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摘 要： 摘要: 土地利用/覆被變化產生的區域生態環境負面效應已引起國內外研究者的廣泛關注，其中，河流水質對景觀組分變化的響應已在區域及更大尺度的研究中，成為熱點。探討河流水質的景觀組分閾值，可以彌補非點源污染研究在區域尺度上的景觀變化影響水質問題研究中的不足，
摘要: 土地利用/覆被變化產生的區域生態環境負面效應已引起國內外研究者的廣泛關注，其中，河流水質對景觀組分變化的響應已在區域及更大尺度的研究中，成為熱點。探討河流水質的景觀組分閾值，可以彌補非點源污染研究在區域尺度上的景觀變化影響水質問題研究中的不足，而這是當前流域水環境管理及土地利用規劃與管理的主要依據之一。從景觀組分指數與水質指標出發，分析了當前研究的常用指標，認為: 具有明確物理意義的景觀組分指數，如不透水表面指數、植被指數等，受到水質的景觀組分閾值研究的青睞; 在水質指標中，水化學指標應用最為廣泛，同時，表征水生生態系統條件的如生物類指標、綜合生物類與非生物類指標，也逐漸受到重視，方興未艾。盡管河流水質的景觀組分閾值是當前的研究重點，但在區域以及更大尺度上，閾值的差異較大。在今后的研究中，水質退化的景觀組分閾值還需在研究尺度、水質指標及閾值標準等問題上進一步深化，而景觀格局指數的應用將會促進對水質退化受景觀組分空間配置影響的研究。對水質的景觀組分閾值研究進行綜述，可以為區域尺度上開展水質保護、流域水環境管理及土地利用規劃提供前沿信息。
關鍵詞: 景觀組分; 河流水質; 閾值
土地利用/覆被變化對區域生態環境產生的消極影響已引起國內外研究者的廣泛關注，其中河流水質受流域人為活動影響已是不爭的事實，但其影響機理及效應尚未明晰[1]。單純的評價水質、污水治理及湖庫水資源保護等管理措施不足以面對快速城市化過程中面臨的區域水資源匱乏、水質惡化、水生生態系統退化等問題，急需區域尺度上的管理與規劃方法調控流域水質污染[2]。土地利用/覆被變化體現了人類活動對地表的能動作用，尤其在人類活動強度較大的地區，土地利用/覆被的快速變化甚至徹底改變了地表物質組成與結構，對水環境質量產生顯著影響[3]，表現為通過改變水體物理、化學性質以及生物屬性，產生非點源污染，進而加重流域非點源污染負荷，導致區域水質退化及富營養化[4-5]。
當前，區域水質受土地利用/覆被變化影響的研究主要集中在兩個方面，即流域尺度上的水文水質模擬預測與區域尺度上的景觀水質關聯分析。流域尺度上，河流水質除了受到點源污染的影響，還受到非點源污染的影響。在許多地區，點源污染以得到有效控制，而非點源污染，因其污染的廣泛性、隨機性，已成為影響水質的重要污染源之一，日益受到重視，而景觀變化是影響非點源污染負荷的主要因素之一[6-7]。流域尺度上運用經驗與機理水質模型分析水質問題，非點源污染負荷模擬是當前研究城市水質污染的主要熱點之一[8]，但其缺陷主要表現在: 首先是非點源污染負荷模型只能解決的是流域尺度的問題而難以解決區域尺度的水質退化[9]; 其次是模型以經驗模型為主，機理過程模型尚未成熟，經驗模型不具有普適性，應用到其它地區難以獲得信服的結論[10]; 再次非點源污染負荷模型需要的模型參數眾多，模擬難度大[11]。探討河流水質的景觀組分閾值，可以彌補目前非點源污染研究在區域尺度上的不足，也有助于為流域水環境管理及土地利用規劃與管理提供依據[12]。
水質受景觀組分變化的影響，已成為區域及更大尺度上土地利用/覆被變化的生態環境效應研究的熱點，但景觀組分與水質之間的關聯關系、影響形式、影響距離及影響閾值水平等還屬于難點問題[13]。區域水質的景觀組分閾值研究在國內尚未有報道，本文旨在通過整理和分析國際相關文獻，為國內相關領域，在研究區域尺度上景觀格局演變的水環境效應、流域水環境管理與土地利用規劃等方面提供前沿信息。
1 景觀組分指數
在研究景觀組分與水質的關系時，常用景觀組分指數表征景觀組分，包括不透水表面百分比指數 ( impervious surface area，簡稱 ISA) 、植被指數( NDVI) 、不同土地利用/覆被類型的組分比例等。其中，ISA 用于表征地表覆被的城市化程度，植被指數用于分析流域或河岸帶的生態條件，土地利用/覆被類型的組分比例采用某覆被類型面積占總面積的百分比表示。
1. 1 不透水表面指數
不透水表面( impervious surface，簡稱 IS) 是城市中一種人工地表特征，隔離地表水下滲到土壤，割斷城市地表與地下水文聯系，主要由城市中的道路、停車場、廣場及屋頂等建筑物組成[14]。不透水表面是城市環境變化的主要因素之一，對城市地區的降雨、徑流、污染、生態系統等在數量和質量上產生深刻的影響，是流域尺度研究與管理需要面對的重要問題[15]，也是一個城市可持續發展及自然資源規劃的關鍵性環境指標[16]。不透水表面地區增大了徑流量及溫度，增加了徑流中的沉積物及污染物數量以及自然景觀的破碎度[17]。不透水表面指數( ISA) 是指單位面積內不透水表面地表所占的面積比例，不僅可表示城市化程度，還可作為衡量環境質量的指標[18]。
不透水表面指數在表征城市地區的流域內人類活動強度方面具有顯著優勢，因此常用于表征流域景觀要素，在城市地區、高度城市化流域的水質及水生生態系統退化研究中( 如美國的 Chespeake 灣流域[19]) 應用廣泛。不透水表面是城市地區地表覆被的主要類型，是控制土壤持水量，徑流量及洪峰流量的主要因素[20]。許多研究表明，不透水表面是評價城市化過程導致水質退化的重要地表覆被因子[12]。
1. 2 植被指數
植被指數是植被生長狀態及植被蓋度的最佳指示因子。目前廣泛應用的是歸一化植被指數( NDVI) 。 NDVI 是監測地區、全球植被和生態環境變化的有效指標，因此 NDVI 適用于大尺度上的植被動態監測及土地利用/覆被變化的指示，可以作為流域生態條件的環境指標，反映流域植被覆蓋的生物物理條件。流域植被覆蓋是影響河流徑流及水質的因素之一[21]，因此常用于河岸帶植被及植被蓋度變化明顯區域的水質或水生生態系統研究中，如 Shanadasa 等人[22]以 Puget Sound 流域為例，建立植被破碎度、植被蓋度與河流生態指標之間的關系，認為上游子流域的植被破碎度和河岸帶的植被蓋度與水生生態質量的變化有顯著關系。研究景觀與河流水質的關系中，植被指數在未受人類活動干擾地區具有良好的適用性，但在人類活動強度較大的地區，由于流域地表覆被狀況較為復雜，植被蓋度減少對河流水質的影響遠不及其他土地覆被類型的變化，植被指數很難有效表征景觀與水質關系，因此植被指數應用范圍較小。
1. 3 土地利用/覆被組分指數
土地利用/覆被組分指數表征的是一個區域內的不同土地利用/覆被類型的比例。土地利用/覆被分類是當前研究土地利用/覆被變化的常用方法，但在不同研究區內，土地利用/覆被類型復雜多樣，分類標準難以統一。應用土地利用/覆被組分指數分析水質變化時，必然受到土地覆被分類的影響，目前的研究多集中于城市用地[23-25]、城鄉交錯帶區[26]、農業用地[27]及林地[22]等類型。
利用土地利用/覆被組分指數，分析區域景觀水質關系，一般通過統計回歸方法獲得兩者之間的關聯關系，例如 Mehaffey [28]運用逐步回歸分析方法研究了紐約地區的水源地流域的土地利用與水質關系，認為建設用地比例和農業用地比例與水質指標關系密切，但是農業用地的貢獻程度隨時間增長有降低趨勢; Jung 等人[29]研究認為農業用地比例與水質呈負相關，居住用地比例與水質呈正相關。然而，簡單的組分比例關系，無法獲得景觀組分影響水質的閾值，特別是在城市與農業地區。
對于景觀組分指數而言，不透水表面指數常用于表征城市化地區的流域景觀組分，并且因其明確的物理意義，在研究城市化過程對河流水質的影響方面應用較多; 植被指數常應用于大中尺度( 如生態區、河岸帶或是海岸帶) 的研究中，其優勢在于能夠有效表征區域或河岸帶內的自然植被狀況變化及其對河流水質的影響，然而，在城市化程度較高的流域地區應用效果較差; 土地利用/覆被組分指數常用于城鄉過渡帶或農牧地區的流域水質研究，其優點是能夠有效地分析土地利用/覆被變化導致河流水質退化的主導組分，缺點是難以表征流域內空間格局對水質的影響程度。因此在河流水質的景觀組分閾值研究中，ISA 較適用于高度城市化流域，植被指數適用于植被蓋度高度流域，而土地利用/覆被組分指數適用于農業程度高的流域。
2 水質指數
如果不控制流域的人類活動影響，即使治理措施得當，也不能緩解河流下游地區的水生生態系統的退化[30]，因此急需在區域尺度上從土地利用/覆被角度控制流域人類活動，進而管理水環境。水質廣義上包括水體物理、化學及生物等屬性特征的質量[31]。土地利用與河流生態系統的物理、化學及生態特征變化有很大的關系，且河流上游的土地利用格局直接影響到全流域的河流功能、退化及恢復潛力; 而河流水生生態系統的 條件反映了景觀變化對水質的累積影響，可以用于表示土地利用活動的水質效應。
2. 1 物理指標
河流的物理變化包括水溫、河流加寬及截彎取直、侵蝕及沉積速率增加等等[32-33]，這些變化會改變水文循環。當前研究景觀變化導致河流物理指標改變的方法主要有: ( 1) 河流內部流量方法，常用指標為對比歷史流量變化及水力指標。Richer 等人[34]運用水文變化指數包含水力幾何參數( 例如河流的潮濕度、水位深度、流速) 的輸出及最小允許基流的統計說明河流變化受人類活動的影響[35]。( 2) 自然棲息地質量方法，是目前評價河流物理屬性變化應用廣泛的方法[36]，但其構成指標尚未統一。國際地理科學聯合會運用一系列指數評價時空尺度下的水生生態環境如沉積物序列及成分、土壤與沉積物侵蝕、河流流量、河流渠道形態、河流沉積物存儲與載荷、地表水質量、洪積平原和濕地的水文狀況構成棲息地指數評價河流變化。英國環境部的河流棲息地調查分析了河渠、河岸、河流臨近 500m 內的土地利用情況對河流變化的影響[37]。美國環保部的快速評價方法將底層土壤、河流內覆蓋、河渠形態及河岸結構組合成棲息地質量指標[38]，用于評價河流變化。
水質物理指標適合于定性描述，定量較難，但河流棲息地質量評價指數( habitat quality index，HQI) 是其中最為方便全面的方法之一，通過野外調查、層次分析或是專家打分評價河流棲息地得分。Morse 等人[39]的研究認為河流棲息地質量與土地利用密切相關。Lussier [40]的研究發現河流物理化學指數、棲息地質量、營養物質指數與流域的居住用地比例顯著負相關。棲息地質量包括形態結構、水動力、有些還包括水質及水生生物等指標，但目前評價指標及標準不統一仍然是棲息地指數應用的難點。同時，目前河流質量變化研究中的物理指標應用較少，更多關注棲息地質量指標。
2. 2 水化學指標
水質的化學變化包括有機物組成水平、pH 值、懸浮物及溶解固體、氮磷等營養物及重金屬含量變化等類型。由于水質指標眾多，不同的研究對水化學指標的選擇差異較大。Cooper [41]運用沉積物、富營養化、缺氧化及生物群落結構分析方法分析了 TOC、TON、TS、DOP 在 Chesapeake Bay 的演變過程，認為水質變化與土地利用變化及人口變化關系密切。Wang 等人[42]通過分析大邁阿密河流域的土地利用與水質的關系，認為傳導率是代表水質的很好指標，與流域及上游的城市土地利用類型具有較強的相關性，但傳導率并非非點源污染的敏感水質指標。Conway [43]以新澤西州海岸帶為研究區，選擇 pH 及電導率為水質指標，分析二者與 ISA 之間的相互關系，認為兩者呈強相關性。Xian 等人[44]以 Tampa Bay 流域為研究區，選擇了 BOD5、TSS、TKN、TN、 TDP、Pb、Zn 為非點源水質參數，分析了其污染載荷與 ISA 之間的關系，認為水質與城市土地覆被間存在非線性響應關系。Tu [45]運用 GIS 及統計方法分析了美國東麻省的城市發展對水質的影響，認為建設用地面積比例與水化學指標有高度的空間相關性。Schoonover [46]分析土地覆被變化對河流營養元素及大腸菌群變化的影響。水質化學監測具有簡單、低成本、技術健全等方面的優勢，因此水化學指標是水質研究最為常見的水質指標。然而，當前水質變化研究中過分注重水化學指標的應用，并且化學指標與物理指標的綜合性較低，都應該引起相關研究者的重視，而將水化學指標與景觀組分關聯，進行區域水質的景觀組分閾值研究是當前最常用方法。
2. 3 生物指標
土地利用/覆被從其它類型轉變為建設或農業用地時，會降低河流生態系統的生物多樣性，這種關聯關系使得生物指標常用作生態閾值的監測性指標。水生生態指標用大型底棲無脊椎動物群落結構、生物完整性指數( IBI) ，底棲動物完整性指數( B-IBI) 等指標來評價水生生態群落的結構及功能。IBI 指數用來評價水生生物的物種豐富度及組成結構，指示物種、營養組成、魚類豐富度及魚類多樣性。B-IBI 指數自 1990 年代中期用于評價美國太平洋東北部河流的生態條件以來，集成了多種生態條件評價的綜合指數。B-IBI 指數采用打分方式來評價流域生態條件，是有效診斷河流生態條件受到影響的因子[47]。此外，還有河流無脊椎動物預測與分類系統( RIVPACS) 等生物指標類型。Alberti 等人[47]在 Puget Sound 下游地區的研究表明，水生生態系統受城市地區景觀變化影響較大，底棲大型無脊椎動物指標與不透水表面指數、林地景觀組分之間關系密切。美國華盛頓州西雅圖地區的比較研究發現大型無脊椎動物指標與建設用地面積比例和不透水表面指數呈現高度的線性負相關[48]。Utz 等人[49]選擇美國 Maryland 地區，通過累計頻率分布方法比較了農業用地、城市用地及不透水表面指數梯度變化下的水生無脊椎動物種群的變化響應，發現約 44% —56% 種群對城市用地、不透水表面指數具有負效響應。Karr 等人[50]對生物指標用于景觀水質關系研究進行了深入的探討，認為生物指標是研究河流水質變化受景觀組分影響的最佳指示指標類型。
生物指標可以表征一定時期內流域條件多種變化的綜合作用，但也存在一些缺陷。例如計算無脊椎動物指標極其繁瑣，難收集數據; 結果較定性，區位得分通常是定量的分級，優秀、良、合格及不及格; IBI 等指數依賴一個未受或受輕微到影響系統作為一個基準參考，在高度城市化的研究區中缺少合適的參照河段，就很難指示河流水質為什么退化[51]; 另外，一些生物指標在評價水質時不考慮河流自然屬性。在大流域尺度上應用的綜合生物指標獲得結論往往與實際相悖，例如 RIVPACS 用于很小、淺短的流域效果明顯，而在大流域的下游河段運用時就發現評價結果偏差明顯，這樣就誤認為人類活動對小流域的影響要小于大流域[52]。盡管生物指標存在缺陷，但在研究水生生態系統( 特別是受人類活動影響的) 質量方面，該指標已被廣泛應用。
3 水質的景觀組分閾值
閾值是當系統質量、性能或征候發生突變時的突變點值，或者當一個環境變量發生較小的變化時，系統產生較大的響應; 閾值分析的難點源自非線性動力機制及多因子共同作用于不同時空尺度上的驅動力[53]。在水質變化科學中，當前重點關注如何防止水生生態系統發生突變。景觀組分與水質關聯關系往往因區域而有顯著差異，其關系表現為為非線性、閾值響應，同時，水質標準與決定閾值的景觀組分之間具有唯一性，使得閾值應用成為水環境管理中的重大挑戰。土地利用/覆被變化引起的水質退化存在不同等級的閾值響應關系，與流域內發生的物理、化學與生態變化緊密相關，因此水質的景觀組分閾值研究為水質變化研究提供基礎，是定量實施流域管理及城市規劃的主要依據[12]。
一般認為，較低程度的土地利用/覆被變化就可能導致水環境質量退化，當水環境質量退化到一定程度，將導致水生生物的群落受損且無法恢復[54]。從前人研究的閾值標準來看( 表 1) ，景觀組分指數對閾值結果具有重要影響。Arnold 和 Gibbons [18]認為 ISA 小于 10% 時，水環境質量開始退化; 當 ISA 達到 30% 時，水質退化不可逆轉; 并以此作為河流水質的判斷標準，即 ISA 小于 10% 的為“保護性”河流，10% —30% 的為“受影響”河流，超過 30% 的為“退化的”河流。Klein [55]認為初始的 ISA 最低閾值標準在 15% 左右，而 Schueler [16]認為影響閾值在 10% —20% 之間。Morse 等[39]通過總結文獻發現大多數研究的最低閾值標準在 5% —25% 之間，超過閾值將導致生物多樣性降低、種群密度降低及敏感性物種減少; 同時在美國緬因州的研究結果表明，河流昆蟲群落的物種豐富度在 ISA 超過 6% 時顯著下降，且棲息地質量及水質與不透水表面比例呈現線性關系。Conway [43]在美國新澤西州海岸帶的研究表明，pH 值及電導率表征的水質與不透水表面存在潛在閾值于 2. 4% 及 5. 1% 。Groffman 等人[53]討論了如何辨析在生態系統、景觀及區域尺度上陸地及水生生態環境中的閾值問題，發現水生生物種群閾值范圍為 10% —15% 。Ourso 等人[56]以美國 Alsaska 的 Anchorage 為例，選擇了河岸條件、河內基質、水化學指標等指標與流域不透水表面指數關聯分析，認為有八個水質指標存在閾值響應關系，閾值平均值范圍為 4. 4% —5. 8% 。Lussier 等人[40]認為水生物種組成變化 ISA 閾值為 8% —47% ，而居住用地比例的閾值為 24% —59% 。Utz [49]選擇美國 Maryland 地區，發現約 44% —56% 種群對城市發展用地與不透水表面蓋度具有水生生物的負效應響應。Theobald 等人[57]將美國的流域影響按不透水表面比例分為無壓力( 0—0. 9% ) 、輕度脅迫( 1% —4. 9% ) 、受到脅迫 ( 5% —9. 9% ) 、受到影響( 10% —24. 9% ) 、及退化 ( 大于等于 25% ) 5 個閾值等級。Todd 等人[58]認為溶解氧的建設用地組分閾值為 7. 5% ; Limburg [59]的研究表明魚類多樣性的建設用地組分閾值為 10% ，Hicks 和 Larson [60]的結論表明河流棲息地質量變化地林地組分閾值為 30% —50% 。從相關文獻中可以看出，景觀組分與水質之間的閾值水平存在區域差異，不同的水質指標與不透水表面之間的關系也存在較大差異。由于指標選取以及區域背景存在較大差異，目前關于水質的閾 值水平尚未形成確定性結論。
在景觀組分與水質指標之間的閾值關系研究中，不透水表面指數較為常用，閾值變化研究主要集中于變化顯著的城市化程度高的流域中; 而在農業、森林等土地覆被類型變化不顯著的流域研究較少，閾值不顯著。一般認為，水化學指標及生物指標表征的水質受不透水表面影響的初始閾值為 5% ，而水質退化到不可逆轉時的閾值為 30% 左右。但確定水質的影響閾值需要科學地分析水質與不透水表面之間的相互關系，難點在于尋找不透水程度和水質退化界限標準的確定依據[61]。
4 研究展望
景觀組分與水質關系研究在理論與技術方面都有待進一步發展，可以肯定的是，隨著水環境長期監測網絡的建立、3S 技術的發展以及水文水質模型的完善，必將促進對景觀變化的水質效應的深入認識。相關研究需要在以下 4 個方面進行挖掘: ( 1) 研究尺度問題 在景觀水質關系研究中，空間尺度包含可達尺度、河岸帶尺度、流域尺度是 3 種基本尺度[1]，其中河岸帶和流域尺度是土地利用/土地覆被變化與水生生態系統響應關系的關注焦點，河岸帶尺度的寬度是尺度應用中要面對的問題，常用的河流緩沖區有徑流時間緩沖區[62-63]、河岸植被寬緩沖區[64]、陸面距離緩沖區[65-66]、歐氏距離緩沖區等多種形式[67]。然而，水質的景觀組分閾值會隨空間尺度變化而變化[49]，因此區域尺度與大尺度的研究日益受到重視[21]。其中，區域尺度包括生態區或者大流域，大尺度包括大陸尺度( 如美國大陸尺度) 。Goldstien 等人[68]的研究表明，在生態區及大陸兩種尺度上，環境條件是決定河流質量的重要因子，而土地利用變化的影響不明顯; 但隨著大陸尺度降到生態區尺度時，土地利用變化影響的顯著性在增強。
年內時間尺度是研究水質動態的最佳尺度，水質隨季節變化亦有明顯的分異現象。Griffith 等[69]認為 NDVI 與河流條件參數存在顯著性相關，早春 NDVI 值關聯的綠色開始時間是與河流數據普遍關聯的變量。流域對不同的元素流可能存在不同的影響。Gergel 等人[70]認為在時間尺度上，流域的濕地面積比例對水質的影響秋季大于春季。Ahearn 等人[71]發現河流 N 營養元素與草地在年際尺度上呈正相關關系，而與在旱季呈負相關效應。Pan 等人[72]認為不同尺度下，農業用地對河流棲息地與生物種群的重要性不一致，而水化學指標對農業用地比例的變化存在時間尺度及空間尺度效應。因此，土地利用/覆被變化與水質變化關系，明顯受到空間尺度及季節變化的影響。不同的空間尺度下，二者具有不同的響應關系，同樣，季節變化導致二者在時間上的響應關系存在差異。
( 2) 將景觀格局指數應用于河流水質研究 Griffith [21]認為在大尺度上的景觀水質關系研究中，景觀生態學方法日益重要。景觀格局指數用來表征流域內的景觀空間配置關系，能夠補充土地利用變化監測結果，定量研究人類活動對河流水質的影響[85]。當前景觀格局指數因其生態環境意義不明而飽受詬病[86]，但景觀格局指數依然是分析景觀與生態環境變化之間關系的有效工具之一，只要明確了景觀格局指數的生態環境意義，其在分析景觀組分與水質關系方面將會大有作為[85]。不透水表面指數、植被指數及土地利用/覆被類型比例指數雖然能部分代表當前研究中的景觀格局特征，但仍存在局限性。例如，不透水表面指數表征城市化地區的流域效果明顯，但在非城市化地區卻難以應用; 植被指數在研究植被覆蓋度較高的流域或河岸帶時有良好的效果，但在植被蓋度較低的流域，則無法有效表征景觀特征; 土地利用/覆被類型組分指數雖然能夠表征流域內用地的結構，但卻忽略了用地類型之間的空間鑲嵌格局。在不同時空尺度上，簡單定量表征景觀組分已不能滿足研究要求，還需考慮景觀組分的空間構型，因此將景觀格局指數應用于景觀組分與水質的閾值研究中，將能夠有效彌補當前研究對景觀構型與空間相互關系的忽視，充分發揮景觀生態學中空間鑲嵌體的整體思想在河流水質研究中的作用。相關研究案例也初步表明，土地利用鄰接關系對水質變化產生影響[87]，景觀格局與水質之間具有顯著的關聯關系[88-89]。——論文作者：劉珍環1，2 ，李 猷2 ，彭 建1，2，*