近十余年来，我国城市化发展十分迅速. 土地利用/覆被类型与格局变化是城市化主要表现之一^{[1, 2, 3]}. 城市化过程中土地利用变化表现为将原有农业用地为主的类型转变为城市土地利用类型，其结果为城市不透水用地类型快速增加，自然生态系统用地类型大幅度减少^{[3, 4, 5]}. 湿地作为重要的生态系统类型受城市化影响极为显著^{[6, 7, 8, 9, 10, 11]}. 城市化不仅改变了湿地生态系统周边土地利用结构与格局，而且对其水环境质量产生重要影响^{[12, 13, 14]}. 许多研究表明^{[7, 8, 9]}城市土地利用是导致湿地水环境污染的主要原因，而水质污染主要表现为氮、 磷污染^[3]. 城市环境中土地利用与湿地水环境质量之间影响关系十分复杂^{[15, 16, 17]}，相关研究还处于起步阶段^[18]. 从目前研究现状来看，有关土地利用与湿地水环境质量之间关系研究，非城市区域研究较多^{[19, 20, 21]},而针对复杂城市景观中土地利用问题的研究比较缺乏.

本研究从城市化影响土地利用角度，以南京仙林新市区为例，综合考虑湿地集水区内土地利用类型与格局，利用3S技术、 地统计分析和野外调查等方法，揭示城市土地利用与湿地水环境之间的关系，以期为城市区域水环境保护提供科学依据. 1 材料与方法 1.1 研究区域

研究以快速城市化的南京仙林新市区为案例区域. 该区域(32.059°N~32.147°N，118.867°E~119.013°E)位于南京东北部，紫金山东麓，面积大约为84.59 km². 自2003年以来，南京市对该区进行城市化拓展，土地不断被开发利用. 城市化发展使得该区域景观从农村景观逐渐转变为城市景观. 其中，建筑用地等人工景观类型不断增加，绿地、 湿地、 林地等改善生态环境的自然景观类型不断减少. 另外，区域城市化过程还导致大量湿地丧失，有些湿地被改造利用，湿地斑块数目和面积呈不断缩小^{[3, 4, 10, 11]}. 城市土地利用的这些变化必然对湿地水环境产生重要影响. 1.2 研究方法 1.2.1 湿地集水区内土地利用类型

相关研究表明，集水区尺度土地利用对湿地水环境影响贡献最大^[7]. 为此，本研究选取集水区尺度为研究空间尺度. 针对城市区域，由于人为干扰等因素使得湿地集水区界线提取较为复杂. 研究中，对于低山丘陵地区的湿地集水区，根据地形因素对其进行边界信息提取; 对于平原内的湿地提取集水区边界时则需要考虑产汇流过程和干扰因素，如排水管网和道路等人为因素影响. 因此对城市湿地集水区信息的提取主要采用地形自动提取及人工纠正的方法. 具体方法是在ArcGIS 9.3水文分析模块的支持下，通过对1980年1 ∶50000地形图生成的南京市23 m空间分辨率数字高程模型(DEM)进行一系列水文特征分析后生成集水区，同时根据区域实际情况并结合该地形图对集水区边界进行修正. 而对于地势较为平坦区域，主要是依据周围道路、 水渠作为边界. 在集水区边界确定的基础上，将集水区边界与2010年景观类型图叠加分析，得到每个集水区内土地利用类型图.

为了反映城市化土地利用影响，选取受城市化影响强度大的区域，并结合已有水质数据，选择10个具有代表性城市湿地(图 1)：大浦塘(DPT)、 西横山(XHS)、 大成东(DCD)、 大成南(DCN)、 南邮(NY)、 南财(NC)、 阳山南(YSN)、 西湖西(XHX)、 纪家边(JJB)以及采月湖(CYH). 参照全国土地利用现状分类方法，并结合当地实际情况，将区域内土地利用类型划分为湿地、 林地、 不透水用地和草地这4种类型. 其中不透水用地面积包括建筑用地、 道路等不透水性土地利用类型.

图 1

Fig. 1

图 1 研究区示意图及采样点空间分布 Fig. 1 Schematic of the study area and the spatial distribution of sampling points

2010年3月~2011年2月对研究区10个样点进行每月一次的水质监测. 本研究主要选取的水质指标有：总氮(TN)和总磷(TP). 其中总氮采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法、 总磷采用碱性过硫酸钾消解-可见光分光光度法，每个样品设置3个平行，取其平均值.

为了反映水质季节影响的差异性，按气候条件划分为干季和湿季2个时期，干季为2010年3月~5月以及2010年9月~2011年2月、 湿季为2010年6月~8月. 1.2.3 景观指数选择

景观指数是景观空间格局分析的重要方法，它能够高度浓缩景观格局信息，并反映其结构和空间配置某些方面特征^[9,14]. 相关研究表明，由于城市区域土地利用类型与格局复杂多样，度量其景观特征指数很多. 其中景观类型面积、 斑块数量、 形状、 多样性、 分离度、 连通性等景观指数对湿地水环境影响较为敏感^[8,10]. 为此，研究通过分析十个景观指数与湿地水环境影响关系，筛选出斑块密度(PD)、 平均斑块形状(SHAPE_MN)、 香浓多样性指数(SHDI)、 散布与并列指数(IJI)以及斑块结合度指数(COHE)等5个景观指数，揭示其与湿地水质之间关系. 这些景观指数的生态学意义见表 1. 景观指数获取是在Arcgis 9.3中利用软件Fragstats 3.3获得各指数值.

表 1(Table 1)

表 1 研究中使用的景观指数 Table 1 Landscape metrics used in the study 景观指数 指数描述 范围 斑块密度(PD) 单位面积上的斑块数，反映景观破碎化程度(×102 个·hm-2) >0 平均斑块形状(SHAPE_MN) 经过某种数学转化的斑块边长与面积之比，反映斑块形状的复杂性 ≥1 香农多样性指数(SHDI) 基于信息理论的测量指数，反映景观异质性 ≥0 散布与并列指数(IJI) 与景观类型相邻的其他类型的多少，反映景观分离度(%) 0~100 斑块结合度指数(COHE) 反映相应斑块类型之间的物理连通性 0~100

表 1 研究中使用的景观指数 Table 1 Landscape metrics used in the study

2 结果与分析 2.1 湿地集水区土地利用状况

从湿地集水区土地利用类型面积及其所占比例来看，湿地集水区面积都在100 hm²以内，除阳山南的湿地面积为30.76 hm²外，其他监测点的湿地面积都比较小(表 2). 从湿地集水区内土地利用类型来看，西横山、 纪家边以及采月湖均以林地为主. 其中西横山区域林地面积所占比例高达90.67%，而大成东和南邮不含林地类型. 南邮、 南财以及阳山南所在区域不透水面积所占比例均超过其总面积的50%，大浦塘、 西横山、 西湖西、 纪家边、 采月湖不透水面积所占比例比较小，均不超过10%. 大成南和西湖西草地所占比例较大，分别为65.06%和62.19%，南财、 阳山南和采月湖草地面积比例较小，均不超过10%，西横山和纪家边集水区不含草地土地利用类型.

表 2(Table 2)

表 2 湿地集水区内土地利用状况 Table 2 Status of land use in wetland catchment areas 类型 统计值 DPT XHS DCD DCN NY NC YSN XHX JJB CYH 湿地 面积/hm2 8.82 3.05 10.24 3.33 1.37 1.10 30.76 0.64 4.09 2.34 比例/% 13.57 4.01 37.62 22.50 11.12 2.59 37.69 2.55 14.33 9.53 林地 面积/hm2 29.48 69.03 0.00 0.11 0.00 9.46 6.18 3.86 22.62 20.16 比例/% 45.37 90.67 0.00 0.75 0.00 22.35 7.58 15.23 79.26 81.96 不透水 面积/hm2 1.74 4.06 8.71 1.73 7.86 28.51 42.68 1.40 1.83 0.68 比例/% 2.68 5.33 31.97 11.68 63.58 67.40 52.30 5.54 6.42 2.78 草地 面积/hm2 24.94 0.00 8.28 9.64 3.13 3.24 1.98 9.71 0.00 1.41 比例/% 38.38 0.00 30.40 65.06 25.30 7.66 2.43 62.19 0.00 5.73 集水区 面积/hm2 64.97 76.13 27.23 14.82 12.37 42.30 81.61 15.62 28.54 24.60

表 2 湿地集水区内土地利用状况 Table 2 Status of land use in wetland catchment areas

根据上述土地利用特征分析，结合湿地受城市化影响程度和湿地生态系统本身特点，将10个湿地分为农村型、 城郊型和城市型湿地三大类. 其中农村型湿地包括大浦塘、 西横山和纪家边，其特征为受城市化及人为干扰影响较小，以林地为主要土地利用类型(林地面积占集水区面积的45.37%~90.67%，不透水面积仅为4.50%). 城郊型包括大成东、 大成南、 阳山南和西湖西，其主要特征为受一定的城市化影响和人为干扰，集水区内不透水面积占39.15%，湿地和草地分别占32.80%和21.26%. 南邮、 南财以及采月湖为城市型湿地，湿地集水区受城市化影响较大，以建筑用地、 道路等不透水用地为主要用地类型，占总面积的46.75%，湿地面积所占比例最小，仅为6.07%(表 3).

表 3(Table 3)

表 3 各类湿地集水区内土地利用状况 Table 3 Status of land use in various types of wetland catchment area 类型 统计值 湿地 林地 不透水 草地 总面积 农村型 面积/hm2 15.96 121.12 7.63 24.94 169.64 比例/% 9.41 71.40 4.50 14.70 城郊型 面积/hm2 44.98 10.15 54.52 29.61 139.27 比例/% 32.80 7.29 39.15 21.26 城市型 面积/hm2 4.81 29.62 37.06 7.78 79.27 比例/% 6.07 37.36 46.75 9.81

表 3 各类湿地集水区内土地利用状况 Table 3 Status of land use in various types of wetland catchment area

从表 4可以看出，农村型湿地水质最好，城郊型次之，而城市型湿地水质明显劣于农村型与城郊型. 农村型湿地中，TP、 TN浓度分别为0.11mg ·L^-1和0.45mg ·L^-1，参考地表水环境质量标准(GB 3838-2002)，分别达Ⅲ类和Ⅱ类，表明农村型湿地水质较优. 城郊型TP和TN浓度为0.10mg ·L^-1和0.67mg ·L^-1，达到Ⅱ类和Ⅲ类水质标准; TP浓度与农村型湿地差别不大，而TN浓度比农村型湿地高0.22mg ·L^-1，表明城郊型湿地水质良好，但受到一定的人为干扰. 城市型湿地TP和TN高达0.32mg ·L^-1和1.59mg ·L^-1，分别为Ⅴ类和Ⅳ水质标准，城市型湿地水质明显劣于农村型与城郊型.

表 4(Table 4)

表 4 不同类型湿地集水区内水质分异特征 /mg ·L-1 Table 4 Water quality differentiation characteristics of different types of wetland catchment area/mg ·L-1 分类 指标 平均值 标准差 变异系数/% 变化范围 水质类别1) 农村型 TP 0.11 0.04 40.28 0.04~0.18 Ⅲ TN 0.45 0.22 49.13 0.13~0.76 Ⅱ 城郊型 TP 0.10 0.04 37.55 0.05~0.17 Ⅱ TN 0.69 0.34 48.54 0.09~1.20 Ⅲ 城市型 TP 0.32 0.10 32.50 0.12~0.49 Ⅴ TN 1.59 0.55 34.40 0.96~2.53 Ⅳ 1)水质类别参考地表水环境质量标准GB 3838-2002

表 4 不同类型湿地集水区内水质分异特征 /mg ·L-1 Table 4 Water quality differentiation characteristics of different types of wetland catchment area/mg ·L-1

从各类型湿地TP和TN浓度时间变化来看，具有明显差异性(如图 2). 农村型湿地水质指标都比较稳定，TP和TN浓度变化范围分别为0.04~0.18mg ·L^-1和0.13~0.76mg ·L^-1，水质较优，水质波动较小; 城市型湿地水质变化最为显著，TP浓度变化在0.12~0.49mg ·L^-1范围内，TN浓度变化范围为0.96~2.53mg ·L^-1，波动起伏大，且水质最差; 而城郊型湿地水质变化状况居中.

从湿地水质干湿季变化特征来看(图 3)，各类型湿地TP和TN浓度均表现为湿季大于干季. 对TP而言，农村型湿季大于干季为55.6%，城郊型湿地为75%，而城市型湿地为20%，农村型与城郊型湿地TP浓度干湿季差异较城市型明显; 对TN而言，农村型湿地TN浓度变化为湿季大于干季21.43%，城郊型湿地为13.64%，农村型与城郊型TN浓度干湿季节变化不太明显，而城市型湿地干湿季差异最为突出，TN浓度湿季大于干季76.74%，这可能与城市型湿地集水区不透水面积大(其比例达46.75%)，湿地水质主要受城市非点源影响有关.

图 2

Fig. 2

图 2 湿地水质变化趋势 Fig. 2 Quality trends of wetland water

图 3

Fig. 3

图 3 湿地水质干湿季变化 Fig. 3 Changes of wetlands' water quality in dry and wet seasons

冗余分析是一种基于排序技术的线性分析方法，能够从统计学角度评价一个或一组变量与另一组多变量数据之间的关系，其优势在于能够独立保持各个环境变量(土地利用)对水质变化的贡献率,能有效地对多个解释变量进行统计检验,其二维排序图直观地展现了水质参数与土地利用类型及构成之间的关系. 因此本研究采用冗余分析法来研究土地利用类型与湿地水质的关系^{[22, 23, 24]}. 利用canoco for windows软件对TN、 TP浓度与4种土地利用类型进行RDA分析，结果见图 4. 可以看出，不同水质指标与土地利用类型相关性及强度与干湿季存在一定的关系.

图 4

Fig. 4

图 4 土地利用类型与湿地水质的RDA分析 Fig. 4 RDA analysis of land use types and wetland water quality SD.湿地; LD.林地; CD.草地; BTS.不透水用地

不论湿季和干季，TP和TN浓度均与不透水用地呈显著正相关，与草地、 林地和湿地均表现为负相关，表明集水区尺度内不透水性用地是湿地水质污染的主要贡献者. 由于不透水地面阻碍水体下渗，增加地表降雨径流速度，导致径流量增加和污染浓度升高，从而引起水质退化. 林地、 湿地和草地与各水质指标呈负相关关系，表明林地、 湿地以及草地的分布有助于净化水质. 湿地水质指标的负相关性较草地、 林地显著，表明湿地自身净化水质的能力对改善水质具有显著的正效应. 2.3.2 土地利用格局与水质的关系

从土地利用格局与湿地TN、 TP浓度关系来看，不同格局指数对湿地水质的影响存在一定的差异性(图 5).

图 5

Fig. 5

图 5 土地利用格局与湿地水质的RDA分析 Fig. 5 RDA analysis of land use pattern and water quality in wetlands

在湿季，TP、 TN浓度与平均斑块形状指数(SHAPE_MN)呈负相关，与斑块密度(PD)、 多样性指数(SHDI)为正相关. 除此之外，TP浓度和散布与并列指数(IJI)为正相关，与斑块结合度指数(COHESION)不相关. 而TN浓度与IJI为负相关，与COHESION为正相关. 在干季，TP、 TN浓度与各景观指数的关系跟湿季有所不同. TP、 TN浓度与SHAPE_MN呈负相关，与PD、 SHDI、 IJI以及COHESION为正相关.

干湿季土地利用格局对水质的影响主要反映在IJI与TN浓度的关系. IJI可以描述景观分离度，高的IJI表明该区域内各斑块类型的空间邻接分布越复杂. 湿季降雨丰富，易形成径流，污水随径流经过各种土地利用类型时，复杂的空间邻接分布将有利于对污水的截留，从而净化水质.

3 讨论 3.1 土地利用类型对水质的影响

土地利用类型与湿地水质之间存在着较为显著的相关关系，不同土地利用类型对湿地水质的作用有所不同. 不透水用地比例与TP和TN浓度均呈显著正相关，表明区域不透水用地对湿地水质具有负效应. 南京仙林新市区受到城市化影响，人类干扰不断增强，随着城市用地面积的扩大，不透水面逐渐增加，降低了城市径流的渗透，增加了径流量，同时人类活动导致城市生活污水聚集性释放，径流污染物浓度升高，最终导致湿地水质的污染和恶化.

林地、 湿地和草地与TP和TN浓度的负相关性表明林地、 湿地和草地具有削减污染物的效用. 许多研究表明，林地可以减少降雨径流对土壤的侵蚀程度，并降低径流中污染物的浓度，从而起到净化水质的作用. 而湿地本身具有一定的自净能力，可以降解和转化污染物，对改善水质具有正效应. 湿地集水区内草地一般分布于湖岸边，数量较小，且分布不集中，但对径流产生的污染物具有一定的截留和削减作用.

随着仙林新市区的不断发展，不透水面仍将继续增加，并不断减少湿地、 林地和草地的面积，从而造成湿地水质的污染、 恶化等问题. 因此，为保护湿地水环境，促进人类可持续发展，应尽量增加和保护林地、 湿地和草地等净化水质的景观类型，同时控制不透水用地的面积. 3.2 土地利用格局对水质的影响

湿地水质同时还受土地利用格局影响. 本研究中TP、 TN浓度与平均斑块形状(SHAPE_MN)有显著负相关性. SHAPE_MN反映斑块形状的复杂性，SHAPE_MN越高，平均斑块形状越复杂，越有利于净化湿地水质，因此对改善水质有正效应.

斑块密度(PD)反映了景观的破碎化程度. 高的PD意味着景观的破碎化程度越严重，人类干扰程度也越强，湿地水质污染的风险也越高. 多样性指数(SHDI)则反映景观的异质性，高的SHDI表明较为丰富的景观多样性和更高强度的人类干扰，对水质的影响也越大. 斑块结合度指数(COHESION)反映的是斑块之间的连通性. 高的COHESION意味着斑块之间良好的连通性，容易将地面沉积物带入湿地生态系统中，对湿地水质的影响也就越显著.

散布与并列指数(IJI)对湿地可以描述景观分离度，高的IJI表明该区域内各斑块类型的空间邻接分布越复杂，TP、 TN浓度往往较高. 但在本研究中，IJI在湿季时对TN浓度具有负效应，表明湿季时，复杂的空间邻接分布将有利于降低TN浓度. 这可能与湿季降水较丰富，易形成地表径流，污染物在迁移过程中被其他斑块拦截，从而在一定程度上起到净化水质的作用.

本研究区随着城市化进程的不断发展，人类活动的干扰程度不断加强，改变了湿地生态系统周边的土地利用结构和格局. 人类干扰导致景观破碎化程度加强、 景观多样性增加，斑块之间连通性也增大，同时各斑块类型分布越复杂，从而对湿地水环境质量产生重要影响. 因此，合理配置景观空间格局，科学规划土地利用，减少建筑用地、 道路等不透水性土地利用类型的大面积集中分布，可以减少非点源污染物的输出，同时增加设置林地、 湿地、 草地等的面积，并减少人类的干扰，促进其转化、 截留径流污染物，从而改善湿地水质.

4 结论

(1)城市化区域不同类型湿地水质差异明显. 农村型湿地受城市化影响最小，TN、 TP浓度低，季节波动较小，水质最优，城郊型次之; 而城市型湿地因为受到较强的人为干扰，集水区中不透水用地比例大，其TN、 TP浓度高，季节波动大，水质最差.

(2)各类型湿地水质受季节差异的影响，农村型湿地TP、 TN浓度季节变化为湿季大于干季; 城郊型湿地TP浓度为湿季大于干季，TN浓度干湿季差异不明显; 城市型湿地TP和TN浓度明显增高，且湿季大于干季.

(3) 城市湿地TN、 TP浓度既受土地利用类型影响，又与土地利用空间格局关系密切. 从土地利用类型来看，不论湿季和干季，各水质指标均与不透水用地呈显著正相关，与草地、 林地和湿地均表现为负相关，其中湿地与水质指标的负相关性较草地、 林地显著. 在土地利用格局方面，TP、 TN浓度在干季和湿季均与平均斑块形状呈负相关，与斑块密度、 多样性指数为正相关. 干湿季土地利用格局对水质的影响主要反映在IJI与TN浓度的关系，即在湿季为负相关，干季为正相关.