土地利用結構對濕地公園水環境質量的影響*

王 怡 朱 穎 馮育青 謝 冬 賀風春

1 華潤(南京)市政設計有限公司 江蘇無錫 214000

2 蘇州科技大學建筑與城市規劃學院 江蘇蘇州 215011

3 蘇州市濕地保護管理站 江蘇蘇州 215000

4 南京林業大學生物與環境學院 南京 210037

5 蘇州園林設計院有限公司 江蘇蘇州 215000

水作為濕地公園的核心要素[1],不僅是其生態功能發揮的基石,還決定著濕地公園的生態效能[2-3]。國家濕地公園是濕地資源有效保護與合理開發利用的重要方式,屬于生態極敏感區域,其外圍緩沖區建設是涵養水源、穩定生態的有效措施,對濕地公園的保護具有重要作用。因此,探討濕地公園生態緩沖區土地利用結構對內部水環境質量的影響,旨在為濕地公園水環境保護與土地優化利用提供參考。

宏觀層面上,水環境質量的變化多與土地利用結構密切相關[4-5]。相關研究表明,土地利用結構主要通過調節地表水中的營養元素濃度[6-7]影響水質指標,而水質指標對土地利用的最顯著響應尺度在500～1 000 m[8]。不同的土地利用結構對水質的影響有顯著差異[9-11]。宏觀尺度[12-13]的研究能夠為水環境治理提供方向,但該研究實際更多地落在微觀尺度的景觀水體,形成以點帶面的方式促進水質的整體改善。因此,本文對蘇州6個國家濕地公園進行四季水質監測,采用綜合營養狀態指數(Comprehensive Trophic Level Index,TLI)進行水質評價,對不同季節研究區水體中總氮(Total Nitrogen,TN)、總磷(Total Phosphorous,TP)和葉綠素a(Chlorophyll-a,Chla)的濃度變化特征進行比較分析,利用Spearman相關分析探究濕地公園及其周邊1 km緩沖區內不同土地利用結構對濕地公園內水環境質量的影響程度,為濕地公園水環境保護提供借鑒。

1 研究區概況

江蘇蘇州地處太湖流域,河湖眾多,是典型的水網城市,水域占比42.5%,全市濕地面積339 500 hm2,占市域總面積的40%。近年來,蘇州以水資源保護為核心,大力推進太湖、陽澄湖、長江大保護等重要保護舉措,形成了良好的區域水資源環境。蘇州自2010年起大力推進濕地公園建設[14],目前已建有21個濕地公園,其中國家級6個,分別為太湖國家濕地公園、沙家浜國家濕地公園、太湖湖濱國家濕地公園、三山島國家濕地公園、天福國家濕地公園,以及同里國家濕地公園(表1)。

表1 蘇州6個國家濕地公園概況

2 研究方法

2.1 數據來源

1)土地利用數據。土地利用數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/),采用2019年Landsat 8OLI_TRIS遙感影像(分辨率為30 m×30 m)作為基礎數據,進行影像裁剪等預處理后,利用ENVI5.1解譯蘇州6個國家濕地公園及其周邊用地的遙感影像。根據研究區的實際情況,采用中科院建立的一級土地分類系統進行分類,包括建設用地、水域、耕地、未利用地、林地和草地6大類。

2)水質監測數據。總氮(TN)和總磷(TP)是導致水體富營養化的重要指標,葉綠素(Chla)能夠指示藻類生物量的多少[15],因此以總氮、總磷和葉綠素濃度作為水質指標。根據蘇州6個國家濕地公園的面積、進水口、出水口、水系交叉及不同人為干擾程度設置53個采水點,分別于2019年2月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)和10月(秋季)晴朗無風天氣,進行水樣采集及測定,用容積2 L的有機玻璃采水器采集表層及0.5 m深處的混合水樣,不同采水點的采樣深度均一致,水樣置于2～8℃保溫箱中保存,并在12 h內進行分析測試。參照《水和廢水監測分析方法》[16],對每個水質樣品做3次平行測定,各指標值以平行樣的平均值表示,TN、TP和Chla均采用分光光度法測定。

2.2 綜合營養狀態指數

采用TLI(∑)評價研究區水體富營養化。運用各指標參數的營養狀態指數計算公式,選取水質參數相關權重,加權平均后得出水體的TLI(∑)。計算公式如式(1):

式(1)中:Wj表示第j種參數營養狀態指數的相關權重；TLI(j)表示第j種參數的營養狀態指數；m表示評價參數的個數。

Chla作為基準參數,第j種參數的歸一化相關權重計算見公式(2):

式(2)中:rij表示第i個樣本第j種參數與Chla的相關系數。各參數的TLI計算見公式(3)至式(5)。

式(3)至式(5))中:TN、TP的濃度單位為mg·L-1,Chla的濃度單位為mg·m-3。采用0～100的連續數字評價水體營養狀況,狀態級別標準如下:TLI＜30,貧營養；30≤TLI≤50,中營養；50＜TLI≤60,輕度富營養；60＜TLI≤70,中度富營養；TLI＞70,重度富營養。

2.3 水環境質量與土地利用結構的相關性分析

利用ArcGIS10.2軟件提取各濕地公園及其1 km內緩沖區的土地利用數據,并采用SPSS22.0的Spearman相關分析法分析水質指標與土地利用結構的相關性。

3 結果與分析

3.1 水質指標季節性變化特征

TN濃度季節性差異明顯(圖1A)。夏季天福濕地公園TN濃度最高,為2.85 mg·L-1；秋季三山島濕地公園TN濃度最低,為0.74 mg·L-1；春、秋季TN濃度在同里濕地公園處于最高值,分別為2.39 mg·L-1和1.97 mg·L-1；冬季天福濕地公園TN濃度也達到最高,為2.35 mg·L-1；湖濱濕地公園TN平均濃度最低,天福以及同里濕地公園相對較高。總體來看,TN濃度呈現夏＞春＞冬＞秋的格局,其中秋季最低,為1.09 mg·L-1,夏季最高,達到2.00 mg·L-1。

各濕地TP濃度季節性變化幅度較大(圖1B)。夏季變化趨勢略有波動,其他季節變化趨勢平緩,均在0.07～0.19 mg·L-1；夏季沙家浜濕地公園TP濃度最高,為0.43 mg·L-1；冬季湖濱濕地公園TP濃度最低,為0.06 mg·L-1。從平均水平看,TP平均濃度在夏季處于最高,達到0.27 mg·L-1；在冬季均值最低,為0.09 mg·L-1。三山島和湖濱濕地公園TP濃度相對較低,同里、沙家浜和天福濕地公園相對較高。

各濕地公園Chla濃度在秋季變化并不顯著,而春、夏、冬季差異明顯(圖1C)。夏季沙家浜濕地公園Chla濃度最高,為41.13 mg·m-3；冬季三山島濕地公園Chla濃度最低,為5.12 mg·m-3。這是因為太湖流域靠近湖岸線以及位于城鎮外圍營養鹽含量較高,適宜藻類繁殖；三山島濕地公園處于太湖中部,自凈能力強,chla濃度相應減少。總體上,Chla平均濃度在夏季最高,在秋季最低。

圖1 研究區TN、TP、Chla濃度的季節性變化

3.2 綜合營養狀態評價

蘇州濕地公園水質在四季呈現不同營養狀態(表2)。三山島濕地公園水質在春、夏、冬季均為輕度富營養,在秋季呈中度富營養；太湖和同里國家濕地公園水質在春、夏、冬季為中度富營養,在秋季為輕度富營養；湖濱濕地公園水質在夏季最差,為中度富營養,而在春、秋和冬季較好,均為輕度富營養；沙家浜濕地公園水質在夏、冬季較差,呈中度富營養,而在春、秋季較好,呈輕度富營養；天福濕地公園水質在春、秋季呈輕度富營養,而在夏季最差,呈重度富營養。綜上,蘇州濕地公園水體在夏、冬季呈現中度富營養,在春、秋季為輕度富營養,其中三山島和湖濱濕地富營養程度相對較低,水質較好。

從各季節營養狀態指數來看:在春季,太湖和同里濕地公園水質較差,處于中度富營養,而其他濕地公園均為輕度富營養；在夏季,三山島濕地公園水質最好,呈輕度富營養,天福濕地公園水質呈重度富營養,其他濕地公園均處于中度富營養；在秋季,三山島濕地公園水質最好,為中度富營養,其余濕地公園均呈輕度富營養；在冬季,三山島和太湖湖濱濕地公園水質較好,營養狀態為輕度富營養,其余濕地公園營養狀態均為中度富營養。綜上,研究區在四季呈現的富營養化程度由高到低為:夏＞冬＞春＞秋。

3.3 研究區土地利用結構

運用ArcGIS10.2的空間數據分析功能,量化濕地公園緩沖區土地利用結構。結果(表3)顯示,2019年蘇州濕地公園及緩沖區的總體特征為:1)三山島濕地公園作為淡水島嶼型濕地,水域占比最高,為75.47%,其他用地分布較少；2)太湖濕地公園緩沖區土地利用結構較為復雜,建設用地占比最高,為30.4%,水域、耕地、林地占比較低；3)湖濱濕地公園以水域為主,占比61.06%,其余用地較少；4)同里濕地公園緩沖區多以建設用地、耕地和水域為主,各占總面積的30.77%、36.23%和20.43%；5)沙家浜濕地公園緩沖區以耕地為主,占比58.18%,其余多為建設用地；6)天福濕地公園以耕地為主,其次為建設用地,占比為50.44%和34.59%。綜上,除三山島和湖濱濕地公園土地利用結構以水域為主之外,其余濕地公園多以建設用地和耕地為主,草地和未建設用地占比較少。

表3 研究區土地利用結構面積占比

3.4 水環境質量與土地利用結構的相關性

3.4.1 水環境質量與建設用地、耕地的相關性

從表4可知,建設用地和水質指標(TN、TP、Chla)均呈現顯著正相關,耕地與TN、TP、Chla的濃度也呈現出顯著正相關。

表4 土地利用結構與水質的相關性分析

TN濃度四季相關系數大小均為建設用地＞耕地,說明建設用地所代表的工業和生活污染源對水中氮元素的引入有重要作用。TP濃度與土地利用結構的相關系數大小在春、冬季為建設用地＞耕地,在夏、秋季為耕地＞建設用地,說明在夏、秋兩季存在耕地的影響大于建設用地的情況,這主要與耕種時肥料的流失有關[17]。耕地在冬季與TP質量濃度相關性最低,僅為0.174,說明耕地在冬季對磷元素的影響最小,這與蘇州冬季休耕的狀況相切合。Chla濃度與土地利用結構的相關系數大小在秋、冬季為建設用地＞耕地,在春、夏季耕地＞建設用地。總體而言,建設用地和耕地對濕地公園水質指標的相關性較高,即對水質指標濃度影響較大。

3.4.2 水環境質量與林地、水域、草地、未利用地的相關性

由表4可知,林地與水質指標(TN、TP、Chla)的負相關性較明顯；水域與TN、TP、Chla均呈負相關；草地、未利用地與各水質指標的相關系數較小,且不同尺度相關系數變化未見明顯規律,呈微弱正負相關。

TN濃度與土地利用結構相關系數大小均為林地＞水域。TP濃度與土地利用結構相關系數在夏、冬季為林地＞水域,在春、秋季為水域＞林地。林地和水域區別較小,兩者在磷濃度的影響程度近似。Chla濃度與土地利用結構相關系數在總體上為水域＞林地。

草地與各水質指標的相關系數較小,不同季節相關系數的變化規律不明顯,表明濕地公園水質受草地影響不大。未利用地與各水質指標的相關性較弱,呈微弱正負相關,這主要是其受人為干擾較小,造成的污染也較輕。

4 討論

4.1 土地利用對水環境營養鹽的影響

本研究發現,水環境指標與土地利用類型的相關性表現為TN、TP和Chla的濃度與建設用地和耕地面積占比呈正相關,與林地和水域面積占比呈負相關,這一結果與於夢秋等[8]研究相吻合。TN、TP和Chla與建設用地和耕地占比的關系為夏季＞冬季,原因可能是夏季降雨量較大,大量的耕作活動帶來的農業污染對水體產生了極大影響。夏季為太湖嚴重水華期,Chla處于最高值。夏季也是藍藻水華的生長旺季,Chla體現的水環境特征與建設用地和耕地呈正相關,這說明水體富營養化在很大程度受制于土地利用狀況,而藍藻水華的嚴重程度與土地利用結構密切關聯。

TN濃度與土地利用結構相關系數均為林地＞水域。其原因有二:一方面林地是可滲透下墊面,對氮元素的保留和收納可減少水體受面源污染的影響[18]；另一方面林地占比的增加導致污染物的排放也隨之減少,這也與相關研究成果[19]相吻合。

Chla濃度與土地利用結構相關系數在總體上為水域＞林地,這是由于水域對藻類生物量具有一定的稀釋作用[20],因此可將水域面積看作影響Chla濃度的重要因素之一。

4.2 濕地公園對水環境的改善作用

根據《2019年太湖流域及東南諸河省界水體水資源質量狀況通報》,太湖流域湖體TN、TP、Chla平均濃度分別為1.55 mg·L-1、0.08 mg·L-1、37.95 mg·m-3,TLI為55.7。本研究在同一時間尺度下,太湖流域內的湖濱、三山島和太湖國家濕地公園3個濕地公園TN、TP、Chla平均濃度分別為1.20 mg·L-1、0.11 mg·L-1、19.42 mg·m-3,TLI為54.73,說明除TP外其他各項指標優于流域水平。因此,濕地公園在一定程度上對于水環境健康有明顯的改善作用,這也符合陳杰云等[21]證實濕地公園的建設對水環境健康具有保護作用,濕地公園能夠降解污染物和提高水體的自凈能力。當前,許多城市也試圖通過建立濕地公園來保護和改善水環境,探索一種區域發展模式,以協調城市化進程中濕地水資源的保護和合理利用。

5 結論

1)2019年蘇州濕地公園TN、TP和Chla在夏季最高。三山島和湖濱濕地公園水質指標較低,水質相對較好。沙家浜、天福和同里濕地公園水質指標相對較高,水質較差。

2)水體富營養化程度由高到低依次為:夏＞冬＞春＞秋。三山島和湖濱濕地公園營養化水平相對較低,水質較好,營養狀態為輕度富營養。

3)水環境質量與緩沖區土地利用結構相關性表現為TN、TP和Chla與建設用地和耕地占比呈正相關,與林地和水域占比呈負相關,與草地和未利用地面積占比呈微弱正負相關。不同季節土地利用結構對水環境質量影響存在一定的差異:建設用地在冬季對水環境質量的影響較為明顯；耕地在秋季對水環境質量的影響大于城鎮用地；水域在夏、冬季對水質有積極影響；林地在春、秋季對水質提升最有效。