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)境遙感重點實驗室, 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)

水資源是支撐社會經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略性資源，對于維持生態(tài)社會經(jīng)濟系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[1-2]。近幾十年，隨著人類活動的擴大，城鎮(zhèn)化進程的加快，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，景觀格局的變化會引起許多水文過程，如地表徑流、地球化學(xué)循環(huán)等，會導(dǎo)致大量污染物進入水體，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，也對流域水資源可持續(xù)利用及識別水質(zhì)的主要威脅具有重要意義。

針對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[7]。不合理的人類活動通常會改變地表特征，產(chǎn)生污染，增加污染物負(fù)荷[8]。強烈的農(nóng)業(yè)活動與快速的城市化進程增加了污染物入湖、入河的數(shù)量，進一步惡化了水質(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，直接進入水體，進而對水質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響[11]。林草地對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，也會導(dǎo)致研究結(jié)論產(chǎn)生不確定性。因此，有必要針對存在的問題開展進一步地研究，剖析二者之間的關(guān)系。

本文選取的研究對象(三湖流域)呈現(xiàn)出了地域差異性這一特點，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，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，但是由于各個湖泊流域內(nèi)人為土地開發(fā)強度、經(jīng)濟發(fā)展模式及湖泊內(nèi)部特征不同，使得3個湖泊水質(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)和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。其中，撫仙湖是深水貧營養(yǎng)湖泊，水質(zhì)較好；星云湖是典型地高原淺水湖泊，由中營養(yǎng)過渡為富營養(yǎng)；杞麓湖與撫仙湖、星云湖距離較近，而水污染較為嚴(yán)重，呈中度至重度富營養(yǎng)狀態(tài)?；诖耍狙芯坎捎肞earson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個高原湖濱區(qū)不同土地利用變化對水質(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/景觀格局對水質(zhì)的影響，為高原湖泊生態(tài)系統(tǒng)保護和水環(huán)境保護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)濟區(qū)的社會發(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)地形錯綜復(fù)雜，以山區(qū)和壩區(qū)為主，呈西北高、東南低地勢。

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達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，由中營養(yǎng)向富營養(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[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。

綜上所述，撫仙湖屬于深水貧營養(yǎng)湖泊，湖泊容量大，但是受到流域周邊人類活動的影響，水質(zhì)較易受污染；星云湖屬于典型的淺水性富營養(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。

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)測數(shù)據(jù)。參照中科院一、二級分類體系，結(jié)合研究區(qū)實際情況，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。評價水環(huán)境污染程度時，選用多種環(huán)境質(zhì)量參數(shù)。本研究結(jié)合研究區(qū)的實際污染狀況，選取與土地利用數(shù)據(jù)對應(yīng)的7個年份的高錳酸鹽、生化需氧量、總磷、總氮4個水質(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)的文獻資料[20-22]、《云南省環(huán)境狀況公報》、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)性分析實質(zhì)上是研究兩組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)的計算公式為:

2.2.3 冗余分析 借助Canoco 5軟件進行土地利用/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環(huán)境變量(土地利用/景觀指數(shù))對湖泊水質(zhì)變化的貢獻率，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，首先對水質(zhì)參數(shù)進行降趨式對應(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，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，兩者無相關(guān)性；二者之間夾角余弦值大于0時為負(fù)相關(guān)，夾角越大，相關(guān)程度越高。箭頭長度代表了該影響因子所占比重，箭頭越長影響程度越高。

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)用地呈波動式上升趨勢，面積占比增加了1.01%。杞麓湖流域耕地、林地為優(yōu)勢景觀類型，面積占比最顯著，分別平均達到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年為維護水環(huán)境，灘地又轉(zhuǎn)為湖泊水面。總之，1990—2018年，三湖流域的耕地面積波動式減少，建筑用地逐年遞增，剩余土地利用類型變化趨勢幅度小(圖1)。不同土地利用類型由于受人類活動的干擾，相互之間會發(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)人類活動增強，城鎮(zhèn)化發(fā)展占據(jù)了大量的耕地，同時利用林地、草地填補耕地，保護區(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)受人為干擾影響強烈，景觀破碎化程度加深，異質(zhì)性增強，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3個湖泊流域的COHESION值介于98.8～99.1，表明3個湖泊流域相鄰斑塊間的空間連接性增強，空間連通性好，撫仙湖與杞麓湖流域內(nèi)不同斑塊類型團聚程度下降，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，分別對應(yīng)Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類。1990—2018年，撫仙湖CODMn，BOD5有顯著增長趨勢，TP與TN的變化不明顯，且4個水質(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，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增長趨勢明顯，CODMn波動較大趨勢不明顯。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CODMn表現(xiàn)出顯著的正效應(yīng)，建設(shè)用地對CODMn具有較明顯的負(fù)效應(yīng)，耕地與建設(shè)用地是預(yù)測撫仙湖水質(zhì)變化的重要因子。星云湖流域內(nèi)林地對凈化水質(zhì)有重要作用。杞麓湖流域耕地、建設(shè)用地分別對BOD5有相當(dāng)明顯的正效應(yīng)和負(fù)效應(yīng)，水庫坑塘對CODMn具有相對明顯的負(fù)效應(yīng)，對于CODMn濃度的增長，貢獻較大，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)進行冗余分析(RDA)，探索土地利用/景觀格局對水質(zhì)的影響強度，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，對水質(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)對水質(zhì)的解釋程度。撫仙湖流域建設(shè)用地、SHDI對水質(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水質(zhì)的解釋量較低，CONTAG對水質(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度的人類活動干擾也會使得土地利用類型對水質(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)用地對污染物的輸出貢獻較大，兩者作為水體潛在污染物的“源”景觀，對水質(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的變化趨勢與其相反，表明流域內(nèi)耕地對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)濟作物(烤煙、玉米等)根系部分對氨氮類等化學(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)，主要因為兩湖流域內(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；同時兩湖流域內(nèi)均呈四周高、中間低的地勢，而落地的枯枝，腐葉含有豐富的有機質(zhì)，通過地表徑流的方式將營養(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養(yǎng)鹽入湖，導(dǎo)致湖泊底泥營養(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，二者對水質(zhì)的影響作用互相減弱，其次建設(shè)用地擴張緩慢是導(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)對水質(zhì)的解釋量

4.2 景觀指數(shù)變化對水質(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，促進了污染物的擴散，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對撫仙湖水體的解釋程度較高，因此，SHDI，LSI可作為預(yù)測撫仙湖水質(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)境因子對星云湖水體的解釋程度，CONTAG可有效預(yù)測星云湖水質(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，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)破碎度的加大會導(dǎo)致斑塊間物質(zhì)流動強度大，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)勢斑塊類型，而旱地小麥等作物的根系部分對水質(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對整個湖泊水質(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，破碎化程度加深。

(2)三湖流域土地利用類型對水質(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)用地擴張對于水體污染物濃度的減小起到阻礙作用。星云湖流域內(nèi)林草地對水質(zhì)呈現(xiàn)出正面效應(yīng)，可相對減弱水質(zhì)受污染風(fēng)險。杞麓湖流域僅耕地、建設(shè)用地與BOD5的相關(guān)性極顯著，對水質(zhì)影響較大。

(3)三湖流域景觀格局變化對各個湖泊水質(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)，且對湖泊水體的解釋量較高，可有效預(yù)測湖泊水質(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個因子均對湖泊水質(zhì)具有較高的解釋量，可以在景觀尺度上預(yù)測杞麓湖未來水質(zhì)的變化。