西南地区河成湖与火山湖土地利用对水质的多时空尺度影响差异
doi: 10.18307/2025.0124
刘捷1,2 ， 刘睿1,2 ， 左书林1,2 ， 张静1,2
1. 重庆师范大学地理与旅游学院，重庆 401331
2. 重庆师范大学，GIS应用研究重庆市重点实验室，重庆 401331
基金项目: 国家自然科学基金项目 (41801063) ； 重庆市自然科学基金面上项目(2024NSCQ-MSX3061) ； 重庆市教委科学技术研究计划项目(KJQN202200517) ； 重庆师范大学基金项目(20XLB022)联合资助
Diverse impacts of land use on water quality at the spatial and temporal scale between fluvial lakes and volcanic lakes in Southwest China
Liu Jie1,2 ， Liu Rui1,2 ， Zuo Shulin1,2 ， Zhang Jing1,2
1. School of Geography and Tourism, Chongqing Normal University, Chongqing 401331 , P.R.China
2. The Key Laboratory of GIS Application Research, Chongqing Normal University, Chongqing 401331 , P.R.China
摘要
为探究不同时空尺度下不同湖泊类型土地利用对水质的影响差异，以四川省自贡市富顺西湖(河成湖)和云南省腾冲市青海湖(火山湖)为研究对象，提取6个空间尺度(50、60、70、80、90、100 m湖岸带缓冲区)的景观格局指数，结合雨季(2022年7月)和旱季(2023年4月)湖泊水质参数，采用冗余分析法定量探究不同时空尺度下土地利用对两类湖泊水质影响的差异性。结果表明：(1) 富顺西湖与腾冲青海湖水质参数季节性差异显著，雨季水质优于旱季，两个湖泊水环境质量存在显著差异，腾冲青海湖水环境质量优于富顺西湖，腾冲青海湖符合地表水环境Ⅱ类、Ⅲ类水质标准，富顺西湖达到Ⅳ类、Ⅴ类水质标准。(2) 富顺西湖在旱季和50~60 m湖岸带缓冲区尺度下土地利用参数对水质变量的解释率最大，腾冲青海湖在雨季和60 m湖岸带缓冲区尺度下土地利用参数对水质变量的解释率最大。(3) 土地利用指数对两类湖泊水质的影响各不相同。富顺西湖流域内斑块密度、景观形状指数和聚合度指数与多数水质指标呈正相关，“源”景观聚集程度和破碎化程度高会加剧对水质的威胁。腾冲青海湖流域内林地面积占比和聚合度指数对水质具有正效应，能够改善水环境质量；斑块指数和景观形状指数值的增加会加剧斑块破碎化，导致水质恶化。本研究基于不同时空尺度对土地利用与两类湖泊水质关系的差异性进行深入探讨，指导不同类型湖泊的区域规划与管理，为湖泊环境质量评价及保护和制定针对性的湖泊缓冲带设置、生态修复等策略提供科学依据，进而促进湖泊水质安全和水资源可持续利用。
Abstract
This study aimed to investigate the diverse impacts of land use on water quality of different lake types at different spatial and temporal scales. For this purpose, landscape pattern indices were extracted at six spatial scales (50, 60, 70, 80, 90, 100 m lakeshore buffer zones) from Fushun West Lake (fluvial lake) in Zigong City, Sichuan Province, and Qinghai Lake (volcanic lake) in Tengchong City, Yunnan Province. The data were combined with the water quality data in wet-season (July 2022) and dry-season (April 2023) periods. Redundancy analysis was used to quantitatively investigate the differences in the impacts of land use on water quality of the two types of lakes at different spatial and temporal scales. The results showed that: (1) Fushun West Lake and Qinghai Lake had significant seasonal variations in water quality. Water quality is better in wet season than that in dry season. There was a significant difference in the water quality of these two lakes. The water quality of Qinghai Lake was better than that of Fushun West Lake. Qinghai Lake conformed to the class Ⅱ and Ⅲ standards of water quality of the surface water environment, and Fushun West Lake reached the standards of water quality of class Ⅳ and V. (2) The land use of Fushun West Lake had the strongest impact on water quality during the dry season at the 50-60 m lakeshore buffer zone scale. However, the land use of Lake Qinghai had the highest interpretation rate for water quality during the wet season at the 60 m lakeshore buffer zone scale. (3) The impact of land use indices on the water quality of the two types lakes was different. Patch index, landscape shape index and aggregation index were positively correlated with most of the water quality indicators in the Fushun West Lake watershed. The high degree of aggregation and fragmentation of the “source” landscapes would exacerbate the threat to water quality. The proportion of forest land area and the aggregation index within Qinghai Lake watershed had a positive effect on water quality, which can improve water quality. An increase in patch index and landscape shape index values exacerbated the fragmentation of the patches and led to deterioration of water quality. Based on different spatial and temporal scales, this study explored the relationship between land use and water quality of two types of lakes. It would potentially support the regional planning and management of different types of lakes, and provide a scientific basis for the evaluation of the lake water quality and lake protection, as well as for the development of targeted lake buffer zones and ecological restoration strategies, so as to promote the safety of the water quality of the lakes and the sustainable use of water resources.
湖泊作为水生生态系统的重要组成部分，不仅是社会经济增长的重要资源[1]，还具有储水、供应水源、养殖和旅游等多种生态作用[2]，其水质主要受到人类活动的影响，土地利用是影响水质的重要因素[3]。土地利用包括土地利用方式和景观格局，是人类在生态环境中各种活动的反映，与水质有着紧密联系，并对水质产生了深远的影响[4]。人为驱动下的土地利用方式通过改变地表径流和土壤侵蚀程度，进而影响湖泊水质。景观格局与流域内的生物地球化学和物理过程关系密切，这种格局的变化可能会影响地表径流、地球化学循环和其他水文活动，从而增加水体中污染物含量，因此，土地利用方式和景观格局是影响水质的重要驱动因素[5]。研究土地利用类型和景观格局与湖泊水质的相互关系，对于优化湖泊流域景观空间结构和提升水环境质量具有重要意义。
近年来，国内外学者针对湖泊土地利用与水环境质量之间的相互作用展开了许多研究，采用的方法主要有相关分析[5]、冗余分析[6-7]、多元线性回归等[8]。由于不同研究区域的土地利用分布格局及其他背景因素存在差异，土地利用与水质之间关系的研究有着不同的结论[9]。例如，王娟等[10]表明艾比湖流域内林草地、耕地及盐渍地对水质影响较为显著；方娜等[11]以鄱阳湖湿地为研究对象，表明耕地和居民用地与水质均呈现显著的相关性。景观格局特征中，破碎度、聚集度及多样性特征的景观指数与水质关系密切[12]，如崔丹等[13]研究发现连通性指数、聚合度指数对水质的影响较大；乔郭亮等[14]探讨了苏南地区景观格局与坑塘水质间的关系，发现最大斑块指数、景观形状指数、斑块结合度指数及聚合度指数与地区水质特征关系最为明显。此外，土地利用景观特征对水质的影响存在时空尺度效应[15-18]。在空间尺度上，宋静雯等[19]在若尔盖湿地的研究中认为1000 m的缓冲区尺度下土地利用模式对水质的解释率最高，而曹灿等[20]研究发现300 m缓冲区尺度下景观格局对艾比湖水质的影响最为显著。在时间尺度上，王杰等[21]研究发现综合景观特征在湿季与巢湖流域水质指标的相关性强于干季；徐佳妮等[22]以青山湖为研究对象，发现景观格局在旱季时对水质变化的解释能力更强。综上，土地利用对湖泊水质影响显著，但各研究得到的影响最为显著的土地利用类型存在差异，对与水质指标相关性最大的时空尺度未形成统一界定，且都是针对单一湖泊类型进行研究，缺乏不同湖泊类型之间的对比，对于地理区位、生态环境、湖泊成因、流域土地利用等差异显著的湖区对比研究较为缺乏。在此背景下，探究在各时空尺度下土地利用对自然和人为因素差异显著的不同类型湖泊水质的影响，分析其影响差异，可以评估不同类型湖泊在不同土地利用方式下的水质变化趋势，确定影响水质最显著的时空尺度和预测因子，同时推动地理学、水文学、环境科学等相关领域科学研究和技术的融合与创新，在保护不同类型湖泊生态系统、合理规划湖岸带土地利用等方面具有重要意义。
富顺西湖属于河成湖，位于平原丘陵地区，与一般湖泊不同，富顺西湖经过人为修饰和数次大规模疏浚，从最初的天然积水洼地成为人工湖泊。作为富顺县仅有的两个国家级4 A级景区之一，对当地旅游业发展具有重要意义。腾冲青海湖属于火山湖，位于云贵高原地区，是目前我国发现唯一已知的自然酸性湖泊，低pH值和生物贫化是其区别于一般中、碱性湖泊最显著的特征[23]。两个湖泊形成原因不同，各流域内土地利用方式及受人类影响程度的差异显著，因此，本文以富顺西湖和腾冲青海湖为研究对象，利用冗余分析法定量探究不同时空尺度下土地利用对两类湖泊水质影响的差异，以此探明不同类型湖泊在不同土地利用方式下的水质变化趋势，为不同湖泊类型的土地利用结构优化和水资源保护政策制定提供参考，进而实现更精准的湖泊保护和管理。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
1.1.1 富顺西湖
富顺西湖（29°10′55″~29°11′15″N，104°59′45″~104°59′59″E），位于四川省自贡市富顺县西北隅，地处四川盆地南部，地势平坦，面积约为0.034 km2。富顺西湖属于河成湖，原本是一个天然形成的洼地，后经人工疏浚、砌石为堤等改造而成。富顺西湖属东亚季风控制范围，为亚热带湿润季风气候类型，年平均气温为19.2℃，年均降水量为1100 mm左右，雨量充沛[24]。湖区周围多为城镇建设用地（图1a），随着城镇化建设加快、旅游业发展等人类活动干扰频繁，湖泊氮、磷超标，受人类活动影响较大。
1.1.2 腾冲青海湖
腾冲青海湖（25°07′44″~25°08′06″N，98°34′11″~98°34′26″E）坐落于距云南省保山市腾冲县城约18 km的亚欧大陆与印度洋大陆的交界处[23]，面积约为0.21 km2（图1b）。腾冲青海湖的西、南两个地区都是火山口型湖泊，海拔均低于2500 m，是一个由600 ka的火山活动形成的湖泊[25]，是典型的火山湖泊。青海湖处于低矮山丘之间，是一个南北向的椭圆形盆地[23]。腾冲青海湖处于亚热带高原的高黎贡山，由于其特殊的地理位置，冬暖夏热，具有明显的西南季风特征，属于亚热带季风气候。受高黎贡山东西向降雨及高原地势抬升的影响，使该区年降雨量相对丰富，平均降水量为1425 mm左右[25-26]。湖区周围多为林地和草地，受人类活动影响较小，湖泊水质较好。
图1富顺西湖与腾冲青海湖概况及不同空间尺度示意图
Fig.1Overview and different spatial scales of Fushun West Lake and Tengchong Qinghai Lake
1.2 数据获取及处理
1.2.1 水质数据获取与处理
西南地区的季节降水变化具有一致性，根据西南地区多年降雨资料将该地区5—10月划为雨季，11月—次年4月划为旱季[27]，也有学者将5—9月和10月—次年4月分别作为西南区域雨季和旱季[28]。富顺西湖和腾冲青海湖所处地区属亚热带季风气候，雨量丰富，年内降水分配不均。依据近40年富顺西湖和腾冲青海湖所在地级市的降雨资料并结合已有研究[22，29]，自贡市雨季（5—9月）降水量为118.4~229.8 mm，旱季（10—次年4月）降水量为20.8~75.1 mm；保山市雨季（5—10月）和旱季（11月—次年4月）降水量分别为110.0~230.4 mm和15.3~57.1 mm（附表Ⅰ）。4月自贡市和保山市平均降水量分别为73.0和57.1 mm，属于旱季；7月两地平均降水量分别为229.8和230.4 mm，属于雨季，因此本文于2022年7月（雨季）和2023年4月（旱季）对富顺西湖和腾冲青海湖水体进行实地采样。降雨可能会改变湖泊中的水流和混合情况，带来外源污染物，影响采样结果的准确性。旱、雨季采样前期，降水量与当地多年平均降水状况相似，富顺县和腾冲市连续多日降雨稀少甚至无降雨，湖泊受前期降雨影响小，采样时湖泊水体相对稳定，采样结果具有真实性和代表性，且样点在湖泊范围内均匀分布，保证了湖泊特征的综合表征。
在野外采样过程中，为方便重复采样，通过便携式GPS对监测点进行定位，准确记录各采样点的经纬度坐标及高程数据。水样在湖泊表层10~20 cm处进行采集，使用玻璃纤维膜（GF/F47 mm，0.45 μm，Whatman）进行过滤处理，并将处理后的滤液保存于100 mL高密度聚乙烯塑料瓶中，仔细检查瓶盖避免出现顶空空气。随后将预处理后的水样冷藏保存，并在一周内送至实验室进行水质参数检测。采集水样后，立即在现场使用多参数水质分析仪（Eutech CyberScan PCD 650 multiparameters System，USA）测定原位水质的基础指标，如水温、pH、电导率（EC）、溶解氧饱和度（DO）、总溶解性固体物质（TDS）等。在实验室中使用北京吉天流动注射分析仪FIA-6000进行水化学指标的测定，包括总氮（TN）、总溶解氮（DTN）、总磷（TP）、总溶解磷（DTP）、氨氮（NH3-N）、硝态氮（NO-3-N）等。
1.2.2 地表景观数据获取与处理
DEM数据由地理空间数据云（GeoSpace Data Cloud，GSA）网站获取，经地面实地验证，其高程数据分辨率为30 m，用于提取湖泊及流域范围。土地利用数据以2022年30 m精度的Landsat TM 影像为数据源，结合研究区地形特征及野外调查情况，并按照《土地利用现状分类》标准，采用目视解译和随机森林法将研究区分为林地、草地、水域、耕地、建设用地、未利用地这6类一级土地利用类型。土地利用分类结果通过混淆矩阵精度验证，总精度达85%以上，Kappa系数为0.8以上，符合精度要求。
1.2.3 景观格局指数计算
富顺西湖的湖泊面积约为0.034 km2，腾冲青海湖面积约为0.21 km2，两个湖泊的周长分别为1.80和1.82 km，结合以上基本特性及参考前人50、60、90、100 m等缓冲区的研究[16，30-31]，且为避免各湖岸带缓冲区空间尺度重叠，选择50、60、70、80、90、100 m缓冲区作为研究对象，揭示缓冲区内水体变化特征及其影响因素。以各个采样点为圆心，设置半径为50~100 m的湖岸带缓冲区。基于FRAGSTATS 4.2软件，选择对水质影响较大的景观格局指数进行分析，包括景观面积（TA）、斑块密度（PD）、边缘密度（ED）、最大斑块指数（LPI）、景观形状指数（LSI）、斑块数量（NP）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）、聚合度（AI）、整体性（COHESION）和蔓延度（CONTAG）。TA和LPI为区域尺度上的优势种数量和丰度，是人类活动强度的反映，高LPI值表明人类活动干扰强度小，水体污染风险较低[32]。PD和ED表征景观斑块破碎度和边缘密度，值越高反映斑块间物质与能量的交换作用越强，越易造成土壤侵蚀，从而导致水质恶化[33-34]。NP和LSI表示景观的复杂程度，景观组成类型斑块分裂度越高，越加剧水质污染[35]。SHDI和SHEI分别描述了景观类型的异质性和同质性[36]，代表了景观的多样性和优势度，其值越大表明汇流中流经源景观的概率越大，水质易恶化[15，37]。AI、COHESION和CONTAG代表了景观的物理连通性和聚集性，高度的连通性和聚合度有利于污染物的固定和截留，减少水质污染[35，38]。
1.3 研究方法
利用SPSS 25.0软件，对水质数据进行独立样本t检验，比较水质指标之间的时间差异性。采用单因素方差分析（ANOVA）计算土地利用指数和水质指标的空间差异性。运用Pearson相关分析计算探究不同空间尺度下土地利用指数和水质指标之间的相关性，并以显著性概率P＜0.05为标准筛选出与水质相关性较强的土地利用指数。为更有效地进行两个湖泊的对比研究，选取相同的景观格局指数进行水质影响分析，选取PD、LSI和AI作为富顺西湖和腾冲青海湖的景观格局指数。
冗余分析（redundancy analysis，RDA）是一种基于生态学原理的排序分析方法，通过对一组变量与另一组多变量之间的关系进行统计学分析，揭示了物种与环境变量之间的联系，近年来被应用于土地利用对水质影响等方面的研究[5-7]。该方法不仅能够量化物种（湖泊水质）变化中所有环境变量（土地利用指数）的整体贡献率，还可以揭示湖泊水质变化中各个土地利用指数的单个贡献率，同时还能通过二维排序图形象直观地展示土地利用指数与水质之间的相关关系[39]。使用Canoco 5.0软件，将湖泊水质指标作为物种变量，对其进行趋势对应分析（detrended correspondence analysis，DCA），发现最长梯度长度小于3，因此本研究采用冗余分析来量化土地利用指数对水质参数的影响。RDA结果排序图中，箭头之间的夹角代表了指标间的相关性，夹角小于90°时，两者呈正相关，夹角越小，相关性越强；夹角大于90°时为负相关，夹角越大，相关程度越高。箭头的长度表示该影响因子所占比重，箭头越长表示影响程度越高[33，40]。
2 结果与分析
2.1 土地利用特征
以富顺西湖5个采样点为中心，提取50~100 m 6个空间尺度对应的土地利用类型，各空间尺度的土地利用类型均为建设用地。PD随空间尺度扩大而减小（图2），景观整体的异质性和破碎度降低；LSI和AI随空间尺度扩大而增加，表明空间尺度越大，斑块形状越复杂，景观的连通性越强、聚集更紧密。
类似地，以腾冲青海湖6个采样点为中心，提取50~100 m 6个空间尺度的土地利用类型，发现林地占比最大，草地分布面积少（图3）。景观组成和空间格局随空间尺度变化而不同，草地和林地的景观组成和空间格局差异大。在各空间尺度，采样点QH-1草地占比为90%以上，其余采样点林地面积占比最大，为91.18%~99.99%（图3）。随空间尺度扩大，LSI和AI呈现出增大的趋势（图2），景观面积扩大，斑块形状的复杂度增加，离散性减弱；PD随空间尺度扩大逐渐减小，景观整体破碎度降低。
两个湖泊的土地利用类型差异显著，富顺西湖为城市湖泊，流域内均为人工景观，受人为因素影响大；腾冲青海湖流域为林地和草地，受人类活动影响小。此外，富顺西湖和腾冲青海湖PD、LSI和AI随空间尺度变化趋势一致，空间尺度越大，景观整体的异质性和破碎度越低，聚合度越强。
图2富顺西湖和腾冲青海湖各空间尺度景观格局指数
Fig.2Landscape pattern indexes at various spatial scales of Fushun West Lake and Tengchong Qinghai Lake
2.2 湖泊水质特征分析
富顺西湖水质为碱性，pH值在7.10~8.18之间波动（图4）。TDS浓度高，旱季均值为476.72 mg/L，雨季均值为391.36 mg/L。DO浓度在旱、雨两季差异大，旱季、雨季分别符合地表水Ⅰ类、Ⅳ类水质标准（GB 3838—2002）。NH3-N浓度低，在0.01~0.04 mg/L范围内波动，达到地表水Ⅰ类水质标准。TP和TN季节差异明显，雨季，TP浓度为0.24~0.31 mg/L，达到Ⅴ类水质标准，TN浓度为0.89~2.36 mg/L，多符合Ⅳ类水质标准；旱季，TP和TN均符合Ⅲ类水质标准。富顺西湖水温、pH、TDS、DTP、DO、TP、TN等水质参数季节差异显著，旱季水质优于雨季。
图3腾冲青海湖各空间尺度土地利用类型占比
Fig.3Percentage of land use types at each spatial scale in Tengchong Qinghai Lake
腾冲青海湖水质在雨季为弱酸性，pH值处于6.81~6.95范围内（图4），这与雨季时持续性酸性地下水补给关系密切，而表层湖水在旱季的pH值增大可能与湖泊浮游植物的生命活动和水气间的CO2平衡有关[23]。TDS浓度在9.42~12.29 mg/L之间，水中的溶解物浓度较低。DO浓度在6.50~6.79 mg/L的波动范围内，旱、雨两季均符合Ⅱ类水质标准。NH3-N浓度区间为0.20~0.33 mg/L，达到Ⅱ类水质标准。TP浓度在雨季符合Ⅱ类、Ⅲ类水质标准，旱季符合Ⅱ类水质标准。TN在旱季、雨季均达到Ⅲ类水质标准。DTP、DTN、NO-3-N浓度偏低，水质的污染程度较低。腾冲青海湖水质参数的季节差异性显著，水温、pH、DTP、NO-3-N、DO、TP、TN的季节差异明显，雨季水质劣于旱季。
富顺西湖和腾冲青海湖水质存在明显的季节差异性，均表现为旱季水质比雨季好，但两个湖泊水质差异大，富顺西湖TDS、NH3-N、TP、DTP、TN、DTN等浓度均显著高于腾冲青海湖，整体水质劣于腾冲青海湖。
2.3 不同空间尺度土地利用对水质的影响关系
2.3.1 富顺西湖土地利用对水质的影响关系
RDA分析结果表明，富顺西湖在旱季对各水质因子的解释率最大，其中60 m湖岸带缓冲区对水质的解释率最大，为89.2%；雨季，土地利用对水质的解释率整体较低，解释率最高的为50 m湖岸带缓冲区（76.6%）（表1）。前两轴对水质指标的解释率较高，其中第1轴的解释率均高于第2轴，表明对水质的影响主要来自于第1轴（表1）。不同空间尺度下土地利用对水质的影响有所不同，PD（8.3%~34.6%）、AI（12.4%~44.9%）和LSI（21.4%~51.4%）是影响水质的最大解释变量（表1）。根据富顺西湖土地利用对水质的冗余分析结果排序，不同土地利用指数与水质的相关性存在差异，在多数时空尺度下，PD与大多数水质指标（如TDS、DTP、TP、NO-3-N和NH3-N等）呈显著正相关；AI在雨季时与多数水质指标（如TDS、TP、DO、NO-3-N、NH3-N等）呈正相关，在旱季时与TDS、NO-3-N呈显著正相关，与其他水质指标呈负相关；LSI与多数水质指标（如DO、TN、TP、DTN、DTP）存在正相关关系，与TDS、NO-3-N、NH3-N呈负相关（图5）。
图4富顺西湖和腾冲青海湖水质季节差异（大写字母和小写字母分别表示富顺西湖和腾冲青海湖水质指标季节性差异显著（P＜0.05））
Fig.4Seasonal differences in water quality of Fushun West Lake and Tengchong Qinghai Lake
2.3.2 腾冲青海湖土地利用对水质的影响关系
腾冲青海湖流域土地利用对各水质因子的解释率在雨季和60 m湖岸带缓冲区最大。土地利用指数在不同时空尺度对水质影响不同，PD（19.2%~40.6%）、AI（21.0%~54.7%）和LSI（17.2%~31.1%）对水质的影响最为显著（表2）。RDA结果表明，在多种时空尺度下，土地利用指数与水质指标间存在显著的负相关关系（图6）。林地与大多数水质参数呈显著负相关；草地在雨季与DTP、DTN、TN水质参数呈负相关，与NH3-N、NO-3-N、TP、TDS呈正相关，在旱季与大多数水质参数呈负相关；AI与DO、NH3-N、TP、TN、TDS、NO-3-N等水质参数呈负相关关系；PD与水温、TP、TN、DTP、DTN等水质参数呈正相关；LSI与TDS、TN、TP、NO-3-N和NH3-N大多数水质指标呈正相关（图6）。
表1富顺西湖土地利用变量解释水质变化比例的冗余分析结果*
Tab.1 Redundancy analysis results for the percentage of the overall water quality changes explained by the land use in Fushun West Lake
*解释变量包括PD-斑块密度、LSI-景观形状指数和AI-聚合度。
冗余分析结果中，不同湖泊土地利用对水质的解释率不同，富顺西湖（47.0%~89.2%）在旱、雨季两季均低于腾冲青海湖（56.2%~97.1%）（表1、2）。同时，不同土地利用指数对水质的影响也存在显著差异。富顺西湖流域中LSI和AI对水质的影响最大，而腾冲青海湖流域对水质影响最显著的土地利用指数为PD和AI。两个湖泊存在不同的时空尺度效应，富顺西湖在旱季和50~60 m缓冲区尺度与水质相关性最强，腾冲青海湖在雨季和60 m缓冲区尺度下土地利用方式对水质指标的解释率最大。
3 讨论
3.1 土地利用结构差异分析
富顺西湖流域内土地利用方式单一，均为建设用地。腾冲青海湖流域内，林地为主要土地利用类型。两个湖泊的土地利用类型差异显著，富顺西湖为城市湖泊，城市发展对土地的需求增长，富顺西湖流域内的土地被规划为建设用地用以城市发展，土地利用类型受人为因素影响大。腾冲青海湖属于高山湖泊，海拔较高，远离城市，林地和草地成为最适应的植被类型，受人类活动影响小。
富顺西湖流域景观破碎度和复杂度高，主要与城市建设和经济发展等人文因素有关，城市化过程中农业用地及生态用地被转化为建设用地，形成以人工景观为主的高度破碎化和复杂化的景观[41]。腾冲青海湖流域城市化发展进程缓慢，自然因素对景观格局起到更为重要的作用，降水是影响自然湖泊流域内景观格局的关键因素[42]，景观破碎度和聚合度高。各空间尺度下，两个湖泊流域的景观格局指数具有差异性（图2）。富顺西湖流域PD、LSI低于腾冲青海湖流域，AI高于腾冲青海湖流域，主要与区域自然和人文条件的差异有关。一方面，可能与城市发展有关，景观格局受社会经济的影响较为复杂，人口数量的增加会降低景观破碎化，增加景观集聚性[43]。另一方面，高原湖泊生态系统极为脆弱[44]，生态环境易受到扰动，景观结构的稳定性较差。因此，腾冲青海湖流域内景观斑块破碎度、形状复杂度较高，聚集度较低。
3.2 水质时空差异分析
湖泊水质参数具有显著的季节分异特征[45-46]。根据独立样本t检验，富顺西湖与腾冲青海湖水质季节性差异显著。对于富顺西湖，除DTN、NO-3-N外，其余水质参数表现出显著的季节分异特征（P＜0.05）。富顺西湖旱季水质高于雨季，这与人类活动关系密切。由于人类活动的作用，污染物蓄积在城市中的不透水面（如街道、屋顶等），在雨季受大量降雨冲刷进入湖体，导致水体污染加剧[47]；旱季时由于降水量和降水频率小，城市排水和污水处理系统对污染物进行有效处理，污染程度较低[48]。腾冲青海湖水温、pH、DO、TP、DTP、TN、NO-3-N的季节差异显著（P＜0.05），雨季水质劣于旱季。相较于旱季，腾冲青海湖雨季时降雨频繁，降雨量大，对土壤的冲蚀作用强，造成湖体中的泥沙、悬浮物等物质浓度增加，使湖泊水质恶化[46，48]。
图5富顺西湖冗余分析结果排序图（环境变量为虚线空心箭头，包括PD-斑块密度、LSI-景观形状指数、AI-聚合度； 物种变量为实线箭头，包括水温、pH、TDS、DO、NH3-N、TP、DTP、TN、DTN、NO-3-N; a~f和g~l分别为雨季和旱季水质采样点50、60、70、80、90、100 m缓冲区尺度的RDA结果）
Fig.5Sequence diagram of redundancy analysis results for Fushun West Lake
表2腾冲青海湖土地利用变量解释水质变化比例的冗余分析结果*
Tab.2 Redundancy analysis results for the percentage of the overall water quality changes explained by the land use in Tengchong Qinghai Lake
*解释变量包括Forest-林地、PD-斑块密度、LSI-景观形状指数和AI-聚合度。
富顺西湖与腾冲青海湖水质呈现出相似的季节分异特征，雨季受降雨影响湖体污染物增加，水质变差。整体而言，腾冲青海湖水质在旱、雨两季均优于富顺西湖。受湖泊成因影响，富顺西湖作为经过人工改造的天然洼地形成的河成湖，湖泊景观的形成多依赖于人工疏浚和整治，其水源主要来自周围山体的雨水汇集和城市排水系统，湖泊水体循环相对较慢，且受人类活动影响较大，如农业、生活污水排放等都可能导致氮、磷等营养物质增加[49-50]，从而影响水质；腾冲青海湖作为自然形成的火山湖，由火山喷发后自然积水形成，距离县城偏远，生态环境相对封闭，人类活动干扰较少，湖泊水质更为稳定和纯净。由于人文因素驱动力不同，富顺西湖在城市地表径流、城市建设等各类污染来源的影响下，湖泊水质差，部分指标超标严重，受污染强度大；腾冲青海湖距离城镇用地远，周围林草地广布，受农业种植、畜禽养殖、城市污水排放等人类活动影响小，湖泊水质洁净度高。
3.3 土地利用结构对水质的影响
不同土地利用结构对水质的影响存在明显差异，与已有研究成果相吻合[51-52]。研究发现多数时空尺度下林地对水质有正面影响，建设用地对水质有负面影响，这与前人的研究一致[53-54]。富顺西湖流域处于市区，建设用地广布，是流域点源污染的主要来源，也是一种高度人为干扰的土地利用方式[55-56]。居住、交通和商业用地积聚了生活垃圾、工业废弃物等大量污染物，建设用地作为不透水面失去了对污染物截留和吸附能力，污染物质在雨水冲刷下随地表径流进入湖泊，容易引起湖泊污染[57]。林地与多数水质指标呈负相关关系，林地冠层下的土壤层具有水源涵养、水土保持、滞留部分污染物的功能[58]，能够截留、吸收污染物，从而改善水质。因此，林地被认为是水污染“汇”景观，是改善水质的有效途径[52]。旱季时，林地面积占比与TN、NO-3-N浓度呈正相关，这可能与林地的枯枝落叶有关，林地的枯枝落叶层富含氮等有机质[58]。在多数空间尺度上，草地面积占比与DTN、DTP、TN浓度呈负相关，表明草地对水质有净化效果，在一定程度上能够拦截污染物质进入湖体。冗余分析结果显示，草地面积占比与NH3-N、NO-3-N、TP、TDS呈正相关（图6），这与Ahearn等[59]和Xiao等[60]的研究结果一致。有学者表明[15]，草地对水质起到“源”的作用，这可能与草地种植方式的差异、草地面积占比较小，以及林地向草地过渡时的管理不善等因素有关，造成水土流失和土壤侵蚀，降低了草地对污染物质的吸附力和截留能力，使污染物质向湖区转移，从而对湖泊水质产生负面影响。
各流域的水环境质量不仅受到土地利用方式的影响，更受到其景观格局类型空间分布的制约[5]。因此，基于景观格局指标建立与湖泊水质各参数之间的关系，能够更好地对水质的影响因子进行分析，预测湖泊水质的变化[61]。
图6腾冲青海湖冗余分析结果排序图（环境变量为虚线空心箭头，包括Grass-草地、Forest-林地、PD-斑块密度、LSI-景观形状指数、 AI-聚合度；物种变量为实线箭头，包括水温、pH、TDS、DO、NH3-N、TP、DTP、TN、DTN、NO-3-N; a~f和g~l分别为雨季和旱季水质采样点50、60、70、80、90、100 m缓冲区尺度的RDA结果）
Fig.6Sequence diagram of redundancy analysis results for Tengchong Qinghai Lake
在富顺西湖多数空间尺度下，PD、LSI、AI与大多数水质指标呈正相关；AI在雨季与多数水质指标呈正相关，在旱季与少数水质指标呈显著正相关（图5）。富顺西湖流域内建设用地景观斑块高度相连（图2），当流域内景观主要由少数聚集的较大“源”斑块组成时，分散的污染物就会被沟通、聚集，加剧对水质的威胁[62-64]。随着景观破碎化程度的提高和类型多样性的降低，污染物从“源”景观输出的可能性将会增加，加剧对水质的污染[65-67]。建设用地作为富顺西湖流域内的唯一景观类型和“源”景观，受城市建设、生产生活的持续影响，建设用地斑块破碎度、边缘形状复杂度加剧，人类活动产生的大量污染物更易进入湖体。
在腾冲青海湖各空间尺度下，AI与多数水质参数呈负相关关系，PD、LSI与多数水质参数呈正相关（图6）。景观破碎化程度高，土壤侵蚀的可能性增大，从而导致湖泊水质更容易受到污染[5，45]。腾冲青海湖流域内“汇”景观林地由于受到人为因素的干扰，景观斑块被分割，林地吸收污染物的能力减弱[68]。林地作为腾冲青海湖优势景观，景观斑块集合度较高、分布连续，有利于对污染物质进行截留过滤，改善水质[35]。
受不同土地利用和景观格局配置的制约，富顺西湖与腾冲青海湖水质表现出较大差异。土地利用综合反映人类活动对湖泊水质的影响[8]，两湖流域土地利用差异显著。建设用地作为“源”景观，是富顺西湖流域内仅有的土地利用类型，人类扰动大，湖泊水质受污染严重。林地作为“汇”景观，是腾冲青海湖流域内的主要土地利用类型，人类活动对湖泊水质影响小。土地利用结构与水质的相关性具有差异，PD和LSI与两个湖泊水质均呈正相关，湖泊景观被割裂的程度越高、斑块形状越不规则，污染物质更易向湖泊转移，造成湖泊水质污染；AI与两个湖泊水质参数呈现不同的相关性，这与流域内土地利用方式有关。景观连通性影响了能量、物质和营养成分在景观单元间的流动，分布连续的林地能有效净化水质，而建设用地的高度连通性易导致水质恶化[69]。
3.4 土地利用对水质影响的时空尺度效应
土地利用格局对水质的影响具有时空尺度效应，但由于各研究区域在地理位置、地质成因、生态环境和人文因素上的独特性和差异性，关于影响水质的最佳时空尺度至今没有统一的结论[70]。富顺西湖在旱季和50~60 m缓冲区尺度下，土地利用与水质的相关关系更显著。人类活动是影响水质的重要因素，人口与土地利用离湖泊越近，人类活动越强，则对水质的影响越大[71]。富顺西湖在旱季时土地利用对水质的解释率高于雨季，可能与流域内降雨和地表径流的季节性变化有关[22]。旱季，流域内的降水量和湖泊水量较少，湖泊污染物浓度对土地利用结构变化的响应更敏感[72]，人类活动是旱季时影响水质的主导因素，土地利用和景观格局作为人类活动的综合反映，在旱季时对湖泊水质影响更为显著[73]。腾冲青海湖在雨季和60 m缓冲区尺度下土地利用对水质的影响最大，水质与土地利用的相关性随空间尺度增加趋于减小，这与已有研究相似[74]。由于雨季降水集中，地表径流大量增加，加剧土壤侵蚀，污染源和沉积物更易通过地表径流进入湖体[75]，导致雨季在腾冲青海湖各空间尺度下解释率较高，与郭羽羽等[6]的研究结果相符。
富顺西湖和腾冲青海湖流域水质与土地利用结构的关系依赖于空间尺度。地表径流能够将地面上的氮、磷等污染物带入湖泊，距离越近，污染物进入湖泊的速度和含量就会越大，50和60 m缓冲区的短距离使得这种传输更加高效，且没有足够的时间或空间进行自然净化。同样在这一缓冲区尺度下，由于靠近湖体，土地利用过程中如果有污染物渗入土壤污染地下水，受污染的地下水将会较容易地通过土壤层进入湖泊，导致湖泊水质恶化。富顺西湖在50~60 m缓冲区尺度下土地利用对水质的影响最大，而腾冲青海湖在60 m缓冲区尺度下土地利用对水质的解释率最高，两个湖泊土地与水质的空间尺度效应略有差异，造成这种差异的原因一方面可能与湖泊成因不同有关[22]。河成湖由河流作用形成，多发育于平原地区，富顺西湖位于城市内部，湖泊周围陆地相对平坦。火山湖由火山活动形成，一般位于火山口中，周边地形多为山地和丘陵，地貌类型多样[76-77]，地形限制了土地利用的构成与空间结构，对污染物质及污染源的空间分布产生影响，进而影响水质[78-79]。另一方面，受人文因素影响，富顺西湖作为城市景观位于城市内部，人类活动越靠近湖岸，越能够直接影响湖泊水质；而腾冲青海湖流域人类活动少，湖泊水质受自然影响更大，因此两个湖泊土地利用对水质解释的最佳空间尺度略有差异。两个湖泊流域内土地利用对水质影响强度具有不同的时间效应，可能与流域物理性质和人类活动等的差异[80]有关。两个湖泊流域雨季时受降水影响，污染物和沉积物更易进入湖体，旱季时降水量和湖泊水量较少，水质受气候等自然因素的影响小，人为因素是影响水质的主要因素[81]。而富顺西湖流域内人为因素干扰显著大于腾冲青海湖流域，受土地利用格局差异显著影响，湖泊流域内景观格局配置改变，导致水文特征、物质转移和能量流动不同[82]，进而造成了流域内土地利用对水质影响强度的时间效应差异。
3.5 建议
湖泊水环境质量受到外源污染和内源污染的共同影响[83]，因此治理湖泊水环境必须采取“内外兼治”的措施。依据富顺西湖和腾冲青海湖的水环境特点及其受土地利用影响的状况，对其水环境综合治理提出以下建议：（1）重视靠近湖泊的土地利用对水环境的影响，设置一定宽度的湿地、草地或林地等生态缓冲区，通过植物的吸收、沉淀和微生物降解作用，减少随地表径流或地下渗透进入湖泊的污染物，如农药、化肥、土壤颗粒物等。（2）从源头控制污染物输入，包括控制城市污水排放、土壤颗粒物等污染，对城市污水管网进行排查，封堵沿湖污水排放口、截留污水；在腾冲青海湖流域周边设立水质检测及污水处理设施；建立雨水收集和净化系统，通过雨水花园、透水铺装、生物滞留池等低影响开发设施，减少污染物随雨水径流进入湖泊。（3）在湖泊内种植芦苇、菱等水生植物，吸收水中营养物质，减少藻类暴发，同时提高水体自净能力；定期对湖底沉积物进行环保疏浚，减少内源性污染。（4）采取灵活的适应性管理策略，在雨季时需加强雨水的收集与利用，减少暴雨期间流入腾冲青海湖的污染物；在旱季加强补水和循环，提高水体流动性，减轻富顺西湖的污染程度。（5）制定并执行严格的湖泊保护区管理制度，对湖泊周边的土地利用项目进行环境影响评估，确保新开发活动不会加重湖泊污染；政府可以通过补贴、税收优惠等政策激励，鼓励土地所有者和使用者采取有利于水质保护的措施。
4 结论
1）水质参数表现出显著的季节变化，富顺西湖流域与腾冲青海湖流域均表现为雨季湖泊水质优于旱季，具有相似的季节分异特征。两湖水质存在显著差异，腾冲青海湖水质显著优于富顺西湖，土地利用方式与湖泊成因不同是导致水质差异的主要原因。
2）不同时空尺度下，不同土地利用指数对水质的影响存在显著差异。建设用地作为富顺西湖流域内的唯一土地利用类型，是湖泊水质污染的主要来源。LSI和AI对富顺西湖水质影响最大，PD、LSI、AI与多数水质指标呈正相关，流域内建设用地作为“源”景观，景观类型单一，聚集程度和破碎化程度高，输出污染物增加，加剧对水质的威胁。林地是腾冲青海湖流域内的主要土地利用类型，PD、LSI和AI对湖泊水质的影响最为显著。林地面积占比和AI对水质具有正效应，能够改善水环境质量；PD和LSI的增加会加剧斑块破碎化，导致水质恶化。
3）土地利用格局对水质的影响具有时空尺度效应，湖泊成因和土地利用方式的差异导致两个湖泊有不同的时空分异特征。富顺西湖在旱季和50~60 m缓冲区尺度土地利用与水质的相关性最强，腾冲青海湖在雨季和60 m缓冲区尺度下土地利用方式对水质指标的解释率最大。
4）通过对富顺西湖和腾冲青海湖多时空尺度下展开土地利用与水质关系差异性的定量研究，确定了不同类型湖泊土地利用对水质影响的相关性和管理水质最有效的时空尺度，能够指导不同类型湖泊的区域规划与管理，合理安排水源保护区、农业生产区和其他功能区，从而制定有针对性的湖泊缓冲带设置、污染源控制、生态修复等策略，为湖泊环境保护、水质安全和水资源可持续利用提供科学指导。
5 附录
附表Ⅰ见电子版（DOI： 10.18307/2025.0124）。
图1富顺西湖与腾冲青海湖概况及不同空间尺度示意图
Fig.1Overview and different spatial scales of Fushun West Lake and Tengchong Qinghai Lake
图2富顺西湖和腾冲青海湖各空间尺度景观格局指数
Fig.2Landscape pattern indexes at various spatial scales of Fushun West Lake and Tengchong Qinghai Lake
图3腾冲青海湖各空间尺度土地利用类型占比
Fig.3Percentage of land use types at each spatial scale in Tengchong Qinghai Lake
图4富顺西湖和腾冲青海湖水质季节差异（大写字母和小写字母分别表示富顺西湖和腾冲青海湖水质指标季节性差异显著（P＜0.05））
Fig.4Seasonal differences in water quality of Fushun West Lake and Tengchong Qinghai Lake
图5富顺西湖冗余分析结果排序图（环境变量为虚线空心箭头，包括PD-斑块密度、LSI-景观形状指数、AI-聚合度； 物种变量为实线箭头，包括水温、pH、TDS、DO、NH3-N、TP、DTP、TN、DTN、NO-3-N; a~f和g~l分别为雨季和旱季水质采样点50、60、70、80、90、100 m缓冲区尺度的RDA结果）
Fig.5Sequence diagram of redundancy analysis results for Fushun West Lake
图6腾冲青海湖冗余分析结果排序图（环境变量为虚线空心箭头，包括Grass-草地、Forest-林地、PD-斑块密度、LSI-景观形状指数、 AI-聚合度；物种变量为实线箭头，包括水温、pH、TDS、DO、NH3-N、TP、DTP、TN、DTN、NO-3-N; a~f和g~l分别为雨季和旱季水质采样点50、60、70、80、90、100 m缓冲区尺度的RDA结果）
Fig.6Sequence diagram of redundancy analysis results for Tengchong Qinghai Lake
表1富顺西湖土地利用变量解释水质变化比例的冗余分析结果*
表2腾冲青海湖土地利用变量解释水质变化比例的冗余分析结果*
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