不同地貌條件下景觀對河流水質的影響差異

康文華,蔡 宏,林國敏,吳愈鋒,王躍躍

貴州大學礦業學院,貴陽 550000

河流作為地表景觀的重要組成類型,其水質受到流域地表景觀的重要影響[1]。對河流水質造成污染的類型主要有點源污染和非點源污染,在許多地方點源污染得到有效控制的情況下,非點源污染成為影響河流水質的重要原因之一,流域內地表景觀變化會影響該區域的生態功能和入河污染物的排放量及種類,是影響河流水質安全的主導因素[2]。景觀空間格局包括景觀要素的組成及空間配置,從景觀生態學角度探討地表景觀與河流水質的相關關系,主要是以景觀組成面積百分比及景觀格局指數為指標,分析其與河流水體污染物濃度指數的關系[3]。近年來,建立景觀指數與流域水質量化關系的研究不斷增多,如利用景觀分析方法計算景觀格局指數、選取合適的景觀格局特征、分析景觀格局指數與水質的關系等[4- 5]。國內外學者對于不同空間尺度下景觀與水質的關聯性的研究,主要從集水區[6]、子流域[7- 9]、緩沖區[10-13]等尺度來研究兩者之間的相關性以及尺度效應和距離效應。

作為自然環境條件之一的地貌,對地表的光、熱、水、風等自然資源進行了重新分配,在一定區域范圍內制約著氣候、土壤和生物等自然條件的空間差異,對地表景觀的方向和布局有重要影響[14]。Ding等[15]以廣東省東江河流域為研究區,將研究區劃分為山區流域和平原流域兩組不同的地貌組,探究東江河流域多尺度、不同地貌的景觀格局對子流域水質的影響,結果表明,在水質方面,與山區流域相比,平原流域的溶解氧值較低,但水溫,電導率,高錳酸鹽,總磷,總氮,氨氮,硝酸氮和葉綠素a值較高。與Ⅲ級標準濃度相比,平原流域的溶解氧(DO),高錳酸鹽(CODMn),總磷(TP)和氨氮(NH3-N)超標率遠高于山區流域,說明平原流域存在潛在的營養污染風險。相關性研究表明,在山區流域,農田、果園和草地斑塊密度與河流水質有關；而在平原流域,河流水質則與城市用地最大斑塊指數有關。說明由于不同地貌區景觀的差異,景觀對河流水質的影響也存在差異。

赤水河流域中上游為典型的喀斯特地貌,其高山峽谷縱橫交錯,地物斑塊破碎,地表起伏大；下游為非喀斯特地貌,其緩坡緩丘、低山分布廣泛,地表起伏較小。流域上游茅臺鎮以上水質較好,其余河段水質較差,赤水河入長江斷面縫魚溪河段的水質己經超過Ⅲ類標準,主要超標污染因子為氨氮[16]。國內外對于不同地貌區地表景觀特征對河流水質的影響差異研究還相對較少,本文以赤水河流域為研究區,通過Spearman秩相關分析和冗余分析,探究不同地貌條件、不同空間尺度下地表景觀對河流水質的影響差異,為赤水河流域水污染控制和管理提供借鑒。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況與地貌特征

赤水河是長江上游南岸較大的一級支流,源于云南省北部鎮雄縣,沿川黔邊界流至貴州茅臺鎮后,納桐梓河、古藺河至赤水市,至四川省合江縣與習水河相匯合后注入長江,以紅軍“四渡赤水”而聞名于世,又以出產“國酒茅臺”而享譽中外。赤水河流域跨越云、貴、川三省,經緯度范圍在104°44′—106°59′E,緯度在27°14′—28°50′N之間,研究區涉及7個主要縣(市)行政區(圖1),總面積為1.96×104km2。氣候類型屬大陸性氣候,冬干寒、夏熱濕,最高氣溫39℃,最低-5℃,平均氣溫15—20℃,下游夏季炎熱、冬季溫和。中上游高原區年降雨900—1000 mm,下游丘陵區年降雨1000—1500 mm,雨季早,多集中在6—9月,占全年降雨量的70%左右。

圖1 研究區位置與地貌圖Fig.1 Location of study area and landform map

根據地質地貌特征(圖1),將赤水河流域劃分為喀斯特地貌區(主要以碳酸鹽巖為主)和非喀斯特地貌區(主要以碎屑巖為主)。自云南省鎮雄縣至貴州省習水縣為流域中上游地區,屬于喀斯特地貌,占總面積的73.72%；習水縣以下至四川省合江縣為下游地區,屬于非喀斯特地貌,占總面積的26.28%。中上游地區處于云貴高原及其斜坡地帶,為高原、山地地區,巖石為三疊系石灰巖,紅色砂巖、沙頁巖,地勢西南高東北低,高程在200—1890 m之間,河谷狹窄,峰叢、洼地、落水洞、暗河發育完整,部分地區巖溶發育。下游地區兩岸丘陵起伏,沿江河谷平原十分寬闊,東南部有少量山地,巖石主要為碎屑巖、泥巖。流域內的景觀組成以林地、灌草、水體、建設用地和耕地(包括水田和旱地)為主,未利用地相對較少。

1.2 數據來源及數據處理

1.2.1子流域的劃分及空間尺度的建立

以30米的數字高程模型(DEM)為基礎,利用ArcGIS 10.2水文分析模塊,經過DEM洼地填充、河流流向分析、河網提取、流域分割等過程,最后合并生成29個子流域。根據地貌特征,將29個子流域分為兩組,其中喀斯特地貌組為18個,非喀斯特地貌組為11個。對于河岸帶緩沖區,Zhou等[17]發現,100 m范圍內的景觀結構就可以預測河流的水質狀況；而對于圓形緩沖區,Peng等[18]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的效果。因此,本文構建赤水河流域29條主要支流的緩沖區尺度,在所有采樣點上方延伸至整個上游向兩岸劃分100 m的河岸帶緩沖區尺度；以采樣點上游500 m為地理中心,建立500 m圓形緩沖區尺度。

1.2.2地表景觀組成

選取2016年7月美國陸地衛星Landsat 8-OLI所獲取的多波段掃描影像為實驗數據,軌道號為127/40、127/41、128/40和128/41共四景影像。以Landsat 8-OLI的第2—7波段為實驗數據,利用ENVI 5.4對研究區影像進行大氣校正、輻射定標、幾何校正、圖像增強及裁剪等預處理；參照我國現有《土地利用現狀分類標準》(GBT 21010—2007)的同時,結合研究區實際情況,將赤水河流域地表景觀分為6類,即水體、林地、灌草、建設用地、耕地(包括水田和旱地)和未利用地。依據《中華人民共和國水土保持法》中規定,禁止在25度以上陡坡地開墾種植農作物,因為在25度以上陡坡地開墾會造成嚴重的水土流失。碳酸鹽巖地區大于25度的陡坡地占該地區總面積的30.8%,碎屑巖地區陡坡地僅占該地區總面積的13.3%。因此將碳酸鹽巖地區的林地、灌草和耕地分為坡林地(>25度林地)、坡灌草(>25度灌草)、坡耕坡(>25度耕地)以及非坡林地(0—25度林地)、非坡灌草(0—25度灌草)、非坡耕地(0—25度耕地),碎屑巖地區景觀不區分,分類結果見圖2。

圖2 赤水河流域景觀組成空間分布和本研究使用的3種空間尺度示意圖Fig.2 Spatial distribution of Landscape Compositionin the Chishui River Basin and three spatial scales used in this study

1.2.3水質數據

式中,ni是超過III標準值的采樣點數；Ni是總采樣點數。

1.2.4景觀格局指標

景觀格局指數是指那些能夠高度濃縮景觀格局信息,反映其結構組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標,是反映景觀格局的重要參數。在研究區各空間尺度上,利用 Fragstats 4.5軟件計算景觀水平和類型水平上的景觀指數,優先選擇經文獻研究證明對河流水質影響較大的景觀變量[5,7]],所選擇的景觀指數包括斑塊數目(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、邊界密度(ED)、平均斑塊面積(MPS)、聚集度指數(CONTAG)、多樣性指數(SHDI)和均勻度指數(SHEI)。各景觀指數及含義見表1。

表1 景觀格局指數及其含義

斑塊數目(NP)：Number of Patches；斑塊密度(PD)：Patch Density；最大斑塊指數(LPI)：Largest Patch Index；邊界密度(ED)：Edge Density；平均斑塊面積(MPS)：Mean Patch Size；聚集度指數(CONTAG)：Contagion Index；香濃多樣性指數(SHDI)：Shannon′s Diversity Index；香濃均勻度指數(SHEI)：Shannon′s Evenness Index

1.3 數理統計分析

分別計算兩組地貌區在不同空間尺度(圖2)上的景觀組成面積百分比,結果如圖3所示。利用SPSS 21.0分別對3種空間尺度下的景觀和河流水質指標進行相關分析,由于個別景觀不滿足正態分布,因此采用Spearman秩相關分析。再利用冗余分析方法(Redundancy Analysis,RDA),該方法既可以揭示單個景觀變量對河流水質變化的貢獻率,又可以用二維排序圖直觀展示景觀指數與水質參數之間的關系[21]。

2 研究結果

2.1 流域內的不同空間尺度景觀組成差異

由圖3統計可得,不同地貌區,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。在碳酸鹽巖地區和碎屑巖地區的子流域尺度上,景觀組成面積百分比均表現為總林地>總灌草>總耕地>建設用地；而在碳酸鹽巖地區河岸帶尺度上,總灌草>總林地>總耕地>建設用地；在碎屑巖地區河岸帶尺度上,總林地>總灌草>建設用地>總耕地；在碳酸鹽巖地區圓形緩沖區尺度上,總灌草>總林地>總耕地>建設用地；在碎屑巖地區圓形緩沖區尺度上,總林地>總灌草>建設用地>總耕地。

圖3 不同地貌區、不同空間尺度下的景觀組成面積比例Fig.3 Proportion of composition area in different geomorphic regions and different spatial scales

2.2 流域內水質指標差異

表2 赤水河流域子流域水質特征的描述性統計

DO(溶解氧)：Dissolved oxygen；PH(酸堿度)：Potential of Hydrogen；EC(電導率):Conductivity;TN(總氮)：Total Nitrogen；TP(總磷)：Total Phosphorus

考慮赤水河流域水環境的主要污染因子,選取DO、EC、TN和TP作為關鍵水質數據進行下一步討論。

2.3 景觀組成與水質指標的秩相關分析

所選取的4個水質指標和3種不同空間尺度下的景觀組成面積百分比為變量,分別對不同地貌區的景觀組成面積百分比與水質指標進行Spearman秩相關分析,結果如表3所示。

表3 不同地貌條件下景觀組成與水質相關性

*表示在0.05水平顯著相關；**表示在0.01水平上顯著相關

由表3可知,在碳酸鹽巖地區,建設用地和總耕地在子流域尺度上與TN呈顯著正相關；坡耕地在河岸帶尺度上與TN呈顯著正相關；坡林地與TN呈負相關,但相關性不顯著；總耕地與DO呈顯著負相關；總林地與DO在子流域尺度上呈顯著正相關；灌草與水質的關系比較復雜,一方面,總灌草在子流域尺度上與DO呈顯著負相關；另一方面,在圓形緩沖區尺度上與TN呈顯著負相關。在碎屑巖地區,景觀組成主要與EC表現出強相關性。建設用地、總耕地與EC呈顯著正相關；總林地與EC顯著負相關。其他水質指標與景觀組成相關性不顯著。

2.4 景觀格局與水質指標的秩相關分析

流域內不同地貌區的景觀格局指數與水質指標的Spearman秩相關分析如表4所示。

表4 不同地貌條件下景觀格局與水質相關性

*表示在0.05水平顯著相關；**表示在0.01水平上顯著相關

由表4可知,在兩個地區,TN、TP與景觀格局均未表現出顯著相關性。在碳酸鹽巖地區DO與PD呈顯著負相關,與MPS呈顯著正相關；EC與NP、PD、ED呈顯著負相關,與MPS呈顯著正相關。在碎屑巖地區,水質指標僅EC與景觀格局表現出顯著相關性。在子流域和河岸帶尺度上,EC與PD、ED、SHDI和SHEI顯著正相關,與MPS、CONTAG顯著負相關。

2.5 景觀組成與水質的冗余分析

為探究水質參數受景觀因素的影響程度,以29個采樣點3種空間尺度為樣本, 分別對不同地貌組的兩組變量進行冗余分析,探究不同地貌區景觀組成對水質影響的尺度差異,結果如圖4所示；計算景觀組成對水質變化的解釋能力,結果如表5所示。通過對水質參數的DCA(去趨對應分析)分析和梯度計算,選擇RDA線性模型進行冗余分析。景觀類型箭頭方向與水質指標方向夾角的余弦代表兩者的相關程度,當景觀類型與水質指標之間的箭頭夾角小于90度,兩者之間為正相關；夾角等于90度,兩者不相關；夾角大于90度,兩者之間為負相關。

表5 冗余分析各排序軸的解釋率

由表5可知,在碳酸鹽巖地區及碎屑巖地區,景觀組成對河流水質影響的空間尺度均為河岸帶>子流域>圓形緩沖區。在碳酸鹽巖地區河岸帶尺度下,景觀組成百分比對河流水質的總解釋率為53.4%；在碎屑巖地區河岸帶尺度下,景觀組成百分比對河流水質的總解釋率為59.1%,且在其他兩種空間尺度上,碎屑巖地區景觀組成百分比對河流水質的解釋率均高于碳酸鹽巖地區。

圖4 不同地貌區景觀組成與河流水質關系的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis between landscape and river water quality in different geomorphic regions首位的X、a、b分別代表3種不同空間尺度子流域、河岸帶100米緩沖區和500米圓形緩沖區；第二位的1、2、3、4、5、6、7分別代表景觀組成,分別為建設用地、總耕地、坡耕地、總灌草、坡灌草、總林地、坡林地；溶解氧(Dissolved Oxygen)；電導率(Conductivity)；總氮(Total Nitrogen)；總磷(Total Phosphorus)

水質指標在前兩軸的分布表明了水質指標變化受景觀梯度變化的影響情況,相距較近的水質指標對景觀梯度變化有相似的響應[22]。由RAD圖可以看出,碳酸鹽巖地區,DO、EC位于第二象限,TN、TP位于第三象限,其中TN貼近于第一排序軸；碎屑巖地區,DO、EC位于第四象限,TN位于第一象限,TP位于第二象限,EC貼近于第一排序軸,TP貼近于第二排序軸。圖4的結果與表3中景觀組成與水質指標相關性一致。此外,排序圖中景觀類型箭頭的長度表示各景觀對水質指標的影響程度,箭頭越長影響程度越大。由RDA圖可以看出,碳酸鹽巖地區,a2、b7對水質的影響程度較其他空間尺度的景觀組成高,X5、b6對水質的影響程度最低；碎屑巖地區,X6、a6對水質的影響程度較其他空間尺度的景觀組成高,b2對水質的影響程度最低。

2.6 景觀格局與水質的冗余分析

對流域不同地貌區的景觀格局指數與水質參數在不同空間尺度下進行冗余分析,探究不同地貌區景觀格局對水質影響的尺度差異,結果如圖5所示；計算景觀格局對水質變化的解釋能力,結果如表6所示。

表6 冗余分析各排序軸的解釋率

由表6可知,在碳酸鹽巖地區,景觀格局對河流水質影響的空間尺度為河岸帶尺度>子流域尺度>圓形緩沖區尺度,河岸帶尺度下景觀格局對河流水質的總解釋率最大,為62.9%；在碎屑巖地區,景觀格局對河流水質影響的空間尺度為圓形緩沖區>河岸帶>子流域,圓形緩沖區尺度下景觀格局對河流水質的總解釋率最大,為82.4%；整體上,在碎屑巖地區3個空間尺度下,景觀格局對河流水質的解釋率高于碳酸鹽巖地區。

圖5 不同地貌區景觀格局與河流水質關系的冗余分析Fig.5 Redundancy analysis between Landscape Pattern and river water quality in different geomorphic regions首位的X、a、b分別代表3種不同空間尺度子流域、河岸帶100m緩沖區和500m圓形緩沖區；第二位的1、2、3、4、5、6、7、8分別代表景觀類型,分別為斑塊數目(Number of Patches)；斑塊密度(Patch Density)；最大斑塊指數(Largest Patch Index)：邊界密度(Edge Density)；平均斑塊面積(Mean Patch Size)；聚集度指數(Contagion Index)；香濃多樣性指數(Shannon′s Diversity Index)；香濃均勻度指數(Shannon′s Evenness Index)

由RAD圖可以看出,圖5的結果與表4中景觀格局指數與水質指標相關性一致。碳酸鹽巖地區,a2、a5對水質的影響程度較其他空間尺度的景觀格局指數高,X3對水質的影響程度最低；碎屑巖地區,X6、X7對水質的影響程度較其他空間尺度的景觀格局指數高,a3對水質的影響程度最低。

3 討論

(1)通過Spearman秩相關分析和RDA排序圖可知,建設用地、總耕地與TN、TP呈正相關,是河流水質污染的主要來源,且在碳酸鹽巖地區子流域尺度上與TN呈顯著正相關,表明建設用地面積越大,排入河流的非點源污染物越多,水質越差；而耕地由于使用的化肥、農藥通過地表徑流進入河流,使水質惡化,體現了其“源”的作用。在碳酸鹽巖地區建設用地、耕地面積比重大,建設用地及耕地面積增加,降雨時污染物迅速進入河流造成污染,碎屑巖地區污染源以建設用地景觀為主,耕地面積比重小,且該地區地形起伏較小,水土流失程度較低,污染物較少進入河流,對河流水質的影響不顯著。因此該地區管理重點在于控制居民生活污染物及種養殖業污染物的排放,并建設污水處理廠集中處理污水。坡耕地在河岸帶尺度上與TN呈顯著正相關,是由于碳酸鹽巖地區多山地,地形起伏大、坡度大,污染物的遷移速度快,加上豐水期雨水對地表的沖刷將氮元素帶至河流中,加速對河流水質的污染；坡林地與TN呈負相關,具有凈化水質的作用,因此應禁止在坡度大于25度的地區開墾,實行退耕還林政策。在碳酸鹽巖地區河岸帶尺度上,總耕地與DO呈顯著負相關,與王瑤等[23]研究結果相同,隨著耕地面積的增加,DO值會降低,與該地區的耕作方式有關。總林地與DO在碳酸鹽巖地區子流域尺度上呈顯著正相關,林地面積的增加對水質的改善有重要作用,體現其“匯”的作用。灌草與水質的關系比較復雜,對水質的影響具有不確定性,在碳酸鹽巖地區總灌草大體上與TN、TP呈負相關,起“匯”的作用,在碎屑巖地區與TN、TP呈正相關,起“源”的作用,可能與灌草在不同地貌區所占比重有關,在碳酸鹽巖地區灌草所占比重較大,與林地具有相同的功能；在碎屑巖地區,灌草所占面積比重小,林地對水質的正面影響掩蓋了灌草對TN、TP的吸收、截留功能。因此,在碳酸鹽巖地區應重視水源涵養區林草地面積比重的增加,防止水源涵養地區林草地被建設用地或耕地占用,持續開展林耕過渡區退耕還林工作；在碎屑巖地區應增加林地的面積比重。EC值反映了水中溶解性總固體含量,EC值越大,表明水中雜質越多,水質純凈度越低。建設用地、總耕地與EC呈顯著正相關,總林地與EC顯著負相關,表明人為的耕作活動及生活生產中污染物的排放對河流水質的影響大,而林地作為“匯”景觀,對進入河流的顆粒具有截留作用,與于磊等[24]研究一致。

(2)在碳酸鹽巖地區,TN、TP大體上與NP、PD呈正相關,與MPS、CONTAG呈負相關,表明景觀破碎度越大,水質越差；DO與PD呈顯著負相關,與MPS呈顯著正相關,表明地物越聚合,越有利于溶解氧的聚集,對河流水質越好。故應在該地區提升耕地分布的蔓延度,增強其連通性,使得耕地連片化,實施重點防治；降低建設用地的蔓延度、斑塊密度,分散于林地、耕地空隙地帶。LPI與TN、TP呈正相關,可能與該地區內最大斑塊類型有關,該地區最大斑塊類型為林地,受人類的干擾程度低,水質越好。SHDI是表征景觀類型的豐富度指標,值越大景觀多樣性越豐富,異質性越高。在子流域尺度上,SHDI與TN、TP呈正相關,表明在該尺度上,人類干擾程度大,林地等“匯”景觀被分割成較小的斑塊,不能吸收截留污染物,導致水質惡化,與吉冬青等[21]研究一致,因此在增加該地區林地面積比重的同時,應加強林地的聚集度和連通性,使林地連片化。EC與NP、PD、ED呈顯著負相關,與MPS呈顯著正相關,造成這種結果的原因可能在于,在該地區灌草起到“匯”的作用,能夠吸附巖石顆粒,使EC減小。

在碎屑巖地區,LPI與TN、TP呈負相關,LPI越大,人類干擾程度越低,水質越好。MPS、CONTAG與EC呈負相關關系,MPS越小,景觀破碎程度越大；CONTAG反映的是景觀的分離與散布程度,高蔓延度值說明景觀中的某種優勢斑塊類型形成了良好的連接性,受人類活動討的干擾越小,越有利于對污染物的固定和截留,與李艷利等[25]研究一致。在子流域和河岸帶尺度上,EC與PD、ED、SHDI和SHEI顯著正相關,與MPS、CONTAG顯著負相關。人類活動越強烈、對地表干擾程度越大,景觀越破碎、景觀多樣性越豐富,EC就越大。

(3)從許多研究結果看,研究尺度對景觀與水質間的關系具有不確定性,但普遍認為其對研究結果存在較為明顯的影響。趙鵬等[22]和張殷俊等[26]的研究結果認為大尺度景觀對水質的影響強于小尺度,而本研究則表現為在碳酸鹽巖地區和碎屑巖地區,河岸帶尺度景觀組成對水質變化的影響最大,造成這種現象的原因主要是流域人為干擾嚴重。在上游地區以工農業為主,河岸帶尺度上建設用地和耕地所占面積比重大；在中下游地區,至仁懷市以下主要以旅游業為主,河岸區多開發為娛樂休憩場所,人類活動影響較大,自然植被少,河岸帶作為天然屏障對非點源污染所起到的作用不能體現出來。

4 結論

本文以赤水河流域為研究對象,結合實地調研及野外采樣,通過Spearman秩相關分析和RDA分析,探究不同地貌區景觀特征對河流水質的影響差異,結果表明：

(1)流域內景觀組成以林地和灌草為主,建設用地和耕地次之,未利用地最少,景觀組成在不同地貌區各空間尺度上存在差異。建設用地和耕地對水質具有負面的影響,是河流水質污染的主要來源,且在碳酸鹽巖地區,其對水質的影響比碎屑巖地區大；林地與水質呈負相關,對水質具有正面的影響；灌草對水質的影響相對復雜,具有不確定性,與其在兩個地區所占的面積比重有關。

(2)流域內水質表現為碳酸鹽巖地區優于碎屑巖地區。景觀破碎化指數與TN、TP呈正相關,是水質變化的重要影響因素; 景觀聚集度指數與DO呈正相關,景觀越聚集水質越好。景觀破碎化指數和景觀聚集度指數與EC的關系在兩個地區呈相反的結果。

(3)不同地貌區不同空間尺度上景觀特征對河流水質具有不同程度的影響,景觀組成對河流水質解釋能力最大空間尺度在兩個地貌區均為河岸帶尺度,解釋率分別為53.4%和59.1%；景觀格局對河流水質解釋能力最大的空間尺度在碳酸鹽巖地區為河岸帶尺度,解釋率為62.9%,在碎屑巖地區為圓形緩沖區尺度,解釋率為82.4%。