沙溪河流域地表景观对水质的响应研究

康文华，罗火钱，2，周文娟，冯 垚，钟灵双

(1.福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366099； 2.福建水利电力职业技术学院 王光谦院士站，福建 永安 366099； 3.宁德卫星大数据科技有限公司，福建 宁德 352100； 4.宁德市水利局，福建 宁德 352199)

0 引 言

河流是景观的重要组成部分之一，河流生境与土地景观格局关系密切。目前，国内外针对此方向有诸多相关研究。如张大伟[1]等分析了南方平原入太湖河流武进港的区域景观格局与河流水质的相关性；刘文竹等[2]分析了华北密云水库小流域不同尺度景观格局与水质的相关性；吉冬青[3]以具有显著梯级景观变化的珠江支流流溪河为例，研究了景观空间特征与河流水质的关联性；YAN[4]通过对重庆地区的研究表明，景观水平上，水质与地表起伏度和斑块密度密切相关，地形起伏度越大，山区小流域的河流水质越好，但河流水质的退化与景观破碎化程度越高有关。

除了景观之外，其他因素如地形、高程等都将影响非点源污染的运输[5]。同时，土地利用组成作为影响水质的主导因素具有阈值效应、空间和时间尺度效应[6-7]。XIANG[8]在美国的一个小流域中使用地质统计学工具，确定有效缓冲宽度应在8～175 m范围内。Allan[9]根据已发表的文献，将河岸带尺度定义为宽100～300 m(每岸)，确定河岸带的适当宽度对于制定有效的河流生态系统管理方案具有重要意义。YANG[10]分别对50、100、150和300 m的缓冲带进行了分析，认为前100 m缓冲带的景观因子更能体现出对水质变化的影响。SHI[11]等以监测点上游500 m作为地理中心，构建的圆形缓冲区尺度具有较好的预测水质效果。

国内外对景观与水质的响应关系研究中，针对华南丘陵山地地形复杂小流域研究不足，尤其是对自然因素(如地形)如何影响景观与河流水质关系的认识还不足，对不同季节景观复杂性与水质之间的关系缺乏深入探讨。本文选取沙溪河流域(永安段)作为研究区域，在取样缓冲带上开展相关研究，主要探讨：①在景观复杂的华南丘陵小流域中，河流水质与景观的响应关系；②在不同季节下，河流水质与景观关系是否有很大差别；③自然因素(地形)是否能使河流水质与景观关系更明晰。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

沙溪河位于福建省中西部，是三明市境内最大的河流，也是闽江上游重要的支流之一；发源于建宁县的严峰山，流经宁化、清流、永安、三元、梅列、沙县至沙溪口，最后注入闽江。沙溪河流全长328 km，流域面积1.2×104km2，约占闽江流域总面积的19%。该流域属于闽西北低山丘陵区，全年温暖湿润，森林覆盖率达70%以上。利用分辨率为30m的ASTER GDEM 2高程数据得到沙溪河流域永安段水系图(图1)，该区域属于中亚热带海洋性季风气候，同时又具有一定的大陆性气候特征，年平均气温在18℃左右，年平均降水量为1 688 mm，气候温热，雨量充沛，为农业和林业生产提供了优越条件。由于地处沙溪的上游，山体切割强烈，山高坡陡，地貌以山地丘陵为主。

图1 研究区位置及水系图

1.2 数据来源及数据处理

1.2.1 景观分类数据

本文选取已处理的土地利用分类产品(FROM-GLC10)进行研究。FROM-GLC10 是清华大学地球系统科学系宫鹏教授研究组与国内外多家单位合作研发的世界首幅10 m分辨率全球地表覆盖制图方法与结果，总体精度为72.76%，利用FROM-GLC10制作了沙溪河流域永安段土地利用分类图，见图2。

图2 沙溪流域永安段土地利用分布图

1.2.2 水质数据

水质数据来源于永安水利局，数据包括沙溪河流域26个水质采样点的数据，分为3个时间段，分别为夏季(2020年7月20日)、冬季(2020年12月21日)和春季(2021年2月28日)。所检测的水质指标包括酸碱度(pH)、溶解氧(DO)、氨氮(NH3-N，mg/L)、高锰酸盐指数(CODmn, mg/L)和总磷(TP, mg /L)。

1.2.3 景观数据处理

将流域划分提取出两个子流域进行进一步统计，子流域位置图见图3。统计全流域及I、II两个子流域内各土地利用分类中的占比，结果见表1。

图3 子流域I、II位置

表1 全流域及子流域I、II在各土地利用分类中的占比

从表1可以看出，在不同空间尺度上的景观组成面积百分比有相同，也有差异。在子流域I流域尺度上，景观组成面积百分比表现为森林>农田>草地灌木>建筑用地>裸土>湿地水体，在子流域II和整个流域尺度上也是这种趋势。由此可以发现，在沙溪流域永安段子流域之间相差较小，所以在具体研究中不考虑划分出子流域分别研究。在具体研究中，将湿地与水体结合为一种“湿地水体”进行研究。

以沙溪河流域永安段26个采样点上游500 m为地理中心，建立500 m圆形缓冲区，采样点位置及缓冲区结果见图4。统计采样点内各土地利用类型在缓冲区内的占比，统计结果见图5。

图4 采样点位置及圆形缓冲区位置

图5 500 m缓冲区内土地利用类型占比

根据图5对26个圆形缓冲区的景观组成进行进一步分析，各缓冲区之间景观组成差异较大，农田最少占比0.00%，最多占比71.35%；森林最少占比25.48%，最多占比96.93%；草地灌木最少占比0.29%，最多占比10.25%；湿地水体最少占比0.00%，最多占比24.01%；建筑用地最少占比0.01%，最多占比69.48%；裸土最少占比0.03%，最多占比14.69%，这些组成百分比的差别有助于分析景观组成和水质之间的关系。

2 结果与分析

以所选取的4个水质指标及各圆形缓冲区内的景观组成面积百分比为变量，对不同季节、不同缓冲区的景观组成面积百分比与水质指标进行Spearman秩相关分析，结果见表2。

表2 景观组成与水质相关性分析结果

由表2可得，整体来说，建筑用地不论在哪个季节都是与DO呈负相关的，与CODmn、NH3-N和TP呈正相关，其中建筑用地与TP呈显著正相关。分析结果表明，建筑用地占比增大会使水质中TP指标增大，是河流污染物的主要来源。其他景观随着季节的变化对水质的影响略有不同。农田在夏季与DO呈负相关，与CODmn、NH3-N、TP呈正相关；在冬季与DO、NH3-N、TP都呈正相关，与CODmn呈负相关；在春季与DO、CODmn、NH3-N、TP都呈正相关。森林除了在夏季与DO呈正相关，在冬季和春季都与DO呈负相关，与CODmn、NH3-N、TP在任何季节都呈负相关。

通过以上分析可得，在景观复杂的华南丘陵小流域中，河流水质与景观关系较为复杂，在不同季节，河流水质与地表景观的响应关系不同。这一结果对判断地表景观给水质是否带来正收益的工作增加了难度。但是综合这4个指标不难发现，农田、建筑用地带来的负面收益更大，而森林、草地灌木、湿地水体带来的正面收益更大，裸土相较于农田和建筑用地虽然能带来正面收益，但是正面收益不如森林等景观大。

进一步引入缓冲区的平均坡度百分比作为影响因子。由于缓冲区坡度都较陡且差别较小，此处利用坡度百分比即以上升百分比计算坡度的倾斜度，再对坡度百分比取log进行进一步计算，利用Spearman秩分析，结果见表3。由表3可得，在夏季和冬季，坡度百分比与DO正相关，与其他3个水质指标负相关，在春季与4个指标均负相关，整体来说坡度越陡，水质情况越好。

表3 平均坡度百分比与水质相关性分析结果

不同季节下，河流水质与景观关系存在一定差别。湿地水体对NH3-N、TP的抑制作用在春季发挥了最大的作用，草地灌木对DO含量的促进作用在夏季达到最大，但在春冬两季对DO含量有抑制作用，甚至平均坡度百分比对DO的影响也会因为季节不同存在差别。因此，景观组成与水质的关系需要分不同的季节看待，也应当根据不同的时期制定不同的政策。

3 结 论

本文以沙溪流域永安段为研究对象，结合地表景观和水质数据，通过 Spearman 秩相关分析，探究了不同景观特征在不同季节对河流水质的影响差异，结论如下：

1) 流域内景观组成以森林为主，农田和草地灌木次之，裸土最少。农田、建筑用地带来的负面收益更大；而森林、草地灌木、湿地水体带来的正面收益更大；裸土相较于农田和建筑用地，虽然能带来正面收益，但是正面收益不如森林等景观大。

2) 在不同季节下，河流水质与景观关系有很大差别。湿地水体对NH3-N、TP的抑制作用在春季发挥了最大的作用，草地灌木对DO含量的促进作用在夏季达到最大，但在春冬两季对DO含量具有抑制作用，平均坡度百分比对DO的影响也会因为季节不同存在差别。因此，景观组成与水质的关系需要分不同的季节看待，也应当根据不同的时期制定不同的政策。

致谢：感谢清华大学石羽佳博士对论文的技术支持，感谢永安河长办提供实测数据和专业指导。