流域城鎮化格局與河流氮磷的空間關系

摘要：流域景觀格局對河流氮磷污染物的發生、遷移和轉化的有重要影響，人類活動干擾加劇了河流氮、磷污染的季節性變異，使河流污染的復雜性、隨機性、空間分異明顯。為探究流域城鎮化格局對河流季節性變化中氮磷的空間分異的影響，研究基于天津于橋水庫流域近4年33個點的定位監測，采用冗余分析、地理加權回歸模型等方法，定量分析了景觀格局組成及景觀結構特征與河流氮磷污染的空間響應關系。結果表明，城鎮用地比例（Red%）、不透水面指數（ISA）對水質指標TN、TP的解釋度最為顯著（p<0.01），Red%與TN、TP正相關子流域集中分布于高城鎮化聚集區域，ISA與TN、TP正相關子流域集中于不透水面擴展較快的山區村鎮，兩個指數能較好地反映氮磷的空間分異。探究因子對流域水質空間分異的影響，對評價和控制河流非點源污染排放具有重要意義。

關鍵詞：氮磷污染;冗余分析;地理加權回歸;回歸系數

中圖分類號：X52? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）07-0-03

Abstract：The landscape pattern of the river basin had an important impact on the occurrence， migration and transformation of nitrogen and phosphorus pollutants in the river. Human activities aggravated with the seasonal variation of nitrogen and phosphorus pollution in the river. In order to explore the influence of basin urbanization pattern on spatial differentiation of nitrogen and phosphorus in seasonal changes of rivers， in this paper， based on the location monitoring of 33 points in the Yuqiao reservoir watershed of Tianjin in recent 4 years， the spatial response relationship between the composition of landscape pattern and the characteristics of landscape structure and the nitrogen and phosphorus pollution in the river was quantitatively analyzed by means of redundancy analysis and geographic weighted regression model.Results showed that the urban land scale （Red %）， opaque surface index （ISA） on the water quality indexes of TN and TP explained the most significant （p < 0.01）， Red % and TN， TP was related to watershed concentration distribution in the high concentrated areas of urbanization， The positive correlation between ISA and TN and TP was concentrated in the mountainous villages and towns with fast expansion of impervious water surface， two index can well reflect the spatial differentiation of nitrogen and phosphorus. It is of great significance to explore the influence of factors on spatial differentiation of water quality in river basin for evaluation and control of non-point source pollution discharge.

Key words：Landscape pattern; Redundancy analysis;Geographically weighted regression;Nitrogen and phosphorus pollution

河流作為流域景觀的組成部分之一，其水環境狀況的改變與流域景觀格局密切相關。流域內的景觀格局對其生態水文過程產生深刻影響一些研究表明部分景觀指數能夠預測水質的變化，對于水質監測、流域管理等具有重要意義。人類的不合理排放使得水體中的氮、磷等物質富集，造成水體富營養化，從而加劇河流水質惡化。目前，對景觀結構與流域水質耦合關系的研究已在多個流域展開，然而，水質指標相關關系方面仍存在不確定性，對城鎮化流域水質影響的空間關系還需要進一步的研究。對景觀格局對河流水質污染空間分異影響的定量分析，基于統計學分析的研究較為廣泛，如相關分析、主成分分析、傳統線性回歸等，這些方法是基于全局統計的方法，要求影響因素不隨空間位置變化而變化。運用空間地理加權回歸（GWR）通過將數據的空間位置嵌入到回歸參數之中，以探索顯著因子與因變量在空間范圍內的變化關系，有效地解決了空間非平穩性的問題。學者利用GWR模型用于分析土地利用結構對流域水質污染影響，但并未探討景觀結構指數對水質污染空間影響。需要在景觀結構以及景觀組成對流域水質空間影響方面展開更深入的研究。

天津于橋水庫流域水質狀況直接影響到天津市工農用水和生活飲用水。隨著城鎮化水平的發展，不合理的排放造成的水體富營養化已影響到居民飲水安全。本文基于天津于橋水庫流域近4年33個點的定位監測，探討景觀格局對豐水期和枯水期流域水質影響的顯著性以及在空間的非平穩分布，力圖為流域規劃和保護提供科學依據。

1 研究區域

選取于橋水庫流域（39°56′N～40°23′N，117°26′～118°12′E）位于天津市薊縣城東，其中80%分布在河北省遵化市，總面積約2060km2。地形西北部為山區，中部為平原，南部為丘陵和低山。流域為溫帶大陸季風型半濕潤氣候，降水集中在7-8月。村鎮在流域附近分布，養殖、農田、工廠及產生的生活垃圾會直接或間接影響著流域的水質。根據河網和地形特征，將流域集水區劃分成33個子流域（圖1）。且子流域集中于流域中上部，研究區不受引灤河道的影響。

2 數據和方法

2.1 水質數據

在子流域河流出水口各設置1個采樣點，每次取樣500mL。綜合考慮流域內富營養化特征，選擇總氮（TN）、總磷（TP）作為水質指標，水質測試參照GB3838 - 2002 《地表水環境質量標準》，TN 采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB11894 -89），TP采用鉬酸銨分光光度計測定（GB11893 - 89）。

2.2 因子選取

選取景觀多樣性指數（SHDI）、蔓延度指數（CON）、最大形狀指數（LSI）、邊界密度（ED）、最大斑塊指數（LPI）、斑塊密度（PD）并在Fragstats4.2軟件計算。利用2015年8月美國陸地衛星 Landsat8遙感影像解譯獲得于橋水庫流域土地利用數據，將流域土地利用類型劃分為林地、城鎮居民用地、園地、裸地、灌草地和耕地6種類型[4]。計算不透水面，本文以2013 年流域路網0.5 km 的范圍內做緩沖區，采用情景分析法，提取路網緩沖區不透水面的變化情況。采用光譜混合分析（ SMA） 計算混合像元中不同地類的組成比例，將空間數據進行疊加歸一化后最終得到不透水表面指數（ ISA） ，并且對ISA數值區間采用密度分割，按ISA 數值大小分為1～ 9 個等級[8]。

3 結果與討論

3.1 水質指標變化的主導因素分析

由冗余分析中RDA線性排序可知（圖2），不透水面指數（ISA）、城鎮比例（Red%）、裸地比例（Bare%）、耕地比例（Cul%）、蔓延度指數（CONTAG）與水質指標呈正相關，與TN、TP夾角小于90°;林地比例（For%）、草地比例（Gra%）與水質指標呈負相關，與TN、TP的夾角大于90度°。Red%、For%作為流域內占比較大的土地利用類型，對氮磷的輸出有著很大的影響，Tu等和Chen等在研究流域水質影響中證明了這一點。其中ISA與Red%對水質影響程度最大，箭頭長度最長（p<0.01），表明這兩個因子能更好地反映水質的輸出。居民活動區產生的污染物隨著不透水面排放到河流中，使河流氮磷富集。

3.2 顯著因子對水質影響的空間分異

選取ISA、Red%分別與TN、TP構建的地理加權回歸模型（圖3），模型由回歸系數可知，ISA和Red%對TN、TP的影響均為正相關，且回歸系數在空間上的分布存在異質性，回歸系數變化范圍從2.18變化到40.48，ISA、Red%對水質指標的影響程度隨空間位置變化而變化。

從回歸系數在空間上的分布可知，Red%與TN構建的GWR模型回歸系數變化范圍為6.46到15.93，影響大的地方集中在城鎮化程度較高的地區（系數大于12.58）;Red%與TP構建的GWR模型回歸系數變化范圍為2.17到3.13，影響大的地方同樣集中在城鎮化程度較高的地區（系數大于2.62）。且Red%對TN影響的回歸系數在空間的變化大于TP，對TN的影響的空間異質性較強。城鎮較為集中的區域人類活動密集，畜禽廢棄物及一些生活垃圾通常隨意堆放，易被帶入徑流中。

ISA與TN構建的GWR模型回歸系數從6.34變化到40.47，與TN 呈現正相關，ISA與TP構建的GWR模型回歸系數從2.49變化到7.10，與TP呈現正相關。近年來，于橋水庫流域不透水面面積沿子流域路網呈現“填充式”增長，流域路網增加帶來不透水面的快速擴展，在不透水面向山區擴展的過程中，不透水面的分布成為山區村鎮TN的主要因素。

4 結論

為控制河流氮磷污染，保護流域生態環境，本研究立足城鎮化發展較為迅速的區域—天津于橋水庫上游流域，對區內河流氮磷流失進行分析，并基于冗余分析，探測了景觀格局對氮磷流失的驅動力。不透水面指數（ISA）、城鎮比例（Red%）對水質指標影響較為顯著。Red%、ISA對TN、TP影響存在空間差異，城鎮的分布對TN、TP影響顯著，流域城鎮化的發展，已然成為河流氮磷污染輸出的主要因素。分析不同子流域在不同時期氮磷的主要影響因素能幫助我們更好地因地制宜，因時制宜，更有效地控制流域點源、非點源污染，從而改善水質環境。

參考文獻

[1]陳利頂，傅伯杰，張淑榮，等.異質景觀中非點源污染動態變化比較研究[J].生態學報，2002（06）：808-816.

[2]陳強，朱慧敏，何溶，等.基于地理加權回歸模型評估土地利用對地表水質的影響[J].環境科學學報，2015（05）：1571-1580.

[3]韓黎陽，黃志霖，肖文發，等.三峽庫區蘭陵溪小流域土地利用及景觀格局對氮磷輸出的影響[J].環境科學，2014（03）：1091-1097.

[4]張亞娟，李崇巍，胡蓓蓓，等.城鎮化流域“源-匯”景觀格局對河流氮磷空間分異的影響——以天津于橋水庫流域為例[J].生態學報，2017（07）：2437-2446.

[5]XuQ，DongY，WangY，etal.DeterminantsandidentificationofthenorthernboundaryofChinastropicalzone[J].JournalofGeographicalSciences，2018，28（1）：31-45.

[6]TuJ.SpatialVariationsintheRelationshipsbetweenLandUseandWaterQualityacrossanUrbanizationGradientintheWatershedsofNorthernGeorgia，USA[J].EnvironmentalManagement，2013，51（1）：1-17.

[7]ChenQ，MeiK，DahlgrenRA，etal.Impactsoflanduseandpopulationdensityonseasonalsurfacewaterqualityusingamodifiedgeographicallyweightedregression[J].ScienceofTheTotalEnvironment，2016，572：450-466.

[8]謝慧君，李崇巍，張亞娟，等.城鎮化過程中流域不透水面演變格局——以天津于橋水庫流域為例[J].應用生態學報，2016（04）：1069-1076.

收稿日期：2019-05-16

作者簡介：張海艷（1994-），女，漢族，研究生二年級，研究方向為景觀生態學。