湿地是介于陆地与水生生态系统之间的过渡地带, 具有涵养水源、调节径流、降解污染及保护生物多样性等重要功能, 是最重要的生态系统之一, 被誉为“地球之肾”^{[1, 2]}.湿地水环境是湿地核心环境要素之一, 对湿地的形成和演化起到了主导作用^[3], 是湿地生物重要的栖息环境.随着人类活动对湿地的干扰增强, 围垦利用、污水排放等人类活动使湿地水质不断下降, 导致湿地环境的恶化、生物多样性降低、湿地生态服务功能减弱甚至丧失等问题^{[4, 5]}.

大量研究结果表明, 人为因素驱动的土地利用方式能够通过各种复杂的途径对地表水质造成直接影响, 是影响湿地水质的重要因素^[6~9], 分析土地利用方式对水环境的影响已成为近年来国内外水生态系统研究和管理的关注热点^[10~14].然而, 由于不同研究区域内的土地利用格局及其他环境因素(如地形、气候和土壤质地等)存在差异, 土地利用方式与水质之间关系的研究往往存在不同的结论^[15~17].此外, 哪个尺度的土地利用格局对于水质的影响最大一直存在争议^{[18, 19]}.例如, 王鹏等^[19]认为流域尺度的土地利用方式对水质的影响大于缓冲区, 而Johnson等^[20]发现缓冲区的土地利用面积比例与河流水质的关联更为显著.

鄱阳湖是典型的浅水型湖泊, 在平水期、枯水期洲滩大片裸露, 形成大面积的湿地, 以其独特的生境与复杂的气候、水文条件形成了鄱阳湖极具特色的湿地生态系统^{[21, 22]}.近年来, 受周边居民生活、养殖业及流域内工农业排污等人类活动的影响, 鄱阳湖水质不断下降^{[23, 24]}.目前有关鄱阳湖水质状况的研究主要集中在主湖区^{[25, 26]}, 而对鄱阳湖周边湿地水质状况的研究还较少.本研究聚焦于鄱阳湖丰水期被水淹没、枯水期裸露的湿地洲滩, 该区域是鄱阳湖动植物资源最丰富的区域, 特别是越冬候鸟的重要栖息地及许多鱼类的产卵场所, 湿地水质直接影响着生物的生境质量^[27].本研究通过大范围的野外采样, 分析鄱阳湖湿地水质的空间异质性及其与不同尺度土地利用方式的关联性, 以期为鄱阳湖湿地水环境管理提供科学依据.

鄱阳湖位于我国江西省北部, 长江中下游南岸, 是中国第一大淡水湖, 拥有两个国家级自然保护区, 其承接赣、抚、信、饶、修五大河流的来水, 汇入长江.鄱阳湖是具有过水性、季节性的浅水型湖泊, 属亚热带湿润性季风型气候, 光照充足, 年均气温18℃左右, 无霜期长.鄱阳湖流域降水丰沛, 年降水量为1 350~1 900 mm^[24], 但季节分布不均, 降水主要集中在春夏两季.春夏两季为鄱阳湖的丰水期, 4~8月受降雨及长江来水影响, 水位逐渐上升, 7~8月达到最高, 直至8月下旬水位开始下降；秋冬两季为枯水期, 10月下旬至次年3月水位最低^[28].丰、枯季节的水面面积、蓄水容积悬殊极大, 形成“高水是湖、低水似河”的独特湿地景观^[29].鄱阳湖北部和东北部地形多为丘陵山地, 西部及南部多为河口三角洲平原, 历史上鄱阳湖河口三角洲地区的围垦活动频繁, 使得河口三角洲耕地广布, 人类活动频繁^[30].鄱阳湖周边主要的土地利用类型是耕地, 近年来居民用地面积增加最多^[31].

本研究在鄱阳湖随机选取了30个典型湿地进行采样(图 1), 于2016年9月下旬至10月上旬(即丰、枯水期的过渡时期)完成水样采集工作.丰水期时, 鄱阳湖周边湿地水体与主湖区连成一片, 而枯水期时湿地以草洲为主, 水域面积较小或无水域. 9~10月既有利于采样活动的顺利开展, 又能较好地反映湿地本身的水质特征.该段时间也是鄱阳湖湿地生物生长旺盛的季节, 水质对很多生物(如沉水植物、底栖动物)的生长有重要影响.水样采集过程中, 如遇降雨则在雨停2~3 d后进行采样, 以减少土地利用方式对湿地水质影响的滞后效应.每个样点采集3份250 mL的水样, 用冷藏保温箱保存后带回实验室, 进行叶绿素a(Chl-a)、高锰酸盐指数、总磷(TP)和总氮(TN)等水质参数的测定. Chl-a采用丙酮萃取法测定, 参考文献[32].高锰酸盐指数采用碱性高锰酸钾法测定, 高锰酸钾氧化水中有机物以及还原性物质, 计算求出水样所消耗高锰酸钾的量来测定化学需氧量. TP质量浓度测定选用钼酸铵分光光度法(GB 11893- 1989), TN质量浓度测定选用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894- 1989).

图 1

Fig. 1

图 1 鄱阳湖区土地利用状况、采样点的空间分布及其小流域 Fig. 1 Land use pattern of Poyang Lake area, locations, and watersheds of sample sites

基于30 m精度的DEM数据, 利用ArcGIS 10.2软件的水文分析模块划分采样点对应的子流域.以往的研究表明, 200 m~10 km缓冲区内的土地利用方式对河流、湖泊水质有显著影响^{[19, 33, 34]}.为了研究不同缓冲区尺度的土地利用方式对鄱阳湖湿地水质的影响, 以各个采样点为中心分别做半径为200 m、500 m、1 km、2 km、5 km和10 km的缓冲区.土地利用数据由2014年Landsat卫星数据经ERDAS软件目视解译获得, 将土地利用类型分为耕地、河流、湖泊、湿地、水库坑塘、居民用地、林地、草地及未利用土地等共9类, 提取子流域和缓冲区内各土地利用类型面积, 计算各土地利用类型面积所占的百分比.

首先, 采用K-S检验对所有变量进行正态分布检验, 将不符合正态分布的变量进行转换使其尽量呈正态分布, 计算不同尺度下的土地利用类型面积占比与各个水质参数之间的Pearson相关系数.其次, 以不同尺度下的土地利用类型面积占比作为解释变量, 各个水质参数分别作为响应变量构建多元线性回归模型, 基于赤池信息量法则(akaike information criterion, AIC)筛选出每个水质参数的最简约模型^[35], 模型的adjusted R²值代表土地利用方式对水质参数的解释度.此外, 还采用冗余分析(redundancy analysis, RDA)方法分析土地利用方式对多个水质参数变异的解释能力, 并采用蒙特卡罗方法检验(随机抽样500次) RDA分析结果的显著度.所有数据分析在统计软件R中完成.

鄱阳湖湿地水体Chl-a质量浓度在2.20~28.80 mg ·m^-3之间变化, 均值为10.94 mg ·m^-3 (表 1), 在空间分布上差异较大[图 2(a)], 较大值多出现在人类活动较少的自然保护区内, 较小值多位于赣江、饶河等河口位置[图 2(a)].高锰酸盐指数波动范围为1.83~5.46 mg ·L^-1, 平均为3.62 mg ·L^-1. TN波动范围为0.43~2.08 mg ·L^-1, 平均值为1.04 mg ·L^-1, 其中3个采样点处于Ⅱ类标准, 14个Ⅲ类标准, 7个Ⅳ类标准, 5个Ⅴ类标准, 1个超过Ⅴ类标准[图 2(c)]. TP质量浓度在0.02~0.12 mg ·L^-1之间波动, 平均为0.08 mg ·L^-1, 其中3个采样点处于Ⅱ类标准, 3个Ⅲ类标准, 19个Ⅳ类标准, 5个Ⅴ类标准[图 2(d)].由此可见, 鄱阳湖湿地水体主要的污染物为TN、TP, 而有机污染物和Chl-a质量浓度不高.基于上述各项水质参数, 5个采样点的综合水质为Ⅲ类, 15个Ⅳ类, 9个Ⅴ类, 1个超过了Ⅴ类标准, 平均为Ⅳ类水质[图 2(e)].

表 1 (Table 1)

表 1 鄱阳湖湿地水质指标描述性统计 Table 1 Descriptive statistics of water quality parameters in Poyang Lake wetland 参数 最大值 最小值 均值 标准差 Chl-a/mg·m-3 28.80 2.20 10.94 7.67 高锰酸盐指数/mg·L-1 5.46 1.83 3.62 1.01 TN/mg·L-1 2.08 0.43 1.04 0.46 TP/mg·L-1 0.12 0.02 0.08 0.03

表 1 鄱阳湖湿地水质指标描述性统计 Table 1 Descriptive statistics of water quality parameters in Poyang Lake wetland

图 2

Fig. 2

Chl-a采用分位数分类法 图 2 鄱阳湖湿地水质状况 Fig. 2 Water quality at 30 sample sites in Poyang Lake wetland

各采样点200 m、500 m、1 km、2 km、5 km和10 km缓冲区及子流域内的土地利用类型面积所占比例如图 3所示.湿地、耕地和湖泊这3种土地利用类型的面积占比较大, 其他土地利用类型面积占比较小.换言之, 采样点周边以湿地、湖泊和耕地为主.湖泊、居民用地、林地、坑塘和河流面积占比随空间尺度的增大而增加, 湿地面积占比随空间尺度的增大而减少.

图 3

Fig. 3

图 3 不同尺度下的土地利用类型面积占比 Fig. 3 Percentages of land use types in different spatial scales

在缓冲区尺度, Chl-a与耕地、河流、湖泊、草地呈显著负相关, 而与居民用地呈显著正相关(表 2), 其中与200 m缓冲区内的湿地相关度最高(r=0.63, P＜0.001).高锰酸盐指数与湿地、居民用地呈显著正相关, 而与耕地、林地、草地呈负相关, 其中与500 m、1 km缓冲区内的湿地和居民用地相关度较高(r≥0.65, P＜0.001), 与1~10 km的林地也有较高的相关度. TN与200 m~2 km缓冲区内的耕地、200~500 m缓冲区内的河流、1~5 km缓冲区水库坑塘、1~2 km缓冲区内居民用地呈正相关, 而与湖泊、林地、草地呈负相关, 其中与200 m缓冲区内的河流相关度最高(r=0.56, P＜0.001). TP与200 m~2 km缓冲区内的耕地、200 m缓冲区内的河流、5~10 km缓冲区内的水库坑塘、1~2 km缓冲区内的居民用地呈显著正相关, 而与1 km缓冲区内的湖泊呈负相关.总体而言, 水质参数与土地利用的相关度在小空间尺度上(200 m~2 km)要高于大空间尺度(5~10 km).

表 2 (Table 2)

表 2 缓冲区尺度水质参数与土地利用类型之间的Pearson相关系数1) Table 2 Pearson's correlations between water quality parameters and land use types in different buffer zones 水质参数 缓冲区尺度 土地利用类型 耕地 河流 湖泊 湿地 水库坑塘 居民用地 林地 草地 Chl-a 200 m -0.38* 0.58*** 0.63*** 0.38* -0.36* 500 m -0.42* -0.54** 0.57*** 0.38* -0.46** 1 km -0.44* -0.54** 0.42* 0.41* -0.41* 2 km -0.41* -0.41* 0.41* 5 km -0.39* 10 km 高锰酸盐指数 200 m -0.38* 0.65*** 0.47** -0.49** 500 m -0.39* 0.70*** 0.67*** -0.48** -0.49** 1 km -0.36* 0.65*** 0.68*** -0.64*** -0.46** 2 km 0.62*** 0.61*** -0.72*** 5km 0.56*** 0.53** -0.66** 10 km 0.59*** 0.45* -0.69*** TN 200 m 0.39* 0.56*** -0.41* 500 m 0.42* 0.47** -0.36* -0.39* 1 km 0.46** -0.54** 0.44* 0.39* -0.36* -0.55** 2 km 0.40* -0.40* 0.38* 0.37* -0.45* -0.54* 5 km -0.50** 0.37* -0.42* -0.48** 10 km TP 200 m 0.38* 0.42* 500 m 0.41* 1 km 0.44* -0.37* 0.42* 2 km 0.37* 0.40* -0.38* 5 km 0.40* -0.42* 10 km 0.41* -0.39* 1)只列出了相关性显著的解释变量, *表示P＜0.05；**表示P＜0.01；***表示P＜0.001, 下同

表 2 缓冲区尺度水质参数与土地利用类型之间的Pearson相关系数1) Table 2 Pearson's correlations between water quality parameters and land use types in different buffer zones

在小流域尺度, Chl-a与湿地、居民用地呈显著正相关, 而与湖泊、林地、草地呈显著负相关(表 3).高锰酸盐指数与湿地、居民用地呈显著正相关, 而与河流、林地和草地呈显著负相关. TN与耕地、河流和居民用地呈显著正相关, 而与湖泊和林地呈显著负相关. TP与耕地、河流和居民用地呈显著正相关, 与湖泊呈显著负相关.

表 3 (Table 3)

表 3 小流域尺度水质参数与土地利用类型之间的Pearson相关系数 Table 3 Pearson's correlations between water quality parameters and land use types at watershed scales 水质参数 耕地 河流 湖泊 湿地 水库坑塘 居民用地 林地 草地 Chl-a -0.49** 0.58*** 0.46** -0.41* -0.42* 高锰酸盐指数 -0.39* 0.56*** 0.67*** -0.52** -0.50** TN 0.42* 0.52** -0.46** 0.37* -0.45* TP 0.41* 0.42* -0.38* 0.39*

表 3 小流域尺度水质参数与土地利用类型之间的Pearson相关系数 Table 3 Pearson's correlations between water quality parameters and land use types at watershed scales

多元回归分析显示, 土地利用方式对水质参数的解释度随着缓冲区尺度变化呈现出先升高后降低的趋势(图 4).其中, Chl-a、TN和TP的多元回归模型R²值在1 km缓冲区内达到最大(R²值分别为0.48、0.56、0.36, P＜0.01), 而高锰酸盐指数多元回归模型的R²值在500 m缓冲区内达到最大(R²=0.62, P＜0.001), 大尺度缓冲区内(5 km和10 km)的土地利用方式对水质参数空间分异的解释度较弱但依然显著.总体而言, 土地利用类型对高锰酸盐指数空间分异的解释度要高于其他参数, 而对TP质量浓度的解释度最低.小流域尺度Chl-a、高锰酸盐指数、TN和TP的多元回归模型R²值分别为0.45、0.55、0.42和0.32(P＜0.01), 均小于对应水质参数缓冲区尺度最大的R²值(图 4).

图 4

Fig. 4

图 4 不同缓冲区尺度的土地利用方式多元线性回归模型对水质参数的解释度(R2值) Fig. 4 The R2 values of multivariate linear regression models for different water quality parameters using the percentages of land use types in different buffer zones as the explanatory variables

RDA分析结果表明, 耕地、居民用地在各个缓冲区尺度与水质均存在显著的相关性, 而水库坑塘对水质的作用在各个尺度均不显著(表 4).湿地、草地对水质的作用在小缓冲区尺度(200 m~1 km)更显著, 而林地与水质的相关性在较大缓冲区尺度(2~10 km)更显著.湖泊与水质在500 m~5 km缓冲区尺度存在显著的相关性, 而河流与水质的相关性仅在200 m缓冲区尺度显著.在小流域尺度, 除水库坑塘以外其他所有的土地利用类型与水质都存在显著的相关性.总体上, 土地利用方式对水质空间分异的解释度随空间尺度的增加呈先升后降的趋势, 其中1 km缓冲区内的土地利用方式对水质的解释度最大.

表 4 (Table 4)

表 4 基于冗余分析(RDA)的多尺度土地利用类型对水质空间分异的解释结果 Table 4 Proportion of variation in all water quality parameters explained by land use types at multiple spatial scales based on redundancy analysis (RDA) 尺度 耕地 河流 湖泊 湿地 水库坑塘 居民用地 林地 草地 所有土地利用类型 200 m 0.23** 0.34*** 0.37*** 0.20* 0.15* 0.50* 500 m 0.24** 0.30*** 0.34*** 0.22** 0.25** 0.53* 1 km 0.30*** 0.35*** 0.27** 0.23** 0.26** 0.57** 2 km 0.25** 0.22** 0.14* 0.21* 0.22** 0.11* 0.45* 5 km 0.19* 0.15* 0.11* 0.16* 0.23** 0.41 10 km 0.17* 0.14* 0.20* 0.33 小流域 0.15* 0.24** 0.26** 0.22** 0.32*** 0.27** 0.13* 0.54*

表 4 基于冗余分析(RDA)的多尺度土地利用类型对水质空间分异的解释结果 Table 4 Proportion of variation in all water quality parameters explained by land use types at multiple spatial scales based on redundancy analysis (RDA)

本研究显示, 鄱阳湖湿地水质介于Ⅲ类与Ⅴ类之间, 大多数采样点的水质处于Ⅳ类.以往在鄱阳湖主湖区的研究表明, 鄱阳湖水质介于Ⅱ类与Ⅳ类之间, 总体处于Ⅲ类的状态^[26].相比之下, 洲滩湿地的水质状况更差, 这可能是因为鄱阳湖周边人类活动较频繁, 周边湿地受到的干扰和污染要比主湖区更严重.再者, 鄱阳湖是通江湖泊, 主湖区水体流速较快^[36], 周边湿地水体流动性相对较差, 污染物更容易积累.鄱阳湖湿地水体主要的污染物是氮磷等营养盐(表 1和图 2), TN和TP的质量浓度已经超过了可能发生水华现象的条件(TN>0.20 mg ·L^-1和TP>0.02 mg ·L^-1)^[37].尽管如此, 鄱阳湖却较少发生水华^[38], 可能是由于鄱阳湖平均换水周期较短(平均20.9 d)^[39], 水体较浑浊, 泥沙含量较高^[25], 不利于浮游藻类的生长, 因此水体叶绿素质量浓度不高(表 1和图 2).

TN、TP与1 km缓冲区和小流域内的耕地呈显著正相关(表 2和表 3), 与以往的研究结果较一致^{[19, 40]}, 但与更小或更大缓冲区内的耕地相关性不显著, 可能因为小尺度(200~500 m)缓冲区内的耕地面积占比较小(图 1和图 2), 而大尺度TN、TP在输移过程中可能被吸附、吸收或沉积.本研究中, Chl-a、高锰酸盐指数与耕地呈负相关, 与以往研究结果不同^{[19, 40]}. Chl-a质量浓度不仅受水中营养盐含量的影响, 还受其他水环境条件的影响. Chl-a质量浓度高的采样点多位于鄱阳湖周边的碟形湖内(如采样点3、9和10), 水体较静止, 有利于浮游藻类的生长；而在主湖道或河口附近(如采样点22、24和25), 水体流速较快, 不利于藻类的生长.碟形湖周边以湿地为主, 耕地面积较小, 主湖道及河口附近耕地、居民用地较多, 因此Chl-a质量浓度与耕地呈现出负相关, 而与湿地呈正相关.高锰酸盐指数度量的是水中有机污染物的含量, 水中有机污染物既可以是从外界输入的, 也可以是藻类光合作用的产物.本研究中, 高锰酸盐指数与Chl-a呈显著正相关(r=0.43, P＜0.05), 说明藻类的生长对于高锰酸盐指数值的提高有显著影响.

TN、TP与200 m缓冲区内的河流呈显著正相关(表 2). 200 m缓冲区内有河流表明采样点位于河流入湖口附近, 通过河流输入是鄱阳湖氮磷的重要来源, 减少河流携带的污染是鄱阳湖水资源保护的必要措施.与此相反, Chl-a、高锰酸盐指数与200 m缓冲区内的河流呈负相关, 可能是由于河流入湖口附近水流速较快, 不利于浮游藻类的生长.湖泊面积占比与Chl-a、TN、TP呈显著负相关(表 2), 即采样点周边湖面面积越大、与主湖区连通性越好、其Chl-a、TN、TP质量浓度越低, 表明相对于主湖区, 周边湿地起着污染物“源”的作用, 这与以往有关鄱阳湖水质的认识较一致^[41].水库坑塘与各项水质参数之间的关联性较弱(表 2), 可能是由于水库坑塘与鄱阳湖之间缺乏直接的联系, 且其面积占比较小.

居民用地与Chl-a、高锰酸盐指数、TN呈正相关(表 2和表 3), 表明居民用地对鄱阳湖水质有显著的负面影响.高锰酸盐指数与500 m~2 km缓冲区内居民用地的相关度较高(r≥0.61, P＜0.001), 表明居民生活排污是鄱阳湖水体有机污染的重要来源.与此同时, 高锰酸盐指数与200 m~2 km缓冲区的湿地有较高的相关度(表 2), 可能是由于湿地中藻类的生长使水体有机物含量升高.高锰酸盐指数与各个尺度的林地均成显著的负相关, 表明林地能有效地减少鄱阳湖水体的有机物污染^{[42, 43]}.草地与Chl-a、高锰酸盐指数、TN呈显著的负相关, 表明草地同样地起到改善水质的作用(表 2和表 3).与此相反, 于松延等^[44]在北洛河流域发现氮含量与草地呈显著正相关关系, 认为是由于流域草地管理不当引起土壤侵蚀所致.

多元回归分析表明土地利用类型对高锰酸盐指数的解释度最高, 而对TP的解释度最低(图 4). Huang等^[45]在九龙江流域建立了土地利用类型与水质的回归模型, 同样认为模型对高锰酸盐指数的解释度要好于其他水质参数, 可能是由于相对于有机污染物, 无机污染物(如氮、磷)在输移过程中更容易被土壤颗粒吸收、被植被利用或在微生物作用下发生反应变成气体(如硝化和反硝化作用)或其他不易溶解的物质(如可溶解性磷酸盐变成微溶或不溶的磷酸盐).土地利用与水质参数在各个尺度上都有显著的关联性, 对高锰酸盐指数的解释度在500 m缓冲区内达到最大, 而对TN、TP和Chl-a的解释度均在1 km缓冲区内达到最大(图 4).洪超等^[46]在江苏北部的灌河流域通过分析不同观测尺度上的土地利用和河流水质发现, 化学需氧量(COD)与较小尺度上的土地利用构成相关, 而TN和TP等营养盐质量浓度多与较大尺度上的土地利用构成相关, 与本研究结果一致.该研究结果表明, 小尺度(≤1 km)的土地利用格局对于鄱阳湖水质有重要的影响.

RDA分析表明, 1 km缓冲区内的土地利用方式对总体水质空间变异的解释度最大(表 4), 且在不同的空间尺度起主导作用的土地利用类型不同.例如, 在200 m缓冲区内, 河流和湿地与水质的相关性最大, 而在1 km缓冲区内, 湖泊、耕地与水质的相关性更强.耕地、居民用地与总体水质在各个尺度均有显著的相关性(表 4), 表明控制耕地和居民用地的面积占比有助于保护鄱阳湖湿地的水质.有研究认为, 流域尺度上的土地利用格局比缓冲区尺度能更好地解释水质的空间差异^{[19, 43]}.本研究表明, 缓冲区内的土地利用方式对水质空间差异的解释度要好于小流域尺度(图 4和表 4), 可能是由于小流域面积相对较大, 鄱阳湖周边地势较平缓、微地形复杂且植被丰富, 污染物在输移过程中可能通过底泥吸附、微生物作用、植物吸收和沉积作用等方式被有效截留和转化^[40].

(1) 鄱阳湖湿地水质介于Ⅲ类至Ⅴ类之间, 平均处于Ⅳ类的状态, 主要的污染物是TN和TP, Chl-a质量浓度和高锰酸盐指数值相对较低.

(2) 不同缓冲区尺度的土地利用方式与水质参数之间均存在显著的关联性, 其中500 m缓冲区内的土地利用方式对高锰酸盐指数的解释度最大, 而1 km缓冲区对Chl-a、TN、TP及总体水质空间分异的解释度最大.缓冲区尺度的土地利用方式对水质的解释度要高于小流域尺度.上述结果表明, 小尺度(≤1 km)的土地利用格局对于鄱阳湖湿地水质有重要的影响.

(3) 200 m缓冲区内的河流与TN、TP呈显著正相关, 表明河流入湖口附近采样点的氮磷质量浓度较高, 河流输入可能是鄱阳湖氮磷的重要来源；湖泊与Chl-a、TN、TP之间呈显著负相关, 表明相对于鄱阳湖主湖区, 周边湿地起着污染物“源”的作用；居民用地与所有水质参数呈显著正相关, 耕地与TN、TP呈显著正相关, 且耕地、居民用地与总体水质在各个尺度均有显著的相关性, 表明控制居民用地和耕地面积占比有助于鄱阳湖湿地水资源的保护.