流域城鎮(zhèn)化格局與河流氮磷的空間關(guān)系

摘要：流域景觀格局對河流氮磷污染物的發(fā)生、遷移和轉(zhuǎn)化的有重要影響，人類活動干擾加劇了河流氮、磷污染的季節(jié)性變異，使河流污染的復(fù)雜性、隨機(jī)性、空間分異明顯。為探究流域城鎮(zhèn)化格局對河流季節(jié)性變化中氮磷的空間分異的影響，研究基于天津于橋水庫流域近4年33個點(diǎn)的定位監(jiān)測，采用冗余分析、地理加權(quán)回歸模型等方法，定量分析了景觀格局組成及景觀結(jié)構(gòu)特征與河流氮磷污染的空間響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，城鎮(zhèn)用地比例（Red%）、不透水面指數(shù)（ISA）對水質(zhì)指標(biāo)TN、TP的解釋度最為顯著（p<0.01），Red%與TN、TP正相關(guān)子流域集中分布于高城鎮(zhèn)化聚集區(qū)域，ISA與TN、TP正相關(guān)子流域集中于不透水面擴(kuò)展較快的山區(qū)村鎮(zhèn)，兩個指數(shù)能較好地反映氮磷的空間分異。探究因子對流域水質(zhì)空間分異的影響，對評價和控制河流非點(diǎn)源污染排放具有重要意義。

關(guān)鍵詞：氮磷污染;冗余分析;地理加權(quán)回歸;回歸系數(shù)

中圖分類號：X52? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）07-0-03

Abstract：The landscape pattern of the river basin had an important impact on the occurrence， migration and transformation of nitrogen and phosphorus pollutants in the river. Human activities aggravated with the seasonal variation of nitrogen and phosphorus pollution in the river. In order to explore the influence of basin urbanization pattern on spatial differentiation of nitrogen and phosphorus in seasonal changes of rivers， in this paper， based on the location monitoring of 33 points in the Yuqiao reservoir watershed of Tianjin in recent 4 years， the spatial response relationship between the composition of landscape pattern and the characteristics of landscape structure and the nitrogen and phosphorus pollution in the river was quantitatively analyzed by means of redundancy analysis and geographic weighted regression model.Results showed that the urban land scale （Red %）， opaque surface index （ISA） on the water quality indexes of TN and TP explained the most significant （p < 0.01）， Red % and TN， TP was related to watershed concentration distribution in the high concentrated areas of urbanization， The positive correlation between ISA and TN and TP was concentrated in the mountainous villages and towns with fast expansion of impervious water surface， two index can well reflect the spatial differentiation of nitrogen and phosphorus. It is of great significance to explore the influence of factors on spatial differentiation of water quality in river basin for evaluation and control of non-point source pollution discharge.

Key words：Landscape pattern; Redundancy analysis;Geographically weighted regression;Nitrogen and phosphorus pollution

河流作為流域景觀的組成部分之一，其水環(huán)境狀況的改變與流域景觀格局密切相關(guān)。流域內(nèi)的景觀格局對其生態(tài)水文過程產(chǎn)生深刻影響一些研究表明部分景觀指數(shù)能夠預(yù)測水質(zhì)的變化，對于水質(zhì)監(jiān)測、流域管理等具有重要意義。人類的不合理排放使得水體中的氮、磷等物質(zhì)富集，造成水體富營養(yǎng)化，從而加劇河流水質(zhì)惡化。目前，對景觀結(jié)構(gòu)與流域水質(zhì)耦合關(guān)系的研究已在多個流域展開，然而，水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系方面仍存在不確定性，對城鎮(zhèn)化流域水質(zhì)影響的空間關(guān)系還需要進(jìn)一步的研究。對景觀格局對河流水質(zhì)污染空間分異影響的定量分析，基于統(tǒng)計學(xué)分析的研究較為廣泛，如相關(guān)分析、主成分分析、傳統(tǒng)線性回歸等，這些方法是基于全局統(tǒng)計的方法，要求影響因素不隨空間位置變化而變化。運(yùn)用空間地理加權(quán)回歸（GWR）通過將數(shù)據(jù)的空間位置嵌入到回歸參數(shù)之中，以探索顯著因子與因變量在空間范圍內(nèi)的變化關(guān)系，有效地解決了空間非平穩(wěn)性的問題。學(xué)者利用GWR模型用于分析土地利用結(jié)構(gòu)對流域水質(zhì)污染影響，但并未探討景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)對水質(zhì)污染空間影響。需要在景觀結(jié)構(gòu)以及景觀組成對流域水質(zhì)空間影響方面展開更深入的研究。

天津于橋水庫流域水質(zhì)狀況直接影響到天津市工農(nóng)用水和生活飲用水。隨著城鎮(zhèn)化水平的發(fā)展，不合理的排放造成的水體富營養(yǎng)化已影響到居民飲水安全。本文基于天津于橋水庫流域近4年33個點(diǎn)的定位監(jiān)測，探討景觀格局對豐水期和枯水期流域水質(zhì)影響的顯著性以及在空間的非平穩(wěn)分布，力圖為流域規(guī)劃和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域

選取于橋水庫流域（39°56′N～40°23′N，117°26′～118°12′E）位于天津市薊縣城東，其中80%分布在河北省遵化市，總面積約2060km2。地形西北部為山區(qū)，中部為平原，南部為丘陵和低山。流域?yàn)闇貛Т箨懠撅L(fēng)型半濕潤氣候，降水集中在7-8月。村鎮(zhèn)在流域附近分布，養(yǎng)殖、農(nóng)田、工廠及產(chǎn)生的生活垃圾會直接或間接影響著流域的水質(zhì)。根據(jù)河網(wǎng)和地形特征，將流域集水區(qū)劃分成33個子流域（圖1）。且子流域集中于流域中上部，研究區(qū)不受引灤河道的影響。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 水質(zhì)數(shù)據(jù)

在子流域河流出水口各設(shè)置1個采樣點(diǎn)，每次取樣500mL。綜合考慮流域內(nèi)富營養(yǎng)化特征，選擇總氮（TN）、總磷（TP）作為水質(zhì)指標(biāo)，水質(zhì)測試參照GB3838 - 2002 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，TN 采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB11894 -89），TP采用鉬酸銨分光光度計測定（GB11893 - 89）。

2.2 因子選取

選取景觀多樣性指數(shù)（SHDI）、蔓延度指數(shù)（CON）、最大形狀指數(shù)（LSI）、邊界密度（ED）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、斑塊密度（PD）并在Fragstats4.2軟件計算。利用2015年8月美國陸地衛(wèi)星 Landsat8遙感影像解譯獲得于橋水庫流域土地利用數(shù)據(jù)，將流域土地利用類型劃分為林地、城鎮(zhèn)居民用地、園地、裸地、灌草地和耕地6種類型[4]。計算不透水面，本文以2013 年流域路網(wǎng)0.5 km 的范圍內(nèi)做緩沖區(qū)，采用情景分析法，提取路網(wǎng)緩沖區(qū)不透水面的變化情況。采用光譜混合分析（ SMA） 計算混合像元中不同地類的組成比例，將空間數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加歸一化后最終得到不透水表面指數(shù)（ ISA） ，并且對ISA數(shù)值區(qū)間采用密度分割，按ISA 數(shù)值大小分為1～ 9 個等級[8]。

3 結(jié)果與討論

3.1 水質(zhì)指標(biāo)變化的主導(dǎo)因素分析

由冗余分析中RDA線性排序可知（圖2），不透水面指數(shù)（ISA）、城鎮(zhèn)比例（Red%）、裸地比例（Bare%）、耕地比例（Cul%）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）與水質(zhì)指標(biāo)呈正相關(guān)，與TN、TP夾角小于90°;林地比例（For%）、草地比例（Gra%）與水質(zhì)指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，與TN、TP的夾角大于90度°。Red%、For%作為流域內(nèi)占比較大的土地利用類型，對氮磷的輸出有著很大的影響，Tu等和Chen等在研究流域水質(zhì)影響中證明了這一點(diǎn)。其中ISA與Red%對水質(zhì)影響程度最大，箭頭長度最長（p<0.01），表明這兩個因子能更好地反映水質(zhì)的輸出。居民活動區(qū)產(chǎn)生的污染物隨著不透水面排放到河流中，使河流氮磷富集。

3.2 顯著因子對水質(zhì)影響的空間分異

選取ISA、Red%分別與TN、TP構(gòu)建的地理加權(quán)回歸模型（圖3），模型由回歸系數(shù)可知，ISA和Red%對TN、TP的影響均為正相關(guān)，且回歸系數(shù)在空間上的分布存在異質(zhì)性，回歸系數(shù)變化范圍從2.18變化到40.48，ISA、Red%對水質(zhì)指標(biāo)的影響程度隨空間位置變化而變化。

從回歸系數(shù)在空間上的分布可知，Red%與TN構(gòu)建的GWR模型回歸系數(shù)變化范圍為6.46到15.93，影響大的地方集中在城鎮(zhèn)化程度較高的地區(qū)（系數(shù)大于12.58）;Red%與TP構(gòu)建的GWR模型回歸系數(shù)變化范圍為2.17到3.13，影響大的地方同樣集中在城鎮(zhèn)化程度較高的地區(qū)（系數(shù)大于2.62）。且Red%對TN影響的回歸系數(shù)在空間的變化大于TP，對TN的影響的空間異質(zhì)性較強(qiáng)。城鎮(zhèn)較為集中的區(qū)域人類活動密集，畜禽廢棄物及一些生活垃圾通常隨意堆放，易被帶入徑流中。

ISA與TN構(gòu)建的GWR模型回歸系數(shù)從6.34變化到40.47，與TN 呈現(xiàn)正相關(guān)，ISA與TP構(gòu)建的GWR模型回歸系數(shù)從2.49變化到7.10，與TP呈現(xiàn)正相關(guān)。近年來，于橋水庫流域不透水面面積沿子流域路網(wǎng)呈現(xiàn)“填充式”增長，流域路網(wǎng)增加帶來不透水面的快速擴(kuò)展，在不透水面向山區(qū)擴(kuò)展的過程中，不透水面的分布成為山區(qū)村鎮(zhèn)TN的主要因素。

4 結(jié)論

為控制河流氮磷污染，保護(hù)流域生態(tài)環(huán)境，本研究立足城鎮(zhèn)化發(fā)展較為迅速的區(qū)域—天津于橋水庫上游流域，對區(qū)內(nèi)河流氮磷流失進(jìn)行分析，并基于冗余分析，探測了景觀格局對氮磷流失的驅(qū)動力。不透水面指數(shù)（ISA）、城鎮(zhèn)比例（Red%）對水質(zhì)指標(biāo)影響較為顯著。Red%、ISA對TN、TP影響存在空間差異，城鎮(zhèn)的分布對TN、TP影響顯著，流域城鎮(zhèn)化的發(fā)展，已然成為河流氮磷污染輸出的主要因素。分析不同子流域在不同時期氮磷的主要影響因素能幫助我們更好地因地制宜，因時制宜，更有效地控制流域點(diǎn)源、非點(diǎn)源污染，從而改善水質(zhì)環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1]陳利頂，傅伯杰，張淑榮，等.異質(zhì)景觀中非點(diǎn)源污染動態(tài)變化比較研究[J].生態(tài)學(xué)報，2002（06）：808-816.

[2]陳強(qiáng)，朱慧敏，何溶，等.基于地理加權(quán)回歸模型評估土地利用對地表水質(zhì)的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2015（05）：1571-1580.

[3]韓黎陽，黃志霖，肖文發(fā)，等.三峽庫區(qū)蘭陵溪小流域土地利用及景觀格局對氮磷輸出的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2014（03）：1091-1097.

[4]張亞娟，李崇巍，胡蓓蓓，等.城鎮(zhèn)化流域“源-匯”景觀格局對河流氮磷空間分異的影響——以天津于橋水庫流域?yàn)槔齕J].生態(tài)學(xué)報，2017（07）：2437-2446.

[5]XuQ，DongY，WangY，etal.DeterminantsandidentificationofthenorthernboundaryofChinastropicalzone[J].JournalofGeographicalSciences，2018，28（1）：31-45.

[6]TuJ.SpatialVariationsintheRelationshipsbetweenLandUseandWaterQualityacrossanUrbanizationGradientintheWatershedsofNorthernGeorgia，USA[J].EnvironmentalManagement，2013，51（1）：1-17.

[7]ChenQ，MeiK，DahlgrenRA，etal.Impactsoflanduseandpopulationdensityonseasonalsurfacewaterqualityusingamodifiedgeographicallyweightedregression[J].ScienceofTheTotalEnvironment，2016，572：450-466.

[8]謝慧君，李崇巍，張亞娟，等.城鎮(zhèn)化過程中流域不透水面演變格局——以天津于橋水庫流域?yàn)槔齕J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2016（04）：1069-1076.

收稿日期：2019-05-16

作者簡介：張海艷（1994-），女，漢族，研究生二年級，研究方向?yàn)榫坝^生態(tài)學(xué)。