遥感技术与应用, 2023, 38(2): 285-296 doi: 10.11873/j.issn.1004-0323.2023.2.0285

LUCC专栏

丹江口水库土地利用与水质变化响应关系研究

刘金宝,1,3, 刘轩,2, 孙增慧3, 赵永华4, 王博1

1.陕西地建-西安交大土地工程与人居环境技术创新中心，陕西 西安 710049

2.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454003

3.西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048

4.榆林学院生命科学学院，陕西 榆林 719000

5.长安大学土地工程学院，陕西 西安 710061

Study on the Relationship between Land Use and Water Quality Change in Danjiangkou Reservoir

LIU Jinbao,1,3, LIU Xuan,2, SUN Zenghui3, ZHAO Yonghua4, WANG Bo1

1.Technology Innovation Center for Land Engineering and Human Settlements，Shaanxi Land Engineering Construction Group Co. ，Ltd and Xi'an Jiaotong University，Xi’an 710075，China

2.Institute of Resources and Environment，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China

3.Institute of water Resources and hydro-electric Engineering，Xi’an university of technology，Xi’an 710048

4.College of Life Sciences，Yulin University，Yulin 719000，China

5.School of Land Engineering，Changan’ University，Xi’an 710061，China

通讯作者: 刘轩（1985-），男，河南焦作人，讲师,主要从事土地利用与水质变化响应遥感分析研究。E⁃mail: keystonelx@hpu.edu.cn

收稿日期: 2022-02-08   修回日期: 2023-01-20  

基金资助: 陕西地建—西安交大土地工程与人居环境开放基金.  2021WHZ0088
国家自然科学基金地区科学基金项目.  42167039
教育部人文社会科学青年基金项目.  22YJC630093
河南理工大学博士基金项目.  B2017-12

Received: 2022-02-08   Revised: 2023-01-20  

作者简介 About authors

刘金宝（1989-），男，辽宁沈阳人，博士研究生，工程师，主要从事高光谱遥感、机器学习方面的研究E⁃mail：jinbaoliu@xaut.edu.cn , E-mail：jinbaoliu@xaut.edu.cn

摘要

丹江口水库是南水北调中线工程水源地，明确土地利用景观格局与水质参数之间的响应关系，是保护及改善水质的重要前提。利用Sentinel-2B遥感影像数据对土地利用状况进行分类，基于GIS空间分析技术计算土地利用类型综合效应的景观开发强度指数，结合自动监测站点水质数据，采用冗余分析（RDA），初步探讨了丹江口水库土地利用与水质变化二者之间的响应关系。结果表明：500 m缓冲区的总解释率在枯水期与丰水期在第一轴上典型特征值为0.605 5和0.583 3，总解释率分别为71.3%和72.6%，在全部缓冲区内最高，该缓冲区的土地利用对水质的影响最大。在该缓冲区内耕地和建筑用地分布集中且连通性和聚集程度较高，对河流的污染相对较高，林地相对较多且整体连通性和聚集程度较高，对水质污染起到了一定的抑制作用。研究结果揭示了在水库周边相邻地区，农业种植区施肥和畜牧业所产生的营养物质，通过地表径流冲刷进入湖泊的营养物质是丹江口水库非点源污染的主要贡献来源。库区周边一方面要增加森林覆盖度从而增强植被改善河流水面源污染方面的强度；另一方面，要防止农业生产所产生的氮、磷对水质的影响，以减少整个库区的面源污染。

关键词： 土地利用 ; 水质变化 ; 响应关系 ; 冗余分析 ; 丹江口水库

Abstract

Clarifying the response relationship between landscape pattern or land use and water quality parameters is an important prerequisite for protecting and improving water quality. The Danjiangkou Reservoir is the water source for the South-to-North Water Diversion Project. Agricultural planting and industrial production activities will affect the water quality of the reservoir area in various ways. Using Sentinel-2B remote sensing image data to classify the land use status， based on the GIS spatial analysis technology to calculate the landscape development intensity index of the comprehensive effect of land use types， combined with the water quality data of the automatic monitoring station， using redundancy analysis （RDA）， a preliminary discussion of Danjiangkou the response relationship between reservoir land use and water quality changes. The results show that the nutrients produced by fertilization and animal husbandry in agricultural planting areas， and the nutrients that enter the lake through surface runoff are the main sources of non-point source pollution of Danjiangkou Reservoir. Land use in a 500 m buffer zone has the greatest impact on water quality. In this buffer zone， cultivated land and construction land are concentrated and have a high degree of connectivity and agglomeration. The pollution to rivers is relatively high. There are relatively more woodlands and overall connectivity and the degree of aggregation is relatively high， which has a certain inhibitory effect on water pollution. In the adjacent areas around the reservoir， on the one hand， it is necessary to increase forest coverage so as to increase the intensity of vegetation to improve river surface source pollution； on the other hand， it is necessary to prevent the impact of nitrogen and phosphorus from agricultural production on water quality to reduce the entire reservoir area of non-point source pollution.

Keywords： Land use ; Water quality change ; Response relationship ; Redundancy analysis ; Danjiangkou reservoir

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刘金宝, 刘轩, 孙增慧, 赵永华, 王博. 丹江口水库土地利用与水质变化响应关系研究. 遥感技术与应用[J], 2023, 38(2): 285-296 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2023.2.0285

LIU Jinbao, LIU Xuan, SUN Zenghui, ZHAO Yonghua, WANG Bo. Study on the Relationship between Land Use and Water Quality Change in Danjiangkou Reservoir. Remote Sensing Technology and Application[J], 2023, 38(2): 285-296 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2023.2.0285

1 引 言

水资源是人类赖以生存和发展不可或缺的重要资源［1］。然而，随着工业和农业生产水平不断提升，各种生活和生产活动对许多地区的水环境造成了极大影响［2］。水环境生态系统污染问题严重阻碍社会经济发展，已逐渐受到许多国家政府高度重视［3］。水质是评价水环境生态系统健康程度的重要指标之一，受降水、地形、土壤以及植被覆盖率等自然因素和农业生产等人为因素的共同影响，随着时间和空间变化而变化［4］。水质污染主要分为点源污染和非点源污染两种形式［5］。其中，点源污染范围有限且易于识别可以控制和治理［6］。而非点源污染，又称面源污染，由于河流与景观之间相互作用的复杂性和分散性，非点源污染范围广且影响周期长具有不确定性很难识别治理难度较大，被认为是影响地表水和地下饮用水源地安全的主要原因［7］。因此，开展对饮用水源地非点源污染风险的研究成为当前的研究热点。农业种植、工业生产等活动会改变河流、湖泊周边区域的景观格局，影响流域和库区的水文循环和非点源污染过程，进一步影响河流水质［8］。

明确景观格局或土地利用与水质参数之间的响应关系，是保护及改善水质的重要前提［9］。土地利用结构侧重于组成单元的多样性，景观格局侧重于空间构型特征。而在现有的研究中，将二者区分进行相应的研究较少，故忽视了土地利用与景观格局之间的交互影响，特别是分析土地利用强度对水质影响程度略显不足［10］。大量研究表明，景观格局或土地利用与水生态环境之间的具有明显的相互作用关系，具有区域异质性和空间尺度差异性［11-12］。在景观格局的空间结构尺度方面，主要是借助流域、子流域及缓冲区，对景观格局与水质的相关性进行定量分析［13-15］。此外，还有研究通过计算景观格局指数，如破碎度、聚集度、物理连接度，分析其与水质参数之间的相关性，探讨各种景观格局对水质的响应［16-17］。在景观格局时间尺度方面，重点在分析较长时期的水质监测数据与景观格局变化二者的相关规律［18］。这些研究虽然能够明晰不同土地利用方式或景观格局对水质影响，但多变量多重共线性问题难以克服，不能准确量化景观格局或土地利用对水质变化的影响程度。景观格局或土地利用与水质的响应关系研究方法，目前常用的主要包括回归模型、水文模型、相关性分析模型等［19-21］。但降水、地形、土壤、地质条件和水文特征等自然和人为因素往往相互叠加，景观格局指数和水质参数的相关关系存在差异性与不确定性，需要在更多典型湖泊流域内，对不同空间尺度景观内的土地利用与水质的相互关系进行研究，以期准确描述二者之间的响应关系。景观格局指数种类丰富及土地利用类型多样，与水质参数之间存在一定的信息冗余，如何选取少量合适的关键性指标，准确建立景观格局或土地利用结构与水质参数间的响应关系，并分析其影响水质过程机理，是需要解决的一项关键问题。

Brown等［22］提出了景观开发强度方法（Landscape Development Intensity，LDI），该指数是一种基于不同土地利用类型能量转换的描述方法，结合土地利用类型与单位面积单位能耗的开发强度，测算不同土地利用类型所对应的LDI系数，从宏观上评价研究区域受人类干扰强度。该指数将景观格局与人类活动相关联，可有效量化人类活动对自然生态系统的影响程度。人类活动对自然环境的干扰，反映在其对自然生态系统人为的能量输入上［23］。某一种土地利用类型输入的能量越大，表示人类对生态系统健康干扰程度就越强，生态系统的自我修复能力就更低［24］。水库作为一种调节水资源的特殊湖泊和景观类型，具有蓄水、供水、养殖和旅游等多项生态功能，在改善生态环境及促进经济发展方面发挥着重要作用［25］。土地类型是景观格局的组成部分之一，在水生态环境污染中影响程度高，特别对水库作为饮用水源地而言，农业种植、工业生产等活动，对其水资源的重要补给源入库河流生态系统会产生一定负面影响，从而直接影响水库的水环境质量［26］。

丹江口水库是南水北调工程的水源地，是国家最为重要的水源保护区之一，位于河南、湖北两省交界处，其中，河南省南部的丹江库区面积为546 km2，占库区总面积的52 %。近年来，库区通过调整周边农业种植结构，减少工业排污、加大水土保持力度，使库区水质总体良好，水质常年保持Ⅱ类标准以上，满足南水北调的水质要求，但是部分断面个别项目超标，水源地地表径流的非点源污染潜在威胁仍不容忽视。因此，研究利用遥感数据对丹江口水库土地利用状况进行分类，计算不同土地利用类型的景观发展强度指数表征土地利用程度，不同水质参数表征水质质量，明确土地利用与水质二者之间的响应关系，探讨土地利用与河流、湖泊水质之间的定量关系，不仅对明晰非点源污染过程具有重要的理论意义，而且对进一步优化库区土地利用方式，进而改善库区水质并加强水资源管理提供参考依据。

2 数据与研究区

2.1　研究区概况

南水北调中线工程水源地丹江口水库位于豫、鄂、陕三省交界处，地处汉江干流及其支流丹江交汇处下游0.8 km处，由汉江库区和丹江库区两个库区组成。南水北调中线工程输水的源头主要位于丹江库区，该库区水源主要来自于流经陕西、河南两省的丹江流域（图1）。南水北调中线工程从河南省南阳市淅川县境内陶岔闸引水，2013年大坝坝顶高程加高至176.6 m，总面积大约300 km2。水库因河流切割大部分地貌为块状山林，地形起伏变化较大。气候属北亚热带大陆性季风气候，年平均降水量804.3 mm，年平均气温 15.8 ℃。近年来，库区及其周边地区重点发展金银花、核桃、猕猴桃等特色林果业，并推广生物有机肥和低毒无毒农药，一方面防止土壤中氮磷流失，另一方面可以起到固土保水的作用。

图1

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图1   南水北调中线工程水源地区域位置

审图号：GS（2019）1697号

Fig.1   Location of water source area in the middle route of South to North Water Transfer Project


2.2　数据来源

选取丹江口水库部分水质参数为研究对象，依托丹江口水库渠首管理局自动监测站点，收集了2020年2月枯水期与2020年7月丰水期在丹江口水库布设的共50个采样点的pH值、总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）、溶解氧（DO）、高锰酸盐（CODMn）的监测数据，作为非点源污染过程的反应变量。

选取2020年3月12日（Sentinel-2B）影像数据，选择水质监测数据时间月份一致的云量小于5%的3景影像。Sentinel-2B影像数据已经进行大气校正和辐射定标处理，故对影像直接采用监督分类提取丹江口水库的土地利用类型，参照国家土地利用现状分类标准（GB/T201010-2017），并结合丹江口水库土地利用现状及解译的可操作性，将土地利用类型划分为耕地、林地、建设用地、水域、未利用地5类，土地分类结果及DEM见图2。借助野外实地调查，利用混淆矩阵法进行精度分析，选取生产者精度、用户精度、Kappa系数和总精度4个指标，对分类结果进行验证。评价结果表明，研究区土地利用/覆被分类总精度为0.885，Kappa 系数为0.873，分类精度能够满足研究需要。

图2

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图2   研究区土地分类结果及DEM

Fig.2   Land classification results and DEM in the study area


3 研究方法

3.1　缓冲区位置设置

缓冲区的合理设置，直接影响着参与分析的土地利用类型面积和反距离权重系数，影响着土地利用类型与水质之间的关系，决定了LDI综合指数的大小［27］。在实际应用中，需根据生态学意义和具体评价对象等因素综合确定缓冲区范围［28］。由于圆形缓冲区内土地利用景观结构对水质变化的解释能力高于河岸缓冲带缓冲区，故本研究结合丹江口水库湖滨带土地利用类型、社会经济发展实际状况以及研究目的，利用ArcGIS空间分析工具，以水质监测点分别作为地理中心，分别划定半径100、200、300、500、1 000、2 000 m的圆形缓冲区，求取不同缓冲半径内各类土地利用面积占比。

3.2　土地利用类型的LDI综合指数

湖泊相关的生物群落健康状况通常与人类活动强度紧密相关，人类活动越强烈，对湖泊生态系统健康的干扰也越严重。作为人类活动的具体表现形式，土地利用可以反映出邻近湖泊的健康状况［29］。LDI指数将景观格局与人类活动相关联，可有效量化人类活动对自然生态系统的影响程度［30］。

LDI系数代表了单位面积利用不可再生能量的定量测量值，即不可更新能源能值。它可以用来表示土地利用类型所消耗的能值，能值消耗越多则对应的LDI系数越大［31］。最后累积研究范围内不同土地利用类型及其LDI系数，其计算公式为：

LDItotal=∑%LUi×LDIi

其中：LDItotal为整个景观单元的总景观发展强度，%LUi表示某种土地利用类型占景观总面积百分比，LDIi是景观发展强度指数。

LDI方法的实质是核算不同土地利用类型的不可更新能源能值输入量。以LDI指数表示，一年时间内每公顷土地可利用的生产产品或服务所需要的能量能值，衡量单位是太阳能焦耳［J·（hm2·a）-1］。在本研究的大型水库生态系统中，人为的能量输入表示人类活动对水库自然生态环境整体的干扰程度，通过人类对水库周边土地利用状况间接评价湖泊水质。LDI综合指数法从环境、经济、社会等方面全面客观地衡量土地利用价值和综合效应，从而客观地反映土地利用活动对湖泊水质的干扰程度。

LDI系数是根据不同区域土地利用类型对应的能值进行估算得到，受区域经济社会发展水平不同的影响而有所差异，故应根据研究区域实际精确测定，从而提高其适用性［32］。本研究确定划分的耕地、建设用地、林地、水体、未利用地5种土地利用类型对应的LDI系数，如表1所示。LDI系数取值范围在1~10之间，其中1代表水库为完全自然健康状态，10代表水库土地开发利用程度高而出现极度退化。LDI系数越大，表明水库受人类干扰强度越大，相应的水质状况越差。

表1   丹江口水库土地利用类型与对应的LDI系数

Table 1  Land use types and corresponding LDI in Danjiangkou Reservoir

土地利用类型说明LDI系数
耕地包括旱地、水浇地、蔬菜地等4.54
建设用地住宅、工矿、交通运输等基础设施用地8.66
林地以乔木为主的有林地，包括天然林和人工林1.58
水体自然湖泊水体1.00
未利用地裸地、翻耕但还未种植作物用地6.92

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随着空间位置改变，土地利用类型与水质的响应关系会表现出不同的局部变化特征。在相同研究区域的不同位置，某种土地利用类型对水质的影响，在方向、大小及距离上均可能呈现出不同的特征［33］。

相同土地利用类型距离水质监测采样点的位置越近，对水质的影响程度也就越大。传统LDI系数计算方法，仅考虑了土地利用类型结构对生态环境的影响，忽视了距离衰减因素。因此本研究为降低距离衰减对水质的影响，加入反距离权重对LDI系数进行改进［34］，计算公式如下：

LDIindex=∑λi×LUi(%)×LDIi

其中：λi=di-2/∑i=1ndi-2，且满足∑i=1nλi=1。

其中：λi为土地利用类型对应的反距离权重系数，di是土地利用类型斑块重心位置至对应采样点的距离，n是土地利用类型的总数量。

在Canoco 5.0中进行除趋势对应分析（DCA），分析划分的丹江口水库6个缓冲区的景观发展强度与湖泊水质参数之间的响应关系。将水质参数定义为响应变量，土地利用类型的LDI值定义为解释变量，4个坐标轴在所有缓冲区上的最长梯度值都小于3，因此选取RDA冗余分析评价缓冲区土地利用类型结构对河流水质指标的影响。

4 结果与分析

4.1　区域水质分布状况时空分析

将收集的共50个采样点2020年2月枯水期与2020年7月丰水期的水质监测数据进行插值分析，得到丹江口水库的pH值、高锰酸盐（CODMn）、溶解氧（DO）、总磷、氨氮和总氮枯水期与丰水期的空间分布状况（图3）。

图3

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图3   丹江口水库枯水期与丰水期水质空间分布状况

Fig.3   Spatial distribution of water quality in Danjiangkou reservoir during dry season and wet season


从图3可以看出，枯水期的TN、NH3-N、pH值和TP的数值大于丰水期，而DO和CODMn的数值则枯水期小于丰水期，体现了显著的气候区域差异。pH值在枯水期和丰水期分别主要分布在7.784~8.974和8.016~9.086之间，属于弱碱性水。CODMn、DO、TN、NH3-N、TP在枯水期的浓度分别为1.692~2.401 mg·L-1、10.03~11.53 mg·L-1、0.495~0.991 mg·L-1、0.000 9~0.056 8 mg·L-1、0.004 2~0.028 7 mg·L-1，在丰水期的浓度分别为1.692~1.984 mg·L-1、10.06~11.59 mg·L-1、0.697~1.172 mg·L-1、0.001 3~0.057 mg·L-1、0.0081~0.029 7 mg·L-1。选取的全部6项水质参数变化均符合标准范围，其中CODMn、DO和TP均超过Ⅱ类水质标准，TN和NH3-N则处于Ⅱ类和Ⅲ类水质标准之间。河流和湖泊之间的补给是相互的。一般情况下，丰水期河流水补给湖泊水，湖泊起到分洪的作用；枯水期湖泊水补给河流水，以此平衡河流的流量。在枯水期，降雨量减少降低了地面冲刷程度，造成林地、草地等景观对污染物的拦截效率下降；同时湖泊水补给河流水将污染物再带回入库河流中，因此枯水期水质低于丰水期。建设用地与耕地均集中在库区周边，人口聚集度较高且人为干扰对河流水环境影响很大，故库区周边水质参数均高于其他区域。

4.2　土地利用对流域水质影响缓冲区半径分析

对划分的100、200、300、500、1 000、2 000 m的6项圆形缓冲区内土地利用类型进行空间统计分析，得到研究区域内的土地利用结构，结果如图4所示。其中，耕地所占面积在每个缓冲区所占比例均为最高，而林地、水域、建设用地和未利用地则占比相对较低，其中建设用地在每个缓冲区所占比例均为最低，土地利用特征差异明显。耕地、林地和未利用地的面积随着缓冲区距离增加而增加，而水域和建设用地面积随着缓冲区距离增加而减小。

图4

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图4   不同缓冲区土地利用类型占比

Fig.4   Proportion of land use in different buffer zones


4.3　研究区域景观发展强度相关性分析

对采用反距离权重计算得到的所有缓冲区LDI值进行求和并取平均值，其变化状况见图5，结果表明，建设用地在100 m缓冲区内的LDI值最高，在100 m至300 m缓冲区区间下降较大，从300 m缓冲区开始下降程度较小；耕地LDI值在100 m缓冲区比建设用地略低，但从200 m至1 000 m缓冲区内，耕地LDI值增加幅度较大；而林地、未利用地及水域3种土地利用类型的LDI值相对较低，其中林地和水域LDI值在100 m至300 m缓冲区有所下降，而未利用地LDI值则有所上升；在1 000 m至2 000 m缓冲区所有土地利用类型的LDI值均变化程度较小。

图5

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图5   不同缓冲区LDI值变化

Fig.5   Variation of LDI values in different buffers


4.4　区域水质与景观发展强度相关性

水质参数与土地利用类型的冗余分析（RDA）排序结果的解释率，见表2。解释率分析统计结果表明，500 m缓冲区的总解释率在枯水期与丰水期在第一轴上典型特征值为0.605 5和0.583 3，总解释率分别为71.3%和72.6%，在全部缓冲区内最高。随着缓冲区的增大，第一轴解释率先增大后减小，1 500 m时最大达到96.10%。各排序轴均达到显著水平（P<0.05），说明RDA分析结果可信，能够较好地反映水质参数与土地利用景观发展强度的相关关系。

土地利用类型与丰水期与枯水期的水质参数RDA冗余分析排序如图6~7所示。图中，土地利用类型箭头的长度表示各土地利用方式对水质指标的影响程度，箭头越长影响越大；土地利用类型箭头方向与水质参数方向夹角的余弦值代表二者的相关性，锐角表示成正相关关系，钝角则表示成反相关关系，夹角越小，相关性越高。

图6

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图6   枯水期水质与土地利用的冗余分析

Fig.6   Redundancy analysis of water quality and land use in dry season


图7

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图7   丰水期水质与土地利用的冗余分析

Fig.7   Redundancy analysis of water quality and land use in wet season


从图6中可以看出，在枯水期随着缓冲区范围增加，耕地、林地对水质变化的影响逐渐增加，建设用地、未利用地、水域对水质影响逐渐降低。其中，100 m缓冲区内，耕地、未利用地和水域与全部水质参数为正相关关系，林地则与全部水质参数为负相关关系，建设用地与TN、TP、DO和NH3-N为正相关，与pH值和CODMn为负相关；200 m缓冲区内，耕地与全部水质参数为正相关关系，而水域与全部水质参数为负相关，林地、建设用地和未利用地与除CODMn外5项水质参数均为正相关；300 m缓冲区内，耕地与pH值、TN和DO为正相关关系，与TP、NH3-N和CODMn为负相关，未利用地则与耕地相反，林地、建设用地和水域与pH值和TP为正相关，TN、DO、NH3-N和CODMn为负相关；建设用地与pH值、TN、TP和DO为正相关，与NH3-N和CODMn为负相关；500 m缓冲区内，耕地与全部水质参数为正相关关系，林地、建设用地和水域与TN、DO和NH3-N为正相关，与pH值、TP和CODMn为负相关，未利用地则与林地、建设用地和水域相反；1 000 m缓冲区内，耕地与全部水质参数为仍负相关关系，林地与除NH3-N外5项水质参数均为正相关，建设用地和水域与pH值、TP、DO和CODMn为正相关，与TN和NH3-N为负相关；2 000 m缓冲区内，耕地与TN、NH3-N和DO为正相关，与pH值、TP和CODMn为负相关，林地、建设用地和水域则仅与除pH值外5项水质参数均为负相关，未利用地与TP和CODMn为正相关，与pH值、TN、DO和NH3-N为负相关。

耕地与各水质参数的相关性从较小缓冲区到较大缓冲区经历了从部分正相关到全部正相关再到全部负相关，最后变为部分正相关的转变过程，说明2 000 m 以上缓冲区内，耕地面积占比增加以及河网密度增大对水质下降会产生影响。

图7中，在丰水期1 000 m缓冲区内全部5种土地利用类型对水质变化的影响变化较小，在2 000 m缓冲区土地利用类型对水质变化的影响逐渐降低。其中，100 m缓冲区内，耕地、建设用地、未利用地和水域与TN、TP、NH3-N和CODMn为正相关关系，与pH值和DO为负相关关系，林地则与其他4种土地利用类型相反；200 m缓冲区内，耕地、林地、未利用地与TN、TP、NH3-N和CODMn为正相关关系，与pH值和DO为负相关关系，建设用地与TN、NH3-N和CODMn为正相关关系，与TP、pH值和DO为负相关关系，水域与全部水质参数为负相关；300 m缓冲区内，耕地与全部水质参数为负相关，林地、建设用地和水域与pH值和CODMn为正相关，与TN、TP、NH3-N和DO为负相关关系，未利用地则与除CODMn外5项水质参数均为正相关；500 m缓冲区内，耕地与全部水质参数为正相关关系，林地、建设用地和水域与pH值和DO为正相关，与TN、TP、NH3-N和CODMn为负相关关系，未利用地与全部水质参数为负相关；1 000 m缓冲区内，耕地与除DO外5项水质参数均为正相关，林地、建设用地和水域与NH3-N和DO为正相关，pH值、TN、TP和CODMn为负相关关系，未利用地与全部水质参数仍为负相关；2 000 m缓冲区内，耕地与除pH值外5项水质参数均为负相关，未利用地则与之相反，与除pH外5项水质参数均为正相关，林地、建设用地和水域与pH值、TN、TP、NH3-N和DO为负相关，与CODMn为正相关关系。

5 讨 论

农业非点源污染是指农田中的土粒、氮素、磷、农药及其他有机或无机污染物在降水或灌溉过程中，通过农田地表径流、农田排水和地下渗漏，排入水体所造成的污染［35］。研究结果表明，LDI方法通过衡量湖泊生态系统中人类利用湖泊区域土地利用产生的能量，来间接评价人类活动产生的污染物对湖泊水环境质量的干扰程度。

在研究区域丹江口水库中，耕地与建设用地的LDI值比其他土地利用类型高，耕地LDI值在1 000 m的缓冲区距离内变化较大，在距离大于1 000 m后保持稳定，建设用地LDI值在300 m的缓冲区距离内变化较大，300 m后保持相对稳定。一般而言，耕地与建设用地非点源TN、NH3-N、TP污染负荷较高，而林地的非点源污染负荷相对较低。当湖泊周边耕地和建设用地比例较高时，TN、NH3-N、TP等水质参数指标也相对较高；而林地则与耕地和建设用地相反，比例越高则水质参数指标相对较低。但在不同季节和水文条件下，相关关系也会有所不同［36］。在本研究中，耕地与建设用地的LDI值相对较高，同时TN和NH3-N则处于Ⅱ类和Ⅲ类水质标准之间。而林地LDI值较低说明区域内森林削减暴雨径流、减少水土流失、吸附污染物等功能较强。农业种植区施肥和畜牧业所产生的营养物质，通过地表径流冲刷进入湖泊的营养物质是丹江口水库非点源污染的主要贡献来源。未利用地和水域的LDI值较低，对库区水质的影响程度也相对较低。

空间尺度效应会影响土地利用与水质之间的关系，是土地利用与水质变化关系研究中的一个重要方面［37］。通常在水质监测点距离最近的区域土地利用状况对水质的影响，相比整个区域对于水质的影响程度更大［38］。本研究对缓冲区内景观类型构成比例对水质的影响进行整体分析，结果表明，耕地与建筑用地对水质的污染影响程度较高。范围较小的缓冲区的RDA分析的总解释率大于范围较大的缓冲区。其中，500 m圆形缓冲区总解释率在枯水期与丰水期在第一轴上典型特征值为0.605 5和0.583 3，总解释率分别为71.3%和72.6%，在全部缓冲区内最高，表明500 m缓冲区的土地利用对水质的影响最大。在缓冲区距离小于500 m范围内，耕地和建筑用地分布集中且连通性和聚集程度较高，对河流的污染相对较高；在缓冲区距离大于500 m范围内，林地相对较多且整体连通性和聚集程度较高，对水质污染起到了一定的抑制作用，但由于距离河流较远超过1 000 m时，这种抑制作用会减弱。对于在土地利用影响水质变化方面，缓冲区尺度上的影响程度大于流域尺度。因此在湖泊相邻的地区，一方面要增加森林覆盖度从而增强植被改善河流水面源污染方面的强度；另一方面，要防止农业生产所产生的氮、磷对水质的影响，以减少整个库区的面源污染。

丹江口水库的水质除空间变化之外，同样与季节变化相关［39］。降水，地表径流，截留和取水的季节性变化对河流流量有很大影响，因此，沉积物和养分浓度的变化成为一种季节性现象［40］。胡建等［41］认为汛期径流量较大，耕地向河流输出的N、P等营养物质在汛期比非汛期更多，对河流水质的影响也更显著。庞燕等［42］研究发现，雨季时耕地面积占比与水体NH3-N浓度呈正相关，而旱季时则呈负相关。在本研究中，库区枯水期耕地LDI值与水质变化的相关性改变较多。在100 m和200 m缓冲区LDI值与水质全部为正相关，而在丰水期时pH值和DO变为负相关，说明pH值和DO会受到温度、降雨等因素影响发生改变；在300 m缓冲区，由于降水增多地表径流率上升，且缓冲区范围增大，河岸缓冲带起到减少地表污染物和沉积物的过滤作用，在丰水期全部水质参数变为负相关；而缓冲区范围扩大至500 m时，耕地在枯水期和丰水期与全部水质参数为正相关关系；在缓冲区1 000 m至2 000 m时，仅pH值和DO相关性发生变化，其他水质参数并未改变，再次验证了pH值和DO易受温度、降雨等因素影响。林地、建设用地和水域的LDI值在枯水期与丰水期与水质变化相关性在100 m和200 m缓冲区内有所差异，而300 m缓冲区后3种土地利用方式的相关性基本一致。在枯水期林地LDI值在100 m缓冲区内与全部水质参数为负相关关系，表明林地陆源污染输出能力最低，对于改善大型湖泊水环境质量具有非常重要的意义。丰水期林地LDI值与TP、CODMn和NH3-N均为负相关关系，体现了林地对各污染物的“汇冶作用。植被聚集度较高的景观结构可以有助于入河径流净化作用的提升。因此，增加林地景观的连通性，提高水库周边的林地覆盖率是有效改善丹江口水库的水质的重要措施之一。同时，防止农业生产所产生的氮、磷对水质的影响，以减少整个库区的面源污染。

6 结 论

本研究利用遥感数据对丹江口水库土地利用状况进行分类，计算不同土地利用类型的景观发展强度指数表征土地利用程度，不同水质参数表征水质质量，对土地利用与水质变化之间的响应关系进行了研究，结果表明：

（1）枯水期降雨量对地面冲刷程度降低，并减弱了污染物的稀释能力。造成林地、草地等景观对污染物的拦截效率下降，枯水期水质低于丰水期。耕地与建设用地的LDI值相对较高，同时TN和NH3-N则处于Ⅱ类和Ⅲ类水质标准之间，表明农业种植区施肥和畜牧业所产生的营养物质，通过地表径流冲刷进入湖泊的营养物质是丹江口水库非点源污染的主要贡献来源。

（2）500 m缓冲区的土地利用对水质的影响最大。在缓冲区距离小于500 m范围内，耕地和建筑用地分布集中且连通性和聚集程度较高，对河流的污染相对较高；在缓冲区距离大于500 m范围内，林地相对较多且整体连通性和聚集程度较高，对水质污染起到了一定的抑制作用，距离河流较远超过1 000 m时，这种抑制作用会减弱。

（3）pH值和DO易受温度、降雨等因素影响。林地陆源污染输出能力最低，且丰水期林地LDI值与TP、CODMn和NH3-N均为负相关关系，林地对各污染物的“汇冶作用，对于改善大型湖泊水环境质量具有非常重要的意义。在湖泊相邻的地区，一方面，提高水库周边林地覆盖率从而增强植被改善河流水面源污染方面的强度；另一方面，发展绿色农业，调整水库周边土地利用结构，防止农业生产所产生的氮、磷对水质的影响，以减少整个库区的面源污染，进一步提升丹江口水库的水质。

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