土地利用景觀格局對信江水質的影響

伍恒赟，張起明，齊述華，胡 梅

1．江西省環境監測中心站，江西南昌330039

2．江西師范大學地理與環境學院，江西南昌330039

3．江西師范大學鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室，江西南昌330022

土地利用指人類對土地自然屬性的利用方式，人們在土地上進行生產與生活等活動的過程本身就深刻地影響地表、河流、湖泊等生態系統的物質輸入過程;同時，土地利用的景觀格局通過影響地表徑流、生物循環和地球化學循環等過程［1-2］，改變進入河流、湖泊污染物的數量，進而對水質產生重要影響。因此，流域的土地利用及其空間分布格局與河流湖泊的水質密切相關［3-5］，上世紀70年代以來，相關學者從點位、河段、河岸緩沖區以及流域尺度對景觀格局和地表水水質之間關系開展了研究［6］。2000年后土地利用景觀格局與水質間的關系研究也日益受到國內學者的關注［7-10］。早期的研究主要集中在景觀類型與面積同水質的關系方面，隨著3S技術的發展應用，景觀格局的空間分異對水質的影響逐漸引起重視［11-12］。

該研究以土地利用方式多樣，景觀類型復雜且快速城市化的信江流域為研究對象，利用2011年的Landsat5衛星的TM遙感影像進行土地利用分類的結果，在ArcGIS平臺的空間分析功能支持下，利用水文分析模塊對信江流域的子流域進行劃分，結合2011年的水質監測數據，分析各子流域土地利用景觀格局與監測斷面獲取的水質的關系，評價土地利用景觀格局對水質的影響，為信江流域的水環境保護提供參考。

1 研究區域

信江(116°18'～118°27'E，27°52'～28°59'N)位于江西省東北部，為全省5大河流之一，是鄱陽湖的重要承接水系，主河道長359 km，流域面積17 599 km2，約占全省面積的10%，流域地勢東南高西北低，其中山地占流域面積40%，丘陵占流域面積35%，平原占流域面積25%，分別流經上饒和鷹潭，中下游屬于鄱陽湖平原。2000年以后，在“中部崛起”的國家政策背景下，該地區城鎮建設步伐加快［13］，土地利用方式發生變化，大量的自然和農業景觀轉變為非農業景觀，使生態系統內的景觀結構發生了顯著改變，同時生態過程和功能受到影響［14］。

2 研究方法

2.1 子流域劃分

以江西省1∶25萬的DEM數據為基礎，利用ArcGis的水文分析模塊，經過DEM洼地填充，匯流累積量計算，水流長度和河網提取并根據水系的實際分布，將流域分割形成10個子流域(圖1)。在每個子流域的出口處設置1個監測斷面，每個斷面控制范圍包括監測斷面至河流上游的整個區域。

圖1 信江流域的子流域劃分及監測斷面位置

2.2 水質監測

從2011年1—12月，逢奇數月的月初對10個監測點進行1次水質監測，全年共監測6次。參考地表水環境質量標準(GB 3838—2002)，選擇高錳酸鹽指數(CODMn)、氨氮、總氮(TN)、化學需氧量(CODCr)4個主要指標來反映信江流域的水質狀況。其中CODMn采用高錳酸鉀法測得，氨氮采用水楊酸分光光度法，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，CODCr采用重鉻酸鹽法。實驗采取1個對照，3個平行，利用6次測定結果的平均值來表征。

2.3 土地利用遙感分類與景觀指數選擇

以2011年Landsat-TM秋冬季覆蓋信江流域的遙感影像為基礎數據，經過幾何精糾正，RMS(配準殘差)控制在半個像元內，然后參照《生態環境狀況評價技術規范》(HJ/T 192—2006)中土地利用分類方法，基于ArcInfo Workstation進行人工目視解譯，將研究區分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6種地類，經統計得出該區域土地利用分類結果，利用ArcGis制圖得到信江流域土地利用空間分布狀況。

景觀指數能夠綜合景觀格局信息，反映景觀類型組成及其空間格局等特征，是景觀生態學中廣泛運用的定量研究方法［15］。本文利用Fragstata景觀軟件從和計算7個類型尺度上(Class-Metric)和9個景觀尺度上(Landscape-Metric)的景觀指數，見表1。

表1 景觀指標的選擇

3 結果與分析

3.1 流域土地利用景觀組成

將子流域邊界與信江流域土地利用景觀類型進行疊加分析，得到從上游到下游10個子流域(r1～r10)的各種土地利用面積的比例(表2)。

表2 從上游到下游各子流域各種土地利用類型所以占的面積比例%

由表2可見，各子流域中，林地、耕地所占面積比例最高，其次是建設用地、水域、草地、未利用地;從上游到下游的10個子流域，林地所占面積比例呈降低趨勢，耕地和建設用地所占面積比例呈增加趨勢，特別是耕地增加明顯，反映出信江流域按照從上游到下游，人類活動趨于增強。由于草地和未利用地所占的面積比例較小，不作為水質的影響因子展開分析。

3.2 河流水質狀況

根據2011年信江流域10個監測斷面的水質監測結果，以第r1、r2子流域作為信江流域上游，以r7～r10子流域作為下游，分別統計上游和下游水質監測參數(表3)，可以看出 CODMn、氨氮、TN、CODCr上游的平均濃度均低于下游，表明從信江的上游至下游，各指標的濃度呈增加趨勢，下游各監測點指標濃度的波動范圍也比上游大。根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類水質標準評價，在10個監測斷面中，TN的超標率為51.67%，其余指標均未超出Ⅲ類標準，表明信江的水質以氮超標為主。

表3 水質項目的統計結果 mg/L

3.3 土地利用景觀類型對與水質的影響

分別將10個子流域內耕地、林地和建設用地的面積比與觀測的水質指標進行回歸分析(圖2)，由于同一土地類型與4個水質指標回歸分析結果基本類似，僅列出了氨氮、CODMn的回歸分析結果。

可以看出，建設用地和耕地的面積比例愈大，水質越差;而林地面積比例越高，水質越好，表明信江流域的農業生產與生活對信江河流水質的影響顯著。

圖2 各土地利用類型的面積比與水質參數的關系

3.4 土地利用景觀格局與水質的關系

根據FragStat軟件計算各子流域土地利用景觀指數(表1)，分析 CODMn、氨氮、TN、CODCr與各景觀指數的關系(表4)。結果表明，PD、ED、SHDI與CODMn、氨氮、TN、CODCr濃度呈顯著正相關，與AREA_MN、SHAPE_MN、AI和 CONTAG 呈顯著負相關，與COHESION和IJI指標之間的相關性不顯著，此外，PD、ED、SHDI越大，AREA_MN、SHAPE_MN、AI、CONTAG越小，景觀越破碎。由此說明流域景觀的破碎化將導致河流污染物濃度的升高，相反流域景觀格局若由少數團聚的大斑塊組成，河水中污染物的濃度可能較低，水質較好。

表4 景觀尺度格局與水質的相關分析

3.5 土地利用景觀類型格局與水質的關系

分別從耕地、林地和建設用地的景觀尺度上分析景觀類型格局與水質指標的相關關系(表5)。從表5可以看出，耕地的多數景觀指數和水質指標呈正相關，其中 CODMn與 ED、AREA_MN、IJI、AI、COHESION呈極顯著正相關，氨氮與PD、ED呈極顯著正相關，CODCr與ED、SHAPE_MN呈極顯著正相關，說明耕地上的農業生產活動是信江流域污染物的主要來源;水質指標與反映景觀破碎化程度的ED、IJI、COHESION等景觀指標呈顯著正相關，表明耕地的斑塊邊緣、物理連通程度和相鄰斑塊類型對河流的水質也有顯著的影響。

表5 類型尺度格局與水質的相關分析

林地的多數景觀指標與水質指標呈負相關，表明林地具有較好的降解或消減污染物的效應，其中 CODMn、氨氮、CODCr與 AREA_MN、SHAPE_MN和AI呈極顯著負相關，CODMn與IJI呈極顯著負相關，TN 與AREA_MN、SHAPE_MN、AI顯著負相關，氨氮、CODCr與IJI和COHESION呈顯著負相關，PD、ED與4個水質指標呈顯著正相關關系，與 CODMn、氨氮、CODCr達到極顯著相關，林地的AREA_MN和SHAPE_MN與水質指標的相關性較大，說明流域內大斑塊的林地有助于水質的凈化。

建設用地類型中，CODMn、氨氮、TN和CODCr與PD、ED以及COHESION、AI都呈現出顯著的正相關關系，其中氨氮與ED、COHESION呈極顯著正相關，CODCr與 COHESION、AI呈顯著正相關，TN僅與ED呈極顯著正相關。除此之外，各水質指標還與SHAPE_MN呈極顯著負相關，AREA_MN和CODMn也呈極顯著負相關，與其他水質指標相關不顯著，說明在流域中建設用地集中大面積彼此相臨的連片分布可能會引起河流中CODMn濃度的升高這是由于城鎮建設用地大面積集中分布造成不透水面的增加，以及生產生活污染的聚集性釋放，會進一步導致徑流量增加和污染物濃度升高，加大受納水體的污染負荷，進而引起水質下降。

4 討論

4.1 土地利用景觀格局對水質的影響

景觀類型和水體污染物濃度之間存在著顯著的相關關系，這是由于土地利用方式和人類活動強度的差異導致，不同類型景觀上污染物負荷不同［16］。降水時，地表污染物質隨地表徑流流入水體的過程中，流經不同性質的土地利用類型時，污染物可能被沉積吸收和再析出［9］。

研究表明，林地和水質指標間呈顯著負相關。原因在于林地有較好的截流和消減污染物的能力，對緩解水質退化有重要作用［17］。很多實驗研究都表明在林地以及草甸植被和土壤系統的作用下，可以減少降水徑流對土壤的侵蝕程度以及降低徑流中固體污染物的輸出［8］，從而凈化水質。所以在林地占優勢的流域中，水體的水質也往往較好［10］，因此，從截流污染物，保護水環境的角度出發，應盡量增加林地景觀的數量。

建設用地污染物的輸出貢獻較大，對水質存在負效應［8］，原因在于城鎮建設用地造成的不透水面導致徑流量增加和污染物濃度升高［15］，所以城鎮建設用地的比重越大，水體的水質往往越差。除此之外，由于平原地區的耕地大多受到人類活動的干擾，農藥或殺蟲劑的大面積使用，加之農田耕作區污灌現象的存在，也往往逐漸成為具有非點源污染輸出特征的斑塊類型［18］，因此，該研究中耕地與建設用地對水質的影響類似。

4.2 景觀尺度格局對水質的影響

在研究中，斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、香濃多樣性指數(SHID)與水質指標有顯著正相關性。PD、ED反映的是土地利用格局的破碎度和復雜程度，SHID表示斑塊類型在景觀中出現的概率，反映景觀異質性，斑塊的邊緣密度控制著斑塊間是相互作用，高的PD、ED、SHID意味著更大強度的人類干擾，景觀更加破碎，異質性強，流域水質污染的風險也隨之升高。

而各水質指標與 AREA_MN、SHAPE_MN、CONTAG、AI呈顯著負相關。AREA_MN、SHAPE_MN反映景觀類型中斑塊平均面積的大小和形狀的復雜性，CONTAG是對流域中不同斑塊類型的團聚程度或延展趨勢的表示，反映景觀分離和散布程度，AI是對流域中不同斑塊類型的聚集程度的度量，反映景觀組成的空間配置［15］。因此，AREA_MN、HAPE_MN、CONTAG、AI越小，表現出人類的干擾程度越大，流域景觀越離散，水質受人類活動的影像越大。但有些研究表明，CONTAG與水質指標有比較顯著的正相關性，這可能與研究區的優勢斑塊類型有關，以具有污染輸出效應的建設用地、耕地為優勢斑塊的景觀，其優勢斑塊的聚集和連通性會造成污染物輸出的集中，對河流水質的影響也越顯著［3］。該研究中，林地占整個流域的32.61%(表2)，以具有污染物消減效應的林地為優勢斑塊(圖1)，林地的大面積分布則有助于凈化水質［10］。

因此，從景觀水平來看，當流域景觀中以數量較少且以染物消減效應為優勢的大斑塊為主或同一類型的斑塊連通度高時，河流中污染物的濃度越低，水質較好。

4.3 類型尺度景觀格局對水質的影響

PD、ED與耕地、林地和建設用地的水質指標均表現正相關性，表明該3類景觀的破碎化空間分布，其污染物輸出被邊界或其他斑塊攔截的概率降低，會引起河流中污染物濃度升高，對流域水質的負效應增加;AREA_MN、SHAPE_MN、IJI與林地和建設用地呈負相關性，而與耕地呈現正相關性，AREA_MN的大小影響著污染物輸出的多少，因此，流域中林地和建設用地的斑塊面積越大，水體中污染物的濃度越低，而對于具有污染物輸出效應的耕地來說，其效果相反。SHAPE_MN對斑塊內外物質和能量的流通有重要影響，同時與地表徑流過程和污染負荷相關，進而影響河流水質［19］，散布與并列指數(IJI)用于表述景觀分離度，反映與該景觀相鄰的其他類型的多少［15］，研究顯示，林地和建設用地景觀斑塊的鄰接分布越復雜對污染物的消減效應越明顯，有利于河流污染物的濃度的降低。

AI、COHESION反映景觀斑塊的聚集程度和連通性，是衡量景觀格局的常用指標［15］，研究中，AI、COHESION均與耕地和建設用地呈顯著正相關，而與林地表現出負相關。耕地和建設用地的聚集程度以及連通性越高，往往斑塊的面積也越大，污染物的輸出也較多，河流水質污染濃度升高。林地對緩解水質退化有重要作用［10］，因而林地的聚集度和連通性越高，水質污染濃度較低。隨著區域城市化進程加快，建設用地仍會繼續擴張，與之伴生的區域水體污染水質惡化等問題仍會突出［3］，因此，對于保護快速城市化的信江流域周邊水環境來說，要盡量減少城市建設用地的大面積集中分布，同時要增加林地面積比例，減少對林、草地等自然景觀的干擾，避免其景觀破碎化。

4.4 問題與不足

河流水質除受到土地利用景觀格局的影響外，往往還受到其他點源污染，而這部分污染對河流的水質的影響是直接的，且難以通過景觀格局研究表現出來，文中r1流域景觀結構單一，基本以林地為主，受人為活動影響較小、水質較好，而其他子流域水質監測斷面分布于城鎮或農田區域，水質監測結果受人為活動影響較大，監測結果明顯高于r1流域斷面監測值，因此，在子流域監測斷面合理布設上有待進一步完善。

由于研究流域面積較大、土地利用景觀格局類型復雜，文中選取的10個水質監測斷面，難以理想的反映出該區景觀格局與水質的相關關系，后續研究將增加水質監測斷面數量，合理布局監測斷面，細化子流域劃分，以期更好的揭示出土地利用景觀格局與流域水質間的關系。

5 結論

1)流域的景觀組成對河流CODMn、氨氮、TN、CODCr濃度均存在顯著影響。耕地和建設用地的面積比例與各項指標濃度間存在顯著正相關，林地與各指標濃度存在顯著負相關。此外，各項指標濃度在流域上游變化不大，而在流域的下游變化顯著。

2)從流域景觀尺度上看，當流域以數量較少的大斑塊景觀為主或同類型的景觀斑塊高度連接時，河流中 CODMn、氨氮、TN、CODCr濃度較低，水質普遍較好，這與該流域中林地為優勢景觀類型有密切關系;從流域類型尺度上看，各類型的景觀結構對河流中CODMn、氨氮、TN、CODCr濃度影響不同，建設用地以及耕地的集中大面積彼此相臨的連片分布會導致河流中CODMn、氨氮、TN、CODCr等濃度的升高，而林地則具有相反的效應。

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