朱珍香,高肖飛,彭 鳳,陳輝煌,唐立娜,楊 軍,*

1 中國科學院城市環(huán)境研究所,城市環(huán)境與健康重點實驗室,水生態(tài)健康研究組,廈門 3610212 廈門大學海洋與地球?qū)W院,廈門 361102

當前,我國在城鎮(zhèn)化大背景下社會經(jīng)濟的高速發(fā)展極大地改變了土地利用方式,土地利用變化可導致流域營養(yǎng)物富集、水環(huán)境容量降低和水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能損失[1-2]。大量未充分處理的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污水排入河流,使水體營養(yǎng)物質(zhì)濃度升高,水體物理、化學條件改變,進而破壞水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能[3-5]。近20年來水質(zhì)惡化問題在中國逐漸成為社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要限制因素之一[6-7]。在生態(tài)文明建設(shè)關(guān)鍵期和新型城鎮(zhèn)化大背景下,分析土地利用變化特征和景觀格局與河流水質(zhì)的關(guān)系對流域水資源可持續(xù)利用、恢復河流生態(tài)系統(tǒng)和降低河流污染風險具有重要的意義[8]。

研究景觀格局特征對水質(zhì)的影響被認為是預測污染潛力和進行流域管理實踐的關(guān)鍵[9]。景觀格局是指土地利用類型的形狀、比例和空間配置[10],可以通過景觀指數(shù)定量化表示[11]。過去的研究集中在土地利用類型組成以及景觀配置和結(jié)構(gòu)指數(shù)與水質(zhì)的關(guān)系,如基于斑塊水平、類型水平和景觀水平的斑塊密度、邊緣密度、景觀形狀指數(shù)和多樣性指數(shù)等[7-9],而較少關(guān)注地形特征和景觀距離對水質(zhì)的影響?！霸础本坝^和“匯”景觀通過景觀之間的位置關(guān)系和地形地勢特征可以更合理地揭示非點源污染的主要來源和傳輸途徑[12-13]?！霸础本坝^和“匯”景觀分別指促進和阻礙非點源污染發(fā)生的景觀類型,是近年來新發(fā)展的一種用于景觀格局分析的研究手段,特別適合流域尺度分析[14]。但是,亞熱帶小流域目前尚未見到較為全面的考慮景觀組成、配置、空間位置和地形特征與流域水質(zhì)的關(guān)系研究。

后溪流域位于中國福建東南部,后溪是廈門市第二大河流。后溪流域上游為石兜和坂頭水庫,下游是杏林灣水庫[15]。石兜和坂頭水庫主要功能是飲用水供給,杏林灣水庫是集美區(qū)重要的景觀水體,因此后溪是廈門市經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重要淡水資源[16]。近年來,后溪流域下游受人為干擾大,面臨生態(tài)退化、生物多樣性喪失及水環(huán)境惡化等問題。這與城市規(guī)劃的生態(tài)觀光區(qū)、旅游度假區(qū)和濱水生活區(qū)定位不協(xié)調(diào),而且生態(tài)研究治理水平滯后于經(jīng)濟發(fā)展。據(jù)調(diào)查,后溪流域內(nèi)共分布有93個排污口,農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活污水中的總氮和總磷對后溪流域的負荷量分別為269.67 t/a和25.79 t/a；其中農(nóng)業(yè)面源污染、生活污水和畜禽養(yǎng)殖是流域的主要污染源,占后溪流域污染負荷的90%以上[17]。目前,已有學者對后溪流域的土壤重金屬、水質(zhì)變化、地表特征和浮游生物群落的研究[18-21],但均未充分考慮后溪流域景觀特征的時空變化與水質(zhì)的關(guān)系。因此,本文研究的目的是：1)分析廈門后溪近五年的水質(zhì)變化特征；2)研究后溪流域景觀特征的時空差異；3)揭示后溪流域景觀特征對水質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

后溪流域位于廈門市集美區(qū),經(jīng)緯度范圍為24°34′02″—24°45′48″N、117°55′14″—118°06′52″E,流域面積205 km2,占集美區(qū)總面積的74%(圖1)。后溪發(fā)源于戴云山脈與博平嶺山脈交界的老寮倉山西麓,是廈門市第二大河流,干流全長約23 km,流域地勢自西北向東南傾斜,西北部以低山、丘陵為主,地勢較陡,東南為起伏的臺地和沖擊平原,地勢平緩。后溪上游分別于1956年和1959年建成外庫(坂頭水庫)和內(nèi)庫(石兜水庫)[15],目前是廈門市重要的飲用水源地。坂頭水庫大壩以上為上游,即為本研究中的1—6號站位以上亞流域,中游經(jīng)后溪鎮(zhèn)與支流許溪在后溪鎮(zhèn)交匯形成后溪,本研究中將中游和下游統(tǒng)稱為下游,包括7—11號站位[22]。廈門島地處亞熱帶季風性氣候區(qū),多年平均氣溫和年降雨量分別為20.7°C和1335.8 mm,2012年至2017年的年降雨量分別為1207.5、1663.1、1084.5、1480.9、2168.2 mm和987.5 mm。

圖1 后溪流域的水系和采樣點分布圖Fig.1 Map of the Houxi River watershed showing river networks and monitoring sites

本研究沿后溪上游至下游共設(shè)置11個站位,流域上游1—6號站位處于石兜-坂頭水庫內(nèi),周邊地貌主要為山地,土地利用方式以林地為主。下游7—11號站位的周邊地貌主要為平原,土地利用方式以林地、耕地和建設(shè)用地為主(圖2)。

圖2 2013年和2017年后溪流域土地利用空間分布Fig.2 Spatial distribution of land use in Houxi River watershed in 2013 and 2017

1.2 水質(zhì)監(jiān)測

2013—2017年,于每年1月(干季)和7月(濕季)監(jiān)測11個站點表層水體的溶解氧(DO)、總氮(TN)、總磷(TP)和葉綠素a(Chl a)等水質(zhì)指標。監(jiān)測現(xiàn)場用多參數(shù)水質(zhì)分析儀Hydrolab DS5(HACH,USA)測定DO,同時采集0.5 L水樣運回實驗室測定TN、TP和Chl a。TN用堿性過硫酸鉀消解,TP用過硫酸鉀消解,消解后按照國家標準進行測定[23]。Chl a濃度使用浮游植物熒光儀Phyto-PAM(Walz,Germany)測定。

1.3 景觀特征

1.3.1土地利用提取

后溪流域邊界范圍和流域內(nèi)的水系基于數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)利用ArcGIS 10.4的水文分析模塊生成。本研究綜合考慮水文氣候等因素和影像質(zhì)量,選擇2013年和2017年云層較少的干季(含云量低于5%)的Landsat 8遙感影像提取土地利用數(shù)據(jù)。Landsat 8攜帶有運營性陸地成像儀(Operational Land Image,OLI)和熱紅外傳感器(Thermal InfraRed Sensor,TIRS)。本研究使用的是OLI上的前7個波段數(shù)據(jù),空間分辨率為30 m。土地利用分類參照最新土地利用分類標準[24],采用非監(jiān)督分類法分為30類,結(jié)合野外調(diào)查和高分辨率地圖進行目視解譯,最終劃分為七類：林地、園地、水域、耕地、草地、建設(shè)用地和其他用地。以各采樣站位為出口確定各亞流域范圍。影像的輻射定標、大氣校正、裁剪和非監(jiān)督分類在ENVI 5.1中進行,非監(jiān)督分類后的目視解譯和再分類在ArcGIS 10.4平臺上完成。

1.3.2景觀指數(shù)分析

1.4 統(tǒng)計分析

根據(jù)《廈門市水環(huán)境功能區(qū)劃》,集中式生活飲用水水源地石兜-坂頭水庫屬Ⅱ類水環(huán)境功能區(qū),執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838—2002)》中的Ⅱ類標準；下游屬Ⅴ類水環(huán)境功能區(qū),執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838—2002)》中的Ⅴ類標準。本研究評價各監(jiān)測站位的水質(zhì)達標情況,以超標率(%)表示[25]。另外,本研究還采用卡爾森(Carlson 1977)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[26],評價飲用水源地——石兜和坂頭水庫的水體營養(yǎng)狀態(tài)。

利用PRIMER 7.0對土地利用面積比例基于Bray-Curtis系數(shù)進行ANOSIM相似性檢驗和多維尺度分析(Non-metric multidimensional scaling,NMDS),以評價后溪流域上游與下游土地利用的差異?；赟PSS 22.0軟件,在P<0.05顯著性水平下,進行干季和濕季水質(zhì)指標與景觀特征的Pearson相關(guān)分析?；赟PSS 22.0和CANOCO 4.5軟件分別進行景觀特征和水質(zhì)指標間的多元回歸分析和冗余分析(RDA),并選擇方差膨脹因子(Variance inflation factor,VIF)<20的變量進行解釋分析?；赗軟件進行結(jié)構(gòu)方程模型分析,分析土地利用和景觀指數(shù)對水質(zhì)的影響路徑和大小。

進行統(tǒng)計分析之前使用Kolmogorov-Smirnov檢驗數(shù)據(jù)的正態(tài)性,結(jié)果表明大部分數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布。因此對土地利用比例進行反正弦平方根轉(zhuǎn)化,對水質(zhì)指標和景觀指數(shù)進行Log(x+1)轉(zhuǎn)化。多元回歸分析中,景觀特征之間存在較強的共線性,因而與水質(zhì)有較強關(guān)系的耕地、林地和SHDI未用于多元回歸方程中。

2 結(jié)果

2.1 后溪水質(zhì)變化特征

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838—2002)》評價后溪水質(zhì)干季和濕季的達標情況(表1),其中上游1—6號站位執(zhí)行Ⅱ類標準,下游7—11號站位執(zhí)行Ⅴ類標準。結(jié)果表明,監(jiān)測期間上游和下游溶解氧(DO)均符合相應標準,干季的均值分別為9.30 mg/L和7.42 mg/L,濕季分別為9.24 mg/L和6.52 mg/L。上游和下游總氮(TN)均值在干季分別為0.906 mg/L和6.350 mg/L,超標率均為100%；在濕季均值分別為1.178 mg/L和3.852 mg/L,超標率分別為100%和84.0%。上游和下游總磷(TP)均值在干季分別為0.026 mg/L和0.841 mg/L,超標率分別為36.7%和96.0%；在濕季均值分別為0.031 mg/L和0.662 mg/L,超標率分別為40.0%和84.0%。上游和下游葉綠素a(Chl a)均值在干季分別為22.90 μg/L和153.44 μg/L,濕季分別為28.98 μg/L和86.04 μg/L。

表1 2013年至2017年后溪干濕季水質(zhì)參數(shù)

DO：溶解氧Dissolved oxygen；TN：總氮Total nitrogen；TP：總磷Total phosphorus；Chl a：葉綠素a Chlorophyll a ；其中符合水質(zhì)標準 的DO應大于指定限值,TN和TP應小于指定限值；根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838—2002)》,1—6號站位執(zhí)行Ⅱ類標準,7—11號站位執(zhí)行Ⅴ類標準,其中1—6號和10—11號站位TP執(zhí)行湖庫標準(0.025 mg/L和0.2 mg/L)

沿城鄉(xiāng)梯度后溪水質(zhì)上游與下游差異較大(圖3)：監(jiān)測期間,DO在上游1—6號站位相對較高、變化不大,下游7—11號站位呈顯著先下降后上升趨勢；TN、TP和Chl a在上游1—6號站位差異不大、含量較低,下游7—11號站位呈先上升后下降趨勢。各水質(zhì)指標在空間上的波動幅度干季比濕季大,而年際間差異并不大。卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)評價結(jié)果表明(表2),石兜-坂頭水庫在2013年至2017年基本處于輕富營養(yǎng)至中富營養(yǎng)狀態(tài),2015年營養(yǎng)狀態(tài)水平較高,特別是坂頭水庫達到了重富營養(yǎng)。

圖3 2013至2017年干季和濕季后溪水質(zhì)空間變化Fig.3 Variability of water quality parameters along the Houxi River in dry and wet seasons from 2013 to 2017圖中Ⅱ和Ⅴ分別表示《地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838—2002)》的Ⅱ類和Ⅴ類標準限值；1—6號站位屬于集中式生活飲用水地表水源地一級保護區(qū),執(zhí)行Ⅱ類標準；7—11號站位屬于一般景觀要求水域,執(zhí)行Ⅴ類標準；其中總磷在1—6號站位執(zhí)行湖、庫Ⅱ類標準,7—9號站位執(zhí)行Ⅴ類河流標準,10—11號站位執(zhí)行Ⅴ類湖、庫標準；葉綠素a尚無標準限值

2.2 景觀特征時空變化

2.2.1土地利用變化

后溪流域景觀特征定量分析結(jié)果表明：流域上游土地利用類型以林地為主,占70%以上。流域下游林地和園地逐漸減少,耕地和建設(shè)用地逐漸增加。流域下游包括正在開發(fā)建設(shè)的集美新城區(qū),主要土地利用類型為林地、園地和建設(shè)用地,草地和其他用地比例也顯著高于流域上游(圖2和圖4)。耕地比例在9號站位亞流域最高,2013和2017年都在15%以上。與2013年相比,2017年后溪上游土地利用組成和配置沒有顯著的變化,而流域下游耕地和其他用地明顯減少,建設(shè)用地顯著增加。尤其是9—11號站位亞流域2017年的建設(shè)用地較2013年增長量均超過50%,其他用地減少20%以上。

流域土地利用組成比例的多維尺度分析表明,后溪上游各亞流域的土地利用組成和比例較相似,下游各亞流域差異性較大(圖5)。流域土地利用組成比例的ANOSIM檢驗結(jié)果表明,空間上,流域上游與下游土地利用組成和分布上差異顯著。時間上,流域上游隨時間的變化小但差異顯著,下游隨時間變化較大但差異并不顯著。

表2 2013年至2017年石兜和坂頭水庫干濕季營養(yǎng)狀態(tài)

+表示輕富營養(yǎng),++表示中富營養(yǎng),+++表示重富營養(yǎng)

圖4 2013年和2017年后溪各亞流域土地利用組成Fig.4 Land use composition in each sub-basin of Houxi River watershed in 2013 and 2017

圖5 基于Bray-Curtis相似性的2013年和2017年后溪流域土地利用組成多維尺度(NMDS)排序結(jié)果和ANOSIM檢驗結(jié)果Fig.5 Non-metric multidimensional scaling (NMDS) ordination and ANOSIM statistics testing differences for upstream and downstream land-use of Houxi River watershed based on Bray-Curtis similarity in 2013 and 201713U、13D、17U和17D分別表示2013年流域上游、2013年流域下游、2017年流域上游和2017年流域下游的土地利用組成比例；右圖y軸不相似性表示基于Bray-Curtis不相似性,柱狀圖頂部顯示Global R值,**表示在P<0.01水平上差異顯著

2.2.2景觀指數(shù)特征

圖6 2013年和2017年后溪流域中各亞流域景觀指數(shù)變化Fig.6 Variability of landscape metrics in sub-basins of Houxi River watershed in 2013 and 2017PD：斑塊密度,Patch density；SHDI：香農(nóng)多樣性指數(shù),Shannon′s diversity index；LWLI：源匯景觀指數(shù),Location-weighted landscape 和分別表示基于距離、高程和坡度的源匯景觀指數(shù)

2.3 景觀特征與水質(zhì)的關(guān)系

景觀特征與水質(zhì)的相關(guān)性分析結(jié)果表明,林地、耕地、建設(shè)用地和其他用地是影響水質(zhì)的主要土地利用類型,在干季和濕季與DO、TN、TP和Chl a均顯著相關(guān)(圖7)。水域面積比例與各水質(zhì)指標相關(guān)性均不顯著。DO與林地、園地面積比例呈正相關(guān)關(guān)系,與其他景觀特征指標呈負相關(guān)關(guān)系,總體上濕季的相關(guān)性大于干季。TN、TP、Chl a與林地和園地面積比例呈負相關(guān)關(guān)系,與其他景觀特征呈正相關(guān)關(guān)系,其中TN和TP與景觀特征的關(guān)系濕季大于干季,而Chl a與各景觀特征的關(guān)系干季強于濕季。PD和SHDI與水質(zhì)的相關(guān)性比源匯景觀指數(shù)強,基于距離的源匯景觀指數(shù)和綜合源匯景觀指數(shù)與水質(zhì)的相關(guān)性比基于高程和坡度的源匯景觀指數(shù)強。表明林地、建設(shè)用地、其他用地、斑塊密度、多樣性水平以及距離是影響水質(zhì)的主要景觀特征。

圖7 后溪流域各水質(zhì)指標與景觀特征的相關(guān)分析結(jié)果 Fig.7 Pearson correlations between water quality and landscape characteristics in Houxi River watershedDO：溶解氧Dissolved oxygen；TN：總氮Total nitrogen；TP：總磷Total phosphorus；Chl a：葉綠素a Chlorophyll a；空白表示相關(guān)性不顯著,o表示斜對角線上的相同因子；紅色表示負相關(guān),藍色表示正相關(guān)；圓形面積越大,顏色越深表示相關(guān)系數(shù)絕對值越大。左下角為干季的相關(guān)系數(shù)結(jié)果,右上角是濕季的相關(guān)系數(shù)

多元線性回歸分析表明(表3),園地和建設(shè)用地以及基于距離的源匯景觀指數(shù)與TN、TP和Chl a的回歸系數(shù)更大。RDA分析結(jié)果表明(圖8),干季第一軸和第二軸景觀特征分別解釋71.0%和7.6%的水質(zhì)變化；濕季第一軸和第二軸分別解釋66.5%和7.5%的水質(zhì)變化。而結(jié)構(gòu)方程模型分析結(jié)果進一步表明(圖9),土地利用比例對TN和TP直接影響為負,而對Chl a影響為正,且對Chl a的影響值最大。景觀指數(shù)與土地利用相反,對TN和TP的影響為正,對Chl a的影響為負。景觀指數(shù)對DO、TN和TP的影響值大于土地利用比例,即景觀配置對水質(zhì)的影響要大于景觀組成,而土地利用對Chl a的影響值高于景觀指數(shù),即景觀組成對Chl a的影響更大?？傮w而言,城鎮(zhèn)化背景下流域的景觀特征提高了水體中TN、TP和Chl a濃度,而降低了DO濃度。

圖8 后溪流域干濕季水質(zhì)與景觀特征冗余分析(RDA)結(jié)果Fig.8 Redundancy analysis (RDA) showing the water quality parameters in Houxi River watershed in relation to statistically significant landscape characteristics in dry and wet seasons,respectively

圖9 后溪流域景觀特征與水質(zhì)參數(shù)的結(jié)構(gòu)方程模型 Fig.9 The results of structural equation model among landscape characteristics and water quality

3 討論

3.1 土地利用變化對水質(zhì)的影響

區(qū)域氣候氣象、土地利用、人為活動和水文水動力是影響水質(zhì)變化的主要因素,根據(jù)2013年和2017年《廈門經(jīng)濟特區(qū)年鑒》,與2012年相比,2016年集美區(qū)總?cè)丝谟?1.5萬人增加至26.5萬人,城鎮(zhèn)人口由15.2萬人增加至19.2萬人,農(nóng)業(yè)產(chǎn)值有所下降,工業(yè)產(chǎn)值所有上升,服務(wù)業(yè)翻了一番,人為活動強度顯著增加。伴隨城市化帶來的土地利用變化表現(xiàn)為,林地和草地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地和耕地,部分耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地[27],本研究地區(qū)主要表現(xiàn)為林地和耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。本研究結(jié)果表明,林地、耕地和建設(shè)用地是與水體溶解氧(DO)、總氮(TN)、總磷(TP)和葉綠素a(Chl a)密切相關(guān)的主要土地利用類型,這個結(jié)果與其他報道相似[28-29]。后溪上游是重要的飲用水源保護區(qū),流域上游以林地為主,具有涵養(yǎng)水源,保護水質(zhì)的作用,監(jiān)測結(jié)果也表明石兜-坂頭水庫水質(zhì)較好。7—9號站位亞流域是農(nóng)田和村莊分布區(qū),耕地和建設(shè)用地比例高。實地考察結(jié)果顯示,8號和9號監(jiān)測站位河流段為硬質(zhì)護岸,周邊為密集的居民區(qū),河流兩岸綠化較差,河流較淺,底泥淤積較為嚴重。水體氮磷濃度變化的原因包括外源輸入和內(nèi)源釋放,即外源徑流輸入和內(nèi)源沉積物再懸浮釋放,而沉積物中的氮磷可能主要來源于早期的非點源污染負荷[30]。值得注意的是,本研究區(qū)域9號站位TN和TP含量最高,主要是由于此亞流域耕地比例最高,而且還存在部分水產(chǎn)養(yǎng)殖,因此更多的氮磷營養(yǎng)鹽隨著徑流進入水體。

表3 后溪流域干濕季水質(zhì)與景觀特征的多元回歸分析結(jié)果

Table 3 Multiple regression results between water quality and landscape characteristics of Houxi River watershed in the dry and wet seasons,respectively

干季 Dry season濕季 Wet seasonDOTNTPChl aDOTNTPChl a林地 Forest園地 Orchard3.962.256.63-1.502.58水域 Water-0.220.710.900.31-0.560.681.22-2.38耕地 Cropland草地 Grass0.68-5.07-1.40-0.28-2.03建設(shè)用地 Built0.232.550.404.45-0.900.601.014.84其他用地 Other land斑塊密度 PD-0.271.070.800.97-0.220.640.88香農(nóng)多樣性指數(shù) SHDI基于距離的源匯景觀指數(shù) LWLI′D-5.330.54-0.60-2.20基于高程的源匯景觀指數(shù) LWLI′E-0.472.330.28-1.46基于坡度的源匯景觀指數(shù) LWLI′S-0.420.56-0.38-0.480.561.20-2.60綜合源匯景觀指數(shù) LWLI-1.57R20.780.820.790.830.850.850.790.80P< 0.01< 0.01< 0.01< 0.01< 0.01< 0.01< 0.01< 0.01方差膨脹因子VIF1.62—18.891.44—16.391.67—19.261.60—19.971.60—19.701.75—13.311.60—15.071.29—17.33

流域下游是平坦且海拔較低的集美新城區(qū),杏林灣水庫是其主要的景觀水體,經(jīng)過河流自凈作用后水體中的氮磷含量比8—9號站位稍低,但Chl a 含量卻較高。因此,受土地利用類型的變化,建設(shè)用地的增加和復雜的人類活動影響,城鎮(zhèn)地表徑流面源污染輸出具有較大的空間差異[31-32]。城市中不透水路面改變自然水文過程,上游農(nóng)業(yè)污水、未經(jīng)處理的工業(yè)廢水和生活污水排入河流,引起河流生態(tài)退化,進而導致水質(zhì)惡化[33-34]。城市的擴張和污水處理設(shè)施的不足均會使水體中氮磷含量增加[35-36]。廈門市集美區(qū)2015年為建設(shè)更加宜居的城鄉(xiāng)環(huán)境,拆除違規(guī)違法建筑,新增大量綠化面積；2016年全面啟動農(nóng)村污水治理,實施村莊分散式管理和集中納管工程,有效降低了后溪水體中的營養(yǎng)負荷。我們的研究結(jié)果表明,后溪下游TN和TP濃度在2014—2015年增加明顯,2015—2017年則逐年降低,因此推測,流域綜合治理和河長制政策的落實在提高和改善水質(zhì)方面發(fā)揮了重要作用,有必要繼續(xù)加強保護河流水質(zhì)。

3.2 景觀特征與水質(zhì)的關(guān)系

在經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化背景下,景觀組成和配置的變化改變了地表徑流,從而影響營養(yǎng)物質(zhì)進入水體的方式[37-38],包括農(nóng)田施用的化肥,鄉(xiāng)村生活污水以及城鎮(zhèn)不透水路面污水等。斑塊密度(PD)和香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)常用于量化和評價景觀空間特征和變化過程[39-40]。Shen等指出在森林地區(qū),景觀破碎度小,斑塊密度小,而受人類干擾大的地區(qū),景觀破碎度較高[7]。Huang等指出當各類型土地利用比例越均衡,香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)越高[8]。本研究結(jié)果表明,后溪流域上游土地利用單一,各亞流域70%為林地,PD和SHDI值都較低,下游耕地和建設(shè)用地比例高,PD和SHDI顯著增加,特別是9號站位亞流域土地利用最均衡,PD和SHDI在所有亞流域中最高。許多研究結(jié)果表明PD和SHDI與水質(zhì)均呈顯著正相關(guān)[8,41]。本研究結(jié)果表明,PD和SHDI均與DO呈顯著負相關(guān),與TN和TP呈顯著正相關(guān)。因此減少景觀破碎化和提高林地比例有助于改善水質(zhì)。

“源”景觀和“匯”景觀的空間分布對水質(zhì)有不同的影響作用[42],林地是主要的匯景觀,而耕地和建設(shè)用地是主要的源景觀。孫然好等人對海河流域的研究發(fā)現(xiàn)源匯景觀指數(shù)越大,流域出口的非點源污染物濃度越大,源匯景觀指數(shù)(LWLI)與TN呈顯著正相關(guān)[14]。同時,流域內(nèi)的地形特征和坡度會對營養(yǎng)物的輸送過程產(chǎn)生影響,緩坡能減緩徑流而滯留營養(yǎng)物質(zhì),使得進入河流的營養(yǎng)物減少；陡坡會促進徑流更快的進入河流水體,有利于輸送更多的營養(yǎng)鹽和泥沙[6,43]。本研究結(jié)果表明,基于距離、高程和坡度的源匯景觀指數(shù)均與DO呈負相關(guān),與TN和TP呈正相關(guān),表明源景觀對水質(zhì)的影響比匯景觀更大,進而導致水質(zhì)惡化。通過源景觀與匯景觀視角,可揭示污染物來源的主要景觀分布特征,有助于制定可行的水質(zhì)保護與管理方案[37]。

3.3 景觀特征對水質(zhì)的綜合影響

4 結(jié)論

(1)后溪的水質(zhì)特征沿城鄉(xiāng)梯度有較大差異,上游和下游溶解氧(DO)分別符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838-2002)》Ⅱ類標準和Ⅴ類標準?？偟?TN)和總磷(TP)有不同程度的超標。2013年至2017年水體氮磷含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。

(2)后溪流域上游土地利用類型以林地為主,下游是主要的農(nóng)田和城鎮(zhèn)分布區(qū),呈現(xiàn)明顯的城鄉(xiāng)梯度。下游景觀破碎度高,斑塊密度(PD)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和源匯景觀指數(shù)(LWLI)均顯著高于上游。

(3)林地、耕地和建設(shè)用地是影響水質(zhì)的主要土地利用類型,斑塊密度、香農(nóng)多樣性指數(shù)和基于距離、高程、坡度的源匯景觀指數(shù)與水質(zhì)也顯著相關(guān)。景觀特征對TN和TP的影響為濕季大于干季,而對葉綠素a(Chl a)的影響為干季大于濕季。景觀特征在干季和濕季分別解釋了78.6%和74.0%的水質(zhì)變化。

(4)土地利用組成對Chl a的影響較大,而景觀指數(shù)則對TN和TP的影響較大?？傮w而言,城鎮(zhèn)化背景下的源景觀可提高水體中TN、TP和Chl a濃度,而降低了DO濃度。