长江上游坡地景观特征对河流水质的影响

张柳柳,刘 睿,张 静,*,肖作林,冀 琴

1 重庆师范大学地理与旅游学院, 重庆 401331 2 重庆师范大学 GIS应用研究重庆市重点实验室, 重庆 401331

河流水质是流域生态环境高水平保护和经济高质量发展的关键因素,河流水质优劣对流域内人类生活、生产用水安全具有重要意义[1]。目前,我国各类点源污染已得到有效治理,面源污染已成为决定河流水质的主导因素[2]。流域景观结构、景观格局影响着径流中污染物质的迁徙转换[3—6]。合理调控景观特征对减少面源污染具有显著作用,故探讨景观特征与河流水质的关系对恢复流域生态安全、降低污染风险具有重要意义[7]。

景观特征与河流水质关联研究已成为国内外研究热点[6,8—16]。景观特征与河流水质的关联研究在内容上主要从自然属性角度(景观类型)或空间分布角度(景观格局)进行研究。如Dai等[8]研究证实建设用地和农田能对水环境产生显著负面影响,植被能显著减少向河流排放的养分,从而缓解水质恶化。Shehab等[6]研究表明景观高度分散能加剧水质恶化。朱珍香等[9]发现斑块密度、香农多样性指数与水质指标为负相关,得出减少景观破碎化能改善水质的结论。也有部分研究探讨景观特征—水质关联的空间尺度效应[10—13],但由于各流域土地利用具有独特性,对水质影响最强的空间尺度存在争议[11]。Zhang等[12]在大宁河流域的研究结果显示流域尺度下的土地利用对整体水质的影响无论在旱、雨季都最强。而Dai等[8]发现河岸200 m以内的区域是影响河流水质的重点区域。方娜等[13]的研究却表明土地利用对河流水质的解释率在缓冲区尺度先加强后减弱,在1000 m河岸缓冲区尺度处达到最大值。此外,景观特征对河流水质的影响存在季节差异。Huang等[14]发现九龙江流域的土地—水质关联在丰水年强于枯水年,而彭勃等[15]却在清源河流域研究中得出相反结论。但由于景观特征的复杂性和异质性,景观特征对水质影响的共性规律仍待进一步研究[16]。此外,坡度因子是水土保持的重要地形因子[17—18]。山地丘陵地区的地表坡降大,地表径流携带污染物迁至河流的能力加强,却鲜见研究探讨坡度因子对景观特征-水质关联的影响[3]。因此需要在更广泛的区域开展研究,并充分考虑地形因素的影响,更深入探讨坡地景观特征对河流水质的影响机制。

长江是我国最大的河流,对我国人文、社会、经济发展具有重要意义[19]。本研究以位于长江上游、覆盖三峡库区约80%的重庆市为研究区[20],分析长江上游坡地景观特征与河流水质的关联关系,研究目的为：(1)建立坡地景观特征-水质的关联,确定影响水质的主要坡地景观特征指标；(2)定量探讨坡地景观特征影响水质的多时空尺度差异；(3)探究坡度因子如何影响景观特征与河流水质的关联。本研究通过定量分析坡地景观特征影响河流水质的方式及其时空尺度差异,以期为长江上游水资源保护、山地丘陵区的景观特征优化提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

重庆市是长江上游经济重心城市、西南地区交通枢纽[21],境内三峡库区的建设加速经济发展同时也加剧了污染物排放,建设用地、农业用地生产排放的污水成为恶化河流水质的主要因素[22]。重庆市地跨东经105°11′—110°11′、北纬28°10′—32°13′,位于青藏高原与长江中下游平原的结合地带,幅员面积8.24×104km2。地貌以丘陵、山地为主[23],地形呈现为南北向长江河谷倾斜,属亚热带季风性湿润气候,年均降水量约为1200 mm,降雨量呈单峰型,峰值集中在5—9月,因此将5—9月划定为汛期,其余时间为非汛期[24]。境内水资源丰富,长江干流境内流程长达683.8 km,自西向东横贯全境,与嘉陵江、乌江、涪江、綦江等一级支流形成不对称网状水系格局[25]。

1.2 数据来源与处理

1.2.1水质数据来源与处理

图1 研究区概况图及水质监测站空间分布图Fig.1 Overview map of the study area and spatial distribution of water quality monitoring stations 站点1—12分别为北温泉、大溪沟、丰收坝、和尚山、金子、李渡、梁沱、码头、扇沱、万木、玉溪、朱沱站点

1.2.2地表景观数据来源与处理

首先,基于国家科技基础条件平台——国家地球系统科学数据中心(http://www.geodata.cn)发布的Landsat 8 OLI遥感影像数据(2015年,30 m空间分辨率),根据土地利用一级分类标准,结合人工目视解译和随机森林法将研究区土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地,其中未利用地包含盐碱地、沼泽地、沙地和裸地(图1)。分类结果经混淆矩阵精度验证,总精度为84.763%, Kappa系数为0.82,满足精度要求。其次,基于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)发布的ASTER GDEM数据(30 m空间分辨率),利用ArcGIS(ESRI Company, USA)表面分析模块计算地形坡度,并参考坡耕地的定义及坡面侵蚀临界值[3],划分平地(<6°)、缓坡(6°—25°,含6°)和陡坡(≥25°),研究区内6°及以上的坡地占比83.25%,其中缓坡占比57.17%。

1.3 研究方法

1.3.1空间尺度的创建

结合以往研究,本文选取河岸带100 m、200 m、300 m、500 m、1000 m和子流域尺度来研究坡地景观特征-水质关联[11, 28—29]。首先,以高程数据为基础,基于ArcGIS水文分析模块进行水系提取并以监测站点为出水口提取子流域；再参考中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)发布的研究区二级流域数据[30]划分出研究区12个监测点的子流域范围(图1)。其次,以子流域为边界截取河流,并向左右两岸延伸100 m、200 m、300 m、500 m、1000 m生成对应的河岸带缓冲区(图1)。

1.3.2景观特征参数的计算

景观组成是决定河流水质的重要因素。基于ArcGIS掩膜工具,将地表景观数据划分至总地类、缓坡地类、陡坡地类三种坡度尺度并导入FRAGSTAT 4.2软件[16]计算各景观类型的面积百分比,其中总地类包含平地类、缓坡地类和陡坡地类。

景观格局对河流水质具有重要影响。本文选择以往研究中对河流水质影响较大的景观格局指数[31—32]进行分析,包括斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、蔓延度(CONTAG)、聚集度(COHESION)、聚合度(AI)、Shannon多样性指数(SHDI)、Shannon均匀度指数(SHEI)。PD和ED指标常用来描述景观的破碎化程度,LPI指标反映景观内部优势种的丰度,LSI指标表征景观形状的复杂程度,CONTAG、COHESION和AI指标代表景观物理连接度和聚集程度,SHDI、SHEI表征景观异质性和均匀度[10, 33]。

1.3.3统计分析

以SPSS 24.0软件为平台,首先基于K-S方法检验数据分布正态性,结果表明pH、DO和CODMn水质参数的双尾渐进概率P值大于给定的显著性水平0.05,服从正态分布。其次采用独立样本T检验计算pH、DO和CODMn水质参数在时间上的显著性差异,并通过单因素方差分析计算pH、DO和CODMn水质参数在空间上的显著性差异。应用Spearman相关分析方法计算坡地景观特征与水质指标相关系数,以显著性概率P>0.05作为指标筛选标准[34],筛选结果为：总地类耕地(AGRL)、总地类林地(FRST)、总地类建设用地(URBN)、缓坡类耕地(G_AGRL)、缓坡类草地(G_PAST)、陡坡类草地(S_PAST)及景观格局指数PD、ED、COHESION和AI。以Canoco 5.0软件为平台,以水质指标作为物种变量,以相关分析选择后的坡地景观特征为环境变量,首先对水质参数进行降趋势对应分析(DCA),发现排序轴第1轴长度小于3,因此选择冗余分析(RDA)方法定量探究坡地类景观特征对河流水质的多时空尺度影响。RDA结果排序图中,指标夹角<90°,两者为正相关,夹角>90°为负相关,夹角的余弦值和指标向量的相对长度表示相关强度大小。

2 结果与分析

2.1 坡地景观空间特征分析

图2 多空间尺度下坡地景观结构统计图Fig.2 Statistical map of sloping landscape structure at multiple spatial scales

研究区地形以山地丘陵为主,坡地分布较广,缓坡占比从河岸带100 m尺度的52.3% 缓慢增长至子流域尺度的60.7%,陡坡占比则维持在8.23%—9.92% 之间(图2)。缓坡类的景观类型占比情况和总地类保持一致,河岸带100 m尺度下：总地类/缓坡类的耕地面积比>总地类/缓坡类的建设用地面积比>总地类/缓坡类的林地面积比。河岸带200 m至1000 m尺度下：总地类/缓坡类的耕地面积比>总地类/缓坡类的林地面积比>总地类/缓坡类的建设用地面积比。子流域尺度下：总地类/缓坡类的林地面积比>总地类/缓坡类的耕地面积比>总地类/缓坡类的建设用地面积比。而总地类和缓坡地类的草地和未利用地面积占比始终最小。即在子流域尺度下,面积最广的优势地物为林地,而在靠近水源的河岸带尺度下,人造地物(耕地、建设用地)成为优势地物,且在最小的河岸带100 m尺度下,建设用地面积超过林地面积,说明人类活动更集中在河岸带附近,尤其是最靠近水源的河岸100 m尺度。陡坡地形坡度≥25°,人类活动受限,使其景观类型占比与总地类和缓坡地类差异较大,表现为：陡坡类林地>陡坡类耕地>陡坡类草地>陡坡类建设用地>陡坡类未利用地。同时,陡坡地类分布情况在站点10处出现“突变”,这是因为站点10位于研究区东南部武夷山中低山区,陡坡面积占比本身较大,同时人类活动较少,景观类型主要为林地。

景观格局指数统计结果如表1所示。景观格局指标在河岸带缓冲区尺度上随空间尺度增大,景观破碎度增加,优势斑块丰度降低,形状复杂程度增大,景观异质性增强。具体表现为：PD、ED、LSI、SHDI和SHEI指标值在河岸带缓冲区尺度上随空间尺度增大而增大,LPI、CONTAG和AI指标值在河岸带缓冲区尺度上随空间尺度增大而减小,COHESION指标值在河岸带先逐渐减小,随后增大,在河岸带300 m尺度值最小。除LSI指标值在子流域尺度明显高于河岸带尺度外,其余指标在两种类型的空间尺度中无明显差异。

表1 多空间尺度下景观格局描述性统计(均值±标注差)

2.2 河流水质的时空格局分析

表2 水质参数季节性统计表(均值±标注差)

2.3 坡地景观特征对河流水质的多时空尺度影响

多时空尺度下坡地景观特征对水质的冗余分析结果如表3所示。坡地景观特征对水质指标的解释率≥63.21%,表明坡地景观特征对河流的水质优劣具有重要影响。坡地景观特征对水质的影响具有空间尺度效应,坡地景观特征对水质的影响程度随空间尺度增大先增强后减弱(表3)。河岸带100 m至300 m尺度下坡地景观特征对水质的总解释率均>90%(表3),即河岸带100 m至300 m范围内的坡地景观特征是影响河流水质的关键尺度。其中以河岸带200 m尺度下坡地景观特征对水质的总解释率最高(非汛期：99.63%；汛期：99.87%)(表3),说明研究区河岸带200 m尺度是影响河流水质的最有效空间尺度。空间尺度超过河岸带300 m后,研究区坡地景观特征对水质的影响程度随距离增大显著下降(表3),当尺度从河岸带300 m增大至500 m时,总解释率减少至非汛期时的84.99% 和汛期时的87.35%,总解释率下降幅度超过10%；当尺度从河岸带500 m增大至1000 m时,总解释率在非汛期为77.63%,下降幅度为7.36%；在汛期时为72.74%,下降幅度为14.61%；当空间尺度进一步增大至子流域尺度时,总解释率减少至非汛期时的63.21%,汛期时的63.22%,下降幅度大于9.52%。坡景观特征与水质的关系具有季节差异,但季节差异不显著(表3)。研究区坡地景观特征对水质的影响程度在河岸带100 m至500 m尺度下均汛期强于非汛期,季节差异低于2.36%；在河岸带1000 m尺度下为非汛期强于汛期,季节差异为4.89%；在子流域尺度下无明显季节差异。就单一坡地景观特征指标而言,以缓坡耕地和景观格局指标对水质参数的贡献率最高(表3)。在河岸带100 m和子流域尺度下,缓坡耕地对水质的整体贡献率最大,在河岸带100 m尺度下大于23%,在子流域尺度下大于46%,表明缓坡耕地是在距河流最近的河岸带100 m尺度和子流域尺度中,对水质影响最大的关键指标。在河岸带缓冲区尺度中,除缓坡耕地外,对水质影响最大景观指标多为PD、ED、COHESION和AI景观格局指标(表3),说明在河岸带缓冲区尺度,景观格局指标对水质的影响程度高于除缓坡耕地外的其余景观类型指标。

图3 水质参数类别百分比Fig.3 Percentage of water quality parameters by category DO：溶解氧 Dissolved 氨氮 ammonia nitrogen；CODMn：高锰酸盐指数 Permanganate index；分类标准参考地表水环境质量标准(GB 3838—2002)

表3 解释变量解释总体水质变化百分比的冗余分析结果

图4 坡地景观特征与水质冗余分析结果排序图Fig.4 Sequence diagram of redundancy analysis results of sloping landscape features and water quality AGRL：总地类耕地 Agriculture；G_AGRL：缓坡耕地 Gentle slope agriculture；URBN：总地类建设用地 Urban； G_PAST：缓坡草地 Gentle slope pasture,S_PAST：陡坡草地 Steep slope pasture；FRST：林地 Forest；PD：斑块密度 Patch density；ED：边缘密度 Edge density；COHESION：聚集度 Patch cohesion index；AI：聚合度 Aggregation index

3 讨论

3.1 坡地景观特征对水质的影响

3.2 景观格局对河流水质的影响

3.3 坡地景观特征对水质的时空差异性影响

研究结果表明,坡地景观特征对水质的影响程度在河岸带缓冲区大于子流域,随空间尺度增大先增强后减弱(表3)；其中河岸带100 m至300 m为坡地景观影响河流水质的关键空间尺度,并以河岸带200 m尺度下坡地景观对水质影响最大。有研究认为,相较于子流域尺度,河岸带尺度下的土地利用强烈影响河流水质[56,62]。方娜等[13]的研究解释道可能是因为子流域面积相对较大,而研究区地形又较为复杂,污染物质在输送至河流的途径中被土壤存储转换、被植被截留吸收。洪超等[29]的研究结果表明河流两侧0—0.3 km范围内的土地利用对水质的影响程度较大,是水污染防治的关键尺度。Dai 等[8]的研究同样认为土地利用类型对入河水质的影响在缓冲区200 m尺度达到峰值,因为该区域内的生活生产污水、化肥和农药等污染物往往直接输送到河流,被稀释、转化、截留的途径较少。因此建设和保护河岸森林防护带可以有效地保护非点源污染物和营养盐的输入,起到促进水质净化等重要作用[28]。

坡地景观对河流水质的影响具有季节差异,且季节差异随坡地景观的空间尺度发生变化。河岸带100 m至500 m尺度下,坡地景观特征对水质的影响程度在汛期强于非汛期,季节差异低于2.36%；在河岸带1000 m尺度下为非汛期强于汛期,季节差异为4.89%。研究区地表坡降大,汛期降雨增多,水土流失加剧,径流携带污染物质在坡地地形的帮助下加速汇入河流,使得污染源地对水质的污染程度进一步加强[3]。但坡地景观与水质的关联程度在河岸带1000 m尺度下却为非汛期高于汛期,而在子流域尺度下基本无季节差异。这种坡地景观对河流水质的季节差异影响随空间尺度变化的原因尚不清楚,具体的变化方式和机制有待继续深入挖掘。

4 结论

(1)坡地景观对2015年长江上游重庆段河流水质的影响存有空间尺度效应。研究区坡地景观与水质的关联程度在缓冲区尺度高于子流域尺度。河岸带100 m至300 m尺度下坡地景观对水质参数的总解释率大于90%,是坡地景观影响河流水质的关键尺度,其中以河岸带200 m尺度下总解释率最大,为影响河流水质的最有效尺度。

(2)坡地景观对2015年长江上游重庆段河流水质的影响具有季节差异,且季节差异随观测尺度发生变化。坡地景观特征对河流水质的影响程度在河岸带100 m至500 m尺度下为汛期强于非汛期；在河岸带1000 m尺度下相反,坡地景观对水质的总解释率在非汛期比汛期高4.89%；在子流域尺度无明显季节差异。

研究通过分析不同时空尺度下坡地景观特征与河流水质的关系,确定了水污染防治的关键时空尺度和重要景观特征。研究在常规的景观特征-水质关联分析基础上,充分考虑了地形坡度的影响,结果更贴合山地丘陵区的真实状况,可为山地丘陵区的水环境保护提供参考。