湖南水府廟水庫流域景觀格局與水質(zhì)特征關系分析

王明浩，王文杰* ，馮宇，吳棣，吳坤

1.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012

2.長春工程學院水利與環(huán)境工程學院，吉林 長春 130000

3.茂名市環(huán)境保護監(jiān)測站，廣東 茂名 525000

景觀格局是指異質(zhì)景觀要素的類型、數(shù)目以及空間分布與配置，是景觀空間異質(zhì)性的重要表現(xiàn)。景觀格局及其變化和發(fā)展是各種生態(tài)過程在不同尺度上相互作用的結果，又制約和影響著區(qū)域的生態(tài)過程［1］，因此深入研究區(qū)域景觀格局有助于更好地理解生態(tài)過程。

河流水質(zhì)受匯水單元內(nèi)自然和人為因素的綜合作用［2］，不合理的土地利用［3-6］、城市化［7］、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［8］等人類干擾都會影響流域內(nèi)景觀格局的變化，這些變化反過來又會影響到由人類活動產(chǎn)生的污染物隨水文過程的遷移、轉(zhuǎn)化，進而影響到河流水質(zhì)。已有研究表明，景觀空間結構、土地利用與流域內(nèi)水質(zhì)緊密相關。如Lee S. W.等［9-10］研究表明，河流水質(zhì)與流域內(nèi)耕地、建設用地以及林地面積所占比例有很大關聯(lián);針對潮河流域非點源污染過程的研究［11］顯 示，邊界 密度(ED)、香 農(nóng) 多 樣 性 指 數(shù)(SHDI)、聚集度指數(shù)(AI)和蔓延度指數(shù)(CONTAG)是影響該流域非點源污染過程的主要變量;Shen Z. Y.等［12］認為，北運河流域內(nèi)水質(zhì)與景觀組成和景觀格局間均存在密切關系，其中景觀格局的影響更為明顯;韓黎陽等［13］發(fā)現(xiàn)，三峽庫區(qū)內(nèi)不同土地利用斑塊類型導致的景觀破碎化能較好地解釋河流水質(zhì)的變異;K. A. Beckert 等［14］認為，不同土地利用類型對非點源污染負荷的相關性不同，尤其是耕地對TN 的影響最為顯著。景觀格局對流域水文過程和水質(zhì)的重要性已被充分證實，景觀格局對河流水質(zhì)的影響過程非常復雜并且?guī)в械赜蛐蕴卣鳌?/p>

基于土地利用、景觀格局以及地表下墊面性質(zhì)會改變水庫水質(zhì)的觀點，筆者以湖南水府廟水庫流域為研究區(qū)，選用景觀和斑塊類型2 個水平上的景觀指數(shù)，重點關注流域內(nèi)主要土地利用類型(林地、耕地以及建設用地)，采用Pearson 相關分析法、典范式對應分析(canonical correspondence analysis，CCA)法探討景觀格局因子與水質(zhì)特征之間的相關關系，定量描述各景觀指數(shù)在流域不同地理空間內(nèi)對水質(zhì)的影響和貢獻，以期明確水府廟水庫流域土地利用類型、景觀要素空間分布及其配置與水質(zhì)特征的關系，并闡述其影響機理。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

水府廟水庫流域(112°05'04″E ～112°14'52″E，27°38'57″N ～27°47'23″N)地處湖南省腹地，湘江一級支流漣水中游，總面積3 040.5 km2。流域內(nèi)地形起伏，坡度差異較大，河谷平原、丘陵、崗地和低山交錯排列，海拔63 ～1 511 m，地勢南北高、中間低。流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L濕潤氣候區(qū)，年總降水量充沛，年均降水量1 503.8 mm。流域內(nèi)及其周邊的14 個氣象監(jiān)測站1981—2010年的降水數(shù)據(jù)顯示，1—2月以及9—12月為該流域的少雨季，3—8月為多雨季。

1.2 匯水單元劃分與土地利用類型

圖1 流域內(nèi)7 個匯水單元(U1 ～U7)與土地利用類型ig.1 The selected 7 catchment units(U1 ～U7)and land use types in Shuifumiao reservoir watershed

以該研究區(qū)的DEM 為基礎，借助ArcGIS 10.1的水文分析模塊對研究區(qū)內(nèi)的匯水單元進行劃分，結果如圖1 所示。利用2013年10月美國陸地衛(wèi)星Landsat8 獲取的遙感影像得到研究區(qū)土地利用分布格局，在ENVI 5.1 支持下對遙感影像數(shù)據(jù)進行大氣輻射校正、幾何校正等預處理，融合DEM、社會經(jīng)濟等多源數(shù)據(jù)，采用決策樹分類方法將土地利用類型劃分為林地、建設用地、草地、耕地、園地、濕地、水體等7 種。在研究區(qū)內(nèi)進行實地調(diào)查獲取172 個采樣點，并與遙感解譯的土地利用類型結果相比較，解譯精度為97.7%。

1.3 流域水質(zhì)指標

綜合考慮流域水環(huán)境主要污染因子和已有相關研究，監(jiān)測NH+4 -N、TN、TP、COD 以及pH、DO 等理化參數(shù)。在入庫河流匯水點設置一系列采樣點，于2013年進行采樣，監(jiān)測頻率每月1 次，每個樣點重復測定3 次，采集的水樣按照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》進行測定與分析。

1.4 景觀格局分析方法

景觀指數(shù)能夠高度濃縮景觀格局信息，反映景觀格局的空間異質(zhì)性特征。雖然其本身存在諸多缺陷和局限性［15-16］，但為景觀格局分析提供了行之有效的方法。使用景觀指數(shù)方法分析景觀格局與流域水質(zhì)的關系，在參考相關研究［11，17-19］的基礎上，充分考慮景觀指數(shù)的生態(tài)學意義，從景觀的破碎度、形狀、蔓延度、多樣性、連接度5 個方面全面地描述流域內(nèi)景觀結構的空間特征，選取的景觀指數(shù)如表1所示。

表1 所選景觀指數(shù)及其含義Table 1 List of the selected landscape metrics at the landscape and class levels

2 結果和分析

2.1 土地利用類型組成特征

土地利用類型在7 個匯水單元(U1 ～U7)內(nèi)所占比例有明顯差異(圖2)，流域內(nèi)主要土地利用類型為林地、耕地以及城鎮(zhèn)建設用地，其中林地在U1、U2、U6、U7 內(nèi)所占比例較大，為56.2% ～60.1%;耕地在U3 內(nèi)所占比例最大，為50.9%;城鎮(zhèn)建設用地面積在U5 內(nèi)所占比例為10.9%，而在其他區(qū)域內(nèi)所占比例均在10.0%以下。

2.2 景觀格局

景觀格局分析結果(表2)表明，7 個匯水單元的景觀格局差異較大。U4 的景觀破碎度最高，U6最低;U1 的形狀最為復雜，可能是因為該區(qū)域的主要土地利用類型為林地，受人為干擾較小，U6 中2個形狀指數(shù)均為最小值，說明該匯水單元斑塊形狀較為簡單;AI、CONTAG 和散布與并列指數(shù)(IJI)在U3 中相對較小，在U6 中相對較大，說明在U3 中散布分布的斑塊較多，U6 中有較大面積的斑塊聚集分布;SHDI 最高值出現(xiàn)在U5，最低值出現(xiàn)在U2;U5的景觀連接度最低，U2 最高。

圖2 7 個匯水單元內(nèi)土地利用類型面積比例ig.2 Composition of land use types in the 7 catchment units

表2 7 個匯水單元景觀指數(shù)Table 2 Landscape pattern metrics in the 7 catchment units

2.3 土地利用與水質(zhì)的關系

采用Pearson 相關分析法考察了流域內(nèi)主要土地利用類型面積所占比例與水環(huán)境質(zhì)量的相關性，結果見表3。

表3 主要土地利用類型面積所占比例與水質(zhì)特征的Pearson 相關分析Table 3 Results of Pearson correlation analysis between the area of different land use types and water quality indicators

由表3 可見，流域內(nèi)主要土地利用類型(林地、耕地以及建設用地)面積所占比例與NH+4 -N、TP、TN 濃度和COD 在少雨季和多雨季表現(xiàn)出一致的相關性。林地面積比例與NH+4-N、TP、TN 濃度和COD呈負相關，其中與TN 和TP 濃度呈顯著負相關，這與森林對水質(zhì)有積極貢獻的結論［3，9］相一致。耕地面積比例與NH+4-N、TP、TN 濃度和COD 呈正相關，其中與TP 濃度呈極顯著正相關，同樣與耕地是水質(zhì)退化的主要貢獻者之一的結論［3，6］相吻合。建設用地面積比例與NH+4 -N、TP 和TN 濃度呈正相關，表明城鎮(zhèn)建設用地是流域內(nèi)營養(yǎng)鹽的重要輸出源，然而與COD 呈負相關，說明在建設用地面積比例較大的情況下，水體中COD 較小，但這并不意味著建設用地的增加有利于河流水質(zhì)的改善。耕地、建設用地可引起水質(zhì)的退化;林地較能有效控制污染，對于河流水質(zhì)有積極的貢獻。

2.4 水質(zhì)與景觀格局的關系

將研究區(qū)水質(zhì)指標(NH+4-N、TP、TN 濃度和COD)以及理化參數(shù)(pH、DO 濃度)作為研究對象，將流域的景觀格局指數(shù)作為環(huán)境變量，借助Canoco for Windows 4.5 軟件，采用CCA 法對上述2 組因子之間的關系進行分析［23］。CCA 法二維排序結果能夠同時顯示研究對象排序和環(huán)境因子排序，可以直觀地表示各環(huán)境變量之間以及研究對象與環(huán)境變量之間的關系［23-24］。

2.4.1 流域景觀水平

由圖3 可見，TN 和TP 濃度與景觀指數(shù)之間表現(xiàn)出較為一致的相關性。TN 濃度受破碎度影響較大，與ED、斑塊密度(PD)、SHDI 均呈正相關，與IJI、AI、周長-面積分維數(shù)(PAFRRAC)、CONTAG、斑塊黏合度(CONHESION)均呈負相關。值得注意的是，TN 濃度與平均形狀指數(shù)(SHMN)的相關性，在少雨季呈負相關，而在多雨季則呈正相關，但上述相關性均較弱。TP 濃度受ED、AI 的影響較大，在景觀水平上，與ED、PD、CONHESION 均呈正相關，與IJI、AI、PAFRAC、CONTAG、SHMN、SHDI 均呈負相關，并且在少雨季和多雨季表現(xiàn)出一致性。在少雨季，景觀格局對TN 濃度的影響要高于多雨季，而TP 濃度卻表現(xiàn)為在多雨季對流域內(nèi)景觀指數(shù)的敏感程度要高于少雨季。可見，在受人類干擾較大并且景觀中包含破碎度較高、分布零散的斑塊情景下，水體中TN、TP 濃度更有可能升高。

圖3 景觀水平上的CCA 二維排序Fig.3 Two-dimensional ordination diagram of canonical correspondence analysis in landscape level

COD 與SHDI、IJI、PD、SHMN 均呈正相關，與ED、CONHESION、CONTAG、PAFRRAC、AI 均呈負相關，其中，與SHDI 顯著正相關，與CONHESION 顯著負相關。由COD 與景觀指數(shù)在少雨季和多雨季的關系可以看出，異質(zhì)性斑塊間的連通性增加會提高水體中的COD，而當流域中僅包含較少的土地利用類型且呈大塊聚集分布時更有可能降低水體中的COD。

NH4+-N 濃度受IJI 的影響較為明顯，二者呈負相關。與NH4+-N 濃度呈正相關的指數(shù)有ED、PD、PAFRAC、CONTAG、CONHESION，呈負相關的指數(shù)有SHDI、SHMN、IJI、AI，上述相關性在少雨季和多雨季表現(xiàn)一致。分析對NH4+-N 濃度影響較大的指數(shù)可以得出:景觀破碎度的增加會引起水體中NH4+-N 濃度的升高;NH4+-N 濃度受生態(tài)系統(tǒng)類型的分布特征影響顯著，斑塊聚集程度的增大有利于抑制NH4+-N 對水體的污染;NH4+-N 濃度與SHMN呈負相關，而與TN、TP 濃度和COD 呈負相關，因此可以認為，SHMN 與流域內(nèi)的水質(zhì)指標并未表現(xiàn)出一致的相關性。

2.4.2 景觀類型水平

利用空間分析與CCA 二維排序法，分別在林地、耕地、建設用地3 種景觀類型水平上分析景觀格局與水質(zhì)指標的關系，結果如圖4 所示。由圖4 可見，6 個指標對景觀格局表現(xiàn)出不同的響應特征。

對于林地(圖4(a)(b))，TN 濃度受林地斑塊密度影響較大，TP 濃度受林地邊界密度影響較大，NH4+-N 濃度則受林地斑塊復雜程度影響較大。TP、TN 和NH4+-N 濃度與PD、ED、SHMN、PAFRAC 均呈正相關，表明林地景觀的破碎度以及斑塊復雜化都會增強營養(yǎng)鹽的輸出，增加水質(zhì)惡化的可能性。AI反映了斑塊的聚合程度，CONHESION 反映了斑塊的連接性［22］，AI、CONHESION 與TP、TN 和NH4+-N濃度呈負相關，表明流域內(nèi)林地斑塊離散程度高更容易促進營養(yǎng)鹽的流失。林地AI、CONHESION 的箭頭連線較長，說明二者對水質(zhì)的影響作用至關重要，即大面積森林的團聚分布可以更加有效地控制污染物的輸出。

對于耕地(圖4(c)(d))，景觀類型的邊界密度對NH4+-N 和TP 濃度影響較大，說明耕地破碎度的增加會導致NH4+-N、TP 輸出的增加;TN 濃度受耕地斑塊聚集度的影響較大，表明耕地的聚集分布可增加氮的輸出或者不利于對耕地中TN 的固定和截留;COD 與CONHESION 箭頭連線的延長線靠近，說明耕地連接度的增加會抑制COD 在景觀結構單元間運動的程度;ED 的箭頭連線較長，說明耕地斑塊的形狀復雜程度對耕地污染物的輸出有重要作用，耕地的空間位置、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式都會影響到耕地與水質(zhì)之間的關系。可見，充分考慮耕地斑塊的邊界面積、形狀復雜程度等對于研究流域水質(zhì)特征更具有意義。

對于建設用地(圖4(e)(f))，TN、TP 和NH4+-N濃度與ED、PD 均表現(xiàn)出較強的正相關性，說明TN、TP 和NH4+-N 濃度對建設用地的斑塊大小、邊界面積的變化較為敏感，而且在多雨季和少雨季表現(xiàn)出一致的相關性，TN 和TP 濃度與CONHESION 也呈負相關，但相關性不顯著，建設用地破碎度分布及斑塊間連通性的增加均在很大程度上影響著TN、TP的輸出。通過TP、TP、NH4+-N 和COD 與AI、SHMN、PAFRAC 的負相關性可認為，集中型城鎮(zhèn)化、斑塊形狀趨于簡單化有利于對污染物及其擴散的控制。

圖4 斑塊類型水平上的CCA 二維排序Fig.4 Two-dimensional ordination diagram of canonical correspondence analysis in class level

3 討論

3.1 土地利用對水質(zhì)的影響

耕地和建設用地是水質(zhì)退化最主要的貢獻源，森林能夠有效控制水體中污染物濃度，與其他研究結果相吻合［9-10，13］。耕地和建設用地受人類干擾影響較大，尤其是建設用地，人類活動能夠改變地表下墊面性質(zhì)，其中不透水地面會導致地面徑流量增加，與此同時失去對污染物的截留、吸收作用［25-26］，進而導致水體中有機物和營養(yǎng)鹽濃度增加，水質(zhì)下降［2］。另外，建設用地污染源類型多樣，包括工業(yè)點源污染、農(nóng)村生活面源污染以及城鎮(zhèn)面源污染等［27］，這些污染過程產(chǎn)生的污染物排放也是造成區(qū)域水質(zhì)下降的主要原因之一。

水府廟水庫流域耕地對水質(zhì)的影響比建設用地對水質(zhì)的影響要更加顯著，耕地的非點源輸出高于建設用地，這與部分研究結論［7，28］有所不同，主要原因是流域內(nèi)耕地面積所占比例高于建設用地，城市化水平不高，即使下墊面性質(zhì)發(fā)生改變，其對非點源污染輸出的影響也不是很大，這也可以說明生態(tài)系統(tǒng)類型對河流水質(zhì)的影響與不同類型的數(shù)量有關，因此該流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)非點源污染問題也顯得尤為突出。耕地主要通過施用農(nóng)藥化肥以及調(diào)整灌溉方式等影響水質(zhì)，未被作物吸收利用的養(yǎng)分和化學物質(zhì)會隨徑流流失。但也有研究［2，9，29］表明，耕地與水質(zhì)并未表現(xiàn)出明確一致或者顯著相關性。這可能是因為該流域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式較為單一且耕地分布比較集中。

河流污染是伴隨著生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)、能量交換以及遷移，水文過程，土壤的侵蝕［17］而發(fā)生的生態(tài)過程，在森林植被的作用下可以有效地防治水土流失及減少降雨徑流對土壤的侵蝕程度［30-31］，從而對污染物表現(xiàn)出明顯的攔截過濾及吸收轉(zhuǎn)化的作用。

3.2 景觀格局對水質(zhì)的影響

河流水質(zhì)的好壞不僅取決于流域內(nèi)土地利用類型及其重要性，更依賴于各種景觀類型的空間分布格局及其配置。借助GIS 和遙感技術，利用景觀指數(shù)對研究區(qū)內(nèi)的景觀格局進行量化分析［21］。

3.2.1 景觀水平

PD、ED 反映的是景觀破碎度［32］，流域內(nèi)景觀破碎度能直接影響景觀中能量流動、物質(zhì)循環(huán)等生態(tài)過程［33］，反映景觀中異質(zhì)斑塊之間物質(zhì)、能量流動的潛力及相互影響的強度，對污染物在流域內(nèi)的遷移、轉(zhuǎn)化有重要影響。本研究中，少雨季和多雨季內(nèi)TN、TP、NH+4 -N 濃度和COD 與PD、ED 均呈正相關，表明流域內(nèi)斑塊破碎度的增加有利于污染物遷移。

TN、TP、NH4+-N 濃度和COD 與SHMN、PAFRAC之間的相關性分析顯示，流域內(nèi)斑塊的形狀復雜程度與流域內(nèi)的水質(zhì)指標并未表現(xiàn)出一致的相關性，這與Lee S. W.等［9］的觀點相同。流域內(nèi)河流污染伴隨土壤侵蝕、徑流等與空間相關的生態(tài)過程產(chǎn)生，而SHMN、PAFRAC 均與空間位置無關［17］，斑塊復雜程度不能很好地表征其對河流水質(zhì)好壞的影響。因此在分析斑塊形狀對水質(zhì)的影響時，需要明確斑塊在匯流方向上的形狀特征，否則難以得出二者之間的明確關系。

研究結果表明，景觀蔓延度指數(shù)(AI、CONTAG、IJI)與多數(shù)污染物指標呈負相關。其中SHDI 反映了斑塊類型的豐富度和景觀的異質(zhì)性，不同斑塊類型數(shù)量增加或(和)景觀中各斑塊類型呈均衡化趨勢分布時，多樣性指數(shù)呈增大趨勢［32］。由于選取的匯水單元斑塊類型相同，因此SHDI 對污染物濃度變化的影響差異主要是由流域內(nèi)斑塊類型分布不均勻引起，流域內(nèi)SHDI 的增加會導致河流中TN 濃度和COD 的升高，這與部分研究結果［9，34］相一致，但TP 和NH4+-N 濃度隨流域內(nèi)SHDI 的增加而減小，說明研究區(qū)內(nèi)不同的污染指標濃度對景觀異質(zhì)性的響應存在差異。

3.2.2 斑塊類型水平

林地、耕地的PD 以及林地、耕地、建設用地的ED 均與多數(shù)水質(zhì)指標呈正相關，表明林地的破碎度容易導致景觀內(nèi)營養(yǎng)物的流失，耕地的破碎度也會使氮、磷的輸出量增加。其中PD 與斑塊數(shù)量相關，并未包含斑塊大小及其空間分布等信息，這可能是建設用地的PD 與流域內(nèi)水質(zhì)指標呈負相關的原因，而且PD 在建設用地對水質(zhì)影響上并無很大貢獻。因此，在城市化進程中，合理的城市規(guī)劃(如城鎮(zhèn)的規(guī)模、空間分布等)對流域內(nèi)水質(zhì)保護至關重要。

SHMN、PAFRAC 在斑塊類型水平上與水質(zhì)指標也未表現(xiàn)出一致的相關性，但是對土地利用類型有很強的依賴性，尤其是林地斑塊形狀的復雜程度有可能增加水質(zhì)惡化趨勢。

AI 對流域內(nèi)水質(zhì)的影響表現(xiàn)為林地、建設用地的聚集程度越高，流域內(nèi)河流污染物濃度越低，而耕地與之相反。說明大面積林地的聚集對污染物的削減效果明顯;高度集約化的城鎮(zhèn)更有利于對污染物流失和擴散的控制;耕地分布越聚集，越容易造成污染物的流失。

用CONHESION 度量景觀連接度時，沒有考慮到生境斑塊的形狀和內(nèi)部異質(zhì)性［35］，因此在斑塊類型上考慮該指數(shù)對河流水質(zhì)的影響比景觀水平上更有意義。植被斑塊連接度增大有利于抑制土壤侵蝕、徑流等過程，因此林地斑塊連接度的增加可以降低河流中污染物濃度。

4 結論

(1)林地面積所占比例與水體中NH+4-N、TP、TN 濃度和COD 呈顯著負相關，大面積的森林有利于保護流域內(nèi)的水質(zhì);而耕地、建設用地面積所占比例與污染指標呈顯著正相關，耕地、建設用地為研究區(qū)內(nèi)污染物產(chǎn)生和輸出的主要土地利用類型。引起區(qū)域內(nèi)水質(zhì)退化的生態(tài)系統(tǒng)類型受人類活動影響較大，人類活動是引起河流水質(zhì)變壞的關鍵因素。

(2)在景觀水平上，流域內(nèi)斑塊破碎度的增加會增加水質(zhì)退化的可能性;景觀形狀的復雜程度與河流水質(zhì)關系不明確，無法確切地表征河流水質(zhì);景觀斑塊類型分布不均勻程度以及斑塊呈現(xiàn)離散化分布程度增加，很可能會加劇水質(zhì)退化。

(3)在斑塊類型水平上，不同類型斑塊的破碎度增加均會對水質(zhì)產(chǎn)生不利影響;異質(zhì)性斑塊的形狀復雜程度與河流水質(zhì)未表現(xiàn)出一致性的相關性;聚集程度較高的林地、建設用地有利于改善水質(zhì)，而耕地與之相反;林地斑塊連接度的增加能夠顯著降低河流中污染物濃度。

(4)景觀格局對流域內(nèi)水質(zhì)影響具有明顯的地帶性和異質(zhì)性特征，不僅表現(xiàn)在土地利用類型的空間配置和數(shù)量比例對水質(zhì)特征產(chǎn)生空間上的差異，還表現(xiàn)在各種景觀類型的空間分布格局對水質(zhì)的影響。

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