普者黑岩溶湖泊湿地湖滨带景观格局演变对水质的影响

郭玉静,王 妍,* ,刘云根,郑 毅,张 超,侯 磊

1 西南林业大学石漠化研究院,昆明 650224 2 西南林业大学生态与水土保持学院,昆明 650224 3 西南林业大学农村污水处理研究所,昆明 650224 4 西南林业大学林学院,昆明 650224

湖滨带作为陆地和水域生态系统之间十分重要的过渡与缓冲区域,是最敏感的湿地生态系统之一[1]。景观格局是生态过程的载体[2],湖滨带景观格局是指从微观到宏观不同尺度上,构成景观的生态系统或土地利用/土地覆被类型的形状、比例和空间配置[3]。湖滨带景观格局的变化影响着一系列的生态和水文过程,如地表径流、生物地球化学循环等,因此河流和湖泊中污染物的数量随之发生变化[4],进而对水质产生重要影响。采用土地利用结构和景观指数建立与水质关系的研究在国内还处于起步阶段[5]。当前,有关土地利用/景观格局指数的水质效应的研究也逐渐得到重视[6-7],研究方法主要采用回归模型[8]、水文模型[9-11]、相关性分析模型[12]等建立水质指标与土地利用结构间的关系,近些年我国这方面的研究也逐渐得以展开,主要集中在流域景观格局与水质的相关分析[13- 15]、城市河流土地利用结构对水质的影响[16]、湿地水质对城市化影响强度的响应研究[17-18],研究区大多为城市、河流、流域和红树林湿地的水质,而岩溶湿地水质与湖滨带景观格局响应的变化研究少见报道。

普者黑岩溶湖泊湿地位于滇东南褶皱带中山峰丛洼地岩溶区,湿地内有孤峰312座,湖泊54个,溶洞83个,其特殊的水文地质条件在岩溶湖泊湿地生态系统中有着很高的研究价值[19]。研究普者黑岩溶湖泊湿地的水质污染特征及其与湖滨带景观格局演变的响应关系对岩溶湿地的水质监控具有重要意义。因此,本文以普者黑典型岩溶湖泊湿地为研究区,采用水质监测与土地利用数据,运用生态学统计分析方法研究普者黑岩溶湖泊湿地湖滨带景观格局演变对水质的影响,深入探讨景观格局构成对湿地水质影响的尺度效应,以期为岩溶湖泊湿地水环境保护提供科学依据和理论参考。

1 研究区概况

普者黑岩溶湖泊湿地位于滇东南丘北县境内(103°55′—104°13′E,24°05′—24°12′N),距县城约11km,属珠江流域西江水系,是由湖泊、孤峰、峰林等构成的岩溶湿地复合生态系统。研究区地处云贵高原向桂西平原的斜坡地带,位于普者黑岩溶盆地,地貌景观为国内罕见的高原喀斯特峰林、峰从、湖群组合,地形平坦,海拔1446—1462m。普者黑岩溶湖泊湿地主要靠摆龙湖和落水洞的岩溶地下水进行补给,其下游进入清水江后流入南盘江,最终汇入珠江。该区属于低纬度季风气候,终年温和湿润,多年平均气温16.4℃,多年平均降雨量1206.8mm。该区湖滨带植被类型有云南松树、石灰山次生常绿林、灌草丛、水生植被和农田植被,受人为干扰因素较大。

2 数据与方法

2.1 遥感数据及处理

遥感影像数据选用2005、2007、2009、2011年2月份的Landsat-TM影像(分辨率为30m),参照研究区地形图和文献资料等相关地理数据以及野外详细调查所建立的判读标志,由于人类活动对岩溶湖泊湿地的开发利用强度较大,湿地的面积每年都会有变化,因此选取每隔两年的影像,依据《土地利用现状分类》(GB/T21010—2007),将湖滨带土地利用类型划分为农业用地、林地、湿地、建设用地。在ArcMap 10.1中,以2005、2007、2009、2011年的各监测点为中心进行各类缓冲区操作,生成半径为100、200、300、400、500m的缓冲区,之后将各缓冲区与2005、2007、2009、2011年湖滨带土地利用遥感解译数据进行Clip操作,获得各缓冲区的湖滨带土地利用矢量数据(图1)。

图1 2005—2011年普者黑岩溶湿地监测点位及缓冲区土地利用图Fig.1 Puzhehei karst wetland monitoring sites and buffer land use map in 2005—2011

2.2 水质数据

采用2005、2007、2009、2011年普者黑岩溶湖泊湿地的入口、中部、出口的水质数据进行分析(各采样点分别用PZH1,PZH2,PZH3表示)。水质监测时间为2005年的3月、8月、12月,2007、2009和2011年的3月、7月、11月,分别为每月一次,按平水期、丰水期、枯水期采集。选取具有代表意义的水质指标,包括高锰酸盐、氨氮、TN、TP、COD。水质指标测定参照相关文献[20]。

2.3 景观格局指数选取

根据研究目的与实际情况,从表征景观优势度、破碎度和多样性等景观意义出发,景观水平上选择了8个指数,类型水平上选择了景观类型百分比(PLAND)(表1),景观指数由基于栅格数据的Fragstats 3.4计算获得。

2.4 统计分析

采用SPSS 19.0分析缓冲区的土地利用景观格局指数与水质的相关性,由于个别景观类型不满足正态分布,采用Spearman秩相关分析,同时通过对水质参数的除趋势对应分析(DCA)分析和梯度计算,选择RDA(Redundancy analysis)线性模型进行冗余分析,本文用于分析水质指标与景观指数的关系。RDA在CANOCO4.5中进行。

3 结果与讨论

3.1 湖滨带缓冲区内景观格局特征

在100、200、300、400、500m缓冲区内的土地利用类型比例如图2所示,湖滨带缓冲区尺度内,湿地和农地是两种主导的土地利用类型。2005—2011年,随着缓冲距离的增加,湿地面积比例逐渐减少,由25.71%—80%下降到8.26%—42.89%,农地面积比例由20%—74.29%上升到40.02%—79.95%。而林地和建设用地的比例较少,为非主导土地利用类型。2005—2011年,随着缓冲距离的增加,林地面积总体呈减少趋势,建设用地面积呈增加趋势。林地面积分布在普者黑岩溶湖泊湿地的中部以及出水口,建设用地面积分布在普者黑岩溶湖泊湿地中部的400m和500m范围内,受湖滨带周边景区开发、住宅修建等人为活动的干扰,大面积的湖滨带被侵占成建设用地。2005—2011年,0—500m范围内,蔓延度指数、香农多样性指数和斑块结合度随着缓冲距离的增加而呈增加趋势,斑块数、最大斑块指数、边界密度、均匀度指数、聚集度随着缓冲距离的增加而呈减小趋势。

表1 景观格局指数的类型、描述及意义[21]

LPI: Largest Patch Index; ED: Edge Density; AWMPFD: Area-weighted Mean Patch Fractal Dimension; CONTAG: Contagion Index; SHEI: Shannon′s Evenness Index; AI: Aggregation Index; SHDI: Shannon′s Diversity Index; COHESION: Patch Cohesion Index; PLAND: Percent of Landscape

图2 普者黑岩溶湿地土地利用类型特征Fig.2 Puzhehei karst characteristics of land use in wetland图中a, b, c, d, e 分别表示100, 200, 300, 400, 500m缓冲区内土地利用百分比; PZH1, PZH2,PZH3分别代表普者黑湖泊湿地的入口、中部和出口

3.2 湖滨带景观格局与水质相关性分析

3.2.1 监测点水质指标统计分析

依据2005—2011年(共4a)普者黑岩溶湖泊湿地平水期、丰水期、枯水期的水环境质量监测数据可知,水质污染风险相对较低,但仍然存在超标现象,其主要超标污染物以氮、磷为主。高锰酸盐指数、氨氮和COD浓度的均值均满足国家《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅱ类水标准,TN,TP浓度的均值在平水期和枯水期符合Ⅲ类水标准,在丰水期TN满足Ⅳ类水,TP劣于Ⅳ类水(以Ⅳ类水质标准评价,TP的超标率达30%)。由此可见,普者黑岩溶湖泊湿地遭受氮、磷污染相对严重。

表2 水质指标描述性统计(n=12)/(mg/L)

COD: 化学需氧量, Chemical Oxygen Demand; TP: 总磷Total phosphorus; TN: 总氮 Total Nitrogen

3.2.2 水质参数与湖滨带景观格局指数的相关性分析

景观格局指数总体上在平水期与TN呈显著相关性,丰水期与高锰酸盐呈显著正相关性,枯水期与氨氮呈显著相关性；林地在平水期与TN呈负相关,枯水期与TP呈正相关,湿地在丰水期与TN呈正相关,枯水期与氨氮呈负相关。枯水期水质与土地利用类型和景观格局指数的影响大于丰水期,这与Bu Hongmei的研究结果相悖[22],分析原因可能与普者黑岩溶湖泊湿地的地形有关,普者黑湖泊湿地的河床属散乱型河床,由天然堤带、泛滥平原带和湖泊洼地带组成。丰水期时降雨量较多,通过地表径流、土壤侵蚀等作用,湿地中的悬移物质如粉砂、粘土等被冲走。可见,丰水期湖滨带土地利用类型对水质的影响不大,而枯水期时粉砂、粘土沉积形成泛滥平原带,湖滨带土地利用类型对水质有直接的影响。

研究结果表明,高锰酸盐在100m缓冲区内,与平水期SHEI呈显著正相关,丰水期SHEI呈显著负相关；200m缓冲区内,丰水期LPI和枯水期SHEI与高锰酸盐呈显著正相关,丰水期SHEI与高锰酸盐呈显著负相关；300m缓冲区内,丰水期LPI和AI与高锰酸盐呈显著正相关,ED与高锰酸盐呈显著负相关；500m缓冲区内,丰水期AI与高锰酸盐呈显著正相关。

表3 景观格局指数与水质浓度的相关性 (n=12)

*表示显著性P<0.05,显著相关；**表示显著性P<0.01,极显著相关

湖滨带缓冲区内农地面积较多,地表径流侵蚀较弱,TP在长时间的径流运移过程中容易被土壤吸附、植被吸收利用[23],平水期、丰水期以及枯水期农业用地对TP的影响都不显著,本文只在400m缓冲区内,平水期SHEI与TP呈显著正相关,枯水期林地与TP呈显著正相关。

COD与枯水期100m缓冲区内AI呈显著正相关关系,300m缓冲区内,湿地在丰水期与COD呈显著正相关,其余各缓冲区的景观指数在平水期、丰水期以及枯水期对COD的影响都不大。

王鹏等[23]的研究在赣江流域发现氨氮与土地利用类型的相关性较弱,相对于TP和COD,带正电荷的氨氮更容易被土壤颗粒和植被吸收,或在微生物作用下发生反硝化等作用,使氨氮与景观指数和土地利用类型的相关性较差[23]。在平水期和丰水期,湖滨带土地利用类型和景观指数与氨氮没有显著相关性。而在枯水期,ED、AWMPFD、CONTAG、LPI等指标与氨氮显著正相关,AI、SHEI以及湿地面积比例与氨氮显著负相关。

TN只在平水期时与各缓冲区的景观指数具有相关性。平水期林地在400m缓冲区与TN呈显著负相关性,表明湖滨带林地对TN污染物有削减作用。枯水期农地在100m和200m缓冲区内与TN显著正相关。Chen[24]在城郊和农村地区的研究结果表明,农业用地是影响氮磷的主要因子,其污染物主要来自农业地表径流,体现出农地对水质的污染。

3.2.3 水质参数与湖滨带景观格局指数的冗余分析

景观指数与水质参数冗余分析的排序图如图3所示。研究结果表明,湖滨带土地利用类型比例及景观水平上的8个景观指数与水质指标有着不同程度的相关性,可以揭示湖滨带景观格局演变对岩溶湿地水质的影响。

ED反映了景观的破碎化程度,斑块的边缘主导着斑块之间的相互作用。100m缓冲区内,平水期ED与TN呈显著负相关关系,与TP为负相关关系,枯水期ED与氨氮显著正相关；300m缓冲区内,丰水期ED与高锰酸盐、TN、氨氮显著负相关。在缓冲区距离>300m区域,随着缓冲距离的增加ED值逐渐降低,景观类型趋于复杂,对水质的影响逐渐加强。刘文竹在密云水库小流域的研究中得出ED值是一个重要的水质预测因子[25],在不同尺度均与水质指标相关,本文在距离湿地较远的区域,平水期和丰水期时景观类型对水质的影响比较明显。

图3 景观格局指数与水质浓度冗余分析排序图Fig.3 Landscape pattern index and water quality concentration redundancy analysisLPI: 最大斑块占景观面积比例Largest Patch Index; ED: 边缘密度Edge Density; AWMPFD: 面积加权的平均斑块分形指数Area-weighted Mean Patch Fractal Dimension; CONTAG: 蔓延度指数Contagion Index; SHEI: 香农均匀度指标Shannon′s Evenness Index; AI: 聚集度指数Aggregation Index; SHDI: 香农多样性指标Shannon′s Diversity Index; COHESION: 斑块结合度Patch Cohesion Index; PLAND: 斑块所占景观面积比例Percent of Landscape; For%: 林地面积比例; Far%: 农地面积比例; Wet%: 湿地面积比例

AI表征了景观斑块类型的聚集程度。随着缓冲距离的增加,AI值逐渐减小,景观斑块的聚集性减小,湿地景观越离散,人类活动对水质的影响也越大。Liu Wenzhi的研究结果表明,较低的AI值与良好的水质通常都有联系[26]。100m缓冲区内,平水期AI与总氮显著正相关,枯水期AI与氨氮显著负相关；300m缓冲区内,丰水期AI与高锰酸盐显著正相关。丰水期AI对景观格局指数和水质浓度的影响比平水期和和枯水期大,平水期和枯水期只在100m和500m缓冲区具有很好的相关性。

LPI反映了缓冲区内优势景观类型。200m缓冲区内,丰水期LPI与高锰酸盐显著正相关；300m缓冲区内,平水期LPI与TN显著负相关,丰水期LPI与高锰酸盐、枯水期LPI与氨氮显著正相关。在缓冲距离≤300m区域与水质的关系较密切,主要原因是占优势的景观类型湿地和农地对水质的恶化作用显著。

CONTAG描述的是景观中不同类型斑块的团聚程度,其值越大表明景观由少数团聚的大斑块组成,越小则为许多分散的小斑块组成[26],反映了景观的分离和散布程度。在缓冲区距离≤400m范围内,CONTAG值越高说明景观团聚程度越高,对水质的影响也随之增大；在500m距离的缓冲区内,农地和林地的连通性呈增加趋势,而CONTAG值对湿地水质的影响较弱,这与杨莎莎等人的研究结果一致[27],其认为在远距离的缓冲区内,CONTAG值对河流水质的影响较小。而李艳丽在浑太河流域的研究中[28],用逐步回归分析得到CONTAG对水质的预测能力最强,在河岸带尺度上对水质的解释能力最好,且认为景观格局指数在岸边带尺度对水质的解释能力更强。另有研究表明CONTAG与水质有很好的关联[29-30],能很好地预测水质变化。

SHEI反映的是景观类型分布的均衡性。在缓冲区距离≤200m范围内,平水期和枯水期SHEI与高锰酸盐有正相关关系,丰水期为负相关,平水期和丰水期SHEI与TP负相关；400m缓冲区内,平水期SHEI与TP有较强的正相关关系,与高锰酸盐为负相关,与COD、氨氮、TN相关性不大；枯水期SHEI与TP为正相关,与TN、高锰酸盐负相关。

COHSION表征了景观斑块的自然连通性[21]。平水期C0HSION对水质参数的影响不大；丰水期和枯水期COHSION值随景观斑块的的自然连通性不断升高对水质的影响逐渐加深。

SHDI反映的是景观要素的多少及各景观要素所占比例的变化情况[21],值越大景观多样性越丰富。研究结果表明,平水期和枯水期SHDI与水质参数相关性均较弱,丰水期与水质参数有较强的相关性,丰水期SHEI与TN、TP、氨氮、COD均有较强的负相关关系,与高锰酸盐的相关性较弱；在缓冲区距离≥300m区域,景观多样性随着缓冲距离的增加景观异质性逐渐增加,景观类型趋于多样化,分布复杂。人类活动对土地利用类型的改变对湿地TP、氨氮含量的影响较大。

AWMPFD反映了人类活动对景观格局的影响程度。研究结果表明,平水期AWMPFD对100m缓冲区内的TN有较强的负相关关系,枯水期AWMPFD对100m缓冲区内的氨氮有较强的正相关关系。在缓冲距离≤300m区域,丰水期AWMPFD与COD、TP、氨氮有较强的负相关关系；在缓冲距离≥400m区域,AWMPFD与高锰酸盐、TP、氨氮、TN有较强的负相关关系。斑块形状越复杂,污染物流出斑块的难度会越大,在斑块内部就进行了吸收转化等[14],因此AWMPFD与水质呈负相关,这与吉冬青的研究结果一致,另有研究表明AWMPFD与水质指数没有明显的相关性[31-32]。

农业用地面积比例(Far/%)平水期时在缓冲距离≤200m区域与各水质参数相关性都不大,在缓冲距离≥300m区域,与TN、氨氮有较强的负相关关系；丰水期时在缓冲距离≤200m区域,与TN、氨氮、COD、高锰酸盐均为负相关关系,但与COD、高锰酸盐有较弱的负相关性,在缓冲距离≥400m区域,与COD、氨氮有较强的正相关性,与TN、高锰酸盐为负相关；枯水期时在缓冲距离≤300m区域,与高锰酸盐、TN、氨氮呈正相关,这是因为在枯水期湖滨带经济作物主要是冬小麦、油菜、烤烟等,化肥农药施肥量会增加,导致含氮化肥的流失,使农业用地与TN、氨氮呈正相关,与COD呈负相关,与TP有较弱的相关性；在缓冲距离≥400m区域,与高锰酸盐、TN、氨氮呈负相关。曹芳芳等[33]的研究表明在丰水期受农田排水氨氮的耕地活动影响较大,使耕地与氨氮呈正相关,而本文只在缓冲距离≥400m区域与氨氮有较强的正相关关系。

湿地面积比例(Wet/%)平水期时在各个缓冲区内,与TN、COD有正相关关系,与氨氮为负相关,与TP、高锰酸盐的相关性较弱；丰水期时在各个缓冲区内,与氨氮、TN、TP、COD均为正相关；枯水期时与TP、COD为正相关,与氨氮为负相关。普者黑湖泊湿地属岩溶地貌,土层较薄,湖滨带地表径流渗漏现象严重,加之湖泊洼地带多被开挖成鱼塘或用来种植莲藕等经济作物,而面积较大的泛滥平原带主要用来种植西瓜、玫瑰和葡萄等经济作物,可见岩溶湿地是TP、TN、COD和氨氮的重要污染来源。王鹏等[23]在赣江流域的研究显示丰水期水域与TP、CODMn和氨氮呈正相关性,枯水期仍与TP、CODMn正相关,王鹏研究的水域包括河渠、湖泊、水库坑塘、滩地,而本文的湿地则包括水库坑塘、湖泊、河流,因此本文的结果与王鹏等人的结果一致。

林地面积比例(For%)平水期在缓冲距离≤300m区域与各水质参数相关性都不大,在缓冲距离≥400m区域,与氨氮、高锰酸盐呈正相关,与COD、TN、TP呈负相关；丰水期在各缓冲区与高锰酸盐呈正相关,与TN、氨氮、TP、COD为负相关,反映了林地对各种污染物的“汇”作用,这与张亚娟等[34]的研究结果一致；枯水期与COD、TN、高锰酸盐、TP为负相关,与氨氮有较弱的正相关性,且随湖滨带缓冲区半径的减小正相关性增强,这与前人的研究结果一致[23,35]。林地对水质恶化在一定程度上有削减作用,林地冠层下土壤层具有涵养水源、保持水土流失、滞留部分水质污染物的作用[36],因此与TP、COD呈负相关,但林地的枯枝落叶层含有丰富的有机质,含氮营养成分多,所以与TN、氨氮负相关。

综上可知,相关性分析和冗余分析的结果基本一致,但Spearman秩相关分析里SHDI与水质参数没有显著相关性,而在冗余分析中SHDI与水质的关联密切,这说明SHDI与水质的关联具有一定的不确定性,这与黄金良等[31]的研究结果一致。另外林地在相关性分析中枯水期时与TP呈显著正相关性,林地与水质的关联也具有不确定性,可能与林地的类型有关,本文的林地包涵疏林地和喀斯特孤峰较多,与其他研究中的林地(有林地、灌木林、疏林地、其他林地)不同。可见,枯水期时岩溶地貌的林地对污染水质的截留效应影响不大。

4 结论

(1)普者黑岩溶湖泊湿地湖滨带缓冲区尺度内,湿地和农地是两种主导的土地利用类型。2005—2011年,随缓冲距离的增加,湿地和林地面积比例呈减少的趋势,农地和建设用地面积比例呈增加的趋势。湖滨带100m和200m缓冲区内土地利用类型较为单一,以湿地和农地为主,400m和500m缓冲区土地利用类型较为丰富。

(2)枯水期水质与湖滨带土地利用类型和景观格局指数的影响大于丰水期。湖滨带景观格局在不同缓冲区尺度对岩溶湖泊湿地的水质具有不同的效应。随缓冲距离的增加,ED、AI值对湿地水质的影响逐渐减弱,CONTAG值对湿地水质的影响较大,COHSION值随景观斑块的的自然连通性不断升高对水质的影响也逐渐加深,SHEI值与水质的相关性也显著,AWMPFD与水质参数与水质有明显的负相关性,LPI在缓冲距离≤300m区域与水质的关系较密切。SHDI对水质的影响较大,但秩相关分析里SHDI与水质参数没有显著相关性,因此SHDI对水质的影响尚不确定。

(3)岩溶湖泊湿地的农业用地在湖滨带300m缓冲区内和湖滨带400m缓冲区外与水质的关联性不同,与水质指标的关联性无法被合理的解释；林地在平水期和丰水期时与TN、TP、COD为负相关,在枯水期时与TP、氨氮呈显著正相关,与岩溶地区的地形地貌有关联。湿地在平水期和枯水期时与氨氮呈显著负相关性,在丰水期与氨氮和COD呈显著正相关性,湿地面积比例在水质表征方面具有较好的潜力。

致谢：文山苗族壮族自治州环境监测站提供水质数据,特此致谢。

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