京杭運(yùn)河杭州段城市景觀格局對河網(wǎng)水環(huán)境的影響

李 雪,張 婧,于婉晴,范雅雙,李小玉

浙江農(nóng)林大學(xué)林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院,杭州 311300

近年來中國城市化進(jìn)程仍舊在不斷推進(jìn),預(yù)計(jì)在2030年中國城鎮(zhèn)化水平將達(dá)到70.99%[1-2]。城市化進(jìn)程不但改變了原本自然或半自然下墊面的景觀類型和布局,而且改變了自然生態(tài)系統(tǒng)水文和地球化學(xué)循環(huán)過程[3-6]。中國城市水環(huán)境污染形勢嚴(yán)峻,90%以上的城市河流受到不同程度污染,自然過程已經(jīng)基本喪失了對城市水環(huán)境質(zhì)量的調(diào)控能力,人類活動已經(jīng)成為水環(huán)境及水質(zhì)變化的主導(dǎo)要素,城市水環(huán)境的保護(hù)和治理引起了廣泛關(guān)注[7]。人類活動通過改變景觀結(jié)構(gòu)和空間格局,改變了水文過程和徑流路徑,從而影響了污染物的發(fā)生位置、遷移路徑和轉(zhuǎn)化過程,進(jìn)而對河流水環(huán)境產(chǎn)生深刻影響[8-9]。因此,從景觀生態(tài)學(xué)的角度出發(fā),探索景觀內(nèi)不同土地利用及其格局對河流水環(huán)境的影響,可為通過有目的地調(diào)節(jié)人類活動來調(diào)控景觀空間格局、改善其服務(wù)功能提供重要的理論依據(jù)[10-13]。

大量研究表明城市景觀格局對于河流水環(huán)境存在不同程度的影響[14-17]。如Wang等[18]在上海城區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)村不同城市化梯度上應(yīng)用綜合污染指標(biāo)比較了地表水質(zhì)的變化,表明地表水質(zhì)的空間格局取決于城市化水平；Tu[19]在不同城市化梯度上選擇了129個子流域進(jìn)行分析表明土地利用對水質(zhì)的解釋能力隨著城市化程度的不同而變化,如農(nóng)業(yè)用地和居住用地比例與污染物濃度在城市化較低的區(qū)域呈正相關(guān),而在高度城市化區(qū)域卻呈負(fù)相關(guān)；Shen等[20]發(fā)現(xiàn)景觀組成指標(biāo)可解釋46.9%的水質(zhì)變化,而如果加入景觀構(gòu)型指標(biāo),則可以解釋水質(zhì)變化的60.3%,同時類型水平上的景觀指數(shù)對水質(zhì)的預(yù)測比景觀水平上的指數(shù)更為有效；Hasenmuellerd等[21]在農(nóng)村-城市的城鄉(xiāng)梯度帶上發(fā)現(xiàn)洪水事件中城市河流的水質(zhì)特征變異程度更大,可達(dá)農(nóng)村河流水質(zhì)變異幅度的5倍,對環(huán)境質(zhì)量有著較大的負(fù)作用；Deng[22]發(fā)現(xiàn)水質(zhì)與河網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和連通性具有顯著的相關(guān)性,與以城市用地為主的區(qū)域與耕地為主的區(qū)域相比,在很大程度上減弱了這種相關(guān)性,耕地與城市用地的季節(jié)性作用則相反,認(rèn)為河網(wǎng)結(jié)構(gòu)和連通性有利于河流水質(zhì)改善。

總體上,不同的景觀指數(shù)對不同的水質(zhì)指標(biāo)在不同的緩沖區(qū)研究尺度上有著不同的解釋能力。但是,由于景觀的復(fù)雜性和異質(zhì)性,一些共性規(guī)律亟待深入發(fā)掘。景觀格局和水質(zhì)關(guān)系的研究一直是景觀生態(tài)學(xué)的一個熱點(diǎn)和難點(diǎn)[23-25]。不同景觀類型和景觀格局的變化對水質(zhì)的影響存在差異性[26]。

本文以京杭運(yùn)河的起點(diǎn)杭州段及其相通相連河網(wǎng)水系區(qū)域作為研究區(qū),河流總趨勢為南北向[27],南依錢塘江,北至杭州德清邊界,以水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)為中心建立不同寬度的緩沖區(qū),通過計(jì)算景觀格局指數(shù),并與不同的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析、冗余分析等,定量分析不同空間尺度下景觀格局與河流水質(zhì)的關(guān)系,以探討流域景觀空間分布格局對水質(zhì)狀況的影響程度,為建立更為合理的景觀結(jié)構(gòu),改善運(yùn)河水系河流水環(huán)境提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

杭州作為長江三角洲中心城市之一,總面積16850 km2,建成區(qū)面積559.2 km2,常住人口1036萬人,城鎮(zhèn)人口813.26萬人,城鎮(zhèn)化率78.5%[28]。京杭大運(yùn)河是世界上里程最長、工程最大的運(yùn)河,也是最古老的運(yùn)河之一,南起杭州(余杭),北至北京(涿郡),貫通海河、黃河、淮河、長江和錢塘江五大水系,全長約1794 km[29]。杭州是京杭大運(yùn)河的南端起點(diǎn),京杭大運(yùn)河從錢塘江配水自南往北穿越杭州城區(qū),與之相通的河道縱橫,水網(wǎng)發(fā)達(dá),水文過程復(fù)雜多變[27]。運(yùn)河杭州段(圖1)是杭州主城區(qū)水位最低的地表河流,兩側(cè)支流眾多,是市區(qū)各類河水、地表徑流和眾多支流的主要受納水體,城區(qū)與運(yùn)河相連的河道多達(dá)33條(除錢塘江外)[30],每年進(jìn)入運(yùn)河的水量達(dá)到4.5×108m3,對運(yùn)河水質(zhì)產(chǎn)生了巨大的負(fù)面影響[31-32]。另外,運(yùn)河杭州段從中心城區(qū)流經(jīng)城鄉(xiāng)交錯帶,景觀類型復(fù)雜,人類活動強(qiáng)烈,對該區(qū)域河流水環(huán)境具有重要影響。

圖1 京杭運(yùn)河起始杭州段及其河渠水網(wǎng)分布圖Fig.1 Location map of the Hangzhou section of the Beijing-Hangzhou Grand Canal

2 研究方法

2.1 主要數(shù)據(jù)采集及處理

(1)遙感數(shù)據(jù)解譯

以2017年高分二號(GF-2)影像為基礎(chǔ)信息源,依據(jù)京杭運(yùn)河杭州段城市土地利用實(shí)地調(diào)查結(jié)果,將景觀類型劃分為10個類型(表1)；利用GF- 2遙感影像,通過eCognition面向?qū)ο蟮姆诸惙▽b感影像進(jìn)行解譯；在此基礎(chǔ)上,為提高解譯精度和分類的準(zhǔn)確度,消除時間差,結(jié)合2019年谷歌實(shí)時地圖和野外實(shí)地考察,對分類結(jié)果進(jìn)行修改和校正,使得數(shù)據(jù)匹配。通過野外實(shí)地采集的 GPS 定點(diǎn)信息進(jìn)行驗(yàn)證,滿足數(shù)據(jù)分析要求。

表1 京杭運(yùn)河杭州段景觀類型分類標(biāo)準(zhǔn)

通過河網(wǎng)提取、河流分割等步驟,并結(jié)合《浙江省河流手冊》[27]中的流域和河流水系分布圖和杭州市行政邊界,確定研究區(qū)邊界范圍(圖1)。

(2)河流水質(zhì)監(jiān)測

選擇子流域界線相對清晰的支流作為監(jiān)測河流,在匯入上級河道前且不受上一級河道影響的位置進(jìn)行水質(zhì)采樣,共設(shè)置了72個具有代表性的水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)(圖1),基本實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測點(diǎn)在研究區(qū)的均勻分布。分別在2019年3月、7月和11月進(jìn)行了3次水樣采集,采樣選擇當(dāng)月中旬連續(xù)晴天且采樣前三天無降水的時段,以消除降水對監(jiān)測結(jié)果的影響；樣品采集時保證采樣位置處于河流中央且流速較大處,以保證樣品的代表性；水樣儲存于預(yù)先處理過的500 mL聚乙烯瓶中。

2.2 主要研究方法

(1)緩沖區(qū)分析

由于研究區(qū)河渠交織密布,水網(wǎng)發(fā)達(dá),河流人為調(diào)控程度高,水文過程復(fù)雜,河渠水流互通,匯水單元界線不明確,因此,本研究以水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)為中心建立圓形緩沖區(qū),基于緩沖區(qū)分析景觀格局對河流水質(zhì)的影響?？紤]到研究區(qū)位于杭州市的城鄉(xiāng)過渡帶,景觀異質(zhì)性程度極高,在緩沖半徑劃分時采用了200 m和500 m兩種間隔距離,共設(shè)置了8個不同半徑的緩沖區(qū),緩沖半徑依次為100、300、500、1000、1500、2000、2500、3000 m(圖2)。

圖2 基于水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)的圓形緩沖區(qū)劃分Fig.2 Schematic diagram of circular buffer

(2)景觀格局指數(shù)計(jì)算

選擇的景觀格局指數(shù)包括斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、周長—面積分維數(shù)(PAFRAC)、景觀蔓延度指數(shù)(CONTAG)、散布與并列指數(shù)(IJI)、景觀分割度(DIVISION)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和聚集度(AI),以及各景觀類型的面積百分比。通過Fragstats 4.2分別計(jì)算不同半徑緩沖區(qū)內(nèi)的格局指數(shù)。

(3)統(tǒng)計(jì)分析

本文采用了Pearson′s相關(guān)分析法對景觀指標(biāo)和水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析,以探討京杭運(yùn)河杭州段不同尺度緩沖區(qū)上的景觀類型及其空間格局與水質(zhì)的相關(guān)性。一些研究已經(jīng)將Pearson′s相關(guān)分析法作為衡量任何兩個變量之間聯(lián)系強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)[33-34]。為了確定景觀格局與水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系,本文使用冗余分析對景觀格局進(jìn)行分析。為了定量研究京杭運(yùn)河杭州段水質(zhì)變化和景觀格局之間的關(guān)系,因此使用多元逐步回歸分析法來探討京杭運(yùn)河杭州段對不同緩沖區(qū)內(nèi)景觀格局和水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系。

本研究采用SPSS 25.0實(shí)現(xiàn)Pearson′s 相關(guān)分析和多元逐步回歸分析,冗余分析則通過CANOCO 5.0軟件實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)景觀格局分析

京杭運(yùn)河杭州段景觀格局如圖3所示,研究區(qū)總面積1509 km2,其中農(nóng)業(yè)用地和林地是2種主要的景觀類型,分別占研究區(qū)總面積的25.21%和 24.87%,是由于研究區(qū)北部區(qū)域?qū)儆诔青l(xiāng)過渡帶,農(nóng)業(yè)種植用地分布集中,而西部屬于著名的西湖、靈隱寺和西溪濕地風(fēng)景區(qū),人類開發(fā)程度較低,林地成大面積連片分布；居民用地、道路和商業(yè)與工業(yè)用地等建設(shè)用地,分別占研究區(qū)總面積的18.74%、10.05%和9.24%,主要是位于研究區(qū)中南部錢塘江北岸的城市建成區(qū),也是研究區(qū)中人類活動強(qiáng)度最高的區(qū)域；另外,研究區(qū)河網(wǎng)密布、水系發(fā)達(dá),水體面積占到了7.74%。

圖3 京杭大運(yùn)河杭州段景觀格局圖Fig.3 Landscape map of the Hangzhou Section of The Beijing-Hangzhou Grand Canal

人類活動不僅增加了景觀斑塊的種類,而且使得斑塊的形狀更趨于多樣化、復(fù)雜化,從而加劇了景觀的破碎化程度[35]。在整個研究區(qū)尺度上,邊緣密度為129.69 m/hm2,周長—面積分維數(shù)為1.48,景觀形狀指數(shù)為127.46,充分體現(xiàn)了區(qū)域城鄉(xiāng)交錯帶的典型特征,斑塊形狀復(fù)雜多變,斑塊破碎化程度高；散布與并列指數(shù)為78.03,聚集度為67.59,表明研究區(qū)斑塊分布較為分散,聚集程度較低；香農(nóng)多樣性指數(shù)為1.83,說明該區(qū)域景觀類型復(fù)雜多樣,景觀異質(zhì)性高,人類活動強(qiáng)度高低變化明顯。

3.2 不同半徑水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)緩沖區(qū)景觀格局變化

圖4為不同半徑緩沖區(qū)的景觀類型組成比例,可以看出不同緩沖區(qū)內(nèi)景觀組成差異明顯。例如,農(nóng)業(yè)用地所占比例在100 m緩沖區(qū)內(nèi)最低,在300 m緩沖區(qū)內(nèi)最高,說明農(nóng)村近距離沿河兩岸的農(nóng)田分布模式最為廣泛；道路所占比例卻在100 m緩沖區(qū)內(nèi)最高,充分表明了道路與河流堤岸并排相連分布的特征；居民用地比例在500 m緩沖區(qū)內(nèi)最高,表明居民用地在河流周邊地區(qū)分布較廣泛。

圖4 京杭運(yùn)河杭州段不同半徑圓形緩沖區(qū)內(nèi)的景觀類型比例Fig.4 The composition of landscape types at different scales in the Hangzhou Section of The Beijing-Hangzhou Grand Canal

景觀格局指數(shù)隨著緩沖半徑的變化發(fā)生明顯變化(圖5)。斑塊密度(PD)與邊緣密度(ED)具有相同變化趨勢,在1000 m以內(nèi)的緩沖區(qū),均隨著緩沖半徑的增大而降低,且其中在100 m緩沖區(qū)中遠(yuǎn)高于其他緩沖區(qū),但當(dāng)緩沖半徑超過1000 m后僅有小幅波動,基本維持穩(wěn)定,這表明城市河流離岸越近,受人類活動的調(diào)控和干擾就越強(qiáng)烈,景觀破碎化程度越高,特別是在近岸100 m的區(qū)域內(nèi)尤為劇烈。周長—面積分維數(shù)(PAFRAC)和香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)與PD和ED的變化趨勢正好相反,當(dāng)緩沖半徑小于1000 m時呈增加趨勢,高于1000 m后基本穩(wěn)定,這也是由于越靠近河流兩側(cè)的近岸區(qū)域受人類調(diào)控越強(qiáng)烈,使得斑塊形狀規(guī)則簡單,但景觀類型更加豐富多變。散布與并列指數(shù)(IJI)在100 m緩沖區(qū)最高,達(dá)到了76.4%,表明景觀類型的混合程度在鄰接河岸的100 m區(qū)域內(nèi)最高,而在其他緩沖區(qū)則相對穩(wěn)定(68%左右)。聚集度指數(shù)(AI)隨著緩沖半徑的增大而呈逐步降低趨勢,這主要是河流水體和沿河兩側(cè)道路增強(qiáng)了緩沖區(qū)內(nèi)的景觀聚集特征。

圖5 景觀格局指數(shù)隨緩沖區(qū)半徑的變化特征Fig.5 Statistics of landscape level index in different buffer zonesPD：斑塊密度 Patch Density；ED：邊緣密度 Edge Density；PAFRAC：分維數(shù) Perimeter-Area Fractal Dimension；IJI：散布與并列指數(shù) Interspersion and Juxtaposition Index；AI：聚集度指數(shù) Aggregation Index；SHDI：香農(nóng)多樣性指數(shù) Shannon′s Diversity Index

從景觀格局指數(shù)在不同半徑緩沖區(qū)內(nèi)的變化趨勢來看,基于河流監(jiān)測點(diǎn)的100 m和1000 m的緩沖半徑是兩個關(guān)鍵尺度,在100 m緩沖區(qū)內(nèi)人類活動的干擾最為強(qiáng)烈,而這種干擾隨著緩沖半徑增大到1000 m后基本進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),緩沖距離對景觀格局特征的影響不明顯。

3.3 河流水質(zhì)統(tǒng)計(jì)特征分析

京杭運(yùn)河杭州段72個監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)特征如表2所示。氨氮含量在11月份的變幅最大(0.05—8.97mg/L),變異系數(shù)達(dá)到了0.96,從平均值來看,11月最低(1.32 mg/L),3月和7月較為接近,分別為1.71 mg/L和1.77 mg/L；硝氮的平均含量在7月最低(1.14 mg/L),在3月和11月的含量較為接近,分別為1.76 mg/L和1.68 mg/L；總氮含量的平均值在3月(7.57 mg/L)遠(yuǎn)高于7月(3.58 mg/L)和11月(3.45 mg/L)；總磷含量呈逐步降低趨勢?？傮w來看,研究區(qū)河流的氨氮和總氮含量整體處于較高水平,水體污染較為嚴(yán)重。因此,京杭運(yùn)河杭州段水質(zhì)污染主要屬于氮源污染。

表2 水質(zhì)指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)特征

3.4 景觀格局對河流水質(zhì)的影響分析

3.4.1景觀類型與河流水質(zhì)的相關(guān)性分析

通過對72個監(jiān)測點(diǎn)不同半徑緩沖區(qū)內(nèi)的景觀類型比例與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析(表3),可以看出不同的景觀類型對河流水質(zhì)在不同的季節(jié)有著不同的影響。氨氮在汛期(7月)與居民用地和公共設(shè)施用地等建設(shè)用地的相關(guān)性最顯著,同時農(nóng)業(yè)用地也對氨氮有著顯著影響；而在非汛期(3月和11月),氨氮與景觀類型的相關(guān)性較低；氨氮與景觀類型的關(guān)系呈現(xiàn)出了較強(qiáng)的季節(jié)性變化。硝氮與景觀類型的關(guān)系最為密切,其中居民用地在3個時段都與硝氮存在顯著相關(guān)性；農(nóng)業(yè)用地對硝氮的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在非汛期,林地在11月份降雨量較低的情況下對硝氮有顯著的消減作用?？偟渴苌虡I(yè)與工業(yè)用地的影響在3個時段都較為明顯,同時在7月和11月受農(nóng)業(yè)用地的影響顯著,特別是7月份與公共設(shè)施用地的相關(guān)性極為顯著；這也表明了工業(yè)和商業(yè)生產(chǎn)是總氮的主要來源,同時農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也對總氮有重要影響。總磷與景觀類型的相關(guān)性整體較弱,僅3月份與草地和居民用地呈現(xiàn)相關(guān)性。京杭運(yùn)河杭州段河流水質(zhì)的污染源主要來自建設(shè)用地和農(nóng)業(yè)用地。

表3 基于緩沖區(qū)的景觀類型與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性

3.4.2景觀格局與河流水質(zhì)的冗余分析

景觀格局指數(shù)隨緩沖半徑的變化趨勢表明,當(dāng)緩沖半徑大于1000 m時,緩沖區(qū)的景觀格局指數(shù)趨于穩(wěn)定,不再隨緩沖半徑的增大而發(fā)生較大變化,因此,本研究以1500 m緩沖區(qū)為重點(diǎn),基于冗余分析(RDA)量化景觀格局指數(shù)對河流水質(zhì)的解釋能力排序(圖6),圖中各個景觀格局指標(biāo)箭頭與水質(zhì)指標(biāo)箭頭之間夾角小于90 度,兩者關(guān)系為正相關(guān),大于90 度為負(fù)相關(guān),等于90 度則不相關(guān)；兩者之間銳角越小或鈍角越大,則正向或負(fù)向相關(guān)性越強(qiáng)[36]。結(jié)果表明,散布與并列指數(shù)(IJI)與硝氮和總氮在3個月份都呈極強(qiáng)的正相關(guān),表明景觀類型的混合程度越高,河流硝氮和總氮含量也越高；周長—面積分維數(shù)(PAFRAC)、景觀形狀指數(shù)(LSI)和邊緣密度(ED)與硝氮和總氮在非汛期(3月和11月)呈負(fù)相關(guān),在汛期(7月)卻呈明顯正相關(guān),說明相對復(fù)雜的斑塊形狀在非汛期有利于消減河流的硝氮和總氮污染,但在汛期增大了污染物經(jīng)降水沖刷進(jìn)入河流的可能性；聚集度指數(shù)(AI)對水質(zhì)的影響趨勢與形狀指數(shù)相似,斑塊的集中連片分布在非汛期增加了氮源污染,但在汛期有助于氮源污染削弱；香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)在3個時段都與總氮呈明顯正相關(guān),說明景觀類型越復(fù)雜,對河流總氮的影響越大；斑塊密度(PD)與硝氮在非汛期呈顯著負(fù)相關(guān),在汛期成極顯著正相關(guān),城市景觀的破碎化程度在非汛期加劇了河流硝氮污染,但在汛期可以減少大面積連片斑塊被降水沖刷從而有助于減緩硝氮污染?？偭缀吭?個時段與景觀格局指數(shù)的相關(guān)性均較低。

圖6 基于1500 m圓形緩沖區(qū)的景觀指數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)RDA排序圖Fig.6 RDA ordination chart of the area ratio (%) of landscape type and water quality index of 1500 m in circular buffer zoneLSI：景觀形狀指數(shù) Landscape Shape Index

3.4.3景觀格局與河流水質(zhì)的多元逐步回歸分析

(1)景觀類型與水質(zhì)之間的關(guān)系

表4為水質(zhì)指標(biāo)和景觀類型占比之間的多元逐步回歸分析結(jié)果,可以看出各個回歸模型都達(dá)到顯著水平(P<0.05),景觀類型中商業(yè)與工業(yè)用地、居民用地、水體是主要影響水質(zhì)指標(biāo)的類型。在1500 m緩沖區(qū),不同月份的水質(zhì)受到不同景觀的影響。3月,硝氮受到了商業(yè)與工業(yè)用地和農(nóng)業(yè)用地的影響,隨著二者的增加硝氮濃度增加；總氮濃度是隨著商業(yè)與工業(yè)用地的增加而增加,隨著水體增加而減少,說明了城市的排水系統(tǒng)對水質(zhì)指標(biāo)有一定影響；總磷受到了居民用地和草地的影響。7月,氨氮隨著居民用地增加而增加,居民生活對氨氮影響明顯；硝氮隨著公共設(shè)施用地、草地和濕地增加而增加,居民用地的減少而減少；總氮隨著商業(yè)與工業(yè)用地和公共設(shè)施用地增加而增加。11月,氨氮隨著水體的增加而減少；硝氮隨著濕地和居民用地的增加而減少,與商業(yè)與工業(yè)用地則相反；總氮隨著農(nóng)業(yè)用地和商業(yè)與工業(yè)用地的增加而增加。

表4 景觀類型與水質(zhì)的逐步多元回歸分析結(jié)果

(2)景觀格局指數(shù)與水質(zhì)的關(guān)系

逐步多元回歸分析能夠?qū)⒒貧w方程中那些不重要的自變量因子排除,從而建立最佳模型。在1500 m的緩沖區(qū)尺度上,景觀格局指數(shù)與水質(zhì)的逐步多元回歸分析結(jié)果如表5所示。3月,硝態(tài)氮受到景觀指數(shù)IJI的影響,隨著IJI的增加而增加；總氮隨著PAFRAC的增加而減少。7月,氨氮隨著DIVISION的增加而增加,隨著IJI的增加而減少；總氮隨著PAFRAC、IJI、PD、CONTAG和SHDI的增加而增加。11月,氨氮隨SHDI的增加而增加；硝氮隨著CONTAG和IJI的增加而增加；總氮隨著LPI的增加而減少,隨著IJI的增加而增加。

表5 景觀格局指數(shù)與水質(zhì)的逐步多元回歸分析結(jié)果

4 討論

水質(zhì)對于維持健康的河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能至關(guān)重要,自然過程和人為活動的影響使得河流水質(zhì)和環(huán)境健康發(fā)生變化。京杭運(yùn)河杭州段總面積1509 km2,城市景觀和農(nóng)村景觀鑲嵌分布,北部以農(nóng)村景觀為主,中南部為錢塘江北岸城市景觀,西部則為風(fēng)景名勝區(qū),農(nóng)業(yè)用地和林地分別占到了研究區(qū)總面積1/4,居民用地、商業(yè)與工業(yè)用地等建設(shè)用地占40%,水體面積占到了7.74%,河網(wǎng)水系發(fā)達(dá)。本研究表明,京杭運(yùn)河杭州段水質(zhì)污染類型主要是氮源污染,污染源主要來自建設(shè)用地和農(nóng)業(yè)用地。總氮與商業(yè)與工業(yè)用地之間存在著強(qiáng)烈的相關(guān)關(guān)系,這表明建設(shè)用地是京杭運(yùn)河杭州段中氮素的主要來源。有研究表明,農(nóng)業(yè)用地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地是河流水化學(xué)污染的重要來源[37]。城市化進(jìn)程突出表現(xiàn)在大面積的不透水硬表面取代了自然植被為主的透水軟表面,不透水地面增加、綠地和水體景觀減少、景觀破碎和離散化加劇,由此引起了城市景觀格局變化,導(dǎo)致降雨徑流過程發(fā)生了質(zhì)的變化,一定程度上造成了城市水體質(zhì)量下降[38-39],使得城市面臨著愈加交織復(fù)雜的水環(huán)境危機(jī)[38]。同時,城市排水系統(tǒng)干擾了自然排水過程,比如污水管網(wǎng)滲漏、地表水及地下水滲入、污水收集處理后異地排放等[40-42],對河流水質(zhì)影響嚴(yán)重。城市景觀格局對河流氮磷污染物的發(fā)生、遷移和轉(zhuǎn)化產(chǎn)生重要影響,人類活動干擾加劇了河流氮、磷污染,在很大程度上增加了河流污染的復(fù)雜性、隨機(jī)性和空間分異性[43]。本研究從逐步多元回歸分析可以看出,IJI是影響水質(zhì)最重要的景觀格局指數(shù),同時,京杭運(yùn)河1000 m緩沖區(qū)尺度的景觀格局對水質(zhì)影響最為顯著,因此,在加強(qiáng)京杭運(yùn)河杭州段水資源的保護(hù)與管理時,需要重點(diǎn)對此緩沖區(qū)尺度的景觀格局進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整。

景觀空間格局對進(jìn)入河流污染物的吸收和降解過程的影響存在差異性[26],不同土地利用類型對于降雨徑流過程的影響也有所不同[39]。城市景觀格局的水環(huán)境效應(yīng)存在時間尺度性,即在夏季豐水期、春秋季平水期和冬季枯水期對水體污染的影響程度存在差異,例如在珠江、太湖和南京28 處濕地等水體中,豐水期總氮(TN)、總磷 (TP)、化學(xué)需氧量(COD)、葉綠素濃度最高,水環(huán)境污染程度最高[14]。在本研究中京杭運(yùn)河杭州段河流水質(zhì)與PD、ED、LSI、PAFRAC和AI等景觀格局指數(shù)的關(guān)系,在汛期和非汛期差異較大甚至相反,表明降水和徑流等水文過程的關(guān)鍵性作用,而景觀格局對河流水質(zhì)的影響在很大程度上是通過對徑流的空間再分配等水文過程作用于河流水環(huán)境。因此,針對京杭運(yùn)河杭州段的河流水質(zhì)污染防治,需要結(jié)合運(yùn)河兩側(cè)景觀格局,因地制宜通過格局優(yōu)化和空間配置強(qiáng)化城市景觀對污染物的消減和攔截等功能。

5 結(jié)論

本文以京杭運(yùn)河起點(diǎn)杭州段河網(wǎng)水道為研究對象,設(shè)置了72個河網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn),以水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)為中心劃分圓形緩沖區(qū),在分別對該區(qū)域景觀格局和河流水質(zhì)監(jiān)測分析的基礎(chǔ)上,研究景觀類型和景觀格局特征對河流水質(zhì)在不同時期的影響特征,結(jié)論如下：

(1)在研究區(qū)整體尺度上,景觀破碎化程度高,斑塊形狀復(fù)雜多變,景觀類型多樣,異質(zhì)性高,城鄉(xiāng)交錯帶特征典型,人類活動強(qiáng)度高低分化明顯。

(2)在緩沖區(qū)尺度上,景觀格局指數(shù)隨緩沖半徑內(nèi)的變化特征明顯,100 m緩沖區(qū)內(nèi)的格局指數(shù)遠(yuǎn)高于或低于其他緩沖區(qū),而當(dāng)緩沖半徑達(dá)到1000 m以后,格局指數(shù)則相對穩(wěn)定,不再隨緩沖半徑的增加而發(fā)生明顯變化,體現(xiàn)了人類活動沿河流兩側(cè)向外擴(kuò)展的特征。

(3)京杭運(yùn)河杭州段水系的氮源污染物含量整體處于較高水平,氨氮、硝氮和總氮的年均含量分別為1.60、1.53、4.87 mg/L,總磷含量處于低水平,年均值為0.32 mg/L。

(4)景觀類型與河流水質(zhì)的相關(guān)性在不同半徑的緩沖區(qū)內(nèi)表現(xiàn)較為一致,硝氮受景觀類型的影響最為顯著,氨氮僅在汛期與建設(shè)用地和農(nóng)業(yè)用地的相關(guān)性較高,總氮與景觀類型相關(guān)性的季節(jié)性差異最明顯,而總磷與景觀類型的相關(guān)性整體較弱。

(5)城市景觀格局指數(shù)與河流水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性較為明顯,景觀格局指數(shù)對不同的水質(zhì)指標(biāo)在不同的時期具有較好的解釋能力,且同一景觀指數(shù)在汛期和非汛期對水環(huán)境的影響作用差異較大甚至相反,景觀格局在河網(wǎng)密集型城市區(qū)域?qū)恿魉h(huán)境影響的整體利弊還需進(jìn)一步權(quán)衡量化。