缙云山山地乡村景观组成对地表径流水质的影响

2022-10-10白亚东黄安文罗晓铮

林业调查规划 2022年5期

白亚东，黄睿，黄安文，林立，罗晓铮

(1. 西南大学园艺园林学院，重庆 400715； 2. 河南中医药大学药学院，河南郑州 450046)

重庆地处我国西南内陆地区，为典型的山地地形，山地乡村景观资源丰富。山地乡村景观作为山地景观的重要组成部分，水热条件优越，森林覆盖率较高，同时受其特殊的地形特征、气候条件等因素影响，其景观要素构成、空间格局及景观生态环境等均具有与平原乡村景观相异的特性[1]，表现为景观斑块交错镶嵌分布、形状复杂、边缘破碎及地形垂直坡度大等特点[2-3]。

土地利用类型的改变是影响和制约景观生态过程最关键的因素之一[4]。近年来随着经济的快速发展，对山地乡村景观产生了一定程度的影响，主要表现为房屋道路修筑、农业生产活动等形式的土地开发，直接导致了山地乡村景观结构组成的改变。同时由于山地乡村的特异性，在进行上述土地利用开发时较少将山地乡村排水及污水处理纳入考虑范围，因此存在较多不合理之处，如农村生活污水未经处理直接或间接排入地表径流，生活垃圾的丢弃、农药化肥的使用及家禽的排泄物等均对以地表径流来水为主的源头溪流造成一定污染，使源头溪流内养分颗粒物及沉积物增加，继而也进一步影响到山地乡村水环境生态功能以及下游河流生态系统的健康与稳定。

针对此现状，目前较多研究从流域(大、中)尺度出发研究山地小流域景观结构组成及其与地表径流水质的关系，如刘靖等、吕志强等、唐源英从流域尺度出发研究了重庆山地小流域土地利用结构对河流水质的影响[3,5-6]，Shyamal Karmakar等从小流域尺度出发研究了孟加拉国吉大岗山区不同土地利用类型与河流水质的关系[7]，但从小尺度出发的研究却相对较少。而在山地特殊地形地貌条件下，村落多以小面积形式散布，目前对于这种小尺度条件下山地乡村景观组成与地表径流水质关系的认识仍存在一定欠缺。

研究中以重庆市北碚区缙云山缙云村山地小流域为研究对象，运用景观生态学相关知识理论，结合多次实地调研勘探结果，将小流域划分为若干汇水单元，利用GIS空间分析法和相关分析法，研究汇水单元尺度下山地乡村景观结构组成与地表径流水质的关系，以期为山地乡村水环境的生态修复提供一定依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

目前重庆北碚区启动了缙云山国家级自然保护区生态环境综合整治及恢复工作，以推进缙云山的生态旅游建设。缙云村地处缙云山自然保护区南麓，为典型的山地乡村，山地乡村景观特色突出，其社会经济的发展必然对生态环境造成一定影响，如房屋、道路修筑及农业生产活动等形式的土地开发所引起的面源污染加剧、水土流失等生态环境问题，均与生态保护、修复工作存在一定矛盾。

以ArcGIS 10.5水文分析生成的缙云山小流域为研究区域，面积191.23 hm2。研究对象缙云村处于研究区域内，面积74.97 hm2，山地乡村景观特色突出，地理位置为东经106°38′21″～106°40′95″，北纬29°81′91″～29°83′92″，其地理位置如图1所示。研究区植被属亚热带常绿阔叶林区，气候属亚热带季风湿润气候，雨水充沛，土壤肥沃，使得其植被类型丰富，森林覆盖率高。

图1 研究区域及对象区位Fig.1 Location of study area and target area

1.2 研究方法

1.2.1土地利用类型划分

利用BigMap获得2020年研究区域卫星影像资料，其比例大小为1∶10 000，分辨率1.04 m，将其与现有研究区1 m等高线地形图叠加，得到叠加影像图。于2020年4—10月对研究区域进行实地调研，通过对卫星影像的初步判读并结合实地调查结果，确定、调整各土地利用类型及边界，同时参考土地利用划分的相关原则及《土地利用现状分类标准(GB/T 21010—2017)》，将研究区域的土地利用类型划分为耕地、园地、林地、草地、住宅用地、交通运输用地、水域及水利设施用地及其他用地八大类。根据研究需要将园地划分为果园和菜园，根据植被类型将林地划分为常绿阔叶林、针阔叶混交林、竹林。

1.2.2景观指数的选取

以土地利用类型划分为基础，利用ArcGIS 10.5的转换工具将研究区域土地利用类型矢量图层转化为1 m×1 m的栅格数据(TIFF格式)，之后导入Fragstats 4.2进行景观指数计算。参考前人对山地景观的研究以及该小流域的实际情况[8-10]，从景观和类型两个水平层面上选取斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、最大斑块指数(LPI)、平均斑块面积(MPA)、周长-面积分维数(PAFRAC)、相似邻接百分比(PLADJ)、散步和并置指数(IJI)、景观分割指数(DIVISION)、斑块内聚指数(COHESION)、蔓延指数(CONTAG)、多样性指数(SHDI)等12个指标来反映研究区山地乡村景观结构特征。

1.2.3汇水单元的划分

创建tin生成数字高程模型(digital elevation model，DEM)后，进行径流分析。通过无洼地DEM生成、汇流累积量计算、水流长度计算、河流网络提取、河网分级、汇水单元划分等步骤得到研究区域地表径流汇水关系[11]。

由于研究区域流域尺度相对较小，进行汇水单元划分时存在一定误差，为避免这种误差，在水文分析基础上结合研究区域地形图及多次实地调查结果，根据实际地形地貌、汇水流向，从研究区上部至下部对水文分析生成的汇水单元划分结果进行修正与调整，得到研究区汇水单元划分图(图2)。

图2 研究区景观汇水分区、汇水单元划分Fig.2 Landscape catchment divisions and catchment unit divisions of the study area

1.2.4地表径流水质分析

水质数据来自于2020年7—11月对23个水质样点(S1～S23)的实地采集(图2)，样品采集时间为每月1次且在天晴3日后进行，每个检测点所取水样装入100 mL塑料瓶中并于当日带回实验室，酸化后低温密封保存处理，以保证后续实验数据的可靠性[12]。根据前人研究[13-15]，选择能综合反映地表径流污染状态的水质指标进行测定，采用《重铬酸钾法(HJ 828—2017)》对化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)进行测定，采用《碱性过硫酸钾紫外分光光度法(GB 11894—89)》对总氮(total nitrogen，TN)含量进行测定，采用《钼酸铵分光光度法(GB 11893—89)》对总磷(total phosphorus，TP)含量进行测定，采用《纳氏试剂分光光度法测定(GB 7479—87)》对氨氮NH4+-N含量进行测定。

1.2.5景观组成与地表径流水质关系的相关分析

采用皮尔逊相关分析(pearson correlation coefficient，Pearson)探索研究区山地乡村景观组成与地表径流水质的关系。在进行Pearson相关分析前，对研究区域地表径流的水质样本数据进行正态分布检验，结果表明，样本数据服从所假定的正态分布。利用SPSS 25.0计算研究区山地乡村景观组成对地表径流水质的影响。

采用冗余分析(redundancy analysis，RDA)进一步探究研究区山地乡村景观组成对地表径流水质变化的解释度和贡献率。在进行RDA分析前，先对样本数据进行决策曲线分析(DCA)，结果在3.0～4.0范围，表明RDA的分析结果较好。利用Canoco 5.0进行RDA分析。

2 结果与分析

2.1 景观结构组成及景观格局特征

2.1.1景观结构组成

研究区山地乡村景观，林地(常绿阔叶林、针阔叶混交林、竹林)面积分布最广，约占研究区山地乡村景观总面积的65.38%，果园次之，空闲地和其他草地最少，合计仅占0.13%(图3)。

图3 研究对象不同汇水单元土地利用类型构成Fig.3 Land use types in different catchment units of the research object

由图3可知，研究区山地乡村景观各个汇水单元内以林地、果园和农村宅基地为主。从上至下随着汇水单元划分面积的增加，高程相对较高的是汇水单元C1、C9等，自然林地面积占比相对较高，均达到60%以上，果园、农村宅基地次之；随着高程的递减，汇水单元B3、C5等果园、农村宅基地面积占比提升，达到30%以上，而林地面积占比降低；高程较低时，汇水单元B9、C11等则又以林地为主，面积占比达到40%以上，灌草地、旱地次之，果园、农村宅基地等面积占比下降。

2.1.2景观格局特征

研究区山地乡村整体景观形态较为复杂，是由多种景观要素镶嵌而成的密集格局，聚集程度高，分散程度低。景观类型丰富，但平均斑块面积小，且缺乏优势景观类型，部分区域受到一定程度的人为干扰，出现景观破碎化程度增加、连接度降低等一系列景观格局问题(表1)。

由表1可知，不同用地类型中，农村宅基地、果园及菜园等用地类型的NP、PD、ED值较高，表明其景观破碎化程度高，且多为分散式小型斑块；常绿阔

表1 研究对象景观格局指数Tab.1 Landscape spatial pattern index of the research object

叶林、针阔叶混交林、竹林的MPA、COHESION值较高，而DIVISION值较低，表明上述用地类型的平均斑块面积大，分布相对紧凑，被分割的程度小，易受到人为干扰而出现破碎化，农村宅基地、旱地等用地类型刚好与之相反。

2.2 地表径流水质特征

研究区山地乡村地表径流平均输出情况见表2。

表2 研究对象汇水单元地表径流污染物平均输出情况统计(Mean±SE)Tab.2 Statistics on average output of surface runoff pollutants of catchment units (Mean±SE) mg·L-1

续表2

由表2可知，研究区山地乡村各汇水单元内COD的平均输出浓度为34.99 mg/L，TN的平均输出浓度为3.192 mg/L，TP的平均输出浓度为0.117 mg/L，NH4+-N的平均输出浓度为0.188 mg/L。根据上述分析结果，参考《地表水环境质量标准》标准限值，可初步判断研究区山地乡村地表径流水质为劣V类水质标准。

2.3 景观组成与地表径流水质的关系

2.3.1 土地利用类型面积占比与地表径流水质的相关关系

汇水单元尺度下，研究区山地乡村土地利用类型面积占比与地表径流水质指标之间存在显著或极显著的相关关系(表3)。

表3 景观复合体的组成与地表径流水质的相关关系Tab.3 Correlation between composition of landscape complex and surface runoff water quality

旱地、果园、菜园、农村宅基地、坑塘水面面积占比与地表径流水质之间存在显著或极显著的正相关关系，常绿阔叶林、针阔叶混交林、竹林面积占比与地表径流水质之间存在显著或极显著负相关关系；灌草地与地表径流水质指标之间呈负相关关系，但不具显著性；其他草地与空闲地因其斑块数量少，面积较小，对径流污染物的输出造成的影响相对较小，因此不进行相关分析；道路下排水涵洞的利用，可避免或减轻路面径流对沿线水体造成的污染，研究区域的农村道路多利用排水涵洞，因此亦不进行相关分析。

2.3.2景观组成与地表径流水质的冗余分析

汇水单元尺度下，景观组成与地表径流水质指标的冗余分析结果见图4。

从图4可知，不同土地利用类型能共同解释4类响应地表径流水质指标变化的85.4%。旱地、果园、菜园、农村宅基地、坑塘水面与地表径流水质指标之间呈正相关关系，常绿阔叶林、针阔叶混交林、竹林与地表径流水质指标之间呈负相关关系，其中坑塘水面、农村宅基地、菜园、常绿阔叶林4个因子的解释量较高，能更好地反映地表径流水质指标变化。景观组成与地表径流水质指标的冗余分析结果与相关分析所得结果一致。

图4 研究区山地乡村景观组成与地表径流水质间的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis between the mountain rural landscape composition and surface runoff water quality in the study area

2.4 景观格局与地表径流水质的关系

2.4.1景观格局与地表径流水质的相关关系

不同汇水单元景观格局指数与地表径流水质指标之间存在显著或极显著的相关关系(表4)。

表4 景观复合体的景观格局与地表径流水质的相关关系Tab.4 Correlation between spatial pattern of landscape complex and surface runoff water quality

PD、ED、DIVISION、SHDI与地表径流水质指标之间呈显著或极显著的正相关关系，MPA、LPI、CONTAG、COHESION与地表径流水质指标之间呈显著或极显著的负相关关系；NP与地表径流水质指标之间呈正相关关系，PAFRAC、PLADJ、IJI与地表径流水质指标之间呈负相关关系，但均不具显著性。

2.4.2景观格局与地表径流水质的冗余分析

汇水单元尺度下，景观格局与地表径流水质指标的冗余分析结果见图5。

图5 研究区景观格局与地表径流水质间的冗余分析Fig.5 Redundancy analysis between landscape pattern and surface runoff water quality in the study area

从图5可知，不同景观格局指数能共同解释4类响应地表径流水质指标变化的79.8%。PD、ED、DIVISION、SHDI与地表径流水质指标之间呈正相关关系，MPA、LPI、CONTAG、COHESION与地表径流水质指标之间呈负相关关系，其中DIVISION、LPI、SHDI这3个因子的解释量相对较高，对地表径流水质指标的影响程度最大。景观格局与地表径流水质指标的冗余分析结果与相关分析所得结果一致。

3 讨论

3.1 景观组成对地表径流水质的影响

山地乡村景观要素构成具有平原乡村相异的特性，表现为林地面积占比较高，其他用地类型面积占比相对较低。但从景观组成与地表径流水质的相关分析来看，依旧与大、中尺度条件下平原乡村有一定的共性。在汇水单元尺度下，不同土地利用类型面积占比与山地乡村地表径流水质指标之间存在一定的相关性，这是由于各汇水单元内土地利用类型及人为活动影响强弱的差异性所致。

林地(常绿阔叶林、针阔叶混交林、竹林)面积占比与地表径流水质质变之间呈显著或极显著负相关关系，对地表径流污染物输出起到一定的抑制作用；农村宅基地、坑塘水面、菜园的面积占比与山地乡村地表径流水质指标之间呈显著或极显著正相关关系，是影响山地乡村地表径流水质的主要贡献源。

将林地进一步划分后研究其与地表径流水质指标之间的关系发现，在汇水单元尺度下，常绿阔叶林、针阔叶混交林及竹林皆与地表径流水质之间呈显著或极显著负相关关系，并未存在差异性。这与刘登峰等对不同植被类型与地表径流水质关系的研究结论有所不同[16]，在大、中尺度条件下，不同植被类型对地表径流水质的净化效率存在差异性。常绿阔叶林、针阔叶混交林、竹林对地表径流污染物的输出起到“汇”效应，研究区植被类型丰富，分布面积广，从减缓养分流失的角度来看，上述用地类型中的乔灌草可有效地截获从上游地区冲刷下来的养分颗粒物，吸收后促进自身生长，因此对地表径流的污染物具有阻截作用。

农村宅基地为主要影响地表径流水质的贡献源之一，这与罗璇等、孙金华等的研究结论一致[17-18]。这是因为研究区特殊的地形地貌，在进行山地乡村景观建设时较少将污水处理纳入考虑范围，居民生活所产生的生活污水直接排入地表径流，加之生活垃圾的随意丢弃、饲养家禽的排泄物等，均在一定程度上加剧了地表径流水质的恶化。

同时研究发现，在较小尺度条件下，仅菜园为影响地表径流水质的主要贡献源，果园和旱地虽与地表径流水质之间呈显著或极显著正相关关系，然而对于地表径流水质影响的综合变化贡献不显著。这是因为旱地、果园、菜园在进行农业生产活动时大多会使用一定量的肥料(化肥、农家肥)及农药，导致较多养分的流失和污染物的输出，对地表径流水质造成一定的污染。这与目前庞燕等、孙芹芹等在大、中尺度条件下对农业用地与水质关系的研究结论一致[19-20]。

坑塘水面与地表径流水质指标之间呈显著或极显著正相关关系，亦为影响山地乡村地表径流水质的主要贡献源之一，这与任嘉衍、王一舒等对大、中尺度条件下的研究结论有所不同[21-22]。研究发现，在较小尺度条件下，坑塘水面在汇水单元中的作用较流域尺度更明显，这可能是由于研究区内存在多处鱼类养殖或农业灌溉蓄水池，渔业养殖所产生的排泄物及灌溉蓄水池缺少人为管理，对地表径流造成的影响更为深远。此研究也进一步证明了小尺度土地利用类型对地表径流的影响更显著，这与Hunsaker等、Johnson等、官宝红等的研究结论一致，认为小尺度条件下土地利用类型对地表径流的影响更显著[23-25]。

3.2 景观格局对地表径流水质的影响

山地乡村景观是由多种景观要素组成的密集格局，景观类型丰富，但因受到一定程度人为干扰的影响，使得其破碎化程度高、连接度低。从景观格局特征与地表径流水质的关系来看，与大、中尺度下的研究具有一定的共性。在汇水单元尺度下，研究区山地乡村景观格局与地表径流水质指标之间存在一定的相关性。

DIVISION与地表径流水质指标之间呈显著或极显著正相关关系，而COHESION、CONTAG则与之呈显著或极显著负相关关系，这与伍恒赟等、宫殿林等的研究结论一致[26-27]。表明山地乡村景观的分裂程度高，聚集度低，受人类活动影响较大时，对生态环境产生的影响也愈加强烈，如房屋、道路修筑和农业生产活动等形式土地的开发必然对地表径流水质造成影响。

PD、ED、SHDI与地表径流水质指标之间呈显著或极显著正相关关系，说明研究区山地乡村景观的破碎化程度越高、景观类型越丰富时，对地表径流水质造成的影响越深远。这与Lee等、刘婉锐等的研究结论一致[28-29]；MPA反映的是景观斑块的平均面积，LPI可反映人为干扰程度的强弱，MPA、LPI皆与地表径流水质指标之间呈显著或极显著负相关关系，这与林立等、吉冬青等的研究结论一致[13,30]。表明研究区山地乡村在进行景观建设时，人为干扰的程度增加，原有的林地被分割为若干不同的景观类型，景观的破碎度、多样性随之增加，继而也对地表径流水质造成一定的影响。

同时研究发现，汇水单元尺度下的NP、PAFRAC、PLADJ、IJI与地表径流水质之间的相关性相较于大、中尺度明显减弱。在大、中尺度条件下呈强相关性，吕乐婷等对东江流域的研究中发现，PLADJ、IJI与河流中氮、磷的输出呈强相关性[31]。杨娅楠等对抚仙湖流域的研究中发现，NP、PAFRAC与河流水质指标之间呈强相关性[32]，而在小尺度条件下相关性明显减弱。Lin L等通过对不同尺度条件下的迎龙湖流域水质与景观组成及景观格局关系的研究中也发现，小尺度条件下部分景观指数与水质的相关性明显减弱[13]。