流域土地利用景观异质性和河流水质密切相关^[1]. 利用流域土地利用景观格局指数可以直接从景观特征与空间变化入手，分析其与河流水质的空间关系，为河流生态系统管理提供了新的方法和手段^[2]. 使用与水质显著相关的景观格局指数作为景观尺度上的景观环境指标，可以直接反映水质变化的原因，对于水质监测、 流域管理等有重要的意义.

目前，国内外已有相关研究分析了景观组成^{[3, 4]}(森林、 城镇、 农田等)、 景观空间结构^[5](不同类型斑块的大小、 形状和分布等)以及不同景观研究尺度^{[6, 7]}(河岸带、 流域尺度等)对水质的影响. 由于流域土地利用景观格局与河流水质之间的关系非常复杂，且景观格局具有明显的尺度依赖性^[8]，不同尺度下景观格局与水质之间的相关关系有所不同. Sun等^[9]指出在河流的嵌套子流域中人类活动和土地利用变化对水质的影响在一定程度上有所不同. 国内目前对于子流域尺度上的研究多集中于独立子流域^{[10, 11, 12]}，很少有研究考虑到流域的嵌套关系. 而在国外，Singh等^[13]在嵌套流域研究了溶解有机物的数量和组成，Prestegaard等^[14]在嵌套流域对径流、 悬浮泥沙和污染物来源进行了研究. 由此可见考虑流域的嵌套关系进行相关的研究很有必要.

本研究考虑到流域的嵌套关系，运用多元统计技术来探索中田河流域从源头到周围景观对水质的累积影响，目的是为了探究景观异质性和水体总氮浓度之间的关系并确定影响水质总氮浓度变化的主要景观异质性因素，以期为合理调整流域土地利用结构，发展土地利用结构优化技术，改善流域水环境质量提供理论与技术参考.

研究区中田河流域位于江苏省溧阳市饮用水源地——天目湖水库的上游，是太湖流域上游典型的低山丘陵小流域. 流域集水面积约47.43 km²，是天目湖地区主要水源涵养地. 该区为亚热带季风气候区，干湿冷暖，四季分明，全年平均温度为17.5℃. 年均降雨量1 149.7 mm. 中田河流域内有低山、 丘陵、 平原等多种地貌类型，主要以低山丘陵为主，地面高程在17.8～531.5 m之间，最大坡度54°，最小坡度0°，地形较为复杂. 采样点位于各子流域的出口(图 1).

图 1

Fig. 1

图 1 中田河流域地理位置示意 Fig. 1 Location of Zhongtian River watershed

在2013年1月-2013年12月对典型小流域氮素输出进行野外监测，监测频率为每月1次. 采样点就设置在每个典型小流域的河流出口处，使用直立式有机玻璃采水器采集水样，然后带回实验室分析. 采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法分析水样的总氮浓度. 一共有20个常规监测断面，D1-D14是中田河流域干流从上游到下游的14个水质监测断面，P1-P6是中田河支流从上游到下游的6个水质监测断面. 本研究以每个监测点总氮浓度的年平均值作为氮迁移至水体中的指标.

本研究采用ArcGIS的水文分析工具通过填充洼地、 计算水流方向以及流水累积量，并以采样点为出口对中田河流域进行小流域单元划分. 子流域边界提取利用ArcGIS的ArcHydro模块完成，基础数据为1 ∶50 000地形图数字化构建的DEM.

利用2009年5月航拍的高精度影像(0.5 m×0.5 m)获取研究区的土地利用信息. 采用ENVI4.8对影像数据进行大气辐射校正、 几何纠正等预处理. 然后运用ArcGIS 9.3进行人工目视解译，结合实地调查将研究区土地利用类型分为草地、 园地、 耕地、 建设用地、 林地、 裸地和湿地7大类. 利用ArcGIS的空间分析功能，把前述提取的20个小流域边界和解译的土地利用数据叠加，获得了各小流域的土地利用数据(图 1).

景观异质性分为土地利用结构和土地利用景观格局. 利用ArcGIS软件的空间模块计算土地利用结构指标，景观格局指数由Fragstats 3.3计算(表 1). 根据流域的嵌套关系，本研究土地利用结构指标和景观格局指数以流经采样点的上游所有范围内土地利用为基础计算.

表 1 (Table 1)

表 1 中田河流域土地利用结构和景观格局指数 Table 1 Land-use structure and landscape pattern metrics in the Zhongtian River watershed 指标类型 指标 全名 单位 土地利用结构 Grass 草地面积比例 % Graden 园地面积比例 % Farm 耕地面积比例 % Built 建设用地面积比例 % Forest 林地面积比例 % Bare 裸地面积比例 % Wet 湿地面积比例 % 景观-类型指数 SDI 香农多样性指数 SEI 香农均一性指数 景观斑块-面积指数 TE 边界总长度 m MPS 平均斑块大小 hm2 PSSD 斑块面积标准差 hm2 ED 边缘密度 m ·hm-2 PSCOV 斑块面积均方差 % NUMP 斑块数目 m ·hm-2 MEDPS 斑块面积中值 hm2 景观斑块形状指数 AWMSI 面积加权平均形状指数 MSI 平均形状指数 MPAR 平均周长-面积比率 MPFD 平均斑块分维数 AWMPFD 面积加权平均形状分维数

表 1 中田河流域土地利用结构和景观格局指数 Table 1 Land-use structure and landscape pattern metrics in the Zhongtian River watershed

本研究采用Pearson相关分析、 主成分分析和多元回归分析等统计方法分析景观异质性和河流总氮浓度之间的关系.

Pearson相关分析量化了总氮浓度、 土地利用结构和景观格局指数之间的关系. 主成分分析把许多可能相关的指标转化为更少数量的不相关因素. 这样可以显示数据的内部结构，更好地解释数据的方差. 其结果是少量的因素可以解释大量的原始数据所能解释的信息. 最后，利用多元逐步回归分析评估不同的土地利用因素对总氮浓度的相对贡献. 所有的数学及相关统计分析通过Excel和SPSS完成.

如表 2所示，中田河流域各类用地面积比例差异较大，林地具有最大的面积比率(66.64%)，其次为耕地(16.87%)、 建设用地(8.8%)和园地(6.25%)，湿地和裸地的面积比率分别为2.82%和2.31%. 草地具有最小的面积比例(1.17%). 总体来说，中田河流域的20个子流域大多以林地(最大值为91.04%)和耕地(最大值为20.47%)为主. 从上游到下游的20个子流域，草地、 园地、 湿地所占面积比例呈上升趋势，耕地在D9-D14、 P2、 P5这8个流域所占的比例相对较大，其它各流域相差不大，这说明中田河流域的耕地主要集中在流域的中下游，建设用地在流域的D1-D8流域所占的面积较大，其余流域则变化相对平稳，这说明中田河流域的建设用地主要分布于流域的上游，而整个流域中裸地面积比例则分布较为均匀.

表 2 (Table 2)

表 2 中田河流域特征及总氮浓度汇总 Table 2 Summary of watershed characteristics and measured total N concentrations in the Zhongtian River watershed 流域编号 面积/km2 总氮/mg ·L-1 土地利用类型比例/% Grass Garden Farm Built Forest Bare Wet D1 4.16 3.765 0.87 3.95 3.29 91.04 0.77 0.08 D2 4.45 3.564 0.94 6.18 3.15 88.37 0.95 0.41 D3 6.42 3.358 0.98 9.69 3.11 84.44 1.32 0.47 D4 7.68 3.178 1.69 0.07 10.33 2.95 82.45 2.01 0.51 D5 11.59 3.691 1.13 0.05 8.51 2.53 84.78 2.49 0.52 D6 13.29 2.982 1.47 0.04 8.36 2.31 84.61 2.59 0.62 D7 13.81 3.026 2.01 0.04 8.45 2.65 83.68 2.50 0.67 D8 15.19 2.924 2.48 0.04 8.60 2.87 82.73 2.51 0.79 D9 18.03 2.329 2.32 0.56 11.09 3.12 79.39 2.31 1.21 D10 28.25 2.215 1.68 6.23 12.38 2.91 72.45 2.55 1.80 D11 34.34 2.745 1.41 5.85 15.15 3.65 69.27 2.50 2.17 D12 41.91 2.344 1.30 6.38 15.55 3.65 68.48 2.23 2.42 D13 45.78 2.287 1.20 6.07 16.45 3.81 67.70 2.09 2.68 D14 47.43 2.249 1.17 6.25 16.87 3.93 66.64 2.31 2.82 P1 1.91 2.046 2.24 18.06 4.46 1.31 71.58 0.81 1.54 P2 4.69 7.000 0.04 3.90 20.47 8.37 63.51 2.82 0.89 P3 4.34 1.749 0.85 7.60 12.19 1.67 76.28 0.06 1.35 P4 3.72 1.735 0.99 6.44 5.07 1.82 84.83 0.07 0.79 P5 1.81 4.439 0.31 2.66 18.08 6.05 71.07 0.75 1.07 P6 1.66 4.672 0.34 2.91 13.12 5.54 76.38 0.82 0.89

表 2 中田河流域特征及总氮浓度汇总 Table 2 Summary of watershed characteristics and measured total N concentrations in the Zhongtian River watershed

本研究中所有监测点的总氮浓度的平均值为3.115 mg ·L^-1. 总氮浓度的最大值7.000 mg ·L^-1位于P2流域，最小值1.735 mg ·L^-1位于P4流域. 整体来说，总氮浓度从上游到下游有减小趋势.

为了揭示总氮浓度与景观异质性之间的关系，对各景观异质性指标与总氮浓度进行了Pearson相关分析. 如表 3所示，土地利用结构中建设用地比例和总氮浓度在0.01水平上显著相关，草地比例在0.05水平上与总氮浓度显著相关. 景观格局指数分为三类，分别表示景观-类型指数、 景观斑块-面积指数和景观斑块-形状指数. 景观斑块-面积指数中斑块边缘密度(ED)、 斑块大小变异系数(PSCOV)和斑块面积标准差(PSSD)在0.05水平上与总氮浓度显著相关. 景观斑块-形状指数中面积加权平均形状指数(AWMSI)、 平均形状指数(MSI)、 面积加权平均斑块分维数(AWMPFD)与总氮浓度在0.05水平上显著相关. 另外，耕地比例、湿地比例、 MPAR、 MPFD、 TE、 MPS、 NUMP和MEDPS与总氮浓度的相关系数都大于0.3.

表 3 (Table 3)

表 3 中田河流域土地利用结构和景观格局指数的Pearson相关分析 Table 3 Results of Pearson correlation analysis for land-use structure and landscape pattern metrics in the Zhongtian River watershed 总氮 Grass% Garden% Farm% Built% Forest% Bare% Wet% SDI SEI AWMSI 总氮 1 Grass% -0.614** 1 Garden% -0.344 0.023 1 Farm% 0.356 -0.428 -0.096 1 Built% 0.842** -0.648** -0.223 0.744** 1 Forest% -0.098 0.192 -0.506* -0.832** -0.509* 1 Bare% 0.161 0.359 -0.448 0.366 0.220 -0.273 1 Wet% -0.416 0.105 0.504* 0.589** 0.062 -0.808** 0.255 1 SDI 0.038 -0.124 0.506* 0.819** 0.449* -0.973** 0.234 0.782** 1 SEI 0.038 -0.123 0.505* 0.819** 0.450* -0.973** 0.234 0.782** 10.000** 1 AWMSI -0.505* 0.540* 0.166 0.274 -0.183 -0.447* 0.615** 0.761** 0.402 0.403 1 MSI 0.469* -0.400 0.033 0.097 0.390 -0.080 -0.447* -0.356 0.187 0.187 -0.713** MPAR 0.306 -0.457* 0.200 -0.272 0.119 0.255 -0.804** -0.512* -0.194 -0.194 -0.839** MPFD 0.369 -0.376 0.163 -0.060 0.245 0.019 -0.606** -0.399 0.084 0.083 -0.760** AWMPFD -0.458* 0.650** 0.272 0.200 -0.207 -0.457* 0.619** 0.692** 0.428 0.428 0.955** TE -0.380 0.235 0.070 0.506* 0.031 -0.565** 0.567** 0.867** 0.508* 0.508* 0.887** ED 0.497* -0.390 0.287 0.283 0.519* -0.379 -0.353 -0.073 0.444* 0.443 -0.478* MPS -0.390 0.516* -0.357 0.171 -0.231 -0.101 0.775** 0.422 0.079 0.079 0.780** NUMP -0.401 0.224 0.077 0.477* 0.004 -0.533* 0.539* 0.859** 0.471* 0.471* 0.882** MEDPS -0.400 0.213 0.113 0.483* 0.009 -0.555* 0.529* 0.868** 0.486* 0.486* 0.893** PSCOV -0.596** 0.528* -0.152 -0.001 -0.394 0.011 0.500* 0.471* -0.046 -0.045 0.845** PSSD -0.496* 0.527* -0.234 0.175 -0.261 -0.148 0.689** 0.544* 0.123 0.124 0.888** MSI MPAR MPFD AWMPFD TE ED MPS NUMP MEDPS PSCOV PSSD MSI 1 MPAR 0.822** 1 MPFD 0.972** 0.916** 1 AWMPFD -0.601** -0.751** -0.631** 1 TE -0.659** -0.809** -0.742** 0.762** 1 ED 0.879** 0.719** 0.870** -0.321 -0.450* 1 MPS -0.755** -0.945** -0.859** 0.672** 0.764** -0.769** 1 NUMP -0.689** -0.803** -0.760** 0.749** 0.997** -0.477* 0.755** 1 MEDPS -0.682** -0.799** -0.755** 0.756** 0.990** -0.470* 0.754** 0.989** 1 PSCOV -0.884** -0.830** -0.897** 0.719** 0.763** -0.803** 0.842** 0.782** 0.768** 1 PSSD -0.811** -0.924** -0.885** 0.771** 0.846** -0.745** 0.955** 0.847** 0.842** 0.949** 1

表 3 中田河流域土地利用结构和景观格局指数的Pearson相关分析 Table 3 Results of Pearson correlation analysis for land-use structure and landscape pattern metrics in the Zhongtian River watershed

表 3中可以看出总氮浓度和建设用地比例之间显著正相关，与耕地比例之间有明显的正相关. 总氮浓度与草地比例显著负相关，与园地比例、 湿地比例有明显的负相关. 中田河流域中大部分景观格局指数与总氮浓度呈负相关. 这些相关性显然证明 了土地利用与总氮浓度显著相关，而研究区具有复 杂几何形状的土地利用可能减轻总氮负荷.

土地利用结构和景观格局指数也具有一定的相关性，例如土地利用结构(Garden%、 Farm%、 Built%、 Wet%)和香农指数(SDI、 SEI)显著正相关，而Forest%与香农指数显著负相关. 这个结果表明土地利用集约化并不总是导致景观格局简单化，特别是景观-类型异质性. 因此，为了进一步评估土地利用和总氮浓度之间的关系，维数的聚集和减少是必不可少的.

选用相关分析中与总氮浓度显著相关的土地利用结构与景观格局指数进行主成分分析，分析过程中采用极大方差法旋转来最大化主要成分载荷的方差. 表中的特征值表示每个PC的测量意义. 表 4列出了提取出来的3个主要成分，它们的累计特征值解释了总方差的94.870%.

表 4 (Table 4)

表 4 中田河流域土地利用结构和景观格局指数的重要主成分的载荷1) Table 4 Loadings of land-use structure and landscape pattern metrics on significant principal components for the Zhongtian River watershed 指标 PC1 PC2 PC3 Grass% 0.549 0.079 -0.782 Built% 0.037 -0.306 0.917 AWMSI 0.899 0.405 -0.066 MSI -0.394 -0.862 0.153 AWMPFD 0.950 0.193 -0.178 ED -0.101 -0.935 0.292 PSCOV 0.589 0.755 -0.193 PSSD 0.686 0.678 -0.101 特征值 5.386 1.207 0.996 总方差/% 37.472 36.854 20.545 累积方差/% 37.472 74.325 94.870 1)黑体字表示强载荷

表 4 中田河流域土地利用结构和景观格局指数的 Table 4 Loadings of land-use structure and landscape pattern metrics on significant principal components for the Zhongtian River watershed

如表 4所示，在3个主要成分中，PC1解释了总方差的37.472%，并与AWMSI和AWMPFD具有强烈的正载荷，这代表了景观斑块-形状指数的影响； PC2解释了总方差的36.854%，并与ED有明显的正载荷，这表明PC2代表景观斑块-面积指数的影响； PC3解释了总方差的20.545%，并与建设用地面积比例有明显正载荷，因此这个成分代表着增加建设用地对总氮浓度的影响.

多元回归分析按照逐步测试方法的标准和选择SPSS软件提供的向前算法. 如表 5所示，有两个主要成分的显著性水平<0.05，分别是PC3和PC2. 模型1仅把PC3作为预测值且占总氮浓度变化的70%. 通过增加其它景观因素，模型的精度明显增加. 模型2可以解释总氮浓度变化的78%. 尽管很难确定每个变量对总氮浓度的绝对贡献，但可以通过对比其标准化回归系数评估它们的相对贡献. PC3和PC2对总氮浓度的贡献分别是67.31%和32.69%. PC3与总氮浓度有明显的正相关，这表明增加建设用地会导致总氮负荷增加； PC2与总氮的负相关表明增加景观斑块的大小会减小总氮负荷.

表 5 (Table 5)

表 5 中田河流域以成分因素作为预测变量总氮浓度作为相应变量的回归分析 Table 5 Regression results with component factors as predictor variables and total N concentration as response variable for the Zhongtian River watershed 模型 非标准化系数 标准系数Beta t P 偏相关 R F B SE 1 (常量) 3.11 0.20 15.40 0.00 0.70 17.27 PC3 0.86 0.21 0.70 4.16 0.00 0.70 2 (常量) 3.12 0.18 17.00 0.00 0.78 12.98 PC3 0.86 0.19 0.70 4.59 0.00 0.74 PC2 -0.42 0.19 -0.34 -2.22 0.04 -0.47

表 5 中田河流域以成分因素作为预测变量总氮浓度作为相应变量的回归分析 Table 5 Regression results with component factors as predictor variables and total N concentration as response variable for the Zhongtian River watershed

土地利用面积集约化在景观水平上会改变景观格局^[15]. 本研究中PC3可以解释为建设用地比例，这个指数直接受人类引起的土地利用类型的影响，因此它们可以作为流域尺度上土地利用结构的替代指标(表 5). 相关分析表明土地利用结构和大部分景观格局指数有关(表 3). 土地利用结构中园地比例、 耕地比例、 建设用地比例与由SDI和SEI代表的景观-类型指数呈正相关，这个结果表明在流域尺度中土地集约利用可以通过增加农田，居住区提高土地利用的多样性. 景观斑块-面积指数表征了草地和裸地的破碎化程度，如减小MPS相当于增加ED. 本研究结果表明草地比例和裸地比例与MPS有明显的正相关，这表明土地利用集约化对景观斑块大小有显著的负面影响. 本研究中建设用地比例和景观破碎度有明显的相关性，这可能是由于分散的农村地区通过扩展道路来连接草地和裸地，由此碎化了草地和裸地，从而通过加快径流和土壤侵蚀产生非点源污染.

营养盐的负荷受自然和人为因素的综合影响，它们的相互影响在不同的时间和空间尺度上会发生变化^[16]. 许多研究发现建设用地是影响氮浓度的重要因素^{[17, 18, 19]}. 本研究相关分析结果表明总氮浓度与人为引起的土地利用类型显著正相关，如建设用地比例. 这与Wilson等^[20]的研究相同. 除了通过点源污染增加排放到河流中的污染物之外，城镇化的一个主要特点是不透水地面比例的增大. 暴雨时期城镇地区在失去自然植被对污染物的截留、 吸收作用以及土壤的自然下渗过程的情况下，大量的污染物会通过不透水地面在短时间内进入河流^[21]. 相反的，Brett等^[22]在其研究区发现由于污水处理厂的存在或没有工业废水排入流域时建设用地并没有和氮显著相关. 本研究结果表明建设用地是影响总氮浓度的主要因素，而中田河流域的农业用地面积比例并不是引起水质变化的主要原因. 尽管有研究表明农业用地比例与许多水质指标有负相关性^[23].

但文献^{[24, 25, 26]}也指出农业用地与降解水质之间有明显的正相关. 这可能取决于研究区的耕作方式和气候特征^[25]. 本研究结果可以解释为由于中田河流域中农业用地基本上靠近河道，导致其对气候条件或地质条件的变化响应较为敏感从而导致农业用地与水质之间的关联抵消或掩盖. 同时，从相关分析可以看出湿地面积比例与总氮浓度有明显的负相关性，表面湿地对流域氮输出具有显著的截留效果，这与李兆富等^[27]的研究结果一致.

许多研究发现在流域中景观几何结构和格局越是复杂越可以减轻邻近河流的负面影响^[28]. 然而斑块密度和水质之间的关系尚不清楚. Uuemaa等^[29]在爱沙尼亚河流中的研究表明ED和总氮浓度之间呈负相关，而Lee等^[25]在韩国的研究表明ED和总氮浓度之间呈明显的正相关. 相关分析结果表明ED和总氮浓度在0.05水平上具有显著正相关. 由此可以说明土地利用和水质之间的关系是复杂的，同时可能存在区域差异性. 斑块密度与土地利用的破碎程度有关，其值越高，意味着流域内不同类型的景观斑块数量越多，越不利于控制污染物的扩散和迁移，即在一定程度上反映各汇水区非点源污染状况. 景观高度破碎的土地利用不能有效地过滤营养盐负荷. 有研究认为景观-类型指数与总氮的相关性较为明显，但是在本研究中景观-类型指数并没有与总氮浓度表现出明显的相关性，这可能是由于本研究区土地利用类型的边缘或形状很复杂，其能量流和物质流很难通过单一指数进行刻画. 景观斑块-面积指数和景观斑块-形状指数的大多数指数与总氮浓度之间有明显的负相关性，这个结果说明总氮浓度主要与土地利用的配置和多样性的负面影响有关. 回归分析结果指出土地利用结构和景观斑块-面积指数是影响流域水质的关键景观因子，它们可以更有效地解释中田河总氮浓度变化特征.

(1)流域景观异质性对水质具有重要的影响，流域的水质与土地利用结构和景观格局有密切的关系. 中田河河水总氮浓度受周围土地利用方式的影响，具有很强的空间变异性，表现为建设用地会恶化水质，而草地可以改善水质.

(2)中田河流域中景观斑块-面积指数和土地利用结构是影响水质的关键因素，增加土地利用斑块面积对水质有明显的改善作用. 中田河流域水质的恶化与土地利用类型的斑块聚合程度以及复杂程度有很大的关联性，表现为增加土地利用斑块的形状复杂性和不规则性对其水质状况有改善效果.

(3)中田河水环境治理中，需要进一步优化区域景观格局，在流域可持续发展中需适当增加林地和草地等汇景观面积，降低农田与建设用地等源景观比重. 景观格局优化时，需要避免景观破碎化，保持斑块形状结构，从源头上减轻氮元素对流域水质的污染，改善水质状况.