康文華，羅火錢，2，周文娟，馮 垚，鐘靈雙

(1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366099； 2.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王光謙院士站，福建 永安 366099； 3.寧德衛(wèi)星大數(shù)據(jù)科技有限公司，福建 寧德 352100； 4.寧德市水利局，福建 寧德 352199)

0 引 言

河流是景觀的重要組成部分之一，河流生境與土地景觀格局關(guān)系密切。目前，國內(nèi)外針對此方向有諸多相關(guān)研究。如張大偉[1]等分析了南方平原入太湖河流武進(jìn)港的區(qū)域景觀格局與河流水質(zhì)的相關(guān)性；劉文竹等[2]分析了華北密云水庫小流域不同尺度景觀格局與水質(zhì)的相關(guān)性；吉冬青[3]以具有顯著梯級景觀變化的珠江支流流溪河為例，研究了景觀空間特征與河流水質(zhì)的關(guān)聯(lián)性；YAN[4]通過對重慶地區(qū)的研究表明，景觀水平上，水質(zhì)與地表起伏度和斑塊密度密切相關(guān)，地形起伏度越大，山區(qū)小流域的河流水質(zhì)越好，但河流水質(zhì)的退化與景觀破碎化程度越高有關(guān)。

除了景觀之外，其他因素如地形、高程等都將影響非點(diǎn)源污染的運(yùn)輸[5]。同時(shí)，土地利用組成作為影響水質(zhì)的主導(dǎo)因素具有閾值效應(yīng)、空間和時(shí)間尺度效應(yīng)[6-7]。XIANG[8]在美國的一個(gè)小流域中使用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)工具，確定有效緩沖寬度應(yīng)在8～175 m范圍內(nèi)。Allan[9]根據(jù)已發(fā)表的文獻(xiàn)，將河岸帶尺度定義為寬100～300 m(每岸)，確定河岸帶的適當(dāng)寬度對于制定有效的河流生態(tài)系統(tǒng)管理方案具有重要意義。YANG[10]分別對50、100、150和300 m的緩沖帶進(jìn)行了分析，認(rèn)為前100 m緩沖帶的景觀因子更能體現(xiàn)出對水質(zhì)變化的影響。SHI[11]等以監(jiān)測點(diǎn)上游500 m作為地理中心，構(gòu)建的圓形緩沖區(qū)尺度具有較好的預(yù)測水質(zhì)效果。

國內(nèi)外對景觀與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系研究中，針對華南丘陵山地地形復(fù)雜小流域研究不足，尤其是對自然因素(如地形)如何影響景觀與河流水質(zhì)關(guān)系的認(rèn)識還不足，對不同季節(jié)景觀復(fù)雜性與水質(zhì)之間的關(guān)系缺乏深入探討。本文選取沙溪河流域(永安段)作為研究區(qū)域，在取樣緩沖帶上開展相關(guān)研究，主要探討：①在景觀復(fù)雜的華南丘陵小流域中，河流水質(zhì)與景觀的響應(yīng)關(guān)系；②在不同季節(jié)下，河流水質(zhì)與景觀關(guān)系是否有很大差別；③自然因素(地形)是否能使河流水質(zhì)與景觀關(guān)系更明晰。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

沙溪河位于福建省中西部，是三明市境內(nèi)最大的河流，也是閩江上游重要的支流之一；發(fā)源于建寧縣的嚴(yán)峰山，流經(jīng)寧化、清流、永安、三元、梅列、沙縣至沙溪口，最后注入閩江。沙溪河流全長328 km，流域面積1.2×104km2，約占閩江流域總面積的19%。該流域?qū)儆陂}西北低山丘陵區(qū)，全年溫暖濕潤，森林覆蓋率達(dá)70%以上。利用分辨率為30m的ASTER GDEM 2高程數(shù)據(jù)得到沙溪河流域永安段水系圖(圖1)，該區(qū)域?qū)儆谥衼啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，同時(shí)又具有一定的大陸性氣候特征，年平均氣溫在18℃左右，年平均降水量為1 688 mm，氣候溫?zé)幔炅砍渑?，為農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)提供了優(yōu)越條件。由于地處沙溪的上游，山體切割強(qiáng)烈，山高坡陡，地貌以山地丘陵為主。

圖1 研究區(qū)位置及水系圖

1.2 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)處理

1.2.1 景觀分類數(shù)據(jù)

本文選取已處理的土地利用分類產(chǎn)品(FROM-GLC10)進(jìn)行研究。FROM-GLC10 是清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系宮鵬教授研究組與國內(nèi)外多家單位合作研發(fā)的世界首幅10 m分辨率全球地表覆蓋制圖方法與結(jié)果，總體精度為72.76%，利用FROM-GLC10制作了沙溪河流域永安段土地利用分類圖，見圖2。

圖2 沙溪流域永安段土地利用分布圖

1.2.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)

水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于永安水利局，數(shù)據(jù)包括沙溪河流域26個(gè)水質(zhì)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，分為3個(gè)時(shí)間段，分別為夏季(2020年7月20日)、冬季(2020年12月21日)和春季(2021年2月28日)。所檢測的水質(zhì)指標(biāo)包括酸堿度(pH)、溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N，mg/L)、高錳酸鹽指數(shù)(CODmn, mg/L)和總磷(TP, mg /L)。

1.2.3 景觀數(shù)據(jù)處理

將流域劃分提取出兩個(gè)子流域進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)，子流域位置圖見圖3。統(tǒng)計(jì)全流域及I、II兩個(gè)子流域內(nèi)各土地利用分類中的占比，結(jié)果見表1。

圖3 子流域I、II位置

表1 全流域及子流域I、II在各土地利用分類中的占比

從表1可以看出，在不同空間尺度上的景觀組成面積百分比有相同，也有差異。在子流域I流域尺度上，景觀組成面積百分比表現(xiàn)為森林>農(nóng)田>草地灌木>建筑用地>裸土>濕地水體，在子流域II和整個(gè)流域尺度上也是這種趨勢。由此可以發(fā)現(xiàn)，在沙溪流域永安段子流域之間相差較小，所以在具體研究中不考慮劃分出子流域分別研究。在具體研究中，將濕地與水體結(jié)合為一種“濕地水體”進(jìn)行研究。

以沙溪河流域永安段26個(gè)采樣點(diǎn)上游500 m為地理中心，建立500 m圓形緩沖區(qū)，采樣點(diǎn)位置及緩沖區(qū)結(jié)果見圖4。統(tǒng)計(jì)采樣點(diǎn)內(nèi)各土地利用類型在緩沖區(qū)內(nèi)的占比，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖5。

圖4 采樣點(diǎn)位置及圓形緩沖區(qū)位置

圖5 500 m緩沖區(qū)內(nèi)土地利用類型占比

根據(jù)圖5對26個(gè)圓形緩沖區(qū)的景觀組成進(jìn)行進(jìn)一步分析，各緩沖區(qū)之間景觀組成差異較大，農(nóng)田最少占比0.00%，最多占比71.35%；森林最少占比25.48%，最多占比96.93%；草地灌木最少占比0.29%，最多占比10.25%；濕地水體最少占比0.00%，最多占比24.01%；建筑用地最少占比0.01%，最多占比69.48%；裸土最少占比0.03%，最多占比14.69%，這些組成百分比的差別有助于分析景觀組成和水質(zhì)之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

以所選取的4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)及各圓形緩沖區(qū)內(nèi)的景觀組成面積百分比為變量，對不同季節(jié)、不同緩沖區(qū)的景觀組成面積百分比與水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行Spearman秩相關(guān)分析，結(jié)果見表2。

表2 景觀組成與水質(zhì)相關(guān)性分析結(jié)果

由表2可得，整體來說，建筑用地不論在哪個(gè)季節(jié)都是與DO呈負(fù)相關(guān)的，與CODmn、NH3-N和TP呈正相關(guān)，其中建筑用地與TP呈顯著正相關(guān)。分析結(jié)果表明，建筑用地占比增大會(huì)使水質(zhì)中TP指標(biāo)增大，是河流污染物的主要來源。其他景觀隨著季節(jié)的變化對水質(zhì)的影響略有不同。農(nóng)田在夏季與DO呈負(fù)相關(guān)，與CODmn、NH3-N、TP呈正相關(guān)；在冬季與DO、NH3-N、TP都呈正相關(guān)，與CODmn呈負(fù)相關(guān)；在春季與DO、CODmn、NH3-N、TP都呈正相關(guān)。森林除了在夏季與DO呈正相關(guān)，在冬季和春季都與DO呈負(fù)相關(guān)，與CODmn、NH3-N、TP在任何季節(jié)都呈負(fù)相關(guān)。

通過以上分析可得，在景觀復(fù)雜的華南丘陵小流域中，河流水質(zhì)與景觀關(guān)系較為復(fù)雜，在不同季節(jié)，河流水質(zhì)與地表景觀的響應(yīng)關(guān)系不同。這一結(jié)果對判斷地表景觀給水質(zhì)是否帶來正收益的工作增加了難度。但是綜合這4個(gè)指標(biāo)不難發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田、建筑用地帶來的負(fù)面收益更大，而森林、草地灌木、濕地水體帶來的正面收益更大，裸土相較于農(nóng)田和建筑用地雖然能帶來正面收益，但是正面收益不如森林等景觀大。

進(jìn)一步引入緩沖區(qū)的平均坡度百分比作為影響因子。由于緩沖區(qū)坡度都較陡且差別較小，此處利用坡度百分比即以上升百分比計(jì)算坡度的傾斜度，再對坡度百分比取log進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算，利用Spearman秩分析，結(jié)果見表3。由表3可得，在夏季和冬季，坡度百分比與DO正相關(guān)，與其他3個(gè)水質(zhì)指標(biāo)負(fù)相關(guān)，在春季與4個(gè)指標(biāo)均負(fù)相關(guān)，整體來說坡度越陡，水質(zhì)情況越好。

表3 平均坡度百分比與水質(zhì)相關(guān)性分析結(jié)果

不同季節(jié)下，河流水質(zhì)與景觀關(guān)系存在一定差別。濕地水體對NH3-N、TP的抑制作用在春季發(fā)揮了最大的作用，草地灌木對DO含量的促進(jìn)作用在夏季達(dá)到最大，但在春冬兩季對DO含量有抑制作用，甚至平均坡度百分比對DO的影響也會(huì)因?yàn)榧竟?jié)不同存在差別。因此，景觀組成與水質(zhì)的關(guān)系需要分不同的季節(jié)看待，也應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的時(shí)期制定不同的政策。

3 結(jié) 論

本文以沙溪流域永安段為研究對象，結(jié)合地表景觀和水質(zhì)數(shù)據(jù)，通過 Spearman 秩相關(guān)分析，探究了不同景觀特征在不同季節(jié)對河流水質(zhì)的影響差異，結(jié)論如下：

1) 流域內(nèi)景觀組成以森林為主，農(nóng)田和草地灌木次之，裸土最少。農(nóng)田、建筑用地帶來的負(fù)面收益更大；而森林、草地灌木、濕地水體帶來的正面收益更大；裸土相較于農(nóng)田和建筑用地，雖然能帶來正面收益，但是正面收益不如森林等景觀大。

2) 在不同季節(jié)下，河流水質(zhì)與景觀關(guān)系有很大差別。濕地水體對NH3-N、TP的抑制作用在春季發(fā)揮了最大的作用，草地灌木對DO含量的促進(jìn)作用在夏季達(dá)到最大，但在春冬兩季對DO含量具有抑制作用，平均坡度百分比對DO的影響也會(huì)因?yàn)榧竟?jié)不同存在差別。因此，景觀組成與水質(zhì)的關(guān)系需要分不同的季節(jié)看待，也應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的時(shí)期制定不同的政策。

致謝：感謝清華大學(xué)石羽佳博士對論文的技術(shù)支持，感謝永安河長辦提供實(shí)測數(shù)據(jù)和專業(yè)指導(dǎo)。