不同地貌条件下景观对河流水质的影响差异

康文华,蔡 宏,林国敏,吴愈锋,王跃跃

贵州大学矿业学院,贵阳 550000

河流作为地表景观的重要组成类型,其水质受到流域地表景观的重要影响[1]。对河流水质造成污染的类型主要有点源污染和非点源污染,在许多地方点源污染得到有效控制的情况下,非点源污染成为影响河流水质的重要原因之一,流域内地表景观变化会影响该区域的生态功能和入河污染物的排放量及种类,是影响河流水质安全的主导因素[2]。景观空间格局包括景观要素的组成及空间配置,从景观生态学角度探讨地表景观与河流水质的相关关系,主要是以景观组成面积百分比及景观格局指数为指标,分析其与河流水体污染物浓度指数的关系[3]。近年来,建立景观指数与流域水质量化关系的研究不断增多,如利用景观分析方法计算景观格局指数、选取合适的景观格局特征、分析景观格局指数与水质的关系等[4- 5]。国内外学者对于不同空间尺度下景观与水质的关联性的研究,主要从集水区[6]、子流域[7- 9]、缓冲区[10-13]等尺度来研究两者之间的相关性以及尺度效应和距离效应。

作为自然环境条件之一的地貌,对地表的光、热、水、风等自然资源进行了重新分配,在一定区域范围内制约着气候、土壤和生物等自然条件的空间差异,对地表景观的方向和布局有重要影响[14]。Ding等[15]以广东省东江河流域为研究区,将研究区划分为山区流域和平原流域两组不同的地貌组,探究东江河流域多尺度、不同地貌的景观格局对子流域水质的影响,结果表明,在水质方面,与山区流域相比,平原流域的溶解氧值较低,但水温,电导率,高锰酸盐,总磷,总氮,氨氮,硝酸氮和叶绿素a值较高。与Ⅲ级标准浓度相比,平原流域的溶解氧(DO),高锰酸盐(CODMn),总磷(TP)和氨氮(NH3-N)超标率远高于山区流域,说明平原流域存在潜在的营养污染风险。相关性研究表明,在山区流域,农田、果园和草地斑块密度与河流水质有关；而在平原流域,河流水质则与城市用地最大斑块指数有关。说明由于不同地貌区景观的差异,景观对河流水质的影响也存在差异。

赤水河流域中上游为典型的喀斯特地貌,其高山峡谷纵横交错,地物斑块破碎,地表起伏大；下游为非喀斯特地貌,其缓坡缓丘、低山分布广泛,地表起伏较小。流域上游茅台镇以上水质较好,其余河段水质较差,赤水河入长江断面缝鱼溪河段的水质己经超过Ⅲ类标准,主要超标污染因子为氨氮[16]。国内外对于不同地貌区地表景观特征对河流水质的影响差异研究还相对较少,本文以赤水河流域为研究区,通过Spearman秩相关分析和冗余分析,探究不同地貌条件、不同空间尺度下地表景观对河流水质的影响差异,为赤水河流域水污染控制和管理提供借鉴。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况与地貌特征

赤水河是长江上游南岸较大的一级支流,源于云南省北部镇雄县,沿川黔边界流至贵州茅台镇后,纳桐梓河、古蔺河至赤水市,至四川省合江县与习水河相汇合后注入长江,以红军“四渡赤水”而闻名于世,又以出产“国酒茅台”而享誉中外。赤水河流域跨越云、贵、川三省,经纬度范围在104°44′—106°59′E,纬度在27°14′—28°50′N之间,研究区涉及7个主要县(市)行政区(图1),总面积为1.96×104km2。气候类型属大陆性气候,冬干寒、夏热湿,最高气温39℃,最低-5℃,平均气温15—20℃,下游夏季炎热、冬季温和。中上游高原区年降雨900—1000 mm,下游丘陵区年降雨1000—1500 mm,雨季早,多集中在6—9月,占全年降雨量的70%左右。

图1 研究区位置与地貌图Fig.1 Location of study area and landform map

根据地质地貌特征(图1),将赤水河流域划分为喀斯特地貌区(主要以碳酸盐岩为主)和非喀斯特地貌区(主要以碎屑岩为主)。自云南省镇雄县至贵州省习水县为流域中上游地区,属于喀斯特地貌,占总面积的73.72%；习水县以下至四川省合江县为下游地区,属于非喀斯特地貌,占总面积的26.28%。中上游地区处于云贵高原及其斜坡地带,为高原、山地地区,岩石为三叠系石灰岩,红色砂岩、沙页岩,地势西南高东北低,高程在200—1890 m之间,河谷狭窄,峰丛、洼地、落水洞、暗河发育完整,部分地区岩溶发育。下游地区两岸丘陵起伏,沿江河谷平原十分宽阔,东南部有少量山地,岩石主要为碎屑岩、泥岩。流域内的景观组成以林地、灌草、水体、建设用地和耕地(包括水田和旱地)为主,未利用地相对较少。

1.2 数据来源及数据处理

1.2.1子流域的划分及空间尺度的建立

以30米的数字高程模型(DEM)为基础,利用ArcGIS 10.2水文分析模块,经过DEM洼地填充、河流流向分析、河网提取、流域分割等过程,最后合并生成29个子流域。根据地貌特征,将29个子流域分为两组,其中喀斯特地貌组为18个,非喀斯特地貌组为11个。对于河岸带缓冲区,Zhou等[17]发现,100 m范围内的景观结构就可以预测河流的水质状况；而对于圆形缓冲区,Peng等[18]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的效果。因此,本文构建赤水河流域29条主要支流的缓冲区尺度,在所有采样点上方延伸至整个上游向两岸划分100 m的河岸带缓冲区尺度；以采样点上游500 m为地理中心,建立500 m圆形缓冲区尺度。

1.2.2地表景观组成

选取2016年7月美国陆地卫星Landsat 8-OLI所获取的多波段扫描影像为实验数据,轨道号为127/40、127/41、128/40和128/41共四景影像。以Landsat 8-OLI的第2—7波段为实验数据,利用ENVI 5.4对研究区影像进行大气校正、辐射定标、几何校正、图像增强及裁剪等预处理；参照我国现有《土地利用现状分类标准》(GBT 21010—2007)的同时,结合研究区实际情况,将赤水河流域地表景观分为6类,即水体、林地、灌草、建设用地、耕地(包括水田和旱地)和未利用地。依据《中华人民共和国水土保持法》中规定,禁止在25度以上陡坡地开垦种植农作物,因为在25度以上陡坡地开垦会造成严重的水土流失。碳酸盐岩地区大于25度的陡坡地占该地区总面积的30.8%,碎屑岩地区陡坡地仅占该地区总面积的13.3%。因此将碳酸盐岩地区的林地、灌草和耕地分为坡林地(>25度林地)、坡灌草(>25度灌草)、坡耕坡(>25度耕地)以及非坡林地(0—25度林地)、非坡灌草(0—25度灌草)、非坡耕地(0—25度耕地),碎屑岩地区景观不区分,分类结果见图2。

图2 赤水河流域景观组成空间分布和本研究使用的3种空间尺度示意图Fig.2 Spatial distribution of Landscape Compositionin the Chishui River Basin and three spatial scales used in this study

1.2.3水质数据

式中,ni是超过III标准值的采样点数；Ni是总采样点数。

1.2.4景观格局指标

景观格局指数是指那些能够高度浓缩景观格局信息,反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标,是反映景观格局的重要参数。在研究区各空间尺度上,利用 Fragstats 4.5软件计算景观水平和类型水平上的景观指数,优先选择经文献研究证明对河流水质影响较大的景观变量[5,7]],所选择的景观指数包括斑块数目(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、边界密度(ED)、平均斑块面积(MPS)、聚集度指数(CONTAG)、多样性指数(SHDI)和均匀度指数(SHEI)。各景观指数及含义见表1。

表1 景观格局指数及其含义

斑块数目(NP)：Number of Patches；斑块密度(PD)：Patch Density；最大斑块指数(LPI)：Largest Patch Index；边界密度(ED)：Edge Density；平均斑块面积(MPS)：Mean Patch Size；聚集度指数(CONTAG)：Contagion Index；香浓多样性指数(SHDI)：Shannon′s Diversity Index；香浓均匀度指数(SHEI)：Shannon′s Evenness Index

1.3 数理统计分析

分别计算两组地貌区在不同空间尺度(图2)上的景观组成面积百分比,结果如图3所示。利用SPSS 21.0分别对3种空间尺度下的景观和河流水质指标进行相关分析,由于个别景观不满足正态分布,因此采用Spearman秩相关分析。再利用冗余分析方法(Redundancy Analysis,RDA),该方法既可以揭示单个景观变量对河流水质变化的贡献率,又可以用二维排序图直观展示景观指数与水质参数之间的关系[21]。

2 研究结果

2.1 流域内的不同空间尺度景观组成差异

由图3统计可得,不同地貌区,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。在碳酸盐岩地区和碎屑岩地区的子流域尺度上,景观组成面积百分比均表现为总林地>总灌草>总耕地>建设用地；而在碳酸盐岩地区河岸带尺度上,总灌草>总林地>总耕地>建设用地；在碎屑岩地区河岸带尺度上,总林地>总灌草>建设用地>总耕地；在碳酸盐岩地区圆形缓冲区尺度上,总灌草>总林地>总耕地>建设用地；在碎屑岩地区圆形缓冲区尺度上,总林地>总灌草>建设用地>总耕地。

图3 不同地貌区、不同空间尺度下的景观组成面积比例Fig.3 Proportion of composition area in different geomorphic regions and different spatial scales

2.2 流域内水质指标差异

表2 赤水河流域子流域水质特征的描述性统计

DO(溶解氧)：Dissolved oxygen；PH(酸碱度)：Potential of Hydrogen；EC(电导率):Conductivity;TN(总氮)：Total Nitrogen；TP(总磷)：Total Phosphorus

考虑赤水河流域水环境的主要污染因子,选取DO、EC、TN和TP作为关键水质数据进行下一步讨论。

2.3 景观组成与水质指标的秩相关分析

所选取的4个水质指标和3种不同空间尺度下的景观组成面积百分比为变量,分别对不同地貌区的景观组成面积百分比与水质指标进行Spearman秩相关分析,结果如表3所示。

表3 不同地貌条件下景观组成与水质相关性

*表示在0.05水平显著相关；**表示在0.01水平上显著相关

由表3可知,在碳酸盐岩地区,建设用地和总耕地在子流域尺度上与TN呈显著正相关；坡耕地在河岸带尺度上与TN呈显著正相关；坡林地与TN呈负相关,但相关性不显著；总耕地与DO呈显著负相关；总林地与DO在子流域尺度上呈显著正相关；灌草与水质的关系比较复杂,一方面,总灌草在子流域尺度上与DO呈显著负相关；另一方面,在圆形缓冲区尺度上与TN呈显著负相关。在碎屑岩地区,景观组成主要与EC表现出强相关性。建设用地、总耕地与EC呈显著正相关；总林地与EC显著负相关。其他水质指标与景观组成相关性不显著。

2.4 景观格局与水质指标的秩相关分析

流域内不同地貌区的景观格局指数与水质指标的Spearman秩相关分析如表4所示。

表4 不同地貌条件下景观格局与水质相关性

*表示在0.05水平显著相关；**表示在0.01水平上显著相关

由表4可知,在两个地区,TN、TP与景观格局均未表现出显著相关性。在碳酸盐岩地区DO与PD呈显著负相关,与MPS呈显著正相关；EC与NP、PD、ED呈显著负相关,与MPS呈显著正相关。在碎屑岩地区,水质指标仅EC与景观格局表现出显著相关性。在子流域和河岸带尺度上,EC与PD、ED、SHDI和SHEI显著正相关,与MPS、CONTAG显著负相关。

2.5 景观组成与水质的冗余分析

为探究水质参数受景观因素的影响程度,以29个采样点3种空间尺度为样本, 分别对不同地貌组的两组变量进行冗余分析,探究不同地貌区景观组成对水质影响的尺度差异,结果如图4所示；计算景观组成对水质变化的解释能力,结果如表5所示。通过对水质参数的DCA(去趋对应分析)分析和梯度计算,选择RDA线性模型进行冗余分析。景观类型箭头方向与水质指标方向夹角的余弦代表两者的相关程度,当景观类型与水质指标之间的箭头夹角小于90度,两者之间为正相关；夹角等于90度,两者不相关；夹角大于90度,两者之间为负相关。

表5 冗余分析各排序轴的解释率

由表5可知,在碳酸盐岩地区及碎屑岩地区,景观组成对河流水质影响的空间尺度均为河岸带>子流域>圆形缓冲区。在碳酸盐岩地区河岸带尺度下,景观组成百分比对河流水质的总解释率为53.4%；在碎屑岩地区河岸带尺度下,景观组成百分比对河流水质的总解释率为59.1%,且在其他两种空间尺度上,碎屑岩地区景观组成百分比对河流水质的解释率均高于碳酸盐岩地区。

图4 不同地貌区景观组成与河流水质关系的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis between landscape and river water quality in different geomorphic regions首位的X、a、b分别代表3种不同空间尺度子流域、河岸带100米缓冲区和500米圆形缓冲区；第二位的1、2、3、4、5、6、7分别代表景观组成,分别为建设用地、总耕地、坡耕地、总灌草、坡灌草、总林地、坡林地；溶解氧(Dissolved Oxygen)；电导率(Conductivity)；总氮(Total Nitrogen)；总磷(Total Phosphorus)

水质指标在前两轴的分布表明了水质指标变化受景观梯度变化的影响情况,相距较近的水质指标对景观梯度变化有相似的响应[22]。由RAD图可以看出,碳酸盐岩地区,DO、EC位于第二象限,TN、TP位于第三象限,其中TN贴近于第一排序轴；碎屑岩地区,DO、EC位于第四象限,TN位于第一象限,TP位于第二象限,EC贴近于第一排序轴,TP贴近于第二排序轴。图4的结果与表3中景观组成与水质指标相关性一致。此外,排序图中景观类型箭头的长度表示各景观对水质指标的影响程度,箭头越长影响程度越大。由RDA图可以看出,碳酸盐岩地区,a2、b7对水质的影响程度较其他空间尺度的景观组成高,X5、b6对水质的影响程度最低；碎屑岩地区,X6、a6对水质的影响程度较其他空间尺度的景观组成高,b2对水质的影响程度最低。

2.6 景观格局与水质的冗余分析

对流域不同地貌区的景观格局指数与水质参数在不同空间尺度下进行冗余分析,探究不同地貌区景观格局对水质影响的尺度差异,结果如图5所示；计算景观格局对水质变化的解释能力,结果如表6所示。

表6 冗余分析各排序轴的解释率

由表6可知,在碳酸盐岩地区,景观格局对河流水质影响的空间尺度为河岸带尺度>子流域尺度>圆形缓冲区尺度,河岸带尺度下景观格局对河流水质的总解释率最大,为62.9%；在碎屑岩地区,景观格局对河流水质影响的空间尺度为圆形缓冲区>河岸带>子流域,圆形缓冲区尺度下景观格局对河流水质的总解释率最大,为82.4%；整体上,在碎屑岩地区3个空间尺度下,景观格局对河流水质的解释率高于碳酸盐岩地区。

图5 不同地貌区景观格局与河流水质关系的冗余分析Fig.5 Redundancy analysis between Landscape Pattern and river water quality in different geomorphic regions首位的X、a、b分别代表3种不同空间尺度子流域、河岸带100m缓冲区和500m圆形缓冲区；第二位的1、2、3、4、5、6、7、8分别代表景观类型,分别为斑块数目(Number of Patches)；斑块密度(Patch Density)；最大斑块指数(Largest Patch Index)：边界密度(Edge Density)；平均斑块面积(Mean Patch Size)；聚集度指数(Contagion Index)；香浓多样性指数(Shannon′s Diversity Index)；香浓均匀度指数(Shannon′s Evenness Index)

由RAD图可以看出,图5的结果与表4中景观格局指数与水质指标相关性一致。碳酸盐岩地区,a2、a5对水质的影响程度较其他空间尺度的景观格局指数高,X3对水质的影响程度最低；碎屑岩地区,X6、X7对水质的影响程度较其他空间尺度的景观格局指数高,a3对水质的影响程度最低。

3 讨论

(1)通过Spearman秩相关分析和RDA排序图可知,建设用地、总耕地与TN、TP呈正相关,是河流水质污染的主要来源,且在碳酸盐岩地区子流域尺度上与TN呈显著正相关,表明建设用地面积越大,排入河流的非点源污染物越多,水质越差；而耕地由于使用的化肥、农药通过地表径流进入河流,使水质恶化,体现了其“源”的作用。在碳酸盐岩地区建设用地、耕地面积比重大,建设用地及耕地面积增加,降雨时污染物迅速进入河流造成污染,碎屑岩地区污染源以建设用地景观为主,耕地面积比重小,且该地区地形起伏较小,水土流失程度较低,污染物较少进入河流,对河流水质的影响不显著。因此该地区管理重点在于控制居民生活污染物及种养殖业污染物的排放,并建设污水处理厂集中处理污水。坡耕地在河岸带尺度上与TN呈显著正相关,是由于碳酸盐岩地区多山地,地形起伏大、坡度大,污染物的迁移速度快,加上丰水期雨水对地表的冲刷将氮元素带至河流中,加速对河流水质的污染；坡林地与TN呈负相关,具有净化水质的作用,因此应禁止在坡度大于25度的地区开垦,实行退耕还林政策。在碳酸盐岩地区河岸带尺度上,总耕地与DO呈显著负相关,与王瑶等[23]研究结果相同,随着耕地面积的增加,DO值会降低,与该地区的耕作方式有关。总林地与DO在碳酸盐岩地区子流域尺度上呈显著正相关,林地面积的增加对水质的改善有重要作用,体现其“汇”的作用。灌草与水质的关系比较复杂,对水质的影响具有不确定性,在碳酸盐岩地区总灌草大体上与TN、TP呈负相关,起“汇”的作用,在碎屑岩地区与TN、TP呈正相关,起“源”的作用,可能与灌草在不同地貌区所占比重有关,在碳酸盐岩地区灌草所占比重较大,与林地具有相同的功能；在碎屑岩地区,灌草所占面积比重小,林地对水质的正面影响掩盖了灌草对TN、TP的吸收、截留功能。因此,在碳酸盐岩地区应重视水源涵养区林草地面积比重的增加,防止水源涵养地区林草地被建设用地或耕地占用,持续开展林耕过渡区退耕还林工作；在碎屑岩地区应增加林地的面积比重。EC值反映了水中溶解性总固体含量,EC值越大,表明水中杂质越多,水质纯净度越低。建设用地、总耕地与EC呈显著正相关,总林地与EC显著负相关,表明人为的耕作活动及生活生产中污染物的排放对河流水质的影响大,而林地作为“汇”景观,对进入河流的颗粒具有截留作用,与于磊等[24]研究一致。

(2)在碳酸盐岩地区,TN、TP大体上与NP、PD呈正相关,与MPS、CONTAG呈负相关,表明景观破碎度越大,水质越差；DO与PD呈显著负相关,与MPS呈显著正相关,表明地物越聚合,越有利于溶解氧的聚集,对河流水质越好。故应在该地区提升耕地分布的蔓延度,增强其连通性,使得耕地连片化,实施重点防治；降低建设用地的蔓延度、斑块密度,分散于林地、耕地空隙地带。LPI与TN、TP呈正相关,可能与该地区内最大斑块类型有关,该地区最大斑块类型为林地,受人类的干扰程度低,水质越好。SHDI是表征景观类型的丰富度指标,值越大景观多样性越丰富,异质性越高。在子流域尺度上,SHDI与TN、TP呈正相关,表明在该尺度上,人类干扰程度大,林地等“汇”景观被分割成较小的斑块,不能吸收截留污染物,导致水质恶化,与吉冬青等[21]研究一致,因此在增加该地区林地面积比重的同时,应加强林地的聚集度和连通性,使林地连片化。EC与NP、PD、ED呈显著负相关,与MPS呈显著正相关,造成这种结果的原因可能在于,在该地区灌草起到“汇”的作用,能够吸附岩石颗粒,使EC减小。

在碎屑岩地区,LPI与TN、TP呈负相关,LPI越大,人类干扰程度越低,水质越好。MPS、CONTAG与EC呈负相关关系,MPS越小,景观破碎程度越大；CONTAG反映的是景观的分离与散布程度,高蔓延度值说明景观中的某种优势斑块类型形成了良好的连接性,受人类活动讨的干扰越小,越有利于对污染物的固定和截留,与李艳利等[25]研究一致。在子流域和河岸带尺度上,EC与PD、ED、SHDI和SHEI显著正相关,与MPS、CONTAG显著负相关。人类活动越强烈、对地表干扰程度越大,景观越破碎、景观多样性越丰富,EC就越大。

(3)从许多研究结果看,研究尺度对景观与水质间的关系具有不确定性,但普遍认为其对研究结果存在较为明显的影响。赵鹏等[22]和张殷俊等[26]的研究结果认为大尺度景观对水质的影响强于小尺度,而本研究则表现为在碳酸盐岩地区和碎屑岩地区,河岸带尺度景观组成对水质变化的影响最大,造成这种现象的原因主要是流域人为干扰严重。在上游地区以工农业为主,河岸带尺度上建设用地和耕地所占面积比重大；在中下游地区,至仁怀市以下主要以旅游业为主,河岸区多开发为娱乐休憩场所,人类活动影响较大,自然植被少,河岸带作为天然屏障对非点源污染所起到的作用不能体现出来。

4 结论

本文以赤水河流域为研究对象,结合实地调研及野外采样,通过Spearman秩相关分析和RDA分析,探究不同地貌区景观特征对河流水质的影响差异,结果表明：

(1)流域内景观组成以林地和灌草为主,建设用地和耕地次之,未利用地最少,景观组成在不同地貌区各空间尺度上存在差异。建设用地和耕地对水质具有负面的影响,是河流水质污染的主要来源,且在碳酸盐岩地区,其对水质的影响比碎屑岩地区大；林地与水质呈负相关,对水质具有正面的影响；灌草对水质的影响相对复杂,具有不确定性,与其在两个地区所占的面积比重有关。

(2)流域内水质表现为碳酸盐岩地区优于碎屑岩地区。景观破碎化指数与TN、TP呈正相关,是水质变化的重要影响因素; 景观聚集度指数与DO呈正相关,景观越聚集水质越好。景观破碎化指数和景观聚集度指数与EC的关系在两个地区呈相反的结果。

(3)不同地貌区不同空间尺度上景观特征对河流水质具有不同程度的影响,景观组成对河流水质解释能力最大空间尺度在两个地貌区均为河岸带尺度,解释率分别为53.4%和59.1%；景观格局对河流水质解释能力最大的空间尺度在碳酸盐岩地区为河岸带尺度,解释率为62.9%,在碎屑岩地区为圆形缓冲区尺度,解释率为82.4%。