Опираясь на трехкратную съемку землепользования/наземного покрова (LULC) за 2010, 2015 и 2020 гг. и 23 гидрохимических показателя, измеренные в 2008–2022 гг. в замыкающем створе трансграничной р. Ворсклы, выполнен полимасштабный анализ для всей территории водосбора в границах России. Для верховий реки (в зоне воздействия Яковлевского ГОКа), поста «Козинка» и основного русла реки сформированы буферные зоны различного радиуса; методом PCA выделены интегральные факторы качества воды, а методом RDA оценена их зависимость от типов LULC. Четыре главные компоненты суммарно объясняют 71,94 % дисперсии (PC1 — буферная емкость и органическая нагрузка, PC2 — антропогенный ввод, PC3 — редокс-режим и миграция тяжелых металлов, PC4 — жесткость). Землепользование проявляет ярко выраженный градиент: в 400 м от Яковлевского ГОКа доля застройки возрастает с 6,09 % (3 км) до 62,47 %, а пашня, пастбища, болота и водная гладь почти исчезают; в буферах 100–2 000 м вокруг поста «Козинка» лес и пашня доминируют (лес — U-профиль, пашня — инвертированный U-профиль, 100 м пастбище 18,5 %); вдоль реки фиксируется градиент «притоки < основное русло < двойной берег». Редундантный анализ (RDA) показал, что застройка, воды и болота положительно коррелируют с ионными и антропогенными индикаторами и отрицательно — с редокс-компонентами, тогда как пастбища во всех буферах положительно связаны с PC3 (окислительные условия). Доля пашни в радиусах 300–500 м имеет наиболее выраженные корреляции с минерализацией и жесткостью воды, а лес при 300 м демонстрирует значимые отрицательные связи с антропогенными индикаторами. Полученные зависимости подчеркивают масштабную и региональную специфику связей «землепользование — качество воды» и могут быть использованы для обоснования приоритетного сохранения 300-метровой прибрежной зоны, контроля расширения застройки в зоне ГОКа и управления пашней на удалении 300–500 м от русла для повышения экологической устойчивости трансграничного бассейна.

Ключ. слова

землепользование/наземный покров (LULC), буферная зона, метод главных компонент, редундантный анализ

Список литературы

  1. Бударина В.А., Игнатенко И.М., Косинова И.И. Эколого-геохимические особенности почв и грунтов зоны аэрации территорий сельских поселений районов воздействия крупных горнодобывающих комплексов. Горный журнал, 2024. № 11. С. 103–108. DOI: 10.17580/gzh.2024.11.16.
  2. Киселев В.В., Корнилов А.Г. Оценка гидрохимического состояния малых рек Белгородской области в пределах сельских территорий. Региональные геосистемы, 2024. Т. 48. № 3. С. 368–381. DOI: 10.52575/2712-7443-2024-48-3-368-381.
  3. Корнилова Е.А., Лисецкий Ф.Н., Родионова М.Е. Гидроэкологические особенности реки Ворсклы (российский участок) в контексте природно-хозяйственных изменений. Региональные геосистемы, 2023. Т. 47. № 4. С. 550–568. DOI: 10.52575/2712-7443-2023-47-4-550-568.
  4. Котлов С.Н., Целищев Н.А., Сотник Е.А., Гилязев Д.Х. Геолого-гидрогеологические факторы формирования водопритоков в горные выработки Яковлевского рудника. Горный журнал, 2023. № 5. С. 108–113. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.16.
  5. Лисецкий Ф.Н., Спесивцева А.Д., Хуан Л. Особенности изменения поверхностных вод в бассейне реки Ворскла в динамике развития железорудного производства. Актуальные проблемы геологии и гидрометеорологии в условиях меняющегося мира. Материалы IV Международной научно-практической конференции, 2025. С. 133–139.
  6. Мальцев К.А., Талипова С.Н., Магзянов И.И., Сомов А.А., Мальцева Т.С. Анализ точности эрозионного потенциала рельефа с использованием свободно распространяемых цифровых моделей рельефа. Цифровая география. Материалы II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 2024. С. 35–38. Электронный ресурс: http://www.psu.ru/files/docs/science/books/sborniki/cifrovaya-geografiya.pdf (дата обращения 29.04.2025).
  7. Buryak Z., Grigoreva O. A Project-Based Approach to Reduce the Risk of Soil Erosion in Agricultural Landscapes of Small River Basins Using GIS Technologies. International Multidisciplinary Scientific GeoConference: Surveying Geology and Mining Ecology Management, 2019. V. 19. No. 5-2. P. 19–26. DOI: 10.5593/sgem2019/5.2/S20.003.
  8. Buryak Z.A., Lisetskii F.N., Gusarov A.V., Narozhnyaya A.G., Kitov M. Basin-Scale Approach to Integration of Agro- and Hydroecological Monitoring for Sustainable Environmental Management: A Case Study of Belgorod Oblast, European Russia. Sustainability, 2022. V. 14. No. 2. Art. 927. DOI: 10.3390/su14020927.
  9. Chatterjee A., Shah M.P. Constructed Wetland for Metals: Removal Mechanisms and Analytical Challenges. Recent Trends in Constructed Wetlands for Industrial Wastewater Treatment. Singapore: Springer Nature Singapore, 2023. P. 31–41. DOI: 10.1007/978-981-99-2564-3_2.
  10. Chen X., Zhou W., Pickett S.T.A., Li W., Han L. Spatial-Temporal Variations of Water Quality and its Relationship to Land Use and Land Cover in Beijing, China. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2016. V. 13. Art. 449. DOI: 10.3390/ijerph13050449.
  11. Deng Q., Zhang X., Zhang L., Shao X., Gu T. The Impact Mechanism of Human Activities on the Evolution of Coastal Wetlands in the Liaohe River Delta. Frontiers in Ecology and Evolution, 2024. V. 12. Art. 1423234. DOI: 10.3389/fevo.2024.1423234.
  12. Edo G.I., Itoje-Akpokiniovo L.O., Obasohan P., Ikpekoro V.O., Samuel P.O., Jikah A.N., Agbo J.J. Impact of Environmental Pollution from Human Activities on Water, Air Quality and Climate Change. Ecological Frontiers, 2024. V. 44. Iss. 5. P. 874–889. DOI: 10.1016/j.ecofro.2024.02.014.
  13. Hawker L., Uhe P., Neal J. FABDEM Updates—FABDEM V1–2. Geomorphometry. Proceedings of International Conference. Zenodo, 2023. DOI: 10.5281/zenodo.8101259.
  14. Haynes R.J., Zhou Y.F. Retention of Heavy Metals by Dredged Sediments and Their Management Following Land Application. Advances in Agronomy, 2022. V. 171. P. 191–254. DOI: 10.1016/bs.agron.2021.08.004.
  15. Huang L. LULC Dynamics and Carbon Sequestration in Major Iron Ore Regions of Russia and China. Regional Geosystems, 2024. V. 48. No. 4. P. 542–564. DOI: 10.52575/2712-7443-2024-48-4-542-564.
  16. Huang W., Mao J., Zhu D., Lin C. Impacts of Land Use and Land Cover on Water Quality at Multiple Buffer-Zone Scales in a Lakeside City. Water, 2020, V. 12. No. 1. Art. 47. DOI: 10.3390/w12010047.
  17. Kong T., Zhang K., Huang L., Di J., Wang Y., Zhang J. Effects of Mixed Application of Microbial Agents on Growth and Substrate Properties of Alfalfa in Coal Gangue Matrix with Different Particle Sizes. Journal of China Coal Society, 2023. V. 48. No. S1. P. 241–251 (in Chinese). DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2022.0615.
  18. Li S., Peng S., Jin B., Zhou J., Li Y. Multi-Scale Relationship Between Land Use/Land Cover Types and Water Quality in Different Pollution Source Areas in Fuxian Lake Basin. PeerJ, 2019. V. 7. Art. e7283. DOI: 10.7717/peerj.7283.
  19. Lisetskii F.N., Buryak Z.A. Runoff of Water and its Quality Under the Combined Impact of Agricultural Activities and Urban Development in a Small River Basin. Water, 2023. V. 15. No. 13. Art. 2443. DOI: 10.3390/w15132443.
  20. Nuruzzaman M., Bahar M.M., Naidu R. Diffuse Soil Pollution from Agriculture: Impacts and Remediation. Science of The Total Environment, 2025. V. 962. Art. 178398. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2025.178398.
  21. Pang X., Guan M. Influence of Construction Works on Urban Streamflow Water Quality Variations. Science of The Total Environment, 2024. V. 955. Art. 176852. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.176852.
  22. Park S.R., Lee S.W. Spatially Varying and Scale-Dependent Relationships of Land Use Types with Stream Water Quality. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2020. V. 17. No. 5. Art. 1673. DOI: 10.3390/ijerph17051673.
  23. Qiu L.F., Zhu J.X., Pan Y., Dang Y.X., Wu S.H. Distribution Characteristics, Ecological Risks, and Source Identification of Heavy Metals in Cultivated Land Under Non-Grain Production. Huan Jing ke Xue, 2023. V. 44. No. 5. P. 2829–2837 (in Chinese). DOI: 10.13227/j.hjkx.202206190.
  24. Ren Z. Biogeochemical Consequences of Grassland Degradation on Linked Soil, Stream, and Lake Ecosystems in Watersheds: A Short Review. Watershed Ecology and the Environment, 2022. V. 4. P. 202–210. DOI: 10.1016/j.wsee.2022.11.005.
  25. Rossi M.L., Kremer P., Cravotta III C.A., Seng K.E., Goldsmith S.T. Land Development and Road Salt Usage Drive Long-Term Changes in Major-Ion Chemistry of Streamwater in Six Exurban and Suburban Watersheds, Southeastern Pennsylvania, 1999–2019. Frontiers in Environmental Science, 2023. V. 11. Art. 1153133. DOI: 10.3389/fenvs.2023.1153133.
  26. Shen Z., Hou X., Li W., Aini G. Relating Landscape Characteristics to Non-Point Source Pollution in a Typical Urbanized Watershed in the Municipality of Beijing. Landscape and Urban Planning, 2014. V. 123. P. 96–107. DOI: 10.1016/j.landurbplan.2013.12.007.
  27. Shen S., Pu J., Xu C., Wang Y., Luo W., Wen B. Effects of Human Disturbance on Riparian Wetland Landscape Pattern in a Coastal Region. Fuxian Lake Basin, 2022. V. 14. No. 20. Art. 5160. DOI: 10.3390/rs14205160.
  28. Shi P., Zhang Y., Li Z., Li P., Xu G. Influence of Land Use and Land Cover Patterns on Seasonal Water Quality at Multi-Spatial Scales. Catena, 2017. V. 151. P. 182–190. DOI: 10.1016/j.catena.2016.12.017.
  29. Singh B.R., Steinnes E. Soil and Water Contamination by Heavy Metals. Soil Processes and Water Quality. CRC Press, 2020. P. 233–271. DOI: 10.1201/9781003070184.
  30. Song W., Zhang H., Li X., Song H., Niu B., Shi X., Li J. Safe Utilization of Cultivated Land in High-Risk Areas of Soil Heavy Metal Pollution Based on Soil Resilience. Frontiers in Environmental Science, 2022. V. 10. Art. 889069. DOI: 10.3389/fenvs.2022.889069.
  31. Vera M.J.A., Engel B. Multi-Scale Analysis of the Dependence of Water Quality on Land Use Using Linear and Mixed Models. Water, 2021. V. 13. No. 19. Art. 2618. DOI: 10.3390/w13192618.
  32. Whitmore T.J., Brenner M., Kolasa K.V., Kenney W.F., Riedinger-Whitmore M.A., Curtis J.H., Smoak J.M. Inadvertent Alkalization of a Florida Lake Caused by Increased Ionic and Nutrient Loading to its Watershed. Journal of Paleolimnology, 2006. V. 36. P. 353–370. DOI: 10.1007/s10933-006-9000-2.
  33. Wu J., Lu J. Landscape Patterns Regulate Non-Point Source Nutrient Pollution in an Agricultural Watershed. Science of the Total Environment, 2019. V. 669. P. 377–388. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.03.014.
  34. Yermolaev O.P., Lisetskii F.N., Marinina O.A., Buryak Z.A. Basin and Eco-Regional Approach to Optimize the Use of Water and Land Resources. Biosciences Biotechnology Research Asia, 2015. V. 12. No. S2. P. 145–158. DOI: 10.13005/bbra/2021.
  35. Yermolaev O.P., Mukharamova S.S., Maltsev K.A., Ivanov M.A., Ermolaeva P.O., Gayazov A.I., Lisetskii F.N. Geographic Information System and Geoportal River Basins of the European Russia. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2018. V. 107. No. 1. DOI: 10.1088/1755-1315/107/1/012108.
  36. Zhang D., Huang R., Gao X.S. Spatial Characteristics and Potential Ecological Risk Factors of Heavy Metals in Cultivated Land in the Transition Zone of a Mountain Plain. Huan Jing Ke Xue, 2022. V. 43. No. 2. P. 946–956 (in Chinese). DOI: 10.13227/j.hjkx.202105139.
  37. Zhang X., Liu L., Chen X., Gao Y., Xie S., Mi J. GLC_FCS30: Global Land Cover Product with Fine Classification System at 30 m Using Time-Series Landsat Imagery. Earth System Science Data, 2021. V. 13. No. 6. P. 2753–2776. DOI: 10.5194/essd-13-2753-2021.
  38. Zhao J., Lin L., Yang K., Liu Q., Qian G. Influences of Land Use on Water Quality in a Reticular River Network Area: A Case Study in Shanghai, China. Landscape and Urban Planning, 2015. V. 137 P. 20–29. DOI: 10.1016/j.landurbplan.2014.12.010.

Для цитирования: Хуан Л. Полимасштабный анализ связей структуры LULC и качества воды (на примере бассейна р. Ворсклы). ИнтерКарто. ИнтерГИС. M.: Географический факультет МГУ, 2025. Т. 31. Ч. 2. С. 317–342. DOI: 10.35595/2414-9179-2025-2-31-317-342

For citation: Huang L. A multiscale study of LULC structure and water quality relationships (case study of the Vorskla river basin). InterCarto. InterGIS. Moscow: MSU, Faculty of Geography, 2025. V. 31. Part 2. P. 317–342. DOI: 10.35595/2414-9179-2025-2-31-317-342 (in Russian)