土地利用和景观格局对秦岭典型流域水质时空变化的影响

徐国策,赵超志,熊 萍,彭建博,王 波,乔海亮

(1. 西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,西安 710048;2. 陕西交通控股集团有限公司,西安 710068;3. 陕西省林业调查规划院,西安 710082)

0 前 言

20世纪80年代以来,随着中国社会经济的发展,水污染状况日益严重,特别是地表水环境污染成为我国环境问题中一个突出问题,严重影响人民的饮用水安全。丹江流域是南水北调中线的水源区,流域面积和入库流量分别占丹江口水库总控制面积和入库径流总量的70%以上,丹江流域水质的优劣直接影响南水北调中线用水安全和调入区社会稳定[1-2]。保持流域良好的水质对经济发展和社会稳定具有重要意义。近年来,由于人类活动的影响,丹江流域也面临着水质恶化的问题[3-4],提升和保障丹江水源地水质安全刻不容缓。

土地利用对水质的影响一直备受研究学者的关注[5-8]。流域土地利用方式是影响流域水环境质量变化的重要人为驱动力之一。张福平等[9]发现土地利用对水质的影响随着缓冲区增大逐渐减弱,流域近岸带的土地利用对河流水环境质量的影响最大。Ding等[10]分析了土地利用格局对水质的影响,发现耕地、草地是影响流域水质的重要因素。化肥过量的施用导致耕地土壤中氮磷残留量过高,过量养分会随着降雨径流-产沙过程进入河流,造成水质污染。林地和草地植被通过降雨截流、增加土壤入渗、根系固土等方式减少水土流失[11-12],从而降低污染物入河通量。建设用地会产生过量的营养物质和沉积物对水质产生不利影响,不透水的道路和屋顶等增加了污染物的排放渠道[12-13],从而影响地表水的生态特征和稳定性。张军等[14]分析了丹江流域植被格局及径流污染物特征,发现高植被NDVI条件下土壤养分含量较低且养分流失量较小。在人为干扰较小的流域,高NDVI可以反映良好的水质,而在城市面积较大的流域,由于NDVI变化与污染物排放的一致性,NDVI与水质呈负相关[15]。

景观格局对水质有重要影响。Shi等[12]研究表明土地利用结构通常与流域内的水质有关,而景观格局可能是更为敏感的水质预测因子。景观指数常用于分析景观格局与水质关系。景观形状指数(LSI)、最大斑块指数(LPI)、蔓延度指数(CONTAG)、斑块结合度(COHE)、边缘密度(ED)、香浓多样性(SHDI)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)等常被纳入景观格局分析,这些指数从密度、形状、优势和分散性等方面量化了土地利用空间格局信息[5,12,15-16]。Hu等[17]发现景观格局比土地利用比例能够更好解释水质变化。杨强强等[18]发现斑块个数、平均最近邻体距离、聚集度指数对鄱阳湖流域赣江水质水质影响显著。景观格局通过综合水文过程和养分过程,对水质有重要影响。

丹江流域是南水北调中线工程的重要水源涵养区。20世纪90年代以来,为了保护水生态和减少水土流失,政府实施了天然林保护、退耕还林、坡改梯等生态建设工程。了解植被覆盖、土地利用和景观格局变化对水质的影响,对生态文明建设和水质管理至关重要。本文基于丹江流域2009—2015年长时期水质数据,探讨丹江流域水质变化与土地利用、植被覆盖及景观格局的响应关系,揭示丹江流域水质的时空变异特征,明确影响流域水质的主要因素及其对水质的贡献,从而为丹江流域水质保护提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

丹江流域(陕西段)位于陕西省东南部(北纬33°12′～34°11′、东经109°30′～111°1′),总面积约7 551 km2(见图1)。研究区具有亚热带向暖温带过渡的季风气候特征,多年平均气温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。研究区土壤类型以黄棕壤和沙质土为主,地势西北高东南低,土地利用类型可分为林地、草地、耕地和水域,其中林地以针叶林、阔叶林、落叶林、灌木为主,耕地以水稻和冬小麦为主。作为南水北调中线工程的重要水源地,丹江流域(陕西段)的水质质量和安全直接对丹江口水库库区水质产生重要影响。

图1 地理位置

1.2 数据来源与处理

数字高程模型(DEM)数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn),空间分辨率为30 m。归一化差异植被指数(NDVI)数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn),数据系列为2009年1月至2015年12月,空间分辨率为1 km,时间分辨率为10 d。土地利用数据(1∶100 000)来源于中国土地利用数据库,共选取2005、2010年和2015年3期土地利用数据。

丹江3个监测断面的水质数据由陕西省商洛市水文局提供,选取2009—2015年月尺度水质监测数据进行分析。根据中国国家环保局2002年《地表水环境质量标准》,对pH、电导率(EC)、溶解氧(DO)、硝态氮(NN)、总磷(TP)、生化需氧量(BOD5)6类水质参数进行分析,其中现场用HQ 30d测定pH、EC、DO,采用稀释与接种法、比色法和钼酸铵分光光度法分别测定BOD5、NN和TP。为分析时间变化,将5—10月划分为汛期,11月至次年4月划分为非汛期。景观指数选择了景观形状指数(LSI)、最大斑块指数(LPI)、蔓延度指数(CONTAG)、斑块结合度(COHE)、香浓多样性(SHDI)、斑块密度(PD)6个景观指数(见表1)。

表1 景观指数描述

1.3 研究方法

植被覆盖度VC[19]使用公式计算:

(1)

式中:VC为植被覆盖度;NDVImax和NDVImin分别为丹江流域NDVI的最大值和最小值。

冗余分析方法(RDA)是研究水质指标与环境变量(土地利用/景观指数)之间复杂关系的一种有效分析方法[12,15],使用CANOCO 4.5软件进行分析,它能够从统计学角度评价一组变量与另一组多变量数据之间的关系。其优点在于它不仅能够独立保持各个环境变量对水质指标变化的贡献率,而且能够有效地对多个解释变量进行统计检验。箭头之间夹角的余弦值表示两个对应变量之间的相关性,锐角表示两个变量正相关,反之则负相关。

使用FRAGSTATS 4.0软件计算景观指数。水质指标用SPSS软件进行相关性分析和单因素方差分析。使用Mann-Kendall趋势检验计算植被覆盖度的变化趋势,根据趋势检验结果将植被覆盖度变化分为严重退化、轻微退化、稳定不变、轻微改善和明显改善五类。

2 结果与分析

2.1 植被覆盖度及NDVI的变化

2009—2015年丹江流域植被覆盖度空间变化如图2所示。由图2可知,植被覆盖度总体呈改善趋势,其中轻微改善和轻微退化分别占总面积的65.6%和20.6%。流域上游、中游、下游植被覆盖度分别为93%、92%和93%。流域汛期NDVI值远高于非汛期NDVI值(见图3),其中汛期NDVI变异系数小于10%,表现为弱变异性,非汛期NDVI的变异系数介于10%～100%,表现为中等变异性。

图2 2009—2015年丹江流域植被覆盖度的变化趋势

图3 2009—2015年汛期、非汛期NDVI变化

2.2 土地利用类型及数量变化

2015年丹江流域的主要土地利用类型是林地和草地,分别占丹江流域总面积的35.91%和40.92%。耕地占总土地面积21.93%,而建筑用地和水域面积比例较小,分别为1.06%和0.18%。2005—2015年丹江流域的土地利用发生了显著变化(见表2),与2005年相比,耕地、草地、水域分别减少了1.08%、0.11%、16.98%,而林地和建筑用地分别增加了0.68%和6.58%。水域和建筑用地变化幅度较大。从地类去向来看,耕地主要流出到林地、草地和建筑用地,面积为33.73 km2。草地主要流出到耕地,面积为10.16 km2;水域主要流出到林地,面积为1.82 km2。从地类流入来源来看,流入林地的地类主要为草地和耕地,面积为10.01 km2和8.04 km2。流入建筑用地的地类大多为耕地,面积为10.01 km2。总体来看,2005—2015年土地利用变化趋势为耕地、草地减小较小,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类型转移矩阵

2.3 水质参数时空变化特征

丹江流域水质的空间变化和季节变化均有一定差异(见表3和图4)。除DO、NN和BOD5外,EC、pH、TP在流域上、中、下游呈现出显著的空间变化(p<0.05)。中游地区的EC、NN、TP平均值较上游分别高11.62%、9.84%、166.67%,较下游分别高10.57%、2.29%、33.33%。上游pH高于中游和下游地区。汛期和非汛期水质参数存在显著差异(图4)。DO在不同季节差异显著(p<0.05),EC与DO表现出相似的规律,非汛期平均值高于汛期,DO和EC的最低值均出现在汛期上游断面(麻街)。pH值在7.3～8.5,非汛期较高,汛期低。上、中、下游非汛期硝态氮较汛期分别增加了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的在汛期和非汛期变化幅度较小。根据GB 3838-2002《地表水环境质量标准》,汛期和非汛期的DO和BOD5符合Ⅰ类水质标准,TP符合Ⅱ类水质标准。汛期NN符合Ⅳ水质标准。

2.4 流域水质影响因素分析

基于RDA分析了流域的NDVI、土地利用、景观指数对河流水质指标的贡献(见表4和图5)。所选择指标对河流水质的总解释度在67.3%以上,对汛期水质变化的解释量增加了4.2%。NDVI、土地利用和景观配置对河流水质的影响有显著的季节差异。汛期水质变化的主要影响因素有NDVI、LSI、CONTAG、耕地、林地,对汛期水质的解释度分别为7.1%、9.2%、8.4%、9.8%、11.2%。非汛期水质变化的主要影响因素有NDVI、COHE、耕地、林地,对非汛期水质的解释度分别为6.4%、7.3%、10.3%、8.7%。NN和TP是丹河流域的主要污染物。NN、TP与林地、草地成呈相关,与建筑用地、耕地呈正相关。在汛期,BOD5、TP与林地、LSI呈负相关;在非汛期,NN、TP与NDVI呈负相关,与COHE、 CONTAG呈正相关。在排序图中,汛期EC、NN、TP的箭头较长,表明土地利用、景观指数对其影响程度较高。非汛期DO、NN 、TP 、BOD5的箭头较长,表明对其影响程度较高。

表4 基于RDA分析各影响因素对水质影响的解释度

图5 水质与影响因子的RDA排序

3 讨 论

3.1 水质季节性变化

水质指标空间变化和季节变化显著。中游pH显著低于上游和下游,最低出现在汛期中游的丹凤断面,这可能是因为中游段pH值在汛期更加频繁的处于低值。非汛期的DO平均值比于汛期高18%左右,水温是影响溶解氧的主要因素,水温越低溶解氧越高,因此非汛期溶解氧浓度较高[15]。水体EC表征了水体传导电流的能力,与水中含有的无机酸、碱、盐和有机带电胶体密切相关[12]。EC会随离子浓度的增大而增加,反之亦然。EC在汛期出现最低值,最低值为250 μS/cn。汛期降雨量的增大,导致大量的雨水及其形成的径流汇入丹江中,稀释了水体中各离子的浓度[7],导致EC降低。而非汛期的下游段EC较高,非汛期水量补给最少,使水中电离子的浓度相对汛期增大,是EC比汛期偏高的主要原因[20]。

NN在非汛期达到最大值,这与春季时融雪水淋溶了整个冬季枯枝落叶分解物有关。此外,降水和径流的季节性变化对NN浓度也有很大影响。汛期降雨和径流的稀释作用,使得低浓度的NN在汛期更频繁。汛期上游的麻街断面NN平均值小于中、下游,上游耕地少于中、下游,且汛期植物生长也需要消耗一定量的氮元素[21],这也是汛期硝态氮浓度降低的原因之一。上游在汛期TP含量比非汛期降低,中、下游的含量基本稳定,比上游地区增加较大,尤其在汛期变化幅度明显增大。丹江水系中的TP含量与农业用肥和雨水冲刷有直接关系[22-24],磷元素会随森林覆盖率及降雨量的多少而发生季节性变化。上游区域大面积林草地有效拦截了泥沙、吸附和分解污染物[15]。而中、下游植被覆盖相对减少,建筑用地和农业用地面积增加[5],在汛期降雨径流作用下,将土壤中的磷元素直接带入丹江,增大了水中的磷含量。统计期内汛期降雨不均,波动范围大,也是磷含量波动的主要原因。BOD5用来表示水中有机物在微生物的生化作用下氧化分解,使之无机化或气体化时所消耗水中溶解氧的总数量。同一季节各个断面BOD5含量差别不大,但非汛期BOD5相对较大。BOD5的季节性特征表明河流中的生化活性在非汛期开始增加[25-26],说明水质污染较汛期严重。这与非汛期径流补给量少,有机物污染易于集中有关。中游丹凤县是人口居住集中,工业相对发达的地区,生物需氧量相对波动大。

3.2 水质变化的影响因素

2005—2015年丹江流域林地、建筑用地增加,耕地基本没变,草地和水域在减少。本研究表明城市和农业用地对水质有负效应,而森林草地对水质有正效应,这与之前研究一致[9,12,14-15,27]。近年来,随城镇化发展,河流沿岸的城镇化的迅速发展,建筑用地比例不断增加,其中中游(丹凤)地区的建筑用地占比最高且呈增加趋势,丹江下游建筑用地面积也在不断扩大。麻街位于上游,以农业为主,建筑用地变化不大。流域内耕地面积基本保持稳定且略增加。建设用地和耕地对河水养分和泥沙浓度影响很大[5,12],给流域内的水质带来负面影响。

景观空间配置在确定生态过程起着至关重要的作用。LSI反映了景观形状的复杂程度,LSI越小,景观形状越简单。人类活动会影响景观的原有形状,耕地和建筑用地的边界通常笔直而明显,而林草地等自然景观通常具有不规则的形状和边界[12]。在汛期BOD5、TP与LSI呈负相关,表明复杂的景观形状有利于涵养水土减少养分流失[12,28]。COHE与SHDI与水质参数呈正相关,并在冗余分析中对水质有较高的解释量,高连通性和高丰富度的景观对河流水质有不利影响[14-15,29]。NDVI是影响丹河流域水质季节变化的重要因素,NDVI与非汛期NN、TP呈负相关,与汛期NN、TP呈正相关。汛期NDVI变化对水质产生不利影响,这可能是其变化规律与农业活动的变化一致导致[15]。丹江流域的NDVI、农业活动从非汛期到汛期逐渐增加,当非汛期这些活动减少时,NDVI也逐渐减少。此外,考虑到上游段的NDVI增长率最高,上游段的水质也相对较好,尤其是在主要污染物(NN和TP)方面。

4 结 语

丹江水质呈现显著空间和季节变化。土地利用、景观格局和植被覆盖对水质均有影响,各影响因子对水质的贡献也呈季节性变化。水质变化的主要影响因素有NDVI、LSI、COHE、CONTAG、耕地、林地。城市、农业用地以及高连通性和高丰富度的景观对水质有负效应,而森林、草地以及形状复杂的景观有利于涵养水土和减少养分流失。因此,丹江水质管理要综合考虑土地利用、景观格局和植被覆盖对水质季节性变化影响。