沙溪河流域地表景觀對水質的響應研究

康文華，羅火錢，2，周文娟，馮 垚，鐘靈雙

(1.福建水利電力職業技術學院，福建 永安 366099； 2.福建水利電力職業技術學院 王光謙院士站，福建 永安 366099； 3.寧德衛星大數據科技有限公司，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系密切。目前，國內外針對此方向有諸多相關研究。如張大偉[1]等分析了南方平原入太湖河流武進港的區域景觀格局與河流水質的相關性；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的相關性；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的關聯性；YAN[4]通過對重慶地區的研究表明，景觀水平上，水質與地表起伏度和斑塊密度密切相關，地形起伏度越大，山區小流域的河流水質越好，但河流水質的退化與景觀破碎化程度越高有關。

除了景觀之外，其他因素如地形、高程等都將影響非點源污染的運輸[5]。同時，土地利用組成作為影響水質的主導因素具有閾值效應、空間和時間尺度效應[6-7]。XIANG[8]在美國的一個小流域中使用地質統計學工具，確定有效緩沖寬度應在8～175 m范圍內。Allan[9]根據已發表的文獻，將河岸帶尺度定義為寬100～300 m(每岸)，確定河岸帶的適當寬度對于制定有效的河流生態系統管理方案具有重要意義。YANG[10]分別對50、100、150和300 m的緩沖帶進行了分析，認為前100 m緩沖帶的景觀因子更能體現出對水質變化的影響。SHI[11]等以監測點上游500 m作為地理中心，構建的圓形緩沖區尺度具有較好的預測水質效果。

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

1 數據與方法

1.1 研究區概況

沙溪河位于福建省中西部，是三明市境內最大的河流，也是閩江上游重要的支流之一；發源于建寧縣的嚴峰山，流經寧化、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%。該流域屬于閩西北低山丘陵區，全年溫暖濕潤，森林覆蓋率達70%以上。利用分辨率為30m的ASTER GDEM 2高程數據得到沙溪河流域永安段水系圖(圖1)，該區域屬于中亞熱帶海洋性季風氣候，同時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，氣候溫熱，雨量充沛，為農業和林業生產提供了優越條件。由于地處沙溪的上游，山體切割強烈，山高坡陡，地貌以山地丘陵為主。

圖1 研究區位置及水系圖

1.2 數據來源及數據處理

1.2.1 景觀分類數據

本文選取已處理的土地利用分類產品(FROM-GLC10)進行研究。FROM-GLC10 是清華大學地球系統科學系宮鵬教授研究組與國內外多家單位合作研發的世界首幅10 m分辨率全球地表覆蓋制圖方法與結果，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 水質數據

水質數據來源于永安水利局，數據包括沙溪河流域26個水質采樣點的數據，分為3個時間段，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)。所檢測的水質指標包括酸堿度(pH)、溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N，mg/L)、高錳酸鹽指數(CODmn, mg/L)和總磷(TP, mg /L)。

1.2.3 景觀數據處理

將流域劃分提取出兩個子流域進行進一步統計，子流域位置圖見圖3。統計全流域及I、II兩個子流域內各土地利用分類中的占比，結果見表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為森林>農田>草地灌木>建筑用地>裸土>濕地水體，在子流域II和整個流域尺度上也是這種趨勢。由此可以發現，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，將濕地與水體結合為一種“濕地水體”進行研究。

以沙溪河流域永安段26個采樣點上游500 m為地理中心，建立500 m圓形緩沖區，采樣點位置及緩沖區結果見圖4。統計采樣點內各土地利用類型在緩沖區內的占比，統計結果見圖5。

圖4 采樣點位置及圓形緩沖區位置

圖5 500 m緩沖區內土地利用類型占比

根據圖5對26個圓形緩沖區的景觀組成進行進一步分析，各緩沖區之間景觀組成差異較大，農田最少占比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之間的關系。

2 結果與分析

以所選取的4個水質指標及各圓形緩沖區內的景觀組成面積百分比為變量，對不同季節、不同緩沖區的景觀組成面積百分比與水質指標進行Spearman秩相關分析，結果見表2。

表2 景觀組成與水質相關性分析結果

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

通過以上分析可得，在景觀復雜的華南丘陵小流域中，河流水質與景觀關系較為復雜，在不同季節，河流水質與地表景觀的響應關系不同。這一結果對判斷地表景觀給水質是否帶來正收益的工作增加了難度。但是綜合這4個指標不難發現，農田、建筑用地帶來的負面收益更大，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。

進一步引入緩沖區的平均坡度百分比作為影響因子。由于緩沖區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算坡度的傾斜度，再對坡度百分比取log進行進一步計算，利用Spearman秩分析，結果見表3。由表3可得，在夏季和冬季，坡度百分比與DO正相關，與其他3個水質指標負相關，在春季與4個指標均負相關，整體來說坡度越陡，水質情況越好。

表3 平均坡度百分比與水質相關性分析結果

不同季節下，河流水質與景觀關系存在一定差別。濕地水體對NH3-N、TP的抑制作用在春季發揮了最大的作用，草地灌木對DO含量的促進作用在夏季達到最大，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的影響也會因為季節不同存在差別。因此，景觀組成與水質的關系需要分不同的季節看待，也應當根據不同的時期制定不同的政策。

3 結 論

本文以沙溪流域永安段為研究對象，結合地表景觀和水質數據，通過 Spearman 秩相關分析，探究了不同景觀特征在不同季節對河流水質的影響差異，結論如下：

1) 流域內景觀組成以森林為主，農田和草地灌木次之，裸土最少。農田、建筑用地帶來的負面收益更大；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) 在不同季節下，河流水質與景觀關系有很大差別。濕地水體對NH3-N、TP的抑制作用在春季發揮了最大的作用，草地灌木對DO含量的促進作用在夏季達到最大，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的影響也會因為季節不同存在差別。因此，景觀組成與水質的關系需要分不同的季節看待，也應當根據不同的時期制定不同的政策。

致謝：感謝清華大學石羽佳博士對論文的技術支持，感謝永安河長辦提供實測數據和專業指導。