土地利用景观格局对信江水质的影响

伍恒赟，张起明，齐述华，胡 梅

1．江西省环境监测中心站，江西南昌330039

2．江西师范大学地理与环境学院，江西南昌330039

3．江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，江西南昌330022

土地利用指人类对土地自然属性的利用方式，人们在土地上进行生产与生活等活动的过程本身就深刻地影响地表、河流、湖泊等生态系统的物质输入过程;同时，土地利用的景观格局通过影响地表径流、生物循环和地球化学循环等过程［1-2］，改变进入河流、湖泊污染物的数量，进而对水质产生重要影响。因此，流域的土地利用及其空间分布格局与河流湖泊的水质密切相关［3-5］，上世纪70年代以来，相关学者从点位、河段、河岸缓冲区以及流域尺度对景观格局和地表水水质之间关系开展了研究［6］。2000年后土地利用景观格局与水质间的关系研究也日益受到国内学者的关注［7-10］。早期的研究主要集中在景观类型与面积同水质的关系方面，随着3S技术的发展应用，景观格局的空间分异对水质的影响逐渐引起重视［11-12］。

该研究以土地利用方式多样，景观类型复杂且快速城市化的信江流域为研究对象，利用2011年的Landsat5卫星的TM遥感影像进行土地利用分类的结果，在ArcGIS平台的空间分析功能支持下，利用水文分析模块对信江流域的子流域进行划分，结合2011年的水质监测数据，分析各子流域土地利用景观格局与监测断面获取的水质的关系，评价土地利用景观格局对水质的影响，为信江流域的水环境保护提供参考。

1 研究区域

信江(116°18'～118°27'E，27°52'～28°59'N)位于江西省东北部，为全省5大河流之一，是鄱阳湖的重要承接水系，主河道长359 km，流域面积17 599 km2，约占全省面积的10%，流域地势东南高西北低，其中山地占流域面积40%，丘陵占流域面积35%，平原占流域面积25%，分别流经上饶和鹰潭，中下游属于鄱阳湖平原。2000年以后，在“中部崛起”的国家政策背景下，该地区城镇建设步伐加快［13］，土地利用方式发生变化，大量的自然和农业景观转变为非农业景观，使生态系统内的景观结构发生了显著改变，同时生态过程和功能受到影响［14］。

2 研究方法

2.1 子流域划分

以江西省1∶25万的DEM数据为基础，利用ArcGis的水文分析模块，经过DEM洼地填充，汇流累积量计算，水流长度和河网提取并根据水系的实际分布，将流域分割形成10个子流域(图1)。在每个子流域的出口处设置1个监测断面，每个断面控制范围包括监测断面至河流上游的整个区域。

图1 信江流域的子流域划分及监测断面位置

2.2 水质监测

从2011年1—12月，逢奇数月的月初对10个监测点进行1次水质监测，全年共监测6次。参考地表水环境质量标准(GB 3838—2002)，选择高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮、总氮(TN)、化学需氧量(CODCr)4个主要指标来反映信江流域的水质状况。其中CODMn采用高锰酸钾法测得，氨氮采用水杨酸分光光度法，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，CODCr采用重铬酸盐法。实验采取1个对照，3个平行，利用6次测定结果的平均值来表征。

2.3 土地利用遥感分类与景观指数选择

以2011年Landsat-TM秋冬季覆盖信江流域的遥感影像为基础数据，经过几何精纠正，RMS(配准残差)控制在半个像元内，然后参照《生态环境状况评价技术规范》(HJ/T 192—2006)中土地利用分类方法，基于ArcInfo Workstation进行人工目视解译，将研究区分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6种地类，经统计得出该区域土地利用分类结果，利用ArcGis制图得到信江流域土地利用空间分布状况。

景观指数能够综合景观格局信息，反映景观类型组成及其空间格局等特征，是景观生态学中广泛运用的定量研究方法［15］。本文利用Fragstata景观软件从和计算7个类型尺度上(Class-Metric)和9个景观尺度上(Landscape-Metric)的景观指数，见表1。

表1 景观指标的选择

3 结果与分析

3.1 流域土地利用景观组成

将子流域边界与信江流域土地利用景观类型进行叠加分析，得到从上游到下游10个子流域(r1～r10)的各种土地利用面积的比例(表2)。

表2 从上游到下游各子流域各种土地利用类型所以占的面积比例%

由表2可见，各子流域中，林地、耕地所占面积比例最高，其次是建设用地、水域、草地、未利用地;从上游到下游的10个子流域，林地所占面积比例呈降低趋势，耕地和建设用地所占面积比例呈增加趋势，特别是耕地增加明显，反映出信江流域按照从上游到下游，人类活动趋于增强。由于草地和未利用地所占的面积比例较小，不作为水质的影响因子展开分析。

3.2 河流水质状况

根据2011年信江流域10个监测断面的水质监测结果，以第r1、r2子流域作为信江流域上游，以r7～r10子流域作为下游，分别统计上游和下游水质监测参数(表3)，可以看出 CODMn、氨氮、TN、CODCr上游的平均浓度均低于下游，表明从信江的上游至下游，各指标的浓度呈增加趋势，下游各监测点指标浓度的波动范围也比上游大。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅲ类水质标准评价，在10个监测断面中，TN的超标率为51.67%，其余指标均未超出Ⅲ类标准，表明信江的水质以氮超标为主。

表3 水质项目的统计结果 mg/L

3.3 土地利用景观类型对与水质的影响

分别将10个子流域内耕地、林地和建设用地的面积比与观测的水质指标进行回归分析(图2)，由于同一土地类型与4个水质指标回归分析结果基本类似，仅列出了氨氮、CODMn的回归分析结果。

可以看出，建设用地和耕地的面积比例愈大，水质越差;而林地面积比例越高，水质越好，表明信江流域的农业生产与生活对信江河流水质的影响显著。

图2 各土地利用类型的面积比与水质参数的关系

3.4 土地利用景观格局与水质的关系

根据FragStat软件计算各子流域土地利用景观指数(表1)，分析 CODMn、氨氮、TN、CODCr与各景观指数的关系(表4)。结果表明，PD、ED、SHDI与CODMn、氨氮、TN、CODCr浓度呈显著正相关，与AREA_MN、SHAPE_MN、AI和 CONTAG 呈显著负相关，与COHESION和IJI指标之间的相关性不显著，此外，PD、ED、SHDI越大，AREA_MN、SHAPE_MN、AI、CONTAG越小，景观越破碎。由此说明流域景观的破碎化将导致河流污染物浓度的升高，相反流域景观格局若由少数团聚的大斑块组成，河水中污染物的浓度可能较低，水质较好。

表4 景观尺度格局与水质的相关分析

3.5 土地利用景观类型格局与水质的关系

分别从耕地、林地和建设用地的景观尺度上分析景观类型格局与水质指标的相关关系(表5)。从表5可以看出，耕地的多数景观指数和水质指标呈正相关，其中 CODMn与 ED、AREA_MN、IJI、AI、COHESION呈极显著正相关，氨氮与PD、ED呈极显著正相关，CODCr与ED、SHAPE_MN呈极显著正相关，说明耕地上的农业生产活动是信江流域污染物的主要来源;水质指标与反映景观破碎化程度的ED、IJI、COHESION等景观指标呈显著正相关，表明耕地的斑块边缘、物理连通程度和相邻斑块类型对河流的水质也有显著的影响。

表5 类型尺度格局与水质的相关分析

林地的多数景观指标与水质指标呈负相关，表明林地具有较好的降解或消减污染物的效应，其中 CODMn、氨氮、CODCr与 AREA_MN、SHAPE_MN和AI呈极显著负相关，CODMn与IJI呈极显著负相关，TN 与AREA_MN、SHAPE_MN、AI显著负相关，氨氮、CODCr与IJI和COHESION呈显著负相关，PD、ED与4个水质指标呈显著正相关关系，与 CODMn、氨氮、CODCr达到极显著相关，林地的AREA_MN和SHAPE_MN与水质指标的相关性较大，说明流域内大斑块的林地有助于水质的净化。

建设用地类型中，CODMn、氨氮、TN和CODCr与PD、ED以及COHESION、AI都呈现出显著的正相关关系，其中氨氮与ED、COHESION呈极显著正相关，CODCr与 COHESION、AI呈显著正相关，TN仅与ED呈极显著正相关。除此之外，各水质指标还与SHAPE_MN呈极显著负相关，AREA_MN和CODMn也呈极显著负相关，与其他水质指标相关不显著，说明在流域中建设用地集中大面积彼此相临的连片分布可能会引起河流中CODMn浓度的升高这是由于城镇建设用地大面积集中分布造成不透水面的增加，以及生产生活污染的聚集性释放，会进一步导致径流量增加和污染物浓度升高，加大受纳水体的污染负荷，进而引起水质下降。

4 讨论

4.1 土地利用景观格局对水质的影响

景观类型和水体污染物浓度之间存在着显著的相关关系，这是由于土地利用方式和人类活动强度的差异导致，不同类型景观上污染物负荷不同［16］。降水时，地表污染物质随地表径流流入水体的过程中，流经不同性质的土地利用类型时，污染物可能被沉积吸收和再析出［9］。

研究表明，林地和水质指标间呈显著负相关。原因在于林地有较好的截流和消减污染物的能力，对缓解水质退化有重要作用［17］。很多实验研究都表明在林地以及草甸植被和土壤系统的作用下，可以减少降水径流对土壤的侵蚀程度以及降低径流中固体污染物的输出［8］，从而净化水质。所以在林地占优势的流域中，水体的水质也往往较好［10］，因此，从截流污染物，保护水环境的角度出发，应尽量增加林地景观的数量。

建设用地污染物的输出贡献较大，对水质存在负效应［8］，原因在于城镇建设用地造成的不透水面导致径流量增加和污染物浓度升高［15］，所以城镇建设用地的比重越大，水体的水质往往越差。除此之外，由于平原地区的耕地大多受到人类活动的干扰，农药或杀虫剂的大面积使用，加之农田耕作区污灌现象的存在，也往往逐渐成为具有非点源污染输出特征的斑块类型［18］，因此，该研究中耕地与建设用地对水质的影响类似。

4.2 景观尺度格局对水质的影响

在研究中，斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、香浓多样性指数(SHID)与水质指标有显著正相关性。PD、ED反映的是土地利用格局的破碎度和复杂程度，SHID表示斑块类型在景观中出现的概率，反映景观异质性，斑块的边缘密度控制着斑块间是相互作用，高的PD、ED、SHID意味着更大强度的人类干扰，景观更加破碎，异质性强，流域水质污染的风险也随之升高。

而各水质指标与 AREA_MN、SHAPE_MN、CONTAG、AI呈显著负相关。AREA_MN、SHAPE_MN反映景观类型中斑块平均面积的大小和形状的复杂性，CONTAG是对流域中不同斑块类型的团聚程度或延展趋势的表示，反映景观分离和散布程度，AI是对流域中不同斑块类型的聚集程度的度量，反映景观组成的空间配置［15］。因此，AREA_MN、HAPE_MN、CONTAG、AI越小，表现出人类的干扰程度越大，流域景观越离散，水质受人类活动的影像越大。但有些研究表明，CONTAG与水质指标有比较显著的正相关性，这可能与研究区的优势斑块类型有关，以具有污染输出效应的建设用地、耕地为优势斑块的景观，其优势斑块的聚集和连通性会造成污染物输出的集中，对河流水质的影响也越显著［3］。该研究中，林地占整个流域的32.61%(表2)，以具有污染物消减效应的林地为优势斑块(图1)，林地的大面积分布则有助于净化水质［10］。

因此，从景观水平来看，当流域景观中以数量较少且以染物消减效应为优势的大斑块为主或同一类型的斑块连通度高时，河流中污染物的浓度越低，水质较好。

4.3 类型尺度景观格局对水质的影响

PD、ED与耕地、林地和建设用地的水质指标均表现正相关性，表明该3类景观的破碎化空间分布，其污染物输出被边界或其他斑块拦截的概率降低，会引起河流中污染物浓度升高，对流域水质的负效应增加;AREA_MN、SHAPE_MN、IJI与林地和建设用地呈负相关性，而与耕地呈现正相关性，AREA_MN的大小影响着污染物输出的多少，因此，流域中林地和建设用地的斑块面积越大，水体中污染物的浓度越低，而对于具有污染物输出效应的耕地来说，其效果相反。SHAPE_MN对斑块内外物质和能量的流通有重要影响，同时与地表径流过程和污染负荷相关，进而影响河流水质［19］，散布与并列指数(IJI)用于表述景观分离度，反映与该景观相邻的其他类型的多少［15］，研究显示，林地和建设用地景观斑块的邻接分布越复杂对污染物的消减效应越明显，有利于河流污染物的浓度的降低。

AI、COHESION反映景观斑块的聚集程度和连通性，是衡量景观格局的常用指标［15］，研究中，AI、COHESION均与耕地和建设用地呈显著正相关，而与林地表现出负相关。耕地和建设用地的聚集程度以及连通性越高，往往斑块的面积也越大，污染物的输出也较多，河流水质污染浓度升高。林地对缓解水质退化有重要作用［10］，因而林地的聚集度和连通性越高，水质污染浓度较低。随着区域城市化进程加快，建设用地仍会继续扩张，与之伴生的区域水体污染水质恶化等问题仍会突出［3］，因此，对于保护快速城市化的信江流域周边水环境来说，要尽量减少城市建设用地的大面积集中分布，同时要增加林地面积比例，减少对林、草地等自然景观的干扰，避免其景观破碎化。

4.4 问题与不足

河流水质除受到土地利用景观格局的影响外，往往还受到其他点源污染，而这部分污染对河流的水质的影响是直接的，且难以通过景观格局研究表现出来，文中r1流域景观结构单一，基本以林地为主，受人为活动影响较小、水质较好，而其他子流域水质监测断面分布于城镇或农田区域，水质监测结果受人为活动影响较大，监测结果明显高于r1流域断面监测值，因此，在子流域监测断面合理布设上有待进一步完善。

由于研究流域面积较大、土地利用景观格局类型复杂，文中选取的10个水质监测断面，难以理想的反映出该区景观格局与水质的相关关系，后续研究将增加水质监测断面数量，合理布局监测断面，细化子流域划分，以期更好的揭示出土地利用景观格局与流域水质间的关系。

5 结论

1)流域的景观组成对河流CODMn、氨氮、TN、CODCr浓度均存在显著影响。耕地和建设用地的面积比例与各项指标浓度间存在显著正相关，林地与各指标浓度存在显著负相关。此外，各项指标浓度在流域上游变化不大，而在流域的下游变化显著。

2)从流域景观尺度上看，当流域以数量较少的大斑块景观为主或同类型的景观斑块高度连接时，河流中 CODMn、氨氮、TN、CODCr浓度较低，水质普遍较好，这与该流域中林地为优势景观类型有密切关系;从流域类型尺度上看，各类型的景观结构对河流中CODMn、氨氮、TN、CODCr浓度影响不同，建设用地以及耕地的集中大面积彼此相临的连片分布会导致河流中CODMn、氨氮、TN、CODCr等浓度的升高，而林地则具有相反的效应。

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