城市湿地公园土地利用方式对水环境质量的影响
时间：2023-01-17 21:35:06 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李 念，姜 涛，陈其兵
（1.四川农业大学风景园林学院，成都 611130；
2.贵州大学林学院，贵阳 550000）
湿地公园作为人工湿地或自然湿地的集合，为野生动植物提供栖息地的同时，在美化环境、旅游观光和科普教育等方面发挥着重要作用，实现了资源保护与可持续发展的平衡[1-2]。水作为湿地公园最重要的特征，是湿地物质循环和能量流动的核心载体，水环境质量是发挥湿地公园生态功能的基本保障。近年来受疫情的持续反复影响，人们的休闲距离不断缩短，湿地公园独特的自然生态环境成为户外休闲的主要场地，高承载压力下的湿地公园水环境保护面临更大挑战，加之当前城市用地紧张，如何在有限的城市湿地公园空间内保证水环境质量显得尤为重要。
湿地水环境质量影响因素众多，土地利用方式是其中主要因素之一[3-6]，探讨城市湿地公园土地利用方式对水环境的影响，优化湿地公园布局，对于湿地公园的多功能发挥有重要意义。目前土地利用与湿地水环境的研究多集中在大尺度的土地利用变化，如流域景观结构对河流水质的影响[7-9]、地表不透水景观与水环境之间的关系[10]、城市湿地与集水区内景观结构之间的关系[11-12]等方面，但以湿地公园为研究对象，探讨湿地公园内土地利用类型、湿地公园土地开发活动对湿地水环境质量间关系的研究还不多。本文以成都3个城市湿地公园为研究对象，通过分析水环境指标与土地利用类型、土地开发强度的关系，探讨了土地利用方式对湿地水环境质量的影响，以期为城市湿地公园和具有较大水体公园的规划建设和优化提供参考和依据。
人类对土地的改造活动形成了不同的大地景观，这些改造活动通过土地利用方式使自然要素特征发生改变，引起水文及其伴生过程的异常变化。土地利用方式包含土地利用类型和土地利用强度两方面，其对水环境的影响如图1所示。这两方面中土地利用类型是对土地类型组成与土地空间结构的描述，土地利用强度是对土地改造程度的衡量。因此，本文拟从湿地公园土地利用类型和土地利用强度两方面研究其对于水环境的影响。
图1 土地利用方式对水环境的影响机理Figure 1 The influence mechanism of land ue on water environment
目前，湿地公园的用地类型尚没有统一分类，大部分学者根据自己研究内容进行界定，如杨朝辉、苏群等[13]在土地利用类型与水质关系的研究中将湿地公园的土地利用类型分为了人工水塘、园地、建设用地、林地、自然水体、草地以及道路7大类。在大多数湿地景观格局变化的研究中，学者多将土地利用类型概括为林地、耕地、水域、人工表面、草地、居民建筑、景观服务场地、原生态岛屿滩涂、河岸植被、河流道路和未利用地等类型[14-15]。在本研究中，以湿地公园内的建设情况和地表覆盖类型为依据，将湿地公园的用地类型分为了道路、水域、草地、林地以及建设用地。
1.1 样本区域
本研究选取了成都市兴隆湖湿地公园、凤凰湖湿地公园与白鹭湾湿地公园3个湿地公园作为研究对象。这3个湿地公园所处的地理位置及湿地周围环境分别具有城市性、乡村性与城乡结合性的特征，具有一定的代表性，且3个湿地公园周边均无直接向湿地排放污水的情况。
兴隆湖湿地公园位于双流区兴隆镇内，是成都天府新区的重大基础设施项目之一，利用鹿溪河筑坝营造，水域面积300 hm2，蓄水量超过1 000万m3，是集观光、休闲、防洪、灌溉以及生态于一身的综合性水生态场所，其与周围建筑群联系紧密，城市特征突出。
凤凰湖湿地公园凤凰湖位于成都市青白江区，水域面积约300 hm2，其规划定位为旅游度假区，园内以生态、休闲、水景环境及具有多国风情的建筑为特色。湿地公园西南面城市特征占主导，东北面以村镇、乡村景观为主。园内设有少量游船、餐饮和茶室等活动。
白鹭湾湿地公园地处锦江区绕城高速以外区域，锦江区三圣花乡旁，规划占地333.33 hm2，湿地公园所有水域形成的湿地水面面积约66.67 hm2，是一个集科普、旅游、展示和生态保护为一体的生态湿地公园。该湿地公园虽然在3个湿地公园中离成都市区距离最近，但周边环境乡村化特征突出。
1.2 样本采集
根据3个湿地公园周边土地利用类型结构及生态系统特征的空间差异，分别在兴隆湖、凤凰湖、白鹭湾水域周边布设了水质采样点（如图2）。其中兴隆湖11个、凤凰湖10个以及白鹭湾7个，共计28个水样采集点。采样活动均于2017年11月上旬进行，采样后样品带回实验室进行处理。水质的指标选择参考了已有相关文献[16-18]，选择总悬浮固体(TSS)、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)等5个指标。依据《地表水和污水监测技术规范(HJ/T91-200 2)》进行测定，为保证测定结果准确性，对每个采样点的样品做3份平行检测，取3份平行检测结果的平均值作为最终的水质指标。
图2 水质采样点采集地卫星图Figure 2 Satellite image of water quality sampling point
利用已有的土地利用现状图和卫星图，结合野外实地调查结果，得到包括道路、林地、草地、建设用地和水体的5类湿地公园土地利用类型。并以采样点为中心，根据各公园的面积大小和实际情况设置不同半径的缓冲半径（以50 m为间隔，结合湿地公园面积、边界等分别在白鹭湾、凤凰湖以及兴隆湖设置了以100～200 m、100～300 m和100～400 m为半径的缓冲区，见图3），利用Arc GIS10.1软件叠置分析功能的交集操作工具和归纳统计工具，分别统计出各个采样点对应缓冲区范围内土地利用类型面积及面积百分比，以分析土地利用方式对湿地水环境的影响。
图3 凤凰湖100 m缓冲半径图Figure 3 Fenghuang lake 100 m buffer radius
1.3 样本描述
将3个公园的5个指标进行描述性处理，由表1可以看出，3个湿地公园中，白鹭湾湿地公园的COD含量最高，均值为25.57 mg/L，兴隆湖与凤凰湖差别不大。凤凰湖湿地公园的TSS指标值最高，为243.15 mg/L，其余两个公园相差不大。DO含量凤凰湖湿地公园最高，兴隆湖最低。凤凰湖氨氮和硝态氮的指标含量都是3个公园中最高的，推测与凤凰湖内开展的少量水上活动有关。
表1 不同研究对象水环境指标值Table 1 Water environment parameters of different research objects
3个湿地公园周围基本用地情况，由表2可以看出，3个公园中兴隆湖的水域面积比例最大，湿地率也最高。白鹭湾湿地公园人工用地比例最小，自然特征突出；
而兴隆湖人工用地比例最高，说明该湿地公园的人工特征较重；
凤凰湖各项用地情况在三者中居中，3个湿地公园的特征符合前文描述的城市性、乡村性以及城乡结合性。
表2 用地基本情况Tab 2 Basic condition of land use
2.1 土地利用类型对湿地公园水环境质量的影响
当缓冲半径为200 m时，各湿地公园的用地类型最全，因此本研究以200 m缓冲半径内的各用地类型面积（表3）与水环境指标（COD、TSS、DO、氨氮、硝态氮）进行了Pearson相关性分析，处理结果见表4。
表3 200 m缓冲半径内各用地类型面积Table 3 Land use area value within 200 m buffer radius m2
(续 表3)
表4 用地类型与水环境指标的Pearson相关性分析结果Table 4 Pearson correlation coefficients between land use pattern and water environment variables
水环境COD指标与道路相关系数为0.403，对相关系数检验的双侧P值下小于0.05，可以认为两变量间的相关关系具有统计学意义，并与道路面积呈现负相关关系，即道路面积越大，COD越低。TSS与建筑面积在0.05水平上呈正相关，相关系数为0.421，随着建筑面积的增大，TSS值呈现增加的趋势。即建筑面积越大，水环境的悬浮物越多，这与普遍的认知相符合。DO与水域面积和林地面积在0.01水平上具有相关性，相关系数分别为0.555与0.595，说明林地与DO的相关性较水域面积大，且与林地面积呈正相关。氨氮与草地在0.05水平上具有相关性，且随草地面积增加，氨氮含量减少。硝态氮和用地类型的无显著相关性。
参照地表水环境质量评价标准，COD含量越高，水质越差。在上文的结果中，COD的含量随道路面积的增加而呈现减少趋势，这与普遍的认知有一定偏差。前人研究结果表明：在一定范围内，草地面积与COD呈正相关[19-20]，说明一定区域的草地占比与水质的恶化有一定关系。因此推测出现这一现象的原因可能是当湿地公园面积一定时，道路面积的增加压缩了湿地公园中草地的面积，从而对水环境有一定的正向影响。
2.2 土地利用强度对湿地水环境的影响
LDI（landscape development intensity）是由 M.T.Brown等[21]提出的用于定量分析景观开发强度的一种方法。该方法结合土地利用数据与单位面积能值，测算出土地利用的开发强度LDI指数，并根据之前的研究测算了不同土地利用类别单位时间单位面积的能源使用量，并以其归一化自然对数作为LDI系数。LDI系数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。根据不同土地利用分类与其对应的LDI系数，即可计算LDI指数（LDIindex）：
式中：LDIindex为湿地区域土地利用类型的开发强度的综合指数；
LUi(%)为第i种土地利用分类的面积占该区域土地总面积的百分比；
LDIi为第i种土地利用分类对应的LDI系数。
LDI系数处于1～10之间，1代表完全自然环境，10代表高度开发利用环境，LDI系数越大，说明人类干扰越大。湿地公园内5种主要的用地类型（道路、水域、草地、林地以及建筑用地），各LDI系数如表5[22]。
表5 5种典型湿地公园用地类型的LDI系数参考值Table 5 LDI coefficient of five typical wetland park land types
土地利用与水质的关系往往随着空间位置改变表现出局部变化的特征即使在同一研究区域的不同位置，同一土地利用类型对水质的影响在大小、方向及距离上均可能表现出不同[23]。因此，本研究以采样点为中心，以50 m为间隔，结合湿地公园面积、边界考虑分别在白鹭湾、凤凰湖以及兴隆湖设置以100～200 m，100～300 m，100～400 m为半径的缓冲区，计算相应的土地利用强度来探索土地利用与水质的关系。根据卫星图和实际场地调研的情况，在ArcGIS中，将场地矢量化，计算每个缓冲区中的各用地类型面积及所占比例，从而计算相应的LDI指数（如表6）。
表6 不同采样点在不同缓冲半径下的LDIindexTable 6 LDIindexfor each sample with different buffer radius
2.2.1 缓冲半径与土地开发强度的关系分析
缓冲半径与土地开发强度的关系是对湿地公园用地布局的粗略说明，也可为后续的分析提供部分判断。将缓冲半径与LDIindex进行Pearson相关性检验，双侧检验，得到结果如表7。
表7 缓冲半径与LDI指数的相关性Table 7 The correlation between buffer radius and LDIindex
从表中可看出，缓冲半径与LDI指数在0.01水平上呈显著相关，且相关系数为0.68，说明相关性较高。因此，随缓冲半径越大，LDI指数越高。即随缓冲半径的增大，土地的开发强度也逐渐增强。将缓冲半径与LDI指数建立回归模型，回归模型相关指标和系数如表8和9中所示。在方差分析结果中（表8），其中F值为125.890，P值小于0.05，因此证明该模型具有统计学意义。基于该模型回归方程如下（拟合参数见表9）：
表8 方差分析aTable 8 Anovaa
表9 LDI指数与缓冲半径模型系数Table 9 The coefficient between LDIindexand buffer radius
式中：LDIindex为LDI指数，R代表缓冲半径。
2.2.2 土地开发强度与水环境质量的关系分析
以水环境指标与LDIindex的数据进行散点图的制作，并采用Loess法的拟合线绘制，得到以下水环境指标随LDIindex变化趋势线图（图4）。
图4 不同水环境指标与土地开发强度的变化趋势图Figure 4 Water environment quality indexes change trend with land development intensity
从图4中可以看出，COD的数值整体随LDIindex增加而呈上升趋势；
当LDIindex在2.5～4.2间时COD随LDIindex的增加有减小趋势。TSS的数值在LDIindex为2～3时呈现上升趋势，在2.5～5时随LDIindex增加而减少，在6～8时随LDIindex的增加呈缓慢上升趋势。硝态氮的含量在LDIindex为2.8～5之间，随LDIindex的增加而呈现急速减小的趋势。氨氮与硝态氮随LDIindex变化的走势相似，都是在接近3处从随LDI指数增加而上升变为下降。氨氮值在3～5间随LDIindex升高而降低。DO与LDI指数的关系呈负相关关系，LDIindex越高，DO含量越小。
在水环境质量中，只有DO与水质呈正相关，COD、TSS、氨氮和硝态氮都呈负相关，而在上述的分析结果中发现，这4个指标在某些LDI指数值区间内，都出现了随LDI指数值增加而下降的趋势，说明一定的开发强度对水环境质量有正向作用。
COD的下降趋势出现在LDI指标值2.5～4.2间，TSS下降趋势出现在2.5～5之间，硝态氮出现在2.8～5，氨氮出现在3～5之间。可以推测，在LDIindex处于3～4.2间时，土地利用的开发对水环境质量有一定的正向作用，由（2）式可推算出在相应的缓冲半径，当LDIindex为3时，缓冲半径为164.8 m；
当LDIindex为4.2时，缓冲半径为244.8 m。
（1）在3个湿地公园的水环境质量比较中，凤凰湖湿地公园的水环境质量较差，水环境指标中TSS、氨氮以及硝态氮指标含量在3个公园中最高，推测与凤凰湖湿地公园的园内活动有关。
（2）在用地类型与湿地公园水环境的相关性分析中，当缓冲距离为200 m时，道路面积对水环境的COD指标有影响，且随道路面积的增加，COD指标值减小；
建设用地对TSS指标的影响较大，随建设面积的增加，TSS指标含量增加；
林地对DO值有较大影响，且随林地面积增加，DO值增加，说明林地对水质有一定的缓冲与净化作用；
草地对氨氮的含量有一定影响，随草地的增加，氨氮的含量减少。
（3）缓冲半径与土地开发强度有线性正相关关系，开发强度在一定范围内对水环境质量有正向作用，以水体湿地边缘的任意点建立缓冲半径，当缓冲半径在164.8～244.8 m间时，将土地利用开发强度控制在3～4.2之间，对湿地公园水环境质量是最有利的。
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