土地利用和景觀格局對(duì)秦嶺典型流域水質(zhì)時(shí)空變化的影響

徐國(guó)策,趙超志,熊 萍,彭建博,王 波,喬海亮

(1. 西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710048;2. 陜西交通控股集團(tuán)有限公司,西安 710068;3. 陜西省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,西安 710082)

0 前 言

20世紀(jì)80年代以來,隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,水污染狀況日益嚴(yán)重,特別是地表水環(huán)境污染成為我國(guó)環(huán)境問題中一個(gè)突出問題,嚴(yán)重影響人民的飲用水安全。丹江流域是南水北調(diào)中線的水源區(qū),流域面積和入庫(kù)流量分別占丹江口水庫(kù)總控制面積和入庫(kù)徑流總量的70%以上,丹江流域水質(zhì)的優(yōu)劣直接影響南水北調(diào)中線用水安全和調(diào)入?yún)^(qū)社會(huì)穩(wěn)定[1-2]。保持流域良好的水質(zhì)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義。近年來,由于人類活動(dòng)的影響,丹江流域也面臨著水質(zhì)惡化的問題[3-4],提升和保障丹江水源地水質(zhì)安全刻不容緩。

土地利用對(duì)水質(zhì)的影響一直備受研究學(xué)者的關(guān)注[5-8]。流域土地利用方式是影響流域水環(huán)境質(zhì)量變化的重要人為驅(qū)動(dòng)力之一。張福平等[9]發(fā)現(xiàn)土地利用對(duì)水質(zhì)的影響隨著緩沖區(qū)增大逐漸減弱,流域近岸帶的土地利用對(duì)河流水環(huán)境質(zhì)量的影響最大。Ding等[10]分析了土地利用格局對(duì)水質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)耕地、草地是影響流域水質(zhì)的重要因素。化肥過量的施用導(dǎo)致耕地土壤中氮磷殘留量過高,過量養(yǎng)分會(huì)隨著降雨徑流-產(chǎn)沙過程進(jìn)入河流,造成水質(zhì)污染。林地和草地植被通過降雨截流、增加土壤入滲、根系固土等方式減少水土流失[11-12],從而降低污染物入河通量。建設(shè)用地會(huì)產(chǎn)生過量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和沉積物對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生不利影響,不透水的道路和屋頂?shù)仍黾恿宋廴疚锏呐欧徘繹12-13],從而影響地表水的生態(tài)特征和穩(wěn)定性。張軍等[14]分析了丹江流域植被格局及徑流污染物特征,發(fā)現(xiàn)高植被NDVI條件下土壤養(yǎng)分含量較低且養(yǎng)分流失量較小。在人為干擾較小的流域,高NDVI可以反映良好的水質(zhì),而在城市面積較大的流域,由于NDVI變化與污染物排放的一致性,NDVI與水質(zhì)呈負(fù)相關(guān)[15]。

景觀格局對(duì)水質(zhì)有重要影響。Shi等[12]研究表明土地利用結(jié)構(gòu)通常與流域內(nèi)的水質(zhì)有關(guān),而景觀格局可能是更為敏感的水質(zhì)預(yù)測(cè)因子。景觀指數(shù)常用于分析景觀格局與水質(zhì)關(guān)系。景觀形狀指數(shù)(LSI)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、斑塊結(jié)合度(COHE)、邊緣密度(ED)、香濃多樣性(SHDI)、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)等常被納入景觀格局分析,這些指數(shù)從密度、形狀、優(yōu)勢(shì)和分散性等方面量化了土地利用空間格局信息[5,12,15-16]。Hu等[17]發(fā)現(xiàn)景觀格局比土地利用比例能夠更好解釋水質(zhì)變化。楊強(qiáng)強(qiáng)等[18]發(fā)現(xiàn)斑塊個(gè)數(shù)、平均最近鄰體距離、聚集度指數(shù)對(duì)鄱陽(yáng)湖流域贛江水質(zhì)水質(zhì)影響顯著。景觀格局通過綜合水文過程和養(yǎng)分過程,對(duì)水質(zhì)有重要影響。

丹江流域是南水北調(diào)中線工程的重要水源涵養(yǎng)區(qū)。20世紀(jì)90年代以來,為了保護(hù)水生態(tài)和減少水土流失,政府實(shí)施了天然林保護(hù)、退耕還林、坡改梯等生態(tài)建設(shè)工程。了解植被覆蓋、土地利用和景觀格局變化對(duì)水質(zhì)的影響,對(duì)生態(tài)文明建設(shè)和水質(zhì)管理至關(guān)重要。本文基于丹江流域2009—2015年長(zhǎng)時(shí)期水質(zhì)數(shù)據(jù),探討丹江流域水質(zhì)變化與土地利用、植被覆蓋及景觀格局的響應(yīng)關(guān)系,揭示丹江流域水質(zhì)的時(shí)空變異特征,明確影響流域水質(zhì)的主要因素及其對(duì)水質(zhì)的貢獻(xiàn),從而為丹江流域水質(zhì)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

丹江流域(陜西段)位于陜西省東南部(北緯33°12′～34°11′、東經(jīng)109°30′～111°1′),總面積約7 551 km2(見圖1)。研究區(qū)具有亞熱帶向暖溫帶過渡的季風(fēng)氣候特征,多年平均氣溫14 ℃,多年平均降水量800 mm,其中7—9月的降水量占全年降水量的46%左右。研究區(qū)土壤類型以黃棕壤和沙質(zhì)土為主,地勢(shì)西北高東南低,土地利用類型可分為林地、草地、耕地和水域,其中林地以針葉林、闊葉林、落葉林、灌木為主,耕地以水稻和冬小麥為主。作為南水北調(diào)中線工程的重要水源地,丹江流域(陜西段)的水質(zhì)質(zhì)量和安全直接對(duì)丹江口水庫(kù)庫(kù)區(qū)水質(zhì)產(chǎn)生重要影響。

圖1 地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn),空間分辨率為30 m。歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn),數(shù)據(jù)系列為2009年1月至2015年12月,空間分辨率為1 km,時(shí)間分辨率為10 d。土地利用數(shù)據(jù)(1∶100 000)來源于中國(guó)土地利用數(shù)據(jù)庫(kù),共選取2005、2010年和2015年3期土地利用數(shù)據(jù)。

丹江3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)數(shù)據(jù)由陜西省商洛市水文局提供,選取2009—2015年月尺度水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)中國(guó)國(guó)家環(huán)保局2002年《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,對(duì)pH、電導(dǎo)率(EC)、溶解氧(DO)、硝態(tài)氮(NN)、總磷(TP)、生化需氧量(BOD5)6類水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分析,其中現(xiàn)場(chǎng)用HQ 30d測(cè)定pH、EC、DO,采用稀釋與接種法、比色法和鉬酸銨分光光度法分別測(cè)定BOD5、NN和TP。為分析時(shí)間變化,將5—10月劃分為汛期,11月至次年4月劃分為非汛期。景觀指數(shù)選擇了景觀形狀指數(shù)(LSI)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、斑塊結(jié)合度(COHE)、香濃多樣性(SHDI)、斑塊密度(PD)6個(gè)景觀指數(shù)(見表1)。

表1 景觀指數(shù)描述

1.3 研究方法

植被覆蓋度VC[19]使用公式計(jì)算:

(1)

式中:VC為植被覆蓋度;NDVImax和NDVImin分別為丹江流域NDVI的最大值和最小值。

冗余分析方法(RDA)是研究水質(zhì)指標(biāo)與環(huán)境變量(土地利用/景觀指數(shù))之間復(fù)雜關(guān)系的一種有效分析方法[12,15],使用CANOCO 4.5軟件進(jìn)行分析,它能夠從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度評(píng)價(jià)一組變量與另一組多變量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。其優(yōu)點(diǎn)在于它不僅能夠獨(dú)立保持各個(gè)環(huán)境變量對(duì)水質(zhì)指標(biāo)變化的貢獻(xiàn)率,而且能夠有效地對(duì)多個(gè)解釋變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。箭頭之間夾角的余弦值表示兩個(gè)對(duì)應(yīng)變量之間的相關(guān)性,銳角表示兩個(gè)變量正相關(guān),反之則負(fù)相關(guān)。

使用FRAGSTATS 4.0軟件計(jì)算景觀指數(shù)。水質(zhì)指標(biāo)用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析和單因素方差分析。使用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)計(jì)算植被覆蓋度的變化趨勢(shì),根據(jù)趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果將植被覆蓋度變化分為嚴(yán)重退化、輕微退化、穩(wěn)定不變、輕微改善和明顯改善五類。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被覆蓋度及NDVI的變化

2009—2015年丹江流域植被覆蓋度空間變化如圖2所示。由圖2可知,植被覆蓋度總體呈改善趨勢(shì),其中輕微改善和輕微退化分別占總面積的65.6%和20.6%。流域上游、中游、下游植被覆蓋度分別為93%、92%和93%。流域汛期NDVI值遠(yuǎn)高于非汛期NDVI值(見圖3),其中汛期NDVI變異系數(shù)小于10%,表現(xiàn)為弱變異性,非汛期NDVI的變異系數(shù)介于10%～100%,表現(xiàn)為中等變異性。

圖2 2009—2015年丹江流域植被覆蓋度的變化趨勢(shì)

圖3 2009—2015年汛期、非汛期NDVI變化

2.2 土地利用類型及數(shù)量變化

2015年丹江流域的主要土地利用類型是林地和草地,分別占丹江流域總面積的35.91%和40.92%。耕地占總土地面積21.93%,而建筑用地和水域面積比例較小,分別為1.06%和0.18%。2005—2015年丹江流域的土地利用發(fā)生了顯著變化(見表2),與2005年相比,耕地、草地、水域分別減少了1.08%、0.11%、16.98%,而林地和建筑用地分別增加了0.68%和6.58%。水域和建筑用地變化幅度較大。從地類去向來看,耕地主要流出到林地、草地和建筑用地,面積為33.73 km2。草地主要流出到耕地,面積為10.16 km2;水域主要流出到林地,面積為1.82 km2。從地類流入來源來看,流入林地的地類主要為草地和耕地,面積為10.01 km2和8.04 km2。流入建筑用地的地類大多為耕地,面積為10.01 km2。總體來看,2005—2015年土地利用變化趨勢(shì)為耕地、草地減小較小,建筑用地和水域增幅略大,林地略有增加。

表2 2005—2015年丹江流域土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

2.3 水質(zhì)參數(shù)時(shí)空變化特征

丹江流域水質(zhì)的空間變化和季節(jié)變化均有一定差異(見表3和圖4)。除DO、NN和BOD5外,EC、pH、TP在流域上、中、下游呈現(xiàn)出顯著的空間變化(p<0.05)。中游地區(qū)的EC、NN、TP平均值較上游分別高11.62%、9.84%、166.67%,較下游分別高10.57%、2.29%、33.33%。上游pH高于中游和下游地區(qū)。汛期和非汛期水質(zhì)參數(shù)存在顯著差異(圖4)。DO在不同季節(jié)差異顯著(p<0.05),EC與DO表現(xiàn)出相似的規(guī)律,非汛期平均值高于汛期,DO和EC的最低值均出現(xiàn)在汛期上游斷面(麻街)。pH值在7.3～8.5,非汛期較高,汛期低。上、中、下游非汛期硝態(tài)氮較汛期分別增加了72.95%、75.37%和51.15%。汛期TP和BOD5高于非汛期,但是上游汛期的TP略低于非汛期,BOD5的在汛期和非汛期變化幅度較小。根據(jù)GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,汛期和非汛期的DO和BOD5符合Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),TP符合Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。汛期NN符合Ⅳ水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 流域水質(zhì)影響因素分析

基于RDA分析了流域的NDVI、土地利用、景觀指數(shù)對(duì)河流水質(zhì)指標(biāo)的貢獻(xiàn)(見表4和圖5)。所選擇指標(biāo)對(duì)河流水質(zhì)的總解釋度在67.3%以上,對(duì)汛期水質(zhì)變化的解釋量增加了4.2%。NDVI、土地利用和景觀配置對(duì)河流水質(zhì)的影響有顯著的季節(jié)差異。汛期水質(zhì)變化的主要影響因素有NDVI、LSI、CONTAG、耕地、林地,對(duì)汛期水質(zhì)的解釋度分別為7.1%、9.2%、8.4%、9.8%、11.2%。非汛期水質(zhì)變化的主要影響因素有NDVI、COHE、耕地、林地,對(duì)非汛期水質(zhì)的解釋度分別為6.4%、7.3%、10.3%、8.7%。NN和TP是丹河流域的主要污染物。NN、TP與林地、草地成呈相關(guān),與建筑用地、耕地呈正相關(guān)。在汛期,BOD5、TP與林地、LSI呈負(fù)相關(guān);在非汛期,NN、TP與NDVI呈負(fù)相關(guān),與COHE、 CONTAG呈正相關(guān)。在排序圖中,汛期EC、NN、TP的箭頭較長(zhǎng),表明土地利用、景觀指數(shù)對(duì)其影響程度較高。非汛期DO、NN 、TP 、BOD5的箭頭較長(zhǎng),表明對(duì)其影響程度較高。

表4 基于RDA分析各影響因素對(duì)水質(zhì)影響的解釋度

圖5 水質(zhì)與影響因子的RDA排序

3 討 論

3.1 水質(zhì)季節(jié)性變化

水質(zhì)指標(biāo)空間變化和季節(jié)變化顯著。中游pH顯著低于上游和下游,最低出現(xiàn)在汛期中游的丹鳳斷面,這可能是因?yàn)橹杏味蝡H值在汛期更加頻繁的處于低值。非汛期的DO平均值比于汛期高18%左右,水溫是影響溶解氧的主要因素,水溫越低溶解氧越高,因此非汛期溶解氧濃度較高[15]。水體EC表征了水體傳導(dǎo)電流的能力,與水中含有的無機(jī)酸、堿、鹽和有機(jī)帶電膠體密切相關(guān)[12]。EC會(huì)隨離子濃度的增大而增加,反之亦然。EC在汛期出現(xiàn)最低值,最低值為250 μS/cn。汛期降雨量的增大,導(dǎo)致大量的雨水及其形成的徑流匯入丹江中,稀釋了水體中各離子的濃度[7],導(dǎo)致EC降低。而非汛期的下游段EC較高,非汛期水量補(bǔ)給最少,使水中電離子的濃度相對(duì)汛期增大,是EC比汛期偏高的主要原因[20]。

NN在非汛期達(dá)到最大值,這與春季時(shí)融雪水淋溶了整個(gè)冬季枯枝落葉分解物有關(guān)。此外,降水和徑流的季節(jié)性變化對(duì)NN濃度也有很大影響。汛期降雨和徑流的稀釋作用,使得低濃度的NN在汛期更頻繁。汛期上游的麻街?jǐn)嗝鍺N平均值小于中、下游,上游耕地少于中、下游,且汛期植物生長(zhǎng)也需要消耗一定量的氮元素[21],這也是汛期硝態(tài)氮濃度降低的原因之一。上游在汛期TP含量比非汛期降低,中、下游的含量基本穩(wěn)定,比上游地區(qū)增加較大,尤其在汛期變化幅度明顯增大。丹江水系中的TP含量與農(nóng)業(yè)用肥和雨水沖刷有直接關(guān)系[22-24],磷元素會(huì)隨森林覆蓋率及降雨量的多少而發(fā)生季節(jié)性變化。上游區(qū)域大面積林草地有效攔截了泥沙、吸附和分解污染物[15]。而中、下游植被覆蓋相對(duì)減少,建筑用地和農(nóng)業(yè)用地面積增加[5],在汛期降雨徑流作用下,將土壤中的磷元素直接帶入丹江,增大了水中的磷含量。統(tǒng)計(jì)期內(nèi)汛期降雨不均,波動(dòng)范圍大,也是磷含量波動(dòng)的主要原因。BOD5用來表示水中有機(jī)物在微生物的生化作用下氧化分解,使之無機(jī)化或氣體化時(shí)所消耗水中溶解氧的總數(shù)量。同一季節(jié)各個(gè)斷面BOD5含量差別不大,但非汛期BOD5相對(duì)較大。BOD5的季節(jié)性特征表明河流中的生化活性在非汛期開始增加[25-26],說明水質(zhì)污染較汛期嚴(yán)重。這與非汛期徑流補(bǔ)給量少,有機(jī)物污染易于集中有關(guān)。中游丹鳳縣是人口居住集中,工業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)的地區(qū),生物需氧量相對(duì)波動(dòng)大。

3.2 水質(zhì)變化的影響因素

2005—2015年丹江流域林地、建筑用地增加,耕地基本沒變,草地和水域在減少。本研究表明城市和農(nóng)業(yè)用地對(duì)水質(zhì)有負(fù)效應(yīng),而森林草地對(duì)水質(zhì)有正效應(yīng),這與之前研究一致[9,12,14-15,27]。近年來,隨城鎮(zhèn)化發(fā)展,河流沿岸的城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展,建筑用地比例不斷增加,其中中游(丹鳳)地區(qū)的建筑用地占比最高且呈增加趨勢(shì),丹江下游建筑用地面積也在不斷擴(kuò)大。麻街位于上游,以農(nóng)業(yè)為主,建筑用地變化不大。流域內(nèi)耕地面積基本保持穩(wěn)定且略增加。建設(shè)用地和耕地對(duì)河水養(yǎng)分和泥沙濃度影響很大[5,12],給流域內(nèi)的水質(zhì)帶來負(fù)面影響。

景觀空間配置在確定生態(tài)過程起著至關(guān)重要的作用。LSI反映了景觀形狀的復(fù)雜程度,LSI越小,景觀形狀越簡(jiǎn)單。人類活動(dòng)會(huì)影響景觀的原有形狀,耕地和建筑用地的邊界通常筆直而明顯,而林草地等自然景觀通常具有不規(guī)則的形狀和邊界[12]。在汛期BOD5、TP與LSI呈負(fù)相關(guān),表明復(fù)雜的景觀形狀有利于涵養(yǎng)水土減少養(yǎng)分流失[12,28]。COHE與SHDI與水質(zhì)參數(shù)呈正相關(guān),并在冗余分析中對(duì)水質(zhì)有較高的解釋量,高連通性和高豐富度的景觀對(duì)河流水質(zhì)有不利影響[14-15,29]。NDVI是影響丹河流域水質(zhì)季節(jié)變化的重要因素,NDVI與非汛期NN、TP呈負(fù)相關(guān),與汛期NN、TP呈正相關(guān)。汛期NDVI變化對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生不利影響,這可能是其變化規(guī)律與農(nóng)業(yè)活動(dòng)的變化一致導(dǎo)致[15]。丹江流域的NDVI、農(nóng)業(yè)活動(dòng)從非汛期到汛期逐漸增加,當(dāng)非汛期這些活動(dòng)減少時(shí),NDVI也逐漸減少。此外,考慮到上游段的NDVI增長(zhǎng)率最高,上游段的水質(zhì)也相對(duì)較好,尤其是在主要污染物(NN和TP)方面。

4 結(jié) 語(yǔ)

丹江水質(zhì)呈現(xiàn)顯著空間和季節(jié)變化。土地利用、景觀格局和植被覆蓋對(duì)水質(zhì)均有影響,各影響因子對(duì)水質(zhì)的貢獻(xiàn)也呈季節(jié)性變化。水質(zhì)變化的主要影響因素有NDVI、LSI、COHE、CONTAG、耕地、林地。城市、農(nóng)業(yè)用地以及高連通性和高豐富度的景觀對(duì)水質(zhì)有負(fù)效應(yīng),而森林、草地以及形狀復(fù)雜的景觀有利于涵養(yǎng)水土和減少養(yǎng)分流失。因此,丹江水質(zhì)管理要綜合考慮土地利用、景觀格局和植被覆蓋對(duì)水質(zhì)季節(jié)性變化影響。