亞熱帶典型農(nóng)林混合流域河岸帶景觀格局對河流磷輸出的影響

鄧 越， 唐代生， 李裕元， 孟 岑，劉歡瑤， 李 希， 李 情， 吳金水

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院，長沙 410018；2.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410125；3.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 長沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測研究站，長沙 410125；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，長沙 410128)

河岸帶是連接陸地和水體生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵地帶，能夠通過影響河流橫向和縱向的物質(zhì)和能量流進(jìn)而影響流域污染物的遷移輸出，在維持河流水質(zhì)、維護(hù)流域生態(tài)安全方面具有重要意義。然而，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活等人類活動(dòng)影響，河岸帶景觀格局特征發(fā)生改變并成為潛在的非點(diǎn)源污染源區(qū)。因此，明確河岸帶景觀格局對河流水質(zhì)的影響是控制流域非點(diǎn)源污染的重點(diǎn)之一。

景觀格局通過影響流域水文和生物地球化學(xué)循環(huán)進(jìn)而影響P的遷移和釋放。相較于流域尺度，河岸帶作為人類活動(dòng)密集的場所，其景觀格局特征對河流水質(zhì)的影響更為顯著。但是，由于研究區(qū)的異質(zhì)性，河岸帶景觀格局與河流水質(zhì)關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)的空間尺度仍具有很大不確定性。隨著河岸帶空間尺度的變化，景觀組成和配置對水質(zhì)變化的影響機(jī)制和程度也具有顯著差異性。已有研究表明，不同流域河岸帶均存在空間臨界尺度，即景觀格局特征對水質(zhì)變化相關(guān)關(guān)系最大的河岸帶尺度。Shen等研究發(fā)現(xiàn)，景觀格局指數(shù)在300 m河岸帶寬度對水質(zhì)變異的解釋率可以達(dá)到所有空間尺度上最大。此外，已有研究并未進(jìn)一步區(qū)分不同水文季節(jié)的河岸帶空間臨界尺度，尤其在我國亞熱帶丘陵區(qū)，非點(diǎn)源污染物的遷移主要受水文因素驅(qū)動(dòng)，故在不同水文季節(jié)其遷移方式及距離均有所差異。目前，針對河岸帶景觀組成、配置與水質(zhì)變化之間具體關(guān)系的研究還多為定性研究，缺乏對于河岸帶尺度景觀格局關(guān)鍵特征指數(shù)與河流水質(zhì)二者協(xié)同變化的量化，因此有必要識別不同水文季節(jié)對河流水質(zhì)影響最大的河岸帶景觀格局空間臨界尺度，并通過量化的核心景觀指數(shù)來指導(dǎo)河岸帶景觀組合和配置的布局優(yōu)化以緩解流域河流污染狀況。

亞熱帶丘陵區(qū)作為我國重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，生產(chǎn)強(qiáng)度高，同時(shí)水系分布較為密集，水體富營養(yǎng)化問題，尤其是P污染問題較為嚴(yán)重。同時(shí)，由于亞熱帶丘陵區(qū)流域內(nèi)景觀格局特征存在較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，不同河岸帶尺度的土地利用類型及景觀格局特征有顯著差異。因此，本研究以亞熱帶丘陵區(qū)典型農(nóng)林流域?yàn)檠芯繉ο?，基于不同水文季?jié)河流P濃度變化特征，識別對河流P濃度變化關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)、解釋度最高的河岸帶尺度。同時(shí)，篩選關(guān)鍵核心景觀指數(shù)，量化導(dǎo)致河流P濃度突變的核心景觀指數(shù)變化區(qū)間，以期為改善亞熱帶丘陵區(qū)河流P污染狀況的河岸帶景觀格局規(guī)劃提供一定科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)金井河流域位于湖南省長沙縣金井鎮(zhèn)(27°55′—28°40′N，112°56′—113°36′E)，為洞庭湖支流撈刀河的上游。研究區(qū)屬于典型亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均降水量1 200～1 500 mm，降水主要集中在4—10月，年均氣溫17.2 ℃。區(qū)內(nèi)地勢北高南低，海拔56.0～434.8 m，土壤為由花崗巖發(fā)育的紅壤。

流域土地利用方式以林地、農(nóng)田、居民地為主，林地屬中亞熱帶常綠闊葉林，主要分布于山頂和比較陡的山坡上，優(yōu)勢樹種為馬尾松()、杉木()和油茶()。農(nóng)田主要分布在河谷和河漫灘等低洼平緩地帶。種植作物主要是雙季稻，稻田年施肥量折合純P為70 kg/(hm·a)。流域內(nèi)水稻種植期為4—10月，11月至翌年3月為休耕期。流域內(nèi)畜禽養(yǎng)殖以家庭散養(yǎng)為主。多數(shù)村鎮(zhèn)無集中污水處理設(shè)施，人畜糞便經(jīng)化糞池或沼氣池處理后直排入河流。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)各流域河道兩側(cè)多為人工漿砌石或雷諾護(hù)坡，根據(jù)研究目標(biāo)和流域特征，在研究區(qū)8個(gè)子流域河道出口(匯流前端)斷面處設(shè)置長期水質(zhì)監(jiān)測采樣點(diǎn)(圖1和表1)。采樣時(shí)間為2012年1月至2017年12月，頻率為10天/次。采樣方法為《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HJ 494—2009)。水樣檢測指標(biāo)為溶解態(tài)磷(DIP)和總磷(TP)。TP濃度采用過硫酸鉀消解-鉬藍(lán)比色法測定，DIP濃度采用鉬藍(lán)比色法測定，具體方法參照文獻(xiàn)[12]。根據(jù)研究區(qū)已有研究，將4—10月和11月至翌年3月分別劃分為豐水期和平枯水期。

研究區(qū)域的土地利用信息提取自湖南省地理信息中心購買的數(shù)字化地形圖(2012年、2017年)，結(jié)合實(shí)地調(diào)查表明，2012—2017年研究區(qū)土地利用無顯著變化。在ArcGIS中建立數(shù)據(jù)庫并對掃描圖進(jìn)行配準(zhǔn)矢量化，以土地利用分類為基礎(chǔ)，提取林地、農(nóng)田、居民等信息。利用ArcGIS10.2以監(jiān)測斷面為基點(diǎn)，平行河道分別向河流上游延伸至研究區(qū)域邊界，參考前人研究及本流域尺度，以垂直河道50，100，150，200，300，400，500 m的尺度范圍設(shè)置河岸帶(圖1)。

根據(jù)以往研究分別在景觀水平和斑塊類型水平上選擇具有明確生態(tài)學(xué)意義且能夠反映景觀格局組成和配置特征的景觀格局指數(shù)(表2)。將所選擇的景觀指數(shù)根據(jù)生態(tài)學(xué)意義分為面積-邊緣、形狀、聚集度、多樣性4個(gè)類別。使用FRAGSTATS 4.2軟件計(jì)算不同空間尺度河岸帶的景觀指數(shù)。

圖1 研究區(qū)概況

表1 研究區(qū)土地利用特征(2012-2017年)

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

本研究采用冗余分析(RDA)解析不同河岸帶尺度景觀格局特征于不同水文季節(jié)河流P濃度的關(guān)系，并依據(jù)累積解釋率確定對于河流P濃度影響最大的河岸帶尺度范圍。RDA是一種約束性直接梯度排序方法，可減少冗余變量的影響并用二維排序圖直觀地定量分析景觀指數(shù)與水質(zhì)參數(shù)的關(guān)系。在RDA結(jié)果中，當(dāng)2個(gè)變量的箭頭方向相同時(shí)，表示變量之間存在正相關(guān)關(guān)系，反之則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表2 景觀尺度水平和斑塊類型尺度水平景觀格局指數(shù)

基于RDA分析，篩選出貢獻(xiàn)度最高的核心景觀指數(shù)，并利用非參數(shù)偏差減少方法(non-parametric deviance reduction，NDR)進(jìn)行變點(diǎn)分析，量化河流P濃度隨核心景觀指數(shù)梯度變化而產(chǎn)生的突變。設(shè)，，…，為景觀指標(biāo)按升序排列，，，…，為相應(yīng)的水化學(xué)變量。偏差是同質(zhì)性的度量，計(jì)算公式為：

(1)

式中：為偏差；為樣本量；為個(gè)觀測值的平均值；變化點(diǎn)(1≤≤)將響應(yīng)變量分為2組，，…，和+1，…，，2個(gè)子組的偏差之和總是小于或等于整個(gè)數(shù)據(jù)的偏差。因此，對于每個(gè)變點(diǎn)，都有1個(gè)偏差減少：

Δ=-(≤+>)

(2)

式中：為整個(gè)數(shù)據(jù)集，，…，；≤為，，…，的偏差；>為+1，…，，=1,2，…，的偏差。變化點(diǎn)是使Δ最大的值。由于流域數(shù)據(jù)數(shù)量有限，研究采用bootstrap方法(1 000個(gè)隨機(jī)樣本)來提高估計(jì)變點(diǎn)頻率分布的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域河流磷濃度時(shí)空動(dòng)態(tài)特征

2012-2017年，研究區(qū)流域河流P時(shí)空動(dòng)態(tài)變化存在顯著差異(圖2)。豐水期TP、DIP均值分別為0.19 mg/L(0.09～0.30 mg/L)，0.09 mg/L(0.05～0.17 mg/L)，而平枯水期TP、DIP均值分別為0.22 mg/L(0.10～0.37 mg/L)，0.11 mg/L(0.05～0.20 mg/L)，部分集水區(qū)(脫甲、水壩、飛躍)豐水期P濃度顯著高于平枯水期(<0.05)。豐水期水質(zhì)略好于平枯水期，其中豐水期33.3%，2.1%的樣點(diǎn)分別超過地表Ⅲ類和Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，而平枯水期，56.3%，8.33%的河流樣點(diǎn)分別超過地表Ⅲ類和Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。流域河流P濃度在空間上呈現(xiàn)異質(zhì)性，其中飛躍、水壩流域P濃度皆顯著高于其他流域，澗山、觀佳流域P濃度皆顯著低于其他流域(<0.05)。

注：圖柱上方不同大寫字母表示相同時(shí)期不同子流域間差異顯著(p<0.05)；不同小寫字母表示相同子流域不同時(shí)期間差異顯著(p<0.05)。

2.2 多尺度河岸帶土地利用組成變化

各子流域不同尺度河岸帶土地利用組成存在顯著差異(<0.05)(圖3)。隨著河岸帶尺度的增加，農(nóng)田面積比例顯著降低，從73.60%減少至37.06%。相反，林地面積比例逐漸增加，從16.23%增加到52.80%。這表明研究區(qū)河岸帶土地利用組成的空間分布呈現(xiàn)異質(zhì)性，即農(nóng)田主要集中分布在近河岸帶，而林地分布則距河道較遠(yuǎn)。居民地面積比例呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在150～400 m尺度內(nèi)較高，村鎮(zhèn)分布集中。此外，不同流域內(nèi)河岸帶尺度上土地利用組成呈現(xiàn)顯著差異(<0.05)。這主要是因?yàn)闈旧?、觀佳流域平均高程和坡度較大較高，平原或者河谷等低洼平緩地帶較少，農(nóng)田面積比例較低。

注：圖柱上方不同大寫字母表示不同河岸帶寬度相同土地利用類型間存在顯著差異(p<0.05)。

2.3 多尺度河岸帶景觀格局特征與河流磷濃度的關(guān)系

根據(jù)RDA分析的結(jié)果，不同河岸帶尺度的景觀指數(shù)均能夠解釋50%以上的河流P濃度變化(表3)。且豐水期不同河岸帶尺度景觀指數(shù)對水質(zhì)P濃度變化的解釋率要高于平枯水期。其中，豐水期和平枯水期河岸帶景觀指數(shù)對河流P濃度變化的解釋率在400，300 m尺度最高，分別為67.6%，61.2%。

由圖4a可知，豐水期400 m尺度的河岸帶農(nóng)田斑塊面積百分比(PLAND)、最大斑塊指數(shù)(LPI)與TP、DIP濃度呈顯著正相關(guān)，而農(nóng)田斑塊聚集度指數(shù)(SPLIT)為負(fù)相關(guān)，表明在400 m尺度河岸帶中農(nóng)田面積越大、聚集度越高，河流P濃度越高。林地斑塊面積百分比(PLAND)、形狀指數(shù)(SHAPE_MN)與TP、DIP濃度呈顯著負(fù)相關(guān)，表明林地面積比例越高、斑塊形狀越復(fù)雜，河流P濃度越低。400 m河岸帶尺度上貢獻(xiàn)率最高的核心景觀指數(shù)為SPLIT(74.0%)。

由圖4b可知，平枯水期300 m尺度上農(nóng)田斑塊面積—邊緣指數(shù)(PLAND)、形狀指數(shù)(PARA_MN)與TP、DIP濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。表明農(nóng)田面積比例高、斑塊形狀越簡單，河流P濃度越高。居民地斑塊面積-邊緣指數(shù)(PLAND、LPI)與TP、DIP濃度顯著正相關(guān)，表明居民地面積越大、占比越高，河流P濃度越高。核心景觀指數(shù)為LPI，貢獻(xiàn)率為56.9%。

表3 多河岸帶尺度景觀格局特征與河流P季節(jié)濃度變化的冗余分析

注：a、b分別為豐水期400 m、枯水期300 m河岸帶景觀指數(shù)與河流P濃度冗余分析。

2.4 導(dǎo)致河流磷濃度突變的河岸帶景觀格局閾值變化

基于RDA的分析結(jié)果，在400，300 m河岸帶尺度量化分別導(dǎo)致豐水期和平枯水期河流P濃度突變的核心景觀指數(shù)的閾值。結(jié)果表明，豐水期SPLIT為15.76～23.83時(shí)，河流DIP和TP濃度(圖5a)突變的概率較高，且當(dāng)SPLIT為23.83時(shí)，河流DIP、TP濃度突變的累積概率分別為96.6%，93.0%。平枯水期LPI為28.8%～36.5%時(shí)，河流的DIP、TP濃度(圖5b)突變的概率較高，且當(dāng)LPI為36.5時(shí)，河流DIP、TP濃度突變的累積概率分別為95.7%，90.5%。

注：a為豐水期400 m河岸帶尺度農(nóng)田分散指數(shù)SPLIT與河流DIP、TP突變點(diǎn)分析；b為平枯水期300 m河岸帶尺度居民地景觀指數(shù)LPI與河流DIP、TP突變點(diǎn)分析。

3 討 論

3.1 河岸帶景觀格局特征對河流P濃度影響的尺度差異性

河岸帶景觀格局對水質(zhì)的影響具有尺度依賴性。本研究中不同水文季節(jié)河岸帶景觀格局在300～400 m尺度對流域河流P濃度變化的解釋率最高。該尺度范圍與多數(shù)國內(nèi)外流域研究結(jié)果趨近，中國撫仙湖流域、美國洛亞諾克河流域200～500 m河岸帶尺度景觀格局特征對水質(zhì)變化影響較高。但與部分研究結(jié)論不同，新疆艾比湖流域、袁河流域、美國比斯坎灣等景觀格局特征在較大河岸帶尺度上(1 000～4 000 m)能更好地解釋大部分水質(zhì)變異。這主要是由于流域異質(zhì)性、數(shù)據(jù)集分辨率和流域劃分等差異所導(dǎo)致的。相較于部分大尺度河岸帶(>1 000 m)和流域整體尺度，亞熱帶丘陵區(qū)近河岸帶地形多為河谷平原，土地利用組成多樣化(農(nóng)田、林地、居民地等)是導(dǎo)致景觀格局特征這一空間尺度下對河流磷濃度具有較強(qiáng)解釋能力的主要原因。此外，近河岸帶空間尺度一定程度上會(huì)加劇農(nóng)田、居民地等“源”景觀類型向河流的污染物輸出能力。因此，300～400 m尺度是亞熱帶丘陵區(qū)河岸帶景觀格局特征對河流磷濃度影響最為直接和迅速的區(qū)域。相較于流域整體尺度和大尺度河岸帶范圍，該空間尺度的識別可為通過河岸帶景觀格局的調(diào)整優(yōu)化以緩解流域磷污染提供重要的科學(xué)依據(jù)。

3.2 河岸帶核心景觀格局指數(shù)篩選及其對河流磷濃度的影響

本研究結(jié)果表明，河岸帶居民地斑塊最大斑塊面積指數(shù)(LPI)和農(nóng)田斑塊分散指數(shù)(SPLIT)分別是影響平枯水期和豐水期河流磷濃度的主要景觀格局特征。SPLIT代表了農(nóng)田斑塊的分離程度，SPLIT越低表明，河岸帶農(nóng)田聚集度越高。亞熱帶典型農(nóng)林流域內(nèi)河岸帶聚集度較高的連片農(nóng)田多種植高肥料投入作物，如雙季稻和蔬菜。因此豐水期時(shí)相較零散分布的農(nóng)田，大量的磷素在地表徑流驅(qū)動(dòng)下由聚集度較高的農(nóng)田斑塊遷移進(jìn)入河流水體。此外，聚集度高的農(nóng)田通常具有較為完善的農(nóng)田溝渠排水系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步加劇磷素的遷移和輸出，突出農(nóng)田作為污染源對于河流P濃度變化的影響。LPI表征了斑塊的優(yōu)勢度，LPI越大表明，居民地斑塊面積越大，完整性越高。研究區(qū)內(nèi)居民地面積占比不高，但其面積和完整性在整個(gè)河岸帶中對平枯水期河流磷濃度產(chǎn)生了極大的影響。居民地LPI較大通常人為活動(dòng)磷投入較高，并具有較大面積的地表不透水層和較為發(fā)達(dá)的排水系統(tǒng)。以上因素均會(huì)加劇平枯水期磷向河道的遷移。

3.3 河流風(fēng)險(xiǎn)管理中核心景觀指數(shù)的關(guān)鍵閾值

量化河岸帶景觀核心指數(shù)導(dǎo)致河流P濃度變化的閾值對于河岸帶的保護(hù)和恢復(fù)具有重要意義。本研究結(jié)果表明，當(dāng)400 m河岸帶SPLIT>15.76和300 m河岸帶LPI<28.8%時(shí)，能夠分別降低豐水期和平枯水期河流P濃度突變的概率。因此，在研究區(qū)內(nèi)通過調(diào)整河岸帶景觀格局來以達(dá)到降低河流P濃度目標(biāo)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)降低農(nóng)田斑塊聚集度和居民地斑塊面積、完整性?？紤]到農(nóng)用地的不可變更性，可以通過調(diào)整種植模式，以及增加農(nóng)田溝渠的P攔截措施來達(dá)到調(diào)整SPLIT的同等效果。同時(shí)，考慮到其他因素對研究區(qū)域的影響，本研究所選取的河岸帶核心景觀指數(shù)能否作為降低亞熱帶典型農(nóng)林混合流域河流P濃度的依據(jù)指標(biāo)需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

(1)河岸帶景觀格局對河流P濃度的影響具有顯著的空間尺度性特征，300，400 m分別是影響豐水期和平枯水期河流磷濃度變化的關(guān)鍵臨界尺度。

(2)河岸帶居民地斑塊最大斑塊面積指數(shù)(LPI)和農(nóng)田斑塊分散指數(shù)(SPLIT)分別是影響平枯水期和豐水期河流磷濃度的核心景觀格局特征指數(shù)，當(dāng)SPLIT>15.76～23.83，LPI<28.8%～36.5%時(shí)，能夠降低河流P濃度的突變概率。