土地利用結(jié)構(gòu)對濕地公園水環(huán)境質(zhì)量的影響*

王 怡 朱 穎 馮育青 謝 冬 賀風(fēng)春

1 華潤(南京)市政設(shè)計有限公司 江蘇無錫 214000

2 蘇州科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院 江蘇蘇州 215011

3 蘇州市濕地保護管理站 江蘇蘇州 215000

4 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院 南京 210037

5 蘇州園林設(shè)計院有限公司 江蘇蘇州 215000

水作為濕地公園的核心要素[1],不僅是其生態(tài)功能發(fā)揮的基石,還決定著濕地公園的生態(tài)效能[2-3]。國家濕地公園是濕地資源有效保護與合理開發(fā)利用的重要方式,屬于生態(tài)極敏感區(qū)域,其外圍緩沖區(qū)建設(shè)是涵養(yǎng)水源、穩(wěn)定生態(tài)的有效措施,對濕地公園的保護具有重要作用。因此,探討濕地公園生態(tài)緩沖區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)對內(nèi)部水環(huán)境質(zhì)量的影響,旨在為濕地公園水環(huán)境保護與土地優(yōu)化利用提供參考。

宏觀層面上,水環(huán)境質(zhì)量的變化多與土地利用結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[4-5]。相關(guān)研究表明,土地利用結(jié)構(gòu)主要通過調(diào)節(jié)地表水中的營養(yǎng)元素濃度[6-7]影響水質(zhì)指標(biāo),而水質(zhì)指標(biāo)對土地利用的最顯著響應(yīng)尺度在500～1 000 m[8]。不同的土地利用結(jié)構(gòu)對水質(zhì)的影響有顯著差異[9-11]。宏觀尺度[12-13]的研究能夠為水環(huán)境治理提供方向,但該研究實際更多地落在微觀尺度的景觀水體,形成以點帶面的方式促進水質(zhì)的整體改善。因此,本文對蘇州6個國家濕地公園進行四季水質(zhì)監(jiān)測,采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(Comprehensive Trophic Level Index,TLI)進行水質(zhì)評價,對不同季節(jié)研究區(qū)水體中總氮(Total Nitrogen,TN)、總磷(Total Phosphorous,TP)和葉綠素a(Chlorophyll-a,Chla)的濃度變化特征進行比較分析,利用Spearman相關(guān)分析探究濕地公園及其周邊1 km緩沖區(qū)內(nèi)不同土地利用結(jié)構(gòu)對濕地公園內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量的影響程度,為濕地公園水環(huán)境保護提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

江蘇蘇州地處太湖流域,河湖眾多,是典型的水網(wǎng)城市,水域占比42.5%,全市濕地面積339 500 hm2,占市域總面積的40%。近年來,蘇州以水資源保護為核心,大力推進太湖、陽澄湖、長江大保護等重要保護舉措,形成了良好的區(qū)域水資源環(huán)境。蘇州自2010年起大力推進濕地公園建設(shè)[14],目前已建有21個濕地公園,其中國家級6個,分別為太湖國家濕地公園、沙家浜國家濕地公園、太湖湖濱國家濕地公園、三山島國家濕地公園、天福國家濕地公園,以及同里國家濕地公園(表1)。

表1 蘇州6個國家濕地公園概況

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

1)土地利用數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),采用2019年Landsat 8OLI_TRIS遙感影像(分辨率為30 m×30 m)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),進行影像裁剪等預(yù)處理后,利用ENVI5.1解譯蘇州6個國家濕地公園及其周邊用地的遙感影像。根據(jù)研究區(qū)的實際情況,采用中科院建立的一級土地分類系統(tǒng)進行分類,包括建設(shè)用地、水域、耕地、未利用地、林地和草地6大類。

2)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。總氮(TN)和總磷(TP)是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的重要指標(biāo),葉綠素(Chla)能夠指示藻類生物量的多少[15],因此以總氮、總磷和葉綠素濃度作為水質(zhì)指標(biāo)。根據(jù)蘇州6個國家濕地公園的面積、進水口、出水口、水系交叉及不同人為干擾程度設(shè)置53個采水點,分別于2019年2月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)和10月(秋季)晴朗無風(fēng)天氣,進行水樣采集及測定,用容積2 L的有機玻璃采水器采集表層及0.5 m深處的混合水樣,不同采水點的采樣深度均一致,水樣置于2～8℃保溫箱中保存,并在12 h內(nèi)進行分析測試。參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[16],對每個水質(zhì)樣品做3次平行測定,各指標(biāo)值以平行樣的平均值表示,TN、TP和Chla均采用分光光度法測定。

2.2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

采用TLI(∑)評價研究區(qū)水體富營養(yǎng)化。運用各指標(biāo)參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算公式,選取水質(zhì)參數(shù)相關(guān)權(quán)重,加權(quán)平均后得出水體的TLI(∑)。計算公式如式(1):

式(1)中:Wj表示第j種參數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重；TLI(j)表示第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；m表示評價參數(shù)的個數(shù)。

Chla作為基準(zhǔn)參數(shù),第j種參數(shù)的歸一化相關(guān)權(quán)重計算見公式(2):

式(2)中:rij表示第i個樣本第j種參數(shù)與Chla的相關(guān)系數(shù)。各參數(shù)的TLI計算見公式(3)至式(5)。

式(3)至式(5))中:TN、TP的濃度單位為mg·L-1,Chla的濃度單位為mg·m-3。采用0～100的連續(xù)數(shù)字評價水體營養(yǎng)狀況,狀態(tài)級別標(biāo)準(zhǔn)如下:TLI＜30,貧營養(yǎng)；30≤TLI≤50,中營養(yǎng)；50＜TLI≤60,輕度富營養(yǎng)；60＜TLI≤70,中度富營養(yǎng)；TLI＞70,重度富營養(yǎng)。

2.3 水環(huán)境質(zhì)量與土地利用結(jié)構(gòu)的相關(guān)性分析

利用ArcGIS10.2軟件提取各濕地公園及其1 km內(nèi)緩沖區(qū)的土地利用數(shù)據(jù),并采用SPSS22.0的Spearman相關(guān)分析法分析水質(zhì)指標(biāo)與土地利用結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)指標(biāo)季節(jié)性變化特征

TN濃度季節(jié)性差異明顯(圖1A)。夏季天福濕地公園TN濃度最高,為2.85 mg·L-1；秋季三山島濕地公園TN濃度最低,為0.74 mg·L-1；春、秋季TN濃度在同里濕地公園處于最高值,分別為2.39 mg·L-1和1.97 mg·L-1；冬季天福濕地公園TN濃度也達(dá)到最高,為2.35 mg·L-1；湖濱濕地公園TN平均濃度最低,天福以及同里濕地公園相對較高。總體來看,TN濃度呈現(xiàn)夏＞春＞冬＞秋的格局,其中秋季最低,為1.09 mg·L-1,夏季最高,達(dá)到2.00 mg·L-1。

各濕地TP濃度季節(jié)性變化幅度較大(圖1B)。夏季變化趨勢略有波動,其他季節(jié)變化趨勢平緩,均在0.07～0.19 mg·L-1；夏季沙家浜濕地公園TP濃度最高,為0.43 mg·L-1；冬季湖濱濕地公園TP濃度最低,為0.06 mg·L-1。從平均水平看,TP平均濃度在夏季處于最高,達(dá)到0.27 mg·L-1；在冬季均值最低,為0.09 mg·L-1。三山島和湖濱濕地公園TP濃度相對較低,同里、沙家浜和天福濕地公園相對較高。

各濕地公園Chla濃度在秋季變化并不顯著,而春、夏、冬季差異明顯(圖1C)。夏季沙家浜濕地公園Chla濃度最高,為41.13 mg·m-3；冬季三山島濕地公園Chla濃度最低,為5.12 mg·m-3。這是因為太湖流域靠近湖岸線以及位于城鎮(zhèn)外圍營養(yǎng)鹽含量較高,適宜藻類繁殖；三山島濕地公園處于太湖中部,自凈能力強,chla濃度相應(yīng)減少。總體上,Chla平均濃度在夏季最高,在秋季最低。

圖1 研究區(qū)TN、TP、Chla濃度的季節(jié)性變化

3.2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)評價

蘇州濕地公園水質(zhì)在四季呈現(xiàn)不同營養(yǎng)狀態(tài)(表2)。三山島濕地公園水質(zhì)在春、夏、冬季均為輕度富營養(yǎng),在秋季呈中度富營養(yǎng)；太湖和同里國家濕地公園水質(zhì)在春、夏、冬季為中度富營養(yǎng),在秋季為輕度富營養(yǎng)；湖濱濕地公園水質(zhì)在夏季最差,為中度富營養(yǎng),而在春、秋和冬季較好,均為輕度富營養(yǎng)；沙家浜濕地公園水質(zhì)在夏、冬季較差,呈中度富營養(yǎng),而在春、秋季較好,呈輕度富營養(yǎng)；天福濕地公園水質(zhì)在春、秋季呈輕度富營養(yǎng),而在夏季最差,呈重度富營養(yǎng)。綜上,蘇州濕地公園水體在夏、冬季呈現(xiàn)中度富營養(yǎng),在春、秋季為輕度富營養(yǎng),其中三山島和湖濱濕地富營養(yǎng)程度相對較低,水質(zhì)較好。

從各季節(jié)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)來看:在春季,太湖和同里濕地公園水質(zhì)較差,處于中度富營養(yǎng),而其他濕地公園均為輕度富營養(yǎng)；在夏季,三山島濕地公園水質(zhì)最好,呈輕度富營養(yǎng),天福濕地公園水質(zhì)呈重度富營養(yǎng),其他濕地公園均處于中度富營養(yǎng)；在秋季,三山島濕地公園水質(zhì)最好,為中度富營養(yǎng),其余濕地公園均呈輕度富營養(yǎng)；在冬季,三山島和太湖湖濱濕地公園水質(zhì)較好,營養(yǎng)狀態(tài)為輕度富營養(yǎng),其余濕地公園營養(yǎng)狀態(tài)均為中度富營養(yǎng)。綜上,研究區(qū)在四季呈現(xiàn)的富營養(yǎng)化程度由高到低為:夏＞冬＞春＞秋。

3.3 研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)

運用ArcGIS10.2的空間數(shù)據(jù)分析功能,量化濕地公園緩沖區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)。結(jié)果(表3)顯示,2019年蘇州濕地公園及緩沖區(qū)的總體特征為:1)三山島濕地公園作為淡水島嶼型濕地,水域占比最高,為75.47%,其他用地分布較少；2)太湖濕地公園緩沖區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,建設(shè)用地占比最高,為30.4%,水域、耕地、林地占比較低；3)湖濱濕地公園以水域為主,占比61.06%,其余用地較少；4)同里濕地公園緩沖區(qū)多以建設(shè)用地、耕地和水域為主,各占總面積的30.77%、36.23%和20.43%；5)沙家浜濕地公園緩沖區(qū)以耕地為主,占比58.18%,其余多為建設(shè)用地；6)天福濕地公園以耕地為主,其次為建設(shè)用地,占比為50.44%和34.59%。綜上,除三山島和湖濱濕地公園土地利用結(jié)構(gòu)以水域為主之外,其余濕地公園多以建設(shè)用地和耕地為主,草地和未建設(shè)用地占比較少。

表3 研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)面積占比

3.4 水環(huán)境質(zhì)量與土地利用結(jié)構(gòu)的相關(guān)性

3.4.1 水環(huán)境質(zhì)量與建設(shè)用地、耕地的相關(guān)性

從表4可知,建設(shè)用地和水質(zhì)指標(biāo)(TN、TP、Chla)均呈現(xiàn)顯著正相關(guān),耕地與TN、TP、Chla的濃度也呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)。

表4 土地利用結(jié)構(gòu)與水質(zhì)的相關(guān)性分析

TN濃度四季相關(guān)系數(shù)大小均為建設(shè)用地＞耕地,說明建設(shè)用地所代表的工業(yè)和生活污染源對水中氮元素的引入有重要作用。TP濃度與土地利用結(jié)構(gòu)的相關(guān)系數(shù)大小在春、冬季為建設(shè)用地＞耕地,在夏、秋季為耕地＞建設(shè)用地,說明在夏、秋兩季存在耕地的影響大于建設(shè)用地的情況,這主要與耕種時肥料的流失有關(guān)[17]。耕地在冬季與TP質(zhì)量濃度相關(guān)性最低,僅為0.174,說明耕地在冬季對磷元素的影響最小,這與蘇州冬季休耕的狀況相切合。Chla濃度與土地利用結(jié)構(gòu)的相關(guān)系數(shù)大小在秋、冬季為建設(shè)用地＞耕地,在春、夏季耕地＞建設(shè)用地。總體而言,建設(shè)用地和耕地對濕地公園水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性較高,即對水質(zhì)指標(biāo)濃度影響較大。

3.4.2 水環(huán)境質(zhì)量與林地、水域、草地、未利用地的相關(guān)性

由表4可知,林地與水質(zhì)指標(biāo)(TN、TP、Chla)的負(fù)相關(guān)性較明顯；水域與TN、TP、Chla均呈負(fù)相關(guān)；草地、未利用地與各水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)較小,且不同尺度相關(guān)系數(shù)變化未見明顯規(guī)律,呈微弱正負(fù)相關(guān)。

TN濃度與土地利用結(jié)構(gòu)相關(guān)系數(shù)大小均為林地＞水域。TP濃度與土地利用結(jié)構(gòu)相關(guān)系數(shù)在夏、冬季為林地＞水域,在春、秋季為水域＞林地。林地和水域區(qū)別較小,兩者在磷濃度的影響程度近似。Chla濃度與土地利用結(jié)構(gòu)相關(guān)系數(shù)在總體上為水域＞林地。

草地與各水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)較小,不同季節(jié)相關(guān)系數(shù)的變化規(guī)律不明顯,表明濕地公園水質(zhì)受草地影響不大。未利用地與各水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性較弱,呈微弱正負(fù)相關(guān),這主要是其受人為干擾較小,造成的污染也較輕。

4 討論

4.1 土地利用對水環(huán)境營養(yǎng)鹽的影響

本研究發(fā)現(xiàn),水環(huán)境指標(biāo)與土地利用類型的相關(guān)性表現(xiàn)為TN、TP和Chla的濃度與建設(shè)用地和耕地面積占比呈正相關(guān),與林地和水域面積占比呈負(fù)相關(guān),這一結(jié)果與於夢秋等[8]研究相吻合。TN、TP和Chla與建設(shè)用地和耕地占比的關(guān)系為夏季＞冬季,原因可能是夏季降雨量較大,大量的耕作活動帶來的農(nóng)業(yè)污染對水體產(chǎn)生了極大影響。夏季為太湖嚴(yán)重水華期,Chla處于最高值。夏季也是藍(lán)藻水華的生長旺季,Chla體現(xiàn)的水環(huán)境特征與建設(shè)用地和耕地呈正相關(guān),這說明水體富營養(yǎng)化在很大程度受制于土地利用狀況,而藍(lán)藻水華的嚴(yán)重程度與土地利用結(jié)構(gòu)密切關(guān)聯(lián)。

TN濃度與土地利用結(jié)構(gòu)相關(guān)系數(shù)均為林地＞水域。其原因有二:一方面林地是可滲透下墊面,對氮元素的保留和收納可減少水體受面源污染的影響[18]；另一方面林地占比的增加導(dǎo)致污染物的排放也隨之減少,這也與相關(guān)研究成果[19]相吻合。

Chla濃度與土地利用結(jié)構(gòu)相關(guān)系數(shù)在總體上為水域＞林地,這是由于水域?qū)υ孱惿锪烤哂幸欢ǖ南♂屪饔肹20],因此可將水域面積看作影響Chla濃度的重要因素之一。

4.2 濕地公園對水環(huán)境的改善作用

根據(jù)《2019年太湖流域及東南諸河省界水體水資源質(zhì)量狀況通報》,太湖流域湖體TN、TP、Chla平均濃度分別為1.55 mg·L-1、0.08 mg·L-1、37.95 mg·m-3,TLI為55.7。本研究在同一時間尺度下,太湖流域內(nèi)的湖濱、三山島和太湖國家濕地公園3個濕地公園TN、TP、Chla平均濃度分別為1.20 mg·L-1、0.11 mg·L-1、19.42 mg·m-3,TLI為54.73,說明除TP外其他各項指標(biāo)優(yōu)于流域水平。因此,濕地公園在一定程度上對于水環(huán)境健康有明顯的改善作用,這也符合陳杰云等[21]證實濕地公園的建設(shè)對水環(huán)境健康具有保護作用,濕地公園能夠降解污染物和提高水體的自凈能力。當(dāng)前,許多城市也試圖通過建立濕地公園來保護和改善水環(huán)境,探索一種區(qū)域發(fā)展模式,以協(xié)調(diào)城市化進程中濕地水資源的保護和合理利用。

5 結(jié)論

1)2019年蘇州濕地公園TN、TP和Chla在夏季最高。三山島和湖濱濕地公園水質(zhì)指標(biāo)較低,水質(zhì)相對較好。沙家浜、天福和同里濕地公園水質(zhì)指標(biāo)相對較高,水質(zhì)較差。

2)水體富營養(yǎng)化程度由高到低依次為:夏＞冬＞春＞秋。三山島和湖濱濕地公園營養(yǎng)化水平相對較低,水質(zhì)較好,營養(yǎng)狀態(tài)為輕度富營養(yǎng)。

3)水環(huán)境質(zhì)量與緩沖區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)相關(guān)性表現(xiàn)為TN、TP和Chla與建設(shè)用地和耕地占比呈正相關(guān),與林地和水域占比呈負(fù)相關(guān),與草地和未利用地面積占比呈微弱正負(fù)相關(guān)。不同季節(jié)土地利用結(jié)構(gòu)對水環(huán)境質(zhì)量影響存在一定的差異:建設(shè)用地在冬季對水環(huán)境質(zhì)量的影響較為明顯；耕地在秋季對水環(huán)境質(zhì)量的影響大于城鎮(zhèn)用地；水域在夏、冬季對水質(zhì)有積極影響；林地在春、秋季對水質(zhì)提升最有效。