楊強(qiáng)強(qiáng),徐光來(lái),*,楊先成,李愛(ài)娟,陳 晨

1 安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 蕪湖 241003 2 安徽省江淮流域地表過(guò)程與區(qū)域響應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蕪湖 241003 3 安徽師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,蕪湖 241003

景觀格局是指類型、大小、形狀不同的景觀要素在空間的分布與配置[1]。景觀指數(shù)是對(duì)景觀格局特征的定量表征,反映土地利用構(gòu)成和空間配置信息,多用來(lái)描述土地利用類型特征[2- 3]。景觀類型中,“源”景觀指能促進(jìn)生態(tài)過(guò)程發(fā)展的景觀,“匯”景觀與其作用相反[4]。水質(zhì)對(duì)土地利用/景觀格局變化非常敏感[5- 7]。人類活動(dòng)強(qiáng)烈的影響當(dāng)?shù)氐木坝^結(jié)構(gòu),促使土地利用方式變化[8],是水污染主要來(lái)源[9],已導(dǎo)致全球半數(shù)以上的水庫(kù)及湖泊水質(zhì)惡化[10]。河流作為重要景觀類型構(gòu)成[11],其水質(zhì)受點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染控制[12],而景觀格局與流域非點(diǎn)源污染過(guò)程關(guān)系密切[13],受到眾多學(xué)者的關(guān)注。Sliva和Williams[14]使用次級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS及多元分析工具探討了安大略省南部三個(gè)流域景觀特征與水質(zhì)的相關(guān)性,認(rèn)為流域景觀特征對(duì)水質(zhì)的影響大于100 m緩沖區(qū)；李昆等[15]認(rèn)為300 m河岸帶緩沖區(qū)能夠更好的解釋漢江流域水質(zhì)對(duì)襄陽(yáng)市城區(qū)景觀格局變化的響應(yīng)；Hu等[12]通過(guò)逐步多元回歸模型以山東省為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)景觀指數(shù)與水質(zhì)具有較好的關(guān)聯(lián)性；朱珍香等[16]從源匯景觀指數(shù)、斑塊密度以及香濃多樣性指數(shù)三種景觀指數(shù)角度分析了廈門后溪水質(zhì)與流域景觀特征之間的關(guān)系；彭勃等[5]選取蔓延度、斑塊密度、香濃多樣性指數(shù)、最大斑塊指數(shù)、破碎度五種景觀指數(shù)探討了小流域土地利用景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響。土地利用方式及景觀格局變化可通過(guò)下墊面的改變、坡度的增減、改變生物作用與非生物作用的強(qiáng)弱等[7,14]方式對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生影響,但究竟何種空間尺度上土地景觀格局以及哪些景觀指數(shù)對(duì)水質(zhì)的影響最大,仍莫衷一是。因此,進(jìn)一步研究土地利用/景觀格局對(duì)流域水質(zhì)的影響,對(duì)土地利用的綜合管理與水質(zhì)保護(hù)具有重要意義。

選取土地利用類型百分比、土地利用程度綜合指數(shù)和景觀指數(shù),采用冗余分析和Spearman等級(jí)相關(guān)性分析探討了青弋江流域土地利用、景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響,意在分析何種尺度景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響最大；景觀組成及土地利用強(qiáng)度對(duì)水質(zhì)的影響；景觀指數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系。研究結(jié)果以期為政府相關(guān)職能部門進(jìn)行水資源和土地利用管理決策提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青弋江源于安徽黟縣黃山北麓,是長(zhǎng)江下游最長(zhǎng)的一條支流,在蕪湖市與長(zhǎng)江相匯。青弋江流域介于29.91°—34.43°N、117.64°—118.85°E之間,總面積8487 km2；屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,平均氣溫16℃,年降雨量1500 mm[17],夏季炎熱多雨,冬季溫和少雨,降雨年內(nèi)波動(dòng)大,水位在春夏季(3—8月)較高,為豐水期,秋冬季為枯水期[18]。本研究共設(shè)18個(gè)采樣點(diǎn),各點(diǎn)位分布如圖1所示,其中南部山區(qū)的土地利用方式以林地為主,下游平原區(qū)以建設(shè)用地、耕地、林地為主。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與數(shù)據(jù)處理

從Google Earth獲取2.05 m高精度衛(wèi)片(無(wú)偏移),以此作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,借助ENVI 5.3特征提取模塊,運(yùn)用基于樣本面向?qū)ο蟮谋O(jiān)督分類進(jìn)行土地利用信息的提取,參照國(guó)家土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010—2017)并結(jié)合青弋江流域土地利用實(shí)況及解譯的可操作性,將土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域、未利用地6類。借助野外采集記錄的實(shí)際土地利用方式數(shù)據(jù),利用混淆矩陣法進(jìn)行精度分析,多次重新選取或增補(bǔ)訓(xùn)練樣本,最終kappa系數(shù)達(dá)到0.742,符合本文研究需求。DEM數(shù)據(jù)為Google Earth 4.11 m分辨率高程數(shù)據(jù)。

景觀格局是自然因素和人為因素共同作用的結(jié)果,一般指空間格局[20]。而景觀指數(shù)高度濃縮景觀格局信息[21],能夠定量反映空間異質(zhì)性?；诰坝^水平選取的景觀指數(shù)包括斑塊豐富度密度(PRD) 、最大斑塊指數(shù)( LPI) 、面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)(FRAC_AM)、面積加權(quán)平均斑塊形狀指數(shù)(SHAPE_AM)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、香濃多樣性指數(shù)(SHDI),反映了景觀的豐富度、優(yōu)勢(shì)度、破碎度及多樣性等特性,景觀指數(shù)含義[22- 24]如表1所示。緩沖區(qū)土地利用柵格大小為2.2 m×2.2 m,各指數(shù)的計(jì)算均在FRAGSTATS 4.2軟件上進(jìn)行。

表1 選取的景觀指數(shù)及生態(tài)學(xué)意義

1.3 研究方法

1.3.1空間分析

參考前人的研究思路及方法[25- 27]并結(jié)合青弋江流域?qū)崨r,以18個(gè)采樣點(diǎn)為圓心,分別建立100、200、500、1000、2000 m的緩沖區(qū),將其與遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合,進(jìn)而獲取各緩沖區(qū)內(nèi)的土地利用數(shù)據(jù)。土地利用程度綜合指數(shù)數(shù)值的大小反映土地利用程度的強(qiáng)弱,揭示景觀受人類干擾程度的大小[28]。計(jì)算公式如下[29]：

(1)

式中,La為土地利用程度綜合指數(shù),Ai為研究區(qū)域內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)的分級(jí)指數(shù),Ci為區(qū)域內(nèi)第i級(jí)土地利用程度分級(jí)的面積百分比,n為土地利用分級(jí)數(shù)(從土地利用程度分級(jí)賦值表[30](表2)中獲取)。

表2 土地利用程度分級(jí)賦值表

1.3.2統(tǒng)計(jì)分析

借助Canoco 5軟件對(duì)不同空間尺度的土地利用面積分別與枯水期和豐水期的水質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析。在相關(guān)性分析之前,首先對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(Detrended Correspondence Analysis,DCA)。結(jié)果顯示,枯水期與豐水期的Gradient length的第一軸分別為0.27和0.37,均小于3,故選擇線性模型能更好的擬合土地利用類型面積(解釋變量)與水質(zhì)數(shù)據(jù)(響應(yīng)變量)之間的關(guān)系[31]。RDA(Redundancy analysis)能較好的反映景觀指數(shù)與水質(zhì)之間的關(guān)系[11],因此選擇RDA[32]。

基于SPSS Statistics 24.0軟件平臺(tái),因流域水質(zhì)與土地利用綜合指數(shù)或景觀指數(shù)均不滿足線性關(guān)系,故采用雙變量Spearman雙尾相關(guān)性分析[33],探討水質(zhì)與其他指標(biāo)之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)時(shí)空分布特征

圖2 水質(zhì)時(shí)空分布圖Fig.2 Spatial and temporal distribution of water qualitymin: 最小值;max: 最大值;SD: 標(biāo)準(zhǔn)差;

2.2 土地利用對(duì)流域水質(zhì)影響的緩沖區(qū)半徑分析

不同尺度土地利用類型面積占比如圖3所示。整體而言,未利用地與草地面積比重較低,且隨緩沖區(qū)半徑變化的波動(dòng)性較小；水域面積占比隨緩沖區(qū)半徑的擴(kuò)大有下降趨勢(shì)；林地、耕地、建設(shè)用地是各尺度主要的景觀組成類型。受人為及自然因素影響,不同尺度各采樣點(diǎn)土地利用占比各不相同。通過(guò)冗余分析,篩選對(duì)流域水質(zhì)產(chǎn)生影響最大的空間尺度[31]。由表3可知,在枯水期與豐水期均是500 m半徑緩沖區(qū)的土地利用方式對(duì)水質(zhì)的解釋率最高,分別為46.30%和43.10%,表明該空間尺度的景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響最大。

圖3 不同空間尺度下土地利用面積比例Fig.3 Land use area proportion under multiple scales

表3 冗余分析各排序軸方差解釋率

2.3 土地利用/景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響分析

2.3.1土地利用類型對(duì)水質(zhì)的影響

圖4 土地利用與流域水質(zhì)關(guān)系的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis between land use and watershed water quality agr：耕地Agricultural land； for：林地 Forest land；gra：草地Grass land；con：建設(shè)用地Construction land；water：水域；oth：未利用地Other land

2.3.2土地利用程度綜合指數(shù)與水質(zhì)的相關(guān)性

表4 土地利用程度綜合指數(shù)與水質(zhì)濃度的相關(guān)性

2.3.3景觀格局指數(shù)與水質(zhì)的相關(guān)性

表5 500m半徑緩沖區(qū)水質(zhì)指標(biāo)與景觀指數(shù)相關(guān)性分析結(jié)果

3 討論

3.1 土地利用對(duì)流域水質(zhì)的影響

土地利用方式對(duì)水質(zhì)的影響具有尺度依賴性,但由于各流域的特殊性及研究者使用的數(shù)據(jù)集分辨率存在差異,得出的結(jié)果也可能不同[42]。通過(guò)RDA研究發(fā)現(xiàn)500 m半徑緩沖區(qū)的土地利用/景觀格局對(duì)水質(zhì)的解釋率最高,而方娜等[43]通過(guò)研究鄱陽(yáng)湖濕地水質(zhì)發(fā)現(xiàn)1000 m半徑緩沖區(qū)土地利用方式對(duì)水質(zhì)影響最大。這主要是因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)周邊典型地類的差異所致。本研究也存在著自身的局限性。康文華等[44]經(jīng)過(guò)對(duì)碳酸鹽和碎屑巖兩大地貌區(qū)的水質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)河岸帶尺度的土地利用格局對(duì)水質(zhì)影響最大；于磊等[45]認(rèn)為亞流域尺度與水質(zhì)的相關(guān)性較河岸帶尺度更強(qiáng)。而本文未對(duì)流域尺度與河岸帶尺度土地利用/景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響進(jìn)行探究。合理的尺度規(guī)劃,對(duì)水質(zhì)的改善具有積極作用,而復(fù)雜的尺度效應(yīng)表明單一尺度控制大量水質(zhì)參數(shù)也非常困難[46]。因此,隨后有必要從流域、河岸帶緩沖區(qū)和圓形緩沖區(qū)三種空間尺度,通過(guò)更長(zhǎng)期的水質(zhì)監(jiān)測(cè),嘗試作進(jìn)一步的分析。

就景觀組成對(duì)水質(zhì)的影響而言,建設(shè)用地和耕地作為“源”景觀,加劇了非點(diǎn)源污染,致使水質(zhì)惡化,許多學(xué)者的研究與此類似[5,12]；林地多體現(xiàn)“匯”作用,通過(guò)截留、吸收污染物,凈化水質(zhì)[3,11,44]；李明濤等[2]認(rèn)為草地能有效控制污染,而歐洋等[13]發(fā)現(xiàn)草地面積的增加會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)惡化,草地對(duì)水質(zhì)的影響仍存在爭(zhēng)議；未利用地因植被稀少或易受降雨和徑流影響,其對(duì)水質(zhì)的影響具有不確定性[10]。

3.2 景觀格局對(duì)流域水質(zhì)的影響

景觀指數(shù)可在一定程度上反映研究區(qū)的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)狀況,進(jìn)而揭示人為因素在景觀格局中的作用。PRD代表單位面積的斑塊類型數(shù),主要用于反映生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾性。LPI反映最大斑塊占整個(gè)景觀面積的比例,傳達(dá)出優(yōu)勢(shì)類的信息。在對(duì)以林地為主的碎屑巖地區(qū)進(jìn)行研究,康文華等[44]發(fā)現(xiàn)LPI與污染物濃度呈負(fù)相關(guān),而郭玉靜等[24]研究以農(nóng)地和濕地為優(yōu)勢(shì)景觀的湖泊濕地,發(fā)現(xiàn)LPI與水質(zhì)的惡化有顯著關(guān)系,表明當(dāng)優(yōu)勢(shì)景觀類型為“源”景觀,則LPI可能與水質(zhì)污染程度呈正相關(guān),若為“匯”景觀,則有利于水質(zhì)的提高。LPI主要與DO呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明采樣點(diǎn)周圍受到“源”景觀作用更強(qiáng)。SHAPE_AM值越大,斑塊形狀越不規(guī)則,與污染指標(biāo)的相關(guān)性越強(qiáng),折射出人為干擾的力度。CONTAG和SHDI與LPI類似,不能簡(jiǎn)單的從CONTAG和SHDI的數(shù)值大小判斷其對(duì)水質(zhì)的影響,更重要的是關(guān)注優(yōu)勢(shì)景觀類型,例如在某一研究區(qū)中,景觀多樣性豐富,若“源”景觀(建設(shè)用地等)具有較高蔓延度且為優(yōu)勢(shì)類型,則往往導(dǎo)致水質(zhì)下降。本文僅對(duì)選取景觀指數(shù)(景觀水平)進(jìn)行了探討,下一步將增加類型水平上的景觀指數(shù),從而更好的揭示景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響。

4 結(jié)論

在借助ENVI 5.3完成對(duì)土地利用解譯的基礎(chǔ)上,結(jié)合ArcGIS 10.2軟件建立了青弋江流域18個(gè)采樣點(diǎn)不同半徑的圓形緩沖區(qū),運(yùn)用冗余分析和Spearman相關(guān)性分析嘗試探究了土地利用/景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響,結(jié)果如下：

(1)在100、200、500、1000、2000 m 5種空間尺度的圓形緩沖區(qū)中,500 m半徑緩沖區(qū)景觀組成對(duì)水質(zhì)的解釋率最高,枯水期與豐水期對(duì)水質(zhì)的解釋率分別為46.30%和43.10%。

(2)景觀類型中,耕地、建設(shè)用地面積比例的增加可導(dǎo)致水質(zhì)的惡化,林地對(duì)水質(zhì)的凈化起到積極作用。土地利用程度綜合指數(shù)與水質(zhì)污染指標(biāo)呈正相關(guān),表明人類活動(dòng)強(qiáng)的區(qū)域,土地利用程度越高,水質(zhì)越差。

以青弋江流域?yàn)檠芯繉?duì)象,初步分析了圓形緩沖區(qū)尺度上景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響,可能對(duì)土地利用規(guī)劃和水質(zhì)保護(hù)有一定的積極作用。但因資料有限,景觀格局年際變化對(duì)水質(zhì)影響的研究略有欠缺,隨后將結(jié)合流域、河岸帶及圓形緩沖區(qū)3種空間尺度作進(jìn)一步研究。