密云水库上游不同空间尺度景观格局指数与水质相关性研究

摘 要：密云水库是北京市重要地表饮用水水源地，开展不同空间尺度景观格局指数与水质相关性分析，可以精准识别水源保护的关键区域。以密云水库上游为研究区域，基于水质监测数据和土地利用数据，利用相关性分析和冗余分析等方法，对２０１５ 年、２０１８年、２０２０ 年研究区水质和景观格局指数进行分析，揭示不同空间尺度景观格局指数与水质的相关性，结果表明：密云水库上游不同尺度缓冲区土地利用类型主要为耕地、林地、草地；随着缓冲区半径的增大，景观破碎程度降低、斑块数量逐渐增多、不同类型斑块之间的分离程度逐渐提高；不同尺度缓冲区优势景观连通性差别不大，景观组成丰富度和均匀度接近；除ＴＮ 外，研究区其余水质指标基本达到地表水Ⅱ类水质标准；半径为２ ０００ ｍ 的缓冲区景观格局指数对水质的解释度最高，２ ０００ ｍ 缓冲区是改善水质的关键区域。

关键词：水质；景观格局指数；相关性分析；密云水库上游

中图分类号：ＴＶ２１１．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１１．０１８

引用格式：范霄寒，薛万来，王赛超，等．密云水库上游不同空间尺度景观格局指数与水质相关性研究［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（１１）：１１４－１２０．

水资源是人类生存和发展不可替代的重要资源，而水质对区域生态环境、农业发展等有重要影响［１］ ，然而随着城市化进程加快、人口数量增加，水质恶化等问题突出［２］ 。景观格局受人类活动和自然环境的影响，景观格局也影响着水体内生物活动和水文过程，进而影响水质。景观格局对非点源污染物的产生、转移和变换过程起着重要作用［３－５］ 。因此，开展景观格局指数与水质相关性分析对于土地利用管理和水资源保护具有重要意义［６］ 。

景观格局指数与水质相关性研究是生态学研究的热点之一［７－９］ ，研究主要分为两方面：一是探究水质与景观格局指数之间的相关性，二是利用景观格局指数分析不同土地利用类型对水质的影响［１０－１２］ 。目前关于不同空间尺度景观格局指数与水质相关性进行了大量研究，如：方娜等［１３］ 研究鄱阳湖湿地水质发现，小流域尺度土地利用类型与水质的相关性低于缓冲区尺度的；曹灿等［１４］ 研究发现艾比湖区３００ ｍ 缓冲区内景观格局指数与水质的相关性最强。

密云水库作为北京市重要地表饮用水水源地，对保障北京市水资源调度配置和供水安全发挥着不可替代的作用。目前，不少学者开展了密云水库水质研究［１５］ ，但关于密云水库不同空间尺度下景观格局指数与水质相关性的研究较少。因此，本文分析２０１５ 年、２０１８ 年、２０２０ 年密云水库上游水质空间变化特征，并分析不同空间尺度下景观格局指数与水质的关系，精准识别水源保护的关键区域，以期为密云水库上游水源保护的精细化管控提供支撑。

１ 材料与方法

１．１ 研究区概况

密云水库上游流域面积１．５８ 万ｋｍ２，其中北京市所占面积为０．３５ 万ｋｍ２，涉及密云区、延庆区、怀柔区；河北省所占面积为１．２３ 万ｋｍ２，涉及张家口市沽源县、赤城县，承德市兴隆县、滦平县、丰宁满族自治县。流域地势西北高、东南低，以山地为主，其西部为白河流域，东部为潮河流域，主要有潮河、白河、天河、黑河、汤河５ 大支流。流域属温带季风性气候区，土壤类型主要为褐土和棕壤土，降水集中在６—８ 月，多年平均降水量为４９４ ｍｍ［１６］ 。

１．２ 数据来源及处理

研究所采用水质数据来源于实测数据，其中监测点主要位于河流与山区沟道交汇处，能够反映产汇流特点。共设１７ 个监测点，其中白河６ 个、黑河２ 个、汤河２ 个、潮河７ 个。水质监测指标包括溶解氧（ＤＯ）、总氮（ＴＮ）、总磷（ＴＰ）、氨氮（ＮＨ＋４ －Ｎ）浓度及高锰酸盐指数（ＣＯＤＭｎ）。每年８ 月进行水样采集，其中溶解氧采用《水质溶解氧的测定碘量法》（ＧＢ ７４８９—１９８７）中方法测定，总氮采用《水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》（ＨＪ ６３６—２０１２）中方法测定，总磷采用《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》（ＧＢ／ Ｔ １１８９３—１９８９）中方法测定，氨氮采用《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》（ＨＪ ５３５—２００９）中方法测定，高锰酸盐指数采用《水质高锰酸盐指数的测定》（ＧＢ／ Ｔ １１８９２—１９８９）中方法测定。土地利用数据来源于中国３０ ｍ 土地覆被数据集，土地利用类型分为耕地、林地、灌木、草地、水域、未利用地、不透水面７ 种［１７］ 。

运用ＡｒｃＧＩＳ 建立１７ 个水质监测点的缓冲区，缓冲区半径选取１００、２００、５００、１ ０００、１ ５００、２ ０００、２ ５００ ｍ，通过与土地利用数据叠加，获取不同尺度缓冲区的土地利用类型，并利用Ｆｒａｇｓｔａｔｓ４．２ 软件计算不同尺度缓冲区的景观格局指数，通过相关性分析和冗余分析探究密云水库上游不同空间尺度景观格局指数与水质的关系。

１．３ 研究方法

１）景观格局指数。根据研究流域实际情况，从景观丰富度、景观破碎度、景观聚集度及景观多样性等角度选取１０ 个景观格局指数［６］ ，见表１。利用ＡｒｃＧＩＳ和Ｆｒａｇｓｔａｔｓ４．２ 软件计算各景观格局指数。

２）统计分析方法。利用ＳＰＳＳ 软件对不同尺度缓冲区景观格局指数与水质指标进行相关性分析。为了更直观显示景观格局指数对水质的影响， 利用Ｃａｎｏｃｏ５ 软件进行冗余分析（ＲＤＡ），进一步揭示水质与景观格局指数的关系。

２ 结果与分析

２．１ 不同尺度缓冲区土地利用类型

密云水库上游不同尺度缓冲区土地利用类型面积计算结果表明，耕地、林地、草地面积占比较大；缓冲区半径为１００、２００ ｍ 时，主要土地利用类型为耕地和不透水面；缓冲区半径为５００ ｍ 时，主要土地利用类型为耕地；缓冲区半径为在１ ０００、１ ５００、２ ０００、２ ５００ ｍ 时，林地、草地、耕地３ 种土地利用类型面积之和占缓冲区总面积的９０％以上。随着缓冲区半径的增大，耕地、水域、不透水面面积占比呈减小趋势，林地和草地面积占比呈增大趋势，其中水域在所有缓冲区中面积占比都较小。２０１５ 年、２０１８ 年、２０２０ 年不同尺度缓冲区土地利用类型发生变化，但变化不大。除半径１００ ｍ 缓冲区外，不同尺度缓冲区耕地面积呈先减小后增大变化趋势；林地、水域、不透水面面积有不同程度增大，在半径为２ ５００ ｍ 缓冲区分别增加了８．４％、１３． ７％、１８．２％；草地面积呈减小趋势，在半径为２ ０００ ｍ 缓冲区减少了９．６％；未利用地、灌木面积变化相对较小，未利用地基本保持不变，灌木面积呈减小趋势。

２．２ 不同尺度缓冲区景观格局指数

对不同尺度缓冲区景观格局指数进行分析处理，结果见图１。面积－密度－边缘类指数主要描述景观中斑块的数量和面积，以及斑块的边缘长度，ＬＰＩ 最大值出现在半径为２００ ｍ 的缓冲区，最小值出现在半径为２ ５００ ｍ 的缓冲区，表明半径２ ５００ ｍ 缓冲区人类活动对景观的干扰较大。随着缓冲区半径逐渐增大，ＰＤ逐渐减小，表明随着缓冲区半径的增大，研究区景观破碎程度减小。ＮＰ 随着缓冲区半径的增大而增大。

蔓延度与离散度指数反映不同类型斑块之间的空间分布情况以及混合状况。ＬＳＩ、ＤＩＶＩＳＩＯＮ 和ＣＯＨＥ⁃ＳＩＯＮ 变化趋势大致相同，３ 种指数均随着缓冲区半径的增大而增大，说明研究区斑块分布复杂程度、景观类型连通性和不同类型斑块之间的分离程度随着缓冲区半径的增大而增大。随着缓冲区半径的增大，ＡＩ、ＣＯＮＴＡＧ 整体变化较小，表明不同半径缓冲区优势景观连通性差别不大。

多样性指数ＳＨＤＩ、均匀度指数ＳＨＥＩ 描述景观组成的丰富度和均匀度，不受斑块空间格局的影响。不同半径缓冲区ＳＨＤＩ、ＳＨＥＩ 相差不大，即不同半径缓冲区景观组成丰富度和均匀度接近。半径为２ ０００ ｍ 的缓冲区ＳＨＤＩ 均值最大，说明半径为２ ０００ ｍ 的缓冲区景观类型更多样。半径为５００ ｍ 的缓冲区ＳＨＥＩ 均值最大，说明半径５００ ｍ 缓冲区景观类型更均衡。

２．３ 水质分析

１）密云水库上游水质分析。根据密云水库上游１７ 个水质监测点监测数据，统计得到２０１５ 年、２０１８年、２０２０ 年研究区水质特征，见表２。密云水库上游，ＮＨ＋４ －Ｎ 和ＴＰ 平均值满足地表水Ⅱ类水质标准，且呈减小趋势；ＤＯ 平均值满足地表水Ⅱ类水质标准，且呈增大趋势；ＣＯＤＭｎ 平均值先减小后增大，ＣＯＤＭｎ 平均值满足地表水Ⅱ类水质标准；ＴＮ 污染较为严重，ＴＮ 平均值逐渐增大。从变异程度看，密云水库上游ＴＰ、ＮＨ＋４ －Ｎ、ＤＯ、ＴＮ、ＣＯＤＭｎ属于中等变异（１０％≤变异系数≤１００％），说明５ 种水质指标具有很强的空间分异特征。

２）密云水库上游水质时空变化。根据《地表水环境质量标准》（ＧＢ ３８３８—２００２），对２０１５ 年、２０１８ 年、２０２０ 年５ 种水质指标进行时空变化分析，结果见图２。除潮河外，密云水库上游ＤＯ 波动较小，呈增大趋势，２０２０ 年ＤＯ 满足地表水Ⅰ类水质标准的监测点占９４％。ＴＰ 呈减小趋势，２０２０ 年满足地表水Ⅰ类水质标准的监测点占５３％，所有监测点均满足地表水Ⅱ类水质标准。ＮＨ＋４ －Ｎ 呈减小趋势，满足地表水Ⅰ类水质标准的监测点占比从２０１５ 年的５３％增大到２０２０ 年的１００％，２０１５ 年、２０１８ 年、２０２０ 年大部分监测点满足地表水Ⅰ类水质标准，所有监测点均满足地表水Ⅱ类水质标准，其中潮河上游和白河上游ＮＨ＋４ －Ｎ 污染较严重。ＣＯＤＭｎ呈先减小后增大趋势，２０１５ 年、２０２０ 年大部分监测点满足地表水Ⅱ类水质标准，其中潮河和白河相较于其他支流ＣＯＤＭｎ污染严重。对比其他水质指标，ＴＮ 污染严重，８２％以上监测点ＴＮ 超过地表水Ⅴ类水质标准，且ＴＮ 呈逐年增大趋势。

２．４ 水质与景观格局指数关系分析

１）不同空间尺度景观格局指数与水质相关性分析。采用Ｐｅａｒｓｏｎ 相关性分析方法对密云水库上游不同空间尺度景观格局指数与水质的关系进行分析，结果见图３，其中不同半径缓冲区中长椭圆形从左至右分别代表ＮＰ、ＳＨＤＩ、ＬＰＩ、ＣＯＨＥＳＩＯＮ、ＤＩＶＩＳＩＯＮ、ＳＨＥＩ、ＣＯＮＴＡＧ、ＡＩ、ＰＤ、ＬＳＩ；红色代表正相关，蓝色代表负相关，颜色越深相关性越强；∗表示在０．０５ 水平（双侧）显著相关。

ＮＰ 与ＰＤ 分别反映景观中斑块数量和破碎度，二者与ＴＮ 在半径为１ ０００、１ ５００、２ ０００、２ ５００ ｍ 的缓冲区显著正相关，说明景观组成的分裂程度和破碎度影响密云水库上游水体氮的浓度。ＬＰＩ 反映最大斑块面积占比，在不同半径缓冲区，ＬＰＩ 除与ＮＨ＋４ －Ｎ 正相关外，与其他指标大多为负相关，这与密云水库上游的优势景观类型是林地和草地有关，当优势景观类型为“汇”（能够拦截或消纳外来污染物的景观类型）时，水质会得到较大改善。

ＬＳＩ 反映景观中斑块形状特征，ＡＩ 反映景观中斑块聚集程度。在半径为２ ０００、２ ５００ ｍ 的缓冲区，ＬＳＩ与ＴＮ 显著正相关，ＡＩ 与ＴＮ 显著负相关，斑块边界越不规则、景观破碎化越严重，水体越容易被污染，这一结果与乔郭亮等［６］ 在苏南地区的研究结论一致。ＣＯＮＴＡＧ 代表不同类型斑块的蔓延程度，反映景观之间的离散程度，其与ＴＮ、ＣＯＤＭｎ负相关，主要原因是优势景观林地和草地可以减轻水体污染情况。ＣＯＨＥＳＩＯＮ 代表斑块之间的连通性，在半径为１ ５００、２ ０００、２ ５００ ｍ 的缓冲区与ＴＮ 显著负相关，表明随着ＣＯＨＥＳＩＯＮ 增大，景观朝着高连通方向发展，进而加剧ＴＮ 的污染。

ＳＨＤＩ 和ＳＨＥＩ 反映各斑块类型的异质性与景观类型的丰富度、均匀程度。景观类型越多，河流流经“源”景观（能够促进污染物释放或引入外来污染物的景观类型） 的可能性越大，水质下降的可能性越大。ＳＨＤＩ 越大意味着人类活动对当地生态环境干扰强度越大，而河流水质变差与人类活动干扰有很大关系。ＳＨＤＩ、ＳＨＥＩ 与ＴＮ、正相关，这一结果与刘可暄等［４］ 认为景观类型的复杂程度对水质影响较显著的结论一致。

２）不同空间尺度景观格局指数与水质的冗余关系分析。运用Ｃａｎｏｃｏ５ 软件分析不同尺度景观格局指数与水质指标的冗余关系，２０２０ 年水质除趋势对应分析（ＤＣＡ）结果见表３。所有排序轴中，最长梯度值为０．８（小于３．０），因此采用冗余分析（ＲＤＡ）研究水质与景观格局指数的关系是适宜的。半径为２ ０００ ｍ 的缓冲区景观格局指数对水质的解释度最高，为４７．０％，该尺度缓冲区第一轴特征值、相关系数分别为０．３０、０．９２４，其排序图能够很好地反映景观格局指数与水质的关系，半径为２ ０００ ｍ 的缓冲区是改善水质的关键区域，这一结果与陈优良等［１８］ 对东江源的研究结论一致。

密云水库上游半径为２ ０００ ｍ 的缓冲区水质与景观格局指数ＲＤＡ 结果见图４，图中两类箭头之间夹角代表变量之间的相关性，角度越大相关程度越高，夹角的余弦代表相关系数，夹角大于９０°为负相关，夹角小于９０°为正相关，横纵轴均为相关系数，其中值越大相关性越高。ＤＯ、ＴＮ 与ＬＳＩ、ＰＤ、ＮＰ、ＤＩＶＩＳＩＯＮ、ＳＨＤＩ、ＳＨＥＩ 正相关，与其他景观格局指数负相关；ＴＰ、ＮＨ＋４ －Ｎ 与ＬＰＩ、ＣＯＨＥＳＩＯＮ、ＣＯＮＴＡＧ、ＡＩ 正相关，与其他景观格局指数负相关；ＣＯＤＭｎ 与ＡＩ、ＤＩＶＩＳＩＯＮ、ＳＨＤＩ、ＳＨＥＩ正相关，与其他景观格局指数负相关；景观格局指数对ＣＯＤＭｎ与ＴＮ 的影响较大。

３ 讨论

１）景观格局指数与水质的相关性。最大斑块指数ＬＰＩ 反映最大斑块面积占整个景观面积的比例。康文华等［１９］ 研究以林地为主要景观的地区发现，ＬＰＩ 与污染物含量负相关；郭玉静等［２０］ 研究以耕地为主要优势景观的普者黑岩溶湖泊湿地发现，ＬＰＩ 与水体污染程度正相关。表明当优势景观为“源”景观时，ＬＰＩ 与水质恶化有显著关系；当优势景观为“汇”景观时，则有利于水质改善。对于ＣＯＮＴＡＧ、ＳＨＤＩ，也不能简单地从数值大小判断其对水质的影响，需要结合研究区优势景观类型一同分析［２１］ 。王志芳等［２２］ 研究表明，景观多样性丰富，若“源”景观（建筑用地、耕地）为优势景观类型，则会导致水质恶化；若“汇”景观（林地、草地）为优势景观类型，则有利于水质改善。

２）景观格局指数与水质相关性研究的最佳缓冲区尺度。不同尺度缓冲区在景观类型组成与结构上具有异质性，导致与水质的相关性存在差异。密云水库上游景观格局指数与水质的相关性随着缓冲区尺度的不同而不同，大尺度缓冲区景观格局指数与水质相关性较强，最佳尺度为２ ０００ ｍ，这与以往研究结果一致，比如东江源半径为２ ０００ ｍ 的缓冲区［２３］ 景观格局指数能够解释与水质的相关关系。但部分学者利用河岸带缓冲区分析景观格局指数与水质相关性的最佳尺度与本研究有所不同，河岸带缓冲区最佳尺度集中在１００、２００ ｍ 等［４，２４］ 。出现差异的原因可能是，某些土地利用数据分辨率过低，圆形缓冲区不能充分诠释采样点周围景观格局。小尺度河岸带缓冲区能够有效诠释整条河流沿线景观格局，但河流过长就无法聚焦采样点周围景观格局指数与水质之间的关系，在后续研究中可以将圆形缓冲区和河岸带缓冲区结合起来进行景观格局指数与水质相关性研究。

４ 结论

通过相关性分析与冗余分析对密云水库上游不同尺度缓冲区景观格局指数与水质的相关性进行了研究，结论如下：密云水库上游水质采样点不同尺度缓冲区主要土地利用类型为耕地、林地、草地，随着缓冲区半径的增大，耕地面积占比逐渐减小，草地和林地面积占比逐渐增大；随着缓冲区半径增大，缓冲区内景观破碎程度降低、斑块数量逐渐增多、不同类型斑块之间的分离程度逐渐提高，不同尺度缓冲区优势景观连通性差别不大，景观组成丰富度和均匀度接近；密云水库上游水质整体呈好转趋势，但ＴＮ 污染依旧严重，２０１５年、２０１８ 年和２０２０ 年大部分监测点ＴＮ 浓度超过了Ⅴ类水质标准，其余水质指标基本达到Ⅱ类水质标准；通过冗余分析得出半径为２ ０００ ｍ 的缓冲区景观格局指数对水质的解释度最高，作为改善水质的关键区域应重点关注。

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【责任编辑 吕艳梅】

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