密云水庫上游不同空間尺度景觀格局指數與水質相關性研究

摘 要：密云水庫是北京市重要地表飲用水水源地，開展不同空間尺度景觀格局指數與水質相關性分析，可以精準識別水源保護的關鍵區域。以密云水庫上游為研究區域，基于水質監測數據和土地利用數據，利用相關性分析和冗余分析等方法，對２０１５ 年、２０１８年、２０２０ 年研究區水質和景觀格局指數進行分析，揭示不同空間尺度景觀格局指數與水質的相關性，結果表明：密云水庫上游不同尺度緩沖區土地利用類型主要為耕地、林地、草地；隨著緩沖區半徑的增大，景觀破碎程度降低、斑塊數量逐漸增多、不同類型斑塊之間的分離程度逐漸提高；不同尺度緩沖區優勢景觀連通性差別不大，景觀組成豐富度和均勻度接近；除ＴＮ 外，研究區其余水質指標基本達到地表水Ⅱ類水質標準；半徑為２ ０００ ｍ 的緩沖區景觀格局指數對水質的解釋度最高，２ ０００ ｍ 緩沖區是改善水質的關鍵區域。

關鍵詞：水質；景觀格局指數；相關性分析；密云水庫上游

中圖分類號：ＴＶ２１１．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１１．０１８

引用格式：范霄寒，薛萬來，王賽超，等．密云水庫上游不同空間尺度景觀格局指數與水質相關性研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１１）：１１４－１２０．

水資源是人類生存和發展不可替代的重要資源，而水質對區域生態環境、農業發展等有重要影響［１］ ，然而隨著城市化進程加快、人口數量增加，水質惡化等問題突出［２］ 。景觀格局受人類活動和自然環境的影響，景觀格局也影響著水體內生物活動和水文過程，進而影響水質。景觀格局對非點源污染物的產生、轉移和變換過程起著重要作用［３－５］ 。因此，開展景觀格局指數與水質相關性分析對于土地利用管理和水資源保護具有重要意義［６］ 。

景觀格局指數與水質相關性研究是生態學研究的熱點之一［７－９］ ，研究主要分為兩方面：一是探究水質與景觀格局指數之間的相關性，二是利用景觀格局指數分析不同土地利用類型對水質的影響［１０－１２］ 。目前關于不同空間尺度景觀格局指數與水質相關性進行了大量研究，如：方娜等［１３］ 研究鄱陽湖濕地水質發現，小流域尺度土地利用類型與水質的相關性低于緩沖區尺度的；曹燦等［１４］ 研究發現艾比湖區３００ ｍ 緩沖區內景觀格局指數與水質的相關性最強。

密云水庫作為北京市重要地表飲用水水源地，對保障北京市水資源調度配置和供水安全發揮著不可替代的作用。目前，不少學者開展了密云水庫水質研究［１５］ ，但關于密云水庫不同空間尺度下景觀格局指數與水質相關性的研究較少。因此，本文分析２０１５ 年、２０１８ 年、２０２０ 年密云水庫上游水質空間變化特征，并分析不同空間尺度下景觀格局指數與水質的關系，精準識別水源保護的關鍵區域，以期為密云水庫上游水源保護的精細化管控提供支撐。

１ 材料與方法

１．１ 研究區概況

密云水庫上游流域面積１．５８ 萬ｋｍ２，其中北京市所占面積為０．３５ 萬ｋｍ２，涉及密云區、延慶區、懷柔區；河北省所占面積為１．２３ 萬ｋｍ２，涉及張家口市沽源縣、赤城縣，承德市興隆縣、灤平縣、豐寧滿族自治縣。流域地勢西北高、東南低，以山地為主，其西部為白河流域，東部為潮河流域，主要有潮河、白河、天河、黑河、湯河５ 大支流。流域屬溫帶季風性氣候區，土壤類型主要為褐土和棕壤土，降水集中在６—８ 月，多年平均降水量為４９４ ｍｍ［１６］ 。

１．２ 數據來源及處理

研究所采用水質數據來源于實測數據，其中監測點主要位于河流與山區溝道交匯處，能夠反映產匯流特點。共設１７ 個監測點，其中白河６ 個、黑河２ 個、湯河２ 個、潮河７ 個。水質監測指標包括溶解氧（ＤＯ）、總氮（ＴＮ）、總磷（ＴＰ）、氨氮（ＮＨ＋４ －Ｎ）濃度及高錳酸鹽指數（ＣＯＤＭｎ）。每年８ 月進行水樣采集，其中溶解氧采用《水質溶解氧的測定碘量法》（ＧＢ ７４８９—１９８７）中方法測定，總氮采用《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（ＨＪ ６３６—２０１２）中方法測定，總磷采用《水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法》（ＧＢ／ Ｔ １１８９３—１９８９）中方法測定，氨氮采用《水質氨氮的測定納氏試劑分光光度法》（ＨＪ ５３５—２００９）中方法測定，高錳酸鹽指數采用《水質高錳酸鹽指數的測定》（ＧＢ／ Ｔ １１８９２—１９８９）中方法測定。土地利用數據來源于中國３０ ｍ 土地覆被數據集，土地利用類型分為耕地、林地、灌木、草地、水域、未利用地、不透水面７ 種［１７］ 。

運用ＡｒｃＧＩＳ 建立１７ 個水質監測點的緩沖區，緩沖區半徑選取１００、２００、５００、１ ０００、１ ５００、２ ０００、２ ５００ ｍ，通過與土地利用數據疊加，獲取不同尺度緩沖區的土地利用類型，并利用Ｆｒａｇｓｔａｔｓ４．２ 軟件計算不同尺度緩沖區的景觀格局指數，通過相關性分析和冗余分析探究密云水庫上游不同空間尺度景觀格局指數與水質的關系。

１．３ 研究方法

１）景觀格局指數。根據研究流域實際情況，從景觀豐富度、景觀破碎度、景觀聚集度及景觀多樣性等角度選取１０ 個景觀格局指數［６］ ，見表１。利用ＡｒｃＧＩＳ和Ｆｒａｇｓｔａｔｓ４．２ 軟件計算各景觀格局指數。

２）統計分析方法。利用ＳＰＳＳ 軟件對不同尺度緩沖區景觀格局指數與水質指標進行相關性分析。為了更直觀顯示景觀格局指數對水質的影響， 利用Ｃａｎｏｃｏ５ 軟件進行冗余分析（ＲＤＡ），進一步揭示水質與景觀格局指數的關系。

２ 結果與分析

２．１ 不同尺度緩沖區土地利用類型

密云水庫上游不同尺度緩沖區土地利用類型面積計算結果表明，耕地、林地、草地面積占比較大；緩沖區半徑為１００、２００ ｍ 時，主要土地利用類型為耕地和不透水面；緩沖區半徑為５００ ｍ 時，主要土地利用類型為耕地；緩沖區半徑為在１ ０００、１ ５００、２ ０００、２ ５００ ｍ 時，林地、草地、耕地３ 種土地利用類型面積之和占緩沖區總面積的９０％以上。隨著緩沖區半徑的增大，耕地、水域、不透水面面積占比呈減小趨勢，林地和草地面積占比呈增大趨勢，其中水域在所有緩沖區中面積占比都較小。２０１５ 年、２０１８ 年、２０２０ 年不同尺度緩沖區土地利用類型發生變化，但變化不大。除半徑１００ ｍ 緩沖區外，不同尺度緩沖區耕地面積呈先減小后增大變化趨勢；林地、水域、不透水面面積有不同程度增大，在半徑為２ ５００ ｍ 緩沖區分別增加了８．４％、１３． ７％、１８．２％；草地面積呈減小趨勢，在半徑為２ ０００ ｍ 緩沖區減少了９．６％；未利用地、灌木面積變化相對較小，未利用地基本保持不變，灌木面積呈減小趨勢。

２．２ 不同尺度緩沖區景觀格局指數

對不同尺度緩沖區景觀格局指數進行分析處理，結果見圖１。面積－密度－邊緣類指數主要描述景觀中斑塊的數量和面積，以及斑塊的邊緣長度，ＬＰＩ 最大值出現在半徑為２００ ｍ 的緩沖區，最小值出現在半徑為２ ５００ ｍ 的緩沖區，表明半徑２ ５００ ｍ 緩沖區人類活動對景觀的干擾較大。隨著緩沖區半徑逐漸增大，ＰＤ逐漸減小，表明隨著緩沖區半徑的增大，研究區景觀破碎程度減小。ＮＰ 隨著緩沖區半徑的增大而增大。

蔓延度與離散度指數反映不同類型斑塊之間的空間分布情況以及混合狀況。ＬＳＩ、ＤＩＶＩＳＩＯＮ 和ＣＯＨＥ?ＳＩＯＮ 變化趨勢大致相同，３ 種指數均隨著緩沖區半徑的增大而增大，說明研究區斑塊分布復雜程度、景觀類型連通性和不同類型斑塊之間的分離程度隨著緩沖區半徑的增大而增大。隨著緩沖區半徑的增大，ＡＩ、ＣＯＮＴＡＧ 整體變化較小，表明不同半徑緩沖區優勢景觀連通性差別不大。

多樣性指數ＳＨＤＩ、均勻度指數ＳＨＥＩ 描述景觀組成的豐富度和均勻度，不受斑塊空間格局的影響。不同半徑緩沖區ＳＨＤＩ、ＳＨＥＩ 相差不大，即不同半徑緩沖區景觀組成豐富度和均勻度接近。半徑為２ ０００ ｍ 的緩沖區ＳＨＤＩ 均值最大，說明半徑為２ ０００ ｍ 的緩沖區景觀類型更多樣。半徑為５００ ｍ 的緩沖區ＳＨＥＩ 均值最大，說明半徑５００ ｍ 緩沖區景觀類型更均衡。

２．３ 水質分析

１）密云水庫上游水質分析。根據密云水庫上游１７ 個水質監測點監測數據，統計得到２０１５ 年、２０１８年、２０２０ 年研究區水質特征，見表２。密云水庫上游，ＮＨ＋４ －Ｎ 和ＴＰ 平均值滿足地表水Ⅱ類水質標準，且呈減小趨勢；ＤＯ 平均值滿足地表水Ⅱ類水質標準，且呈增大趨勢；ＣＯＤＭｎ 平均值先減小后增大，ＣＯＤＭｎ 平均值滿足地表水Ⅱ類水質標準；ＴＮ 污染較為嚴重，ＴＮ 平均值逐漸增大。從變異程度看，密云水庫上游ＴＰ、ＮＨ＋４ －Ｎ、ＤＯ、ＴＮ、ＣＯＤＭｎ屬于中等變異（１０％≤變異系數≤１００％），說明５ 種水質指標具有很強的空間分異特征。

２）密云水庫上游水質時空變化。根據《地表水環境質量標準》（ＧＢ ３８３８—２００２），對２０１５ 年、２０１８ 年、２０２０ 年５ 種水質指標進行時空變化分析，結果見圖２。除潮河外，密云水庫上游ＤＯ 波動較小，呈增大趨勢，２０２０ 年ＤＯ 滿足地表水Ⅰ類水質標準的監測點占９４％。ＴＰ 呈減小趨勢，２０２０ 年滿足地表水Ⅰ類水質標準的監測點占５３％，所有監測點均滿足地表水Ⅱ類水質標準。ＮＨ＋４ －Ｎ 呈減小趨勢，滿足地表水Ⅰ類水質標準的監測點占比從２０１５ 年的５３％增大到２０２０ 年的１００％，２０１５ 年、２０１８ 年、２０２０ 年大部分監測點滿足地表水Ⅰ類水質標準，所有監測點均滿足地表水Ⅱ類水質標準，其中潮河上游和白河上游ＮＨ＋４ －Ｎ 污染較嚴重。ＣＯＤＭｎ呈先減小后增大趨勢，２０１５ 年、２０２０ 年大部分監測點滿足地表水Ⅱ類水質標準，其中潮河和白河相較于其他支流ＣＯＤＭｎ污染嚴重。對比其他水質指標，ＴＮ 污染嚴重，８２％以上監測點ＴＮ 超過地表水Ⅴ類水質標準，且ＴＮ 呈逐年增大趨勢。

２．４ 水質與景觀格局指數關系分析

１）不同空間尺度景觀格局指數與水質相關性分析。采用Ｐｅａｒｓｏｎ 相關性分析方法對密云水庫上游不同空間尺度景觀格局指數與水質的關系進行分析，結果見圖３，其中不同半徑緩沖區中長橢圓形從左至右分別代表ＮＰ、ＳＨＤＩ、ＬＰＩ、ＣＯＨＥＳＩＯＮ、ＤＩＶＩＳＩＯＮ、ＳＨＥＩ、ＣＯＮＴＡＧ、ＡＩ、ＰＤ、ＬＳＩ；紅色代表正相關，藍色代表負相關，顏色越深相關性越強；?表示在０．０５ 水平（雙側）顯著相關。

ＮＰ 與ＰＤ 分別反映景觀中斑塊數量和破碎度，二者與ＴＮ 在半徑為１ ０００、１ ５００、２ ０００、２ ５００ ｍ 的緩沖區顯著正相關，說明景觀組成的分裂程度和破碎度影響密云水庫上游水體氮的濃度。ＬＰＩ 反映最大斑塊面積占比，在不同半徑緩沖區，ＬＰＩ 除與ＮＨ＋４ －Ｎ 正相關外，與其他指標大多為負相關，這與密云水庫上游的優勢景觀類型是林地和草地有關，當優勢景觀類型為“匯”（能夠攔截或消納外來污染物的景觀類型）時，水質會得到較大改善。

ＬＳＩ 反映景觀中斑塊形狀特征，ＡＩ 反映景觀中斑塊聚集程度。在半徑為２ ０００、２ ５００ ｍ 的緩沖區，ＬＳＩ與ＴＮ 顯著正相關，ＡＩ 與ＴＮ 顯著負相關，斑塊邊界越不規則、景觀破碎化越嚴重，水體越容易被污染，這一結果與喬郭亮等［６］ 在蘇南地區的研究結論一致。ＣＯＮＴＡＧ 代表不同類型斑塊的蔓延程度，反映景觀之間的離散程度，其與ＴＮ、ＣＯＤＭｎ負相關，主要原因是優勢景觀林地和草地可以減輕水體污染情況。ＣＯＨＥＳＩＯＮ 代表斑塊之間的連通性，在半徑為１ ５００、２ ０００、２ ５００ ｍ 的緩沖區與ＴＮ 顯著負相關，表明隨著ＣＯＨＥＳＩＯＮ 增大，景觀朝著高連通方向發展，進而加劇ＴＮ 的污染。

ＳＨＤＩ 和ＳＨＥＩ 反映各斑塊類型的異質性與景觀類型的豐富度、均勻程度。景觀類型越多，河流流經“源”景觀（能夠促進污染物釋放或引入外來污染物的景觀類型） 的可能性越大，水質下降的可能性越大。ＳＨＤＩ 越大意味著人類活動對當地生態環境干擾強度越大，而河流水質變差與人類活動干擾有很大關系。ＳＨＤＩ、ＳＨＥＩ 與ＴＮ、正相關，這一結果與劉可暄等［４］ 認為景觀類型的復雜程度對水質影響較顯著的結論一致。

２）不同空間尺度景觀格局指數與水質的冗余關系分析。運用Ｃａｎｏｃｏ５ 軟件分析不同尺度景觀格局指數與水質指標的冗余關系，２０２０ 年水質除趨勢對應分析（ＤＣＡ）結果見表３。所有排序軸中，最長梯度值為０．８（小于３．０），因此采用冗余分析（ＲＤＡ）研究水質與景觀格局指數的關系是適宜的。半徑為２ ０００ ｍ 的緩沖區景觀格局指數對水質的解釋度最高，為４７．０％，該尺度緩沖區第一軸特征值、相關系數分別為０．３０、０．９２４，其排序圖能夠很好地反映景觀格局指數與水質的關系，半徑為２ ０００ ｍ 的緩沖區是改善水質的關鍵區域，這一結果與陳優良等［１８］ 對東江源的研究結論一致。

密云水庫上游半徑為２ ０００ ｍ 的緩沖區水質與景觀格局指數ＲＤＡ 結果見圖４，圖中兩類箭頭之間夾角代表變量之間的相關性，角度越大相關程度越高，夾角的余弦代表相關系數，夾角大于９０°為負相關，夾角小于９０°為正相關，橫縱軸均為相關系數，其中值越大相關性越高。ＤＯ、ＴＮ 與ＬＳＩ、ＰＤ、ＮＰ、ＤＩＶＩＳＩＯＮ、ＳＨＤＩ、ＳＨＥＩ 正相關，與其他景觀格局指數負相關；ＴＰ、ＮＨ＋４ －Ｎ 與ＬＰＩ、ＣＯＨＥＳＩＯＮ、ＣＯＮＴＡＧ、ＡＩ 正相關，與其他景觀格局指數負相關；ＣＯＤＭｎ 與ＡＩ、ＤＩＶＩＳＩＯＮ、ＳＨＤＩ、ＳＨＥＩ正相關，與其他景觀格局指數負相關；景觀格局指數對ＣＯＤＭｎ與ＴＮ 的影響較大。

３ 討論

１）景觀格局指數與水質的相關性。最大斑塊指數ＬＰＩ 反映最大斑塊面積占整個景觀面積的比例。康文華等［１９］ 研究以林地為主要景觀的地區發現，ＬＰＩ 與污染物含量負相關；郭玉靜等［２０］ 研究以耕地為主要優勢景觀的普者黑巖溶湖泊濕地發現，ＬＰＩ 與水體污染程度正相關。表明當優勢景觀為“源”景觀時，ＬＰＩ 與水質惡化有顯著關系；當優勢景觀為“匯”景觀時，則有利于水質改善。對于ＣＯＮＴＡＧ、ＳＨＤＩ，也不能簡單地從數值大小判斷其對水質的影響，需要結合研究區優勢景觀類型一同分析［２１］ 。王志芳等［２２］ 研究表明，景觀多樣性豐富，若“源”景觀（建筑用地、耕地）為優勢景觀類型，則會導致水質惡化；若“匯”景觀（林地、草地）為優勢景觀類型，則有利于水質改善。

２）景觀格局指數與水質相關性研究的最佳緩沖區尺度。不同尺度緩沖區在景觀類型組成與結構上具有異質性，導致與水質的相關性存在差異。密云水庫上游景觀格局指數與水質的相關性隨著緩沖區尺度的不同而不同，大尺度緩沖區景觀格局指數與水質相關性較強，最佳尺度為２ ０００ ｍ，這與以往研究結果一致，比如東江源半徑為２ ０００ ｍ 的緩沖區［２３］ 景觀格局指數能夠解釋與水質的相關關系。但部分學者利用河岸帶緩沖區分析景觀格局指數與水質相關性的最佳尺度與本研究有所不同，河岸帶緩沖區最佳尺度集中在１００、２００ ｍ 等［４，２４］ 。出現差異的原因可能是，某些土地利用數據分辨率過低，圓形緩沖區不能充分詮釋采樣點周圍景觀格局。小尺度河岸帶緩沖區能夠有效詮釋整條河流沿線景觀格局，但河流過長就無法聚焦采樣點周圍景觀格局指數與水質之間的關系，在后續研究中可以將圓形緩沖區和河岸帶緩沖區結合起來進行景觀格局指數與水質相關性研究。

４ 結論

通過相關性分析與冗余分析對密云水庫上游不同尺度緩沖區景觀格局指數與水質的相關性進行了研究，結論如下：密云水庫上游水質采樣點不同尺度緩沖區主要土地利用類型為耕地、林地、草地，隨著緩沖區半徑的增大，耕地面積占比逐漸減小，草地和林地面積占比逐漸增大；隨著緩沖區半徑增大，緩沖區內景觀破碎程度降低、斑塊數量逐漸增多、不同類型斑塊之間的分離程度逐漸提高，不同尺度緩沖區優勢景觀連通性差別不大，景觀組成豐富度和均勻度接近；密云水庫上游水質整體呈好轉趨勢，但ＴＮ 污染依舊嚴重，２０１５年、２０１８ 年和２０２０ 年大部分監測點ＴＮ 濃度超過了Ⅴ類水質標準，其余水質指標基本達到Ⅱ類水質標準；通過冗余分析得出半徑為２ ０００ ｍ 的緩沖區景觀格局指數對水質的解釋度最高，作為改善水質的關鍵區域應重點關注。

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【責任編輯 呂艷梅】

基金項目： 北京市科技計劃課題（ Ｚ２２１１００００００１１２００６，Ｚ２２１１００００５２２２０１３）