基于景观格局调控提升高度城市化滨海城市水环境质量的研究

《Water Cycle》：Landscape pattern regulation for enhancing water environments in a highly urbanized coastal city

　　

景观格局与城市水环境质量密切相关。随着城市化进程的持续推进，城市非点源污染（UNPSP）已成为城市水体的第三大污染源，对水生生态系统构成严重威胁。本研究以高度城市化的滨海城市杭州的京杭大运河杭州段（HSBHC）为研究区，基于2019—2022年三年的野外监测数据，系统分析了水体氮（N）、磷（P）的时空变化特征及城市景观格局的空间配置。研究人员采用带状缓冲区方法，设置了100、300、500、1000、1500、2000和2500 m共7种缓冲区尺度（BZS），运用冗余分析（RDA）和非参数突变点分析（nCPA）探讨了景观格局与水质之间的机制联系。结果表明，1000 m缓冲区尺度是景观格局与水质关联的最优尺度，在该尺度下景观格局对水质的解释力达到峰值（R2=0.481）。研究进一步识别出商业工业用地比例（CIL）和散布与并列指数（IJI）是影响水质的关键景观格局指标。为有效控制城市非点源污染，研究提出在1000 m缓冲区范围内，CIL比例应控制在20%以下，IJI应控制在80%以下；针对磷污染控制，CIL比例需进一步降低至15%。本研究通过有限城市空间内的景观格局优化调控，为城市水环境管理提供了理论依据和技术支撑，有助于推动城市生态系统的可持续发展。

一、研究背景与问题提出

城市化是持续的全球性趋势，预计到2050年全球人口将达约97亿，其中超过三分之二居住在城市。城市化不可避免地导致城市非点源污染（UNPSP，指污染物随降雨径流进入水体的分散污染源），已成为城市水体的第三大污染源。滨海地区作为重要的陆海生态交错带，约40%的全球人口居住在距海岸100 km范围内，其城市化进程远快于内陆地区，城市水质下降严重威胁生态完整性。中国正经历快速城市化，城市化率从1978年的17.92%飙升至2020年的63.89%，超过90%的城市河流受到不同程度污染。氮（N）和磷（P）是城市非点源污染的主要污染物，其中城市污水排放贡献了近一半（47%）的硝酸盐氮（NO₃^--N）污染。

杭州作为长江三角洲（YRD，指长江入海口周边经济发达区域）的核心城市和战略滨海枢纽，承载着超千万人口，城市水系统面临巨大压力。京杭大运河杭州段（HSBHC，指京杭大运河位于杭州市区的河段）作为城市主要水道，污染严重，部分水体总氮（TN，指水体中各种形态无机氮和有机氮的总量）浓度超过10 mg/L，严重威胁居民健康和区域可持续发展。然而，滨海城市多位于滨海平原，河网受水闸、泵站等人为控制设施影响显著，常呈现双向水流特征，传统基于数字高程模型（DEM，指用于地形分析的数字高程数据）的流域划分方法在此类区域基本失效。污染物无论通过地表径流还是管道排放进入水体，最终都需经过河岸带，因此河岸缓冲区内的土地利用能够综合反映水体附近人类活动强度。

二、研究内容与主要结论

研究人员以京杭大运河杭州段水系为研究区，通过72个水质监测点2019—2022年三年的现场监测，旨在：（1）量化杭州水体氮磷的时空变化特征及城市景观的空间配置；（2）分析景观格局与水质之间的机制联系；（3）提出基于景观调控的改善城市水环境的策略。研究得出以下核心结论：洪水期（5—9月）水体中NO₃^--N和TN浓度显著低于非洪水期，这主要归因于降水稀释作用；1000 m缓冲区尺度（BZS，指以河道为中心设定的条带状缓冲区域半径）是景观格局与水质关联的最优尺度；商业工业用地比例（CIL，指商业和工业用途的建设用地占比）和散布与并列指数（IJI，指景观类型间相邻散布程度的指标）是影响水质的关键驱动因素。为有效控制氮污染，1000 m缓冲区内CIL比例应保持在20%以下，IJI应低于80%；为进一步控制磷污染，CIL比例需降低至15%。该研究证明在有限城市空间内调整景观配置可有效改善水质，为城市水环境管理提供了理论依据和技术支撑。

三、主要技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：（1）基于高分二号（Gaofen-2）卫星影像（2019年），结合实地调查，采用面向对象分类方法在eCognition软件中进行土地利用分类，将景观类型划分为10类；（2）在ArcGIS中完成矢量土地利用数据栅格化，利用Fragstats 4.2软件计算9个景观格局指数（覆盖斑块密度、边界、形状、聚集度和多样性等方面）；（3）采用带状缓冲区方法（区别于圆形缓冲区，沿河道划分条带状区域），设置100、300、500、1000、1500、2000和2500 m共7种缓冲区尺度；（4）运用冗余分析（RDA，一种约束性排序方法，用于分析多变量间关系）探讨景观格局与水质的关系，方差膨胀因子（VIF，用于检测自变量间多重共线性的指标）控制在10以下；（5）采用非参数突变点分析（nCPA，用于识别变量间关系突变阈值的方法）结合自举法（Bootstrap，一种重复抽样统计方法，共1000次抽样）确定影响水质的景观格局阈值。水质监测数据来源于2019年3月至2022年1月期间每年1、3、5、7、9、11月共6次采样，涉及72个监测点。

四、研究结果

4.1 京杭大运河杭州段水体氮磷变化特征

水体中氨氮（NH₄⁺-N，指以游离氨和铵离子形式存在的氮）浓度总体保持相对稳定，3月达到峰值（1.70 mg/L），7月降至最低值（1.23 mg/L）。NO₃^--N浓度在洪水期（1.11—1.28 mg/L）低于非洪水期（1.77—2.10 mg/L）。TN浓度在3月达到6.20 mg/L，表明氮污染严重；洪水期由于自净和稀释作用增强，TN浓度降至3.64 mg/L（5月）和2.96 mg/L（7月）。总磷（TP，指水体中各种形态磷的总量）浓度与NH₄⁺-N类似保持相对稳定，最大值出现在3月（0.30 mg/L）。

4.2 不同缓冲区尺度下景观格局指数变化

在100 m缓冲区尺度下，道路（25%）和水体（24%）是两种主要土地利用类型；随缓冲区从100 m扩展至2500 m，道路和水体比例分别降至11%和8%，而农田从21%增至26%，林地从6%增至18%。商业工业用地在各尺度下稳定在9%—12%，居住用地在300—2500 m范围内约占21%—23%。景观格局指数方面，斑块密度（PD，指单位面积内斑块数量的指标）、最大斑块指数（LPI，指最大斑块占景观总面积比例的指标）、边缘密度（ED，指单位面积内斑块边界长度的指标）和蔓延度指数（CONTAG，指景观中斑块类型聚集程度的指标）均随缓冲区扩大而降低；周长面积分形维数（PAFRAC，指斑块形状复杂程度的指标）、景观形状指数（LSI，指景观形状规则程度的指标）、香农多样性指数（SHDI，指景观类型多样性的指标）和景观分割指数（DIVISION，指景观被分割程度的指标）则随缓冲区扩大而增加。ED和CONTAG在1000 m处出现拐点，超过1000 m后趋于稳定；IJI在各尺度间保持相对稳定，反映城市规划的强烈影响。

4.3 最优缓冲区尺度选择

在全年度尺度上，景观格局对水质的解释力在500 m内缓慢下降（R2从0.375降至0.351），在1000 m缓冲区尺度显著上升并达到峰值（R2=0.481），随后在1500 m处略有下降，2000—2500 m继续上升。非洪水期在1000 m缓冲区尺度达到峰值（R2=0.490），且景观格局对水质的影响显著（P<0.05或P<0.01）。综合考虑解释力和实际管控可行性，1000 m缓冲区尺度被确定为中国最适宜的调控空间尺度。

4.4 影响水质的关键景观格局指标筛选

在1000 m缓冲区尺度下，全年度冗余分析中R2为0.418（P=0.002），RDA1轴解释力为36.53%。CIL与NO₃^--N之间夹角小且线段长，表明CIL是导致NO₃^--N污染的重要因素；IJI与NO₃^--N形成锐角，表明高度交错分布的建设和绿地斑块通过打破连续植被缓冲屏障加剧了硝酸盐污染；林地、湿地和高LPI则发挥显著的营养物削减作用。洪水期RDA解释力较低（30.00%），CIL、IJI和SHDI是驱动氮污染的重要因素，草地也被识别为增加NO₃^--N和TN浓度的关键因子。非洪水期P值最低（0.001），RDA1轴解释力达45.05%，IJI是最关键的水质恶化驱动因子，CIL对NO₃^--N浓度也有强烈影响。

4.5 基于景观格局优化的水质调控

通过突变点分析，在全年度尺度上，CIL比例20%和IJI为80%分别对应NO₃^--N突变点累积概率约90%；IJI为80%对应TN浓度突增累积概率超过90%。洪水期，CIL比例20%对应NO₃^--N突变概率超过90%，IJI达81%或SHDI达2时概率超过95%；CIL比例15%对应TP浓度突增累积概率超过90%。非洪水期，IJI达80%时TN突增累积概率超过90%，CIL比例20%对应NO₃^--N突增概率接近90%。综合而言，CIL和IJI被确立为影响城市水质的关键驱动因素。

五、讨论与结论

讨论部分指出，洪水期氮浓度较低主要归因于降水稀释作用，与尼日利亚东南部、嘉兴、西苕溪流域等地的研究结果一致；温度影响微生物活性也是季节差异的重要因素。1000 m缓冲区尺度为最优尺度的结论与鄱阳湖流域、秦淮河流域的研究相互印证。CIL作为城市非点源污染的主要驱动因素，其原因包括不透水表面消除自然渗透、密集人口和工业活动产生持续废水排放、高道路密度增强污染物水文连通性、人工排水管网绕过河岸植被屏障等。IJI升高本质上是建设用地与绿地的组合而非均匀分布，反映污染源的分散和渗透，加剧了NO₃^--N污染；完整城市绿地比破碎化绿地对水质改善更有利，因此建议将IJI控制在80%以下。研究局限性在于不同河段两岸景观差异可能导致最优缓冲区尺度不同，且关键景观指标存在尺度效应，分区分段管理可能提高调控效果，但需进一步研究验证。

研究结论：城市景观格局变化通过重构污染物传输路径导致水质退化。研究以京杭大运河杭州段为研究区，基于三年野外监测数据，发现洪水期水体TN和NO₃^--N浓度低于非洪水期；农田和林地比例随缓冲区扩大而增加；PD、LPI、ED和CONTAG随缓冲区扩大而降低，而PAFRAC、LSI、SHDI和DIVISION则增加；当缓冲区尺度达到1000 m时，多数景观格局指数趋于稳定，该尺度是水质调控的关键空间单元。为缓解水体氮污染，1000 m缓冲区内CIL比例应保持在20%以下，IJI低于80%；为进一步控制磷污染，CIL比例应降至15%。该研究证明在有限城市空间内调整景观配置可有效改善水质，为城市水环境管理提供理论依据和技术支撑，有助于促进城市可持续发展。