長江上游坡地景觀特征對河流水質的影響

張柳柳,劉 睿,張 靜,*,肖作林,冀 琴

1 重慶師范大學地理與旅游學院, 重慶 401331 2 重慶師范大學 GIS應用研究重慶市重點實驗室, 重慶 401331

河流水質是流域生態環境高水平保護和經濟高質量發展的關鍵因素,河流水質優劣對流域內人類生活、生產用水安全具有重要意義[1]。目前,我國各類點源污染已得到有效治理,面源污染已成為決定河流水質的主導因素[2]。流域景觀結構、景觀格局影響著徑流中污染物質的遷徙轉換[3—6]。合理調控景觀特征對減少面源污染具有顯著作用,故探討景觀特征與河流水質的關系對恢復流域生態安全、降低污染風險具有重要意義[7]。

景觀特征與河流水質關聯研究已成為國內外研究熱點[6,8—16]。景觀特征與河流水質的關聯研究在內容上主要從自然屬性角度(景觀類型)或空間分布角度(景觀格局)進行研究。如Dai等[8]研究證實建設用地和農田能對水環境產生顯著負面影響,植被能顯著減少向河流排放的養分,從而緩解水質惡化。Shehab等[6]研究表明景觀高度分散能加劇水質惡化。朱珍香等[9]發現斑塊密度、香農多樣性指數與水質指標為負相關,得出減少景觀破碎化能改善水質的結論。也有部分研究探討景觀特征—水質關聯的空間尺度效應[10—13],但由于各流域土地利用具有獨特性,對水質影響最強的空間尺度存在爭議[11]。Zhang等[12]在大寧河流域的研究結果顯示流域尺度下的土地利用對整體水質的影響無論在旱、雨季都最強。而Dai等[8]發現河岸200 m以內的區域是影響河流水質的重點區域。方娜等[13]的研究卻表明土地利用對河流水質的解釋率在緩沖區尺度先加強后減弱,在1000 m河岸緩沖區尺度處達到最大值。此外,景觀特征對河流水質的影響存在季節差異。Huang等[14]發現九龍江流域的土地—水質關聯在豐水年強于枯水年,而彭勃等[15]卻在清源河流域研究中得出相反結論。但由于景觀特征的復雜性和異質性,景觀特征對水質影響的共性規律仍待進一步研究[16]。此外,坡度因子是水土保持的重要地形因子[17—18]。山地丘陵地區的地表坡降大,地表徑流攜帶污染物遷至河流的能力加強,卻鮮見研究探討坡度因子對景觀特征-水質關聯的影響[3]。因此需要在更廣泛的區域開展研究,并充分考慮地形因素的影響,更深入探討坡地景觀特征對河流水質的影響機制。

長江是我國最大的河流,對我國人文、社會、經濟發展具有重要意義[19]。本研究以位于長江上游、覆蓋三峽庫區約80%的重慶市為研究區[20],分析長江上游坡地景觀特征與河流水質的關聯關系,研究目的為：(1)建立坡地景觀特征-水質的關聯,確定影響水質的主要坡地景觀特征指標；(2)定量探討坡地景觀特征影響水質的多時空尺度差異；(3)探究坡度因子如何影響景觀特征與河流水質的關聯。本研究通過定量分析坡地景觀特征影響河流水質的方式及其時空尺度差異,以期為長江上游水資源保護、山地丘陵區的景觀特征優化提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

重慶市是長江上游經濟重心城市、西南地區交通樞紐[21],境內三峽庫區的建設加速經濟發展同時也加劇了污染物排放,建設用地、農業用地生產排放的污水成為惡化河流水質的主要因素[22]。重慶市地跨東經105°11′—110°11′、北緯28°10′—32°13′,位于青藏高原與長江中下游平原的結合地帶,幅員面積8.24×104km2。地貌以丘陵、山地為主[23],地形呈現為南北向長江河谷傾斜,屬亞熱帶季風性濕潤氣候,年均降水量約為1200 mm,降雨量呈單峰型,峰值集中在5—9月,因此將5—9月劃定為汛期,其余時間為非汛期[24]。境內水資源豐富,長江干流境內流程長達683.8 km,自西向東橫貫全境,與嘉陵江、烏江、涪江、綦江等一級支流形成不對稱網狀水系格局[25]。

1.2 數據來源與處理

1.2.1水質數據來源與處理

圖1 研究區概況圖及水質監測站空間分布圖Fig.1 Overview map of the study area and spatial distribution of water quality monitoring stations 站點1—12分別為北溫泉、大溪溝、豐收壩、和尚山、金子、李渡、梁沱、碼頭、扇沱、萬木、玉溪、朱沱站點

1.2.2地表景觀數據來源與處理

首先,基于國家科技基礎條件平臺——國家地球系統科學數據中心(http://www.geodata.cn)發布的Landsat 8 OLI遙感影像數據(2015年,30 m空間分辨率),根據土地利用一級分類標準,結合人工目視解譯和隨機森林法將研究區土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地,其中未利用地包含鹽堿地、沼澤地、沙地和裸地(圖1)。分類結果經混淆矩陣精度驗證,總精度為84.763%, Kappa系數為0.82,滿足精度要求。其次,基于地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)發布的ASTER GDEM數據(30 m空間分辨率),利用ArcGIS(ESRI Company, USA)表面分析模塊計算地形坡度,并參考坡耕地的定義及坡面侵蝕臨界值[3],劃分平地(<6°)、緩坡(6°—25°,含6°)和陡坡(≥25°),研究區內6°及以上的坡地占比83.25%,其中緩坡占比57.17%。

1.3 研究方法

1.3.1空間尺度的創建

結合以往研究,本文選取河岸帶100 m、200 m、300 m、500 m、1000 m和子流域尺度來研究坡地景觀特征-水質關聯[11, 28—29]。首先,以高程數據為基礎,基于ArcGIS水文分析模塊進行水系提取并以監測站點為出水口提取子流域；再參考中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn/)發布的研究區二級流域數據[30]劃分出研究區12個監測點的子流域范圍(圖1)。其次,以子流域為邊界截取河流,并向左右兩岸延伸100 m、200 m、300 m、500 m、1000 m生成對應的河岸帶緩沖區(圖1)。

1.3.2景觀特征參數的計算

景觀組成是決定河流水質的重要因素。基于ArcGIS掩膜工具,將地表景觀數據劃分至總地類、緩坡地類、陡坡地類三種坡度尺度并導入FRAGSTAT 4.2軟件[16]計算各景觀類型的面積百分比,其中總地類包含平地類、緩坡地類和陡坡地類。

景觀格局對河流水質具有重要影響。本文選擇以往研究中對河流水質影響較大的景觀格局指數[31—32]進行分析,包括斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、最大斑塊指數(LPI)、景觀形狀指數(LSI)、蔓延度(CONTAG)、聚集度(COHESION)、聚合度(AI)、Shannon多樣性指數(SHDI)、Shannon均勻度指數(SHEI)。PD和ED指標常用來描述景觀的破碎化程度,LPI指標反映景觀內部優勢種的豐度,LSI指標表征景觀形狀的復雜程度,CONTAG、COHESION和AI指標代表景觀物理連接度和聚集程度,SHDI、SHEI表征景觀異質性和均勻度[10, 33]。

1.3.3統計分析

以SPSS 24.0軟件為平臺,首先基于K-S方法檢驗數據分布正態性,結果表明pH、DO和CODMn水質參數的雙尾漸進概率P值大于給定的顯著性水平0.05,服從正態分布。其次采用獨立樣本T檢驗計算pH、DO和CODMn水質參數在時間上的顯著性差異,并通過單因素方差分析計算pH、DO和CODMn水質參數在空間上的顯著性差異。應用Spearman相關分析方法計算坡地景觀特征與水質指標相關系數,以顯著性概率P>0.05作為指標篩選標準[34],篩選結果為：總地類耕地(AGRL)、總地類林地(FRST)、總地類建設用地(URBN)、緩坡類耕地(G_AGRL)、緩坡類草地(G_PAST)、陡坡類草地(S_PAST)及景觀格局指數PD、ED、COHESION和AI。以Canoco 5.0軟件為平臺,以水質指標作為物種變量,以相關分析選擇后的坡地景觀特征為環境變量,首先對水質參數進行降趨勢對應分析(DCA),發現排序軸第1軸長度小于3,因此選擇冗余分析(RDA)方法定量探究坡地類景觀特征對河流水質的多時空尺度影響。RDA結果排序圖中,指標夾角<90°,兩者為正相關,夾角>90°為負相關,夾角的余弦值和指標向量的相對長度表示相關強度大小。

2 結果與分析

2.1 坡地景觀空間特征分析

圖2 多空間尺度下坡地景觀結構統計圖Fig.2 Statistical map of sloping landscape structure at multiple spatial scales

研究區地形以山地丘陵為主,坡地分布較廣,緩坡占比從河岸帶100 m尺度的52.3% 緩慢增長至子流域尺度的60.7%,陡坡占比則維持在8.23%—9.92% 之間(圖2)。緩坡類的景觀類型占比情況和總地類保持一致,河岸帶100 m尺度下：總地類/緩坡類的耕地面積比>總地類/緩坡類的建設用地面積比>總地類/緩坡類的林地面積比。河岸帶200 m至1000 m尺度下：總地類/緩坡類的耕地面積比>總地類/緩坡類的林地面積比>總地類/緩坡類的建設用地面積比。子流域尺度下：總地類/緩坡類的林地面積比>總地類/緩坡類的耕地面積比>總地類/緩坡類的建設用地面積比。而總地類和緩坡地類的草地和未利用地面積占比始終最小。即在子流域尺度下,面積最廣的優勢地物為林地,而在靠近水源的河岸帶尺度下,人造地物(耕地、建設用地)成為優勢地物,且在最小的河岸帶100 m尺度下,建設用地面積超過林地面積,說明人類活動更集中在河岸帶附近,尤其是最靠近水源的河岸100 m尺度。陡坡地形坡度≥25°,人類活動受限,使其景觀類型占比與總地類和緩坡地類差異較大,表現為：陡坡類林地>陡坡類耕地>陡坡類草地>陡坡類建設用地>陡坡類未利用地。同時,陡坡地類分布情況在站點10處出現“突變”,這是因為站點10位于研究區東南部武夷山中低山區,陡坡面積占比本身較大,同時人類活動較少,景觀類型主要為林地。

景觀格局指數統計結果如表1所示。景觀格局指標在河岸帶緩沖區尺度上隨空間尺度增大,景觀破碎度增加,優勢斑塊豐度降低,形狀復雜程度增大,景觀異質性增強。具體表現為：PD、ED、LSI、SHDI和SHEI指標值在河岸帶緩沖區尺度上隨空間尺度增大而增大,LPI、CONTAG和AI指標值在河岸帶緩沖區尺度上隨空間尺度增大而減小,COHESION指標值在河岸帶先逐漸減小,隨后增大,在河岸帶300 m尺度值最小。除LSI指標值在子流域尺度明顯高于河岸帶尺度外,其余指標在兩種類型的空間尺度中無明顯差異。

表1 多空間尺度下景觀格局描述性統計(均值±標注差)

2.2 河流水質的時空格局分析

表2 水質參數季節性統計表(均值±標注差)

2.3 坡地景觀特征對河流水質的多時空尺度影響

多時空尺度下坡地景觀特征對水質的冗余分析結果如表3所示。坡地景觀特征對水質指標的解釋率≥63.21%,表明坡地景觀特征對河流的水質優劣具有重要影響。坡地景觀特征對水質的影響具有空間尺度效應,坡地景觀特征對水質的影響程度隨空間尺度增大先增強后減弱(表3)。河岸帶100 m至300 m尺度下坡地景觀特征對水質的總解釋率均>90%(表3),即河岸帶100 m至300 m范圍內的坡地景觀特征是影響河流水質的關鍵尺度。其中以河岸帶200 m尺度下坡地景觀特征對水質的總解釋率最高(非汛期：99.63%；汛期：99.87%)(表3),說明研究區河岸帶200 m尺度是影響河流水質的最有效空間尺度。空間尺度超過河岸帶300 m后,研究區坡地景觀特征對水質的影響程度隨距離增大顯著下降(表3),當尺度從河岸帶300 m增大至500 m時,總解釋率減少至非汛期時的84.99% 和汛期時的87.35%,總解釋率下降幅度超過10%；當尺度從河岸帶500 m增大至1000 m時,總解釋率在非汛期為77.63%,下降幅度為7.36%；在汛期時為72.74%,下降幅度為14.61%；當空間尺度進一步增大至子流域尺度時,總解釋率減少至非汛期時的63.21%,汛期時的63.22%,下降幅度大于9.52%。坡景觀特征與水質的關系具有季節差異,但季節差異不顯著(表3)。研究區坡地景觀特征對水質的影響程度在河岸帶100 m至500 m尺度下均汛期強于非汛期,季節差異低于2.36%；在河岸帶1000 m尺度下為非汛期強于汛期,季節差異為4.89%；在子流域尺度下無明顯季節差異。就單一坡地景觀特征指標而言,以緩坡耕地和景觀格局指標對水質參數的貢獻率最高(表3)。在河岸帶100 m和子流域尺度下,緩坡耕地對水質的整體貢獻率最大,在河岸帶100 m尺度下大于23%,在子流域尺度下大于46%,表明緩坡耕地是在距河流最近的河岸帶100 m尺度和子流域尺度中,對水質影響最大的關鍵指標。在河岸帶緩沖區尺度中,除緩坡耕地外,對水質影響最大景觀指標多為PD、ED、COHESION和AI景觀格局指標(表3),說明在河岸帶緩沖區尺度,景觀格局指標對水質的影響程度高于除緩坡耕地外的其余景觀類型指標。

圖3 水質參數類別百分比Fig.3 Percentage of water quality parameters by category DO：溶解氧 Dissolved 氨氮 ammonia nitrogen；CODMn：高錳酸鹽指數 Permanganate index；分類標準參考地表水環境質量標準(GB 3838—2002)

表3 解釋變量解釋總體水質變化百分比的冗余分析結果

圖4 坡地景觀特征與水質冗余分析結果排序圖Fig.4 Sequence diagram of redundancy analysis results of sloping landscape features and water quality AGRL：總地類耕地 Agriculture；G_AGRL：緩坡耕地 Gentle slope agriculture；URBN：總地類建設用地 Urban； G_PAST：緩坡草地 Gentle slope pasture,S_PAST：陡坡草地 Steep slope pasture；FRST：林地 Forest；PD：斑塊密度 Patch density；ED：邊緣密度 Edge density；COHESION：聚集度 Patch cohesion index；AI：聚合度 Aggregation index

3 討論

3.1 坡地景觀特征對水質的影響

3.2 景觀格局對河流水質的影響

3.3 坡地景觀特征對水質的時空差異性影響

研究結果表明,坡地景觀特征對水質的影響程度在河岸帶緩沖區大于子流域,隨空間尺度增大先增強后減弱(表3)；其中河岸帶100 m至300 m為坡地景觀影響河流水質的關鍵空間尺度,并以河岸帶200 m尺度下坡地景觀對水質影響最大。有研究認為,相較于子流域尺度,河岸帶尺度下的土地利用強烈影響河流水質[56,62]。方娜等[13]的研究解釋道可能是因為子流域面積相對較大,而研究區地形又較為復雜,污染物質在輸送至河流的途徑中被土壤存儲轉換、被植被截留吸收。洪超等[29]的研究結果表明河流兩側0—0.3 km范圍內的土地利用對水質的影響程度較大,是水污染防治的關鍵尺度。Dai 等[8]的研究同樣認為土地利用類型對入河水質的影響在緩沖區200 m尺度達到峰值,因為該區域內的生活生產污水、化肥和農藥等污染物往往直接輸送到河流,被稀釋、轉化、截留的途徑較少。因此建設和保護河岸森林防護帶可以有效地保護非點源污染物和營養鹽的輸入,起到促進水質凈化等重要作用[28]。

坡地景觀對河流水質的影響具有季節差異,且季節差異隨坡地景觀的空間尺度發生變化。河岸帶100 m至500 m尺度下,坡地景觀特征對水質的影響程度在汛期強于非汛期,季節差異低于2.36%；在河岸帶1000 m尺度下為非汛期強于汛期,季節差異為4.89%。研究區地表坡降大,汛期降雨增多,水土流失加劇,徑流攜帶污染物質在坡地地形的幫助下加速匯入河流,使得污染源地對水質的污染程度進一步加強[3]。但坡地景觀與水質的關聯程度在河岸帶1000 m尺度下卻為非汛期高于汛期,而在子流域尺度下基本無季節差異。這種坡地景觀對河流水質的季節差異影響隨空間尺度變化的原因尚不清楚,具體的變化方式和機制有待繼續深入挖掘。

4 結論

(1)坡地景觀對2015年長江上游重慶段河流水質的影響存有空間尺度效應。研究區坡地景觀與水質的關聯程度在緩沖區尺度高于子流域尺度。河岸帶100 m至300 m尺度下坡地景觀對水質參數的總解釋率大于90%,是坡地景觀影響河流水質的關鍵尺度,其中以河岸帶200 m尺度下總解釋率最大,為影響河流水質的最有效尺度。

(2)坡地景觀對2015年長江上游重慶段河流水質的影響具有季節差異,且季節差異隨觀測尺度發生變化。坡地景觀特征對河流水質的影響程度在河岸帶100 m至500 m尺度下為汛期強于非汛期；在河岸帶1000 m尺度下相反,坡地景觀對水質的總解釋率在非汛期比汛期高4.89%；在子流域尺度無明顯季節差異。

研究通過分析不同時空尺度下坡地景觀特征與河流水質的關系,確定了水污染防治的關鍵時空尺度和重要景觀特征。研究在常規的景觀特征-水質關聯分析基礎上,充分考慮了地形坡度的影響,結果更貼合山地丘陵區的真實狀況,可為山地丘陵區的水環境保護提供參考。