祁蘭蘭,王金亮,葉 輝,朱 泓

(1.云南師范大學(xué) 地理學(xué)部,昆明 650500;2.云南省高校資源與環(huán)境遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 昆明 650500;3.云南省地理空間信息工程技術(shù)研究中心,昆明 650500)

水資源是支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略性資源，對(duì)于維持生態(tài)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[1-2]。近幾十年，隨著人類活動(dòng)的擴(kuò)大，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，河流湖泊的水質(zhì)惡化成為影響生態(tài)文明建設(shè)的主要制約因素[3]。人為活動(dòng)改變了土地利用方式和自然景觀格局，土地利用在污染物產(chǎn)生，遷移和轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用[4]，而景觀格局控制著一個(gè)流域的各種生物地球化學(xué)和物理過程，景觀格局的變化會(huì)引起許多水文過程，如地表徑流、地球化學(xué)循環(huán)等，會(huì)導(dǎo)致大量污染物進(jìn)入水體，因此，土地利用和景觀格局的變化是影響水質(zhì)的重要驅(qū)動(dòng)因素[5-6]。探討土地利用和景觀格局與湖泊水質(zhì)之間的關(guān)系，不僅可以為流域的景觀格局規(guī)劃提供參考，也對(duì)流域水資源可持續(xù)利用及識(shí)別水質(zhì)的主要威脅具有重要意義。

針對(duì)土地利用景觀格局與水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)系，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了很多研究。自20世紀(jì)70年代以來，土地利用/覆被與水質(zhì)的空間耦合關(guān)系就是早期研究的重點(diǎn)[7]。不合理的人類活動(dòng)通常會(huì)改變地表特征，產(chǎn)生污染，增加污染物負(fù)荷[8]。強(qiáng)烈的農(nóng)業(yè)活動(dòng)與快速的城市化進(jìn)程增加了污染物入湖、入河的數(shù)量，進(jìn)一步惡化了水質(zhì)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，化肥農(nóng)藥的使用引起的非點(diǎn)源污染是水環(huán)境污染的重要來源[9]，農(nóng)業(yè)用地面積占比與水質(zhì)呈顯著正相關(guān)[10]。城市化進(jìn)程中過多的人造地表改變了徑流方式，導(dǎo)致污染物無法被截留、吸收，直接進(jìn)入水體，進(jìn)而對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響[11]。林草地對(duì)污染物的截留起到了積極作用[12]。2000年以后，從景觀生態(tài)學(xué)角度探索土地利用景觀格局與水質(zhì)的關(guān)系成為許多學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注問題[13-14]。主要集中分析了景觀構(gòu)成屬性[15]、景觀格局空間屬性[16]、不同景觀類型的空間尺度下對(duì)水質(zhì)的影響[17-18]。目前研究景觀格局與水質(zhì)的關(guān)系多采用模型與數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法[10]。但是由于研究區(qū)的地域差異性、選取的景觀指標(biāo)及水質(zhì)參數(shù)不同，使得土地利用/景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響關(guān)系這一論題的結(jié)論不一致，甚至在同一區(qū)域內(nèi)，若區(qū)域內(nèi)自然特征、土地利用結(jié)構(gòu)及景觀格局特征有差異，也會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)論產(chǎn)生不確定性。因此，有必要針對(duì)存在的問題開展進(jìn)一步地研究，剖析二者之間的關(guān)系。

本文選取的研究對(duì)象(三湖流域)呈現(xiàn)出了地域差異性這一特點(diǎn)，三湖流域均分布于云貴高原區(qū)，海拔較高，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱。三湖同屬斷層陷落淡水湖，湖泊換水周期長(zhǎng)，自凈能力不足，湖泊生態(tài)平衡狀態(tài)極易被打破。三湖雖然自然條件類似、地理位置相近，但是由于各個(gè)湖泊流域內(nèi)人為土地開發(fā)強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式及湖泊內(nèi)部特征不同，使得3個(gè)湖泊水質(zhì)差異明顯，不同程度地制約了三湖流域的生態(tài)環(huán)境建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。其中，撫仙湖是深水貧營(yíng)養(yǎng)湖泊，水質(zhì)較好；星云湖是典型地高原淺水湖泊，由中營(yíng)養(yǎng)過渡為富營(yíng)養(yǎng)；杞麓湖與撫仙湖、星云湖距離較近，而水污染較為嚴(yán)重，呈中度至重度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)?；诖?，本研究采用Pearson相關(guān)分析及冗余分析法分析撫仙湖流域、星云湖流域、杞麓湖流域這3個(gè)高原湖濱區(qū)不同土地利用變化對(duì)水質(zhì)的影響，探討景觀指數(shù)與水質(zhì)之間是否具有相關(guān)性，綜合分析土地利用/景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響，為高原湖泊生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和水環(huán)境保護(hù)措施的制定提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

撫仙湖(24°21′—24°38′N，102°49′—102°57′E)、星云湖(24°17′—24°23′N，102°45′—102°48′E)、杞麓湖(24°4′—24°14′N，102°33′—102°52′E)均位于滇中腹地(云南省玉溪市境內(nèi))，同屬珠江流域南盤江水系，為滇中經(jīng)濟(jì)區(qū)的社會(huì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境等方面提供重要的水資源基礎(chǔ)。三湖流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，屬于中亞熱帶濕潤(rùn)高原季風(fēng)氣候，具有四季溫和，干濕季明顯等特征，5—10月為雨季，且流域內(nèi)地形錯(cuò)綜復(fù)雜，以山區(qū)和壩區(qū)為主，呈西北高、東南低地勢(shì)。

撫仙湖為珠江源頭湖泊，平均水深95.3 m，流域面積675.48 km2。自1990年至今，玉溪市政府進(jìn)行撫仙湖流域水污染綜合防治“十五”“十一五”“十二五”規(guī)劃，使其水質(zhì)整體保持在Ⅰ類，但是湖濱區(qū)及流域北岸受到工農(nóng)業(yè)及旅游業(yè)發(fā)展的影響，局部水質(zhì)為Ⅱ類，由于湖泊換水周期長(zhǎng)達(dá)167 a，生態(tài)系統(tǒng)極易受到破壞。

星云湖是撫仙湖的上游湖泊，通過隔河與撫仙湖相連，其流域面積409.36 km2。星云湖平均水深僅4.73 m，蓄水量2.3億 m3，流域內(nèi)磷礦資源豐富，磷礦產(chǎn)業(yè)較為聚集，是星云湖總磷含量居高不下的主要原因。1994年以前，星云湖整體水質(zhì)為Ⅲ類，2002—2018年，水質(zhì)始終處于Ⅴ類甚至劣Ⅴ類的位置，由中營(yíng)養(yǎng)向富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

杞麓湖距離撫仙湖不到100 km，有4條主要入湖河流，無明出流口，為典型的封閉性高原陷落性湖泊。根據(jù)文獻(xiàn)[19]，杞麓湖流域是云南省九大高原湖泊人口高度密集，城市化率較高，受環(huán)境資源約束較大的地區(qū)，流域內(nèi)以農(nóng)業(yè)面源污染及工業(yè)污染為主，導(dǎo)致湖體水質(zhì)整體污染嚴(yán)重，1990—2018年水質(zhì)呈Ⅳ類—劣Ⅴ類—Ⅴ類的趨勢(shì)。

綜上所述，撫仙湖屬于深水貧營(yíng)養(yǎng)湖泊，湖泊容量大，但是受到流域周邊人類活動(dòng)的影響，水質(zhì)較易受污染；星云湖屬于典型的淺水性富營(yíng)養(yǎng)湖泊，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，當(dāng)前水質(zhì)污染嚴(yán)重；杞麓湖流域周邊土地開發(fā)程度高，加重水質(zhì)受污染風(fēng)險(xiǎn)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

三湖流域土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdu.cn/lds.aspx)1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2018年的30 m×30 m精度的全國土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。參照中科院一、二級(jí)分類體系，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，將研究區(qū)分為耕地、林地、草地、湖泊、水庫坑塘、建設(shè)用地6種土地利用類型。評(píng)價(jià)水環(huán)境污染程度時(shí)，選用多種環(huán)境質(zhì)量參數(shù)。本研究結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際污染狀況，選取與土地利用數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的7個(gè)年份的高錳酸鹽、生化需氧量、總磷、總氮4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的年均值作為水質(zhì)數(shù)據(jù)。水質(zhì)數(shù)據(jù)主要來源于相關(guān)的文獻(xiàn)資料[20-22]、《云南省環(huán)境狀況公報(bào)》、星云湖“十一五”規(guī)劃、杞麓湖流域水污染綜合防治“十一五”規(guī)劃。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用及景觀指數(shù)計(jì)算 基于7期土地利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.6軟件分析1990—2018年的三湖流域土地利用面積變化及轉(zhuǎn)移情況，闡明土地利用類型空間變化特征。景觀指數(shù)是反映景觀格局的定量指標(biāo)，可從斑塊、類型、景觀3個(gè)類別上反映土地利用空間格局信息[23]。為了分析整體景觀結(jié)構(gòu)，研究從表征景觀破碎度、聚集度、連通性指數(shù)、多樣性指數(shù)中選取了5個(gè)景觀指數(shù)反映景觀格局特征(表1)。采用Fragstata 4.2景觀指數(shù)分析軟件計(jì)算7期土地利用數(shù)據(jù)的PD，LSI，CONTAG，COHESION，SHDI。

表1 研究所選景觀格局指數(shù)

2.2.2 Pearson相關(guān)性分析 基于SPSS軟件，采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析土地利用/景觀指數(shù)與湖泊水質(zhì)之間相關(guān)性，Pearson相關(guān)性分析實(shí)質(zhì)上是研究?jī)山M變量之間的線性相關(guān)程度，公式如下:

式中:PXY為總體相關(guān)系數(shù);cov(X,Y)為隨機(jī)變量X/Y的協(xié)方差;var(X)/var(Y)分別代表X和Y的方差。樣本相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為:

2.2.3 冗余分析 借助Canoco 5軟件進(jìn)行土地利用/景觀指數(shù)與湖泊水質(zhì)的冗余分析(Redundancy Analysis，RDA)。RDA是一種從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度闡釋一組變量與另一組多變量之間的排序分析方法，該方法起源于生態(tài)學(xué)，用來揭示物種與環(huán)境變量之間的關(guān)系，后來被應(yīng)用于地理學(xué)中土地利用覆被與水質(zhì)等方面。該方法既能揭示各個(gè)環(huán)境變量(土地利用/景觀指數(shù))對(duì)湖泊水質(zhì)變化的貢獻(xiàn)率，又能以二維排序圖直觀地呈現(xiàn)出環(huán)境變量與水質(zhì)間的關(guān)系[24]。因此，以RDA方法分析土地利用/景觀指數(shù)與水質(zhì)間的關(guān)系，首先對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行降趨式對(duì)應(yīng)分析(Detrended Correspondence Analysis，DCA)，若Lengths of gradient第一軸大于4，則選擇CCA分析，介于3～4，則兩種模型均可，若小于3，RDA的效果更佳。結(jié)果顯示Lengths of gradient第一軸的結(jié)果為0.3，所以選擇冗余分析(RDA)。排序圖中一種箭頭表示水質(zhì)數(shù)據(jù)，另一種箭頭表示土地利用/景觀指數(shù)，箭頭夾角之間的余弦值代表了二者的相關(guān)性，兩者之間夾角的余弦值小于0時(shí)，兩者呈正相關(guān)，夾角越小，相關(guān)性越高；兩者之間夾角余弦值為0時(shí)，兩者無相關(guān)性；二者之間夾角余弦值大于0時(shí)為負(fù)相關(guān)，夾角越大，相關(guān)程度越高。箭頭長(zhǎng)度代表了該影響因子所占比重，箭頭越長(zhǎng)影響程度越高。

3 結(jié)果與分析

3.1 三湖流域土地利用變化

由圖1可知，撫仙湖流域以林地和湖泊為主要土地利用類型，面積占比分別平均達(dá)到25.75%，32.53%，變化幅度微弱。建設(shè)用地面積持續(xù)增加，但占比較小(2.07%～2.78%)，增加了34.81%。星云湖流域耕地、林地面積占比較大，分別為(32.16%～36.25%，30.15%～32.11%)，并且波動(dòng)式下降，其余土地利用類型占比較小，其中建設(shè)用地呈波動(dòng)式上升趨勢(shì)，面積占比增加了1.01%。杞麓湖流域耕地、林地為優(yōu)勢(shì)景觀類型，面積占比最顯著，分別平均達(dá)到44.63%，26.52%，而湖泊水面在2000—2018年面積占比變化幅度大，主要由于2010—2015年，受圍湖修壩影響，湖泊水面縮小，湖濱帶出現(xiàn)大面積灘地，2015—2018年為維護(hù)水環(huán)境，灘地又轉(zhuǎn)為湖泊水面?？傊?，1990—2018年，三湖流域的耕地面積波動(dòng)式減少，建筑用地逐年遞增，剩余土地利用類型變化趨勢(shì)幅度小(圖1)。不同土地利用類型由于受人類活動(dòng)的干擾，相互之間會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移。1990—2018年，三湖流域的土地利用類型轉(zhuǎn)移以耕地、林地、草地、建設(shè)用地為主，根據(jù)轉(zhuǎn)出面積的大小排序依次為耕地>林地>草地>建設(shè)用地，其余土地利用類型的轉(zhuǎn)移幅度較小。三湖流域內(nèi)耕地基本上轉(zhuǎn)為林地、草地，這與三湖流域土地利用規(guī)劃中退耕還林、還草政策相關(guān)；林地大部分轉(zhuǎn)為耕地、草地；草地多數(shù)轉(zhuǎn)為林地。建設(shè)用地的增加量主要來源于耕地的轉(zhuǎn)入，撫仙湖、星云湖、杞麓湖流域耕地分別向建設(shè)用地轉(zhuǎn)入了5.56，5.39，8.51 km2，表明三湖流域內(nèi)人類活動(dòng)增強(qiáng)，城鎮(zhèn)化發(fā)展占據(jù)了大量的耕地，同時(shí)利用林地、草地填補(bǔ)耕地，保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

圖1 三湖流域土地利用變化

3.2 土地景觀格局演變

景觀指數(shù)可反映景觀格局的空間結(jié)構(gòu)，研究區(qū)內(nèi)，1990—2018年總體景觀指數(shù)變化如下(圖2)。三湖流域的PD，LSI，SHDI指數(shù)均增加，表明研究區(qū)受人為干擾影響強(qiáng)烈，景觀破碎化程度加深，異質(zhì)性增強(qiáng)，不同景觀類型的斑塊朝著不規(guī)則多邊形方向發(fā)展。撫仙湖與杞麓湖流域CONTAG減小，星云湖流域CONTAG增大；同時(shí)3個(gè)湖泊流域的COHESION值介于98.8～99.1，表明3個(gè)湖泊流域相鄰斑塊間的空間連接性增強(qiáng)，空間連通性好，撫仙湖與杞麓湖流域內(nèi)不同斑塊類型團(tuán)聚程度下降，星云湖流域內(nèi)不同斑塊類型聚集度提升。

圖2 三湖流域景觀指數(shù)變化特征

3.3 三湖流域水質(zhì)特征

撫仙湖、星云湖、杞麓湖水質(zhì)變化見圖3。根據(jù)中華人民共和國《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)將地表水域環(huán)境功能分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類。當(dāng)CODMn≤2，4，6，10，15；BOD5≤3，3，4，6，10；TP≤0.01，0.025，0.05，0.1，0.2；TN≤0.2，0.5，1.0，1.5，2.0時(shí)，分別對(duì)應(yīng)Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類。1990—2018年，撫仙湖CODMn，BOD5有顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，TP與TN的變化不明顯，且4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)均處于Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)始終保持在Ⅰ類。星云湖CODMn，BOD5，TP，TN總體呈上升趨勢(shì)，其中在1990—2010年，濃度持續(xù)上升，2015—2018年濃度指數(shù)下降，且TP，TN是星云湖的主要污染物，TP在2010—2018年一直穩(wěn)定在Ⅴ類，水質(zhì)污染嚴(yán)重。杞麓湖BOD5，TP，TN增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯，CODMn波動(dòng)較大趨勢(shì)不明顯。BOD5，TP在2010—2015年分別處于Ⅴ類，Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，TN一直處在Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)?？梢?，2015年之前三湖水質(zhì)受污染程度較高，2018年水質(zhì)均有所改善。

圖3 1990-2018年三湖水質(zhì)指標(biāo)變化

3.4 土地利用/景觀格局與水質(zhì)的關(guān)聯(lián)分析

3.4.1 土地利用/景觀格局與水質(zhì)的Pearson相關(guān)分析

(1)土地利用變化與水質(zhì)相關(guān)性。由表2可知，撫仙湖流域耕地面積比與水質(zhì)指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，且與CODMn呈極顯著負(fù)相關(guān)；林地面積比與CODMn，BOD5呈負(fù)相關(guān)，草地及水庫坑塘與水質(zhì)呈正相關(guān)，林地、草地、水庫坑塘與水質(zhì)的相關(guān)性均不顯著；建設(shè)用地面積比與CODMn的相關(guān)系數(shù)為0.875，顯著性概率p小于0.01，呈極顯著正相關(guān)狀態(tài)。星云湖流域耕地面積比、水庫坑塘面積比、建設(shè)用地面積比與水質(zhì)均呈正相關(guān)；林地、草地面積比均與水質(zhì)呈負(fù)相關(guān)，但是相關(guān)性均不顯著，只有林地面積比與水質(zhì)的相關(guān)系數(shù)較高，相關(guān)系數(shù)介于-0.684～-0.504。杞麓湖流域耕地面積比與BOD5呈極顯著負(fù)相關(guān)狀態(tài)；林地與草地面積比與水質(zhì)無顯著相關(guān)性；水庫坑塘面積比與建設(shè)用地面積比與水體污染物均呈正相關(guān)，其中水庫坑塘與CODMn，建設(shè)用地與BOD5之間相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.820，0.882，顯著性概率分別小于0.01，0.05。

綜上，撫仙湖流域內(nèi)耕地對(duì)CODMn表現(xiàn)出顯著的正效應(yīng)，建設(shè)用地對(duì)CODMn具有較明顯的負(fù)效應(yīng)，耕地與建設(shè)用地是預(yù)測(cè)撫仙湖水質(zhì)變化的重要因子。星云湖流域內(nèi)林地對(duì)凈化水質(zhì)有重要作用。杞麓湖流域耕地、建設(shè)用地分別對(duì)BOD5有相當(dāng)明顯的正效應(yīng)和負(fù)效應(yīng)，水庫坑塘對(duì)CODMn具有相對(duì)明顯的負(fù)效應(yīng)，對(duì)于CODMn濃度的增長(zhǎng)，貢獻(xiàn)較大，耕地、水庫坑塘、建設(shè)用地可作為杞麓湖水質(zhì)變化的重要預(yù)測(cè)因子。

(2)景觀格局與水質(zhì)相關(guān)性。撫仙湖流域僅有PD，LSI，SHDI與表征湖泊水質(zhì)下降指標(biāo)CODMn呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.791，0.773，0.820，其顯著性概率p小于0.05。星云湖流域CONTAG分別與CODMn，TP，TN呈顯著正相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)分別達(dá)到0.807，0.788，0.833，而PD，LSI，COHESION，SHDI與水質(zhì)指標(biāo)均無顯著相關(guān)性。杞麓湖流域PD，LSI與CODMn具有極顯著正相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)分別為0.886，0.890，其與BOD5呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)分別為0.848，0.797，COHESION與BOD5的相關(guān)系數(shù)為-0.944，顯示明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其顯著性概率小于0.01，CONTAG與SHDI分別與BOD5的相關(guān)性系數(shù)為-0.808，0.843，兩者間的相關(guān)關(guān)系均較顯著。綜上，選取的景觀格局指數(shù)可有效地預(yù)測(cè)研究區(qū)內(nèi)水質(zhì)變化。

3.4.2 土地利用/景觀指數(shù)與水質(zhì)的冗余分析 本研究將三湖流域7期的水質(zhì)數(shù)據(jù)分別與土地利用面積比、景觀指數(shù)進(jìn)行冗余分析(RDA)，探索土地利用/景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響強(qiáng)度，結(jié)果見圖4。

(1)土地利用變化與水質(zhì)冗余分析。由圖4可知，三湖流域土地利用面積比與水質(zhì)變化分析的結(jié)果與表2中Pearson相關(guān)性分析結(jié)果一致。撫仙湖、星云湖、杞麓湖流域土地利用面積比第一軸和第二軸分別累積解釋了89.15%，96.37%，88.06%的水質(zhì)變化。撫仙湖流域耕地、林地均與CODMn，BOD5呈負(fù)相關(guān)，其中耕地對(duì)CODMn的影響程度較大；草地、水庫坑塘與所有水質(zhì)指標(biāo)呈正相關(guān)；建設(shè)用地與CODMn，BOD5呈正相關(guān)，且與CODMn相關(guān)性程度較高。星云湖流域耕地、水庫坑塘、建設(shè)用地面積比與水化學(xué)指標(biāo)呈正相關(guān)，其中耕地的箭頭最長(zhǎng)，對(duì)水質(zhì)影響較大；林地、草地面積比與湖泊水質(zhì)指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān)，林地強(qiáng)烈影響著水質(zhì)變化。杞麓湖流域耕地與所有水質(zhì)參數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；水庫坑塘、建設(shè)用地與所有水質(zhì)指標(biāo)呈正相關(guān)，耕地對(duì)水質(zhì)的影響程度較其他土地利用類型高。

表2 土地利用/景觀指數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系

(2)景觀格局與水質(zhì)冗余分析。三湖流域景觀指數(shù)1軸和2軸分別累積解釋了89.72%，97.05%，88.23%的水質(zhì)變化。撫仙湖流域PD，LSI，SHDI與CODMn呈極顯著正相關(guān)，SHDI對(duì)水質(zhì)影響最大。星云湖流域PD，LSI，CONTAG，SHDI與所有水質(zhì)指標(biāo)呈正相關(guān)，COHESION與湖泊水質(zhì)指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān)，CONTAG對(duì)水質(zhì)影響較大。杞麓湖流域COHESION，CONTAG與所有水質(zhì)參數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，PD，LSI，SHDI與所有水質(zhì)指標(biāo)呈正相關(guān)，COHESION對(duì)水質(zhì)的影響程度較其他指數(shù)高。

根據(jù)表3，得出土地利用類型面積占比與景觀指數(shù)對(duì)水質(zhì)的解釋程度。撫仙湖流域建設(shè)用地、SHDI對(duì)水質(zhì)有較高的解釋量，分別為61.9%，58.7%。星云湖流域土地利用類型對(duì)水質(zhì)的解釋量較低，CONTAG對(duì)水質(zhì)變化具有最高51.5%的解釋量。杞麓湖流域耕地、建設(shè)用地、PD、COHESION的解釋量最高，依次為69.9%，52.3%，59.9%，64%。

4 討 論

4.1 土地利用變化對(duì)水質(zhì)的影響

同一地域條件下，不同土地利用類型由于自身空間布局及不同強(qiáng)度的人類活動(dòng)干擾也會(huì)使得土地利用類型對(duì)水質(zhì)影響效果產(chǎn)生差異。相關(guān)研究表明[25-26]，耕地和建設(shè)用地對(duì)污染物的輸出貢獻(xiàn)較大，兩者作為水體潛在污染物的“源”景觀，對(duì)水質(zhì)具有正效應(yīng)，由于農(nóng)業(yè)用地施肥等原因，土壤中的污染物隨著地表徑流進(jìn)入水體，而生活污染物導(dǎo)致建設(shè)用地本來就是污染源，加上地表不透水面的增加，為污染物向水體的輸出提供了新的途徑。而林草地是水體污染物的“匯”景觀，能夠較好地截留和消減污染物，凈化水質(zhì)。

根據(jù)本研究結(jié)果，撫仙湖、杞麓湖流域耕地與所有水化學(xué)指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，且與耗氧污染物(CODMn，BOD5)顯著負(fù)相關(guān)，這與其他研究結(jié)果不一致[10]。究其原因，撫仙湖流域內(nèi)耕地是次要土地用地，且面積在1990—2018年不斷減少，而CODMn，BOD5的變化趨勢(shì)與其相反，表明流域內(nèi)耕地對(duì)CODMn，BOD5具有一定的削弱作用。杞麓湖流域內(nèi)耕地為首要土地利用類型，其中農(nóng)業(yè)旱地經(jīng)濟(jì)作物(烤煙、玉米等)根系部分對(duì)氨氮類等化學(xué)物質(zhì)具有吸收作用，使得耕地與所有水質(zhì)指標(biāo)負(fù)相關(guān)。另外，撫仙湖、杞麓湖兩個(gè)湖泊流域的林地均與CODMn，BOD5負(fù)相關(guān)，且與TN中度正相關(guān)，主要因?yàn)閮珊饔騼?nèi)林地與其他地類相間分布，發(fā)揮了污染源“匯”的作用，減少了CODMn，BOD5兩類污染物的入湖量；同時(shí)兩湖流域內(nèi)均呈四周高、中間低的地勢(shì)，而落地的枯枝，腐葉含有豐富的有機(jī)質(zhì)，通過地表徑流的方式將營(yíng)養(yǎng)物帶入湖泊。撫仙湖流域內(nèi)建設(shè)用地主要分布于湖濱區(qū)，集中在北部澄江縣，同時(shí)澄江縣內(nèi)磷礦企業(yè)較多，造成了流域內(nèi)建設(shè)用地與CODMn顯著正相關(guān)。杞麓湖流域內(nèi)建設(shè)用地主要分布于壩區(qū)水田周邊，二者共同帶來的面源及生活污染，對(duì)湖泊水質(zhì)造成威脅。杞麓湖流域內(nèi)水庫坑塘與CODMn顯著正相關(guān)，這一結(jié)果源于杞麓湖是一淺水性湖泊，水庫坑塘與湖泊水體相連，通過徑流方式攜帶營(yíng)養(yǎng)鹽入湖，導(dǎo)致湖泊底泥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)越積越多，成為湖泊水質(zhì)潛在的污染源。星云湖流域耕地、水庫坑塘、建設(shè)用地與所有水污染指數(shù)正相關(guān)、林地、草地與所有水質(zhì)指標(biāo)負(fù)相關(guān)，但均無顯著性，只有林地與水質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)稍高，其結(jié)論與已有研究成果類似[27]。其次星云湖流域內(nèi)耕地與林地為主要景觀類型，且面積占比相差不大，二者對(duì)水質(zhì)的影響作用互相減弱，其次建設(shè)用地?cái)U(kuò)張緩慢是導(dǎo)致不同土地利用類型與水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性不顯著的主要原因。

三湖流域在各個(gè)湖泊流域內(nèi)自然環(huán)境特征、土地利用類型變化及分布影響下，結(jié)合表3土地利用/景觀格局對(duì)水質(zhì)的解釋量，耕地、建設(shè)用地是影響撫仙湖、杞麓湖水質(zhì)的主要土地利用類型。星云湖流域林地對(duì)其解釋量稍高。

注：A，B，C，D，E分別代表耕地、林地、草地、水庫坑塘、建設(shè)用地。

表3 土地利用/景觀指數(shù)對(duì)水質(zhì)的解釋量

4.2 景觀指數(shù)變化對(duì)水質(zhì)的影響

不同湖泊流域內(nèi)，水質(zhì)不僅受到土地利用類型的影響，更受到不同流域內(nèi)景觀類型的空間配置及格局的制約。通過建立景觀指數(shù)與湖泊水體污染物濃度之間的關(guān)系，能夠更好地預(yù)測(cè)湖泊水質(zhì)的變化[27]。

本研究顯示，撫仙湖流域中，PD，LSI與CODMn顯著正相關(guān)。PD，LSI反映景觀的破碎度和景觀形狀復(fù)雜度，斑塊邊界越不規(guī)則、景觀破碎化程度越嚴(yán)重，湖泊水質(zhì)越容易被污染，SHDI反映斑塊類型的異質(zhì)性與多樣性，其與水質(zhì)的相關(guān)關(guān)系受到流域內(nèi)景觀類型的影響。撫仙湖流域內(nèi)“匯”景觀林地受到人為干擾，斑塊結(jié)構(gòu)整體性下降，使得吸收“源”景觀污染物的能力減弱，隨著SHDI指數(shù)的增大，促進(jìn)了污染物的擴(kuò)散，導(dǎo)致SHDI與CODMn顯著正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)較高。結(jié)合RDA分析，SHDI，LSI對(duì)撫仙湖水體的解釋程度較高，因此，SHDI，LSI可作為預(yù)測(cè)撫仙湖水質(zhì)變化的關(guān)鍵因子。

本文結(jié)果表明，星云湖流域CONTAG與CODMn，TP，TN顯著正相關(guān)，其余景觀指數(shù)與剩余水質(zhì)參數(shù)間的相關(guān)性不顯著。這可能與流域內(nèi)的景觀類型有關(guān)系，CONTAG代表不同斑塊類型間的團(tuán)聚蔓延程度，反映景觀的分離和散布程度。值越大，斑塊間的聚集程度越高。流域內(nèi)以耕地為主要景觀類型，且多分布于湖泊近岸相對(duì)集中，斑塊間連通性好，造成農(nóng)業(yè)污染物通過地表徑流的方式直接入湖，水體污染物濃度增加，湖泊水質(zhì)下降，與渾太河流域研究相似[17]，但也有研究結(jié)果與其相反[28]，若研究區(qū)內(nèi)以林草地等為優(yōu)勢(shì)景觀，則在一定程度上有助于減少湖泊污染。此外結(jié)合表3中的不同環(huán)境因子對(duì)星云湖水體的解釋程度，CONTAG可有效預(yù)測(cè)星云湖水質(zhì)的變化。

在本研究中，通過杞麓湖流域景觀—水質(zhì)相關(guān)性分析、RDA分析可知，對(duì)杞麓湖水質(zhì)影響較大的景觀指標(biāo)為PD，LSI，COHESION。PD，LSI均與CODMn極顯著正相關(guān)的同時(shí)，仍與BOD5顯著正相關(guān)。杞麓湖流域內(nèi)湖盆壩區(qū)是耕地與建設(shè)用地的集中區(qū)域，耕地面積的減少，建設(shè)用地的增長(zhǎng)造成斑塊類型重復(fù)出現(xiàn)的頻率上升，景觀類型被分割成小的斑塊，意味著流域內(nèi)破碎度的加大會(huì)導(dǎo)致斑塊間物質(zhì)流動(dòng)強(qiáng)度大，有利于污染物的遷移輸出。COHESION是衡量斑塊連接度的重要指標(biāo)，杞麓湖流域COHESION與BOD5呈極顯著負(fù)相關(guān)，與徐啟渝等[29]在鄱陽湖流域研究的結(jié)論相同。表明杞麓湖流域內(nèi)隨著COHESION值的增大，景觀趨于高聯(lián)通方向發(fā)展，流域內(nèi)耕地為優(yōu)勢(shì)斑塊類型，而旱地小麥等作物的根系部分對(duì)水質(zhì)的凈化作用已被其他土地利用類型的零散不規(guī)則的斑塊分布引起的污染物的聚集所掩蓋，導(dǎo)致無法有效凈化水質(zhì)。結(jié)合表3中COHESION，LSI，PD對(duì)整個(gè)湖泊水質(zhì)具有較高的解釋率可推斷COHESION，LSI，PD可作為杞麓湖流域湖泊水質(zhì)的有效預(yù)測(cè)因子[29]。

5 結(jié) 論

(1)1990—2018年，三湖流域的土地利用景觀格局變化明顯，耕地減少、建設(shè)用地占比上升，是主要變化土地類型；PD，LSI，SHDI均增加，流域景觀格局異質(zhì)性增強(qiáng)，破碎化程度加深。

(2)三湖流域土地利用類型對(duì)水質(zhì)影響顯著，但不同流域內(nèi)影響結(jié)果存在差異。撫仙湖流域耕地與建設(shè)用地是影響水質(zhì)變化的重要因子，耕地與水質(zhì)指標(biāo)負(fù)相關(guān)，建設(shè)用地面積比與CODMn和BOD5呈正相關(guān)，表明耕地面積的減少有助于水環(huán)境質(zhì)量提升，而建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)于水體污染物濃度的減小起到阻礙作用。星云湖流域內(nèi)林草地對(duì)水質(zhì)呈現(xiàn)出正面效應(yīng)，可相對(duì)減弱水質(zhì)受污染風(fēng)險(xiǎn)。杞麓湖流域僅耕地、建設(shè)用地與BOD5的相關(guān)性極顯著，對(duì)水質(zhì)影響較大。

(3)三湖流域景觀格局變化對(duì)各個(gè)湖泊水質(zhì)的影響效果也存在差異。撫仙湖流域中SHDI，LSI與CODMn表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，且對(duì)湖泊水體的解釋量較高，可有效預(yù)測(cè)湖泊水質(zhì)的變化。星云湖流域僅CONTAG與水質(zhì)呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，是引起湖泊水質(zhì)變化的重要因素。杞麓湖流域景觀破碎度越高，斑塊間連通性較好，湖泊水質(zhì)受污染程度越高；PD和LSI與CODMn極顯著正相關(guān)，對(duì)水質(zhì)污染物濃度的減小起到負(fù)效應(yīng)；另COHESION，PD，LSI這3個(gè)因子均對(duì)湖泊水質(zhì)具有較高的解釋量，可以在景觀尺度上預(yù)測(cè)杞麓湖未來水質(zhì)的變化。