流域城镇化格局与河流氮磷的空间关系

摘要：流域景观格局对河流氮磷污染物的发生、迁移和转化的有重要影响，人类活动干扰加剧了河流氮、磷污染的季节性变异，使河流污染的复杂性、随机性、空间分异明显。为探究流域城镇化格局对河流季节性变化中氮磷的空间分异的影响，研究基于天津于桥水库流域近4年33个点的定位监测，采用冗余分析、地理加权回归模型等方法，定量分析了景观格局组成及景观结构特征与河流氮磷污染的空间响应关系。结果表明，城镇用地比例（Red%）、不透水面指数（ISA）对水质指标TN、TP的解释度最为显著（p<0.01），Red%与TN、TP正相关子流域集中分布于高城镇化聚集区域，ISA与TN、TP正相关子流域集中于不透水面扩展较快的山区村镇，两个指数能较好地反映氮磷的空间分异。探究因子对流域水质空间分异的影响，对评价和控制河流非点源污染排放具有重要意义。

关键词：氮磷污染;冗余分析;地理加权回归;回归系数

中图分类号：X52    文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）07-0-03

Abstract：The landscape pattern of the river basin had an important impact on the occurrence， migration and transformation of nitrogen and phosphorus pollutants in the river. Human activities aggravated with the seasonal variation of nitrogen and phosphorus pollution in the river. In order to explore the influence of basin urbanization pattern on spatial differentiation of nitrogen and phosphorus in seasonal changes of rivers， in this paper， based on the location monitoring of 33 points in the Yuqiao reservoir watershed of Tianjin in recent 4 years， the spatial response relationship between the composition of landscape pattern and the characteristics of landscape structure and the nitrogen and phosphorus pollution in the river was quantitatively analyzed by means of redundancy analysis and geographic weighted regression model.Results showed that the urban land scale （Red %）， opaque surface index （ISA） on the water quality indexes of TN and TP explained the most significant （p < 0.01）， Red % and TN， TP was related to watershed concentration distribution in the high concentrated areas of urbanization， The positive correlation between ISA and TN and TP was concentrated in the mountainous villages and towns with fast expansion of impervious water surface， two index can well reflect the spatial differentiation of nitrogen and phosphorus. It is of great significance to explore the influence of factors on spatial differentiation of water quality in river basin for evaluation and control of non-point source pollution discharge.

Key words：Landscape pattern; Redundancy analysis;Geographically weighted regression;Nitrogen and phosphorus pollution

河流作为流域景观的组成部分之一，其水环境状况的改变与流域景观格局密切相关。流域内的景观格局对其生态水文过程产生深刻影响一些研究表明部分景观指数能够预测水质的变化，对于水质监测、流域管理等具有重要意义。人类的不合理排放使得水体中的氮、磷等物质富集，造成水体富营养化，从而加剧河流水质恶化。目前，对景观结构与流域水质耦合关系的研究已在多个流域展开，然而，水质指标相关关系方面仍存在不确定性，对城镇化流域水质影响的空间关系还需要进一步的研究。对景观格局对河流水质污染空间分异影响的定量分析，基于统计学分析的研究较为广泛，如相关分析、主成分分析、传统线性回归等，这些方法是基于全局统计的方法，要求影响因素不随空间位置变化而变化。运用空间地理加权回归（GWR）通过将数据的空间位置嵌入到回归参数之中，以探索显著因子与因变量在空间范围内的变化关系，有效地解决了空间非平稳性的问题。学者利用GWR模型用于分析土地利用结构对流域水質污染影响，但并未探讨景观结构指数对水质污染空间影响。需要在景观结构以及景观组成对流域水质空间影响方面展开更深入的研究。

天津于桥水库流域水质状况直接影响到天津市工农用水和生活饮用水。随着城镇化水平的发展，不合理的排放造成的水体富营养化已影响到居民饮水安全。本文基于天津于桥水库流域近4年33个点的定位监测，探讨景观格局对丰水期和枯水期流域水质影响的显著性以及在空间的非平稳分布，力图为流域规划和保护提供科学依据。

1 研究区域

选取于桥水库流域（39°56′N～40°23′N，117°26′～118°12′E）位于天津市蓟县城东，其中80%分布在河北省遵化市，总面积约2060km2。地形西北部为山区，中部为平原，南部为丘陵和低山。流域为温带大陆季风型半湿润气候，降水集中在7-8月。村镇在流域附近分布，养殖、农田、工厂及产生的生活垃圾会直接或间接影响着流域的水质。根据河网和地形特征，将流域集水区划分成33个子流域（图1）。且子流域集中于流域中上部，研究区不受引滦河道的影响。

2 数据和方法

2.1 水质数据

在子流域河流出水口各设置1个采样点，每次取样500mL。综合考虑流域内富营养化特征，选择总氮（TN）、总磷（TP）作为水质指标，水质测试参照GB3838 - 2002 《地表水环境质量标准》，TN 采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB11894 -89），TP采用钼酸铵分光光度计测定（GB11893 - 89）。

2.2 因子选取

选取景观多样性指数（SHDI）、蔓延度指数（CON）、最大形状指数（LSI）、边界密度（ED）、最大斑块指数（LPI）、斑块密度（PD）并在Fragstats4.2软件计算。利用2015年8月美国陆地卫星 Landsat8遥感影像解译获得于桥水库流域土地利用数据，将流域土地利用类型划分为林地、城镇居民用地、园地、裸地、灌草地和耕地6种类型[4]。计算不透水面，本文以2013 年流域路网0.5 km 的范围内做缓冲区，采用情景分析法，提取路网缓冲区不透水面的变化情况。采用光谱混合分析（ SMA） 计算混合像元中不同地类的组成比例，将空间数据进行叠加归一化后最终得到不透水表面指数（ ISA） ，并且对ISA数值区间采用密度分割，按ISA 数值大小分为1～ 9 个等级[8]。

3 结果与讨论

3.1 水质指标变化的主导因素分析

由冗余分析中RDA线性排序可知（图2），不透水面指数（ISA）、城镇比例（Red%）、裸地比例（Bare%）、耕地比例（Cul%）、蔓延度指數（CONTAG）与水质指标呈正相关，与TN、TP夹角小于90°;林地比例（For%）、草地比例（Gra%）与水质指标呈负相关，与TN、TP的夹角大于90度°。Red%、For%作为流域内占比较大的土地利用类型，对氮磷的输出有着很大的影响，Tu等和Chen等在研究流域水质影响中证明了这一点。其中ISA与Red%对水质影响程度最大，箭头长度最长（p<0.01），表明这两个因子能更好地反映水质的输出。居民活动区产生的污染物随着不透水面排放到河流中，使河流氮磷富集。

3.2 显著因子对水质影响的空间分异

选取ISA、Red%分别与TN、TP构建的地理加权回归模型（图3），模型由回归系数可知，ISA和Red%对TN、TP的影响均为正相关，且回归系数在空间上的分布存在异质性，回归系数变化范围从2.18变化到40.48，ISA、Red%对水质指标的影响程度随空间位置变化而变化。

从回归系数在空间上的分布可知，Red%与TN构建的GWR模型回归系数变化范围为6.46到15.93，影响大的地方集中在城镇化程度较高的地区（系数大于12.58）;Red%与TP构建的GWR模型回归系数变化范围为2.17到3.13，影响大的地方同样集中在城镇化程度较高的地区（系数大于2.62）。且Red%对TN影响的回归系数在空间的变化大于TP，对TN的影响的空间异质性较强。城镇较为集中的区域人类活动密集，畜禽废弃物及一些生活垃圾通常随意堆放，易被带入径流中。

ISA与TN构建的GWR模型回归系数从6.34变化到40.47，与TN 呈现正相关，ISA与TP构建的GWR模型回归系数从2.49变化到7.10，与TP呈现正相关。近年来，于桥水库流域不透水面面积沿子流域路网呈现“填充式”增长，流域路网增加带来不透水面的快速扩展，在不透水面向山区扩展的过程中，不透水面的分布成为山区村镇TN的主要因素。

4 结论

为控制河流氮磷污染，保护流域生态环境，本研究立足城镇化发展较为迅速的区域—天津于桥水库上游流域，对区内河流氮磷流失进行分析，并基于冗余分析，探测了景观格局对氮磷流失的驱动力。不透水面指数（ISA）、城镇比例（Red%）对水质指标影响较为显著。Red%、ISA对TN、TP影响存在空间差异，城镇的分布对TN、TP影响显著，流域城镇化的发展，已然成为河流氮磷污染输出的主要因素。分析不同子流域在不同时期氮磷的主要影响因素能帮助我们更好地因地制宜，因时制宜，更有效地控制流域点源、非点源污染，从而改善水质环境。

参考文献

[1]陈利顶，傅伯杰，张淑荣，等.异质景观中非点源污染动态变化比较研究[J].生态学报，2002（06）：808-816.

[2]陈强，朱慧敏，何溶，等.基于地理加权回归模型评估土地利用对地表水质的影响[J].环境科学学报，2015（05）：1571-1580.

[3]韩黎阳，黄志霖，肖文发，等.三峡库区兰陵溪小流域土地利用及景观格局对氮磷输出的影响[J].环境科学，2014（03）：1091-1097.

[4]张亚娟，李崇巍，胡蓓蓓，等.城镇化流域“源-汇”景观格局对河流氮磷空间分异的影响——以天津于桥水库流域为例[J].生态学报，2017（07）：2437-2446.

[5]XuQ，DongY，WangY，etal.DeterminantsandidentificationofthenorthernboundaryofChinastropicalzone[J].JournalofGeographicalSciences，2018，28（1）：31-45.

[6]TuJ.SpatialVariationsintheRelationshipsbetweenLandUseandWaterQualityacrossanUrbanizationGradientintheWatershedsofNorthernGeorgia，USA[J].EnvironmentalManagement，2013，51（1）：1-17.

[7]ChenQ，MeiK，DahlgrenRA，etal.Impactsoflanduseandpopulationdensityonseasonalsurfacewaterqualityusingamodifiedgeographicallyweightedregression[J].ScienceofTheTotalEnvironment，2016，572：450-466.

[8]谢慧君，李崇巍，张亚娟，等.城镇化过程中流域不透水面演变格局——以天津于桥水库流域为例[J].应用生态学报，2016（04）：1069-1076.

收稿日期：2019-05-16

作者简介：张海艳（1994-），女，汉族，研究生二年级，研究方向为景观生态学。