深圳市地表水质对植被覆盖的响应

童晓霞，王家乐，蒲 坚，张文杰，黄金权，许文盛，王志刚

(1.长江科学院 水土保持研究所， 武汉 430010；2.长江科学院 水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心， 武汉 430010 )

1 研究背景

国内外很多研究表明，非点源污染已成为水质污染的主要组成部分[1-3]，非点源污染发生具有不确定、分布广、难以控制等特点，使得非点源污染实际治理难度较大。非点源污染主要由降水径流过程驱动，同时也受到人类活动的影响[4]。研究表明，非点源污染的发生与迁移是重要的生态水文过程，土地利用和植被覆盖通过对流域水文循环、泥沙迁移过程的影响来间接影响污染物的迁移转化过程，从而对水体水质产生影响。水体水质对土地利用和植被覆盖的响应关系作为研究热点之一，很多学者从不同角度对其进行了探讨[5-12]，发现土地利用和植被覆盖与水体水质存在密切关系，土地利用和植被覆盖的改变对非点源污染的影响十分显著，因此对水质的变化起着重要作用。探讨土地利用和植被覆盖与水体水质的关系，有助于对区域土地利用格局进行规划和管理，是有效防控区域非点源污染和改善水体水质非常好的切入点，是区域水安全和水环境保护的重要手段。

深圳市是中国经济发达、人口密集的城市之一。深圳市经历了快速城市化过程，城市下垫面的改变和植被覆盖的变化对水环境产生了深远影响，水质出现了恶化情况[13-15]。但随着我国对生态环境保护的重视，河长制和水生态文明建设等国家政策相继出台，深圳市已启动河流水质提升工程[16-17]。为打好水污染防治攻坚战，深圳市将2019年定为“水污染治理决战年”，随着一系列水环境治理措施的开展，深圳市水环境形势发生较大改善。本文立足深圳市水环境治理逐见成效的新背景，采集深圳市主要地表水体样品并测定水质参数，系统分析水质对土地利用和植被覆盖的响应关系，解析土地利用和植被覆盖对水质的影响方式，以期为深圳市下一步水环境治理工作提供参考。

2 研究方法

2.1 样品采集与测试分析

地表水样品采自深圳市内龙岗河、坪山河、大鹏河等河流上游的15个典型地表水体。各采样点空间分布见图1。

图1 水质采样点空间分布

根据国内外有关降雨径流污染的研究成果，一般认为化学需氧量(COD)、总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、5日生物需氧量(BOD5)构成了初期降雨径流中的主要污染成份[18-23]。因此，本文选取以上5种污染物浓度作为水质指标，依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的规定，水样水质各项指标的测试方法见表1。

表1 水质参数及其分析方法

2.2 统计分析

2.2.1 水质评价

国内外很多研究表明，单因子评价法简单直观但并不能很好地反映水质污染情况[24-25]，内梅罗污染指数作为水质综合评价的方法之一，在很多地区得到了应用，可以更加科学、客观、综合地反映水质情况[26-28]。内梅罗污染指数是一种兼顾极值或称突出最大值的计权型多因子环境质量指数[29]，常用于地表水水质评价中，可用来反映地表水受污染的严重程度，内梅罗污染指数越大表示污染越严重。本文采用内梅罗污染指数来分析研究区水质情况。

内梅罗污染指数的计算公式为

(1)

其中：

(2)

Pmax=max(Pi) ;

(3)

(4)

2.2.2 土地利用解译与植被覆盖度计算

利用Google Earth高程数据(Level 17，空间分辨率20 m)在ArcGIS软件中手工勾绘各地表水采样点上游的临近汇水区域。利用2018年10月GF-1遥感影像人工目视解译各采样点对应汇水区域的土地利用类型，植被覆盖度通过林地、草地等绿色植被覆盖区域的面积占汇水区总面积的比例计算。土地利用基本情况见表2。

表2 采样点汇水区域土地利用情况

3 结果与分析

3.1 内梅罗污染指数计算与分析

根据表1的测试方法，对研究区15个取样点的水质进行了测定，得到研究区各取样点水样的污染物浓度，并根据公式(1)计算出内梅罗污染指数，结果见表3。

表3 采样点水质数据

从表3可知，不同采样点的内梅罗污染指数差别较大，其中最大值达到7.24，最小值为0.33，平均值为2.2，最大值与最小值相差20倍。总体上，内梅罗污染指数随植被覆盖度的增加而降低。但也存在植被覆盖度相近的采样点间内梅罗污染指数相差很大的情况，如洋涌河、龙溪河、龙岗河植被覆盖度分别是23%、21%、20%，而内梅罗污染指数分别为0.91、7.24、4.25。

相关研究表明，土地利用和植被覆盖与水体水质之间存在着非常复杂的关系[30-36]。不同的植被覆盖度对地表水质的净化作用不同，对水质有着重要的影响。不同的植被覆盖空间分布也会通过改变污染物的发生、迁移和转化等过程来影响河流水质。接下来从植被覆盖度及空间分布格局两个方面分析其对地表水质的影响。

3.2 水质对植被覆盖度的响应

选取水质样品的TN、TP浓度和内梅罗污染指数，结合采样点上游汇水区域内植被覆盖度，分析水质指标与植被覆盖度的相关关系，见图2。

图2 地表水水质与采样点上游汇水区域内植被覆盖度的关系

从图2可知，研究区取样点水质TN、TP浓度和内梅罗污染指数均随上游汇水区内植被覆盖度的增加而减少，减少速率呈现出由快变慢的整体趋势。通过对变化趋势线进行拟合，取函数曲率最大值所在的位置作为拐点。结果表明，“内梅罗污染指数-植被覆盖度”“TP-植被覆盖度”“TN-植被覆盖度”均呈显著幂函数关系，这3个拟合函数的拐点均出现在植被覆盖度为30%～35%附近，TN、TP浓度和内梅罗污染指数拐点出现的植被覆盖度分别是29.8%、31.0%、35.0%。因此，可认为植被覆盖度对地表水质的净化存在一个临界点，即30%，当植被覆盖度>30%时，地表水质会有较显著的改善，也即当植被覆盖度达到30%以上时可显著削减汇水区水体的面源污染物。

3.3 水质对植被空间分布格局的响应

各地表水体采样点对应汇水区域土地利用类型及植被空间分布格局结果见表4。总体上深圳市土地利用情况较为简单，土地利用类型主要为林地、草地、交通运输用地、住宅用地和裸土地(因生产建设活动产生)。本研究通过林、草植被与住宅用地、交通用地和裸土地在汇水区域中的位置关系，如汇水区上下游、河道两侧等，来描述植被覆盖和土地利用的空间分布格局，并探讨与水质的关系。

表4 各地表水采样点上游汇水区域内土地利用和植被空间分布格局

研究发现各采样点水质与土地利用和植被空间分布格局的响应关系主要分为三大类：第一类的土地利用以林、草地为主，植被覆盖度高，水质总体较好、内梅罗污染指数较低，标记为*；第二类的土地利用以林、草地和住宅用地为主，但植被仍然较多且分布在汇水区内其他土地利用类型的下游，水质总体一般、内梅罗污染指数适中，标记为**；第三类的土地利用以住宅用地为主，植被较少，仅分布在河道两侧，且河流附近有生产建设活动导致的裸土地，水质总体较差，内梅罗污染指数较高，标记为***。

从表4可以看出，每类响应关系存在共同点，但是在植被覆盖空间分布格局上存在一定的差别。

第一类响应关系的各水质采样点的植被覆盖度较高，基本都在80%以上，有的超过了90%，林草地占汇水区总面积的比重比较大，居民用地所占比重小。因此，在这一类响应关系的采样点汇水区域中，植被覆盖度是影响水质的关键因素，林、草地是削减水质中面源污染物的主要因素。

第二类响应关系的各水质采样点的植被覆盖度基本分布在30%～70%之间，居民用地占汇水区总面积的比重较大，但水体周边主要是林草地，该类取样点水质内梅罗污染指数都较低。因此，在这一类响应关系的采样点汇水区域中，植被覆盖空间分布格局是影响水质的关键因素。

第三类响应关系的各水质采样点的植被覆盖度基本上低于30%，居民用地占汇水区总面积的比重比较大，且水体周边土地利用以裸土地为主，生产建设活动较多，该类取样点水质内梅罗污染指数都很高。因此，在这一类响应关系的采样点汇水区域中，土地利用空间分布格局特别是水体周边的土地利用类型对水质影响较大。

总体上，当土地利用类型以林草地为主，且植被主要分布在水体周边等直接邻水位置、住宅用地和裸土地下游的汇水出口区域时，其削减面源污染物的效果最佳，汇水区域内地表水质最好。

4 结 论

本文利用实测地表水质数据和遥感解译植被覆盖情况，对深圳市地表水质对植被覆盖的响应关系进行了分析研究，结论如下：

(1)地表水质对植被覆盖度的响应显著，研究区取样点水质内梅罗污染指数、TN、TP浓度均随上游汇水区内植被覆盖度的增加而降低，减少速率呈现出由快变慢的整体趋势，当植被覆盖度<30%时，降低速率较快;当植被覆盖度>30%时，降低速率减缓。可认为植被覆盖度对地表水质的净化存在一个临界点，即植被覆盖度达到30%时,地表水质会有显著的改善。

(2)土地利用空间格局对水质也有一定影响，当植被分布在汇水区下游，特别是滨水区时，对地表水质的净化作用更显著。

因此，在城市空间规划和生产建设项目水土流失防治中宜将植被覆盖率设置在30%左右，并优先布置在汇水区下游，特别是濒临河流、水库的区域。