京杭運河杭州段城市景觀格局對河網水環境的影響

李 雪,張 婧,于婉晴,范雅雙,李小玉

浙江農林大學林業與生物技術學院,杭州 311300

近年來中國城市化進程仍舊在不斷推進,預計在2030年中國城鎮化水平將達到70.99%[1-2]。城市化進程不但改變了原本自然或半自然下墊面的景觀類型和布局,而且改變了自然生態系統水文和地球化學循環過程[3-6]。中國城市水環境污染形勢嚴峻,90%以上的城市河流受到不同程度污染,自然過程已經基本喪失了對城市水環境質量的調控能力,人類活動已經成為水環境及水質變化的主導要素,城市水環境的保護和治理引起了廣泛關注[7]。人類活動通過改變景觀結構和空間格局,改變了水文過程和徑流路徑,從而影響了污染物的發生位置、遷移路徑和轉化過程,進而對河流水環境產生深刻影響[8-9]。因此,從景觀生態學的角度出發,探索景觀內不同土地利用及其格局對河流水環境的影響,可為通過有目的地調節人類活動來調控景觀空間格局、改善其服務功能提供重要的理論依據[10-13]。

大量研究表明城市景觀格局對于河流水環境存在不同程度的影響[14-17]。如Wang等[18]在上海城區、郊區和農村不同城市化梯度上應用綜合污染指標比較了地表水質的變化,表明地表水質的空間格局取決于城市化水平；Tu[19]在不同城市化梯度上選擇了129個子流域進行分析表明土地利用對水質的解釋能力隨著城市化程度的不同而變化,如農業用地和居住用地比例與污染物濃度在城市化較低的區域呈正相關,而在高度城市化區域卻呈負相關；Shen等[20]發現景觀組成指標可解釋46.9%的水質變化,而如果加入景觀構型指標,則可以解釋水質變化的60.3%,同時類型水平上的景觀指數對水質的預測比景觀水平上的指數更為有效；Hasenmuellerd等[21]在農村-城市的城鄉梯度帶上發現洪水事件中城市河流的水質特征變異程度更大,可達農村河流水質變異幅度的5倍,對環境質量有著較大的負作用；Deng[22]發現水質與河網的結構和連通性具有顯著的相關性,與以城市用地為主的區域與耕地為主的區域相比,在很大程度上減弱了這種相關性,耕地與城市用地的季節性作用則相反,認為河網結構和連通性有利于河流水質改善。

總體上,不同的景觀指數對不同的水質指標在不同的緩沖區研究尺度上有著不同的解釋能力。但是,由于景觀的復雜性和異質性,一些共性規律亟待深入發掘。景觀格局和水質關系的研究一直是景觀生態學的一個熱點和難點[23-25]。不同景觀類型和景觀格局的變化對水質的影響存在差異性[26]。

本文以京杭運河的起點杭州段及其相通相連河網水系區域作為研究區,河流總趨勢為南北向[27],南依錢塘江,北至杭州德清邊界,以水質監測點為中心建立不同寬度的緩沖區,通過計算景觀格局指數,并與不同的水質指標進行相關性分析、冗余分析等,定量分析不同空間尺度下景觀格局與河流水質的關系,以探討流域景觀空間分布格局對水質狀況的影響程度,為建立更為合理的景觀結構,改善運河水系河流水環境提供依據。

1 研究區概況

杭州作為長江三角洲中心城市之一,總面積16850 km2,建成區面積559.2 km2,常住人口1036萬人,城鎮人口813.26萬人,城鎮化率78.5%[28]。京杭大運河是世界上里程最長、工程最大的運河,也是最古老的運河之一,南起杭州(余杭),北至北京(涿郡),貫通海河、黃河、淮河、長江和錢塘江五大水系,全長約1794 km[29]。杭州是京杭大運河的南端起點,京杭大運河從錢塘江配水自南往北穿越杭州城區,與之相通的河道縱橫,水網發達,水文過程復雜多變[27]。運河杭州段(圖1)是杭州主城區水位最低的地表河流,兩側支流眾多,是市區各類河水、地表徑流和眾多支流的主要受納水體,城區與運河相連的河道多達33條(除錢塘江外)[30],每年進入運河的水量達到4.5×108m3,對運河水質產生了巨大的負面影響[31-32]。另外,運河杭州段從中心城區流經城鄉交錯帶,景觀類型復雜,人類活動強烈,對該區域河流水環境具有重要影響。

圖1 京杭運河起始杭州段及其河渠水網分布圖Fig.1 Location map of the Hangzhou section of the Beijing-Hangzhou Grand Canal

2 研究方法

2.1 主要數據采集及處理

(1)遙感數據解譯

以2017年高分二號(GF-2)影像為基礎信息源,依據京杭運河杭州段城市土地利用實地調查結果,將景觀類型劃分為10個類型(表1)；利用GF- 2遙感影像,通過eCognition面向對象的分類法對遙感影像進行解譯；在此基礎上,為提高解譯精度和分類的準確度,消除時間差,結合2019年谷歌實時地圖和野外實地考察,對分類結果進行修改和校正,使得數據匹配。通過野外實地采集的 GPS 定點信息進行驗證,滿足數據分析要求。

表1 京杭運河杭州段景觀類型分類標準

通過河網提取、河流分割等步驟,并結合《浙江省河流手冊》[27]中的流域和河流水系分布圖和杭州市行政邊界,確定研究區邊界范圍(圖1)。

(2)河流水質監測

選擇子流域界線相對清晰的支流作為監測河流,在匯入上級河道前且不受上一級河道影響的位置進行水質采樣,共設置了72個具有代表性的水質監測點(圖1),基本實現了監測點在研究區的均勻分布。分別在2019年3月、7月和11月進行了3次水樣采集,采樣選擇當月中旬連續晴天且采樣前三天無降水的時段,以消除降水對監測結果的影響；樣品采集時保證采樣位置處于河流中央且流速較大處,以保證樣品的代表性；水樣儲存于預先處理過的500 mL聚乙烯瓶中。

2.2 主要研究方法

(1)緩沖區分析

由于研究區河渠交織密布,水網發達,河流人為調控程度高,水文過程復雜,河渠水流互通,匯水單元界線不明確,因此,本研究以水質監測點為中心建立圓形緩沖區,基于緩沖區分析景觀格局對河流水質的影響。考慮到研究區位于杭州市的城鄉過渡帶,景觀異質性程度極高,在緩沖半徑劃分時采用了200 m和500 m兩種間隔距離,共設置了8個不同半徑的緩沖區,緩沖半徑依次為100、300、500、1000、1500、2000、2500、3000 m(圖2)。

圖2 基于水質監測點的圓形緩沖區劃分Fig.2 Schematic diagram of circular buffer

(2)景觀格局指數計算

選擇的景觀格局指數包括斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(LSI)、周長—面積分維數(PAFRAC)、景觀蔓延度指數(CONTAG)、散布與并列指數(IJI)、景觀分割度(DIVISION)、香農多樣性指數(SHDI)和聚集度(AI),以及各景觀類型的面積百分比。通過Fragstats 4.2分別計算不同半徑緩沖區內的格局指數。

(3)統計分析

本文采用了Pearson′s相關分析法對景觀指標和水質指標進行分析,以探討京杭運河杭州段不同尺度緩沖區上的景觀類型及其空間格局與水質的相關性。一些研究已經將Pearson′s相關分析法作為衡量任何兩個變量之間聯系強度的標準[33-34]。為了確定景觀格局與水質指標之間的關系,本文使用冗余分析對景觀格局進行分析。為了定量研究京杭運河杭州段水質變化和景觀格局之間的關系,因此使用多元逐步回歸分析法來探討京杭運河杭州段對不同緩沖區內景觀格局和水質的響應關系。

本研究采用SPSS 25.0實現Pearson′s 相關分析和多元逐步回歸分析,冗余分析則通過CANOCO 5.0軟件實現。

3 結果與分析

3.1 研究區景觀格局分析

京杭運河杭州段景觀格局如圖3所示,研究區總面積1509 km2,其中農業用地和林地是2種主要的景觀類型,分別占研究區總面積的25.21%和 24.87%,是由于研究區北部區域屬于城鄉過渡帶,農業種植用地分布集中,而西部屬于著名的西湖、靈隱寺和西溪濕地風景區,人類開發程度較低,林地成大面積連片分布；居民用地、道路和商業與工業用地等建設用地,分別占研究區總面積的18.74%、10.05%和9.24%,主要是位于研究區中南部錢塘江北岸的城市建成區,也是研究區中人類活動強度最高的區域；另外,研究區河網密布、水系發達,水體面積占到了7.74%。

圖3 京杭大運河杭州段景觀格局圖Fig.3 Landscape map of the Hangzhou Section of The Beijing-Hangzhou Grand Canal

人類活動不僅增加了景觀斑塊的種類,而且使得斑塊的形狀更趨于多樣化、復雜化,從而加劇了景觀的破碎化程度[35]。在整個研究區尺度上,邊緣密度為129.69 m/hm2,周長—面積分維數為1.48,景觀形狀指數為127.46,充分體現了區域城鄉交錯帶的典型特征,斑塊形狀復雜多變,斑塊破碎化程度高；散布與并列指數為78.03,聚集度為67.59,表明研究區斑塊分布較為分散,聚集程度較低；香農多樣性指數為1.83,說明該區域景觀類型復雜多樣,景觀異質性高,人類活動強度高低變化明顯。

3.2 不同半徑水質監測點緩沖區景觀格局變化

圖4為不同半徑緩沖區的景觀類型組成比例,可以看出不同緩沖區內景觀組成差異明顯。例如,農業用地所占比例在100 m緩沖區內最低,在300 m緩沖區內最高,說明農村近距離沿河兩岸的農田分布模式最為廣泛；道路所占比例卻在100 m緩沖區內最高,充分表明了道路與河流堤岸并排相連分布的特征；居民用地比例在500 m緩沖區內最高,表明居民用地在河流周邊地區分布較廣泛。

圖4 京杭運河杭州段不同半徑圓形緩沖區內的景觀類型比例Fig.4 The composition of landscape types at different scales in the Hangzhou Section of The Beijing-Hangzhou Grand Canal

景觀格局指數隨著緩沖半徑的變化發生明顯變化(圖5)。斑塊密度(PD)與邊緣密度(ED)具有相同變化趨勢,在1000 m以內的緩沖區,均隨著緩沖半徑的增大而降低,且其中在100 m緩沖區中遠高于其他緩沖區,但當緩沖半徑超過1000 m后僅有小幅波動,基本維持穩定,這表明城市河流離岸越近,受人類活動的調控和干擾就越強烈,景觀破碎化程度越高,特別是在近岸100 m的區域內尤為劇烈。周長—面積分維數(PAFRAC)和香農多樣性指數(SHDI)與PD和ED的變化趨勢正好相反,當緩沖半徑小于1000 m時呈增加趨勢,高于1000 m后基本穩定,這也是由于越靠近河流兩側的近岸區域受人類調控越強烈,使得斑塊形狀規則簡單,但景觀類型更加豐富多變。散布與并列指數(IJI)在100 m緩沖區最高,達到了76.4%,表明景觀類型的混合程度在鄰接河岸的100 m區域內最高,而在其他緩沖區則相對穩定(68%左右)。聚集度指數(AI)隨著緩沖半徑的增大而呈逐步降低趨勢,這主要是河流水體和沿河兩側道路增強了緩沖區內的景觀聚集特征。

圖5 景觀格局指數隨緩沖區半徑的變化特征Fig.5 Statistics of landscape level index in different buffer zonesPD：斑塊密度 Patch Density；ED：邊緣密度 Edge Density；PAFRAC：分維數 Perimeter-Area Fractal Dimension；IJI：散布與并列指數 Interspersion and Juxtaposition Index；AI：聚集度指數 Aggregation Index；SHDI：香農多樣性指數 Shannon′s Diversity Index

從景觀格局指數在不同半徑緩沖區內的變化趨勢來看,基于河流監測點的100 m和1000 m的緩沖半徑是兩個關鍵尺度,在100 m緩沖區內人類活動的干擾最為強烈,而這種干擾隨著緩沖半徑增大到1000 m后基本進入穩定狀態,緩沖距離對景觀格局特征的影響不明顯。

3.3 河流水質統計特征分析

京杭運河杭州段72個監測點的水質指標的描述性統計特征如表2所示。氨氮含量在11月份的變幅最大(0.05—8.97mg/L),變異系數達到了0.96,從平均值來看,11月最低(1.32 mg/L),3月和7月較為接近,分別為1.71 mg/L和1.77 mg/L；硝氮的平均含量在7月最低(1.14 mg/L),在3月和11月的含量較為接近,分別為1.76 mg/L和1.68 mg/L；總氮含量的平均值在3月(7.57 mg/L)遠高于7月(3.58 mg/L)和11月(3.45 mg/L)；總磷含量呈逐步降低趨勢。總體來看,研究區河流的氨氮和總氮含量整體處于較高水平,水體污染較為嚴重。因此,京杭運河杭州段水質污染主要屬于氮源污染。

表2 水質指標的描述性統計特征

3.4 景觀格局對河流水質的影響分析

3.4.1景觀類型與河流水質的相關性分析

通過對72個監測點不同半徑緩沖區內的景觀類型比例與水質指標的相關性分析(表3),可以看出不同的景觀類型對河流水質在不同的季節有著不同的影響。氨氮在汛期(7月)與居民用地和公共設施用地等建設用地的相關性最顯著,同時農業用地也對氨氮有著顯著影響；而在非汛期(3月和11月),氨氮與景觀類型的相關性較低；氨氮與景觀類型的關系呈現出了較強的季節性變化。硝氮與景觀類型的關系最為密切,其中居民用地在3個時段都與硝氮存在顯著相關性；農業用地對硝氮的貢獻主要表現在非汛期,林地在11月份降雨量較低的情況下對硝氮有顯著的消減作用。總氮含量受商業與工業用地的影響在3個時段都較為明顯,同時在7月和11月受農業用地的影響顯著,特別是7月份與公共設施用地的相關性極為顯著；這也表明了工業和商業生產是總氮的主要來源,同時農業生產也對總氮有重要影響。總磷與景觀類型的相關性整體較弱,僅3月份與草地和居民用地呈現相關性。京杭運河杭州段河流水質的污染源主要來自建設用地和農業用地。

表3 基于緩沖區的景觀類型與水質指標的相關性

3.4.2景觀格局與河流水質的冗余分析

景觀格局指數隨緩沖半徑的變化趨勢表明,當緩沖半徑大于1000 m時,緩沖區的景觀格局指數趨于穩定,不再隨緩沖半徑的增大而發生較大變化,因此,本研究以1500 m緩沖區為重點,基于冗余分析(RDA)量化景觀格局指數對河流水質的解釋能力排序(圖6),圖中各個景觀格局指標箭頭與水質指標箭頭之間夾角小于90 度,兩者關系為正相關,大于90 度為負相關,等于90 度則不相關；兩者之間銳角越小或鈍角越大,則正向或負向相關性越強[36]。結果表明,散布與并列指數(IJI)與硝氮和總氮在3個月份都呈極強的正相關,表明景觀類型的混合程度越高,河流硝氮和總氮含量也越高；周長—面積分維數(PAFRAC)、景觀形狀指數(LSI)和邊緣密度(ED)與硝氮和總氮在非汛期(3月和11月)呈負相關,在汛期(7月)卻呈明顯正相關,說明相對復雜的斑塊形狀在非汛期有利于消減河流的硝氮和總氮污染,但在汛期增大了污染物經降水沖刷進入河流的可能性；聚集度指數(AI)對水質的影響趨勢與形狀指數相似,斑塊的集中連片分布在非汛期增加了氮源污染,但在汛期有助于氮源污染削弱；香農多樣性指數(SHDI)在3個時段都與總氮呈明顯正相關,說明景觀類型越復雜,對河流總氮的影響越大；斑塊密度(PD)與硝氮在非汛期呈顯著負相關,在汛期成極顯著正相關,城市景觀的破碎化程度在非汛期加劇了河流硝氮污染,但在汛期可以減少大面積連片斑塊被降水沖刷從而有助于減緩硝氮污染。總磷含量在3個時段與景觀格局指數的相關性均較低。

圖6 基于1500 m圓形緩沖區的景觀指數與水質指標RDA排序圖Fig.6 RDA ordination chart of the area ratio (%) of landscape type and water quality index of 1500 m in circular buffer zoneLSI：景觀形狀指數 Landscape Shape Index

3.4.3景觀格局與河流水質的多元逐步回歸分析

(1)景觀類型與水質之間的關系

表4為水質指標和景觀類型占比之間的多元逐步回歸分析結果,可以看出各個回歸模型都達到顯著水平(P<0.05),景觀類型中商業與工業用地、居民用地、水體是主要影響水質指標的類型。在1500 m緩沖區,不同月份的水質受到不同景觀的影響。3月,硝氮受到了商業與工業用地和農業用地的影響,隨著二者的增加硝氮濃度增加；總氮濃度是隨著商業與工業用地的增加而增加,隨著水體增加而減少,說明了城市的排水系統對水質指標有一定影響；總磷受到了居民用地和草地的影響。7月,氨氮隨著居民用地增加而增加,居民生活對氨氮影響明顯；硝氮隨著公共設施用地、草地和濕地增加而增加,居民用地的減少而減少；總氮隨著商業與工業用地和公共設施用地增加而增加。11月,氨氮隨著水體的增加而減少；硝氮隨著濕地和居民用地的增加而減少,與商業與工業用地則相反；總氮隨著農業用地和商業與工業用地的增加而增加。

表4 景觀類型與水質的逐步多元回歸分析結果

(2)景觀格局指數與水質的關系

逐步多元回歸分析能夠將回歸方程中那些不重要的自變量因子排除,從而建立最佳模型。在1500 m的緩沖區尺度上,景觀格局指數與水質的逐步多元回歸分析結果如表5所示。3月,硝態氮受到景觀指數IJI的影響,隨著IJI的增加而增加；總氮隨著PAFRAC的增加而減少。7月,氨氮隨著DIVISION的增加而增加,隨著IJI的增加而減少；總氮隨著PAFRAC、IJI、PD、CONTAG和SHDI的增加而增加。11月,氨氮隨SHDI的增加而增加；硝氮隨著CONTAG和IJI的增加而增加；總氮隨著LPI的增加而減少,隨著IJI的增加而增加。

表5 景觀格局指數與水質的逐步多元回歸分析結果

4 討論

水質對于維持健康的河流生態系統的結構和功能至關重要,自然過程和人為活動的影響使得河流水質和環境健康發生變化。京杭運河杭州段總面積1509 km2,城市景觀和農村景觀鑲嵌分布,北部以農村景觀為主,中南部為錢塘江北岸城市景觀,西部則為風景名勝區,農業用地和林地分別占到了研究區總面積1/4,居民用地、商業與工業用地等建設用地占40%,水體面積占到了7.74%,河網水系發達。本研究表明,京杭運河杭州段水質污染類型主要是氮源污染,污染源主要來自建設用地和農業用地。總氮與商業與工業用地之間存在著強烈的相關關系,這表明建設用地是京杭運河杭州段中氮素的主要來源。有研究表明,農業用地和城鎮建設用地是河流水化學污染的重要來源[37]。城市化進程突出表現在大面積的不透水硬表面取代了自然植被為主的透水軟表面,不透水地面增加、綠地和水體景觀減少、景觀破碎和離散化加劇,由此引起了城市景觀格局變化,導致降雨徑流過程發生了質的變化,一定程度上造成了城市水體質量下降[38-39],使得城市面臨著愈加交織復雜的水環境危機[38]。同時,城市排水系統干擾了自然排水過程,比如污水管網滲漏、地表水及地下水滲入、污水收集處理后異地排放等[40-42],對河流水質影響嚴重。城市景觀格局對河流氮磷污染物的發生、遷移和轉化產生重要影響,人類活動干擾加劇了河流氮、磷污染,在很大程度上增加了河流污染的復雜性、隨機性和空間分異性[43]。本研究從逐步多元回歸分析可以看出,IJI是影響水質最重要的景觀格局指數,同時,京杭運河1000 m緩沖區尺度的景觀格局對水質影響最為顯著,因此,在加強京杭運河杭州段水資源的保護與管理時,需要重點對此緩沖區尺度的景觀格局進行優化與調整。

景觀空間格局對進入河流污染物的吸收和降解過程的影響存在差異性[26],不同土地利用類型對于降雨徑流過程的影響也有所不同[39]。城市景觀格局的水環境效應存在時間尺度性,即在夏季豐水期、春秋季平水期和冬季枯水期對水體污染的影響程度存在差異,例如在珠江、太湖和南京28 處濕地等水體中,豐水期總氮(TN)、總磷 (TP)、化學需氧量(COD)、葉綠素濃度最高,水環境污染程度最高[14]。在本研究中京杭運河杭州段河流水質與PD、ED、LSI、PAFRAC和AI等景觀格局指數的關系,在汛期和非汛期差異較大甚至相反,表明降水和徑流等水文過程的關鍵性作用,而景觀格局對河流水質的影響在很大程度上是通過對徑流的空間再分配等水文過程作用于河流水環境。因此,針對京杭運河杭州段的河流水質污染防治,需要結合運河兩側景觀格局,因地制宜通過格局優化和空間配置強化城市景觀對污染物的消減和攔截等功能。

5 結論

本文以京杭運河起點杭州段河網水道為研究對象,設置了72個河網水質監測點,以水質監測點為中心劃分圓形緩沖區,在分別對該區域景觀格局和河流水質監測分析的基礎上,研究景觀類型和景觀格局特征對河流水質在不同時期的影響特征,結論如下：

(1)在研究區整體尺度上,景觀破碎化程度高,斑塊形狀復雜多變,景觀類型多樣,異質性高,城鄉交錯帶特征典型,人類活動強度高低分化明顯。

(2)在緩沖區尺度上,景觀格局指數隨緩沖半徑內的變化特征明顯,100 m緩沖區內的格局指數遠高于或低于其他緩沖區,而當緩沖半徑達到1000 m以后,格局指數則相對穩定,不再隨緩沖半徑的增加而發生明顯變化,體現了人類活動沿河流兩側向外擴展的特征。

(3)京杭運河杭州段水系的氮源污染物含量整體處于較高水平,氨氮、硝氮和總氮的年均含量分別為1.60、1.53、4.87 mg/L,總磷含量處于低水平,年均值為0.32 mg/L。

(4)景觀類型與河流水質的相關性在不同半徑的緩沖區內表現較為一致,硝氮受景觀類型的影響最為顯著,氨氮僅在汛期與建設用地和農業用地的相關性較高,總氮與景觀類型相關性的季節性差異最明顯,而總磷與景觀類型的相關性整體較弱。

(5)城市景觀格局指數與河流水質參數的相關性較為明顯,景觀格局指數對不同的水質指標在不同的時期具有較好的解釋能力,且同一景觀指數在汛期和非汛期對水環境的影響作用差異較大甚至相反,景觀格局在河網密集型城市區域對河流水環境影響的整體利弊還需進一步權衡量化。