基于多變量分析的景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響

基于多變量分析的景觀格局對(duì)水質(zhì)的影響

從景觀生態(tài)學(xué)的出現(xiàn)以來，景觀模式與生態(tài)過程之間的關(guān)系一直是這一學(xué)科的中心主題。河流匯水區(qū)景觀格局與河流水質(zhì)變化有密切的聯(lián)系。隨著人類活動(dòng)的增加,流域內(nèi)的土地覆蓋逐漸從自然植被轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀祟惢顒?dòng)為主導(dǎo)的農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)用地,從而導(dǎo)致河流水質(zhì)的退化。在許多地區(qū)點(diǎn)源污染已經(jīng)得到有效控制的情況下,非點(diǎn)源污染因其污染的廣泛性、不確定性成為影響河流水質(zhì)的重要原因之一,而景觀格局是影響非點(diǎn)源污染負(fù)荷的主要因素之一。單純的水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)和點(diǎn)源污染治理等管理措施不足以面對(duì)快速城市化過程中引起的河流水質(zhì)惡化、水生生態(tài)系統(tǒng)退化等問題。使用與水質(zhì)顯著相關(guān)的景觀格局指數(shù)作為景觀尺度上的景觀環(huán)境指標(biāo),可以直接反映水質(zhì)變化的原因,對(duì)于水質(zhì)監(jiān)測(cè)、流域管理等有重要的意義。目前,國內(nèi)外已有相關(guān)研究分析了景觀組成(如森林、城鎮(zhèn)、農(nóng)田等)、景觀空間結(jié)構(gòu)(不同類型斑塊的大小、形狀和分布等)以及不同景觀研究尺度(河岸帶、流域尺度等)對(duì)水質(zhì)的影響。景觀指數(shù)眾多,而且有些指標(biāo)間還存在信息冗余,如何選出少量的關(guān)鍵性指標(biāo),建立景觀指標(biāo)與水質(zhì)指標(biāo)之間的聯(lián)系并能夠闡明其影響的機(jī)理,成為研究景觀對(duì)水質(zhì)影響的焦點(diǎn)。由于景觀格局與河流水質(zhì)之間的關(guān)系非常復(fù)雜,僅僅求出景觀變量和水質(zhì)指標(biāo)之間的單因素相關(guān)關(guān)系不足以完整、準(zhǔn)確地說明景觀對(duì)水質(zhì)的影響。以多變量分析方法(如多元線性回歸分析、主成分分析、典型相關(guān)分析等)直接從多個(gè)相關(guān)因素中提取重要的因子,可以避免依靠經(jīng)驗(yàn)選取指標(biāo)時(shí)可能導(dǎo)致的指標(biāo)間信息冗余,并更加清晰地突顯景觀格局與河流水質(zhì)之間的關(guān)鍵因素及其相關(guān)關(guān)系。本研究以淡水河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,在流域尺度和河岸帶尺度上,用包含景觀組成和結(jié)構(gòu)信息的景觀指數(shù)表征景觀格局狀況,通過Spearman秩相關(guān)分析、多元線性逐步回歸分析和典型相關(guān)分析方法研究景觀指數(shù)和河流水質(zhì)指標(biāo)(以下簡稱景觀-水質(zhì))的相關(guān)關(guān)系,探討景觀格局對(duì)河流水質(zhì)的影響。1西枝江流域概況淡水河是廣東省境內(nèi)東江之西枝江下游的一個(gè)二級(jí)支流,發(fā)源于深圳龍崗的梧桐山(在深圳境內(nèi)稱為龍崗河),于惠州的惠陽區(qū)淡水鎮(zhèn)進(jìn)入惠州(惠州境內(nèi)稱為淡水河),在惠州市馬安鎮(zhèn)匯入西枝江(圖1)。全長約95km,流域面積約1300km2。位于北回歸線以南,瀕臨南海,地處亞熱帶,屬南亞熱帶海洋性氣候。流域多年平均降雨量為1649mm,且雨季集中于4—9月,雨季降雨量占全年的80%。多年平均氣溫21.7℃,年內(nèi)溫差較小。土壤分布主要為砂頁巖赤紅壤,其次為砂頁巖紅泥田,土層較淺,多含礫石,保水保肥差,肥力不高。淡水河流域上游地區(qū)城鎮(zhèn)化程度高、工業(yè)發(fā)達(dá),中下游地區(qū)原來以農(nóng)業(yè)為主,近年來城鎮(zhèn)化、工業(yè)發(fā)展也非常迅速,生活污水,工業(yè)廢水及面源污染導(dǎo)致淡水河生態(tài)環(huán)境急劇惡化。2數(shù)據(jù)和方法2.1日生物化學(xué)指標(biāo)采用2007年淡水河常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),逢單月上旬采樣監(jiān)測(cè),水質(zhì)指標(biāo)包括酸堿度(pH值)、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、5日生物化學(xué)需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、石油類(Oil)、銅(Cu)、鋅(Zn)、氟化物(F)和陰離子表面活性劑(LAS)共13項(xiàng)。水質(zhì)測(cè)試采用國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法。一共有11個(gè)常規(guī)監(jiān)測(cè)斷面,D1—D7是位于淡水河主干流上從上游至下游的7個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面,P1—P4是位于淡水河主要支流坪山河干流上從上游至下游的4個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面(圖1)。2.2景觀指數(shù)的計(jì)算和描述利用遙感影像為2007年10月24日ALOS衛(wèi)星影像(分辨率為2.5m)獲取研究區(qū)的土地利用信息。采用ENVI4.5對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣輻射校正、幾何校正等預(yù)處理,然后利用ArcGIS9.2進(jìn)行人工目視解譯和數(shù)字化,并結(jié)合實(shí)地調(diào)查,將研究區(qū)域的土地利用類型分為林地、城鎮(zhèn)用地(包括工礦倉儲(chǔ)用地、住宅用地、商服用地和交通運(yùn)輸用地)、農(nóng)業(yè)用地(包括農(nóng)田和果園)、水域(包括河流水面、水庫水面和坑塘水面)、草地、裸地,一共6類。以SRTM的高程圖(90m分辨率)為基礎(chǔ),利用ArcGIS的水文分析模塊,獲得淡水河流域范圍、河網(wǎng)分布以及各監(jiān)測(cè)斷面的上游控制區(qū)域。河岸帶尺度的研究范圍取河道兩岸各100m寬的緩沖帶。利用ArcGIS中的PatchAnalyst4模塊計(jì)算研究區(qū)流域尺度和河岸帶尺度的景觀水平和類型水平上的的景觀組成和景觀指數(shù),其中類型水平選取研究區(qū)內(nèi)占主導(dǎo)地位的3種土地利用類型林地、城鎮(zhèn)用地和農(nóng)業(yè)用地。所選景觀指數(shù)包括斑塊大小、邊界與形狀、景觀多樣性三大類,其中景觀多樣性指數(shù)僅在景觀水平上進(jìn)行分析。另外考慮到林地獨(dú)特的生態(tài)功能,還加入表征林地斑塊的核心區(qū)域特征的景觀指數(shù)(如核心區(qū)域密度、核心區(qū)域指數(shù)等),核心區(qū)域的緩沖區(qū)采用200m。由于河岸帶尺度較小,以及人為劃出緩沖帶切割對(duì)許多斑塊的形狀和邊界產(chǎn)生的影響較大,因此在河岸帶尺度上僅考慮景觀多樣性和斑塊大小的景觀指數(shù)。在景觀指數(shù)中,部分指數(shù)之間存在信息重復(fù),為突出對(duì)水質(zhì)有重要影響的關(guān)鍵景觀指數(shù),對(duì)所有的景觀指數(shù)進(jìn)行兩兩之間的Spearman秩相關(guān)分析,篩選出相互獨(dú)立,不存在顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)的景觀指標(biāo)體系。顯著相關(guān)的景觀指數(shù)中,優(yōu)先選擇經(jīng)文獻(xiàn)研究證明對(duì)水質(zhì)變化有較大影響的景觀變量。通過Spearman秩相關(guān)分析后,篩選出相互獨(dú)立的景觀變量如下:林地面積比例、城鎮(zhèn)用地比例、農(nóng)業(yè)用地比例、面積加權(quán)斑塊分型指數(shù)(AWMPFD)、林地核心區(qū)域密度(CAD)、城鎮(zhèn)用地邊界密度(ED)、農(nóng)業(yè)用地最大斑塊指數(shù)(LPI)、河岸帶城鎮(zhèn)用地比例和河岸帶林地平均最近鄰距離(MNN)。這些景觀變量包含了流域尺度和河岸帶尺度上景觀組成和結(jié)構(gòu)的信息(表1)。2.3回歸統(tǒng)計(jì)特征用每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面各種水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)變異系數(shù)(Standardizedcoefficientsofvariation,CV)表示水質(zhì)指標(biāo)的變化情況,計(jì)算公式:式中,SD為水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差,x為樣本均值。為了解景觀特征對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的影響,使用Spearman非參數(shù)檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)景觀指數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性,并建立景觀-水質(zhì)的多元線性逐步回歸模型,用變量F顯著性概率作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn),評(píng)判進(jìn)入值的標(biāo)準(zhǔn)值為0.05,評(píng)判剔除值的標(biāo)準(zhǔn)值為0.10,對(duì)每一個(gè)水質(zhì)指標(biāo),通過回歸統(tǒng)計(jì)特征(P,R2),選擇最優(yōu)模型。用典型相關(guān)分析(CanonicalCorrespondenceAnalysis,CCA)研究景觀-水質(zhì)兩組變量之間復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系。CCA是用于分析兩個(gè)隨機(jī)向量之間相關(guān)程度的一種多元統(tǒng)計(jì)方法,其基本思想是在矢量的線性函數(shù)空間中查找使得映射后變量相關(guān)系數(shù)最大的一對(duì)線性變換。在CCA結(jié)果圖中,箭頭表示景觀指數(shù),箭頭連線的長度表示該景觀指數(shù)的相對(duì)作用大小,箭頭連線與排序軸的夾角表示該景觀指數(shù)與排序軸相關(guān)性的大小,箭頭的方向表示該景觀指數(shù)的變化梯度方向。分析時(shí),可以做出某水質(zhì)指標(biāo)與景觀指數(shù)連線的垂直線,垂直線與連線相交點(diǎn)距離箭頭越近,說明該水質(zhì)指標(biāo)或監(jiān)測(cè)斷面與該景觀指數(shù)的正相關(guān)性越大,處于另一端則表示負(fù)相關(guān)性越大。CCA結(jié)果圖可以直觀地把景觀指數(shù)、水質(zhì)指標(biāo)以及樣本點(diǎn)同時(shí)表達(dá)在排序軸的坐標(biāo)平面上,以顯示在一定的景觀梯度下水質(zhì)指標(biāo)和樣本點(diǎn)的分布情況。用MonteCarlotests檢驗(yàn)景觀-水質(zhì)相關(guān)系數(shù)和CCA排序軸的顯著性。所有統(tǒng)計(jì)分析都在SPSS17.0以及PC-ord5.0環(huán)境下完成。3研究結(jié)果3.1ph和do相對(duì)其他水質(zhì)指標(biāo)從2007年淡水河流域11個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)信息可以看出,pH和DO相對(duì)其他水質(zhì)指標(biāo)時(shí)空變化較小,CV分別為2.03%和39.39%,時(shí)空變化較大的水質(zhì)指標(biāo)有CODMn、BOD5、TP、Oil和LAS,CV均大于100%(表2)。3.2城鎮(zhèn)用地和農(nóng)業(yè)用地以各水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上游匯水區(qū)為區(qū)域,分別計(jì)算其流域和河岸帶兩個(gè)尺度的分類結(jié)果(圖2)。在流域尺度上,各區(qū)域土地利用都是以林地為主,其次是城鎮(zhèn)用地,有少數(shù)區(qū)域農(nóng)業(yè)用地占較大比例,這3種土地利用類型的總面積占總面積接近90%或更高。淡水河流域城鎮(zhèn)用地所占比例超過20%,在個(gè)別小流域超過30%,城市化程度較高。在河岸帶尺度上也是林地、城鎮(zhèn)用地和農(nóng)業(yè)用地3種土地利用類型占主導(dǎo)地位,但是林地所占的比例下降,而城鎮(zhèn)用地和農(nóng)業(yè)用地所占的比例更大。淡水河流域沿程從上游到下游,林地比例變化不大,城鎮(zhèn)用地比例逐漸減少,農(nóng)業(yè)用地比例逐漸增大。3.4景觀水質(zhì)多變量分析3.4.1景觀指數(shù)與其他景觀指數(shù)的關(guān)系從Spearman秩相關(guān)分析結(jié)果可看出,pH值與Agr%負(fù)相關(guān),與F_CAD、R_Urb%正相關(guān)。DO僅與AWMPFD負(fù)相關(guān),與其他景觀指數(shù)都無顯著相關(guān)關(guān)系。CODMn、BOD5和TP都是與Urb%和U_ED正相關(guān),而CODCr、TN和Oil都與Urb%和R_Urb%正相關(guān)。Cu和F分別與都與U_ED和Urb%正相關(guān),而都與A_LPI負(fù)相關(guān)。Zn與AWMPFD正相關(guān)而與For%負(fù)相關(guān)。LAS與所有景觀指數(shù)都無顯著相關(guān)關(guān)系,所有水質(zhì)指標(biāo)與R_F_MNN也都無顯著相關(guān)關(guān)系(表3)。3.4.1對(duì)城鎮(zhèn)用地比例和景觀指標(biāo)的影響由于各個(gè)景觀指數(shù)綜合作用于河流水質(zhì),因此在單因子分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行多變量相關(guān)分析,在眾多尋找影響水質(zhì)指標(biāo)變化的關(guān)鍵景觀指數(shù)。水質(zhì)指標(biāo)與景觀指數(shù)的多元線性逐步回歸模型都達(dá)到顯著性水平(P<0.05),pH值、TN、石油類和Cu受到景觀影響較大(R2>0.8),CODMn、BOD5、TP、Zn和氟化物受到景觀影響較小(R2<0.5)。不同水質(zhì)指標(biāo)受到不同景觀指數(shù)的影響,被選入回歸模型的景觀指數(shù)有城鎮(zhèn)用地比例、林地核心區(qū)域密度、面積加權(quán)斑塊分型指數(shù)、河岸帶城鎮(zhèn)用地比例、河岸帶林地平均最近鄰距離、城鎮(zhèn)用地邊界密度、農(nóng)業(yè)用地最大斑塊指數(shù)和林地比例。CODMn、CODCr、NH3-H、TP、TN、石油類、氟化物和LAS都主要受城鎮(zhèn)用地比例的影響,且都與城鎮(zhèn)用地比例正相關(guān)。pH、TN、石油類和Cu的方程都選擇了多個(gè)景觀指數(shù)作為主要景觀影響因子(表4)。3.4.2景觀格局特征的變化梯度景觀-水質(zhì)的相關(guān)系數(shù)和CCA前兩排序軸都達(dá)到顯著水平(P<0.05),第一排序軸解釋了景觀-水質(zhì)相關(guān)性的54.0%,前兩排序軸累積能解釋景觀-水質(zhì)相關(guān)性的87.6%。第一軸與城鎮(zhèn)用地比例、河岸帶林地平均最近鄰距離和河岸帶城鎮(zhèn)用地比例的相關(guān)性較高,相關(guān)系數(shù)分別為-0.879、-0.620和-0.609,主要表達(dá)了城市化水平的變化梯度。第二軸與面積加權(quán)斑塊分型指數(shù)、農(nóng)業(yè)用地最大斑塊指數(shù)和林地核心區(qū)域密度的相關(guān)性較高,相關(guān)系數(shù)分別為-0.784、0.609和0.539,主要表達(dá)了景觀破碎化的變化梯度(表5)。淡水河流域水質(zhì)的變化主要受到城市化和景觀破碎化的影響,其中城市化是最主要的影響因素。圖3反映了各監(jiān)測(cè)斷面上游匯水區(qū)的景觀格局特征。監(jiān)測(cè)斷面P1、D7和P4位于第一象限,這3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的上游控制區(qū)域具有城市化程度低、景觀破碎度小的景觀格局特征。其中監(jiān)測(cè)斷面P1遠(yuǎn)離所有其他的監(jiān)測(cè)斷面的分布區(qū),說明該監(jiān)測(cè)斷面上游匯水區(qū)城市化程度和景觀破碎度都遠(yuǎn)低于其他的監(jiān)測(cè)斷面。監(jiān)測(cè)斷面D3、D4、D5、D6和P3位于排序圖的第二象限,說明這幾個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上游匯水區(qū)的城市化程度不高,但景觀破碎度較高,位于城鄉(xiāng)交錯(cuò)地帶。P2、D1、D2位于排序圖的第四象限,城市化程度高,但景觀破碎度不高。淡水河流域的景觀特征從上游到下游有城市化程度逐漸降低,景觀破碎化程度先升高再降低的變化趨勢(shì),呈現(xiàn)出一個(gè)城市—城鄉(xiāng)交錯(cuò)—鄉(xiāng)村的景觀梯度。圖4反映了水質(zhì)指標(biāo)與景觀格局特征的關(guān)系。水質(zhì)指標(biāo)在前兩軸的分布表明了水質(zhì)指標(biāo)變化受景觀梯度變化的影響情況,相距較近的水質(zhì)指標(biāo)對(duì)景觀梯度變化有相似的響應(yīng)。DO和pH值位于CCA排序圖的第一象限,TN、Cu、Zn、F和LAS位于排序圖的第二象限,NH3-N、Oil和TP位于排序圖的第三象限,BOD5、CODCr和CODMn3種表示耗氧污染物的水質(zhì)指標(biāo)位于排序圖的第四象限。4城市和景觀破碎化本研究表明,Spearman秩相關(guān)分析僅能檢驗(yàn)景觀指數(shù)和水質(zhì)指標(biāo)之間的單因素相關(guān)關(guān)系,多元線性逐步回歸分析可以在眾多景觀指數(shù)中提取出影響某一水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)鍵景觀因子,CCA排序可以更直觀地表現(xiàn)出眾多景觀指數(shù)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的綜合作用。許多研究證明了城市面積比例增加會(huì)導(dǎo)致河流水質(zhì)退化,本研究中Spearman秩相關(guān)分析、多元回歸分析和CCA排序結(jié)果都表明Urb%的變化是解釋水質(zhì)變化最重要的一個(gè)景觀指數(shù)(表3、表4、圖5)。耗氧污染物(BOD5、CODCr和CODMn)、營養(yǎng)物質(zhì)(TN、TP和NH3-N)、石油類和氟化物都與城鎮(zhèn)用地比例顯著正相關(guān)。除了通過點(diǎn)源污染增加排放到河流中的污染物之外,城鎮(zhèn)化的一個(gè)主要特點(diǎn)是不透水地面比例的增大。暴雨時(shí)期城鎮(zhèn)地區(qū)在失去自然植被對(duì)污染物的截留、吸收作用以及土壤的自然下滲過程的情況下,大量的污染物會(huì)通過不透水地面在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入河流,城市的地下排水系統(tǒng)進(jìn)一步增加了洪峰流量和縮短了污染物進(jìn)入河流的時(shí)間。在其他研究中,林地和農(nóng)業(yè)用地比例的變化是引起水質(zhì)變化的重要原因之一,在本研究中淡水河流域的林地和農(nóng)業(yè)用地面積比例變化都不是引起水質(zhì)變化的主要原因。但通過對(duì)景觀格局的分析表明保持林地和農(nóng)業(yè)用地斑塊的完整性對(duì)避免水質(zhì)惡化有更重要的意義,Lee等人的研究也指出破碎化的林地和農(nóng)業(yè)用地與水質(zhì)的惡化有密切的聯(lián)系。pH值、TN、Oil和Cu的多元回歸模型都選擇了多個(gè)景觀指數(shù)進(jìn)入方程,說明影響這些水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)鍵景觀因子不止一個(gè)(表4)。CCA結(jié)果表明城市化和景觀破碎化是影響淡水河水質(zhì)最主要的兩個(gè)景觀梯度。在CCA排序圖中,TN、NH3-N、LAS和重金屬Cu、Zn位于第二排序軸的下方(圖4),即景觀破碎化程度高的梯度方向,說明景觀破碎化是引起這些污染物濃度上升的重要因素。林地斑塊的核心區(qū)域具有與斑塊邊緣處及破碎的林地斑塊不同的群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能,涵養(yǎng)水土和防止土壤中營養(yǎng)物質(zhì)流失的能力更強(qiáng)。研究區(qū)域內(nèi)完整的農(nóng)業(yè)用地一般位于地形平坦地區(qū),水土流失程度較低,而且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集中便于對(duì)化肥和農(nóng)藥的使用進(jìn)行科學(xué)管理,減少面源污染物進(jìn)入河流的量。河岸帶城鎮(zhèn)用地比例和河岸帶林地平均最近鄰距離都反映了人類活動(dòng)對(duì)河岸帶的干擾程度,河岸帶城鎮(zhèn)化的一個(gè)重要的表現(xiàn)是河道的渠道化,河濱植物帶被水泥堤壩取代不但割裂了河流的橫向連通性,而且破壞了河道自然蜿蜒的特點(diǎn),降低了河流生境的多樣性。河濱植物帶是截留面源污染物進(jìn)入河流的天然屏障,河岸帶林地平均最近鄰距離的增大說明了河濱植被斑塊之間的連續(xù)性減弱,對(duì)面源污染物的截留削減能力降低。一般來說,河岸帶的景觀斑塊對(duì)河流水質(zhì)的影響遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離河道的景觀斑塊,但是整個(gè)流域往往能反映更為全面的信息,特別是當(dāng)污染物與流域的水文條件密切相關(guān)的情況下。哪個(gè)尺度能更好地反映水質(zhì)變化情況取決于景觀數(shù)據(jù)的精度,河岸帶能不能代表全流域的景觀情況,流域的水文條件以及各種污染物的具體來源等因素。在本研究中