沮河流域景觀格局對水體氮磷輸出的影響

摘要：探究沮河土地利用與景觀格局對氮磷輸出的影響，為當地水資源和生態系統保護以及沮河流域長期可持續發展提供數據支撐。2023年2月（枯水期）和7月（豐水期）開展沮河流域水質調查，運用遙感影像數據解譯沮河流域土地利用現狀的空間分布以及計算流域景觀格局指數，采用相關分析和冗余分析方法，從時間和空間2個維度，探討沮河子流域景觀格局與出口處氮、磷輸出關系。結果表明：（1）磷污染最大的影響因子是磷礦，枯水期氮磷污染主要來源于果園、農田和城鎮；（2）近圓形狀指數面積加權平均值對流域氮磷污染物的截留有著正向作用；（3）枯水期，礦場和水體的歐氏鄰近距離面積加權平均值，森林回旋半徑面積加權平均值、草地對比度加權邊緣密度，農田邊緣對比指數平均值是影響沮河水體中氮磷濃度變化的主要因子；在豐水期，農田和森林邊緣對比指數平均值、農田和礦場的對比度加權邊緣密度、森林近圓形狀指數面積加權平均值、礦場歐氏鄰近距離面積加權平均值、森林鄰近指數面積加權平均值是影響沮河水體中氮磷濃度變化的主要因子。研究結果對控制沮河水體氮磷濃度的變化有一定指導意義。

關鍵詞：景觀格局；土地利用；氮磷輸出；沮河流域

中圖分類號：P901；X143" " " " 文獻標志碼：A" " " " 文章編號：1674-3075（2025）02-0062-10

景觀格局包括景觀要素的組成和空間配置，通過影響生態過程對流域產生作用（Turner，1989）。不同的土地利用方式作為各種自然活動和社會活動的外在客觀表現，對流域水質有著重要的影響（Chen et al，2008; Liu et al，2020）。不同的景觀空間配置會使污染物的發生、遷移和轉化等過程產生差異，從而影響河流水質（Xu et al，2021）。目前，景觀格局對河流水質的影響已經成為國內外河流生態領域關注的熱點方向之一。流域土地利用和景觀格局對氮磷輸出有著較大影響（Carey et al，2011；袁軼男等，2020；祁蘭蘭等，2021；姚靜，2022），如農業、工業和城市化等對水體富營養化的影響不可忽視（Savage et al，2010；宋夢廷等，2022）。農業活動（例如施肥、灌溉和農作物種植等）是氮磷輸出的主要來源之一（沈濤等，2007；Chen et al，2008；Cao et al，2014）。此外，城市化和工業化（如工業廢水、生活污水的排放，以及交通用地的增加等）也會對流域水質產生影響，（Teng，2011；Bartarya et al，2012；黃益平；Sarker et al，2021等，2021）。

對于不同空間尺度下流域景觀格局對氮磷輸出的影響仍存在爭議（Zhou et al，2012；蔡宏等，2015；Shen et al，2015；黃益平等，2021）。一些研究表明，在集水區和緩沖區等不同空間下，景觀格局對氮磷輸出的影響存在差異（黃益平等，2021；Liu et al，2022）。蔡宏等（2015）發現緩沖區尺度的土地利用方式對水質的解釋度與子流域尺度表現出一致的規律。這些不一致的結論可能是不同研究采用的空間尺度、土地利用方式、水質指標以及數據采集時間等因素存在差異所導致。除了空間尺度，景觀格局在不同季節下對水體氮磷輸出影響也有所差異。彭勃等（2019）運用GIS技術及SPSS統計分析方法探討了枯水期與豐水期土地景觀格局對河流水質的影響，結果顯示枯水期較豐水期影響更為顯著。呂樂婷等（2021）在東江流域采用相關分析和冗余分析發現枯水期河流水質與景觀格局的相關性強于豐水期。因此，研究不同季節下流域景觀格局對氮磷輸出的影響十分必要。

沮河是沮漳河的主脈，為長江中游北岸一條支流，水系不太發育，兩岸支流短促，全長226 km，河道平均比降0.189%，集水面積 3 382 km2。近年來，隨著社會經濟的發展和城市化進程的加速，沮漳河流域的生態環境受到嚴重影響（陳崇德等，2008；黃永文等，2013）。為此，本文以沮漳河的主脈沮河為對象，探索土地利用與景觀格局對氮磷輸出的影響，分析土地利用和景觀格局對沮河流域水質的影響，為沮河流域水環境保護、土地利用結構改善和景觀格局優化提供一定的科學依據和借鑒。

1" "材料與方法

1.1" "區域概況

研究區域內整體地勢特點為西高東低，西部以山地、丘陵為主，東部以平原、丘陵為主；土地利用類型主要為林地和農田；流域屬亞熱帶季風性濕潤氣候，四季分明，雨熱資源豐富，年平均降水量在1 100 mm左右，降雨主要集中在6、7月份。研究區自峽口水庫以上部分為上游，礦產資源豐富，經濟林、用材林種植面積較廣；峽口水庫以下至百草壩水庫部分為中游，以水稻、油菜、茶葉、柑橘等經濟作物為主；自百草壩水庫以下部分則為下游，水資源優勢極大，其水產品及養殖業也有較大發展，下游地區城鎮化、工業化擴展迅速，下游生態環境和水質不斷下降（黃永文等，2013）。

1.2" "流域土地利用類型確定

本文所用土地利用現狀數據來源于中國資源衛星應用中心（https：//data.cresda.cn/）2022年分辨率為16 m且云量接近于0的環境二號遙感影像。使用ENVI5.3進行正射校正、輻射定標、大氣校正后為確保影像解譯精度，在ArcMap10.7中選取50個控制點進行地理配準。配準后的結果在ENVI5.3中進行監督分類將土地利用劃分為農田、水體、林地、草地、城鎮、果園、礦場7種利用類型（圖1）。在Google Earth pro中選取驗證樣本與分類結果進行精度驗證，精度評價結果Kappa系數為0.85，符合分類精度要求。

研究區域土地利用類型主要以森林與農田為主，研究區域上游地區平均海拔高于中下游上百米，此區域主要為山地，土地利用類型以森林與農田為主且水體分布較少，土地利用的類型較單一。由于地勢原因，農田主要以坡地和梯田為主，斑塊破碎度較高。自峽口水庫以下土地利用類型豐富，破碎度較高，水體分布較好。研究區域中游的地勢呈兩邊高中間低，河流在此匯集，從中流過農田、果園、草地、城鎮。研究區域下游，自向家草壩以下地勢開始逐漸平緩，屬于長江中游平原，地勢平緩適宜居住及大面積種植，土地利用類型以農田、城鎮、草地為主（圖1）。

1.3" "采樣點分布與氮磷測定

本研究采自地理空間數據云網站（https：//www.gscloud.cn/）中30 m分辨率的數字高程模型（DEM）。通過SWAT插件提取水系及子流域劃分，結合劃分結果中的子流域出水口和實地情況確定10個采樣點以及與采樣點序號對應的10個子流域（圖2）。1號采樣區域以森林和水體為主；2號采樣點位于峽口柑橘種植區域的最下游，此流域的果園面積在所有子流域中占比最大；3號流域內有一處地下磷礦廠及一座磷礦加工廠；4號流域緊挨3號流域的磷礦加工廠；5號、8號流域內土地利用類型較全，作為正常控制斷面；6號流域位于遠安縣城下游，此流域土地利用類型主要以城鎮為主；7號采樣點位于向家草壩水庫，該流域同樣以森林與水體為主；9號采樣點位于當陽市郊區，該子流域主要匯集了農田污染物；10號采樣點處于研究區域末端，作為最后一個控制斷面。其中，3～6號采樣點位于遠安縣境內，7～10號采樣點位于當陽市境內。

2023年2月（枯水期）和7月（豐水期）進行實地采樣，在河心和距岸邊2 m處0.1 m水深取500 mL水體，混合后放入500 mL采樣瓶中，每個樣點三瓶，低溫避光保存。在實驗室采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—89）測定總磷（TP）濃度，總氮（TN）濃度測定則采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894—89）。

1.4" "景觀指數提取

將分類好的土地利用類型圖導入FRAGSTAT4.2軟件，選擇指標、設定景觀指數參數、輸入類型描述表后運行模型，將運行結果與豐水期和枯水期的TN、TP數據進行相關性分析。最終分別選取與TN、TP數據呈正負相關的前3位景觀指數，近圓形狀指數面積加權平均值（CIRCLE AM）、對比度加權邊緣密度（CWED）、邊緣對比指數平均值（ECON MN）、鄰近指數面積加權平均值（PROX AM）、歐氏鄰近距離面積加權平均值（ENN AM），回旋半徑面積加權平均值（GYRATE AM）等6個指標（表1）。

1.5" "分析方法

本研究采用Pearson相關分析和冗余分析（Redundancy Analysis，RDA）探討不同土地利用景觀格局對氮磷輸出的影響。Pearson相關分析確定變量之間的關系，用相關系數R反映變量之間的相關程度。冗余分析（RDA）既可以揭示單個景觀變量對河流水質變化的貢獻率，又可以用二維排序圖直觀展示景觀指數與水質參數之間的關系。消除趨勢對應分析（DCA）是一種處理長生態梯度數據的分析方法，在運用RDA模型前先通過DCA分析，根據分析結果顯示的排序軸大小選擇模型，數值小于4.0時則采用RDA模型。

2" "結果與分析

2.1" "氮磷輸出的時空差異

從圖3中可以看出，不同的時間和空間的氮磷輸出量存在差異。從時間上來看，豐水期的TN、TP濃度明顯高于枯水期含量。同時，兩地豐水期的降雨量高于枯水期（圖4）。豐水期TN、TP的最高濃度分別達到了19.03 mg/L和0.61 mg/L。TN、TP在枯水期的最高濃度只有6.93 mg/L和0.17 mg/L（圖3）。

從空間上來看，擁有磷礦場占比最大的3號流域輸出的TP含量在豐水期和枯水期都達到最高值（圖3，表2），分別為0.61 mg/L和0.17 mg/L。TP濃度其次的是含有包含大范圍工礦企業、城鎮面積占比第2的6號流域，其在豐水期和枯水期TP均排第2高值（表2）。且6號流域的TN濃度在豐水期達到最高值19.03 mg/L，其余流域的濃度差異性較小，均在17、18 mg/L左右。枯水期的TN差值相對較小，最高值出現在果園面積最大的2號流域。枯水期最低的TP濃度只有0.01 mg/L，出現在擁有大型水庫、大面積森林及城鎮面積比較低的1號流域。

2.2" "豐水期流域景觀格局與氮磷冗余分析

此次研究將氮磷數據與兩個時期樣本進行消除趨勢對應分析，豐水期結果顯示排序軸中最長梯度值為0.9（小于3.0），所以采用RDA分析，結果如圖5所示。

RDA分析結果顯示第一軸解釋率為28.7%，景觀指數對水質指標的總解釋率達到了88.82%。ECON MN、CWED、PROX AM、ENN AM與 TN呈正相關，GYRATE AM和CIRCLE AM與TN呈負相關。ECON MN、PROX AM、ENN AM、GYRATE AM與TP呈正相關，CWED和CIRCLE AM與TP呈負相關（圖5）。總體來看CIRCLE AM和ENN AM對水質指標的影響較其他指數顯著，其他4個指數對水質指標的影響程度相接近。

2.3" "枯水期流域景觀格局與氮磷冗余分析

枯水期指數與氮磷數據的消除趨勢對應分析結果顯示，排序軸中最長梯度值為0.9（小于3.0），采用RDA分析。

RDA分析結果顯示第一軸解釋率為42.5%，景觀指數對水質指標的總解釋率達到了89.57%。GYRATE AM、PROX AM與TN呈正相關，ENN AM、CWED、ECON MN與TN呈負相關；ENN AM、PROX AM、GYRATE AM與TP呈正相關，CWED、CIRCLE AM與TP呈負相關（圖6）。總體來看GYRATE AM、CWED對水質指標的影響較其他指數顯著，CIRCLE AM與水質指標的影響程度較弱。

2.4" "豐水期流域景觀配置與氮磷輸出關系

對豐水期水質指標與景觀配置進行Pearson相關分析，結果如圖7、表3所示：森林的邊緣對比指數平均指數（ECON MN）與TN呈顯著正相關（Plt;0.05），農田的邊緣對比指數平均值（ECON MN）和礦場的歐氏鄰近距離面積加權平均值（ENN AM）與TP呈顯著正相關（Plt;0.01），農田和礦場的對比度加權邊緣密度（CWED）對TP呈顯著正相關（Plt;0.05），森林的鄰近指數面積加權平均值（PROX AM）與TP呈顯著正相關（Plt;0.05），森林的近圓形狀面積加權平均值（CIRCLE AM）與TP呈顯著負相關（Plt;0.05）。

2.5" "枯水期流域景觀配置與氮磷輸出關系

枯水期水質指標與景觀配置的Pearson相關分析結果如圖7、表3所示：農田的邊緣對比指數平均值（ECON MN）與TP呈顯著正相關（Plt;0.01）（圖7），草地的對比度加權邊緣密度（CWED）對TN呈顯著負相關（Plt;0.05），森林的回旋半徑面積加權平均值（GYRATE AM）與TN呈顯著正向相關（Plt;0.05），水體的歐氏鄰近距離面積加權平均值與TP呈顯著正相關（Plt;0.05），礦場的歐氏鄰近距離面積加權平均值（ENN AM）與TP呈顯著正相關（Plt;0.01）。

3" "討論

3.1" "氮磷輸出差異性

豐水期氮磷主要來自3、4、6號子流域，3號子流域內存在一個地下磷礦場和一個露天磷礦加工場，開采的磷礦以及加工廠內大量堆積的磷礦石是該流域重要污染源。遠安縣6、7月的降雨量是1、2月降雨量的20倍之多（圖4），降雨又是土壤養分流失的主要因素之一（Braskerud，2002；張亞麗等，2004），氮磷污染物便隨之流向下游。4號主要是3號子流域攜帶下來的污染物。6號子流域的城鎮面積占比較大還有少量礦場和較多工礦企業，在降雨情況下，城鎮不透水面流淌堆積的污染物失去地表植物截留和土壤吸附被沖刷至河流并流向下游（陳利頂等，2003；Fedorko et al，2005；羅璇等，2010；趙鵬等，2012）。

枯水期流域內降雨量低于豐水期，同時氮磷輸出量也低于豐水期（圖3、4），3、6號子流域在枯水期依然受礦場的影響導致磷素輸出量高于其他流域。9、10號子流域的城鎮和農田面積占比為流域最大，同時2個流域的森林面積占比是流域內最少，枯水期降雨量少于豐水期數倍，1、2月因春節的原因城鎮居民區的活動量較其他月份高，且兩個流域中農田面積占比較大，正值春耕時期，人們大量翻耕施加底肥增加了氮磷的流失（羅璇等，2010；李明濤等，2013），表明9、10號流域的氮磷污染大概率主要來自城鎮和農田（羅璇等，2010；趙鵬等，2012；李明濤等，2013）。2個時期氮素輸出量差值在10 mg左右，枯水期的TN主要來自擁有果園面積最大的2號子流域，此結果與韓黎陽等（2014）在蘭陵溪流域的結論相似。2個時期的氮素差異大與氮素輸出有關，地表徑流中的氮素主要以水溶態輸出為主（曾立雄，2010），豐水期的TN、TP的濃度高于枯水期，且TN的流失量高于TP（韓黎陽等，2014）。

3.2" "流域景觀格局與氮磷輸出關系

本研究結果中顯示CIRCLE AM與2個時期的水質結果都呈現負相關性，研究區域斑塊形狀越規則，與圓形偏離程度越小，其指數就越小。越接近圓形的斑塊，其邊界長度越短，與基質的相互作用越小，且與相鄰的斑塊間的交流較少，有利于控制上游攜帶和本斑塊產生的污染物。同時圓形斑塊在自然資源保護方面有著最高效率。CWED能夠衡量一個斑塊與其他鄰近地區的對比程度，同時反映出邊緣密度和邊緣對比，本研究結果表明對TP都呈現負相關性。而ECON MN和CWED在豐水期和枯水期對TN的影響結果截然相反，豐水期降雨量充足使斑塊間的邊緣效應得到更好地發揮，豐水期氮素輸出以地表徑流為主，枯水期降雨量成倍減少，氮素輸出途徑由地表徑流轉變為以基流為主（李文超等，2018），斑塊間的邊緣效應受到限制，污染物遷移緩慢。PROX AM與豐水期的水質指標和枯水期的TP呈正相關，PROX AM量化了斑塊與其他鄰近斑塊間的空間環境關系，數值越小意味著斑塊的高度隔離，相較于其他指數對氮磷輸出的解釋度較低。ENN AM已被廣泛用于量化斑塊距離，是基于距離各自斑塊最近的2個斑塊中心之間的距離，斑塊間距離越近污染物的遷移速度也越快。ENN AM對豐水期的解釋度高于枯水期，基于TP主要以泥沙結合態經地表徑流流失這一結論（曾立雄，2010），而TN在枯水期因降雨量減少，其輸出途徑由地表徑流轉變為基流形式輸出（李文超等，2018）。GYRATE AM是對斑塊范圍的測量，斑塊越大回旋半徑越大，面積不變的同時斑塊的范圍變大，回旋半徑也越大，反映斑塊面積的同時也反映了斑塊的延伸程度。面積較大斑塊能夠保護水質、發育河流網絡、緩沖能力強。研究結果表明，在枯水期對水質指標呈現正相關性，豐水期降雨量增加，地表徑流量和徑流總量都迅速增加，氮磷流失量也隨之增加（呂喚春，2002）。豐水期流域內的水稻、玉米等主要農作物正值開花結穗時期，經過斑塊大面積土壤和作物根系的攔截與吸收，污染物的遷移受到了很好的控制。

3.3" "流域景觀配置與水質指標輸出關系

農田的ECON MN和CWED值在2個時期只與枯水期TN呈負相關，枯水期大部分農田處于休耕期，豐水期農田大量施肥以及地面徑流增加，污染物攔截率下降，污染濃度較枯水期高。礦場的ECON MN和CWED也只與枯水期的TN指標呈負相關，研究區內的礦場主要分為地下磷礦、磷礦石加工廠。豐水期降雨充足，會有大量的徑流和滲漏對TN、TP進行遷移，枯水期降雨量減少后地下礦井上層周邊的植被會對經基流輸出的TN進行攔截、吸附。草地的CWED與枯水期的水質指標和豐水期的TP呈負相關，草地依然是典型的污染物攔截土地利用類型與較多學者研究結果相似（李明濤等，2013；王晶萍等，2016）。森林的CIRCLE AM與水質指標呈負相關，森林對水質的凈化功能在多處被證實（李明濤等，2013；焦勝等，2014；吉冬青等，2015；楊婭楠等，2016），較圓的斑塊形狀與相鄰和遠距離基質間的交流最少，斑塊的面積及形狀越規則時指數值越低，對水質的凈化作用越突出（黃金良等，2011）。森林的GYRATE AM在枯水期與TN呈顯著正相關，GYRATE AM測量了斑塊面積的同時也測量了斑塊的延伸范圍，在森林的面積大小對水質優化有正向的作用時，也反映出斑塊的延伸程度對改善水質有反向作用（黃金良等，2011）。礦場的ENN AM對TP呈顯著正相關，磷礦是環境中磷污染的主要因素，礦場周邊的土地利用類型會對TP的輸出進行一定量的攔截和吸附，當周圍都是同一土地利用類型時會加劇TP的聚集，造成更大的污染，所以磷礦之間距離的遠近能較好地控制磷TP的聚集和輸出。森林的PROX AM對水質指標呈正相關，PROX AM指數越大斑塊的隔離度越低，森林斑塊與其他土地利用類型斑塊的交流就越豐富，物質傳輸就更快捷，森林斑塊的隔離度對水質的凈化作用有所減弱。水體在流域中呈上疏下密，整體地勢由山地到丘陵再到平原進行一個過渡，上游河道水體分布較少，中下游水庫、小溪流及池塘分布逐漸增加，水體斑塊數量、密度增加（圖1）。城鎮依水而建，農田、果園靠水灌溉，生活污水、工業廢水和灌溉用水通過河道、小溪、灌溉渠流向下游，污染物依附于水體向下輸出，以至于水體ENN AM與水質指標呈正相關。

4" "結論

本研究采用相關分析和冗余分析，對沮河流域景觀格局、景觀配置與氮、磷輸出關系進行了不同時間和空間的研究，結論如下：

（1）磷礦是TP污染的最直接、影響力最大的因素。城鎮和其工礦企業的面積及數量是豐水期TP的主要貢獻類型。枯水期TP主要來源于農田和城鎮， TN主要來源果園，豐水期的TN、TP濃度高于枯水期，且TN的流失量高于TP。

（2）從流域景觀格局來看，CIRCLE AM與水質指標呈負相關，證明斑塊的形狀越規則對流域氮磷污染物的截留越有效，2種邊緣指標ECON MN和CWED在2個時期結合降雨情況都能很好反映不同的氮磷輸出情況。ENN AM和GYRATE AM都能從斑塊面積對水質做出解釋，且豐水期解釋度高于枯水期。

（3）森林CIRCLE AM、GYRATE AM、PROX AM與水質指標表現出良好的相關性，對水質的影響有較好的解釋，改善流域水質可以從增加森林斑塊的面積，規范森林斑塊形狀，加強森林斑塊隔離性入手。同時也要增加草地斑塊的邊緣密度，加強對水質的優化作用。礦場的ENN AM對TP污染物的輸出表現最顯著，多個礦場之間的距離會起到一個連鎖反應，對臨近斑塊及整體流域造成極大的影響。

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（責任編輯" "鄭金秀" "崔莎莎）

Influence of Landscape on Nitrogen and Phosphorus Exports from Water Bodies in Juhe River Basin

XIANG Qian， JIANG Shunyao， XIONG Qinxue， ZHU Jianqiang

（College of Agriculture， Changjiang University， Jingzhou" "434025， P.R. China）

Abstract：The impact of landscapes on river water quality has become a research hotspot in river ecology both domestically and internationally. In this study， the Juhe River basin was selected as a case study， and we explored the impact of land use and landscape on nitrogen and phosphorus outputs in the basin， aiming to provide data support for local water resource management， ecosystem protection， land use structure improvement and landscape optimization. The spatial distribution of land uses and sub-basin divisions within Juhe River basin was interpreted based on remote sensing images from 2022， and six land use types were delineated， including farmland， surface water， forest， grass land， cities and towns， orchards and mines. A water quality survey in the Juhe River basin was conducted in February （dry season） and July （wet season） of 2023， at 10 river outlets representing 10 sub-basins. The spatiotemporal relationship between the landscape of sub-basins and the nitrogen and phosphorus output at river outlets was investigated using Pearson correlation and redundancy analysis. Results show that： （1） Phosphate mining was the most important factor influencing phosphorus pollution. During the dry season， the primary sources of nitrogen and phosphorus were orchards， farmlands， and urban areas. （2） The area-weighted average of the circularity index had a positive effect on the retention of nitrogen and phosphorus in the basin. （3） During the dry season， key factors affecting nitrogen and phosphorus concentrations in Juhe River included the area-weighted average of the Euclidean proximity distance from mining sites and water bodies， the area-weighted average of forest patch radius， the area-weighted average of grassland contrast， and the area-weighted average of farmland edge contrast index. During the wet season， the primary driving factors included the area-weighted average of farmland and forest edge contrast index， the area-weighted average of the farmland and mining contrast edge density， the area-weighted average of the forest circularity index， the area-weighted average of Euclidean proximity distance from mining sites， and the area-weighted average of the forest proximity index. This study provides valuable insights for controlling nitrogen and phosphorus concentrations in Juhe River.

Key words：landscape; land use; nitrogen and phosphorus outputs; Juhe River basin

基金項目：國家自然基金-區域創新發展聯合基金項目（U21A2039）。

作者簡介：向前，2000年生，男，碩士研究生，專業方向為農業遙感。E-mail：2297176415@qq.com

通信作者：蔣舜堯。E-mail：759130021@qq.com