土地利用和景觀格局對秦嶺典型流域水質時空變化的影響

徐國策,趙超志,熊 萍,彭建博,王 波,喬海亮

(1. 西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室,西安 710048;2. 陜西交通控股集團有限公司,西安 710068;3. 陜西省林業調查規劃院,西安 710082)

0 前 言

20世紀80年代以來,隨著中國社會經濟的發展,水污染狀況日益嚴重,特別是地表水環境污染成為我國環境問題中一個突出問題,嚴重影響人民的飲用水安全。丹江流域是南水北調中線的水源區,流域面積和入庫流量分別占丹江口水庫總控制面積和入庫徑流總量的70%以上,丹江流域水質的優劣直接影響南水北調中線用水安全和調入區社會穩定[1-2]。保持流域良好的水質對經濟發展和社會穩定具有重要意義。近年來,由于人類活動的影響,丹江流域也面臨著水質惡化的問題[3-4],提升和保障丹江水源地水質安全刻不容緩。

土地利用對水質的影響一直備受研究學者的關注[5-8]。流域土地利用方式是影響流域水環境質量變化的重要人為驅動力之一。張福平等[9]發現土地利用對水質的影響隨著緩沖區增大逐漸減弱,流域近岸帶的土地利用對河流水環境質量的影響最大。Ding等[10]分析了土地利用格局對水質的影響,發現耕地、草地是影響流域水質的重要因素?；蔬^量的施用導致耕地土壤中氮磷殘留量過高,過量養分會隨著降雨徑流-產沙過程進入河流,造成水質污染。林地和草地植被通過降雨截流、增加土壤入滲、根系固土等方式減少水土流失[11-12],從而降低污染物入河通量。建設用地會產生過量的營養物質和沉積物對水質產生不利影響,不透水的道路和屋頂等增加了污染物的排放渠道[12-13],從而影響地表水的生態特征和穩定性。張軍等[14]分析了丹江流域植被格局及徑流污染物特征,發現高植被NDVI條件下土壤養分含量較低且養分流失量較小。在人為干擾較小的流域,高NDVI可以反映良好的水質,而在城市面積較大的流域,由于NDVI變化與污染物排放的一致性,NDVI與水質呈負相關[15]。

景觀格局對水質有重要影響。Shi等[12]研究表明土地利用結構通常與流域內的水質有關,而景觀格局可能是更為敏感的水質預測因子。景觀指數常用于分析景觀格局與水質關系。景觀形狀指數(LSI)、最大斑塊指數(LPI)、蔓延度指數(CONTAG)、斑塊結合度(COHE)、邊緣密度(ED)、香濃多樣性(SHDI)、斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)等常被納入景觀格局分析,這些指數從密度、形狀、優勢和分散性等方面量化了土地利用空間格局信息[5,12,15-16]。Hu等[17]發現景觀格局比土地利用比例能夠更好解釋水質變化。楊強強等[18]發現斑塊個數、平均最近鄰體距離、聚集度指數對鄱陽湖流域贛江水質水質影響顯著。景觀格局通過綜合水文過程和養分過程,對水質有重要影響。

丹江流域是南水北調中線工程的重要水源涵養區。20世紀90年代以來,為了保護水生態和減少水土流失,政府實施了天然林保護、退耕還林、坡改梯等生態建設工程。了解植被覆蓋、土地利用和景觀格局變化對水質的影響,對生態文明建設和水質管理至關重要。本文基于丹江流域2009—2015年長時期水質數據,探討丹江流域水質變化與土地利用、植被覆蓋及景觀格局的響應關系,揭示丹江流域水質的時空變異特征,明確影響流域水質的主要因素及其對水質的貢獻,從而為丹江流域水質保護提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

丹江流域(陜西段)位于陜西省東南部(北緯33°12′～34°11′、東經109°30′～111°1′),總面積約7 551 km2(見圖1)。研究區具有亞熱帶向暖溫帶過渡的季風氣候特征,多年平均氣溫14 ℃,多年平均降水量800 mm,其中7—9月的降水量占全年降水量的46%左右。研究區土壤類型以黃棕壤和沙質土為主,地勢西北高東南低,土地利用類型可分為林地、草地、耕地和水域,其中林地以針葉林、闊葉林、落葉林、灌木為主,耕地以水稻和冬小麥為主。作為南水北調中線工程的重要水源地,丹江流域(陜西段)的水質質量和安全直接對丹江口水庫庫區水質產生重要影響。

圖1 地理位置

1.2 數據來源與處理

數字高程模型(DEM)數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn),空間分辨率為30 m。歸一化差異植被指數(NDVI)數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn),數據系列為2009年1月至2015年12月,空間分辨率為1 km,時間分辨率為10 d。土地利用數據(1∶100 000)來源于中國土地利用數據庫,共選取2005、2010年和2015年3期土地利用數據。

丹江3個監測斷面的水質數據由陜西省商洛市水文局提供,選取2009—2015年月尺度水質監測數據進行分析。根據中國國家環保局2002年《地表水環境質量標準》,對pH、電導率(EC)、溶解氧(DO)、硝態氮(NN)、總磷(TP)、生化需氧量(BOD5)6類水質參數進行分析,其中現場用HQ 30d測定pH、EC、DO,采用稀釋與接種法、比色法和鉬酸銨分光光度法分別測定BOD5、NN和TP。為分析時間變化,將5—10月劃分為汛期,11月至次年4月劃分為非汛期。景觀指數選擇了景觀形狀指數(LSI)、最大斑塊指數(LPI)、蔓延度指數(CONTAG)、斑塊結合度(COHE)、香濃多樣性(SHDI)、斑塊密度(PD)6個景觀指數(見表1)。

表1 景觀指數描述

1.3 研究方法

植被覆蓋度VC[19]使用公式計算:

(1)

式中:VC為植被覆蓋度;NDVImax和NDVImin分別為丹江流域NDVI的最大值和最小值。

冗余分析方法(RDA)是研究水質指標與環境變量(土地利用/景觀指數)之間復雜關系的一種有效分析方法[12,15],使用CANOCO 4.5軟件進行分析,它能夠從統計學角度評價一組變量與另一組多變量數據之間的關系。其優點在于它不僅能夠獨立保持各個環境變量對水質指標變化的貢獻率,而且能夠有效地對多個解釋變量進行統計檢驗。箭頭之間夾角的余弦值表示兩個對應變量之間的相關性,銳角表示兩個變量正相關,反之則負相關。

使用FRAGSTATS 4.0軟件計算景觀指數。水質指標用SPSS軟件進行相關性分析和單因素方差分析。使用Mann-Kendall趨勢檢驗計算植被覆蓋度的變化趨勢,根據趨勢檢驗結果將植被覆蓋度變化分為嚴重退化、輕微退化、穩定不變、輕微改善和明顯改善五類。

2 結果與分析

2.1 植被覆蓋度及NDVI的變化

2009—2015年丹江流域植被覆蓋度空間變化如圖2所示。由圖2可知,植被覆蓋度總體呈改善趨勢,其中輕微改善和輕微退化分別占總面積的65.6%和20.6%。流域上游、中游、下游植被覆蓋度分別為93%、92%和93%。流域汛期NDVI值遠高于非汛期NDVI值(見圖3),其中汛期NDVI變異系數小于10%,表現為弱變異性,非汛期NDVI的變異系數介于10%～100%,表現為中等變異性。

圖2 2009—2015年丹江流域植被覆蓋度的變化趨勢

圖3 2009—2015年汛期、非汛期NDVI變化

2.2 土地利用類型及數量變化

2015年丹江流域的主要土地利用類型是林地和草地,分別占丹江流域總面積的35.91%和40.92%。耕地占總土地面積21.93%,而建筑用地和水域面積比例較小,分別為1.06%和0.18%。2005—2015年丹江流域的土地利用發生了顯著變化(見表2),與2005年相比,耕地、草地、水域分別減少了1.08%、0.11%、16.98%,而林地和建筑用地分別增加了0.68%和6.58%。水域和建筑用地變化幅度較大。從地類去向來看,耕地主要流出到林地、草地和建筑用地,面積為33.73 km2。草地主要流出到耕地,面積為10.16 km2;水域主要流出到林地,面積為1.82 km2。從地類流入來源來看,流入林地的地類主要為草地和耕地,面積為10.01 km2和8.04 km2。流入建筑用地的地類大多為耕地,面積為10.01 km2?？傮w來看,2005—2015年土地利用變化趨勢為耕地、草地減小較小,建筑用地和水域增幅略大,林地略有增加。

表2 2005—2015年丹江流域土地利用類型轉移矩陣

2.3 水質參數時空變化特征

丹江流域水質的空間變化和季節變化均有一定差異(見表3和圖4)。除DO、NN和BOD5外,EC、pH、TP在流域上、中、下游呈現出顯著的空間變化(p<0.05)。中游地區的EC、NN、TP平均值較上游分別高11.62%、9.84%、166.67%,較下游分別高10.57%、2.29%、33.33%。上游pH高于中游和下游地區。汛期和非汛期水質參數存在顯著差異(圖4)。DO在不同季節差異顯著(p<0.05),EC與DO表現出相似的規律,非汛期平均值高于汛期,DO和EC的最低值均出現在汛期上游斷面(麻街)。pH值在7.3～8.5,非汛期較高,汛期低。上、中、下游非汛期硝態氮較汛期分別增加了72.95%、75.37%和51.15%。汛期TP和BOD5高于非汛期,但是上游汛期的TP略低于非汛期,BOD5的在汛期和非汛期變化幅度較小。根據GB 3838-2002《地表水環境質量標準》,汛期和非汛期的DO和BOD5符合Ⅰ類水質標準,TP符合Ⅱ類水質標準。汛期NN符合Ⅳ水質標準。

2.4 流域水質影響因素分析

基于RDA分析了流域的NDVI、土地利用、景觀指數對河流水質指標的貢獻(見表4和圖5)。所選擇指標對河流水質的總解釋度在67.3%以上,對汛期水質變化的解釋量增加了4.2%。NDVI、土地利用和景觀配置對河流水質的影響有顯著的季節差異。汛期水質變化的主要影響因素有NDVI、LSI、CONTAG、耕地、林地,對汛期水質的解釋度分別為7.1%、9.2%、8.4%、9.8%、11.2%。非汛期水質變化的主要影響因素有NDVI、COHE、耕地、林地,對非汛期水質的解釋度分別為6.4%、7.3%、10.3%、8.7%。NN和TP是丹河流域的主要污染物。NN、TP與林地、草地成呈相關,與建筑用地、耕地呈正相關。在汛期,BOD5、TP與林地、LSI呈負相關;在非汛期,NN、TP與NDVI呈負相關,與COHE、 CONTAG呈正相關。在排序圖中,汛期EC、NN、TP的箭頭較長,表明土地利用、景觀指數對其影響程度較高。非汛期DO、NN 、TP 、BOD5的箭頭較長,表明對其影響程度較高。

表4 基于RDA分析各影響因素對水質影響的解釋度

圖5 水質與影響因子的RDA排序

3 討 論

3.1 水質季節性變化

水質指標空間變化和季節變化顯著。中游pH顯著低于上游和下游,最低出現在汛期中游的丹鳳斷面,這可能是因為中游段pH值在汛期更加頻繁的處于低值。非汛期的DO平均值比于汛期高18%左右,水溫是影響溶解氧的主要因素,水溫越低溶解氧越高,因此非汛期溶解氧濃度較高[15]。水體EC表征了水體傳導電流的能力,與水中含有的無機酸、堿、鹽和有機帶電膠體密切相關[12]。EC會隨離子濃度的增大而增加,反之亦然。EC在汛期出現最低值,最低值為250 μS/cn。汛期降雨量的增大,導致大量的雨水及其形成的徑流匯入丹江中,稀釋了水體中各離子的濃度[7],導致EC降低。而非汛期的下游段EC較高,非汛期水量補給最少,使水中電離子的濃度相對汛期增大,是EC比汛期偏高的主要原因[20]。

NN在非汛期達到最大值,這與春季時融雪水淋溶了整個冬季枯枝落葉分解物有關。此外,降水和徑流的季節性變化對NN濃度也有很大影響。汛期降雨和徑流的稀釋作用,使得低濃度的NN在汛期更頻繁。汛期上游的麻街斷面NN平均值小于中、下游,上游耕地少于中、下游,且汛期植物生長也需要消耗一定量的氮元素[21],這也是汛期硝態氮濃度降低的原因之一。上游在汛期TP含量比非汛期降低,中、下游的含量基本穩定,比上游地區增加較大,尤其在汛期變化幅度明顯增大。丹江水系中的TP含量與農業用肥和雨水沖刷有直接關系[22-24],磷元素會隨森林覆蓋率及降雨量的多少而發生季節性變化。上游區域大面積林草地有效攔截了泥沙、吸附和分解污染物[15]。而中、下游植被覆蓋相對減少,建筑用地和農業用地面積增加[5],在汛期降雨徑流作用下,將土壤中的磷元素直接帶入丹江,增大了水中的磷含量。統計期內汛期降雨不均,波動范圍大,也是磷含量波動的主要原因。BOD5用來表示水中有機物在微生物的生化作用下氧化分解,使之無機化或氣體化時所消耗水中溶解氧的總數量。同一季節各個斷面BOD5含量差別不大,但非汛期BOD5相對較大。BOD5的季節性特征表明河流中的生化活性在非汛期開始增加[25-26],說明水質污染較汛期嚴重。這與非汛期徑流補給量少,有機物污染易于集中有關。中游丹鳳縣是人口居住集中,工業相對發達的地區,生物需氧量相對波動大。

3.2 水質變化的影響因素

2005—2015年丹江流域林地、建筑用地增加,耕地基本沒變,草地和水域在減少。本研究表明城市和農業用地對水質有負效應,而森林草地對水質有正效應,這與之前研究一致[9,12,14-15,27]。近年來,隨城鎮化發展,河流沿岸的城鎮化的迅速發展,建筑用地比例不斷增加,其中中游(丹鳳)地區的建筑用地占比最高且呈增加趨勢,丹江下游建筑用地面積也在不斷擴大。麻街位于上游,以農業為主,建筑用地變化不大。流域內耕地面積基本保持穩定且略增加。建設用地和耕地對河水養分和泥沙濃度影響很大[5,12],給流域內的水質帶來負面影響。

景觀空間配置在確定生態過程起著至關重要的作用。LSI反映了景觀形狀的復雜程度,LSI越小,景觀形狀越簡單。人類活動會影響景觀的原有形狀,耕地和建筑用地的邊界通常筆直而明顯,而林草地等自然景觀通常具有不規則的形狀和邊界[12]。在汛期BOD5、TP與LSI呈負相關,表明復雜的景觀形狀有利于涵養水土減少養分流失[12,28]。COHE與SHDI與水質參數呈正相關,并在冗余分析中對水質有較高的解釋量,高連通性和高豐富度的景觀對河流水質有不利影響[14-15,29]。NDVI是影響丹河流域水質季節變化的重要因素,NDVI與非汛期NN、TP呈負相關,與汛期NN、TP呈正相關。汛期NDVI變化對水質產生不利影響,這可能是其變化規律與農業活動的變化一致導致[15]。丹江流域的NDVI、農業活動從非汛期到汛期逐漸增加,當非汛期這些活動減少時,NDVI也逐漸減少。此外,考慮到上游段的NDVI增長率最高,上游段的水質也相對較好,尤其是在主要污染物(NN和TP)方面。

4 結 語

丹江水質呈現顯著空間和季節變化。土地利用、景觀格局和植被覆蓋對水質均有影響,各影響因子對水質的貢獻也呈季節性變化。水質變化的主要影響因素有NDVI、LSI、COHE、CONTAG、耕地、林地。城市、農業用地以及高連通性和高豐富度的景觀對水質有負效應,而森林、草地以及形狀復雜的景觀有利于涵養水土和減少養分流失。因此,丹江水質管理要綜合考慮土地利用、景觀格局和植被覆蓋對水質季節性變化影響。