南寧市湖庫型飲用水源景觀結(jié)構(gòu)與涵養(yǎng)功能關(guān)系耦合優(yōu)化

黃良美,陳 蓓,田 艷,黃 寧,黎 寧

廣西壯族自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測中心站, 南寧 530028

岸邊帶生態(tài)系統(tǒng)研究對飲用水資源可持續(xù)的合理開發(fā)利用與水環(huán)境規(guī)范、精確管理具有重要意義[1]。國內(nèi)外飲用水源相關(guān)研究多見報道,如飲用水源的水質(zhì)狀況、污染成因、生態(tài)安全、健康風(fēng)險、等級分類及其演變規(guī)律和評價方法等[2- 7],對水源地水體特征污染物、有毒有害物質(zhì)、微生物和沉積物輻射[3,5,8- 13]也進行了深入系統(tǒng)檢測分析,另外,基于水質(zhì)模型、GIS技術(shù)、多元分析方法、信息熵、同位素示蹤法對水質(zhì)進行評價、診斷、預(yù)測和預(yù)報[2,6-10,14]的研究受到重點關(guān)注。受我國飲用水源水質(zhì)達標化管理和環(huán)境質(zhì)量目標改善的環(huán)境保護政策引導(dǎo),流域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)有機整合、主體功能區(qū)規(guī)劃、生態(tài)紅線劃分、國土空間格局重構(gòu)及其土地利用方式優(yōu)化、景觀格局驅(qū)動、水質(zhì)多媒介關(guān)聯(lián)、生態(tài)供需水量平衡、水源涵養(yǎng)分區(qū)及過程管制等研究[15-18]正成為新的興趣熱點。研究對當前飲用水安全問題的解決提供了有益探索和實踐。

目前,對飲用水源涵養(yǎng)功能與景觀格局、水資源、水環(huán)境質(zhì)量、污染物排放間同時進行綜合定量分析及其關(guān)系耦合的研究報道較少。而我國飲用水源存在水源單一、水質(zhì)超標、清潔供水不足、生態(tài)破壞、標準化建設(shè)與規(guī)范化管理落后等問題,水環(huán)境保護、水污染防治和水供需不平衡等壓力很大,建立健康持續(xù)的飲用水安全保障體系尤為迫切。飲用水安全保障體系的建立需要長遠的飲用水源功能規(guī)劃、嚴格的保護區(qū)劃定、精準的水量水質(zhì)管理和科學(xué)的水源地結(jié)構(gòu)功能調(diào)整與優(yōu)化配置,從而為保障水源涵養(yǎng)功能和實現(xiàn)水質(zhì)達標奠定扎實基礎(chǔ)。我國《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ T338—2007)、《集中式飲用水水源地規(guī)范化建設(shè)環(huán)境保護技術(shù)要求》(HJ773—2015)和《水源涵養(yǎng)林建設(shè)規(guī)范》(GB/T26903—2011)實施對飲用水源水質(zhì)安全和水源涵養(yǎng)起到了積極的規(guī)范化約束和標準化參考作用,但在實踐過程中存在“過度保護”和“保護不足”的問題；另外,在森林水源涵養(yǎng)功能的邊界界定和計量方法方面也有不足之處。解決這些問題一方面需要全面掌握當?shù)氐牡乩砦恢?、水文、氣象、地質(zhì)特征、水動力特性、水域污染類型、污染特征、污染源分布、排水區(qū)分布、水源地規(guī)模、水量需求等情況,另一方面需要精確計算水源涵養(yǎng)功能的植被類型、持水量大小及其最小覆蓋面積,以耦合優(yōu)化飲用水源景觀結(jié)構(gòu)與涵養(yǎng)功能的數(shù)量關(guān)系。

南寧市雖然水系發(fā)達,但飲用水資源利用單一性特點突出,嚴重依賴河流型水源,湖庫型水源的標準化建設(shè)和規(guī)范化管理還不夠完善,存在生態(tài)破壞及工業(yè)、交通、養(yǎng)殖、生活污染等問題,歷史上發(fā)生過2起水庫環(huán)境污染事故。為有效管理飲用水資源利用、污染防治和生態(tài)修復(fù),保障水質(zhì)安全,開展南寧市湖庫型飲用水源景觀格局和水源涵養(yǎng)功能關(guān)系耦合優(yōu)化的基礎(chǔ)性研究和調(diào)查極為必要和迫切。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

南寧市位于107°45′—108°51′E、22°13′—23°32′N之間,南北長201 km,東西寬234 km,建成區(qū)土地面積約190 km2。南寧地勢東北高西南低,以丘陵為主,平均海拔81 m,最高處為496 m；地形呈以邕江河谷為中心的盆地形態(tài),盆地向東開口,南、北、西三面均為山地圍繞；地貌分平地、低山、石山、丘陵、臺地5種類型。全市共有大、中、小型水庫779座,其中：庫容1×108m3以上的大型水庫5座,1×107m3以上的中型水庫25座,小型水庫749座,總庫容38×108m3,有效庫容16.51×108m3,現(xiàn)狀供水能力23.34×108m3。引水工程3154處,總引水規(guī)模達113.52 m3/s,現(xiàn)狀供水能力7.16×108m3。提水工程3950處,總提水規(guī)模為155.33 m3/s,現(xiàn)狀供水能力11.35×108m3。本研究湖庫型飲用水源主要包括大王灘水庫、鳳亭水庫、屯六水庫、西云江水庫、龍?zhí)端畮?、天雹水庫、東山水庫、峙村河水庫和老虎嶺水庫等9個在用或備用水源地,其空間分布范圍見圖1。

圖1 南寧市9個湖庫型飲用水源分布范圍Fig.1 Study area location of the 9 reservoirs in Nanning city

1.2 研究方法

在評估分析南寧市湖庫型飲用水源景觀格局和水源涵養(yǎng)功能的基礎(chǔ)上,通過建立湖庫型飲用水源取水量與水源涵養(yǎng)持水量的耦合關(guān)系,對湖庫岸邊帶不同林份水源涵養(yǎng)所需最小面積進行分析和優(yōu)化,以探討水源地保護區(qū)、集雨區(qū)和緩沖區(qū)劃分的適宜性；應(yīng)用多元逐步回歸分析方法擬合水源涵養(yǎng)功能與景觀格局、水資源、水質(zhì)、污染物排放間的數(shù)量關(guān)系；用多維尺度分析技術(shù)診斷飲用水源景觀結(jié)構(gòu)、水源涵養(yǎng)功能及其水環(huán)境質(zhì)量的風(fēng)險因子。

1.2.1研究區(qū)邊界劃分

根據(jù)《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ T338—2007)及《南寧市市區(qū)飲用水水源保護區(qū)劃定方案》批復(fù)文件有關(guān)要求,基于2012年9月—12月美國Worldview和德國Rapideye遙感影像數(shù)據(jù),按照“水體—水位線-陸域”的自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)和景觀空間格局理念,參考當前岸邊帶、緩沖區(qū)、生態(tài)交錯帶、生態(tài)屏障等概念[1,18],并考慮后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理與比較上的便利性,以水位線為界,劃分500 m和3 km的2個緩沖區(qū)對南寧市9個湖庫型飲用水源的景觀格局特點及水源涵養(yǎng)功能進行研究。其中水體統(tǒng)一包含于2個緩沖區(qū),以避免《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》中水體的約束性分割和多重性劃定,從而更符合景觀結(jié)構(gòu)整體性觀點。

1.2.2數(shù)據(jù)源及其處理技術(shù)方法

(1)遙感影像預(yù)處理

Rapideye和Worldview遙感影像的平面坐標系統(tǒng)采用1980西安坐標系,橫坐標加帶號；在處理軟件中統(tǒng)一規(guī)定橢球和基準面標準,橢球長、短半軸長分別定義為6378140.0 m、6356755.288 m。投影方式采用高斯-克呂格投影；分帶方式按3°分帶；中央經(jīng)線經(jīng)度為108°。高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準。

參考底圖主要采用源于Google地圖的高分辨率衛(wèi)星影像,投影坐標統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至高斯-克呂格投影坐標系統(tǒng)。正射糾正基于ERDAS遙感圖像處理軟件,利用已有的參考底圖和外業(yè)調(diào)查GPS靜態(tài)實測高精度控制點作為控制資料,引入數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM),對所獲取的高分辨率衛(wèi)星影像進行正射糾正、配準、融合等處理,建立覆蓋全部調(diào)查范圍的數(shù)字正射影像。當影像與基礎(chǔ)底圖采樣間隔均≤1 m時,糾正圖像相對誤差控制在2.0—8.0倍；當至少有一類>1 m時,其相對誤差限差控制在2.0—4.0倍。

(2)遙感影像解譯及其野外核查

采集南寧市區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖件,并將其掃描、配準、矢量化建庫,為生態(tài)遙感解譯及其調(diào)查提供輔助信息。生態(tài)遙感解譯分類系統(tǒng)主要參考2001年國土資源部頒布的《全國土地分類(試行)》分類系統(tǒng)。通過建立南寧市土地利用分類的主要遙感影像解譯標志,設(shè)置解譯判讀圖班大小規(guī)則(Worldview：2 m×5 m,Repideye：20 m×20 m)和精度控制要求,采用ArcGIS軟件完成遙感圖像的內(nèi)業(yè)解譯。

在龍?zhí)端畮旌痛笸鯙┧畮爝x取了24個點位進行核查,一級分類的判讀精度為91.7%,二級分類的判讀精度相對較低,為83.3%。

(3)水質(zhì)監(jiān)測

由于僅天雹水庫、峙村河水庫、老虎嶺水庫、龍?zhí)端畮?、大王灘水庫有歷史性監(jiān)測數(shù)據(jù),且其監(jiān)測項目僅為常規(guī)24項水質(zhì)指標,為了更加全面地掌握9個水庫的水質(zhì)和作為備用飲用水源的條件,在9個飲用水源取水口上游100 m各設(shè)置1個水質(zhì)監(jiān)測斷面,于2013年4月對9個水庫開展水質(zhì)全分析補充監(jiān)測,監(jiān)測項目為《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中表1、表2、表3的108項指標,及透明度、葉綠素,共110項。

(4)數(shù)據(jù)處理方法

主要對遙感解譯數(shù)據(jù)、資料收集與野外調(diào)查數(shù)據(jù)和水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分類、集成與融合等信息綜合與數(shù)理統(tǒng)計分析。

1)水源涵養(yǎng)功能指數(shù)和景觀格局指數(shù)計算

基于遙感解譯的斑塊面積和數(shù)量,根據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ/T192—2014)水源涵養(yǎng)指數(shù)的計算模式測算9個湖庫型飲用水源地在500 m和3 km 2個緩沖帶內(nèi)的綜合水源涵養(yǎng)功能大小。將林地、草地、水體和未利用地歸為自然用地類型,耕地、建設(shè)用地歸為人工用地類型,計算2種緩沖區(qū)和保護區(qū)的有關(guān)自然/人工景觀格局指數(shù)。

水源涵養(yǎng)功能指數(shù)=Nc×(0.45×(0.1×河流面積 + 0.3×湖庫面積 + 0.6×沼澤灘涂面積)+ 0.35×(0.6×有林地面積 + 0.25×灌木林地面積 + 0.15×疏林地和其他林地面積)+ 0.20×(0.6×高蓋度草地面積 + 0.3×中蓋度草地面積 + 0.1×低蓋度草地面積))/總面積,Nc為歸一化系數(shù),Nc=526.7。

自然/人工比(斑塊面積)=(林地+草地+水體+未利用地)÷(耕地+建設(shè)用地)

自然/人工比(斑塊個數(shù))=(林地+草地+水體+未利用地)÷(耕地+建設(shè)用地)

自然/人工比(綜合)=自然/人工比(面積)+ 自然/人工比(斑塊)

斑塊密度=斑塊數(shù)量÷斑塊面積

斑塊比例(數(shù)量)=類型斑塊數(shù)量÷總斑塊數(shù)量

斑塊比例(面積)=類型斑塊面積÷總斑塊面積

2)取水量與水源涵養(yǎng)功能關(guān)系耦合：根據(jù)生態(tài)學(xué)群落樣方、生物多樣性、景觀破碎度的最小面積原理[14-16],假設(shè)南寧市湖庫型飲用水源水資源為滿足南寧市居民生產(chǎn)生活飲用水需求的取水量與森林生態(tài)系統(tǒng)對水源涵養(yǎng)的持水量是一種等式關(guān)系[17-18],根據(jù)廣西森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的測算結(jié)果,和南寧市飲用水源規(guī)劃與劃定方案中確定的取水量,測算出每個水庫不同森林生態(tài)系統(tǒng)類型結(jié)構(gòu)與功能滿足假設(shè)等式關(guān)系的最小面積。

根據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》(LY/T1721—2008),森林生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水量公式：

G調(diào)= 10A(P-E-C)

式中：G調(diào)為林分涵養(yǎng)水量(m3/a)；P為林外降水量,E為林分蒸散量,C為地表快速徑流量(mm/a)；A為林分面積(hm2)。

3)多元回歸分析：設(shè)水源涵養(yǎng)功能指數(shù)為因變量y,分層設(shè)景觀格局、水資源、水質(zhì)和污染物排放等4種類型的影響因子為自變量(x1,x2…xn),共25個,開展多元逐步回歸分析,計算矩陣為9×26,計算軟件為IBM SPSS 20.0。其中,水質(zhì)自變量先用主成分分析法提取2個主成分,計算矩陣9×110,即9個湖庫《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)表1、表2、表3的108項指標和透明度、葉綠素；另外,用《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法》(試行—2012)計算出水質(zhì)綜合污染指數(shù)。

4)主成分分類分析：為推斷飲用水源空間結(jié)構(gòu)與屬性功能耦合關(guān)系,找出內(nèi)在規(guī)律性特點,基于矩陣9×26進行主成分分類分析,生成空間結(jié)構(gòu)與指標屬性間的耦合模型及其成果圖件。主成分分類分析方法本質(zhì)上是一種最優(yōu)尺度上的同質(zhì)性分析技術(shù)[3,8,12],一方面可以起到因子分析和多維尺度分析的降維效果,另一方面又能集成對應(yīng)分析探討品質(zhì)類型多變量關(guān)系的特點,實現(xiàn)多變量多品質(zhì)在維度與空間分布上的最優(yōu)擬合過程。

2 研究結(jié)果

2.1 景觀格局

(1)基質(zhì)特征。表1結(jié)果表明,湖庫景觀的林地、草地、水體、耕地、建設(shè)用地等要素齊全,湖庫岸邊帶主要是水體與林地,其次草地,沿岸的農(nóng)業(yè)用地占一定斑塊數(shù)量,但各湖庫略有差異。9個湖庫主要體現(xiàn)以林地為主要景觀基質(zhì)的特征,其面積比例42.6%—87.3%。其中鳳亭河水庫500 m緩沖區(qū)林地基質(zhì)面積比例達74.3%,水體面積比例19.9%,耕地面積比例4.1%,建設(shè)用地面積比例0.2%,生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)自然穩(wěn)定性較人工干擾性略高的特點,兩者比例為95.8∶4.2。3 km緩沖區(qū)用地類型較500 m有所提高,表明景觀多樣性有所上升,異質(zhì)性提高。龍?zhí)端畮煸? km緩沖帶是唯一呈現(xiàn)以耕地為主要基質(zhì)的水庫,面積比例達52.5%,其自然穩(wěn)定性較人工干擾性低,兩者比例為45.8∶54.2。峙村河水庫500 m緩沖區(qū)是唯一一個呈全自然景觀格局的生態(tài)系統(tǒng),耕地和建設(shè)用地比例極低；該水庫為降低人工干擾性,提高水庫的水源涵養(yǎng)功能,庫區(qū)實施封閉管理和移民搬遷。

表1 南寧市9個湖庫2種緩沖區(qū)景觀要素面積百分比例比較

(2)斑塊特征。比較湖庫型500 m緩沖區(qū)與3 km緩沖區(qū)的斑塊數(shù)量(表2),多呈現(xiàn)水體占優(yōu)的情況。其中,鳳亭河水庫500 m緩沖區(qū)水體斑塊數(shù)占3 km緩沖區(qū)水體斑塊數(shù)的85.8%,同理,工業(yè)用地占80.7%,林地占70.7%,草地占43.8%,農(nóng)業(yè)種植用地占35.6%,居民用地占12.5%。兩者用地類型的斑塊數(shù)量比例表明,500 m岸邊帶一方面林地、水體和草地被開發(fā)占用,另一方面各用地類型較多,存在多種森林結(jié)構(gòu)如闊葉、針葉和經(jīng)濟林,灌木和草本。大王灘水庫岸邊帶各種用地破碎化明顯,隨著往陸域地帶縱深,破碎化下降,這種景觀格局表明大王灘水庫岸邊帶人為活動干擾較強烈。西云江水庫500 m向3 km陸域縱深后水體斑塊基本不再發(fā)生變化,林地變化的空間也較小,居民點分布也變稀,但草地和農(nóng)業(yè)種植用地斑塊數(shù)均有較大的增加。天雹水庫500 m緩沖帶未見有居民點分布,但往3 km縱深后,居地用地增加了11個；同理,工業(yè)用地由1個增加到3個,由此表明天雹水庫景觀破碎化以工業(yè)用地最為明顯。龍?zhí)端畮?00 m岸邊帶未見有居民點分布,往3 km縱深后,居地用地增加了12個。峙村河水庫500 m岸邊帶未見有居民點分布、農(nóng)業(yè)種植用地和工業(yè)用地,往3 km縱深后,居民用地和工業(yè)用地各自增加了5個,農(nóng)業(yè)種植用地增加了33個。

表2 南寧市9個水庫2種緩沖區(qū)斑塊數(shù)量比較

2.2 水源涵養(yǎng)功能

由圖2可知,500 m緩沖帶景觀格局對水源涵養(yǎng)的情況是鳳亭水庫(100)>峙村河水庫(86.1)>屯六水庫(85.3)>西云江水庫(85.2)>老虎嶺水庫(78.4)>天雹水庫(75.1)>東山水庫(53.1)>大王灘水庫(47.4)>龍?zhí)端畮?38.9)。測算結(jié)果與實際岸邊帶調(diào)查情況基本一致,鳳亭、屯六和西云江3個水庫均蓄水量豐富,周邊環(huán)境人為干擾較小,因此,水源涵養(yǎng)功能明顯。大王灘水庫由于曾經(jīng)作為游覽景區(qū)開發(fā),岸邊帶建設(shè)了較多的各類旅游景觀設(shè)施,對水環(huán)境有負面影響。龍?zhí)端畮彀哆厧壳按嬖谳^多環(huán)境問題,種植和養(yǎng)殖排放對水環(huán)境造成明顯水質(zhì)惡化。

9個水庫的3 km緩沖帶中鳳亭河水庫和屯六水庫水源涵養(yǎng)功能大小變化趨勢與500 m相近,但是峙村河水庫、老虎嶺水庫、天雹水庫和龍?zhí)端畮斓乃春B(yǎng)功能較500 m緩沖帶則下降較大,大王灘水庫在3 km緩沖區(qū)尺度上水源涵養(yǎng)功能略有升高。鳳亭、屯六2個水庫水源涵養(yǎng)指數(shù)基本沒什么變化,說明這2個水庫在更大尺度范圍的生態(tài)環(huán)境變化不明顯,呈林地>耕地>建設(shè)用地的景觀格局。大王灘水庫3 km緩沖帶水源涵養(yǎng)功能還略有提升,說明大王灘目前主要是岸邊帶人為活動對水環(huán)境有較大影響。峙村河水庫、老虎嶺水庫、天雹水庫、龍?zhí)端畮炫c西云江水庫3 km緩沖帶水源涵養(yǎng)功能均下降較大,表明水庫受周邊環(huán)境影響較大,目前這些湖庫岸邊帶的500 m水源地保護帶并不足于抵抗周邊環(huán)境開發(fā)帶來的壓力,因此,需對水庫水質(zhì)的面源污染做詳盡調(diào)查與排查,預(yù)防和控制面源上的影響。

圖2 南寧市9個湖庫2種緩沖區(qū)水源涵養(yǎng)功能指數(shù)比較Fig.2 The water conservation function index comparation between the two types of buffer area for the 9 reservoirs,Nanning City

2.3 飲用水源水質(zhì)

飲用水源水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果分析表明,飲用水源生態(tài)環(huán)境好,景觀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,自然/人工百分比例高,水源涵養(yǎng)功能指數(shù)高,飲用水源水質(zhì)就較好。如鳳亭河水庫、屯六水庫、西云江水庫水源涵養(yǎng)指數(shù)排前3位,而水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果均滿足Ⅲ類水質(zhì)標準,水質(zhì)良好。而人為干擾性強的水庫則出現(xiàn)水質(zhì)超標的情況。如大王灘水庫的主要污染因子有溶解氧、石油類、汞、總磷、硒、高錳酸指數(shù)、五日生化需要量、氨氮、化學(xué)需氧量、總氮,其中化學(xué)需氧量、氨氮污染程度較大；龍?zhí)端畮斓闹饕廴疽蜃訛槿芙庋酢⒒瘜W(xué)需氧量?？偟鳛閰⒃u指標因子,污染程度較大,多次出現(xiàn)劣Ⅴ類水質(zhì)。

2.4 水源涵養(yǎng)功能優(yōu)化及其影響因子關(guān)系耦合

2.4.1飲用水源保護區(qū)范圍與水源涵養(yǎng)功能關(guān)系

根據(jù)《南寧市飲用水水源保護區(qū)劃定方案》,湖庫型飲用水源保護區(qū)分為一級保護區(qū)和二級保護區(qū),研究中9個在用或備用水庫型水源的保護區(qū)面積、集雨區(qū)面積與500 m緩沖區(qū)面積、3 km緩沖區(qū)面積見表3。

鳳亭河水庫由于跨市域,在南寧市轄區(qū)的保護區(qū)面積僅14.68 km2,與緩沖區(qū)范圍比較差異很大。另外,大王灘水庫、老虎嶺水庫和峙村河水庫保護區(qū)邊界部分在500 m緩沖區(qū)以外,但差異不明顯。大王灘水庫、龍?zhí)端畮?、西云江水庫和鳳亭河水庫集雨區(qū)面積較3 km緩沖區(qū)面積略偏大?？傮w而言,除鳳亭河水庫跨界保護例外,湖庫型飲用水源保護區(qū)邊界劃定范圍與2種緩沖帶范圍不存在明顯沖突,基本能包括在2種緩沖帶范圍內(nèi)。因此,2種緩沖區(qū)景觀格局和水源涵養(yǎng)功能測算與分析基本能涵蓋保護區(qū)邊界劃定的要求。

表3 南寧市9個湖庫型飲用水源的保護區(qū)、集雨區(qū)及緩沖區(qū)面積

2.4.2飲用水源涵養(yǎng)功能最小面積優(yōu)化

廣西森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能位于0.00—68.53×108m3/a,不同森林類型水源涵養(yǎng)功能調(diào)節(jié)水量：軟闊林5359.35 t hm-2a-1,松樹林2778.86 t hm-2a-1,桉樹林3190.49 t hm-2a-1,杉木林3787.38 t hm-2a-1,石山灌木林1140.00 t hm-2a-1,灌木經(jīng)濟林2727.22 t hm-2a-1,櫟林4746.52 t hm-2a-1,喬木經(jīng)濟林2598.17 t hm-2a-1,竹林4009.08 t hm-2a-1,硬闊葉林4574.81 t hm-2a-1,土山灌木林2645.76 t hm-2a-1。各森林類型所占比例依次是軟闊林38.4%,松樹林14.7%,桉樹林11.3%,杉木林10.5%,石山灌木林5.8%,灌木經(jīng)濟林4.4%,櫟林3.6%,喬木經(jīng)濟林3.2%,竹林3.0%,硬闊葉林3.0%,土山灌木林2.2%。

據(jù)此測算的9個湖庫每種森林類型水源涵養(yǎng)所需的最小面積(表4)表明當前劃定的南寧飲用水源保護區(qū)林地面積只有東山水庫水源涵養(yǎng)功能能滿足年度取水量需求間的關(guān)系；老虎嶺水庫需要將所有林地保證為軟闊葉林和櫟林的前提下,方可滿足取水量需求間的關(guān)系；峙村河水庫則需要林地均為軟闊葉林、櫟林、硬闊葉林、竹林或杉木林。其他6個水庫在現(xiàn)狀前提下均無法滿足水源涵養(yǎng)功能與取水量間的關(guān)系,缺口最大的是鳳亭河和屯六水庫,這兩個水庫為未來發(fā)展戰(zhàn)備水庫,規(guī)劃的取水量為8789.5—17579.5萬m3/a,而保護區(qū)面積劃定并不明確,測算中以劃定方案中確定的水庫正常水位線以外徑向距離為200 m的陸域。其次缺口較大的水庫還有大王灘水庫、西云江水庫、天雹水庫和龍?zhí)端畮臁?00 m緩沖區(qū)與保護區(qū)面積情況基本相似。緩沖到3 km后,鳳亭河與屯六水庫仍然因為取水量巨大,無法滿足水源涵養(yǎng)功能與取水量間的關(guān)系；另外龍?zhí)端畮旌吞毂⑺畮煲矡o法滿足水源涵養(yǎng)功能與取水量間的關(guān)系。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與資料收集,9個水庫以軟闊葉林、櫟林、硬闊葉林、竹林、杉林、桉林、松林、灌木經(jīng)濟林、土山灌木林、喬木經(jīng)濟林的平均水源涵養(yǎng)功能為參照系,大王灘需要105.51 km2的水源涵養(yǎng)區(qū),東山水庫需要3.16 km2,鳳亭河與屯六水庫均需要257.61 km2、老虎嶺水庫和峙村河水庫需要15.83 km2,龍?zhí)端畮旌吞毂⑺畮煨枰?1.10 km2,西云江水庫需要31.65 km2?，F(xiàn)劃定飲用水源保護區(qū)范圍,東山水庫和峙村河水庫基本符合要求,大王灘和峙村河水庫需保護區(qū)均為林地,而不得存在其他商業(yè)類建設(shè)用地和農(nóng)田種植情況下,方可保證水源涵養(yǎng)功能與取水量間的關(guān)系。鳳亭河水庫、屯六水庫和、老虎嶺水庫、天雹水庫、龍?zhí)端畮旌臀髟平畮炀鶡o法滿足要求。

根據(jù)解譯數(shù)據(jù)結(jié)果及現(xiàn)場調(diào)查咨詢情況,部分水庫周邊林地多以桉樹林為主,其中天雹水庫、峙村河水庫、東山水庫、西云江水庫、老虎嶺水庫桉樹林面積占50%—75%。因此以桉樹類型測算的最小水源涵養(yǎng)面積為參照,僅有東山水庫能滿足取水量與水源涵養(yǎng)功能間的關(guān)系。

表4 南寧市9個湖庫型飲用水源涵養(yǎng)水源最小森林面積測算

2.4.3飲用水源涵養(yǎng)功能影響因子多元關(guān)系耦合

多元回歸分析表明,水源涵養(yǎng)功能指數(shù)與水資源量、自然/人工的景觀面積比、景觀斑塊比和綜合比、水質(zhì)主成分因子1、水質(zhì)主成分因子2、水質(zhì)綜合污染指數(shù)、污水排放量、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、總氮和生活垃圾等指標可建立起若干個逐步回歸方程式(表5)。

表5 飲用水源涵養(yǎng)功能及其影響因子的多元回歸分析

y水源涵養(yǎng)功能指數(shù) Water conservation function index；景觀格局x1—x3：x1自然/人工斑塊面積比 Area ratio of the natural and artifical patches、x2綜合比 Total ratio、x3斑塊個數(shù)比 Patches No. ratio of the natural and artifical patches；水資源x1—x4：x1水體面積 Water area、x2水位 Water level、x3集雨區(qū)面積 Catchment area、x4庫容量Reserviors capcity；水質(zhì)x1—x3：x1綜合污染指數(shù) Comprehensive pollutant index、x2主成分因子2 Principal component factor 2、x3主成分因子1 Principal component factor 1；污染物排放x1—x5：x1總氮 Total nitrogen、x2垃圾 Refuse、x3總磷 Total phosphorus、x4廢水 Waste water、x5污染源距離 Distance to the pollutant sources

水源涵養(yǎng)功能與水資源量間,影響水源涵養(yǎng)指數(shù)較大的因子有水體面積和水位,而這兩個因子的乘積就是水資源量；集雨區(qū)面積對水源涵養(yǎng)有弱正相關(guān),而庫容量則對水源涵養(yǎng)呈弱負相關(guān)。水源涵養(yǎng)功能與水質(zhì)間,最大污染指數(shù)影響較大,主成分1次之,而主成分因子1載荷量較大的水質(zhì)指標有高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、陰離子表面活性劑、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、總氮、石油類、硫化物、揮發(fā)酚,這些指標均為水質(zhì)監(jiān)測指標中易檢出或超標的因子。水源涵養(yǎng)功能與景觀指標間,面積比例和斑塊比例均影響明顯,但方向相反,即景觀破碎化不利于水源涵養(yǎng)功能的保持。水源涵養(yǎng)功能與污染物排放量間,主要影響指標是總氮、垃圾、總磷、廢水排放和污染源距離。

對水源涵養(yǎng)功能與各影響因子進行主成分分類分析(圖3),指標屬性方面：集雨區(qū)面積、緩沖區(qū)面積、林地面積、水庫容量、污染物排放量等一般性指標在第一象限；水源涵養(yǎng)指數(shù)、景觀格局指數(shù)、水體面積、水位主要分布在第二象限；景觀格局指數(shù)的緩沖區(qū)自然/人工面積比、污染源距離在第三象限；水質(zhì)主成分1和主成分2、綜合污染指數(shù)等水質(zhì)指標,及斑塊密度分布在第四象限。與之對應(yīng)的大王灘水庫在第一象限；鳳亭水庫和屯六水庫、西云江水庫分布在第二象限；東山水庫老虎嶺水庫、天雹水庫、峙村河水庫分布在第三象限；龍?zhí)端畮旆植荚诘谒南笙蕖?/p>

圖3 湖庫型飲用水源結(jié)構(gòu)與功能多維尺度分析Fig.3 The multidemension scale analysis on the structure and the function of the drinking water sources for the reservoirsWCindex：水源涵養(yǎng)功能指數(shù) Water conservation function index；Landscape x1—x7：x1緩沖區(qū)自然/人工斑塊面積比 The natural and artifical patches area ratio of the buffer zone、x2緩沖區(qū)自然/人工斑塊面積—個數(shù)綜合比 The natural and artifical patches total ratio of the buffer zone、x3緩沖區(qū)自然/人工斑塊個數(shù)比The natural and artifical patches No. ratio of the buffer zone、x4保護區(qū)自然/人工斑塊密度 The natural and artifical patches density of the protected zone、x5保護區(qū)自然/人工斑塊個數(shù)比 The natural and artifical patches density of the protected zone、x6保護區(qū)自然/人工斑塊面積比The natural and artifical patches total ratio of the protected zone、x7保護區(qū)自然/人工面積—個數(shù)綜合比The natural and artifical patches No. ratio of the protected zone；WS x1—x3：x1水體面積 Water area、x2 水位 Water level、x3庫容量Reserviors capcity；Area x1—x5：x1保護區(qū) Protected area、x2 500 m 緩沖區(qū) 500 m buffer zone、x3 3 km 緩沖區(qū) 3 km buffer zone、x4集雨區(qū)Catchment、x5保護區(qū)林地 The forest of protected area；WFactor 1：水質(zhì)主成分因子1 the PCA factor 1 of water quality；WFactor 2：水質(zhì)主成分因子2 the PCA factor 2 of water quality；WPCindex：水質(zhì)綜合污染指數(shù)Pollutional comprehensive index of the water quality；Pollution x1—x7：x1廢水 Waste water、x2化學(xué)需氧量Chemical oxygen demand、x3氨氮 Ammonia nitrogen、x4總磷 Total phosphorus、x5 總氮Total nitrogen、x6垃圾 Refuse、x7污染源距離 Distance to the pollutant sources;○1—9：水庫點位代碼 Reservoirs code,1大王灘水庫、2東山水庫、3鳳亭河水庫、4老虎嶺水庫、5龍?zhí)端畮臁?天雹水庫、7屯六水庫、8西云江水庫、9峙村河水庫

大王灘和龍?zhí)端畮炀植荚谟疫呄笙?影響因子是一般性指標和水質(zhì)指標,呈人工干擾強烈的指標特性,但大王灘目前整治效果較明顯,因此結(jié)構(gòu)自組織的內(nèi)斂機制將其排列到上方的第一象限。鳳亭、屯六和西云江水庫均自然度高,故分布在第二象限,與龍?zhí)端畮斐氏喾刺匦?。東山水庫、老虎嶺水庫、天雹水庫、峙村河水庫景觀本底上是自然度高于人工干擾性,但污染源距離、緩沖區(qū)自然/人工面積比2個自然與人工特性指標的偶然性、靈敏性較強,其不確定影響可能改變本底特性,引起突變事故,即生態(tài)系統(tǒng)自然穩(wěn)定度與調(diào)節(jié)功能很脆弱,抗性低,而易系統(tǒng)崩潰。龍?zhí)端畮熳鳛樗|(zhì)影響最明顯的案例,其自然度最低,污染較嚴重,水質(zhì)呈富營養(yǎng)狀態(tài)。

耦合模型總變量解釋度99%,功能屬性變量解釋度89.2%,空間結(jié)構(gòu)變量解釋度96.6%,為一理想的主分量分類耦合模型。

3 討論

3.1 景觀分類與尺度分析

景觀分析始于景觀分類,常見有土地利用/下墊面、自然/人工、源-匯、生態(tài)界面等分類系統(tǒng)；不同景觀分類延伸的科學(xué)內(nèi)涵及其意義各有特點,又存共性。岳雋等應(yīng)用生態(tài)學(xué)“源-匯理論”分類景觀要素,判定深圳市西部庫區(qū)流域污染物輸入“匯”景觀格局空間變化對水體水質(zhì)有密切關(guān)聯(lián)[13]。趙志軒等[14]探討了自然和人類活動對流域景觀類型、規(guī)模、組成、布局發(fā)生改變的二元驅(qū)動機制,發(fā)現(xiàn)景觀空間梯度變化在過渡地帶波動幅度相對較大；張華兵等[19]將鹽城國家級自然保護區(qū)核心區(qū)劃分為人工管理區(qū)和自然濕地區(qū)兩種模式,對濕地景觀格局驅(qū)動力變化進行分析表明：自然過程如地貌過程和植物群落演替過程等呈連續(xù)性變化,從而導(dǎo)致景觀演變呈帶狀連續(xù)性發(fā)展,人為管理往往使生態(tài)過程的連續(xù)性發(fā)生突變,從而使景觀演變呈多向性特征。為了生物遷移、物質(zhì)流、能量流和信息流在邊界判定和空間動態(tài)數(shù)學(xué)模擬不受系統(tǒng)和尺度限制,Calnasso等提出生態(tài)界面的科學(xué)概念[20],由于生態(tài)界面研究內(nèi)容上注重結(jié)構(gòu)、功能與過程的變異分析和動態(tài)模擬,方法上集成數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)和工程模型的綜合應(yīng)用,正成為引領(lǐng)景觀生態(tài)研究中的興趣熱點,其同義表達則可追溯為邊緣、交錯帶、界面層、梯度、漸變?nèi)?、過渡帶、交界面、邊界和界面等[21]。本研究采用國家規(guī)范標準的土地利用、自然/人工的景觀分類方法,與“源-匯”景觀分類有異曲同工之處,而湖庫岸邊帶又是生態(tài)交錯區(qū)域,具有生態(tài)界面的科學(xué)內(nèi)涵；500 m 和3 km 兩種緩沖帶的自然/人工景觀指數(shù)結(jié)果表明湖庫型飲用水源人工干擾性增強,景觀破碎度就越高,從而影響水體水質(zhì)和水源涵養(yǎng)；部分湖庫應(yīng)根據(jù)“集中與分散相結(jié)合”的最優(yōu)景觀格局原理,在關(guān)鍵地段對“源匯”景觀或自然/人工景觀予以合理配置和協(xié)調(diào)[13-14,22-23]。

尺度是正確理解景觀格局和過程變化的重要范式,極具復(fù)雜性和多樣性,尺度效應(yīng)及其適宜分析是景觀生態(tài)科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)內(nèi)容。尺度常見有空間尺度、時間尺度和方法尺度等類型,如蔡博峰等[22]用半方差分析、尺度方差、小波分析和孔隙度指數(shù)分析等4種尺度算法判定三北防護林地區(qū)的林地景觀空間格局特征尺度約為510—530 km。王小平等[23]用1、2、3、4、5 km等5個緩沖區(qū)尺度對艾比湖區(qū)域景觀格局與水質(zhì)進行關(guān)聯(lián)分析,基于去趨勢分析方法的方差解釋量比較,結(jié)合Bootstrip度量梯度變異的關(guān)鍵區(qū)間,認為4 km緩沖區(qū)景觀格局具有最大的水質(zhì)空間分異解釋能力?；趪绎嬘盟幢Ｗo區(qū)劃分規(guī)范標準,本研究采用500 m和3 km 兩種緩沖區(qū)分析了湖庫型飲用水源景觀格局,但從景觀整體性角度考慮,水體統(tǒng)一包含于緩沖區(qū)內(nèi),則可區(qū)別于規(guī)范標準劃定的一級保護區(qū)和二級保護區(qū)相互間的約束性分割和差別化交錯,而景觀格局分析和水源涵養(yǎng)功能解釋又能滿足于兩種保護區(qū)劃定范圍。劉文竹等[13]對密云水庫小流域不同尺度景觀格局分析認為同一河段不同尺度下,100 m×500 m尺度下的破碎化程度高于100 m×1 000 m尺度,即較長尺度的破碎程度越低,而本研究結(jié)果是500 m較3 km的緩沖區(qū)景觀破碎程度低；結(jié)果相反的原因是一個面向河流,一個面向湖庫,兩者的岸邊帶人類活動對水系依存度不同,河流高于湖庫；另外是南北方氣候和土地利用方式有差異,北方土地耕作強度高,而本研究中500 m緩沖區(qū)均屬于保護區(qū)范圍,僅有一些養(yǎng)殖活動和岸邊帶設(shè)施工程,耕作強度較高者僅在龍?zhí)端畮熘苓叀?/p>

3.2 耦合模式與特征表達

構(gòu)建耦合模型是研究格局-過程相互關(guān)系的重要途徑[24],模型可以充分利用實驗和觀測數(shù)據(jù)并綜合不同時間和空間尺度上的信息提煉規(guī)律或揭示內(nèi)在機制,反演景觀格局特征、生態(tài)過程發(fā)生/發(fā)育狀況和關(guān)鍵環(huán)節(jié),預(yù)測發(fā)展趨勢。通過擬合景觀格局指數(shù)與環(huán)境因子在梯度分析上的最適排序,可以探討景觀梯度格局中驅(qū)動機制、尺度效應(yīng)和影響因子[14]。借鑒水質(zhì)-水量[2]、景觀-水質(zhì)[13- 16,25]的概念模式與方法,本研究基于多元逐步回歸分析和主分量分類分析方法,定性與定量的耦合了水源涵養(yǎng)功能與景觀格局空間結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、水資源和污染物排放等影響因子間模型關(guān)系,擬合/耦合模型集方程解釋、圖形表達、空間與屬性相關(guān)/關(guān)聯(lián)于一體,其中主分量分類分析的變量方差總解釋度[23,25]達99.8%,空間解釋度達96.6%,指標屬性解釋度達89.2%,耦合模型理想。其分析結(jié)果可推斷出天雹水庫、東山水庫和老虎嶺水庫極易由這些相關(guān)性因子引發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性,降低其水源涵養(yǎng)調(diào)節(jié)功能的穩(wěn)定作用；龍?zhí)端畮煲环矫娆F(xiàn)有水源地保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不足以承載水源涵養(yǎng)功能,且景觀格局強烈破碎化,幾無外向型結(jié)構(gòu)整合優(yōu)化空間,另一方面養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)污染面源對水庫水質(zhì)影響嚴重；因此需要優(yōu)化生態(tài)空間[23,26],加強農(nóng)業(yè)污染面源的整治,限制岸邊帶養(yǎng)殖；鳳亭河水庫與屯六水庫功能定位不明確將影響未來飲用水安全保障問題,演生較多的水資源利用與生態(tài)功能錯位情況,尤其是部分地區(qū)水資源先天充沛卻面臨無水可用的情況,出現(xiàn)人為“搶水”行為導(dǎo)致空間性缺水問題[2]需要引起政府及有關(guān)方面的關(guān)注。另外,部分湖庫型水源地周邊桉樹林所占面積比例較高,需要更大區(qū)域的林地保持量才能保障水源涵養(yǎng)的功能；然而,在人地矛盾突出,環(huán)境保護與經(jīng)濟發(fā)展雙重壓力下,劃出更大區(qū)域的做法無疑面臨較大挑戰(zhàn)。

3.3 景觀結(jié)構(gòu)與功能優(yōu)化

通過科學(xué)構(gòu)建生態(tài)源地、生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點等景觀組分,可優(yōu)化景觀格局/結(jié)構(gòu),有效提高景觀效益和穩(wěn)定性,而其關(guān)鍵在于保護核心斑塊源地、提高景觀連通度,如孫賢斌等[26]基于生態(tài)功能評價及其效應(yīng)分析,用最小景觀耗費強度-景觀連通指數(shù)的方法對鹽城濕地生態(tài)景觀格局和服務(wù)功能進行了探索性優(yōu)化。基于水量平衡理論,本研究通過對11種森林類型水源涵養(yǎng)最小面積進行測算以判定和確定現(xiàn)有水源保護區(qū)邊界的適宜度和調(diào)整優(yōu)化空間,提出優(yōu)化現(xiàn)有飲用水源保護區(qū)內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)的林分類型,提高適生軟闊葉林所占比重,以及在湖庫部分水體區(qū)域營造濕地生態(tài)系統(tǒng),從而提高生態(tài)系統(tǒng)、群落和物種的多樣性[1-2,18],增強水質(zhì)凈化能力和涵養(yǎng)功能。從森林生態(tài)學(xué)與造林學(xué)角度看,影響森林水源涵養(yǎng)功能的因素還包括林木水平分布格局、樹種混交、種內(nèi)及種間競爭、多層次垂直結(jié)構(gòu)等因素,因此,有森林生態(tài)學(xué)研究人員基于系統(tǒng)演替理論,提出結(jié)構(gòu)化經(jīng)營森林的水源涵養(yǎng)林空間結(jié)構(gòu)多目標優(yōu)化模型[27],通過目標樹種空間位置更新,慣性因子(林隙)調(diào)整,適應(yīng)度函數(shù)設(shè)置(主要選用混交度、競爭指數(shù)、角尺度、林層指數(shù)、空間密度指數(shù)、開闊比數(shù)作為林木調(diào)整的目標函數(shù)),借助智能粒子群優(yōu)化(PSO)運算,得出目標樹種及其伴生樹種達到理想頂級群落狀態(tài)下的擇伐、補植空間結(jié)構(gòu)單元,使目標樹均質(zhì)性指數(shù)增加,其空間布局趨向合理,從而整體上優(yōu)化林分結(jié)構(gòu),促進生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的健康和穩(wěn)定[18,23,28]。

4 結(jié)論

基于多源數(shù)據(jù)、遙感技術(shù)和多元分析方法,對南寧市湖庫型飲用水源景觀結(jié)構(gòu)與涵養(yǎng)功能關(guān)系耦合優(yōu)化進行了探索性研究,結(jié)論如下：

(1)南寧市湖庫型飲用水源隨著緩沖區(qū)域由500 m向3 km延伸擴展,受人類活動干擾加強,景觀破碎度有所增加,水源涵養(yǎng)功能減弱,形成景觀格局梯度。

(2)南寧市湖庫型水源涵養(yǎng)功能受景觀格局、水資源、水質(zhì)、污染物排放等因子影響,相互之間存在數(shù)量相關(guān)性或關(guān)聯(lián)性,可建立起多重擬合優(yōu)化模型方程；基于主分量分類法的多維尺度耦合模型可揭示當前南寧市湖庫型飲用水源存在問題和面臨壓力。

(3)“最小面積-多維空間耦合”方法的綜合應(yīng)用可優(yōu)化南寧市湖庫型飲用水源景觀結(jié)構(gòu)與水源涵養(yǎng)功能,診斷飲用水源在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、水資源量和水質(zhì)方面的潛在生態(tài)安全與風(fēng)險問題,對當前飲用水源生態(tài)保護與建設(shè)、資源合理開發(fā)與保護、經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、區(qū)域生態(tài)承載能力增強等工作具有借鑒參考意義。

致謝：南寧市規(guī)劃局、南寧市環(huán)境保護局、廣西壯族自治區(qū)林業(yè)勘查設(shè)計院提供相關(guān)研究資料，特此致謝。