如何控制污染物扩散：耕地与建设用地对水质的影响及景观团聚性的作用——以新疆叶尔羌河为例

陈治金

（长安大学建筑学院，陕西西安　710064）

摘　要：本研究以叶尔羌河流域2000、2005、2010年3期LandsatTM影像和DEM数据为基础，在RS、GIS、Fragstats等软件的支持下，通过Spearman相关分析法分析2000－2010年阶段景观－水质对应变化率的相关性。结果表明：（1）在景观格局方面，流域整体景观的优势度上升，斑块形状趋于复杂，景观多样性增强，景观破碎化明显；（2）相关分析显示，“源”景观的破碎度以及“汇”景观的优势度与水质污染物表现出显著正相关的特征；源景观的优势度与水质指标呈显著负相关特征。（3）耕地和建设用地等景观类型是影响水质的重要因素，“源”景观团聚性的增强有利于对污染物扩散的控制，但是在破碎度增强时其对水质的污染作用增强。

关键词：景观格局；水质；相关分析；叶尔羌河流域

Abstract：This study based on the 2000/2005/2010LandsatTM DEM and image in Yarkant river watershed，under the support of GIS.Spearman rank’s correlations analysis，multiple linear regression models with step－wise were used to analyze correlations of rate of change of landscape index and water quality index at 2000－2010and 2010.Results showed that The area of arable land、urban land and forest obviously increased；Degree of dominance had growed in whole basin of landscape，patch shape was more complex，landscape diversity was strengthen and landscape was morec crush.The result of correlations analysis and multiple linear regression models with step－wise showed that fragmentation of source landscape，dominance of sink landscape was positive significant correlate with water quality pollution，and dominance of source landscape was negative significant correlate with water quality pollution.Arable land and urban land were important factor which had impact water quality.Strengthened aggregation degree of source landscap was beneficial to control spread of water quality pollution，but strengthened fragmentation of source landscape was beneficial to water quality.

Key words：Landscape pattern；Water quality；Correlations analysis；Yarkant river watershed

景观空间格局与生态变化过程总是在一定的空间范围内密切相连［1－3］。在流域尺度上，景观格局的改变影响了进入河流的水量和污染物含量，进而对河流水质的变化产生显著的影响。自上个世纪70年代以来各国学者密切关注从景观生态视角研究土地利用对水质的宏观影响，有的学者研究时考虑影响水质的污染物在异质性斑块间的迁移转化与基于“源”、“汇”景观的数量比例和空间排列方式，构建了景观格局与水质响应的模型［2－5］；也有学者以水文分析为基础，分析景观和水质在空间上的分布和变化情况以及景观和水质之间的变化的相关性，构建景观－水质模型［6－8］。本研究以叶尔羌河流域为对象，用包含景观组成和结构信息的景观格局指数与水质指标进行spearman相关分析，在考虑研究区土地利用的属性和空间配置特征的基础上，分析流域“源”、“汇”景观与水质在时间空间内变化的响应机制，探讨干旱区景观格局对河流水质的影响。

1　研究区概况

叶尔羌河位于新疆南疆喀什地区和阿图什地区，发源于喀喇昆仑山脉，属冰雪补给型河流，由西南流向东北，干流经喀什地区，最后在阿瓦提县境内与阿克苏河汇合流入塔里木河，全长1179km。流域范围介于东经74°28′～80°54′，北纬34°50′～40°31′之间。地形是由西南向东北倾斜，流域总面积10.81万km2，其中山区6.08万km2，平原区4.73万km2。平原区绿洲面积1.46万km2，沙漠面积2.68万km2。

2　数据来源与研究方法

2.1　土地利用及景观指数

作者简介：陈治金（1991－），男，长安大学建筑学院硕士研究生，建筑与土木工程专业。

遥感影像是来自地理空间数据云下载的2000年、2005年、2010年LandsatTM影像（分辨率为30m），利用ENVI遥感影像处理软件进行校正解译，依据中国科学院提出的土地资源遥感土地分类标准，将土地利用类型划分为林地、耕地、草地、水域、冰川、未利用地（沙漠、裸土、裸岩）以及城乡建设用地等7类一级地类，F图为叶尔羌河流域2000年、2005年、2010年的土地利用信息（见图1）。

图1　叶尔羌河2000、2005、2010年土地利用类型变化

为了实现相关分析，利用地理空间数据库下载叶尔羌河流域DEM数据，通过水文分析，进行河网提取，并结合研究区15个水质监测站点所反映的实际水文状况将研究区划分为7个子流域（见图2）。

图2　子流域划分示意图

从“源”、“汇”景观角度分析景观格局的变化以及景观与水质的相关性。根据研究区土地利用状况，计算出类型水平和景观水平2个级别上的景观指数。据统计，可以用来描述和解释景观格局的指数有百余种，但大部分之间都具有高度的相关性［9］，因此通过Spearman秩相关分析排除了一些相关性高的指标，降低数据冗余度，具体选用了类型水平上的斑块个数（NP）、斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）、斑块形状指数（LSI）、边缘密度（ED）、面积加权的斑块分维指数（FRAC－AM）、景观类型百分比，在景观水平上又增加了蔓延度（CONTAG）、散布与并列指数（IJI）、景观多样性指数（SHDI）等指数进行分析。

2.2　水质数据

采用来自叶尔羌河流域管理处2000年、2005年、2013年内叶尔羌河、提孜那甫河、乌鲁克河、柯克亚河4条河流的15个监测点的8月丰水期时间段常规水质检测数据。根据获取的数据完整程度，研究时选取的水质指标包括酸碱度（pH值）、高锰酸盐指数（CODMn）、溶解氧（DO）、氨氮（NH3－N）、氟化物（F）、粪大肠杆菌总数6项。水质指标是以每个控制区域内的各水质监测点数据均值代表该区域内的水质状况，由于研究区2000年水质指标缺失pH值和粪大肠杆菌数量2项，所以在分析2000年至2010年水质各项指标的变化率时仅选取高锰酸盐（CODMN）、氨氮（MH3——H）、溶解氧（DO）、氟化物（F）4项指标来分析。用每个控制区域内各种水质指标的标准变异系数（Standardized coefficients of variation，CV）表示水质指标的时空变化情况，计算公式：

CV＝（SD/x）×100%

式中SD为水质指标的标准偏差，x为样本均值。

2.3　相关分析

以Spearman相关分析法分析在景观水平和类型水平下的景观指数变化率与水质变化率的相关性。

3　结果和分析

3.1　土地利用/覆被变化特征

土地利用/覆被动态变化主要表现为各种土地利用/覆被类型面积在数量上的变化（如图3所示）。

图3　叶尔羌河流域土地利用类型变化

从统计结果来看：整个研究时段内耕地、建设用地、林地是净增加的，耕地面积净增加1724.68hm2，建设用地面积净增加328.27hm2，林地面积净增加1531.22hm2；草地、未利用地面积明显减少，草地面积净减少1486.69hm2，未利用地净减少1101.99hm2；冰川减少面积463.14hm2，水域面积减少519.82hm2。从景观空间结构上分析，景观的自然分异比较明显，以荒漠为主的未利用地是主要的景观基质，占到研究区面积40%以上，草地主要分布在上游山区和下游平原地区，未利用地、耕地、建设用地以及林地共同分布在上游山口以下的中游及中下游平原地区，冰川积雪只在高海拔的山区有分布。

3.2　景观格局变化特征

计算研究区3年时段内的景观水平下的景观格局指数，以及3年时段内各土地利用类型在类型水平下的景观格局指数变化率（见表1），可以发现PD与ED上升明显，说明流域内斑块数量增加，景观总体的破碎化程度增加；LPI上升很显著，说明叶尔羌河流域景观优势度上升，尤其是在增长中有重要人为因素作用的耕地、建设用地等“源”景观和林地“汇”景观面积的增加，这对该指数的上升有很大的贡献；LSI上升明显，说明研究区斑块不规则性增强，形状更加复杂化；CONTAG下降，IJI上升，说明了景观多样性增强，流域内优势斑块类型的连接性降低，而不同斑块类型间的连接性却有一定增强。(www.zuozong.com)

表1　2000～2010年景观格局变化

2000年至2010年间，PD、LPI、ED、LSI都有明显的上升，其主要贡献来自于林地斑块数量和面积增加，同时各类用地景观之间有一定的相互转换。在中下游林地显著增加的区域，“汇”景观草地和林地的破碎化程度增加，但受上游区域未利用地减少，草地增加且连接性较好的影响，草地的最大斑块指数呈现上升的特征。在各类型用地的变化上，除了林地的增加外，在土地利用的规划上体现出耕地和建设用地的破碎化程度降低，聚集性增强，两类用地的斑块密度虽然减少了，但是最大斑块指数明显上升，具体结果见图4。

图4　2000～2010年类型水平下各主要地类的景观指数变化率

3.3　相关性分析

3.3.1　景观水平下景观－水质变化率相关性分析

2000至2010年间水质中溶解氧的变化率与SHDI的变化率呈显著正相关，氨氮的变化率与LPI、CONTAG的变化率呈显著负相关（见表2），说明林地、草地、耕地等更丰富景观的交错布置有利于水体的自净。而且当同一优势斑块类型聚集性增强，集中分布的景观不利于氨氮的扩散，对氨氮的截留能力较强，以研究区主要的农业污染源耕地为例，耕地的集聚性增强，更有利于对污染源的控制。

表2　2000～2010年景观水平下景观指数－水质变化率Spearman相关系数

注：＊表示0.05水平显著相关，＊＊表示0.01水平显著相关。

3.3.2　类型水平下景观－水质变化率相关性分析

（1）G－LSI与高锰酸盐指数（CODMN）呈显著负相关，G－ED与溶解氧（DO）呈显著负相关。说明当草地斑块数量越多，斑块不规则性和景观破碎化程度越强，高锰酸盐和溶解氧（DO）的浓度越低。

（2）F－LPI与高锰酸盐指数（CODMN）呈显著正相关，林地所占流域面积比例越大，林地的优势度越强，高锰酸盐的浓度越低；F－PD和F－NP、F－LSI与溶解氧（DO）呈显著负相关，说明林地斑块越破碎，溶解氧（DO）的浓度越低。

（3）A－PD、A－NP和A－LSI与溶解氧（DO）呈显著负相关，而A－PD、A－NP与氟化物（F）呈显著正相关，说明耕地斑块越破碎，对水质自净能力的影响越大，氟化物（F）的浓度越高。

（4）U－LSI和U－ED与高锰酸盐指数（CODMN）呈显著负相关，同时边缘密度与溶解氧（DO）呈显著负相关，说明未利用地（裸岩、裸土、沙漠）的形状越不规则，斑块越破碎，高锰酸盐浓度越低，溶解氧（DO）的浓度越低，这与草地景观指数和水质相关性类似。

4　结论与讨论

（1）叶尔羌河流域的土地利用类型以包括裸岩、裸土、荒漠等在内的未利用地为基质，景观自然分异明显。在2000年至2010年10年间的土地利用类型的变化中，耕地、林地和建设用地是增长最明显的3类景观，在景观结构上的变化表现为斑块数量、密度增加，景观的优势度增强，斑块形状更加复杂，景观多样性增强，景观更加破碎化。

表3　2000～2010年类型水平下景观－水质变化率Spearman相关系数

注：＊表示0.05水平显著相关，＊＊表示0.01水平显著相关。

（2）景观类型是影响水质的重要因素，在类型水平下的景观－水质变化率的相关性总体呈现出显著性水平。耕地和建设用地面积百分比的增加与水体中的氨氮浓度增加有较好的相关性。干旱区含氟岩石风化释放的氟化物造成了未利用地、草地中氟化物含量相对耕地偏高的特征，使得与草地、荒地邻接密切的林地出现了氟化物浓度随林地破碎度增强而上升的现象。

（3）2000年至2010年景观格局指数的变化率与水质参数的变化率呈现一定的相关性。“源”景观的团聚性增强有利于对污染物扩散的控制，但是破碎度增强时对水质的污染作用增强。“汇”景观的破碎度增强对水质污染起效应作用，丰富的景观类型对水质的自净有正效应作用。

参考文献

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