蘇南地區(qū)景觀格局特征與坑塘水質(zhì)關(guān)聯(lián)關(guān)系

喬郭亮，周寅康,2,3，顧錚鳴，何 杰

蘇南地區(qū)景觀格局特征與坑塘水質(zhì)關(guān)聯(lián)關(guān)系

喬郭亮1，周寅康1,2,3※，顧錚鳴1，何 杰1

（1. 南京大學地理與海洋科學學院，南京 210023；2. 自然資源部海岸帶開發(fā)與保護重點實驗室，南京 210023；3. 江蘇省土地開發(fā)整理技術(shù)工程中心，南京 210023）

研究不同空間尺度景觀類型與景觀格局指數(shù)對農(nóng)村坑塘水質(zhì)的影響程度和機制對于快速城鎮(zhèn)化背景下鄉(xiāng)村水環(huán)境保護具有重要的現(xiàn)實意義?；趯嵉厮畼硬杉瘮?shù)據(jù)及土地利用數(shù)據(jù)，以蘇南地區(qū)農(nóng)村坑塘為研究對象，結(jié)合相關(guān)分析、冗余分析等數(shù)理統(tǒng)計方法，初步探討經(jīng)濟發(fā)達區(qū)農(nóng)村坑塘水質(zhì)與土地利用/景觀格局之間的特征關(guān)系。結(jié)果表明：1）蘇南地區(qū)農(nóng)村坑塘水質(zhì)狀況不一，自北向南，電導率（COND）、NH3-N有增加趨勢，磷酸鹽（TDP）有減少趨勢，溶解氧（DO）先降后增。平原區(qū)坑塘污染較嚴重，以DO污染為主，低山丘陵區(qū)污染程度較輕，主要為磷元素和DO污染。不同尺度緩沖區(qū)內(nèi)土地利用強度較大，耕地、建設(shè)用地占主導地位，平均面積比例在57.34%～73.19%；2）不同景觀類型對水質(zhì)影響存在差異，建設(shè)用地與NH3-N、DO呈正相關(guān)，與TDP、COND呈負相關(guān)，耕地在200 m尺度上與COND、NH3-N呈顯著正相關(guān)，在400～500 m尺度上與TDP呈顯著正相關(guān)，林地和草地對水質(zhì)凈化具有一定正效應(yīng)，且在200 m尺度上較明顯；3）景觀格局指數(shù)與水質(zhì)特征關(guān)系較明顯且存在尺度差異。相關(guān)分析中，100 m尺度下的最大斑塊指數(shù)（LPI）、景觀聚集度指數(shù)（AI）與COND、NH3-N呈顯著負相關(guān)，100 m尺度下的景觀形狀指數(shù)（LSI）、景觀分離度指數(shù)（DIVISION）與COND、NH3-N呈顯著正相關(guān)。冗余分析中，100 m緩沖區(qū)內(nèi)，第一排序軸（約束軸）累積百分比為94.4%，相關(guān)系數(shù)為53.3%，較好表達水質(zhì)指標與景觀格局指數(shù)的關(guān)系；4）LPI、LSI、DIVISION、斑塊結(jié)合度指數(shù)（COHESION）及AI與地區(qū)水質(zhì)特征關(guān)系最為明顯。斑塊密度越小，破碎度越低，聚集與連接度越低，分離度越高則越有利于地區(qū)坑塘水質(zhì)的保護。通過多維度分析，在一定程度上揭示了蘇南地區(qū)坑塘生態(tài)水文過程，有利于經(jīng)濟發(fā)達區(qū)農(nóng)村坑塘管理和水質(zhì)保護，研究結(jié)果可為政府相關(guān)部門決策提供一定參考。

水質(zhì)；坑塘；景觀格局；冗余分析；污染負荷比指數(shù)；蘇南

0 引 言

地表水資源是人類生存發(fā)展的重要基礎(chǔ)，其水質(zhì)好壞會對區(qū)域環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)發(fā)展等方面產(chǎn)生直接明顯的影響，而水體的理化性質(zhì)一定程度上反映了水質(zhì)狀況。作為生態(tài)過程的載體[1]，景觀格局不僅受到各種自然因素及人類活動的綜合影響，反過來也影響著水體各種生物地球化學和水文過程，從而深刻影響水體的理化性質(zhì)。加強地表水體水質(zhì)與土地利用/景觀格局的關(guān)聯(lián)分析對于地區(qū)水生態(tài)保護與管理具有重要實際意義。

自20世紀70年代美國頒布《清潔水法案》后，坑塘濕地作為重要的雨洪管理設(shè)施，在北美、歐洲及日本等發(fā)達國家被作為BMP（Best Management Practice）、LID（Low Impact Development）等廣泛采用，坑塘建設(shè)目的也從最初的防洪滯蓄逐漸延伸到水體質(zhì)量的改善。一般來說坑塘是指自然形成或地面開挖的容積小于10萬m3的水體[2]，在早期社會一直作為農(nóng)田水利設(shè)施而存在?，F(xiàn)階段，作為蘇南農(nóng)村地區(qū)重要的地表水體，坑塘水域在促進鄉(xiāng)村社會經(jīng)濟發(fā)展、維持地區(qū)生態(tài)平衡與安全方面起到重要的作用[3]，隨著蘇南地區(qū)城鄉(xiāng)一體化建設(shè)進程加快、圍墾養(yǎng)殖等[4]土地開發(fā)活動不斷增多，坑塘景觀格局正受到直接或間接地改變，區(qū)域內(nèi)自然坑塘不斷消失，景觀多樣性不斷減弱。人類活動增強引起的土地利用/土地覆被變化顯著影響著坑塘水量與水質(zhì)。隨著自然坑塘的荒廢、農(nóng)地的擴張，原有坑塘的數(shù)量及水域面積在逐漸減少，2000—2015年蘇南地區(qū)的坑塘面積減少約517.76 hm2，同時還面臨著形狀趨于規(guī)則單一、受人類活動影響加劇的趨勢；另外，坑塘之間的連通性對地區(qū)蓄洪防洪具有重要作用，2004—2016年，蘇州高新區(qū)山塘數(shù)量銳減超過七成，地區(qū)的蓄洪能力削弱近30%；伴隨著快速城鎮(zhèn)化，長三角地區(qū)農(nóng)村水環(huán)境遇到較大威脅，90%以上已喪失其基本功能[5]，其中氮磷面源污染最為顯著。有學者指出太湖流域有25.5%和45.9%的TN（總氮）負荷來源于農(nóng)田種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)等農(nóng)業(yè)面源污染[6]。作為承接農(nóng)業(yè)徑流并向下輸送的重要水文通道，農(nóng)村坑塘水體難免會受到地區(qū)面源污染的影響。在這種影響下，坑塘水質(zhì)正在快速變化并呈現(xiàn)隱蔽性、滯后性、持久性等特點。景觀格局與地表水質(zhì)之間的關(guān)系近年來逐漸引起學者的重視[7]，但相關(guān)研究多聚焦于河流流域、湖泊及大型濕地的水質(zhì)變化[8-11]，而農(nóng)村坑塘水質(zhì)與景觀格局的特征關(guān)系研究尚不充分，研究不同空間尺度下景觀格局與坑塘水質(zhì)的關(guān)聯(lián)特征，探索景觀格局與坑塘水質(zhì)的最佳響應(yīng)尺度，探討特定范圍內(nèi)景觀格局與水體質(zhì)量的耦合關(guān)系，對地區(qū)土地利用的綜合管理和水質(zhì)保護具有重要現(xiàn)實意義。

蘇南地區(qū)作為長三角經(jīng)濟區(qū)的核心區(qū)域，農(nóng)村坑塘水質(zhì)狀況對于區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展、水生態(tài)安全的意義愈發(fā)顯著。本研究以蘇南地區(qū)農(nóng)村坑塘水質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助GIS技術(shù)，結(jié)合相關(guān)性分析、冗余分析等方法研究區(qū)域景觀格局與坑塘水質(zhì)之間的特征關(guān)系，從而為地區(qū)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展、區(qū)域水質(zhì)保護及景觀優(yōu)化與管理提供參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

蘇南地區(qū)指江蘇省內(nèi)位于長江以南的區(qū)域，包括南京、鎮(zhèn)江、常州、無錫和蘇州等5市，共44個區(qū)（市），地形以低山、丘陵和平原為主，長江東西橫貫其中。蘇南地區(qū)國土面積27 872 km2，其中平原面積占比50.45%，山丘面積占28.4%，水域面積占21.15%[12]，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均溫16.2～17.5 ℃，氣候溫和，多年平均降水量在1 000 mm以上，水系發(fā)達，河流縱橫交錯。研究區(qū)地類包括建設(shè)用地、耕地、園地、水域、林草地及其他用地（圖1a）。蘇南地區(qū)地處長三角腹地，是中國經(jīng)濟最活躍的地區(qū)之一，但隨著城鎮(zhèn)化的縱深發(fā)展，農(nóng)村坑塘的利用逐漸強化，主要功能發(fā)生了轉(zhuǎn)變，強烈的人為影響使地區(qū)的水體逐漸退化，坑塘逐漸與周圍連通水系割裂開來成為獨立水體，導致坑塘水體引排不暢、淤積嚴重，自凈能力逐漸下降。

采樣坑塘主要分布在鎮(zhèn)江市（句容市、丹陽市）13個（編號1～13）、常州市（金壇區(qū)、溧陽市）14個（編號14～27）和無錫市（宜興市、江陰市）15個（編號28～42）（圖1b），其流域分布如圖1c。采樣時，選取各坑塘的水面中心位置（距水面5～10 cm處）作為采樣點。依據(jù)采樣的類型劃分為村塘、田塘及養(yǎng)殖坑塘，蘇南地區(qū)坑塘在功能上均存在一定重疊，原因在于蘇南地區(qū)大部分坑塘已由原有的農(nóng)村小型水利基礎(chǔ)設(shè)施逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)展經(jīng)濟的載體，經(jīng)過調(diào)研及分析可以發(fā)現(xiàn)，處于不同類型的坑塘其受到的污染具有復雜性及多重性，故蘇南地區(qū)坑塘在一定程度上可以視為污染物來源穩(wěn)定的研究對象。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所使用的數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)、野外調(diào)查數(shù)據(jù)。1）土地利用數(shù)據(jù)基于第二次土地利用調(diào)查的2018年度變更成果，比例尺為1∶10 000。利用該數(shù)據(jù)進行坑塘水面圖斑與周邊土地利用數(shù)據(jù)提取，并結(jié)合Fragstats 4.2軟件進行相關(guān)景觀格局指數(shù)計算；2）野外調(diào)查數(shù)據(jù)來源于2019年7月及2020年9月的蘇南地區(qū)典型坑塘實地采樣，主要包括典型坑塘周邊環(huán)境、采樣點位置坐標，以及采樣坑塘的水深水溫等信息；同時記錄與當?shù)鼐用竦脑L談交流，了解地區(qū)環(huán)境治理以及政策實施情況；3）水質(zhì)數(shù)據(jù)參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）標準測定，采樣點選擇原則為下墊面一致且形態(tài)規(guī)則。檢測儀器包括便攜式pH儀、便攜式電導儀及Lovibond多光譜水質(zhì)檢測儀。

1.3 研究方法

1.3.1 水質(zhì)指標的選取

蘇南農(nóng)村地區(qū)對水質(zhì)造成威脅的污染物主要來自生活污水、粗放養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)非點源污染等[13]。本文選取酸堿度（pH）、電導率（COND，S/cm）、溶解氧（DO，mg/L）、可溶性總磷酸鹽（TDP，mg/L）和氨氮（NH3-N，mg/L）表征坑塘水質(zhì)狀況。其中pH值是水溶液重要的參數(shù)之一，其值變化可反映水體酸堿度及硬度的變化；COND常用來推測水中離解物質(zhì)的含量，一般水中無機離子（含鹽量）濃度越高，電導率值越大；DO是水體污染程度和水質(zhì)新鮮程度的重要指標[14]；磷是各種生物必須的營養(yǎng)元素之一，自然水環(huán)境中能夠被浮游植物和沉水植物吸收的主要是可溶性磷酸鹽，磷超標會導致水體富營養(yǎng)化，造成水體惡臭[15]；NH3-N是一種耗氧污染物，易導致水體富營養(yǎng)化，還會對一些水生生物產(chǎn)生毒害作用[16]。

1.3.2 指數(shù)選取

以各采樣點為圓心分別建立半徑為100、200、300、400、500 m的緩沖區(qū)。由于景觀指數(shù)眾多，且部分指數(shù)之間表征意義存在重復，利用Spearman工具對景觀格局指數(shù)進行初步劃分，保留相對獨立且相關(guān)性不顯著的景觀指標，并優(yōu)先選擇經(jīng)過前人研究證明與地表水質(zhì)特征響應(yīng)關(guān)系較強的景觀變量。從景觀優(yōu)勢度、景觀破碎度、景觀分離度、景觀多樣性及景觀連接度等角度確定以下景觀指標[11,16]：最大斑塊指數(shù)（LPI）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、分離度指數(shù)（DIVISION）、聚集度指數(shù)（AI）、多樣性指數(shù)（SHDI）、斑塊結(jié)合度指數(shù)（COHESION）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、斑塊密度指數(shù)（PD）；同時選擇景觀類型百分比（PLAND）用以研究坑塘緩沖區(qū)內(nèi)的土地利用占比在不同邊界條件下與水質(zhì)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

在流域劃分的基礎(chǔ)上選取單項污染指數(shù)、綜合污染指數(shù)及污染負荷比指數(shù)，以期對地區(qū)坑塘水質(zhì)進行整體評價。綜合污染指數(shù)能夠?qū)⒏黜椝|(zhì)指標的濃度值無量綱化，從而實現(xiàn)不同空間坑塘水質(zhì)的比較。污染負荷比指數(shù)可比較不同污染物對坑塘水質(zhì)影響的程度差異[17-18]。具體的計算公式如下：

其中，溶解氧DO采用P=C0/C。

根據(jù)坑塘水體的綜合污染指數(shù)狀況將其劃分為5個等級（表1），并對所研究的坑塘水質(zhì)污染程度和污染水平評價[19]。

1.3.3 統(tǒng)計分析

為避免變量間的非正態(tài)分布帶來的分析偏差，采用Spearman相關(guān)分析，對各采樣點緩沖區(qū)景觀水平和類型水平上的景觀指數(shù)與水質(zhì)指標進行相關(guān)性分析。同時為直觀顯示景觀格局對坑塘水質(zhì)的影響，經(jīng)過對水質(zhì)指標的降趨勢分析（Detrended Correspondence Analysis，DCA），Lengths of gradient的第一軸值為0.529（<3.0），選擇冗余分析（Redundancy Analysis，RDA）探討二者的關(guān)系，排序圖中變量的箭頭越長代表二者相關(guān)性越強，反之，相關(guān)性越弱。箭頭夾角的余弦值在數(shù)值上等于二者的相關(guān)系數(shù)，當余弦值為零時表示二者不相關(guān)。另外采樣點在排序圖上的距離表示的是不同樣點之間的差異性，距離越短則代表差異越小，反之越大。以上分析分別在SPSS 25.0、Canoco 4.5及ArcMap 10.2 軟件中進行。

表1 坑塘水質(zhì)分級

2 結(jié)果與分析

2.1 不同緩沖區(qū)尺度景觀類型

研究區(qū)范圍內(nèi)景觀類型可分為建設(shè)用地、耕地、園地、其他用地、林地及草地等。由圖2可知，整個區(qū)域耕地及建設(shè)用地占比較大，平均面積比例達到57.34%～73.19%。100 m緩沖區(qū)內(nèi)水域和建設(shè)用地占比較大，超過70%；200 m和300 m緩沖區(qū)內(nèi)耕地和水域是主要景觀類型，分別占緩沖區(qū)總面積的72.6%和77.4%；400 m和500 m緩沖區(qū)內(nèi)，建設(shè)用地、耕地和水域是主要景觀類型，占比分別在30%、28%和38%左右。研究區(qū)園地、其他用地面積較小，分別在300和500 m達到最高值，分別為1.75%和1.17%，而草地、林地及工礦用地占比均不到1%，均為非主導土地利用類型。

2.2 不同緩沖區(qū)尺度景觀格局指數(shù)

不同緩沖區(qū)尺度景觀格局指數(shù)分析結(jié)果如圖3所示。LPI為面積-邊緣類指數(shù)，能夠反映緩沖區(qū)內(nèi)優(yōu)勢景觀類型，間接反映人類活動對景觀的干擾程度。LPI 的最大值出現(xiàn)在100 m半徑緩沖區(qū)，最小值出現(xiàn)在500 m半徑緩沖區(qū)，說明500 m 緩沖區(qū)人類活動對坑塘的擾動相對較強。PD、LSI、COHESION、AI、DIVISION和CONTAG均屬聚集類指數(shù)，反映景觀的空間破碎度。隨著緩沖區(qū)半徑逐漸增大，PD值逐漸減小，說明研究區(qū)景觀破碎化程度降低。LSI、COHESION和DIVISION變化趨勢相似，均隨著緩沖區(qū)距離增大而增大，說明景觀的復雜程度、景觀類型的自然連通性和景觀中不同類型斑塊分布的分離度隨尺度增大而增大。AI和CONTAG整體變化不大，說明優(yōu)勢景觀連通性中等且相差不大。SHDI屬多樣性指標，其值越大景觀組成類型越豐富，景觀的空間異質(zhì)性越高，結(jié)果顯示，各緩沖區(qū)內(nèi)SHDI值相差不大，說明景觀組成類型豐富度接近，200 m緩沖區(qū)SHDI的最大值、最小值和均值最大，說明200 m緩沖區(qū)內(nèi)景觀類型更多樣，分布更均勻，說明該尺度下景觀空間異質(zhì)性最低。

2.3 水質(zhì)分析

2.3.1 水質(zhì)指標描述性分析

由圖4可知，坑塘水質(zhì)在不同地區(qū)分異明顯。pH值波動范圍為7.3～9.5，均偏堿性且波動較小，最大值出現(xiàn)在采樣點5（句容市），此樣點為臨村坑塘，除是生活污水主要匯集點之外，亦靠近村中垃圾集中收集處，同時也作為養(yǎng)殖水面，說明地區(qū)坑塘污染源的多重性；COND值整體較高，可能是地區(qū)污水較為集中經(jīng)過地表徑流及地下徑流注入坑塘水體，坑塘中離子濃度升高，致使COND增大；DO整體上波動較大，整體上處于劣Ⅴ類水范圍，在常州市境內(nèi)值相對較低；TDP在鎮(zhèn)江市值較大，在常州市較小，間接說明在鎮(zhèn)江市坑塘水體受到較大影響；NH3-N整體上波動較大，均值處于Ⅱ類水，最大值處于Ⅲ類水，整體上在無錫市值較大，可能原因為無錫市境內(nèi)的坑塘多為村塘及養(yǎng)殖坑塘，水體的污染程度與坑塘連通性的優(yōu)劣有重要關(guān)聯(lián)，一般臨村相對較封閉的水體和養(yǎng)殖水面的坑塘氨氮值總體較高。同時，從不同類型坑塘來看，其水質(zhì)結(jié)果也存在一定差異。DO及NH3-N值整體在村塘相對較高，在養(yǎng)殖塘較低，而TDP值在養(yǎng)殖塘相對較高，在田塘其值較低。pH及COND在3種類型坑塘中值變化較均衡。

2.3.2 水質(zhì)指標評價

利用公式計算出不同流域內(nèi)的坑塘采樣點單項污染指數(shù)與綜合污染指數(shù)，最終得出污染負荷比指數(shù)（表2），并判斷坑塘污染等級。結(jié)果可知，在這個流域內(nèi)DO及TDP單項污染指數(shù)均大于1，表明整體上蘇南坑塘受到有機物及磷元素污染較嚴重，而NH3-N整體上小于1，說明地區(qū)氮元素污染相對較輕。具體來看，在流域A中DO及TDP是主要的污染源，污染負荷比指數(shù)高達55.60%及41.78%，在流域B、C及D中，DO的污染負荷比指數(shù)分別達86.54%、87.31%及78.10%，是流域坑塘水質(zhì)的主要污染源。

從綜合污染指數(shù)可知，流域B是污染最為嚴重的地區(qū)，綜合污染指數(shù)高達16.86，其次為流域C和D，其值為15.36和11.46，流域A污染程度較輕，值為6.66。分析來看，流域A中坑塘樣點主要位于寧鎮(zhèn)山脈南側(cè)、茅山山脈西側(cè)，海拔較高，類型多為田塘（占比60%），農(nóng)業(yè)面源污染及養(yǎng)殖廢水是其主要污染源，磷元素污染較嚴重；流域B、C、D位于平原區(qū)，坑塘樣點較多且多為村塘及養(yǎng)殖塘（占比分別達到78.95%、60%、62.50%），生活污水及養(yǎng)殖廢水是地區(qū)坑塘污染的主要來源。根據(jù)表1坑塘分等可知蘇南地區(qū)四流域內(nèi)坑塘水質(zhì)均處于“重污染”等級，污染水平均達到超出警戒線水平。

2.4 不同緩沖區(qū)尺度景觀格局與坑塘水質(zhì)特征關(guān)系分析

2.4.1 景觀類型與坑塘水質(zhì)分析

在不同尺度上將水質(zhì)指標與各采樣點PLAND指數(shù)進行分析，研究景觀類型與坑塘水質(zhì)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

結(jié)果表明（表3），DO、NH3-N和建設(shè)用地PLAND呈正相關(guān)，分別在300 m及100 m緩沖區(qū)達到最大值。200 m半徑緩沖區(qū)耕地PLAND與COND、NH3-N呈顯著正相關(guān)（<0.05），400～500 m半徑緩沖區(qū)耕地PLAND與TDP呈顯著正相關(guān)（<0.05），一定程度上說明建設(shè)用地及耕地是水質(zhì)惡化的“源”景觀。園地與耕地相似，但結(jié)果無顯著性，原因可能是園地占比過小。在其他用地中，400 m尺度上與TDP呈顯著正相關(guān)（<0.05）。林地、草地與主要水質(zhì)參數(shù)呈負相關(guān)，且在200 m尺度上較明顯。

表2 坑塘水質(zhì)評價及污染等級

注：P為單項污染指數(shù)，Q表示污染負荷比指數(shù)。

Note:Pis the single pollution index, andQis the pollution load ratio index.

冗余分析結(jié)果表明（圖5），建設(shè)用地PLAND與NH3-N呈正相關(guān)，自200 m半徑緩沖區(qū)建設(shè)用地與TDP開始呈正相關(guān)，說明建設(shè)用地對于地區(qū)氮磷污染有一定加劇作用。耕地與其余主要水質(zhì)指標均呈不同程度正相關(guān)，在一定程度上說明耕地對地區(qū)坑塘水質(zhì)有著負面作用。園地在300 m范圍內(nèi)與TDP成正相關(guān)，在100 m半徑緩沖區(qū)園地與NH3-N呈正相關(guān)，可能因為為占比過小，其相關(guān)性規(guī)律呈現(xiàn)不明顯特征。林草地與主要水質(zhì)指標成負相關(guān)，是地區(qū)水質(zhì)變化的“匯”景觀。由此可見，蘇南地區(qū)農(nóng)村坑塘水質(zhì)受多種景觀類型的綜合影響，且這些影響具有一定的空間尺度效應(yīng)。

2.4.2 景觀格局指數(shù)與坑塘水質(zhì)分析

景觀格局指數(shù)與水質(zhì)指標有著不同程度的相關(guān)性，一定意義上可以揭示地區(qū)景觀格局與坑塘水質(zhì)的特征關(guān)系，在不同尺度上將水質(zhì)指標與景觀格局指數(shù)進行分析，研究景觀格局與坑塘水質(zhì)的關(guān)系。

表3 景觀類型與水質(zhì)指標的相關(guān)性

注：* 表示在0.05水平上顯著相關(guān)。

Note: * indicates a significant correlation at the 0.05 level.

相關(guān)分析結(jié)果表明（表4），在100 m半徑緩沖區(qū)，COND與DIVISION呈顯著正相關(guān)（<0.05），與PD、LSI呈極顯著正相關(guān)（<0.01），與LPI、COHESION和AI均呈顯著負相關(guān)（<0.05），在200 m半徑緩沖區(qū)范圍內(nèi)，COND與CONTAG呈極顯著正相關(guān)（<0.01），與DIVISION呈顯著正相關(guān)（<0.05），與LPI呈顯著負相關(guān)（<0.05），表明景觀斑塊越破碎、分離度越大，水體離子濃度越大，受到的污染也更明顯。DO和TDP與PD、LPI及AI主要呈正相關(guān)，與LSI、DIVISION主要呈負相關(guān)，說明隨著人類活動強度增加，可能會導致水體有機污染加重。在100 m半徑緩沖區(qū)，NH3-N與PD、LSI和DIVISION呈極顯著正相關(guān)（<0.01），與LPI、COHESION和AI呈顯著負相關(guān)（<0.05），與SHDI呈顯著正相關(guān)（<0.05），在200 m半徑緩沖區(qū)，NH3-N與LPI呈極顯著負相關(guān)（<0.01），與LSI和DIVISION呈顯著正相關(guān)（<0.05），在500m緩沖區(qū)內(nèi)，NH3-N與LSI呈顯著正相關(guān)（<0.05），與AI呈顯著負相關(guān)（<0.05），表明斑塊的密度越高、形狀越復雜、分離度越大，對應(yīng)景觀越破碎，NH3-N值越大，水質(zhì)越差。

冗余分析結(jié)果表明（圖6），PD在小尺度范圍內(nèi)與COND及NH3-N呈較強正相關(guān)，自300 m半徑緩沖區(qū)與DO、TDP呈正相關(guān)。LPI與COND、NH3-N均在小尺度范圍內(nèi)呈負相關(guān)。LSI與DO、TDP均呈負相關(guān)，與NH3-N呈較強正相關(guān)，與COND呈正相關(guān)，但尺度具有不確定性。CONTAG與COND在200～300 m半徑緩沖區(qū)呈較強正相關(guān)，且與NH3-N在較大尺度緩沖區(qū)呈正相關(guān)。COHESION在300 m半徑緩沖區(qū)相關(guān)性最大，與COND、NH3-N均在100 m尺度上表現(xiàn)出較強負相關(guān)，隨著緩沖區(qū)尺度的增大，其對水質(zhì)的影響逐漸降低。DIVISION與COND、NH3-N在較大尺度上呈較強正相關(guān)。SHDI與NH3-N在100 m半徑緩沖區(qū)呈較強正相關(guān)。AI與DO、TDP均呈正相關(guān)，與COND和NH3-N均呈負相關(guān)。

由此可見，景觀格局指數(shù)一定程度上可以作為預測研究區(qū)坑塘水質(zhì)的因子，且不同指數(shù)之間與坑塘水質(zhì)的特征關(guān)系存在較大差異。農(nóng)村坑塘水環(huán)境與多種景觀指數(shù)存在不同程度的響應(yīng)關(guān)系，且這些響應(yīng)關(guān)系具有一定的空間尺度效應(yīng)。

表4 景觀格局指數(shù)與水質(zhì)指標的相關(guān)性

注：* 表示在0.05水平上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

Note: * indicates a significant correlation at the 0.05 level; ** indicates a significant correlation at the 0.01 level.

綜合景觀類型/景觀格局指數(shù)與坑塘水質(zhì)的關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，其結(jié)果基本吻合。相較于Spearman相關(guān)性分析，RDA分析的結(jié)果以二維形式展示在排序圖上，可以直觀看到相關(guān)變量之間的關(guān)系[20]。前人研究表明景觀格局與水質(zhì)指標存在空間上的差異性[21-22]，本研究中，100 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)，景觀類型和景觀格局指數(shù)與水質(zhì)的特征關(guān)系更為明顯，且景觀格局指數(shù)與水質(zhì)的關(guān)系更為顯著。RDA排序中，景觀類型/景觀格局與環(huán)境因子（水質(zhì)指標）主要體現(xiàn)在第一排序軸（約束軸）上。在100 m緩沖區(qū)內(nèi)，第一排序軸的累積百分比為94.4%，相關(guān)系數(shù)為53.3%，說明排序圖能夠較好地表達水質(zhì)指標與排序軸的關(guān)系，進一步說明其具有較好的水質(zhì)變異解釋能力。

3 討 論

3.1 景觀類型與坑塘水質(zhì)的特征關(guān)系分析

景觀組成的異質(zhì)性反映了景觀的非空間結(jié)構(gòu)特征，主要包括景觀組成類型及其面積占比等[21]。表現(xiàn)在地區(qū)則為土地利用類型及其空間分布的差異對水質(zhì)的影響，不同性質(zhì)的土地利用類型對于污染物的截留、吸收和再析出效果也不盡相同[23]。坑塘水質(zhì)與不同景觀類型比之間特征關(guān)系差異較明顯。建設(shè)用地對坑塘水質(zhì)的影響在100、400和500 m較明顯，這與建設(shè)用地面積占比大有關(guān)，建設(shè)用地面積占比越大，TDP和NH3-N的質(zhì)量濃度越高。本次調(diào)研，NH3-N和TDP質(zhì)量濃度較高的區(qū)域多集中在臨村、養(yǎng)殖坑塘附近，生活污染物使建設(shè)用地本身就成為重要污染源，同時，地表不透水面增加，加速污染物隨降雨徑流匯入水體。耕地與COND、TDP和NH3-N顯著相關(guān)，具有一定的空間尺度特征。在較小的尺度上，耕地對COND和NH3-N影響較為顯著，均在200 m半徑尺度上呈顯著正相關(guān)（<0.05）；在較大尺度上，耕地面積增加但占比減少，除在400及500 m半徑尺度耕地與TDP呈顯著正相關(guān)（<0.05）外與其余水質(zhì)指標均無顯著相關(guān)性，原因可能在于較大尺度上耕地占比減少產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)面源污染減少，加之連通性較差，延緩污染物匯集，導致耕地與水質(zhì)指標的相關(guān)性較差。前人的研究也證實耕地覆蓋率與水質(zhì)惡化有著顯著正相關(guān)關(guān)系[24]。其他用地僅與TDP在400 m緩沖區(qū)呈顯著正相關(guān)（<0.05），可能是其他用地包括田坎及裸地等地類，對于TDP的影響較大。園地與耕地對水質(zhì)的影響較為相似，但由于其占比相較耕地過少，故均無顯著相關(guān)性；此外，前人有研究表示林地和草地作為區(qū)域“匯”景觀，對于地表水質(zhì)的凈化具有正效應(yīng)[25-26]，但由于本研究中研究區(qū)內(nèi)林草地占比過少，雖均與主要水質(zhì)指標成負相關(guān)，但均無顯著性，無法進一步證實。

3.2 景觀格局指數(shù)與坑塘水質(zhì)的特征關(guān)系分析

景觀格局指數(shù)可反映潛在的人類活動，有研究表明，某些景觀指數(shù)能很好的解釋水體中溶解物和沉積物的負荷量[23]，通過建立景觀指數(shù)與地表坑塘水質(zhì)指標的關(guān)聯(lián)，利用景觀格局指數(shù)解釋水質(zhì)變化，能對水體水質(zhì)變化進行較好的預測。

景觀格局指數(shù)與坑塘水質(zhì)的相關(guān)性在100 m半徑緩沖區(qū)范圍內(nèi)較為顯著。其中LPI、LSI、AI和DIVISON等指數(shù)是坑塘水質(zhì)的重要預測因子：LPI反映了區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢景觀類型，其變化一定程度上可以反映人類活動的方向和強度，LPI值越高，意味著人類活動干擾的程度越小[27]，其值降低將會導致NH3-N質(zhì)量濃度增加，說明景觀組成類型斑塊間的斑塊優(yōu)勢度越小，地表坑塘水質(zhì)污染物的質(zhì)量濃度就越高、地表水質(zhì)狀況越差；LSI的變化一定程度上能夠反映人類活動對區(qū)域景觀格局的影響，一般來說LSI值越大，越有利于各種污染物向水體聚集[28]。本次研究中，LSI與NH3-N和COND均有顯著正相關(guān)性，說明景觀破碎度越高，越有利于污染物質(zhì)的匯集，加劇地表坑塘水質(zhì)的污染；AI表征的是區(qū)域景觀的團聚程度，本研究中其主要與NH3-N呈負相關(guān)，說明景觀組成類型之間的團聚程度較高時，景觀空間格局異質(zhì)性降低，NH3-N質(zhì)量濃度就越低、地表水質(zhì)狀況越好；DIVISION反映的是區(qū)域景觀分離度，其值增加會導致COND和NH3-N濃度增加，這說明景觀組成類型斑塊間的分離度越高、景觀破碎化程度越高，地表坑塘水質(zhì)狀況越差。此外，PD和COHESION均只與COND和NH3-N在100 m尺度上呈顯著相關(guān)性，說明隨著景觀組成類型斑塊密度越低，連接度越高，水質(zhì)越好；CONTAG與水質(zhì)指標相關(guān)性較弱，此三項景觀格局指數(shù)與水質(zhì)指標相關(guān)性尚待進一步研究。

有研究[29]發(fā)現(xiàn)SHDI與氮磷相關(guān)指標呈負相關(guān)，這意味著景觀組成類型的多樣性越高，污染物質(zhì)量濃度就越小，地表水質(zhì)狀況越好，但在本研究中，SHDI與NH3-N在100 m半徑緩沖區(qū)呈顯著正相關(guān)（<0.05），隨著緩沖區(qū)半徑的增大，逐漸與NH3-N呈負相關(guān)，說明SHDI與水質(zhì)指標存在不確定性。

3.3 研究展望

研究發(fā)現(xiàn)在100 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)景觀格局指數(shù)能夠較好反映水質(zhì)與景觀格局的相關(guān)關(guān)系，進一步研究可以得出，100 m范圍內(nèi)景觀的斑塊密度越大、形狀指數(shù)越大、分離度越大，水質(zhì)污染越重。說明地區(qū)景觀破碎化程度直接影響地表徑流，從而影響污染物進入坑塘的途徑，未來此尺度范圍內(nèi)應(yīng)著重開展土地整治與規(guī)劃工程，減弱地區(qū)破碎化程度，優(yōu)化調(diào)整范圍內(nèi)景觀布局，從景觀層面阻滯或延緩污染物進入坑塘的過程。

在現(xiàn)實景觀中，格局與過程是不可分割的客觀存在，坑塘水質(zhì)特征是受景觀格局制約的物質(zhì)和能量再分配過程，也是經(jīng)濟發(fā)達區(qū)鄉(xiāng)村生態(tài)系統(tǒng)中水生態(tài)保護及治理、農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要內(nèi)容。耦合景觀格局信息的水質(zhì)研究及其相關(guān)性分析，拓展了景觀生態(tài)學方法的應(yīng)用范圍[30]。

前人研究地表水質(zhì)[31-33]與景觀格局的相關(guān)性分析，與本研究有相似之處，但整體側(cè)重不同。研究對象上，前者多集中在流域、湖泊等較為單一連續(xù)的對象，后者則側(cè)重對地區(qū)坑塘有較為整體的研究，得出在相對宏觀區(qū)域上的水質(zhì)與景觀格局的特征關(guān)系；就研究尺度而言，前者多集中在某一流域或湖泊等較大型水體，后者則更多側(cè)重于受人類影響更為強烈的坑塘水體?？偟膩碚f，水質(zhì)與景觀格局的研究較為廣泛，包括各種尺度范圍的地表水體，不同的研究對象也為這一研究方向進行了有益補充。同時本研究也存在一定的不足：受實際條件限制本研究采樣次數(shù)較少，時間序列上的研究略顯不足，但研究結(jié)果對于地區(qū)坑塘水質(zhì)與景觀關(guān)聯(lián)分析仍有一定借鑒意義；同時綜合污染指數(shù)與污染負荷比采用的是河湖水體富營養(yǎng)化標準的判定值，對于坑塘的判定可能會存在一定誤差，但鑒于目前沒有統(tǒng)一的水平限制標準，故今后應(yīng)對此做更為細致的研究。

4 結(jié) 論

基于地區(qū)坑塘水質(zhì)數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)，劃分流域分區(qū)，利用綜合指數(shù)及污染負荷比指數(shù)研究流域內(nèi)坑塘樣點的污染情況，并結(jié)合相關(guān)分析和冗余分析，設(shè)置不同尺度緩沖區(qū)探討了景觀格局與坑塘水質(zhì)的特征關(guān)系。得出主要結(jié)論如下：

1）蘇南地區(qū)農(nóng)村坑塘水質(zhì)狀況不一，參照地表水環(huán)境質(zhì)量標準，研究區(qū)坑塘水質(zhì)溶解氧超過V類標準，氨氮在Ⅱ-Ⅲ類之間。研究區(qū)自北向南，電導率、氨氮有增加趨勢，磷酸鹽有減少趨勢，溶解氧先降后增，整體上南部地區(qū)污染更為嚴重。從綜合污染指數(shù)與污染負荷比指數(shù)來看，低山丘陵區(qū)流域磷元素和溶解氧污染問題較嚴重，平原區(qū)流域溶解氧污染問題嚴重，流域整體上氨氮污染問題相對較輕。

2）不同緩沖區(qū)內(nèi)耕地、建設(shè)用地平均面積占比在57.34%～73.19%之間，是水質(zhì)變化主要“源”景觀，建設(shè)用地與溶解氧、氨氮分別在300、100 m相關(guān)性最大，耕地在200 m尺度下對電導率、氨氮有較好解釋度，在400及500 m尺度下對磷酸鹽有較好解釋度；林地和草地對水質(zhì)凈化具有一定的正效應(yīng)?？傮w來說景觀類型與水質(zhì)的關(guān)系尺度具有不確定性。

3）不同尺度緩沖區(qū)景觀格局指數(shù)與水質(zhì)的特征關(guān)系明顯且存在較大差異。100 m尺度下的斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、斑塊結(jié)合度指數(shù)（COHESION）、分離度指數(shù)（DIVISION）、聚集度指數(shù)（AI）及200 m尺度下的LPI、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、DIVISION能較好反映其與電導率的特征關(guān)系；100 m尺度下的PD、LPI、LSI、COHESION、多樣性指數(shù)（SHDI）、DIVISION、AI及200 m尺度下的LPI、LSI、DIVISION對氨氮具有較好的解釋度?？傮w來說，景觀格局指數(shù)在100 m尺度上能較好解釋其于水質(zhì)的特征關(guān)系。

4）研究區(qū)內(nèi)景觀格局指數(shù)相較于景觀類型與水質(zhì)的特征關(guān)系更為顯著。LPI、LSI、DIVISION、COHESION及AI是影響地區(qū)水質(zhì)的主要因子。斑塊密度越小，破碎度越低，聚集與連接度越低，分離度越高越有利于地區(qū)坑塘水質(zhì)的保護。

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Analysis of the linkage between landscape pattern and the water quality of ponds in Southern Jiangsu of China

Qiao Guoliang1, Zhou Yinkang1,2,3※, Gu Zhengming1, He Jie1

(1.,,210023, China; 2.,,210023,; 3.,210023,)

Influences of land use types and landscape pattern indexes on the water quality of ponds were explored here in southern Jiangsu of China, particularly for the environmental protection of rural water under the background of rapid urbanization. Taking 42 rural ponds in Sunan District as the research object, the water sample was collected for the land use data in July 2019 andSeptember 2020. Some parameters were selected as the feature condition for the water quality of ponds, including the potential of Hydrogen (pH), electrical Conductivity (COND,s/cm), Dissolved Oxygen (DO, mg/L), Phosphate (TDP, mg/L), and ammonia nitrogen (NH3-N, mg/L). Firstly, Fragstats 4.2 software was used to calculate the landscape pattern indexes. The comprehensive pollution index and pollution load ratio index were then calculated on the basis of the divided watershed. At last, Spearman correction and Redundancy Analysis (RDA) were thus combined to initially explore the impacts of land use and landscape pattern on the water quality. The results showed: 1)There was a great difference in the water quality of rural ponds in Sunan District. Specifically, there was an increasing trend of COND and NH3-N, a decreasing trend of TDP, while a trend of decreasing first and then increasing for the DO from north to south in the study area. The southern region was more polluted, indicating the most serious DO pollution. The intensity of land use was relatively high in the buffer zones at different scales. The cultivated land and construction land were dominant with an average ratio of 57.34%-73.19%. 2)The water quality varied significantly in the land use types. A positive correlation was obtained on the construction land with NH3-N and DO, whereas, a negative correlation with TDP and COND. A significant positive correlation was observed on the cultivated land with COND and NH3-N, particularly on the 200m and 400-500m scale with TDP. A certain positive effect was achieved on the woodland and grassland with the water quality purification, where a more obvious correlation was found on the 200m scale. 3)In the correlation analysis, Largest Patch Index (LPI) and Aggregation Index (AI) at 100m scale were significantly negatively correlated with COND and NH3-N, whereas, Landscape Shape Index (LSI) and Patch Division Index (DIVISION) at 100m scale were significantly positively correlated with COND and NH3-N. In the redundancy analysis, the cumulative percentage of the first sort axis (constraint axis) was 94.4% within the 100m buffer zone, and the correlation coefficient was 53.3%, indicating a better relationship between water quality and landscape pattern. 4)LPI, LSI, DIVISION, Patch Cohesion Index (COHESION) , and AI presented the most obvious relationship with the water quality characteristics. The findings can provide a sound reference for decision-making in land use planning.

water quality; pond; landscape pattern; redundancy analysis; Pollution Load Index (PLI); Sunan District

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.027

F321.1

A

1002-6819(2021)-10-0224-11

喬郭亮，周寅康，顧錚鳴，等. 蘇南地區(qū)景觀格局特征與坑塘水質(zhì)關(guān)聯(lián)關(guān)系[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(10)：224-234.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.027 http://www.tcsae.org

Qiao Guoliang, Zhou Yinkang, Gu Zhengming, et al. Analysis of the linkage between landscape pattern and the water quality of ponds in Southern Jiangsu of China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 224-234. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.027 http://www.tcsae.org

2021-01-20

2021-04-09

國家科技支撐計劃項目（2015BAD06B02）

喬郭亮，主要研究方向為土地利用與規(guī)劃。Email：3227311053@qq.com

周寅康，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為土地資源管理。Email：drzhyk@nju.edu.cn