城市濕地公園土地利用方式對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的影響

李 念，姜 濤，陳其兵

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，成都 611130；2.貴州大學(xué)林學(xué)院，貴陽(yáng) 550000）

濕地公園作為人工濕地或自然濕地的集合，為野生動(dòng)植物提供棲息地的同時(shí)，在美化環(huán)境、旅游觀光和科普教育等方面發(fā)揮著重要作用，實(shí)現(xiàn)了資源保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展的平衡[1-2]。水作為濕地公園最重要的特征，是濕地物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的核心載體，水環(huán)境質(zhì)量是發(fā)揮濕地公園生態(tài)功能的基本保障。近年來(lái)受疫情的持續(xù)反復(fù)影響，人們的休閑距離不斷縮短，濕地公園獨(dú)特的自然生態(tài)環(huán)境成為戶外休閑的主要場(chǎng)地，高承載壓力下的濕地公園水環(huán)境保護(hù)面臨更大挑戰(zhàn)，加之當(dāng)前城市用地緊張，如何在有限的城市濕地公園空間內(nèi)保證水環(huán)境質(zhì)量顯得尤為重要。

濕地水環(huán)境質(zhì)量影響因素眾多，土地利用方式是其中主要因素之一[3-6]，探討城市濕地公園土地利用方式對(duì)水環(huán)境的影響，優(yōu)化濕地公園布局，對(duì)于濕地公園的多功能發(fā)揮有重要意義。目前土地利用與濕地水環(huán)境的研究多集中在大尺度的土地利用變化，如流域景觀結(jié)構(gòu)對(duì)河流水質(zhì)的影響[7-9]、地表不透水景觀與水環(huán)境之間的關(guān)系[10]、城市濕地與集水區(qū)內(nèi)景觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系[11-12]等方面，但以濕地公園為研究對(duì)象，探討濕地公園內(nèi)土地利用類型、濕地公園土地開發(fā)活動(dòng)對(duì)濕地水環(huán)境質(zhì)量間關(guān)系的研究還不多。本文以成都3個(gè)城市濕地公園為研究對(duì)象，通過(guò)分析水環(huán)境指標(biāo)與土地利用類型、土地開發(fā)強(qiáng)度的關(guān)系，探討了土地利用方式對(duì)濕地水環(huán)境質(zhì)量的影響，以期為城市濕地公園和具有較大水體公園的規(guī)劃建設(shè)和優(yōu)化提供參考和依據(jù)。

人類對(duì)土地的改造活動(dòng)形成了不同的大地景觀，這些改造活動(dòng)通過(guò)土地利用方式使自然要素特征發(fā)生改變，引起水文及其伴生過(guò)程的異常變化。土地利用方式包含土地利用類型和土地利用強(qiáng)度兩方面，其對(duì)水環(huán)境的影響如圖1所示。這兩方面中土地利用類型是對(duì)土地類型組成與土地空間結(jié)構(gòu)的描述，土地利用強(qiáng)度是對(duì)土地改造程度的衡量。因此，本文擬從濕地公園土地利用類型和土地利用強(qiáng)度兩方面研究其對(duì)于水環(huán)境的影響。

圖1 土地利用方式對(duì)水環(huán)境的影響機(jī)理Figure 1 The influence mechanism of land ue on water environment

目前，濕地公園的用地類型尚沒(méi)有統(tǒng)一分類，大部分學(xué)者根據(jù)自己研究?jī)?nèi)容進(jìn)行界定，如楊朝輝、蘇群等[13]在土地利用類型與水質(zhì)關(guān)系的研究中將濕地公園的土地利用類型分為了人工水塘、園地、建設(shè)用地、林地、自然水體、草地以及道路7大類。在大多數(shù)濕地景觀格局變化的研究中，學(xué)者多將土地利用類型概括為林地、耕地、水域、人工表面、草地、居民建筑、景觀服務(wù)場(chǎng)地、原生態(tài)島嶼灘涂、河岸植被、河流道路和未利用地等類型[14-15]。在本研究中，以濕地公園內(nèi)的建設(shè)情況和地表覆蓋類型為依據(jù)，將濕地公園的用地類型分為了道路、水域、草地、林地以及建設(shè)用地。

1 材料和方法

1.1 樣本區(qū)域

本研究選取了成都市興隆湖濕地公園、鳳凰湖濕地公園與白鷺灣濕地公園3個(gè)濕地公園作為研究對(duì)象。這3個(gè)濕地公園所處的地理位置及濕地周圍環(huán)境分別具有城市性、鄉(xiāng)村性與城鄉(xiāng)結(jié)合性的特征，具有一定的代表性，且3個(gè)濕地公園周邊均無(wú)直接向濕地排放污水的情況。

興隆湖濕地公園位于雙流區(qū)興隆鎮(zhèn)內(nèi)，是成都天府新區(qū)的重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一，利用鹿溪河筑壩營(yíng)造，水域面積300 hm2，蓄水量超過(guò)1 000萬(wàn)m3，是集觀光、休閑、防洪、灌溉以及生態(tài)于一身的綜合性水生態(tài)場(chǎng)所，其與周圍建筑群聯(lián)系緊密，城市特征突出。

鳳凰湖濕地公園鳳凰湖位于成都市青白江區(qū)，水域面積約300 hm2，其規(guī)劃定位為旅游度假區(qū)，園內(nèi)以生態(tài)、休閑、水景環(huán)境及具有多國(guó)風(fēng)情的建筑為特色。濕地公園西南面城市特征占主導(dǎo)，東北面以村鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村景觀為主。園內(nèi)設(shè)有少量游船、餐飲和茶室等活動(dòng)。

白鷺灣濕地公園地處錦江區(qū)繞城高速以外區(qū)域，錦江區(qū)三圣花鄉(xiāng)旁，規(guī)劃占地333.33 hm2，濕地公園所有水域形成的濕地水面面積約66.67 hm2，是一個(gè)集科普、旅游、展示和生態(tài)保護(hù)為一體的生態(tài)濕地公園。該濕地公園雖然在3個(gè)濕地公園中離成都市區(qū)距離最近，但周邊環(huán)境鄉(xiāng)村化特征突出。

1.2 樣本采集

根據(jù)3個(gè)濕地公園周邊土地利用類型結(jié)構(gòu)及生態(tài)系統(tǒng)特征的空間差異，分別在興隆湖、鳳凰湖、白鷺灣水域周邊布設(shè)了水質(zhì)采樣點(diǎn)（如圖2）。其中興隆湖11個(gè)、鳳凰湖10個(gè)以及白鷺灣7個(gè)，共計(jì)28個(gè)水樣采集點(diǎn)。采樣活動(dòng)均于2017年11月上旬進(jìn)行，采樣后樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理。水質(zhì)的指標(biāo)選擇參考了已有相關(guān)文獻(xiàn)[16-18]，選擇總懸浮固體(TSS)、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)等5個(gè)指標(biāo)。依據(jù)《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(HJ/T91-200 2)》進(jìn)行測(cè)定，為保證測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確性，對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)的樣品做3份平行檢測(cè)，取3份平行檢測(cè)結(jié)果的平均值作為最終的水質(zhì)指標(biāo)。

圖2 水質(zhì)采樣點(diǎn)采集地衛(wèi)星圖Figure 2 Satellite image of water quality sampling point

利用已有的土地利用現(xiàn)狀圖和衛(wèi)星圖，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查結(jié)果，得到包括道路、林地、草地、建設(shè)用地和水體的5類濕地公園土地利用類型。并以采樣點(diǎn)為中心，根據(jù)各公園的面積大小和實(shí)際情況設(shè)置不同半徑的緩沖半徑（以50 m為間隔，結(jié)合濕地公園面積、邊界等分別在白鷺灣、鳳凰湖以及興隆湖設(shè)置了以100～200 m、100～300 m和100～400 m為半徑的緩沖區(qū)，見圖3），利用Arc GIS10.1軟件疊置分析功能的交集操作工具和歸納統(tǒng)計(jì)工具，分別統(tǒng)計(jì)出各個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)緩沖區(qū)范圍內(nèi)土地利用類型面積及面積百分比，以分析土地利用方式對(duì)濕地水環(huán)境的影響。

圖3 鳳凰湖100 m緩沖半徑圖Figure 3 Fenghuang lake 100 m buffer radius

1.3 樣本描述

將3個(gè)公園的5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行描述性處理，由表1可以看出，3個(gè)濕地公園中，白鷺灣濕地公園的COD含量最高，均值為25.57 mg/L，興隆湖與鳳凰湖差別不大。鳳凰湖濕地公園的TSS指標(biāo)值最高，為243.15 mg/L，其余兩個(gè)公園相差不大。DO含量鳳凰湖濕地公園最高，興隆湖最低。鳳凰湖氨氮和硝態(tài)氮的指標(biāo)含量都是3個(gè)公園中最高的，推測(cè)與鳳凰湖內(nèi)開展的少量水上活動(dòng)有關(guān)。

表1 不同研究對(duì)象水環(huán)境指標(biāo)值Table 1 Water environment parameters of different research objects

3個(gè)濕地公園周圍基本用地情況，由表2可以看出，3個(gè)公園中興隆湖的水域面積比例最大，濕地率也最高。白鷺灣濕地公園人工用地比例最小，自然特征突出；而興隆湖人工用地比例最高，說(shuō)明該濕地公園的人工特征較重；鳳凰湖各項(xiàng)用地情況在三者中居中，3個(gè)濕地公園的特征符合前文描述的城市性、鄉(xiāng)村性以及城鄉(xiāng)結(jié)合性。

表2 用地基本情況Tab 2 Basic condition of land use

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用類型對(duì)濕地公園水環(huán)境質(zhì)量的影響

當(dāng)緩沖半徑為200 m時(shí)，各濕地公園的用地類型最全，因此本研究以200 m緩沖半徑內(nèi)的各用地類型面積（表3）與水環(huán)境指標(biāo)（COD、TSS、DO、氨氮、硝態(tài)氮）進(jìn)行了Pearson相關(guān)性分析，處理結(jié)果見表4。

表3 200 m緩沖半徑內(nèi)各用地類型面積Table 3 Land use area value within 200 m buffer radius m2

(續(xù) 表3)

表4 用地類型與水環(huán)境指標(biāo)的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果Table 4 Pearson correlation coefficients between land use pattern and water environment variables

水環(huán)境COD指標(biāo)與道路相關(guān)系數(shù)為0.403，對(duì)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)的雙側(cè)P值下小于0.05，可以認(rèn)為兩變量間的相關(guān)關(guān)系具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，并與道路面積呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即道路面積越大，COD越低。TSS與建筑面積在0.05水平上呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.421，隨著建筑面積的增大，TSS值呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。即建筑面積越大，水環(huán)境的懸浮物越多，這與普遍的認(rèn)知相符合。DO與水域面積和林地面積在0.01水平上具有相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.555與0.595，說(shuō)明林地與DO的相關(guān)性較水域面積大，且與林地面積呈正相關(guān)。氨氮與草地在0.05水平上具有相關(guān)性，且隨草地面積增加，氨氮含量減少。硝態(tài)氮和用地類型的無(wú)顯著相關(guān)性。

參照地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，COD含量越高，水質(zhì)越差。在上文的結(jié)果中，COD的含量隨道路面積的增加而呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，這與普遍的認(rèn)知有一定偏差。前人研究結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，草地面積與COD呈正相關(guān)[19-20]，說(shuō)明一定區(qū)域的草地占比與水質(zhì)的惡化有一定關(guān)系。因此推測(cè)出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)濕地公園面積一定時(shí)，道路面積的增加壓縮了濕地公園中草地的面積，從而對(duì)水環(huán)境有一定的正向影響。

2.2 土地利用強(qiáng)度對(duì)濕地水環(huán)境的影響

LDI（landscape development intensity）是由 M.T.Brown等[21]提出的用于定量分析景觀開發(fā)強(qiáng)度的一種方法。該方法結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)與單位面積能值，測(cè)算出土地利用的開發(fā)強(qiáng)度LDI指數(shù)，并根據(jù)之前的研究測(cè)算了不同土地利用類別單位時(shí)間單位面積的能源使用量，并以其歸一化自然對(duì)數(shù)作為L(zhǎng)DI系數(shù)。LDI系數(shù)表示土地利用類型所消耗的能值，能值消耗越多則對(duì)應(yīng)的LDI系數(shù)越大。根據(jù)不同土地利用分類與其對(duì)應(yīng)的LDI系數(shù)，即可計(jì)算LDI指數(shù)（LDIindex）：

式中：LDIindex為濕地區(qū)域土地利用類型的開發(fā)強(qiáng)度的綜合指數(shù)；LUi(%)為第i種土地利用分類的面積占該區(qū)域土地總面積的百分比；LDIi為第i種土地利用分類對(duì)應(yīng)的LDI系數(shù)。

LDI系數(shù)處于1～10之間，1代表完全自然環(huán)境，10代表高度開發(fā)利用環(huán)境，LDI系數(shù)越大，說(shuō)明人類干擾越大。濕地公園內(nèi)5種主要的用地類型（道路、水域、草地、林地以及建筑用地），各LDI系數(shù)如表5[22]。

表5 5種典型濕地公園用地類型的LDI系數(shù)參考值Table 5 LDI coefficient of five typical wetland park land types

土地利用與水質(zhì)的關(guān)系往往隨著空間位置改變表現(xiàn)出局部變化的特征即使在同一研究區(qū)域的不同位置，同一土地利用類型對(duì)水質(zhì)的影響在大小、方向及距離上均可能表現(xiàn)出不同[23]。因此，本研究以采樣點(diǎn)為中心，以50 m為間隔，結(jié)合濕地公園面積、邊界考慮分別在白鷺灣、鳳凰湖以及興隆湖設(shè)置以100～200 m，100～300 m，100～400 m為半徑的緩沖區(qū)，計(jì)算相應(yīng)的土地利用強(qiáng)度來(lái)探索土地利用與水質(zhì)的關(guān)系。根據(jù)衛(wèi)星圖和實(shí)際場(chǎng)地調(diào)研的情況，在ArcGIS中，將場(chǎng)地矢量化，計(jì)算每個(gè)緩沖區(qū)中的各用地類型面積及所占比例，從而計(jì)算相應(yīng)的LDI指數(shù)（如表6）。

表6 不同采樣點(diǎn)在不同緩沖半徑下的LDIindexTable 6 LDIindexfor each sample with different buffer radius

2.2.1 緩沖半徑與土地開發(fā)強(qiáng)度的關(guān)系分析

緩沖半徑與土地開發(fā)強(qiáng)度的關(guān)系是對(duì)濕地公園用地布局的粗略說(shuō)明，也可為后續(xù)的分析提供部分判斷。將緩沖半徑與LDIindex進(jìn)行Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)，雙側(cè)檢驗(yàn)，得到結(jié)果如表7。

表7 緩沖半徑與LDI指數(shù)的相關(guān)性Table 7 The correlation between buffer radius and LDIindex

從表中可看出，緩沖半徑與LDI指數(shù)在0.01水平上呈顯著相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)為0.68，說(shuō)明相關(guān)性較高。因此，隨緩沖半徑越大，LDI指數(shù)越高。即隨緩沖半徑的增大，土地的開發(fā)強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)。將緩沖半徑與LDI指數(shù)建立回歸模型，回歸模型相關(guān)指標(biāo)和系數(shù)如表8和9中所示。在方差分析結(jié)果中（表8），其中F值為125.890，P值小于0.05，因此證明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。基于該模型回歸方程如下（擬合參數(shù)見表9）：

表8 方差分析aTable 8 Anovaa

表9 LDI指數(shù)與緩沖半徑模型系數(shù)Table 9 The coefficient between LDIindexand buffer radius

式中：LDIindex為L(zhǎng)DI指數(shù)，R代表緩沖半徑。

2.2.2 土地開發(fā)強(qiáng)度與水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)系分析

以水環(huán)境指標(biāo)與LDIindex的數(shù)據(jù)進(jìn)行散點(diǎn)圖的制作，并采用Loess法的擬合線繪制，得到以下水環(huán)境指標(biāo)隨LDIindex變化趨勢(shì)線圖（圖4）。

圖4 不同水環(huán)境指標(biāo)與土地開發(fā)強(qiáng)度的變化趨勢(shì)圖Figure 4 Water environment quality indexes change trend with land development intensity

從圖4中可以看出，COD的數(shù)值整體隨LDIindex增加而呈上升趨勢(shì)；當(dāng)LDIindex在2.5～4.2間時(shí)COD隨LDIindex的增加有減小趨勢(shì)。TSS的數(shù)值在LDIindex為2～3時(shí)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在2.5～5時(shí)隨LDIindex增加而減少，在6～8時(shí)隨LDIindex的增加呈緩慢上升趨勢(shì)。硝態(tài)氮的含量在LDIindex為2.8～5之間，隨LDIindex的增加而呈現(xiàn)急速減小的趨勢(shì)。氨氮與硝態(tài)氮隨LDIindex變化的走勢(shì)相似，都是在接近3處從隨LDI指數(shù)增加而上升變?yōu)橄陆?。氨氮值?～5間隨LDIindex升高而降低。DO與LDI指數(shù)的關(guān)系呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，LDIindex越高，DO含量越小。

在水環(huán)境質(zhì)量中，只有DO與水質(zhì)呈正相關(guān)，COD、TSS、氨氮和硝態(tài)氮都呈負(fù)相關(guān)，而在上述的分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，這4個(gè)指標(biāo)在某些LDI指數(shù)值區(qū)間內(nèi)，都出現(xiàn)了隨LDI指數(shù)值增加而下降的趨勢(shì)，說(shuō)明一定的開發(fā)強(qiáng)度對(duì)水環(huán)境質(zhì)量有正向作用。

COD的下降趨勢(shì)出現(xiàn)在LDI指標(biāo)值2.5～4.2間，TSS下降趨勢(shì)出現(xiàn)在2.5～5之間，硝態(tài)氮出現(xiàn)在2.8～5，氨氮出現(xiàn)在3～5之間?？梢酝茰y(cè)，在LDIindex處于3～4.2間時(shí)，土地利用的開發(fā)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量有一定的正向作用，由（2）式可推算出在相應(yīng)的緩沖半徑，當(dāng)LDIindex為3時(shí)，緩沖半徑為164.8 m；當(dāng)LDIindex為4.2時(shí)，緩沖半徑為244.8 m。

3 討論與結(jié)論

（1）在3個(gè)濕地公園的水環(huán)境質(zhì)量比較中，鳳凰湖濕地公園的水環(huán)境質(zhì)量較差，水環(huán)境指標(biāo)中TSS、氨氮以及硝態(tài)氮指標(biāo)含量在3個(gè)公園中最高，推測(cè)與鳳凰湖濕地公園的園內(nèi)活動(dòng)有關(guān)。

（2）在用地類型與濕地公園水環(huán)境的相關(guān)性分析中，當(dāng)緩沖距離為200 m時(shí)，道路面積對(duì)水環(huán)境的COD指標(biāo)有影響，且隨道路面積的增加，COD指標(biāo)值減小；建設(shè)用地對(duì)TSS指標(biāo)的影響較大，隨建設(shè)面積的增加，TSS指標(biāo)含量增加；林地對(duì)DO值有較大影響，且隨林地面積增加，DO值增加，說(shuō)明林地對(duì)水質(zhì)有一定的緩沖與凈化作用；草地對(duì)氨氮的含量有一定影響，隨草地的增加，氨氮的含量減少。

（3）緩沖半徑與土地開發(fā)強(qiáng)度有線性正相關(guān)關(guān)系，開發(fā)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量有正向作用，以水體濕地邊緣的任意點(diǎn)建立緩沖半徑，當(dāng)緩沖半徑在164.8～244.8 m間時(shí)，將土地利用開發(fā)強(qiáng)度控制在3～4.2之間，對(duì)濕地公園水環(huán)境質(zhì)量是最有利的。