伍恒赟，張起明，齊述華，胡 梅

1．江西省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，江西南昌330039

2．江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，江西南昌330039

3．江西師范大學(xué)鄱陽(yáng)湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330022

土地利用指人類對(duì)土地自然屬性的利用方式，人們?cè)谕恋厣线M(jìn)行生產(chǎn)與生活等活動(dòng)的過程本身就深刻地影響地表、河流、湖泊等生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)輸入過程;同時(shí)，土地利用的景觀格局通過影響地表徑流、生物循環(huán)和地球化學(xué)循環(huán)等過程［1-2］，改變進(jìn)入河流、湖泊污染物的數(shù)量，進(jìn)而對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生重要影響。因此，流域的土地利用及其空間分布格局與河流湖泊的水質(zhì)密切相關(guān)［3-5］，上世紀(jì)70年代以來，相關(guān)學(xué)者從點(diǎn)位、河段、河岸緩沖區(qū)以及流域尺度對(duì)景觀格局和地表水水質(zhì)之間關(guān)系開展了研究［6］。2000年后土地利用景觀格局與水質(zhì)間的關(guān)系研究也日益受到國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注［7-10］。早期的研究主要集中在景觀類型與面積同水質(zhì)的關(guān)系方面，隨著3S技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，景觀格局的空間分異對(duì)水質(zhì)的影響逐漸引起重視［11-12］。

該研究以土地利用方式多樣，景觀類型復(fù)雜且快速城市化的信江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用2011年的Landsat5衛(wèi)星的TM遙感影像進(jìn)行土地利用分類的結(jié)果，在ArcGIS平臺(tái)的空間分析功能支持下，利用水文分析模塊對(duì)信江流域的子流域進(jìn)行劃分，結(jié)合2011年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析各子流域土地利用景觀格局與監(jiān)測(cè)斷面獲取的水質(zhì)的關(guān)系，評(píng)價(jià)土地利用景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響，為信江流域的水環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)域

信江(116°18'～118°27'E，27°52'～28°59'N)位于江西省東北部，為全省5大河流之一，是鄱陽(yáng)湖的重要承接水系，主河道長(zhǎng)359 km，流域面積17 599 km2，約占全省面積的10%，流域地勢(shì)東南高西北低，其中山地占流域面積40%，丘陵占流域面積35%，平原占流域面積25%，分別流經(jīng)上饒和鷹潭，中下游屬于鄱陽(yáng)湖平原。2000年以后，在“中部崛起”的國(guó)家政策背景下，該地區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)步伐加快［13］，土地利用方式發(fā)生變化，大量的自然和農(nóng)業(yè)景觀轉(zhuǎn)變?yōu)榉寝r(nóng)業(yè)景觀，使生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著改變，同時(shí)生態(tài)過程和功能受到影響［14］。

2 研究方法

2.1 子流域劃分

以江西省1∶25萬的DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用ArcGis的水文分析模塊，經(jīng)過DEM洼地填充，匯流累積量計(jì)算，水流長(zhǎng)度和河網(wǎng)提取并根據(jù)水系的實(shí)際分布，將流域分割形成10個(gè)子流域(圖1)。在每個(gè)子流域的出口處設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面控制范圍包括監(jiān)測(cè)斷面至河流上游的整個(gè)區(qū)域。

圖1 信江流域的子流域劃分及監(jiān)測(cè)斷面位置

2.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

從2011年1—12月，逢奇數(shù)月的月初對(duì)10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行1次水質(zhì)監(jiān)測(cè)，全年共監(jiān)測(cè)6次。參考地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)，選擇高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮、總氮(TN)、化學(xué)需氧量(CODCr)4個(gè)主要指標(biāo)來反映信江流域的水質(zhì)狀況。其中CODMn采用高錳酸鉀法測(cè)得，氨氮采用水楊酸分光光度法，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，CODCr采用重鉻酸鹽法。實(shí)驗(yàn)采取1個(gè)對(duì)照，3個(gè)平行，利用6次測(cè)定結(jié)果的平均值來表征。

2.3 土地利用遙感分類與景觀指數(shù)選擇

以2011年Landsat-TM秋冬季覆蓋信江流域的遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)過幾何精糾正，RMS(配準(zhǔn)殘差)控制在半個(gè)像元內(nèi)，然后參照《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 192—2006)中土地利用分類方法，基于ArcInfo Workstation進(jìn)行人工目視解譯，將研究區(qū)分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6種地類，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出該區(qū)域土地利用分類結(jié)果，利用ArcGis制圖得到信江流域土地利用空間分布狀況。

景觀指數(shù)能夠綜合景觀格局信息，反映景觀類型組成及其空間格局等特征，是景觀生態(tài)學(xué)中廣泛運(yùn)用的定量研究方法［15］。本文利用Fragstata景觀軟件從和計(jì)算7個(gè)類型尺度上(Class-Metric)和9個(gè)景觀尺度上(Landscape-Metric)的景觀指數(shù)，見表1。

表1 景觀指標(biāo)的選擇

3 結(jié)果與分析

3.1 流域土地利用景觀組成

將子流域邊界與信江流域土地利用景觀類型進(jìn)行疊加分析，得到從上游到下游10個(gè)子流域(r1～r10)的各種土地利用面積的比例(表2)。

表2 從上游到下游各子流域各種土地利用類型所以占的面積比例%

由表2可見，各子流域中，林地、耕地所占面積比例最高，其次是建設(shè)用地、水域、草地、未利用地;從上游到下游的10個(gè)子流域，林地所占面積比例呈降低趨勢(shì)，耕地和建設(shè)用地所占面積比例呈增加趨勢(shì)，特別是耕地增加明顯，反映出信江流域按照從上游到下游，人類活動(dòng)趨于增強(qiáng)。由于草地和未利用地所占的面積比例較小，不作為水質(zhì)的影響因子展開分析。

3.2 河流水質(zhì)狀況

根據(jù)2011年信江流域10個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，以第r1、r2子流域作為信江流域上游，以r7～r10子流域作為下游，分別統(tǒng)計(jì)上游和下游水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)(表3)，可以看出 CODMn、氨氮、TN、CODCr上游的平均濃度均低于下游，表明從信江的上游至下游，各指標(biāo)的濃度呈增加趨勢(shì)，下游各監(jiān)測(cè)點(diǎn)指標(biāo)濃度的波動(dòng)范圍也比上游大。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，在10個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中，TN的超標(biāo)率為51.67%，其余指標(biāo)均未超出Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，表明信江的水質(zhì)以氮超標(biāo)為主。

表3 水質(zhì)項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)結(jié)果 mg/L

3.3 土地利用景觀類型對(duì)與水質(zhì)的影響

分別將10個(gè)子流域內(nèi)耕地、林地和建設(shè)用地的面積比與觀測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行回歸分析(圖2)，由于同一土地類型與4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)回歸分析結(jié)果基本類似，僅列出了氨氮、CODMn的回歸分析結(jié)果。

可以看出，建設(shè)用地和耕地的面積比例愈大，水質(zhì)越差;而林地面積比例越高，水質(zhì)越好，表明信江流域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生活對(duì)信江河流水質(zhì)的影響顯著。

圖2 各土地利用類型的面積比與水質(zhì)參數(shù)的關(guān)系

3.4 土地利用景觀格局與水質(zhì)的關(guān)系

根據(jù)FragStat軟件計(jì)算各子流域土地利用景觀指數(shù)(表1)，分析 CODMn、氨氮、TN、CODCr與各景觀指數(shù)的關(guān)系(表4)。結(jié)果表明，PD、ED、SHDI與CODMn、氨氮、TN、CODCr濃度呈顯著正相關(guān)，與AREA_MN、SHAPE_MN、AI和 CONTAG 呈顯著負(fù)相關(guān)，與COHESION和IJI指標(biāo)之間的相關(guān)性不顯著，此外，PD、ED、SHDI越大，AREA_MN、SHAPE_MN、AI、CONTAG越小，景觀越破碎。由此說明流域景觀的破碎化將導(dǎo)致河流污染物濃度的升高，相反流域景觀格局若由少數(shù)團(tuán)聚的大斑塊組成，河水中污染物的濃度可能較低，水質(zhì)較好。

表4 景觀尺度格局與水質(zhì)的相關(guān)分析

3.5 土地利用景觀類型格局與水質(zhì)的關(guān)系

分別從耕地、林地和建設(shè)用地的景觀尺度上分析景觀類型格局與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系(表5)。從表5可以看出，耕地的多數(shù)景觀指數(shù)和水質(zhì)指標(biāo)呈正相關(guān)，其中 CODMn與 ED、AREA_MN、IJI、AI、COHESION呈極顯著正相關(guān)，氨氮與PD、ED呈極顯著正相關(guān)，CODCr與ED、SHAPE_MN呈極顯著正相關(guān)，說明耕地上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)是信江流域污染物的主要來源;水質(zhì)指標(biāo)與反映景觀破碎化程度的ED、IJI、COHESION等景觀指標(biāo)呈顯著正相關(guān)，表明耕地的斑塊邊緣、物理連通程度和相鄰斑塊類型對(duì)河流的水質(zhì)也有顯著的影響。

表5 類型尺度格局與水質(zhì)的相關(guān)分析

林地的多數(shù)景觀指標(biāo)與水質(zhì)指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，表明林地具有較好的降解或消減污染物的效應(yīng)，其中 CODMn、氨氮、CODCr與 AREA_MN、SHAPE_MN和AI呈極顯著負(fù)相關(guān)，CODMn與IJI呈極顯著負(fù)相關(guān)，TN 與AREA_MN、SHAPE_MN、AI顯著負(fù)相關(guān)，氨氮、CODCr與IJI和COHESION呈顯著負(fù)相關(guān)，PD、ED與4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與 CODMn、氨氮、CODCr達(dá)到極顯著相關(guān)，林地的AREA_MN和SHAPE_MN與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性較大，說明流域內(nèi)大斑塊的林地有助于水質(zhì)的凈化。

建設(shè)用地類型中，CODMn、氨氮、TN和CODCr與PD、ED以及COHESION、AI都呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中氨氮與ED、COHESION呈極顯著正相關(guān)，CODCr與 COHESION、AI呈顯著正相關(guān)，TN僅與ED呈極顯著正相關(guān)。除此之外，各水質(zhì)指標(biāo)還與SHAPE_MN呈極顯著負(fù)相關(guān)，AREA_MN和CODMn也呈極顯著負(fù)相關(guān)，與其他水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)不顯著，說明在流域中建設(shè)用地集中大面積彼此相臨的連片分布可能會(huì)引起河流中CODMn濃度的升高這是由于城鎮(zhèn)建設(shè)用地大面積集中分布造成不透水面的增加，以及生產(chǎn)生活污染的聚集性釋放，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致徑流量增加和污染物濃度升高，加大受納水體的污染負(fù)荷，進(jìn)而引起水質(zhì)下降。

4 討論

4.1 土地利用景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響

景觀類型和水體污染物濃度之間存在著顯著的相關(guān)關(guān)系，這是由于土地利用方式和人類活動(dòng)強(qiáng)度的差異導(dǎo)致，不同類型景觀上污染物負(fù)荷不同［16］。降水時(shí)，地表污染物質(zhì)隨地表徑流流入水體的過程中，流經(jīng)不同性質(zhì)的土地利用類型時(shí)，污染物可能被沉積吸收和再析出［9］。

研究表明，林地和水質(zhì)指標(biāo)間呈顯著負(fù)相關(guān)。原因在于林地有較好的截流和消減污染物的能力，對(duì)緩解水質(zhì)退化有重要作用［17］。很多實(shí)驗(yàn)研究都表明在林地以及草甸植被和土壤系統(tǒng)的作用下，可以減少降水徑流對(duì)土壤的侵蝕程度以及降低徑流中固體污染物的輸出［8］，從而凈化水質(zhì)。所以在林地占優(yōu)勢(shì)的流域中，水體的水質(zhì)也往往較好［10］，因此，從截流污染物，保護(hù)水環(huán)境的角度出發(fā)，應(yīng)盡量增加林地景觀的數(shù)量。

建設(shè)用地污染物的輸出貢獻(xiàn)較大，對(duì)水質(zhì)存在負(fù)效應(yīng)［8］，原因在于城鎮(zhèn)建設(shè)用地造成的不透水面導(dǎo)致徑流量增加和污染物濃度升高［15］，所以城鎮(zhèn)建設(shè)用地的比重越大，水體的水質(zhì)往往越差。除此之外，由于平原地區(qū)的耕地大多受到人類活動(dòng)的干擾，農(nóng)藥或殺蟲劑的大面積使用，加之農(nóng)田耕作區(qū)污灌現(xiàn)象的存在，也往往逐漸成為具有非點(diǎn)源污染輸出特征的斑塊類型［18］，因此，該研究中耕地與建設(shè)用地對(duì)水質(zhì)的影響類似。

4.2 景觀尺度格局對(duì)水質(zhì)的影響

在研究中，斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、香濃多樣性指數(shù)(SHID)與水質(zhì)指標(biāo)有顯著正相關(guān)性。PD、ED反映的是土地利用格局的破碎度和復(fù)雜程度，SHID表示斑塊類型在景觀中出現(xiàn)的概率，反映景觀異質(zhì)性，斑塊的邊緣密度控制著斑塊間是相互作用，高的PD、ED、SHID意味著更大強(qiáng)度的人類干擾，景觀更加破碎，異質(zhì)性強(qiáng)，流域水質(zhì)污染的風(fēng)險(xiǎn)也隨之升高。

而各水質(zhì)指標(biāo)與 AREA_MN、SHAPE_MN、CONTAG、AI呈顯著負(fù)相關(guān)。AREA_MN、SHAPE_MN反映景觀類型中斑塊平均面積的大小和形狀的復(fù)雜性，CONTAG是對(duì)流域中不同斑塊類型的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì)的表示，反映景觀分離和散布程度，AI是對(duì)流域中不同斑塊類型的聚集程度的度量，反映景觀組成的空間配置［15］。因此，AREA_MN、HAPE_MN、CONTAG、AI越小，表現(xiàn)出人類的干擾程度越大，流域景觀越離散，水質(zhì)受人類活動(dòng)的影像越大。但有些研究表明，CONTAG與水質(zhì)指標(biāo)有比較顯著的正相關(guān)性，這可能與研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)斑塊類型有關(guān)，以具有污染輸出效應(yīng)的建設(shè)用地、耕地為優(yōu)勢(shì)斑塊的景觀，其優(yōu)勢(shì)斑塊的聚集和連通性會(huì)造成污染物輸出的集中，對(duì)河流水質(zhì)的影響也越顯著［3］。該研究中，林地占整個(gè)流域的32.61%(表2)，以具有污染物消減效應(yīng)的林地為優(yōu)勢(shì)斑塊(圖1)，林地的大面積分布則有助于凈化水質(zhì)［10］。

因此，從景觀水平來看，當(dāng)流域景觀中以數(shù)量較少且以染物消減效應(yīng)為優(yōu)勢(shì)的大斑塊為主或同一類型的斑塊連通度高時(shí)，河流中污染物的濃度越低，水質(zhì)較好。

4.3 類型尺度景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響

PD、ED與耕地、林地和建設(shè)用地的水質(zhì)指標(biāo)均表現(xiàn)正相關(guān)性，表明該3類景觀的破碎化空間分布，其污染物輸出被邊界或其他斑塊攔截的概率降低，會(huì)引起河流中污染物濃度升高，對(duì)流域水質(zhì)的負(fù)效應(yīng)增加;AREA_MN、SHAPE_MN、IJI與林地和建設(shè)用地呈負(fù)相關(guān)性，而與耕地呈現(xiàn)正相關(guān)性，AREA_MN的大小影響著污染物輸出的多少，因此，流域中林地和建設(shè)用地的斑塊面積越大，水體中污染物的濃度越低，而對(duì)于具有污染物輸出效應(yīng)的耕地來說，其效果相反。SHAPE_MN對(duì)斑塊內(nèi)外物質(zhì)和能量的流通有重要影響，同時(shí)與地表徑流過程和污染負(fù)荷相關(guān)，進(jìn)而影響河流水質(zhì)［19］，散布與并列指數(shù)(IJI)用于表述景觀分離度，反映與該景觀相鄰的其他類型的多少［15］，研究顯示，林地和建設(shè)用地景觀斑塊的鄰接分布越復(fù)雜對(duì)污染物的消減效應(yīng)越明顯，有利于河流污染物的濃度的降低。

AI、COHESION反映景觀斑塊的聚集程度和連通性，是衡量景觀格局的常用指標(biāo)［15］，研究中，AI、COHESION均與耕地和建設(shè)用地呈顯著正相關(guān)，而與林地表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)。耕地和建設(shè)用地的聚集程度以及連通性越高，往往斑塊的面積也越大，污染物的輸出也較多，河流水質(zhì)污染濃度升高。林地對(duì)緩解水質(zhì)退化有重要作用［10］，因而林地的聚集度和連通性越高，水質(zhì)污染濃度較低。隨著區(qū)域城市化進(jìn)程加快，建設(shè)用地仍會(huì)繼續(xù)擴(kuò)張，與之伴生的區(qū)域水體污染水質(zhì)惡化等問題仍會(huì)突出［3］，因此，對(duì)于保護(hù)快速城市化的信江流域周邊水環(huán)境來說，要盡量減少城市建設(shè)用地的大面積集中分布，同時(shí)要增加林地面積比例，減少對(duì)林、草地等自然景觀的干擾，避免其景觀破碎化。

4.4 問題與不足

河流水質(zhì)除受到土地利用景觀格局的影響外，往往還受到其他點(diǎn)源污染，而這部分污染對(duì)河流的水質(zhì)的影響是直接的，且難以通過景觀格局研究表現(xiàn)出來，文中r1流域景觀結(jié)構(gòu)單一，基本以林地為主，受人為活動(dòng)影響較小、水質(zhì)較好，而其他子流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面分布于城鎮(zhèn)或農(nóng)田區(qū)域，水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果受人為活動(dòng)影響較大，監(jiān)測(cè)結(jié)果明顯高于r1流域斷面監(jiān)測(cè)值，因此，在子流域監(jiān)測(cè)斷面合理布設(shè)上有待進(jìn)一步完善。

由于研究流域面積較大、土地利用景觀格局類型復(fù)雜，文中選取的10個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，難以理想的反映出該區(qū)景觀格局與水質(zhì)的相關(guān)關(guān)系，后續(xù)研究將增加水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)量，合理布局監(jiān)測(cè)斷面，細(xì)化子流域劃分，以期更好的揭示出土地利用景觀格局與流域水質(zhì)間的關(guān)系。

5 結(jié)論

1)流域的景觀組成對(duì)河流CODMn、氨氮、TN、CODCr濃度均存在顯著影響。耕地和建設(shè)用地的面積比例與各項(xiàng)指標(biāo)濃度間存在顯著正相關(guān)，林地與各指標(biāo)濃度存在顯著負(fù)相關(guān)。此外，各項(xiàng)指標(biāo)濃度在流域上游變化不大，而在流域的下游變化顯著。

2)從流域景觀尺度上看，當(dāng)流域以數(shù)量較少的大斑塊景觀為主或同類型的景觀斑塊高度連接時(shí)，河流中 CODMn、氨氮、TN、CODCr濃度較低，水質(zhì)普遍較好，這與該流域中林地為優(yōu)勢(shì)景觀類型有密切關(guān)系;從流域類型尺度上看，各類型的景觀結(jié)構(gòu)對(duì)河流中CODMn、氨氮、TN、CODCr濃度影響不同，建設(shè)用地以及耕地的集中大面積彼此相臨的連片分布會(huì)導(dǎo)致河流中CODMn、氨氮、TN、CODCr等濃度的升高，而林地則具有相反的效應(yīng)。

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