張柳柳,劉 睿,張 靜,*,肖作林,冀 琴

1 重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 重慶 401331 2 重慶師范大學(xué) GIS應(yīng)用研究重慶市重點實驗室, 重慶 401331

河流水質(zhì)是流域生態(tài)環(huán)境高水平保護(hù)和經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵因素,河流水質(zhì)優(yōu)劣對流域內(nèi)人類生活、生產(chǎn)用水安全具有重要意義[1]。目前,我國各類點源污染已得到有效治理,面源污染已成為決定河流水質(zhì)的主導(dǎo)因素[2]。流域景觀結(jié)構(gòu)、景觀格局影響著徑流中污染物質(zhì)的遷徙轉(zhuǎn)換[3—6]。合理調(diào)控景觀特征對減少面源污染具有顯著作用,故探討景觀特征與河流水質(zhì)的關(guān)系對恢復(fù)流域生態(tài)安全、降低污染風(fēng)險具有重要意義[7]。

景觀特征與河流水質(zhì)關(guān)聯(lián)研究已成為國內(nèi)外研究熱點[6,8—16]。景觀特征與河流水質(zhì)的關(guān)聯(lián)研究在內(nèi)容上主要從自然屬性角度(景觀類型)或空間分布角度(景觀格局)進(jìn)行研究。如Dai等[8]研究證實建設(shè)用地和農(nóng)田能對水環(huán)境產(chǎn)生顯著負(fù)面影響,植被能顯著減少向河流排放的養(yǎng)分,從而緩解水質(zhì)惡化。Shehab等[6]研究表明景觀高度分散能加劇水質(zhì)惡化。朱珍香等[9]發(fā)現(xiàn)斑塊密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)為負(fù)相關(guān),得出減少景觀破碎化能改善水質(zhì)的結(jié)論。也有部分研究探討景觀特征—水質(zhì)關(guān)聯(lián)的空間尺度效應(yīng)[10—13],但由于各流域土地利用具有獨特性,對水質(zhì)影響最強(qiáng)的空間尺度存在爭議[11]。Zhang等[12]在大寧河流域的研究結(jié)果顯示流域尺度下的土地利用對整體水質(zhì)的影響無論在旱、雨季都最強(qiáng)。而Dai等[8]發(fā)現(xiàn)河岸200 m以內(nèi)的區(qū)域是影響河流水質(zhì)的重點區(qū)域。方娜等[13]的研究卻表明土地利用對河流水質(zhì)的解釋率在緩沖區(qū)尺度先加強(qiáng)后減弱,在1000 m河岸緩沖區(qū)尺度處達(dá)到最大值。此外,景觀特征對河流水質(zhì)的影響存在季節(jié)差異。Huang等[14]發(fā)現(xiàn)九龍江流域的土地—水質(zhì)關(guān)聯(lián)在豐水年強(qiáng)于枯水年,而彭勃等[15]卻在清源河流域研究中得出相反結(jié)論。但由于景觀特征的復(fù)雜性和異質(zhì)性,景觀特征對水質(zhì)影響的共性規(guī)律仍待進(jìn)一步研究[16]。此外,坡度因子是水土保持的重要地形因子[17—18]。山地丘陵地區(qū)的地表坡降大,地表徑流攜帶污染物遷至河流的能力加強(qiáng),卻鮮見研究探討坡度因子對景觀特征-水質(zhì)關(guān)聯(lián)的影響[3]。因此需要在更廣泛的區(qū)域開展研究,并充分考慮地形因素的影響,更深入探討坡地景觀特征對河流水質(zhì)的影響機(jī)制。

長江是我國最大的河流,對我國人文、社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[19]。本研究以位于長江上游、覆蓋三峽庫區(qū)約80%的重慶市為研究區(qū)[20],分析長江上游坡地景觀特征與河流水質(zhì)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,研究目的為：(1)建立坡地景觀特征-水質(zhì)的關(guān)聯(lián),確定影響水質(zhì)的主要坡地景觀特征指標(biāo)；(2)定量探討坡地景觀特征影響水質(zhì)的多時空尺度差異；(3)探究坡度因子如何影響景觀特征與河流水質(zhì)的關(guān)聯(lián)。本研究通過定量分析坡地景觀特征影響河流水質(zhì)的方式及其時空尺度差異,以期為長江上游水資源保護(hù)、山地丘陵區(qū)的景觀特征優(yōu)化提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

重慶市是長江上游經(jīng)濟(jì)重心城市、西南地區(qū)交通樞紐[21],境內(nèi)三峽庫區(qū)的建設(shè)加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展同時也加劇了污染物排放,建設(shè)用地、農(nóng)業(yè)用地生產(chǎn)排放的污水成為惡化河流水質(zhì)的主要因素[22]。重慶市地跨東經(jīng)105°11′—110°11′、北緯28°10′—32°13′,位于青藏高原與長江中下游平原的結(jié)合地帶,幅員面積8.24×104km2。地貌以丘陵、山地為主[23],地形呈現(xiàn)為南北向長江河谷傾斜,屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,年均降水量約為1200 mm,降雨量呈單峰型,峰值集中在5—9月,因此將5—9月劃定為汛期,其余時間為非汛期[24]。境內(nèi)水資源豐富,長江干流境內(nèi)流程長達(dá)683.8 km,自西向東橫貫全境,與嘉陵江、烏江、涪江、綦江等一級支流形成不對稱網(wǎng)狀水系格局[25]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1水質(zhì)數(shù)據(jù)來源與處理

圖1 研究區(qū)概況圖及水質(zhì)監(jiān)測站空間分布圖Fig.1 Overview map of the study area and spatial distribution of water quality monitoring stations 站點1—12分別為北溫泉、大溪溝、豐收壩、和尚山、金子、李渡、梁沱、碼頭、扇沱、萬木、玉溪、朱沱站點

1.2.2地表景觀數(shù)據(jù)來源與處理

首先,基于國家科技基礎(chǔ)條件平臺——國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn)發(fā)布的Landsat 8 OLI遙感影像數(shù)據(jù)(2015年,30 m空間分辨率),根據(jù)土地利用一級分類標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合人工目視解譯和隨機(jī)森林法將研究區(qū)土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地,其中未利用地包含鹽堿地、沼澤地、沙地和裸地(圖1)。分類結(jié)果經(jīng)混淆矩陣精度驗證,總精度為84.763%, Kappa系數(shù)為0.82,滿足精度要求。其次,基于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn/)發(fā)布的ASTER GDEM數(shù)據(jù)(30 m空間分辨率),利用ArcGIS(ESRI Company, USA)表面分析模塊計算地形坡度,并參考坡耕地的定義及坡面侵蝕臨界值[3],劃分平地(<6°)、緩坡(6°—25°,含6°)和陡坡(≥25°),研究區(qū)內(nèi)6°及以上的坡地占比83.25%,其中緩坡占比57.17%。

1.3 研究方法

1.3.1空間尺度的創(chuàng)建

結(jié)合以往研究,本文選取河岸帶100 m、200 m、300 m、500 m、1000 m和子流域尺度來研究坡地景觀特征-水質(zhì)關(guān)聯(lián)[11, 28—29]。首先,以高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),基于ArcGIS水文分析模塊進(jìn)行水系提取并以監(jiān)測站點為出水口提取子流域；再參考中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)發(fā)布的研究區(qū)二級流域數(shù)據(jù)[30]劃分出研究區(qū)12個監(jiān)測點的子流域范圍(圖1)。其次,以子流域為邊界截取河流,并向左右兩岸延伸100 m、200 m、300 m、500 m、1000 m生成對應(yīng)的河岸帶緩沖區(qū)(圖1)。

1.3.2景觀特征參數(shù)的計算

景觀組成是決定河流水質(zhì)的重要因素?；贏rcGIS掩膜工具,將地表景觀數(shù)據(jù)劃分至總地類、緩坡地類、陡坡地類三種坡度尺度并導(dǎo)入FRAGSTAT 4.2軟件[16]計算各景觀類型的面積百分比,其中總地類包含平地類、緩坡地類和陡坡地類。

景觀格局對河流水質(zhì)具有重要影響。本文選擇以往研究中對河流水質(zhì)影響較大的景觀格局指數(shù)[31—32]進(jìn)行分析,包括斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、蔓延度(CONTAG)、聚集度(COHESION)、聚合度(AI)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)、Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)。PD和ED指標(biāo)常用來描述景觀的破碎化程度,LPI指標(biāo)反映景觀內(nèi)部優(yōu)勢種的豐度,LSI指標(biāo)表征景觀形狀的復(fù)雜程度,CONTAG、COHESION和AI指標(biāo)代表景觀物理連接度和聚集程度,SHDI、SHEI表征景觀異質(zhì)性和均勻度[10, 33]。

1.3.3統(tǒng)計分析

以SPSS 24.0軟件為平臺,首先基于K-S方法檢驗數(shù)據(jù)分布正態(tài)性,結(jié)果表明pH、DO和CODMn水質(zhì)參數(shù)的雙尾漸進(jìn)概率P值大于給定的顯著性水平0.05,服從正態(tài)分布。其次采用獨立樣本T檢驗計算pH、DO和CODMn水質(zhì)參數(shù)在時間上的顯著性差異,并通過單因素方差分析計算pH、DO和CODMn水質(zhì)參數(shù)在空間上的顯著性差異。應(yīng)用Spearman相關(guān)分析方法計算坡地景觀特征與水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)系數(shù),以顯著性概率P>0.05作為指標(biāo)篩選標(biāo)準(zhǔn)[34],篩選結(jié)果為：總地類耕地(AGRL)、總地類林地(FRST)、總地類建設(shè)用地(URBN)、緩坡類耕地(G_AGRL)、緩坡類草地(G_PAST)、陡坡類草地(S_PAST)及景觀格局指數(shù)PD、ED、COHESION和AI。以Canoco 5.0軟件為平臺,以水質(zhì)指標(biāo)作為物種變量,以相關(guān)分析選擇后的坡地景觀特征為環(huán)境變量,首先對水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行降趨勢對應(yīng)分析(DCA),發(fā)現(xiàn)排序軸第1軸長度小于3,因此選擇冗余分析(RDA)方法定量探究坡地類景觀特征對河流水質(zhì)的多時空尺度影響。RDA結(jié)果排序圖中,指標(biāo)夾角<90°,兩者為正相關(guān),夾角>90°為負(fù)相關(guān),夾角的余弦值和指標(biāo)向量的相對長度表示相關(guān)強(qiáng)度大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡地景觀空間特征分析

圖2 多空間尺度下坡地景觀結(jié)構(gòu)統(tǒng)計圖Fig.2 Statistical map of sloping landscape structure at multiple spatial scales

研究區(qū)地形以山地丘陵為主,坡地分布較廣,緩坡占比從河岸帶100 m尺度的52.3% 緩慢增長至子流域尺度的60.7%,陡坡占比則維持在8.23%—9.92% 之間(圖2)。緩坡類的景觀類型占比情況和總地類保持一致,河岸帶100 m尺度下：總地類/緩坡類的耕地面積比>總地類/緩坡類的建設(shè)用地面積比>總地類/緩坡類的林地面積比。河岸帶200 m至1000 m尺度下：總地類/緩坡類的耕地面積比>總地類/緩坡類的林地面積比>總地類/緩坡類的建設(shè)用地面積比。子流域尺度下：總地類/緩坡類的林地面積比>總地類/緩坡類的耕地面積比>總地類/緩坡類的建設(shè)用地面積比。而總地類和緩坡地類的草地和未利用地面積占比始終最小。即在子流域尺度下,面積最廣的優(yōu)勢地物為林地,而在靠近水源的河岸帶尺度下,人造地物(耕地、建設(shè)用地)成為優(yōu)勢地物,且在最小的河岸帶100 m尺度下,建設(shè)用地面積超過林地面積,說明人類活動更集中在河岸帶附近,尤其是最靠近水源的河岸100 m尺度。陡坡地形坡度≥25°,人類活動受限,使其景觀類型占比與總地類和緩坡地類差異較大,表現(xiàn)為：陡坡類林地>陡坡類耕地>陡坡類草地>陡坡類建設(shè)用地>陡坡類未利用地。同時,陡坡地類分布情況在站點10處出現(xiàn)“突變”,這是因為站點10位于研究區(qū)東南部武夷山中低山區(qū),陡坡面積占比本身較大,同時人類活動較少,景觀類型主要為林地。

景觀格局指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。景觀格局指標(biāo)在河岸帶緩沖區(qū)尺度上隨空間尺度增大,景觀破碎度增加,優(yōu)勢斑塊豐度降低,形狀復(fù)雜程度增大,景觀異質(zhì)性增強(qiáng)。具體表現(xiàn)為：PD、ED、LSI、SHDI和SHEI指標(biāo)值在河岸帶緩沖區(qū)尺度上隨空間尺度增大而增大,LPI、CONTAG和AI指標(biāo)值在河岸帶緩沖區(qū)尺度上隨空間尺度增大而減小,COHESION指標(biāo)值在河岸帶先逐漸減小,隨后增大,在河岸帶300 m尺度值最小。除LSI指標(biāo)值在子流域尺度明顯高于河岸帶尺度外,其余指標(biāo)在兩種類型的空間尺度中無明顯差異。

表1 多空間尺度下景觀格局描述性統(tǒng)計(均值±標(biāo)注差)

2.2 河流水質(zhì)的時空格局分析

表2 水質(zhì)參數(shù)季節(jié)性統(tǒng)計表(均值±標(biāo)注差)

2.3 坡地景觀特征對河流水質(zhì)的多時空尺度影響

多時空尺度下坡地景觀特征對水質(zhì)的冗余分析結(jié)果如表3所示。坡地景觀特征對水質(zhì)指標(biāo)的解釋率≥63.21%,表明坡地景觀特征對河流的水質(zhì)優(yōu)劣具有重要影響。坡地景觀特征對水質(zhì)的影響具有空間尺度效應(yīng),坡地景觀特征對水質(zhì)的影響程度隨空間尺度增大先增強(qiáng)后減弱(表3)。河岸帶100 m至300 m尺度下坡地景觀特征對水質(zhì)的總解釋率均>90%(表3),即河岸帶100 m至300 m范圍內(nèi)的坡地景觀特征是影響河流水質(zhì)的關(guān)鍵尺度。其中以河岸帶200 m尺度下坡地景觀特征對水質(zhì)的總解釋率最高(非汛期：99.63%；汛期：99.87%)(表3),說明研究區(qū)河岸帶200 m尺度是影響河流水質(zhì)的最有效空間尺度?？臻g尺度超過河岸帶300 m后,研究區(qū)坡地景觀特征對水質(zhì)的影響程度隨距離增大顯著下降(表3),當(dāng)尺度從河岸帶300 m增大至500 m時,總解釋率減少至非汛期時的84.99% 和汛期時的87.35%,總解釋率下降幅度超過10%；當(dāng)尺度從河岸帶500 m增大至1000 m時,總解釋率在非汛期為77.63%,下降幅度為7.36%；在汛期時為72.74%,下降幅度為14.61%；當(dāng)空間尺度進(jìn)一步增大至子流域尺度時,總解釋率減少至非汛期時的63.21%,汛期時的63.22%,下降幅度大于9.52%。坡景觀特征與水質(zhì)的關(guān)系具有季節(jié)差異,但季節(jié)差異不顯著(表3)。研究區(qū)坡地景觀特征對水質(zhì)的影響程度在河岸帶100 m至500 m尺度下均汛期強(qiáng)于非汛期,季節(jié)差異低于2.36%；在河岸帶1000 m尺度下為非汛期強(qiáng)于汛期,季節(jié)差異為4.89%；在子流域尺度下無明顯季節(jié)差異。就單一坡地景觀特征指標(biāo)而言,以緩坡耕地和景觀格局指標(biāo)對水質(zhì)參數(shù)的貢獻(xiàn)率最高(表3)。在河岸帶100 m和子流域尺度下,緩坡耕地對水質(zhì)的整體貢獻(xiàn)率最大,在河岸帶100 m尺度下大于23%,在子流域尺度下大于46%,表明緩坡耕地是在距河流最近的河岸帶100 m尺度和子流域尺度中,對水質(zhì)影響最大的關(guān)鍵指標(biāo)。在河岸帶緩沖區(qū)尺度中,除緩坡耕地外,對水質(zhì)影響最大景觀指標(biāo)多為PD、ED、COHESION和AI景觀格局指標(biāo)(表3),說明在河岸帶緩沖區(qū)尺度,景觀格局指標(biāo)對水質(zhì)的影響程度高于除緩坡耕地外的其余景觀類型指標(biāo)。

圖3 水質(zhì)參數(shù)類別百分比Fig.3 Percentage of water quality parameters by category DO：溶解氧 Dissolved 氨氮 ammonia nitrogen；CODMn：高錳酸鹽指數(shù) Permanganate index；分類標(biāo)準(zhǔn)參考地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)

表3 解釋變量解釋總體水質(zhì)變化百分比的冗余分析結(jié)果

圖4 坡地景觀特征與水質(zhì)冗余分析結(jié)果排序圖Fig.4 Sequence diagram of redundancy analysis results of sloping landscape features and water quality AGRL：總地類耕地 Agriculture；G_AGRL：緩坡耕地 Gentle slope agriculture；URBN：總地類建設(shè)用地 Urban； G_PAST：緩坡草地 Gentle slope pasture,S_PAST：陡坡草地 Steep slope pasture；FRST：林地 Forest；PD：斑塊密度 Patch density；ED：邊緣密度 Edge density；COHESION：聚集度 Patch cohesion index；AI：聚合度 Aggregation index

3 討論

3.1 坡地景觀特征對水質(zhì)的影響

3.2 景觀格局對河流水質(zhì)的影響

3.3 坡地景觀特征對水質(zhì)的時空差異性影響

研究結(jié)果表明,坡地景觀特征對水質(zhì)的影響程度在河岸帶緩沖區(qū)大于子流域,隨空間尺度增大先增強(qiáng)后減弱(表3)；其中河岸帶100 m至300 m為坡地景觀影響河流水質(zhì)的關(guān)鍵空間尺度,并以河岸帶200 m尺度下坡地景觀對水質(zhì)影響最大。有研究認(rèn)為,相較于子流域尺度,河岸帶尺度下的土地利用強(qiáng)烈影響河流水質(zhì)[56,62]。方娜等[13]的研究解釋道可能是因為子流域面積相對較大,而研究區(qū)地形又較為復(fù)雜,污染物質(zhì)在輸送至河流的途徑中被土壤存儲轉(zhuǎn)換、被植被截留吸收。洪超等[29]的研究結(jié)果表明河流兩側(cè)0—0.3 km范圍內(nèi)的土地利用對水質(zhì)的影響程度較大,是水污染防治的關(guān)鍵尺度。Dai 等[8]的研究同樣認(rèn)為土地利用類型對入河水質(zhì)的影響在緩沖區(qū)200 m尺度達(dá)到峰值,因為該區(qū)域內(nèi)的生活生產(chǎn)污水、化肥和農(nóng)藥等污染物往往直接輸送到河流,被稀釋、轉(zhuǎn)化、截留的途徑較少。因此建設(shè)和保護(hù)河岸森林防護(hù)帶可以有效地保護(hù)非點源污染物和營養(yǎng)鹽的輸入,起到促進(jìn)水質(zhì)凈化等重要作用[28]。

坡地景觀對河流水質(zhì)的影響具有季節(jié)差異,且季節(jié)差異隨坡地景觀的空間尺度發(fā)生變化。河岸帶100 m至500 m尺度下,坡地景觀特征對水質(zhì)的影響程度在汛期強(qiáng)于非汛期,季節(jié)差異低于2.36%；在河岸帶1000 m尺度下為非汛期強(qiáng)于汛期,季節(jié)差異為4.89%。研究區(qū)地表坡降大,汛期降雨增多,水土流失加劇,徑流攜帶污染物質(zhì)在坡地地形的幫助下加速匯入河流,使得污染源地對水質(zhì)的污染程度進(jìn)一步加強(qiáng)[3]。但坡地景觀與水質(zhì)的關(guān)聯(lián)程度在河岸帶1000 m尺度下卻為非汛期高于汛期,而在子流域尺度下基本無季節(jié)差異。這種坡地景觀對河流水質(zhì)的季節(jié)差異影響隨空間尺度變化的原因尚不清楚,具體的變化方式和機(jī)制有待繼續(xù)深入挖掘。

4 結(jié)論

(1)坡地景觀對2015年長江上游重慶段河流水質(zhì)的影響存有空間尺度效應(yīng)。研究區(qū)坡地景觀與水質(zhì)的關(guān)聯(lián)程度在緩沖區(qū)尺度高于子流域尺度。河岸帶100 m至300 m尺度下坡地景觀對水質(zhì)參數(shù)的總解釋率大于90%,是坡地景觀影響河流水質(zhì)的關(guān)鍵尺度,其中以河岸帶200 m尺度下總解釋率最大,為影響河流水質(zhì)的最有效尺度。

(2)坡地景觀對2015年長江上游重慶段河流水質(zhì)的影響具有季節(jié)差異,且季節(jié)差異隨觀測尺度發(fā)生變化。坡地景觀特征對河流水質(zhì)的影響程度在河岸帶100 m至500 m尺度下為汛期強(qiáng)于非汛期；在河岸帶1000 m尺度下相反,坡地景觀對水質(zhì)的總解釋率在非汛期比汛期高4.89%；在子流域尺度無明顯季節(jié)差異。

研究通過分析不同時空尺度下坡地景觀特征與河流水質(zhì)的關(guān)系,確定了水污染防治的關(guān)鍵時空尺度和重要景觀特征。研究在常規(guī)的景觀特征-水質(zhì)關(guān)聯(lián)分析基礎(chǔ)上,充分考慮了地形坡度的影響,結(jié)果更貼合山地丘陵區(qū)的真實狀況,可為山地丘陵區(qū)的水環(huán)境保護(hù)提供參考。