東江流域景觀格局對氮、磷輸出的影響

呂樂婷,高曉琴,劉 琦,江 源,*

1 遼寧師范大學 地理科學學院, 大連 116029 2 北京師范大學 地理科學學部, 北京 100875

景觀格局包括景觀要素的組成和空間配置,通過影響生態過程對流域產生作用。景觀組成即不同的土地利用方式,其作為各種自然活動和社會活動的外在客觀表現,對流域水質有著重要的影響。不同的景觀空間配置會使污染物的發生、遷移和轉化等過程產生差異,從而影響河流水質。景觀特征與河流水質之間的關系非常復雜,景觀特征之間的相互作用和相互關系有很大的研究空間[1]。目前,景觀格局對河流水質的影響已經成為國內外河流生態領域關注的熱點方向之一[2]。

隨著地理信息技術和景觀生態學的發展,景觀-水質的研究已經從最初的簡單定性研究發展為結合各種水文、統計模型的定量研究[3]。劉怡娜等[4]研究發現：長江流域農田和城鎮面積百分比分別與生態系統水質凈化服務存在顯著對數關系。王杰等[5]采用相關分析法、冗余分析法研究了丹江上游景觀格局與水質的關系,發現耕地強烈影響著水質變化,林地對水質有顯著的正效應。此外,許多學者[6- 8]認同河流水質受到空間尺度不同的影響,但是如何對空間尺度進行界定目前還沒有統一的標準。

張勇榮等[9]在對筑壩河流域的研究中發現：子流域、河流緩沖區及監測點圓形緩沖區三種空間尺度中,河流緩沖區和子流域尺度相關規律基本一致,但與圓形緩沖區尺度相關規律差異較大。方娜等[10]在對鄱陽湖濕地水質的研究中發現:緩沖區尺度的土地利用方式對水質的解釋度高于小流域尺度。許多研究[3,11]表明,不同空間尺度差異對景觀-水質關系的表現不同。

除了空間尺度,景觀格局在不同季節和時間對水質影響有所差異。Li等[12]建立了我國洞庭湖典型的農業集約小流域景觀特征與水質的關系模型,發現在夏季和冬季,景觀指標對水質的解釋量高于春季和秋季。歐洋等[3]在對密云水庫上游流域的研究中發現：雨季前景觀對水質的影響最弱,雨季中景觀對水質的解釋能力最強,雨季后景觀對水質的影響減弱。目前,景觀-水質研究大多采用空間分析、相關分析、多元回歸分析、冗余分析和方差分析等方法對不同季節、不同空間尺度(集水區、子流域、緩沖區等)下流域水質與景觀關系進行探究[13- 15]。

東江是珠江支流,流域中下游地段是我國東南沿海地區快速城市化的代表性區域之一[16]。近年來,城市化導致流域內景觀發生了劇烈的變化,對生態環境影響深遠。本文以東江流域為主要研究對象,結合實地采樣測得的氮磷數據,運用ArcGIS水文分析、相關分析和冗余分析等方法,探究景觀組成和格局與流域水質之間的關系,以集水區和緩沖區兩種空間尺度為基礎,探究景觀格局與水質關系,辨析不同時間和空間尺度下流域景觀格局對氮磷輸出的影響,明確景觀格局在影響東江流域水質中的主導因子,結果可為東江流域的科學治理提供建議。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

東江流域位于珠江三角洲東北端,它是深圳、香港、廣東等一線城市的供水源地。東江發源于江西省尋烏縣境內,自東北向西南流入珠江。流經龍川、河源、紫金、惠陽、博羅、東莞等縣市,干流總長563 km,流域總面積35340 km2。流域地勢北高南低,北部和中部為丘陵山地,南部為三角洲、低洼地和沿海平原(圖1)。流域內上游多林地,山地平原多分布在中下游。東江流域屬于亞熱帶季風氣候,年平均氣溫21℃,年平均降水量約1750 mm,降水季節分布不均勻,主要集中在4—9月。流域植被以亞熱帶常綠闊葉林為主,農作物中北部以一年兩熟或三熟水旱輪作為主,南部以一年三熟糧食作物為主。

1.2 數據來源及處理

本研究所用水質數據來自于2017年3月(平水期)和7月(豐水期)對70個水質樣點的實地采集,水樣采集完成后低溫保存并迅速運回實驗室進行參數分析。采用紫外分光法(UV2800)對總氮(WTN,water total nitrogen)進行測定,采用鉬睇抗分光光度法(UNICO2100)對總磷(WTP,water total phosphorus)進行測定,每個指標測定3次后取平均值。

土地利用數據基于2015年Landsat TM/ETM影像,來源于中國科學院國際科學數據服務平臺(http://www.cnic.cn/zcfw/sjfw/gjkxsjjx/),分辨率為30 m,經解譯,將土地利用分為耕地、林地、草地、城鎮、水域、未利用地6種類型(圖2)。本研究所采用的數字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)數據來源于美國地質調查局網站(http://glovis.usgs.gov/),分辨率為30 m。水系數據采用國家基礎地理信息中心(http://www.ngcc.cn/ngcc/html/1/index.html)提供的1:250000水系矢量圖層。

圖2 東江流域土地利用概況Fig.2 Land use types of the Dongjiang River Basin

本研究采用ArcGIS的水文分析工具對各采樣點的集水區進行嵌套式劃分,利用buffer工具,提取河岸兩側寬500 m,長度覆蓋樣點上游河流范圍的河岸緩沖區。結合土地利用數據,提取各樣點集水區及緩沖區的土地利用數據,導入Fragstats軟件計算其景觀指數。

1.3 研究方法

1.3.1景觀指數的選取

結合前人對東江流域的研究以及該流域的實際情況[17- 22],本文從景觀水平和斑塊類型水平兩個方面選取了斑塊密度(Patch Density,PD)、景觀分裂指數(Landscape Division Index,DIVISION)、邊緣密度(Edge Density,ED)、蔓延度指數(Contagion,CONTAG)、最大斑塊指數(Largest Patch Index,LPI)、相似鄰近比例(Percentage of Like Adjacencies,PLADJ)、散布與并列指數(Interspersion & Juxtaposition Index,IJI)、香濃多樣性指數(Shannon′s Diversity Index,SHDI)等8個指標。

1.3.2分析方法

本研究采用Pearson相關分析和冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)探索景觀格局與氮、磷輸出的關系。其中相關分析可以確定變量之間的關系,常用相關系數|r|來反映變量之間相關關系的密切程度。冗余分析是一種回歸分析結合主成分分析的梯度排序分析方法,能夠從統計學角度評價一組變量與另一組多變量數據之間的關系。它能夠單獨解釋各個環境變量對水質變化的貢獻率,并能夠有效地對多個解釋變量進行統計檢驗。環境變量與水質參數之間的夾角大于90 °,呈負相關關系；小于90°,呈正相關關系；等于90°,則不存在關系。同時,線段長度反映了環境變量對水質影響程度的強弱[23]。

2 結果與分析

2.1 景觀格局與水質相關分析結果

對兩次采樣水質總氮(WTN, water total nitrogen)、總磷(WTP, water total phosphoru)數據、景觀格局指數進行Pearson相關分析。結果如表1所示。

表1 不同時空尺度土地利用和景觀格局與氮、磷輸出的相關分析

在集水區：LPI、CONTAG與河流氮磷含量都表現出顯著負相關；IJI、DIVISION、SHDI與河流氮磷含量表現出顯著正相關。ED、PD與河流氮磷含量表現出正相關,PLADJ與河流氮磷含量表現出負相關,但它們都與7月份總磷相關性不顯著。從土地利用角度來看：林地與河流氮磷含量表現出強負相關,城鎮和水域與河流氮磷含量呈強正相關。未利用地在3月份與河流氮磷含量正相關,7月份相關性不顯著。耕地與河流氮磷含量正相關、草地與河流氮磷含量負相關,但相關性都很微弱。

在緩沖區：土地利用對河流水質的影響比景觀格局強,3月份的影響比7月份顯著。CONTAG與河流氮磷含量顯著負相關,IJI與河流氮磷含量顯著正相關；PD、ED和SHDI等指標與3月份河流總氮含量顯著正相關,PLADJ與3月份河流總氮含量顯著負相關,但7月份的相關性都不顯著。LPI、DIVISION與河流水質相關性不顯著。從土地利用角度來看：林地、草地與河流水質呈顯著負相關,城鎮與河流水質顯著正相關,水域與河流水質表現出正相關關系,其中7月份水域與河流總氮含量無關,其余土地利用方式與河流水質相關性微弱。

總體上,景觀組成與格局對河流總氮含量的影響大于總磷。就相關系數|r|來看,大部分集水區的相關系數比緩沖區大,3月份的相關系數比7月份大。

2.2 景觀格局與水質冗余分析結果

本研究首先對各樣本的水質指標進行除趨勢對應分析(DCA分析),結果顯示所有排序軸中的最長梯度值為0.988(小于3.0),所以采用線性模型(RDA)[23]。樣本與景觀指數RDA分析結果如表2所示。

表2 土地利用、景觀格局對水質的解釋量

在集水區尺度,前兩個排序軸特征根為0.445和0.016。DIVISION和SHDI對氮磷含量變化的解釋量較高,分別為0.31和0.30；其次為LPI、ED、CONTAG、PLADJ、林地和城鎮；耕地、未利用地和草地對氮磷含量變化的解釋量最小,其值不足0.1。在緩沖區尺度,前兩個排序軸的特征根為0.415和0.026。林地和城鎮對氮磷含量變化的解釋量最高,分別為0.26和0.24；其次為CONTAG、IJI、SHDI、草地和水域,其解釋量在0.1以上；其余指標對氮磷含量變化的解釋量不足0.1。總體上來看,流域對氮磷含量變化的解釋量高于緩沖區,即流域尺度對氮磷含量變化的影響更大,這與相關分析所得出的結果一致。

圖3 集水區和緩沖區景觀格局與水質的RDA排序 Fig.3 Redundancy Analysis (RDA) ranking of land use and landscape patterns with water quality in catchment areas and buffer zonePD：斑塊密度,Patch Density；DIVISION：景觀分裂指數,Landscape Division Index；ED：邊緣密度Edge Density；CONTAG：蔓延度指數,Contagion；LPI：最大斑塊指數,Largest Patch Index；PLADJ：相似鄰近比例,Percentage of Like Adjacencies；IJI：散布與并列指數,Interspersion & Juxtaposition Index；SHDI：香濃多樣性指數,Shannon′s Diversity Index

RDA排序結果如圖3所示。在集水區,IJI、PD、SHDI、DIVISION、ED等景觀指數與總氮總磷含量呈正相關關系,LPI、PLADJ、CONTAG等景觀指數與總氮總磷含量呈負相關關系；耕地與氮磷含量關系不大,水域、城鎮與氮磷含量呈正相關關系。林地、草地與氮磷含量呈負相關關系。如圖3所示,在緩沖區,IJI、SHDI、PD、DIVISION、ED以及未利用地、水域、城鎮等指標與河流總氮總磷含量表現出強正相關；LPI、PLADJ、CONTAG和林地、草地等指標與河流總氮總磷含量表現出強負相關；耕地與氮磷含量的相關性不強。在兩組排序圖中都可以看出總氮的箭頭較長,且3月的箭頭比7月的長,表明土地利用及景觀指數對總氮的影響程度較大,且對3月份比7月份強。

3 討論

3.1 景觀組成與氮磷含量關系

在不同的時空尺度,東江流域河流氮磷含量與城鎮面積呈正相關關系,城鎮是河流氮磷的主要貢獻源。這與夏品華等[24]、羅璇等[25]等的研究結論一致。在東江流域,城鎮面積不斷增加且表現出集中化趨勢[22]。居民區、道路以及建設用地等不透水面的增加導致下滲減少,污染物直接進入河流；居民的生產、生活活動產生大量的污水未經處理排入水體；此外,居民區產生的各類垃圾得不到妥善處理,通過地表徑流沖刷進入河流,對水體造成污染,導致河道氮磷含量升高。

東江流域河流眾多,水域(包括灘涂、水庫、湖泊、基塘和溝渠等)分布廣泛。流域內養殖業數量多,排污量大。且流域內畜禽養殖業管理粗放,多采用水沖糞工藝,未配套污水處理設施。當某一水體受污染后就會隨水流擴展到周邊河網。此外,農村勞動力外出打工,造成基塘缺乏管理,水體富營養化[26],也加劇了水體中氮磷含量。因此水域面積與河道氮磷含量呈顯著正相關關系。劉旭攏等[27]的研究結果也證實了這一點。

在東江流域,河流氮磷含量與耕地之間沒有顯著的相關性。這與丁佼[17]、查智琴[28]、夏品華[24]等人研究結論相同。研究區渠網交錯,農業活動以水田為主。水田作為人工濕地,可以有效截留流域內氮磷物質[29],凈化水質。此外,各種土地利用類型在空間上具有消長關系,且研究區城市化水平高,人口稠密,經濟發達,城鎮點源污染嚴重,相比之下,耕地對河流水質的影響不顯著。

東江流域河流氮磷含量與林地、草地呈負相關關系。這與楊婭楠等[30]、王晶萍等[7]學者等的觀點一致。林地和草地都有涵養水源,保持水土的功效,對污染物起到吸附、滯留和過濾的作用,可以有效阻滯污染物向河流運輸。研究區位于我國東南部,草木茂盛,林地面積占比約70%左右,多分布在流域中上游且斑塊集中成片,連通性高,有利于對氮磷等污染物的截留和阻攔。

3.2 景觀格局與氮磷含量關系

東江流域氮磷污染受景觀整體性的影響。分析結果顯示,DIVISION和IJI這兩個指標都與河流總氮總磷含量呈正相關關系,這與宮殿林等[13]、蔡宏等[31]學者的研究結果一致。東江流域上游景觀分裂度低,中下游地區景觀分裂度高[22]。這是因為流域上游多山地丘陵,人類活動受限；中下游城市擴張迅速,經濟以高新技術產業為主,居民生產生活對基礎設施的需求大,導致對自然景觀的開發強度增加,景觀整體性受損,河流氮磷污染也隨之增加。

SHDI高值表明景觀多樣性豐富,ED與PD高值說明景觀破碎程度大。東江流域SHDI、ED與PD皆與河流總氮總磷含量呈正相關關系,意味著隨著人類活動干擾強度增加,河流氮磷污染加重。這與劉曉君等[32]、普軍偉等[33]、曹燦等[14]學者的研究結果一致。東江流域景觀多樣性呈上游小,下游大的趨勢,且高值區為經濟發達的城鎮地區[22]。這說明隨著快速城鎮化,為滿足需求,原有的自然景觀斑塊被割裂成若干多元小斑塊,景觀多樣性和破碎度增加。例如道路以及河道等基礎設施的修建；耕地、林地等轉移為建設用地,都會導致景觀破碎程度增加,連通度下降,河流氮磷污染也隨之加重。

反之,LPI值高意味著景觀整體性好,破碎度低,人類干擾活動少。這與吉冬青[34]等學者的研究結論一致。東江流域上游多山地丘陵,植被覆蓋度高,整體景觀格局較完整,最大斑塊指數較高,人類活動對自然環境的開發程度有限,氮磷污染輸出少；流域下游為三角洲和沿江平原,地形平坦,城市擴張迅速,最大斑塊值相對較低[22],人為因素對景觀的影響突出,氮磷污染輸出較多。因此,LPI在不同季節都與河流氮磷含量呈負相關關系。

CONTAG和PLADJ表示斑塊集聚程度和景觀面積比,這兩個指標在東江流域都與氮磷含量負相關。流域上游以林地為主,景觀團聚程度較好,斑塊連通性高,有助于對污染物質的截留和過濾。流域下游鄰近粵港澳大灣區,城市擴張迅速,對自然景觀的干擾性大,景觀破碎,異質性高,各斑塊分散且連通性差,導致氮磷輸出增加。這與徐建鋒等[35]的研究結果一致。

3.3 不同時空尺度下景觀格局與氮磷含量關系

本研究結果顯示：東江流域3月份河流氮磷含量與景觀指數的相關性比7月份高,即平水期高于豐水期,郭玉靜等[36]的研究也證實了這一結論。究其原因可能是由于豐水期降水多,沖刷能力強,河流流量和流速增加,污染物質停留時間短,各種植物的吸附過濾作用受到影響,且豐水期流量大,雨水對污染物質起到稀釋作用,使得污染物濃度降低。平水期降雨相對較少,匯流減少,工業廢水和生活污水長期穩定排放,其對氮磷輸出的貢獻凸顯。此時,河流流量、流速相對穩定,污染物在水體中維持時間較長。

在空間尺度,東江流域集水區景觀格局與河流氮磷含量的相關性更高,即流域尺度的景觀格局對河流氮磷污染的影響更大。此結論與張軍等[37]在對丹江流域的研究結果一致。另外,氮素受控于不同的土地利用方式上的人類活動,而磷的影響因素更復雜多樣,因此總氮含量與景觀指數的相關性要高于總磷,趙軍等[38]、Molinero等[39]的研究也得到了相同結論。

4 結論

本研究采用相關分析和冗余分析,對東江流域景觀格局與氮、磷輸出的關系進行了不同空間尺度和季節變化的研究,結論如下：

(1)城鎮、水域對河流氮磷污染有負面影響,其中城鎮是氮、磷輸出的主要來源。林地、草地面積對河流氮磷含量有正面影響。

(2)景觀破碎度、分離度與多樣性與河流氮磷輸出呈正相關關系,景觀聚散性與優勢度與河流氮磷輸出呈負相關關系。

(3)平水期河流氮磷含量與景觀格局的相關性強于豐水期；集水區尺度河流氮磷含量與景觀格局相關性高于緩沖區尺度；此外,總氮對景觀格局的響應比總磷更敏感。

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