吉冬青，文 雅，魏建兵，吳志峰，劉 慶，程 炯

1 廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣州 510650 2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院, 廣州 510642 3 沈陽(yáng)大學(xué)區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 沈陽(yáng) 110044 4 廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣州 510006

流溪河流域景觀空間特征與河流水質(zhì)的關(guān)聯(lián)分析

吉冬青1,2，文 雅2，魏建兵3,*，吳志峰4，劉 慶1，程 炯1

1 廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣州 510650 2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院, 廣州 510642 3 沈陽(yáng)大學(xué)區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 沈陽(yáng) 110044 4 廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣州 510006

人類活動(dòng)影響或改變流域景觀空間結(jié)構(gòu)，并有可能對(duì)河流水質(zhì)產(chǎn)生不同程度的影響，以流溪河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，分析流域景觀空間格局特征與水質(zhì)指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。將流域劃分為27個(gè)子流域，采集水樣分析水質(zhì)狀況，所選用的水質(zhì)指標(biāo)有氨氮(NH3-N)、硝態(tài)氮-亞硝態(tài)氮(NO3-N+NO2-N)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(CODCr)。結(jié)果表明：1)該流域土地利用結(jié)構(gòu)與水質(zhì)具有顯著相關(guān)性，其中居住用地對(duì)水質(zhì)的影響作用最強(qiáng)，林地對(duì)河流水質(zhì)具有凈化功能，與水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，園地與水質(zhì)指標(biāo)關(guān)系具有不確定性；2)流域景觀特征從上游到下游之間表現(xiàn)為城市化增強(qiáng)的梯度，水質(zhì)狀況響應(yīng)這個(gè)梯度變化表現(xiàn)為上游優(yōu)于下游，人類活動(dòng)及城市化發(fā)展引起的土地利用變化及土地管理方式對(duì)水質(zhì)變化有顯著影響；(3)景觀破碎度與水質(zhì)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性，是影響水質(zhì)的重要指標(biāo)，景觀聚集程度和斑塊形狀復(fù)雜程度與水質(zhì)有負(fù)相關(guān)關(guān)系；子流域尺度和河岸帶尺度景觀空間特征對(duì)水質(zhì)的影響差異不明顯。

土地利用；景觀空間特征；河流水質(zhì)；spearman相關(guān)分析；流溪河流域

景觀空間格局包括景觀要素的組成及空間配置。景觀格局與生態(tài)過程關(guān)系的研究一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的關(guān)鍵論題[1]。河流是景觀的重要組成類型，其水質(zhì)受到流域景觀格局的重要影響[2]。對(duì)河流水體造成污染的類型主要有點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染，在許多地區(qū)點(diǎn)源污染得到有效控制的情況下，非點(diǎn)源污染成為影響河流水質(zhì)的重要原因之一，幾乎所有的非點(diǎn)源污染來源都和土地利用/土地覆被變化聯(lián)系緊密[3]。流域內(nèi)土地利用/土地覆被變化可以影響該區(qū)域的生態(tài)功能和入河污染物的排放量和種類，是影響河流水質(zhì)安全的主導(dǎo)因素[4]。近年來，單純的水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)和點(diǎn)源污染控制管理措施已不能滿足解決城市化帶來的水環(huán)境惡化問題，與非點(diǎn)源污染控制密切相關(guān)的流域景觀格局與水質(zhì)的相關(guān)關(guān)系成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。對(duì)于景觀格局與河流水質(zhì)空間耦合關(guān)系的研究主要有景觀組成屬性，即土地利用類型百分比與河流水質(zhì)之間的關(guān)系[5- 7]；景觀空間結(jié)構(gòu)，即應(yīng)用景觀指數(shù)研究不同土地利用方式的布局特點(diǎn)與水質(zhì)間的關(guān)系[8- 9]；不同景觀空間尺度，涉及流域、河岸帶等尺度景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響[7,10]。目前，景觀格局與水質(zhì)關(guān)系研究采用的方法包括相關(guān)分析、主成分分析、多元線性回歸分析、典范對(duì)應(yīng)分析和模型模擬分析等[9,11- 12]，但研究結(jié)論在不同的地區(qū)，不同的景觀指標(biāo)和水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系方面仍存在不確定性，需要在更廣泛的地區(qū)針對(duì)所存在的問題展開更多的研究，為進(jìn)一步理解二者之間關(guān)系機(jī)制和構(gòu)建景觀-水質(zhì)模型奠定基礎(chǔ)。

我國(guó)華南的珠三角地區(qū)土地利用集約程度高，人口密集，地表水污染嚴(yán)重，而這類地區(qū)針對(duì)中尺度流域景觀特征與河流水質(zhì)的關(guān)系主題研究尚較缺乏[13]。本文選取廣州市的水源保護(hù)區(qū)-流溪河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，在流域和河岸帶兩個(gè)尺度上開展相關(guān)研究，主要探討以下問題：1)不同土地利用類型對(duì)河流水質(zhì)的影響如何？2)景觀指數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)之間有怎樣的相關(guān)關(guān)系？是否顯著？3)河岸帶和子流域兩種不同尺度景觀組成和景觀指數(shù)對(duì)河流水質(zhì)影響的差異性如何？4)這些問題產(chǎn)生的原因有哪些？目的是為亞熱帶地區(qū)城市化流域土地利用與水質(zhì)關(guān)系機(jī)制等相關(guān)基礎(chǔ)研究積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，也為當(dāng)?shù)鼗谒h(huán)境保護(hù)的流域景觀格局優(yōu)化和土地利用合理布局提供規(guī)劃依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

流溪河是珠江的一條支流，位于廣州市北部，是廣州市重要的水源河流，供應(yīng)廣州60%的飲用水源，具有重要的資源和戰(zhàn)略價(jià)值。發(fā)源于從化市呂田鎮(zhèn)桂峰山，另一條主要支流發(fā)源于新豐縣七星頂，兩支流匯合成為流溪河，最后在南崗口與白泥河匯合注入珠江。全長(zhǎng)171 km，流域面積約2300 km2。地處東亞大陸邊緣，屬于華南亞熱帶濕潤(rùn)地區(qū)，氣候溫和，雨量豐沛，流域多年平均降雨量為1823.6 mm，每年4—9月為雨季，雨季降雨量占全年的81.3%。流域上游以種植水源林和用材林為主，森林茂密，綠化率較高；中游以蔬菜、花卉、水果等生產(chǎn)和開發(fā)溫泉等旅游區(qū)為主;近年來下游地區(qū)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化發(fā)展迅速，整個(gè)流域生態(tài)環(huán)境惡化、生態(tài)安全和水質(zhì)有不斷下降的趨勢(shì)[14]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 流域劃分

依據(jù)流域子流域劃分原則，采用1∶5萬地形圖數(shù)據(jù)在Arcgis軟件Spatial Analyst Tools中Hydrology模塊對(duì)流溪河流域進(jìn)行子河網(wǎng)提取和流域劃分，對(duì)提取到的子流域邊界進(jìn)行修飾，共劃分了27個(gè)子流域(圖1)。

圖1 流溪河流域位置、水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面所在的子流域Fig.1 Location of Liu Xi River Watershed，sub-watersheds of monitoring sections

2.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

小流域出口監(jiān)測(cè)反映匯流的最終產(chǎn)出[15]，因此在每個(gè)子流域出口處設(shè)置監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)。根據(jù)流溪河流域雨季時(shí)間分布，在2012年4—9月之間每月對(duì)水樣進(jìn)行采集和實(shí)驗(yàn)室分析。本次研究針對(duì)研究區(qū)面源污染特征，選擇氨氮(NH3-N)、硝態(tài)氮-亞硝態(tài)氮(NO3-N+NO2-N)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(CODCr)作為水質(zhì)指標(biāo)。水質(zhì)測(cè)試采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析方法。以地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838—2002)中III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，27個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)共162個(gè)水樣，其中CODCr超標(biāo)率為48.77%，TP為56.79%，NH3-N為66.05%，NO3-N+NO2-N為0.6%(表1)。

表1 水質(zhì)數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)Table 1 Descriptive statistics of water quality parameters

2.3 景觀組成與景觀指數(shù)

利用廣州市2009年1∶1萬土地調(diào)查變更數(shù)據(jù)和2011—2012年野外調(diào)查獲取研究區(qū)的土地利用空間信息，將研究區(qū)域的土地利用類型分為林地、居住用地、交通用地、工礦用地、耕地、園地、水域和裸地共8類。河岸帶尺度選取依據(jù)我國(guó)飲用水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范選擇采樣點(diǎn)上游區(qū)域自河岸陸向劃分30 m和由美國(guó)農(nóng)業(yè)部自然資源保護(hù)中心推薦的有效河岸帶寬度為61 m的緩沖帶。

在研究區(qū)各子流域及各緩沖區(qū)內(nèi)，使用Fragstats3.3軟件計(jì)算景觀水平和類型水平上的景觀指數(shù)[16]?；谇叭说难芯拷Y(jié)論[2,8,17- 20]并結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況及變量自相關(guān)性分析結(jié)果，景觀組成主要選取居住用地比例(Red%)、交通用地比例(Tra%)、林地比例(For%)、耕地比例(Cul%)和園地比例(Ord%)，景觀指數(shù)主要選取30 m寬河岸帶蔓延度指數(shù)(30 m_CONTAG)和園地面積加權(quán)平均分形維數(shù)(30 m Ord_AWMPFD)、61 m寬河岸帶斑塊密度(61 m_PD)和面積加權(quán)平均分形維數(shù)(61 m_AWMPFD)、子流域尺度主要選取最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀多樣性指數(shù)(SHDI)、居住用地邊緣密度(Red_ED)、林地斑塊密度(For_PD)、耕地聚合度指數(shù)(Cul_AI)。蔓延度指數(shù)、聚合度指數(shù)和最大斑塊指數(shù)是景觀斑塊聚集程度及優(yōu)勢(shì)景觀類型的表征，面積加權(quán)平均分形維數(shù)反映人類活動(dòng)對(duì)景觀格局的影響程度，而斑塊密度、邊緣密度及景觀多樣性指數(shù)都是景觀破碎程度的表征。

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)頻率為每月1次，雨季采樣共6次，取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均值進(jìn)行分析。分別對(duì)各小流域與各河岸帶尺度的景觀指數(shù)和4種水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析。各數(shù)據(jù)序列之間的相關(guān)性系數(shù)在SPSS17.0中完成，由于個(gè)別景觀類型不滿足正態(tài)分布，采用Spearman秩相關(guān)分析。另一種是冗余分析方法(Redundancy analysis, RDA)，這種方法既可以揭示單個(gè)景觀變量對(duì)河流水質(zhì)變化的貢獻(xiàn)率，又可以用二維排序圖直觀展示景觀指數(shù)與水質(zhì)參數(shù)之間的關(guān)系[21]。冗余分析方法(RDA)在CANOCO4.5中進(jìn)行。

3 研究結(jié)果

3.1 流域和河岸帶土地利用結(jié)構(gòu)

以各監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在子流域及河岸帶尺度分別計(jì)算土地利用結(jié)構(gòu)特征，按下游到上游方向命名子流域。由圖2可以看出，子流域、30 m河岸緩沖帶、61 m河岸緩沖帶的土地利用具有相似的結(jié)構(gòu)特征，中上游地區(qū)以林地、園地為主要用地類型，居住用地面積所占比例較少，下游地區(qū)的居住用地面積高于中上游地區(qū)。子流域林地所占面積比例在3.8%—89.1%之間，園地面積百分比平均為19.4%，其中11個(gè)子流域的園地面積比例大于20%，多分布于流域中游地區(qū)；居住用地面積比例大于20%的子流域共有6個(gè)，個(gè)別小流域超過50%，位于城市化程度較高的下游地區(qū)；交通用地是各類景觀斑塊連接的廊道，在中下游城市地區(qū)所占面積較大，最大面積百分比為12.0%。這5種土地利用類型的總面積比例接近于90%或者更高。流溪河流域從上游到下游各土地利用類型差異較大，景觀空間特征復(fù)雜，總體上呈現(xiàn)出從下游到上游城市化程度降低的趨勢(shì)。

圖2 各流域土地利用結(jié)構(gòu)Fig.2 Land use composition in each Watershed

3.2 流域景觀格局與水質(zhì)關(guān)聯(lián)分析

3.2.1 景觀結(jié)構(gòu)與河流水質(zhì)之間的關(guān)系

3種尺度土地利用均以居住用地、林地、園地和耕地為主要景觀類型，另外道路交通用地也是對(duì)水環(huán)境作用較明顯的用地類型[5]，因此僅選取這5種土地利用類型與水質(zhì)污染指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析(表2)。

從相關(guān)分析結(jié)果可以看出，居住用地、交通用地、耕地與4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)都呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性，林地與水質(zhì)指標(biāo)之間具有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，園地比例與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性不顯著。景觀水平指數(shù)LPI、30 m_CONTAG、61 m_AWMPFD與水質(zhì)指標(biāo)之間表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)性， SHDI與河流水質(zhì)之間有顯著正相關(guān)關(guān)系，但61 m_PD與TP、NO3-N+NO2-N 有顯著正相關(guān)關(guān)系，與CODCr、NH3-N的相關(guān)性不顯著；類型水平Red_ED、Cul_AI與非點(diǎn)源污染物水質(zhì)指標(biāo)具有顯著正相關(guān)關(guān)系，除NH3-N外，其余三項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)都與For_PD呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性，30 m Ord_AWMPFD與CODCr、NH3-N之間有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與其他兩項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性不顯著。

表2 景觀格局與水質(zhì)污染指數(shù)的相關(guān)性

Table 2 Correlation coefficients between indicators of water pollution and landscape pattern

景觀指數(shù)landscapemetricsCODCrTPNH3-NNO3-N+NO2-NRed/%0.669**0.679**0.673**0.499**Tra/%0.676**0.676**0.677**0.451*For/%-0.497**-0.563**-0.536**-0.509**Cul/%0.719**0.790**0.671**0.686**Ord/%-0.086-0.015-0.1560.288LPI-0.706**-0.763**-0.746**-0.713**SHDI0.730**0.809**0.719**0.787**30m_CONTAG-0.720**-0.756**-0.632**-0.697**61m_PD0.3210.390*0.2750.609**61m_AWMPFD-0.757**-0.792**-0.709**-0.598**Red_ED0.891**0.916**0.883**0.664**For_PD0.438*0.440*0.3790.503**Cul_AI0.690**0.723**0.668**0.388*30mOrd_AWMPFD-0.428*-0.336-0.488**-0.032

*表示顯著性P<0.05，顯著相關(guān)；**表示顯著性P<0.01，極顯著相關(guān); 景觀指數(shù):居住用地比例(Red%)，交通用地比例(Tra%)，林地比例(For%)，耕地比例(Cul%)，園地比例(Ord%)，最大斑塊指數(shù)(LPI)，景觀多樣性指數(shù)(SHDI)，30 m寬河岸帶蔓延度指數(shù)(30 m_CONTAG)，61 m寬河岸帶斑塊密度(61 m_PD)，61 m寬河岸帶面積加權(quán)平均分形維數(shù)(61 m_AWMPFD)，居住用地邊緣密度(Red_ED)，林地斑塊密度(For_PD)，耕地聚合度指數(shù)(Cul_AI)，30 m寬河岸帶園地面積加權(quán)平均分形維數(shù)(30 m Ord_AWMPFD)；水質(zhì)指標(biāo):化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，CODCr)，總磷(total phosphorus，TP)，氨氮(NH3-N),硝氮氮-亞硝氮(NO3-N+NO2-N)

3.2.2 水質(zhì)參數(shù)與景觀結(jié)構(gòu)關(guān)系的冗余分析

為了更直觀的顯示景觀變量對(duì)水質(zhì)變化的解釋能力，以27個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)數(shù)據(jù)和14個(gè)景觀變量為樣本，對(duì)其進(jìn)行冗余分析(圖3)。通過水質(zhì)參數(shù)的 DCA分析和梯度計(jì)算，選擇適合的排序軸模型。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選取RDA線性模型進(jìn)行冗余分析，得到前兩個(gè)排序軸的特征根分別為0.867和0.004，水質(zhì)和景觀變量的相關(guān)系數(shù)分別為0.937和0.564，模型滿足顯著性條件。由RDA排序圖可以看出， NH3-N、TP位于第一象限，CODCr、NO3-N+NO2-N位于第四象限，其中CODCr、TP貼近于與第一排序軸。當(dāng)各景觀指標(biāo)箭頭與水質(zhì)指標(biāo)箭頭之間夾角小于90度，兩者關(guān)系為正相關(guān)，大于90度為負(fù)相關(guān)，等于90度則不存在相關(guān)，圖3的結(jié)果與表2中水質(zhì)指標(biāo)與各景觀指數(shù)相關(guān)性一致。另外，景觀指標(biāo)箭頭的長(zhǎng)度可以說明該景觀特征對(duì)水質(zhì)的影響程度，箭頭越長(zhǎng)影響程度越高，可看出Red% 和Red_ED對(duì)水質(zhì)的影響程度較其他景觀指數(shù)略高，30 m_CONTAG、For%、Tra%、SHDI、Cul_AI和Cul%、61 m_AWMPFD、61 m_PD和LPI次之。

圖3 景觀指數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)的RDA排序圖Fig.3 RDA ordination plot of landscape metrics and water quality indices

4 討論

通過Spearman秩相關(guān)分析和RDA排序圖的直觀展示，發(fā)現(xiàn)居住用地和居住用地邊緣密度對(duì)水質(zhì)指標(biāo)有很強(qiáng)的影響作用，即城市面積越大、越分散分布，排入河流的非點(diǎn)源污染物越多，水質(zhì)越差。居住用地增加使生活污水、生活垃圾等堆積造成非點(diǎn)源污染物增加，另一方面是不透水地表面積增加，降雨時(shí)污染物會(huì)迅速進(jìn)入河流造成污染。林地對(duì)水質(zhì)惡化有很好的削減作用，植被的根系及枯枝落葉對(duì)污染物有較強(qiáng)的截留、吸收作用[22]，林地斑塊密度與水質(zhì)表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系是因?yàn)槠扑楹筝^小的林地斑塊對(duì)非點(diǎn)源污染物的截留吸收作用降低，使得部分污染物通過林地進(jìn)入水體。居住用地和林地對(duì)水質(zhì)的作用與前人研究結(jié)果相一致，即水質(zhì)較好的流域具有較高的森林覆蓋率和較低的城市化程度[2,5,23]。園地與CODCr、TP、NH3-N之間呈負(fù)相關(guān)，與NO3-N+NO2-N呈正相關(guān)關(guān)系，但3種尺度上相關(guān)性均不顯著。30 m寬河岸帶園地面積加權(quán)平均分形維數(shù)與水質(zhì)均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，綜合前人研究成果發(fā)現(xiàn)園地對(duì)水質(zhì)影響具有不確定性[5,10,24- 25]，這主要是由于園地使用的化肥、農(nóng)藥通過地表徑流進(jìn)入河流會(huì)使河流營(yíng)養(yǎng)鹽增加，但其地表植被又對(duì)污染物有吸附、吸收和滯留的作用，在建設(shè)用地為主要污染源的流域?qū)λ|(zhì)具有正效應(yīng)，而在園地大片集中分布且靠近水體的流域內(nèi)則表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)，流域管理方式、化肥農(nóng)藥投入強(qiáng)度以及水質(zhì)監(jiān)測(cè)頻次等都是產(chǎn)生這種不確定性的主要原因。

景觀多樣性指數(shù)SHDI是表征景觀破碎程度重要景觀指標(biāo)之一，與水質(zhì)表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系。景觀破碎度增加，使得林地等對(duì)非點(diǎn)源污染的“匯”景觀分割成較小斑塊，不能夠吸收截留鄰近“源”景觀輸出污染物，導(dǎo)致水質(zhì)惡化。張大偉[10]研究發(fā)現(xiàn)SHDI與水質(zhì)指標(biāo)CODCr、NH3-N呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，認(rèn)為SHDI值增加說明景觀異質(zhì)性增加，建設(shè)用地、耕地等主要污染輸出類型在景觀中的優(yōu)勢(shì)度降低，因而會(huì)減緩污染物對(duì)水質(zhì)的影響。產(chǎn)生這樣不同結(jié)果可能與研究區(qū)主要景觀類型有關(guān)，在作者的研究區(qū)是以建設(shè)用地、水田為主要景觀類型，而本文的研究區(qū)以林地和耕地、園地用地為主要景觀類型。而表征景觀聚集程度的最大斑塊指數(shù)LPI、30 m_CONTAG與水質(zhì)之間表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，景觀聚集度值越大說明各類型景觀集中連片分布，流域中較大的“匯”景觀斑塊可以較好的減少污染物進(jìn)入水體，對(duì)河流水質(zhì)具有保護(hù)作用。斑塊形狀越復(fù)雜，污染物流出斑塊的難度會(huì)越大，在斑塊內(nèi)部就進(jìn)行了吸收轉(zhuǎn)化等，因此面積加權(quán)平均分形維數(shù)與水質(zhì)呈負(fù)相關(guān)性。前人研究中，面積加權(quán)平均分形維數(shù)(AWMPFD)與水質(zhì)指數(shù)之間關(guān)系未呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性[10,26]。

從已有的報(bào)道和本文的研究結(jié)果看景觀空間特征與水質(zhì)間關(guān)系還具有不確定性，但景觀空間屬性對(duì)水質(zhì)存在較為明顯的影響這一觀點(diǎn)已得到普遍認(rèn)同。城市化發(fā)展及景觀破碎度是水質(zhì)變化的重要影響因素。Tu[27]研究發(fā)現(xiàn)人口與土地利用方式離河流越近對(duì)水質(zhì)的影響越強(qiáng)，趙鵬[9]和張殷俊[24]的研究結(jié)果是大尺度景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響強(qiáng)于小尺度，而本研究則表現(xiàn)為子流域和河岸帶兩個(gè)尺度景觀特征對(duì)水質(zhì)變化的影響差異不大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是由于流溪河流域人為干擾嚴(yán)重，河岸區(qū)多開發(fā)為娛樂休憩場(chǎng)所，人類活動(dòng)影響較大，遺留的自然植被很少，不能體現(xiàn)出河岸帶對(duì)非點(diǎn)源污染所起到的天然屏障作用。

5 結(jié)論

本研究以流溪河流域的27個(gè)子流域?yàn)檠芯繉?duì)象，結(jié)合實(shí)地調(diào)研與水質(zhì)采樣，通過Spearman秩相關(guān)分析和RDA梯度分析，定量并直觀的體現(xiàn)景觀空間格局對(duì)水質(zhì)的影響。主要結(jié)論：

(1)居住用地比例對(duì)水質(zhì)的影響作用強(qiáng)于其他用地類型，是引起非點(diǎn)源污染物濃度升高的主要原因，林地對(duì)水質(zhì)有凈化作用，與水質(zhì)呈負(fù)相關(guān)性。園地對(duì)水質(zhì)的作用具有不確定性，需要更進(jìn)一步的深入研究。

(2)流域景觀特征從上游到下游之間表現(xiàn)為農(nóng)村—城鄉(xiāng)交錯(cuò)—城市的梯度變化，水質(zhì)也表現(xiàn)為上游優(yōu)于下游。景觀破碎化程度與水質(zhì)呈正相關(guān)性，是水質(zhì)變化的重要影響因素；景觀聚集度指數(shù)和斑塊形狀復(fù)雜程度與水質(zhì)指標(biāo)之間表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3)子流域尺度和河岸帶尺度景觀特征對(duì)水質(zhì)的影響作用差異不明顯。這些結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)流域生態(tài)修復(fù)實(shí)踐具有積極的參考價(jià)值。

[1] 鄔建國(guó). 景觀生態(tài)學(xué): 格局、過程、尺度與等級(jí). 北京: 高等教育出版社, 2007: 16- 17.

[2] Lee S W, Hwang S J, Lee S B, Hwang H S, Sung H C. Landscape ecological approach to the relationships of land use patterns in watersheds to water quality characteristics. Landscape and Urban Planning, 2009, 92(2): 80- 89.

[3] Mander ü, Kull A, Tamm V, Kuusemets V, Karjus R. Impact of climatic fluctuations and land use change on runoff and nutrient losses in rural landscapes. Landscape and Urban Planning, 1998, 41(3/4): 229- 238.

[4] 朱紅云, 楊桂山, 董雅文. 江蘇長(zhǎng)江干流飲用水源地生態(tài)安全評(píng)價(jià)與保護(hù)研究. 資源科學(xué), 2004, 26(6): 90- 96.

[5] 張殷俊, 陳爽, 彭立華. 平原河網(wǎng)地區(qū)水質(zhì)與土地利用格局關(guān)系——以江蘇吳江為例. 資源科學(xué), 2009, 31(12): 2150- 2156.

[6] Li S Y, Gu S, Tan X, Zhang Q F. Water quality in the upper Han River basin, China: The impacts of land use/land cover in riparian buffer zone. Journal of Hazardous Materials, 2009, 165(1/3): 317- 324.

[7] Uriarte M, Yackulic C B, Lim Y, Arce-Nazario J A. Inuence of land use on water quality in a tropical landscape: a multi-scale analysis. Landscape Ecology, 2011, 26(8): 1151- 1164.

[8] Gergel S E, Turner M G, Miller J R, Melack J M, Stanley E H. Landscape indicators of human impacts to riverine systems. Aquatic Sciences, 2002, 64(2): 118- 128.

[9] 趙鵬, 夏北成, 秦建橋, 趙華榮. 流域景觀格局與河流水質(zhì)的多變量相關(guān)分析. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(8): 2331- 2341.

[10] 張大偉, 李楊帆, 孫翔, 張方山, 朱紅興, 劉毅, 張英, 莊敏, 朱曉東. 入太湖河流武進(jìn)港的區(qū)域景觀格局與河流水質(zhì)相關(guān)性分析. 環(huán)境科學(xué), 2010, 31(8): 1775- 1783.

[11] Lam Q D, Schmalz B, Fohrer N. Assessing the spatial and temporal variations of water quality in lowland areas, Northern Germany. Journal of Hydrology, 2012, 438- 439: 137- 147.

[12] 劉麗娟, 李小玉, 何興元. 流域尺度上的景觀格局與河流水質(zhì)關(guān)系研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(19): 5460- 5465.

[13] 周婷, 彭少麟, 任文韜. 東江河岸帶各區(qū)段景觀格局對(duì)水體恢復(fù)的影響. 中山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2009, 48(4): 78- 83.

[14] 吉冬青, 文雅, 魏建兵, 吳志峰, 程炯, 劉慶. 流溪河流域土地利用景觀生態(tài)安全動(dòng)態(tài)分析. 熱帶地理, 2013, 33(3): 299- 306.

[15] 李恒鵬, 黃文鈺, 楊桂山, 劉曉玫. 太湖地區(qū)蠡河流域不同用地類型面源污染特征. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2006, 26(2): 243- 247.

[16] McGarigal, K., Cushman S A, Neel M C, Ene E. FRAGSTATS: Spatial Pattern Analysis Program for Categorical Maps. Computer software program produced by the authors at the University of Massachusetts, Amherst, 2002 [2013-03- 25]. http://www.umass.edu/landeco/research/fragstats/fragstats.html

[17] Kearns F R, Kelly N M, Carter J L, Resh V H. A method for the use of landscape metrics in freshwater research and management. Landscape Ecology, 2005, 20(1): 113- 125.

[18] Xia L L, Liu R Z, Zao Y W. Correlation analysis of landscape pattern and water quality in Baiyangdian Watershed. Procedia Environmental Sciences, 2012, 13: 2188- 2196.

[19] 于磊, 趙彥偉, 汪思慧, 田竹君. 不同時(shí)空尺度下流域景觀格局與水質(zhì)的相關(guān)性研究——以嫩江右岸典型子流域?yàn)槔? 水土保持通報(bào), 2011, 31(5): 254- 258, 263- 263.

[20] 歐洋, 王曉燕, 耿潤(rùn)哲. 密云水庫(kù)上游流域不同尺度景觀特征對(duì)水質(zhì)的影響. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 32(5): 1219- 1226.

[21] Johnson L B, Richards C, Host G E, Arthur J W. Landscape influences on water chemistry in midwestern stream ecosystems. Freshwater Biology, 1997, 37(1): 193- 208.

[22] 榮琨, 陳興偉, 陳志彪. 植被恢復(fù)對(duì)非點(diǎn)源污染影響的SWAT模擬. 水資源與水工程學(xué)報(bào), 2010, 21(3): 52- 55.

[23] Miserendino M L, Casaux R, Archangelsky M, Di Prinzio C Y, Brand C, Kutschker A M. Assessing land-use effects on water quality, in-stream habitat, riparian ecosystems and biodiversity in Patagonian northwest streams. Science of the Total Environment, 2011, 409(3): 612- 624.

[24] 張殷俊, 陳爽, 相景昌. 河流近域土地利用格局與水質(zhì)相關(guān)性分析——以巢湖流域?yàn)槔? 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2011, 20(9): 1054- 1061.

[25] Tu J. Spatially varying relationships between land use and water quality across an urbanization gradient explored by geographically weighted regression. Applied Geography, 2011, 31(1): 376- 392.

[26] 黃金良, 李青生, 洪華生, 林杰, 曲盟超. 九龍江流域土地利用/景觀格局-水質(zhì)的初步關(guān)聯(lián)分析. 環(huán)境科學(xué), 2011, 32(1): 64- 72.

[27] Tu J, Xia Z G. Assessing the impact of land use changes on water quality across multiple spatial scales in eastern Massachusetts. Middle States Geographer, 2006, 39: 34- 42.

Relationships between landscape spatial characteristics and surface water quality in the Liu Xi River watershed

JI Dongqing1,2, WEN Ya2, WEI Jianbing3,*, WU Zhifeng4, LIU Qing1, CHENG Jiong1

1GuangdongInstituteofEco-environmentandSoilSciences,Guangzhou510650,China2CollageofInformatics,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China3KeyLaboratoryofRegionalEnvironmentandEco-Remediation, (MinistryofEducation),ShenyangUniversity,Shenyang110044,China4SchoolofGeographicalSciences，GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China

In recent years, the risk assessment of changes in land use with respect to their ecological impact is still an unsolved problem. The water quality of rivers is influenced by the natural environment and human activities in the river basin. The latter of these two factors, especially change in land use, is the major factor in the deterioration of water quality. Therefore, the management of river pollution and water protection has significant academic and practical implications in terms of investigating any change in water quality relating to aspects of land use and changes in its appearance. We conducted a case study in the Liu Xi River watershed in Guangzhou city to examine the correlation between watershed landscape pattern characteristics and water variables. The basin was divided into 27 sub-watersheds and water samples were collected for monitoring of water quality. Water variables include CODCr, TP, NH3-N and NO3-N+NO2-N. The values of these variables represent the degree of eutrophication and the content of organic matter, which are the characteristics of deteriorated water. We believe that a decrease in these variables results from the impact of human activities on water bodies. The choice of landscape indices was based on previous research, and included three scales. We used Fragstas3.3 software to obtain landscape indices of every watershed, then performed a correlation analysis. Spearman correlation and redundancy analysis (RDA) methods were used to analyze the relationship between water quality and land use patterns. Correlation analysis was made at buffer zone and sub-basins using three spatial scales. The buffer zone included a 30 m buffer and a 61 m buffer. Results showed that the land use structure of the Liu Xi River watershed had a great impact on water quality parameters. Residential land strongly affected water quality, and was the strongest impact factor for river pollution in the Liu Xi River watershed. In other words, if residential land increases, then the water quality will worsen. Forest constitutes a natural water purification system, so forestland exhibited a significant negative correlation with water quality. Orchards play a complex role in water quality, with an uncertain correlation between orchard and water variables. From upstream to downstream, urbanization gradually increased the watershed landscape features; the water quality also changed in response to this gradient. Water quality upstream is better than water quality downstream. The change in land use and land management practices caused by human activities and urbanization changes had a significant influence on water quality. The former brings more contaminants into the surrounding environment, while the latter increases the amount of impervious surface area. The results showed a strong correlation between water quality and landscape indexes. Landscape fragmentation and water quality showed a significant positive correlation, while landscape aggregation and patch shape complexity were negatively correlated; the differences between riparian and sub-watershed scale landscape spatial characteristics′ effects on water quality were not obvious. The result of RDA revealed that water quality showed an obvious trend with the varying area percentage and edge density of the residential land. The correlation between water quality and landscape structure is insignificant with both scales. Based on our survey, land use change is a consequence of human activities, and changes the ecosystem status of the river and watershed. This could explain why water quality varies as the watershed landscape structure changes.

land use; landscape spatial characteristics; water quality; spearman correlation analysis; Liu Xi River

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41171399, D011001, C030701, 31170445); 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAH32B03)

2013- 03- 23;

日期:2014- 03- 25

10.5846/stxb201303230496

*通訊作者Corresponding author.E-mail: oliver1208@sina.com

吉冬青，文雅，魏建兵，吳志峰，劉慶，程炯.流溪河流域景觀空間特征與河流水質(zhì)的關(guān)聯(lián)分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(2):246- 253.

Ji D Q, Wen Y, Wei J B, Wu Z F, Liu Q, Cheng J.Relationships between landscape spatial characteristics and surface water quality in the Liu Xi River watershed.Acta Ecologica Sinica,2015,35(2):246- 253.