南水北調中線水源區丹江口市域景觀格局變化及氮磷凈化能力

張 建,雷 剛,漆良華,,*

1 國際竹藤中心 國家林業和草原局/北京市共建竹藤科學與技術重點實驗室, 北京 100102 2 國際竹藤中心安徽太平試驗中心, 太平 245700

氮磷凈化能力是水質凈化功能的重要體現,對制定水源保護規劃,落實陸域-水域綜合保護,防治水體污染,保障區域用水安全具有重要意義[1-2]。丹江口庫區作為南水北調中線工程重要水源地,其水質狀況對工程具有舉足輕重的作用,不僅關系到庫區及沿線地區人民生活、生產用水安全,更影響著周邊地區社會和經濟的發展。

目前常用的水質評價方法有單因子法、綜合指數法、灰色評價法、水質指數法、多變量分析法等[3],這些方法多用來評價水質狀況,無法針對水質凈化功能進行評估。隨著3S等技術的發展,生態系統服務模型的建立與使用成為研究熱點,SWAT模型[4]、HSPF模型[5]和InVEST模型[6]等被開發利用。InVEST模型以其簡單、快速和強大的空間表達能力成為應用最廣泛的工具,該模型營養鹽輸送率(NDR)模塊專門用于模擬氮、磷出口的水質凈化功能研究,并已在世界許多地區得到應用。Goldstein等[7]研究了糧食作物、牧草情景及生物燃料等七種情境下對夏威夷島嶼水質凈化功能空間分異情況；王大尚等[8]利用InVEST模型對密云水庫上游流域氮磷水質凈化服務在內的諸多生態系統服務功能及居民福祉進行了定量評估和空間特征刻畫；吳瑞等[9]、韓會慶等[10]利用模型對官廳水庫、貴州省珠江流域氮、磷水質凈化功能開展研究。

水質凈化能力不僅受地形、地貌、降水等自然因素的影響,人類活動引起的景觀格局變化以及城鎮化集聚、農業生產等均會影響污染物的遷移和轉化,從而改變進入河流污染物的數量,對流域水質產生重要影響。研究表明景觀格局變化是影響水質凈化的關鍵因子[11-12],不同景觀要素如景觀類型、景觀面積及景觀特征均對水質凈化能力產生顯著影響[13-14]。趙鵬等[15]運用多變量分析方法,分析流域、河岸帶尺度的景觀組成和空間格局指數與水質的關系,結果表明流域尺度下景觀指數對水質影響較大；李昆等[16]利用3S技術和景觀格局指數以7種空間尺度的湖濱帶緩沖區為對象,研究景觀格局對洪湖水質變化的空間尺度效應；Oliverira[17]等選擇河岸緩沖區和專屬貢獻區,分析了景觀格局與五個選定水質指數之間的聯系；Rajaei[18]研究了塔簡河流域景觀格局與硝酸鹽等污染物的相關性,結果表明流域硝態氮與斑塊密度、景觀形態指數等景觀格局指數呈正相關。王瑛[19]研究了景觀格局與水環境變化的響應,發現通過人為措施合理改變景觀結構對控制面源污染具有顯著作用。因此,探討景觀格局與水質凈化能力的關系,對于揭示庫區景觀格局變化,合理規劃景觀減少面源污染的傳遞具有重要意義。

丹江口庫區是南水北調中線工程重要水源地,水環境狀況不僅威脅當地生態環境和用水安全,更直接關系到工程受水區的水量和水質。《丹江口匯水區土壤養分狀況及農作物施肥量調查研究報告(2015)》顯示,庫區污染源中農業面源污染占比高達70%,庫區坡耕地主要經濟作物柑橘為面源污染主要來源,化肥和農藥的不合理使用帶來較高的氮磷輸出,高強度集中降水帶來的水土流失成為面源污染遷移的重要載體,大量養分進入水體造成水質退化,由此產生的一系列生態問題為學者所關注。Wang等[20]研究了丹江口庫區景觀格局和土地利用變化對水生態時空變化的關系,但由于數據量較少,而未能準確反映生態系統服務的變化；張煦等[21]基于水質理化指標對丹江口庫區水質開展監測,得出農業污染是影響水質安全的重要因素,丁霞等[22]對庫區馬尾松林水源涵養價值進行了研究,缺乏水質時空動態變化。目前,該區景觀格局變化和氮磷凈化能力及二者關系的研究罕有報道。基于此,在縣域尺度上以丹江口市為研究區域,利用景觀格局指數和InVEST模型分析2003—2018年景觀格局變化和水質中氮磷凈化能力,并利用Pearson相關分析和RDA冗余分析研究二者的關系,探討引起氮磷凈化能力變化因素,以期為丹江口庫區水源水質保護提供科學依據。

1 研究區概況

丹江口市位于湖北省西北部、鄂豫兩省交界,是南水北調中線工程水源地,國家級重點生態功能區縣,素有“中國水都”之稱,水源區位于秦嶺巴山之間,漢江中上游,市跨32°14′10″—32°58′10″N,110°47′53″—110°34′47″E 之間；屬于北亞熱帶季風區的溫暖半濕潤氣候,四季分明,降水分布不均,年平均氣溫 15.9 ℃,年降水量約 800 mm,年蒸發量為1979.1 mm；河流以漢江為主,自西向東橫跨全境；土壤以黃棕壤和黃壤為主,成土母質由石灰巖、片麻巖等發育而成,質地疏松,地貌類型多以低山丘陵為主；庫區森林類型由人工林和次生林組成,馬尾松(Pinusmassoniana)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)、杉木(Cunninghamialanceolata)等廣泛分布；經濟以農林牧漁業發展為主,并廣泛種植柑橘(CitrusreticulataBlanco)。

2 研究方法

2.1 數據來源及處理

InVEST模型水質凈化模塊所需數據包括研究區土地利用/覆被圖、降水量、年潛在蒸散量、土壤深度、植物可利用含水量、DEM數據與流域及子流域、生物物理系數表、氮磷輸出負荷數據以及流域累積閾值等數據。土地利用/覆被圖通過遙感影像圖解譯得到,選擇2003年Landsat 7 ETM+、2008年Landsat- 5 TM、2013年和2018年Landsat 8 OLI_TIRS 影像,分辨率為30 m；在ENVI軟件中通過幾何校正、融合鑲嵌、裁剪處理,將研究區分為林地、耕地、園地、建設用地、水域和未利用地6類,見圖1。

降水數據通過中國氣象數據網獲得,對研究區域及周邊氣象站點進行克里金插值分析。年潛在蒸散發利用中國地面氣象觀測報告,收集研究區周邊4氣象站數據,運用Hargreaves方程[23]計算年潛在蒸發量。土壤深度根據森林資源二類調查結果,采用克里金插值得到模型所需柵格圖。植被可利用水含量可評估土壤為植被生長所儲蓄的總水量,也可確定田間持水量和萎蔫點的差值[24],計算公式選取周文佐等[25]所提出的 AWC模型進行估算,將計算的結果進行克里金插值得到模型所需柵格圖。

AWC=[54.509-0.132×SAN-0.003×SAN2-0.055×SIL-0.006×SIL2-0.738×CLA+0.007×CLA2-2.688×C+0.501×C2] ×100%

(1)

式中,SAN為土壤的沙粒含量(%)；SIL為土壤的粉粒含量(%)；CLA為土壤的黏粒含量(%)；C為土壤的有機質含量(%)。

DEM數據從地理空間數據云網站獲取,經鑲嵌、裁剪、填洼處理,使用水文分析工具和矢量數據生成流域和子流域,每一級流域賦予唯一數值。生物物理系數表和氮磷輸出負荷數據,參考丹江口庫區的調查和文獻[22, 26- 27]及InVEST 模型用戶指南獲得,相關參數見表1。

圖1 丹江口市土地利用/覆被圖Fig.1 Land use/cover map of Danjiangkou City

表1 氮磷輸出相關參數

2.2 氮磷凈化能力研究方法

InVEST 模型水質凈化模塊主要基于植被土壤可通過存儲、轉換的方式截留徑流中營養鹽污染物的機理,計算每個柵格中養分元素的量,TN、TP輸出量越高表明氮磷凈化能力越低,其主要算法：

ALVx=HSSx×polx

(2)

式中,ALVx是像素x的調整負荷值,HSSx是像素x計算方法的水文敏感度評分,polx是像素x的輸出系數。計算得到TN、TP輸出量后,結合土地利用/覆被類型對污染物的移除效率來得到營養物保持(截留)量。

依據氮磷凈化能力結果,利用水域營養類型的劃分標準,結合《生態功能區劃技術暫行規程》,對研究區的凈化能力重要性進行分類,共分為5級(表2),以此表現區域氮磷凈化能力的強弱。

表2 丹江口市TN、TP凈化重要性等級

2.3 景觀格局指數選取

景觀格局指數能有效反映生態系統與空間格局的關系,可在斑塊水平、斑塊類型水平和景觀水平3個層次上評估景觀格局變化、分析景觀與水質變化的關系等[28-29]。基于前人的基礎[30-31],本文在土地利用/覆被圖的基礎上利用ArcGIS和Fragstats 4.2軟件,從斑塊類型和景觀水平層次開展研究,選取表征面積、聚集度、形狀和多樣性測量等8個具有代表性和廣泛應用的景觀指標(表3)。

表3 景觀指數的選擇

2.4 數據處理與統計分析

采用統計分析軟件SPSS 24.0和Canoco 5.0軟件,對不同時期TN、TP輸出量與景觀格局指數進行Pearson相關分析和冗余分析(Redundancy analysis,RDA),探究氮磷凈化能力與景觀格局的相關關系,利用RDA冗余分析識別各個因子貢獻大小,揭示在景觀尺度下氮磷凈化能力變化的主要驅動。

3 結果與分析

3.1 丹江口市景觀格局特征及變化

選擇斑塊類型和景觀水平對丹江口市的景觀格局開展研究,結果表明(表4),丹江口市水域面積增加,斑塊類型比和最大斑塊指數總體呈上升趨勢,水域占研究區面積的比例持續上升；林地面積逐年增加,從40.80%增長至50.84%,最大斑塊指數先增后減表明受人類活動干擾較大；耕地與園地面積逐漸減少,耕地、園地的斑塊類型比和最大斑塊指數總體呈下降趨勢,但依然占比較大,表明當地對耕地和園地的經營管理強度依然較大；建設用地先減后增,總體新增面積約2553 hm2,城市及鎮村的發展和移民搬遷政策執行,都加劇了建設用地變化；未利用地主要包括裸地等,基本保持持平狀態,因此合理開發利用裸地將成為下階段土地利用的重點。

表4 斑塊類型及景觀水平景觀格局指數變化情況

景觀水平上,2003—2018年景觀形狀指數不斷減少,蔓延度指數和聚集度指數整體呈增長趨勢,說明形狀與相同面積的規則圖形之間偏離程度逐年減小,形狀復雜程度降低,斑塊類型間形成了良好的連接性,景觀聚集程度提升,空間分布趨向集中,景觀的異質性減弱；散布與并列指數增加了5.58,香農多樣性指數變幅較小,說明各斑塊類型趨于規則,呈均衡趨勢分布。究其原因,水庫蓄水、移民搬遷、退耕還林和生態文明建設等項目的實施,社會經濟發展以及人類不斷活動,都加速了景觀格局的變化。

3.2 氮磷凈化能力時空變化與等級劃分

利用InVEST模型對氮磷凈化能力開展研究,其中TN、TP輸出總量越大氮磷凈化能力越差。結果表明(表5、圖2)TN、TP單位面積輸出量最大值均出現在2013年,分別為1.625 kg hm-2a-1和0.129 kg hm-2a-1,總輸出量分別為776.979 t,68.163 t；但整體上看2003年TN、TP輸出量最高分別為899.224 t、77.308 t,輸出量的最大值分別為1.559 kg hm-2a-1和0.124 kg hm-2a-1；2008年TN、TP的輸出量開始降低,輸出量的最大值分別為1.583 kg hm-2a-1和0.125 kg hm-2a-1；2018年TN、TP的輸出量最低,總量為672.139 t、60.802 t,其中最大值分別為1.588 kg hm-2a-1和0.126 kg hm-2a-1。

表5 TN、TP輸出量

從時間上看,2003—2018年丹江口市TN、TP輸出量呈減少趨勢,表明氮磷凈化能力逐漸增強,15年間TN的凈化服務增強了25.3%,TP的凈化服務增強了21.4%；空間上看,TN、TP輸出量高的地區均分布在地勢平坦和人口分布密集區。丹江口市農業以種植農作物和柑橘園為主,農藥、化肥的使用是氮、磷的主要來源,有部分農業區距離水庫較近,因此瀕臨水庫處應擴大林地面積,進一步增強該區水質凈化能力。

以2018年TN、TP模型輸出結果為例,進行氮磷凈化能力重要性等級分類,共分為5級(圖3)。整體上看丹江口市2018年氮磷水質凈化重要性等級分布基本相似,特別是氮磷凈化能力強,極重要區、高度重要區主要分布在庫區、河流兩岸和林地區域；凈化能力稍弱,一般重要區主要分布在城鎮建設、農田、柑橘園等。

圖3 氮磷凈化能力重要性等級Fig.3 Importance level of nitrogen and phosphorus removal capacity

綜上結果可知：氮磷凈化能力與景觀格局和土地利用類型有關,隨著時空變化丹江口市近15年氮磷能力不斷增強,較弱區域主要集中在平坦地區,這些區域植被覆蓋度較低,對污染物的截留效用較弱,且耕地和柑橘園化肥農藥的使用增加了氮磷的輸出量；同時這些區域城鎮化建設明顯,人口和人類活動的增加也導致污染物排放遞增,從而導致凈化能力較弱；凈化能力強,極重要、高度重要區主要分布在庫區、河流兩岸和林地等區域。

3.3 景觀格局變化與氮磷凈化能力的關系

由于InVEST模型水質凈化模塊主要與林地、耕地、園地和建設用地有關,利用Pearson相關分析結果見表6。在斑塊類型水平上,林地類型面積與氮磷輸出量均呈顯著負相關,表明林地可以有效攔截氮磷進入水庫；耕地、園地斑塊類型面積和斑塊類型比均與氮磷輸出量呈正相關關系,說明農業生產是影響水質的重要因素,隨著農業用地的減少,污染源的輸入逐漸下降,其中耕地類型的最大斑塊指數與氮磷輸出呈負相關,表明耕地最大斑塊指數的增加對氮磷凈化能力的提升起一定的促進作用；氮磷輸出量與建設用地整體上呈中等程度相關,因此城鎮化發展中建設用地的增加也是影響水質變化的重要因素。

在景觀水平上,氮磷輸出量與景觀形狀指數呈顯著正相關,說明TN、TP凈化能力與景觀形狀的復雜度有關；與香農多樣性指數呈中等程度正相關；氮磷輸出量和景觀聚集與分散度測量指標中蔓延度指數、聚集度指數呈負相關,和散布與并列指數表現出顯著負相關,表明隨著各類景觀的連通性與聚集性的升高氮磷凈化能力增強。

表6 斑塊類型及景觀水平景觀格局與TN、TP的關系

在景觀格局與氮磷凈化能力相關性分析的基礎上,通過Canoco 5.0軟件進行解釋變量的前向選擇,排序軸的特征值分別為0.843和0.109,排序圖可以很好地反映景觀與氮磷凈化之間的關系圖4表明氮磷輸出量與林地類型,蔓延度指數、散布與并列指數、聚集度指數呈負相關；與耕地、園地、建設用地類型,景觀形狀指數、香農多樣性指數呈正相關,這與Pearson相關分析結果一致。由箭頭連線的長短可看出土地利用類型依然以林地、耕地和園地對氮磷凈化能力影響最大,各景觀格局指數帶來的影響較為均衡。

圖4 景觀格局指數與TN、TP輸出量RDA排序圖 Fig.4 RDA sorting map of landscape pattern index and TN、TP outputRDA：冗余分析Redundancy analysis；WOL：林地 Woodland；CRL：耕地 Cropland；ORA：果園 Orangery；URL：建設用地 Urbanized land;CONTAG: 蔓延度指數Contagion index;SHDI： 香農多樣性指數Shannon′s diversity index;IJI: 散布與并列指數Interspersion juxtaposition index;AI: 聚集度指數Aggregation index;LSI: 景觀形狀指數Landscape shape index

4 討論與結論

4.1 討論

南水北調中線工程通水后,為確保水質安全,協調庫區的區域社會經濟可持續發展和水環境資源保護,國務院先后批復了《丹江口庫區及上游水污染防治和水土保持規范(2006年)》、《丹江口庫區及上游水污染防治和水土保持“十二五”規劃(2013年)》以及《丹江口庫區及上游水污染防治和水土保持“十三五”規劃(2017年)》,隨著規劃的推行和實施,面源污染氮磷等元素的輸出、水質變化規律和變化驅動因子成為丹江口庫區水環境研究的重點。孫玉君等[32]采用單因子評價法,對丹江口庫區入庫水系、水功能區以及水質指標進行了監測和分析；周穎[33]借助GIS和RS等技術,對丹江口庫區胡家山小流域等流域水質進行監測,探討導致面源污染輸出季節性差異的驅動因子,得出林地、耕地和建設用地是影響小流域水質的主要因子；張博等[34]研究發現丹江口庫區林地對面源污染的輸出有攔截和削減作用,耕地則是水體氮磷污染的主要來源；丁飛霞[35]以張家山小流域不同時期為研究對象,分別從景觀數量特征和景觀格局特征探討匯水區景觀特征對小流域徑流水質的影響。前人研究結果與本文研究結果相似,且本文利用InVEST模型和景觀格局結合的方法完善了丹江口庫區氮磷凈化時空變化研究,探討影響水質凈化功能的因素。

水質凈化功能和景觀格局變化的相關性研究主要分為動態和靜態的研究,即通過時間和空間表征二者關系。朱蘭保等[36]基于GIS和RS利用多年的水質數據與景觀格局進行分析,研究發現景觀類型是影響水質的重要因素,但未明晰水質變化與景觀格局變化的關系；劉怡娜等[37]對長江流域景觀格局變化與水質凈化服務的關系開展研究,表明河岸帶景觀格局的改變更能影響污染物的截留效率；伍恒赟等[38]通過匯水單元和子流域劃分, 研究不同區域景觀格局變化與水質的聯系, 從空間上分析了兩者的相關性, 但時間期限較短。本文選擇以時間變化序列研究方法,從時空動態角度探討水質凈化中氮磷凈化能力與景觀格局的關系,整體層面研究了丹江口市近15年氮磷凈化能力、景觀格局變化以及兩者間的相關性。在斑塊水平上選擇林地、耕地、園地和建設用地,著重探討4種土地利用類型帶來的影響,在景觀水平上選擇聚集度、形狀和多樣性測量等指標,進一步探究了各指標與水質凈化功能的關系,也表明了營養物質累積濃度的空間分布在不同景觀類型上存在差異,補充了丹江口市時空變化下景觀格局與氮磷凈化能力關系的空缺。

由于本文利用InVEST模型方法開展研究,水質凈化模塊閾值累積量會隨著季節性產生差異,可能會引起氮、磷輸出量存在誤差；模型下一步應增加對其他污染物輸出量的研究。

4.2 結論

丹江口市2003—2018年景觀格局變化明顯,水域面積和林地面積不斷增加,耕地和園地面積逐漸減少,建設用地面積整體上呈增長趨勢；景觀形狀指數不斷減少,蔓延度指數和聚集度指數整體呈增長趨勢,形狀復雜程度降低,景觀聚集程度提升,散布與并列指數增加了5.58,香農多樣性指數變幅較小,各斑塊類型趨于規則,呈均衡趨勢分布。2003年、2008年、2013年和2018年氮磷凈化能力呈持續增強趨勢,其中TN輸出總量分別為899.224、801.481、776.979、672.149 t,TP輸出總量分別為77.308、69.921、68.163、60.802 t,15年間TN、TP的水質凈化能力分別增強了25.3%和21.4%；對氮磷凈化能力重要性等級劃分發現極重要、高度重要區主要集中在庫區、河流兩岸和林地區域；氮磷凈化能力稍弱,一般重要區主要在城鎮建設、農田、柑橘園。利用Pearson相關分析和RDA分析發現,在斑塊類型上林地面積與氮磷的輸出呈顯著負相關,耕地、園地和建設用地與氮磷輸出量呈正相關；在景觀水平上氮磷輸出量與景觀形狀指數呈顯著正相關,和散布與并列指數表現出顯著負相關,與蔓延度指數、聚集度指數呈負相關。

因此,在丹江口庫區氮磷輸出量高的地區,應選擇種植喜氮、喜磷的作物,合理施肥灌溉,可以有效降低氮磷進入水體的風險；可調節景觀格局結構,合理規劃土地利用,增加林地面積,建設河岸緩沖帶充分滯緩徑流；制定排污標準,平衡水源保護與經濟發展關系,確保南水北調中線工程水源水質安全。