摘要：定量分析不同尺度半徑范圍內博斯騰湖景觀格局對水環(huán)境的影響，為有效保護流域水質與生態(tài)管理提供科學依據?；?020—2021年博斯騰湖平、豐、枯水期23個采樣點的實測水質數據和Google Earth遙感數據，結合冗余分析（RDA）和Spearman相關分析，揭示不同時空尺度下土地利用景觀格局對水質的影響。結果表明：（1）博斯騰湖水體中CODMn、TN濃度異常偏高，分別有21.7%、55.1%的采樣點超過地表水Ⅲ類水標準，表明TN和CODMn是其主要污染物；（2）5種不同緩沖區(qū)半徑內土地利用與水質呈現(xiàn)顯著相關性，豐、平、枯水期的1 000、3 000、500 m半徑緩沖區(qū)對水質解釋率最佳，分別為40.0%、35.6%和31.1%；（3）景觀異質性特征與土地破碎化程度隨空間尺度增大而增強；（4）土地利用類型中，耕地是水質惡化的主要污染輸出源，其次為草地，盡管草地對凈化水質起到積極作用，但其不恰當的管理方式使污染物進入水中，導致水質惡化；（5）景觀格局指數中，LSI（景觀形狀）與NH3-N、TN呈現(xiàn)正相關性，SHDI（香農多樣性指數）與NH3-N呈顯著正相關性，表示隨著景觀破碎化程度增大，水質惡化程度加劇，LSI與水質的關聯(lián)存在著很大的不確定性，仍需進一步探討。

關鍵詞：時空尺度；土地利用；景觀格局；水質；博斯騰湖

中圖分類號：X522" " " " 文獻標志碼：A" " " " 文章編號：1674-3075（2025）01-0034-11

人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響可通過土地利用類型及結構變化直接反映（賈亞男和袁道先，2003），是導致河流、湖泊水質惡化的重要原因之一（方娜等，2019；郝守寧等，2020；楊強強等，2020；趙玉，2020），同時，不同時空間尺度下的土地利用方式也會影響河流、湖泊水質的研究結果。李好好等（2022）研究發(fā)現(xiàn)湟水河平水期耕地面積占比與總氮、高錳酸鹽指數濃度呈正相關，與總磷濃度呈負相關；城鎮(zhèn)面積占比與污染物濃度基本呈正相關；豐水期草地面積占比與高錳酸鹽指數濃度呈正相關；耕地面積占比在2個時期均與污染物濃度呈負相關。唐廉等（2018）探討得出林地、草地可緩解水質惡化，相當于“匯”，而耕地、建設用地和水體則會導致水質惡化，等同于“源”，其中建設用地對水質惡化影響最大，其次為耕地。楊強強等（2020）以青弋江流域為研究對象，探討多時空尺度土地利用與水質的關系，結果表明，半徑為500 m的圓形緩沖區(qū)在枯水期與豐水期對土地利用的水質解釋率最高。

景觀要素作為表征景觀格局空間分布特征的指標，其在不同空間尺度下會對生態(tài)過程產生不同的影響（Lambin et al，2003；劉麗娟等，2011），最終使研究結果具有差異性。水環(huán)境可對景觀格局的變化做出快速響應，其空間分布特征隨流域尺度內景觀格局的變化而改變，因此認為景觀格局的變化是決定水環(huán)境質量的關鍵因素（Turner amp; Gardner，2015）。國內外研究均表明，景觀格局對水環(huán)境的影響存在空間尺度效應且目前仍存在影響水環(huán)境最優(yōu)空間尺度的分歧。Meneses等（2015）認為，相較于流域尺度，景觀格局對水環(huán)境質量的依賴性在河岸帶緩沖區(qū)尺度更小。Xu等（2019）在研究貴州烏江流域后發(fā)現(xiàn)影響河流水質的關鍵區(qū)域為河岸帶緩沖區(qū)尺度內的景觀格局。李艷利等（2012）研究渾太河流域后發(fā)現(xiàn)，眾多景觀要素中CONTAG對水質影響最大且在緩沖區(qū)尺度上影響較子流域尺度顯著。

干旱區(qū)水資源是制約人類社會生產生活發(fā)展的重要因素之一，博斯騰湖作為干旱區(qū)最大的內陸淡水湖，對維護生態(tài)安全與促進經濟發(fā)展做出了巨大的貢獻。自1960年來，由于人口激增，大規(guī)模的人類活動和自然環(huán)境的變遷，博斯騰湖水生態(tài)環(huán)境急劇惡化（施雅風等，2003；姜逢清和胡汝驥，2004）。已有研究（陳世峰，2021）對博斯騰湖水質進行評價，通過分析博斯騰湖流域土地利用/覆被變化探討流域水質變化的驅動因子（阿依蘇力坦·麥麥提艾力，2014），評價博斯騰湖流域生態(tài)環(huán)境（杜菲，2021），但這些研究均未涉及不同時空尺度下土地利用景觀格局對水質的影響。本文通過博斯騰湖水質監(jiān)測點的實測數據，結合景觀格局指數研究方法對不同尺度半徑范圍內景觀格局對水環(huán)境的影響進行定量分析，以期為有效保護流域水質與生態(tài)管理提供科學的參考依據。

1" "材料與方法

1.1" "研究區(qū)概況

博斯騰湖流域位于天山南麓焉耆盆地東南部（41°56′～42°14′ N，86°26′～87°40′ E），涵蓋博斯騰湖及上游開都河、木呼爾查干河、烏拉斯臺河等流域（王媛等，2019）。博斯騰湖（以下簡稱博湖）位于焉耆盆地東南部博湖縣境內，湖盆呈深碟狀，中間低平，靠近湖岸區(qū)水深急劇變淺，水域遼闊，東西長達55 km，南北寬約20～50 km，博湖最深水位可達17 m，水域面積為1 002.4 km2，平均水深為8.8 m（周洪華等，2014；劉文等，2019）。博湖深居內陸，距海遙遠，海洋水汽難以到達，故形成了典型的溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為8.9～12.7 ℃，年降水量為43.5～76.2 mm，降水主要集中在7—9月，年蒸發(fā)量為2 000.5～2 449.7 mm（劉祥和迪麗努爾·阿吉，2021；張敏和迪麗努爾·阿吉，2021）。開都河與黃水溝是博湖的主要補給河流，清水河次之，湖區(qū)西南部的孔雀河是唯一的出湖河流（郭燕妮等，2020）。

1.2" "數據來源及處理

博湖流域土地利用數據來自中國科學院資源環(huán)境科學數據中心（http：//www.resdc.cn）2020年全國土地利用遙感監(jiān)測數據。參照國家土地利用現(xiàn)狀分類標準（GB/T21010—2017）（中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會，2017）并結合博湖流域土地利用實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、建設用地、水體、裸地等6種土地利用類型，其中林地和建設用地占比平均不足0.4%，因此后續(xù)分析中不予考慮。DEM數據來自地理空間數據云平臺（http：//www.gscloud.cn/）。

相關研究顯示，100 m～10 km不同緩沖區(qū)尺度內土地利用對湖泊與河流水質存在顯著影響（項頌等，2018；方娜等，2019；喬悅，2020）。為探討不同時空尺度下博湖流域土地利用景觀格局對水環(huán)境的影響，以23個采樣點（圖1）為圓心分別提取半徑為100、300、500、1 000、3 000 m的緩沖區(qū)，并與土地利用類型數據疊加獲取不同空間尺度范圍內的土地利用類型面積占比。

依據《水質 采樣技術指導》（HJ494—2009）（中國環(huán)保部，2009）和水域生態(tài)系統(tǒng)長期監(jiān)測規(guī)范（中國生態(tài)系統(tǒng)研究網絡科學委員會，2007）并結合研究目的，2020年9月（平水期）、2021年6月（豐水期）和10月（枯水期）對23個采樣點的表層（0.5 m）水體進行采樣，每個采樣點采集3個平行樣本，取已用純水處理的潔凈聚乙烯塑料瓶采集水樣，置于4 ℃冷藏，48 h內送往實驗室進行檢測，利用高錳酸鉀滴定法測定高錳酸鹽指數（CODMn），納氏試劑比色法測定氨氮（NH3-N），鉬酸氨分光光度法測定總磷（TP），堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定總氮（TN）。

景觀格局通常指空間格局，在自然因素與人類活動共同作用下形成（徐延達等，2010）。景觀格局指數不僅涵蓋了大量的景觀格局信息（劉怡娜等，2019），還在一定程度上體現(xiàn)了景觀要素的空間異質性。選取可反映景觀破碎度、聚集度、優(yōu)勢性及多樣性等特性的景觀格局指數，包括斑塊個數（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數（LPI）、景觀形狀（LSI）、蔓延度指數（CONTAG）、香農多樣性指數（SHDI），用以表征博湖流域景觀格局特性及其對水環(huán)境的影響，景觀指數含義（黃金良等，2011；郭玉靜，2018；Bian et al，2019）見表1。

1.3" "統(tǒng)計分析

在Acrgis 10.8平臺上提取不同尺度緩沖區(qū)柵格地圖，景觀格局指數在Fragstats 4.2軟件中計算獲得。借助Canoco 5軟件對水質數據進行降趨勢對應分析（detrended correspondence analysis，DCA），而后對不同時空尺度下土地利用與豐水期、平水期和枯水期的水質進行相關性分析，結果顯示，豐水期、平水期與枯水期的gradlient length的第一軸分別為0.01、0.80和0.01，均小于3，故應選擇線性模型來擬合土地利用面積（解釋變量）與水質數據（響應變量）之間的關系（項頌等，2018）。冗余分析（RDA）可較好地反映景觀指數與水質之間的關系（Xiao et al，2016），因此選擇RDA?；贠rigin 2018軟件，因流域水質與土地利用綜合指數、景觀指數均不滿足線性關系，故采用雙變量Spearman雙尾相關性分析（李艷利等，2015），探討水質與其他指標之間的關系。

2" "結果與分析

2.1" "水質時空分布特征

博湖水質特征在豐水期、平水期和枯水期分異明顯（圖2）。CODMn濃度為0.5～8.4 mg/L，21.7%的采樣點超過地表水Ⅲ類水標準，豐水期與平水期各采樣點濃度差異大，枯水期各采樣點濃度波動較小。TN濃度0.17～4.47 mg/L，55.1%的采樣點超過地表水Ⅲ類水標準，總體上呈現(xiàn)出豐水期與平水期高于枯水期，另一個較為突出的特點是在采樣點S17～S23，濃度在豐水期驟然下降，峰值出現(xiàn)在平水期與枯水期，通過對100、300、500、1 000、3 000 m等5種不同尺度緩沖區(qū)內土地利用類型進行定量分析發(fā)現(xiàn)，其耕地占比分別為87%、82%、73%、52%、53%，人類因素可能是導致采樣點S17～S23 TN濃度較高的主要原因。NH3-N濃度為0.01～1.52 mg/L，除平水期部分采樣點（S7、S21）超過地表水Ⅲ類水標準，其余水期各采樣點濃度均滿足地表水Ⅲ類水標準。TP濃度為0.01～0.18 mg/L，波動范圍較大，但各水期濃度未超出地表水Ⅲ類水范圍。參考地表水環(huán)境質量標準GB3838—2002（國家環(huán)境保護總局和國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2002），發(fā)現(xiàn)博湖水體主要受到氮、磷營養(yǎng)鹽和有機污染物的影響，其中，TN和CODMn是水體的主要污染物。

2.2" "土地利用類型對水質影響的緩沖區(qū)半徑

不同時空尺度下土地利用類型面積占比見圖3。總體而言，隨著緩沖區(qū)半徑的擴大，裸地與草地面積的比例增加；水體面積比重較大且隨緩沖區(qū)半徑增加變化較小；各尺度主要景觀類型均由水體與耕地組成。在自然因素與人類活動的影響下，土地利用比例在不同采樣點具有空間分異性。利用RDA分析，探討影響博湖流域水質的最佳空間尺度（項頌等，2018），發(fā)現(xiàn)豐、平、枯水期半徑緩沖區(qū)分別為1 000、3 000、500 m內的土地利用方式對水質的解釋率最高（表2），分別為40.0%、35.6%和31.1%，說明在該空間尺度內的土地利用類型對博湖水質的影響最為顯著。

2.3" "不同空間尺度景觀異質性

隨著空間尺度的增加（圖4），NP、LSI、CONTAG、SHDI逐漸增大，PD、LPI逐漸減小。NP增大，景觀斑塊數量變多，土地利用破碎度增大，空間異質性增強；LSI表示景觀斑塊形狀的規(guī)則化程度，LSI隨空間尺度的增加呈上升趨勢，說明景觀形狀復雜性隨空間尺度增加而增強，形狀多樣性增大；CONTAG代表景觀團聚度，CONTAG越大，表明景觀是由多種要素組成且結構密集的格局，CONTAG隨空間尺度的增加呈上升趨勢，說明景觀團聚度不斷增強；SHDI屬于敏感性指標，其值越高表示土地利用類型越豐富，景觀類型趨向均衡化，隨著空間尺度的增加，SHDI呈逐漸上升的趨勢，表明尺度空間越大，其景觀多樣性越高，空間異質性越強?？傮w而言，研究區(qū)景觀異質性隨著緩沖區(qū)半徑的增大而增強，土地破碎化程度亦隨緩沖區(qū)半徑增大而增大。

2.4" "土地利用景觀格局對水質的影響

2.4.1" "土地利用類型對水質的影響" "通過RDA分析，豐水期1 000 m半徑緩沖區(qū)、平水期3 000 m半徑緩沖區(qū)、枯水期500 m半徑緩沖區(qū)土地利用方式對博湖水質的解釋率最高，因此需深入探討。

豐、平、枯水期第一軸特征值分別為0.265 0、0.235 2、0.234 1，各水期土地利用類型與水質數據的相關系數分別為0.753 3、0.885 5和0.688 9，表明排序圖能夠較好地反映土地利用與水質指標的關系。圖5顯示了不同土地利用類型對水質各參數的影響，其中各土地利用方式箭頭長度代表對水質指標的影響程度，其與水質指標之間形成的夾角表示相關性，角度越小，相關性越強，當夾角小于90°時，兩者為正相關，接近或等于90°時，兩者相關性較小或者不相關（周俊菊等，2019；馮娜娜等，2020）。豐水期1 000 m半徑緩沖區(qū)內，耕地面積比例與NH3-N、CODMn呈正相關，與TN、TP呈負相關；草地面積比例與CODMn、TP、NH3-N呈正相關，與TN呈負相關；水體面積比例與TN、TP呈正相關，與NH3-N、CODMn呈負相關；裸地面積比例與CODMn、TN、NH3-N呈正相關，與TP呈負相關。平水期3 000 m半徑緩沖區(qū)內，草地和裸地面積比例與CODMn、NH3-N、TP、TN均為正相關；耕地面積比例與NH3-N、TN、TP呈正相關，與CODMn呈負相關；水體面積比例與草地和裸地結果相反?？菟?00 m半徑緩沖區(qū)，草地面積比例與NH3-N、TN呈正相關，與CODMn、TP呈負相關；耕地面積比例與NH3-N、TP、TN呈正相關，與CODMn呈負相關；水體和裸地面積比例與耕地結果相反。由上述分析可知，在4種土地利用類型中，無論是豐水期、平水期還是枯水期，耕地均與各水質指標之間存在一定程度的正相關性，表明耕地對水質的影響最大，是主要的污染輸出源；水體在不同水期與大部分水質指標之間呈現(xiàn)負相關性；草地對水質的影響隨時間與空間變化，在各水期與多數水質指標具有相關性；裸地在各水期均與CODMn呈現(xiàn)正相關。

2.4.2" "景觀格局指數與水質指標的相關性" "Spearman相關性分析（圖6）顯示，不同尺度的緩沖區(qū)景觀格局指數與水質指標之間具有一定的相關性。豐水期1 000 m半徑緩沖區(qū)內CONTAG與NH3-N具有正相關性，而NP、PD、LPI、LSI、SHDI與其余水質之間未呈現(xiàn)出相關性。平水期3 000 m半徑緩沖區(qū)內各景觀格局指數與水質指標之間未呈現(xiàn)相關性。枯水期500 m半徑緩沖區(qū)內LSI與NH3-N、TN具有正相關性；SHDI與NH3-N、TN具有正相關性；LPI與NH3-N表現(xiàn)為負相關，其與水質指標之間的關系較難被合理的解釋，LPI代表人為活動干擾程度，LPI值越大，人類對水質的干擾程度越大，NH3-N濃度就越大，故其不能用作預測水質的有效指標。部分景觀格局指數與水質的關聯(lián)存在著很大的不確定性，如NP與PD分別表示景觀破碎度和景觀異質性，其與水質之間未呈現(xiàn)相關性，故需進一步探討。

3" "討論

3.1" "土地利用類型對水質的影響

土地利用類型與水質顯著相關，二者之間的關系越來越受到重視（Shen et al，2015；Mello et al，2018；Zhang et al，2020），但二者關系的最佳空間尺度尚未形成統(tǒng)一結論（項頌等，2018）。流域的獨特性、研究者使用數據集的分辨率及土地利用對空間的依賴性皆會導致研究結果各異（宋靜雯等，2022）。通過RDA分析發(fā)現(xiàn)，土地利用對水質解釋率最高的緩沖區(qū)半徑分別為1 000、3 000、500 m，而李好好等（2022）對河湟谷地研究發(fā)現(xiàn)該流域平水期對水質的解釋率高于豐水期，平水期最優(yōu)尺度為200 m緩沖區(qū)，豐水期最優(yōu)尺度為5 km緩沖區(qū)，宋靜雯等（2022）探討若爾蓋濕地水質，發(fā)現(xiàn)對水質影響最大的半徑緩沖區(qū)為1 000 m。徐啟渝等（2020a）對袁河研究表明土地利用對水質變化解釋率最高是子流域尺度和遠距離緩沖區(qū)（3 000 m）；王一舒等（2021）發(fā)現(xiàn)土地利用在河岸緩沖區(qū)隨尺度增大，對水質的解釋度先增大后減小呈倒U型。由土地利用對水質影響具有尺度效應可知，規(guī)劃合理的尺度對改善水質具有正效應，但尺度效應的復雜性使得單一尺度難以控制多數水質參數（徐啟渝等，2020b）。

通過分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內對水質解釋率最佳的緩沖區(qū)尺度隨水期不同而發(fā)生改變，與上述研究結果存在差異，導致差異的原因除研究區(qū)的獨特性外還與其土地利用方式有關。由圖3可知博湖不同緩沖區(qū)土地利用類型均以水體、耕地為主，草地、裸地比重較小，不同的土地利用方式使得各采樣點水質狀況不同，除此之外，緩沖區(qū)半徑的選擇也尤為重要，由于部分采樣點位于水中，在100～1 000 m尺度內土地利用類型均為水體，使得土地利用類型與水質狀況的關系比較模糊，故在后續(xù)研究中應設置合適的采樣點，同時引入不同類型、范圍更大的空間尺度，并增加水質監(jiān)測的時間序列，將土地利用方式對博湖水質的影響做更深入的探討。

3.2" "景觀格局對水質的影響

景觀格局通過在不同空間尺度上的景觀比例、空間配置改變從而對水質產生影響（Amiri amp; Nakane，2009），因此研究景觀格局與水質之間的聯(lián)系是改善水質的前提，但如何在大量景觀指標中選出具有代表性的指標來建立景觀格局與水質間的聯(lián)系并分析其影響機理，是該類研究的重難點（趙鵬等，2012）。彭勃等（2019）發(fā)現(xiàn)景觀PD（斑塊密度）、SHDI（香農多樣性指數）同河流水質表現(xiàn)出顯著正相關，PD的多少與多樣性的大小、斑塊的復雜度成正比，耕地的PD越大，人類干擾度越強；SHDI的大小與景觀異質性的強弱成正比，水體污染物濃度增加導致水質惡化與污染“源”在景觀格局中的優(yōu)勢度及主導性增強有關。SHDI與NH3-N呈顯著正相關性，表明枯水期500 m半徑緩沖區(qū)范圍內受“源”景觀作用更強。王杰等（2018）研究丹江上游景觀格局對水質的影響發(fā)現(xiàn)，LSI與DO（溶解氧）呈極顯著負相關，而LSI表示人類因素對景觀格局的影響，LSI與人類活動強度成正比，其值越大，丹江上游水質越差。

隨著緩沖區(qū)半徑的增大，研究區(qū)景觀異質性及土地破碎化程度也相應增強。豐水期與平水期景觀格局指數與各水質指標相關性遠不及枯水期，枯水期500 m半徑緩沖區(qū)范圍內LSI與NH3-N、TN具有正相關性，LSI與水質指標有良好的相關性，因此可以利用LSI來預測區(qū)域水質變化，但景觀格局指數眾多，想要準確揭示景觀格局與水質之間的關系，還需引入大量的景觀格局指數進行分析。

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Effect of Land Use Pattern on Water Quality in Bosten Lake

at Different Temporal and Spatial Scales

Abstract：Limited water resources in arid regions is an important factor constraining development of social production and human life activities. Bosten Lake， the largest inland freshwater lake in the arid region， has contributed greatly to maintaining ecological security and promoting economic development. In this study， the impact of land use patterns on the water quality of Bosten Lake was revealed at different space-time scales by combining redundancy analysis （RDA） with Spearman correlation. Our aim was to provide a reference and data to support effective protection of water quality and ecological management of the Bosten Lake basin. The study was based on Google Earth remote sensing data （2020） and water quality data measured in the normal season （September， 2020）， wet season （June， 2021） and dry season （October， 2021） at 23 sampling points of Bosten Lake. Areas within radii of 100， 300， 500， 1 000， 3 000 m to the sampling points were set as the buffer zones， which were then overlaid with land use data to obtain the area proportions of different land use types within the different spatial scales. Six land use types were delineated， including cultivated， woodland， grass land， water area， construction land， and bare land. However， woodland and construction land were not included in the analysis because their areas were less than 0.4% of the total area. Results show that： （1） The concentrations of CODMn and TN in Bosten Lake were abnormally high， exceeding Class III standards for surface water at 21.7% and 55.1% of the sampling points， respectively， indicating that TN and CODMn were the primary pollutants. （2） There was a significant correlation between land use and water quality within five of the buffer zones. The buffer zones with radii of 1 000， 3 000 and 500 m in the wet， normal and dry seasons best explained water quality with explanatory rates of 40.0%， 35.6% and 31.1%， respectively. （3） Landscape heterogeneity and fragmentation increased with spatial scale. （4） Among the four land use types， cultivated land was the primary source of water quality deterioration， followed by grassland. Although grasslands can play a positive role in purifying water， inappropriate management has allowed pollutants to enter the water. （5） In terms of the landscape pattern indices， landscape shape index （LSI） correlated positively with NH3-N and TN， and there was a significant positive correlation between the Shannon-Wiener diversity index （SHDI） and NH3-N. This indicates that increased landscape fragmentation leads to deterioration of water quality， but there is a large uncertainty in the correlation between LSI and water quality that will require further investigation. Analyzing how land use affects water quality in Bosten Lake supports the formulation of rational water quality protection measures and enhances sustainable resource utilization.

Key words：temporal and spatial scales; land use; landscape pattern; water quality; Bosten Lake