南水北调工程是我国解决北方水资源短缺问题的重大战略性工程,中线工程是其重要的组成部分。丹江口水库作为中线工程源头水源地,其水质状况对于南水北调工程的成败具有举足轻重的作用,不仅关系到库区及沿线地区人民生活、生产用水安全,甚至影响着周边地区社会和经济的发展。本文选择湖北丹江口库区金桩堰小流域为研究区,应用遥感影像并结合野外调查将小流域划分为14个子流域。在小流域遥感影像解译及森林类型景观格局分析的基础上,于2018年8月—2019年2月对14个子流域雨季和旱季的地表径流进行每月一次的采样及总氮、总磷、硝态氮、氨态氮和化学需氧量浓度测定,分析了森林类型面积比及景观格局指数与水质指标之间的相关关系。根据地表水综合质量划分了子流域类型,按照水质差异对子流域森林类型布局进行了优化及效益评价,提出了森林类型布局优化建议,以期为提升森林净化水质功能提供科学依据。研究结果表明:(1)14个子流域间森林类型面积比和景观格局指数空间差异较大。针叶林面积比、斑块密度和最大斑块指数空间变化分别为4.04~61.64%、0.17~1.2个/100ha和1.95~28.39%。阔叶林面积比、斑块数、斑块密度、最大斑块指数、边缘密度和散布与并列指数空间变化分别为0~48.66%、0~9个、0.06~0.72个/100ha、0~13.72%、0~22.41m/ha和0~87.63%。针阔混交林面积比、斑块密度、最大斑块指数、边缘密度和形状指数空间变化分别为0~57.52%、0~1.34个/100ha、0~19.98%、0~31.06m/ha和0~5.56。(2)因为受总氮和化学需氧量浓度严重超标的影响,14个子流域径流水质均在地表水环境质量等级Ⅲ类水质标准及以下,未达到丹江口库区Ⅱ类水质及以上的要求。14个子流域径流水中总氮、总磷、硝态氮、氨态氮和化学需氧量浓度时空变化较大。总氮、总磷、氨态氮和化学需氧量浓度在雨季皆高于旱季,而硝态氮浓度在雨季低于旱季。雨季14个子流域总氮、总磷、硝态氮、氨态氮和化学需氧量浓度的空间变化分别为0.44~4.85mg/L、0.0094~0.0564mg/L、0.15~3.20mg/L、0.33~0.55mg/L和16~58mg/L,而旱季总氮、总磷、硝态氮、氨态氮和化学需氧量浓度的空间变化分别为0.20~2.65mg/L、0.0073~0.0535mg/L、0.10~2.51mg/L、0.14~0.45mg/L和20~35mg/L。(3)不同森林类型面积比与子流域径流水质的相关分析表明,针叶林面积比、阔叶林面积比与径流水质指标浓度呈显著负相关,而针阔混交林面积比与径流水质指标浓度呈显著正相关。说明针叶林和阔叶林面积比越大,则径流水质越好;而针阔混交林面积比越大,则径流水质越差。不同森林类型景观格局指数与子流域径流水质的相关分析表明,针叶林边缘密度,阔叶林最大斑块指数、边缘密度和散布与并列指数,针阔混交林最大斑块指数、边缘密度、形状指数和散布与并列指数与径流水质指标浓度呈显著负相关,而针叶林边缘密度和最大斑块指数,阔叶林针阔混交林斑块密度与径流水质呈显著正相关。说明可通过调节不同森林类型的景观格局指数达到提升径流水质的目的。(4)在子流域径流综合质量评价的3种类型中(水质较好、轻度污染和中度污染),水质较好的子流域针叶林面积比、斑块密度和最大斑块指数分别为17.01%、0.3个/100ha和5.14%,阔叶林面积比、斑块数量、密度、最大斑块指数、边缘密度和散布与并列指数分别为27.11%、3个、0.38个/100ha、9.71%、16.02m/ha和76.45%,针阔混交林面积比、斑块密度、最大斑块指数、边缘密度和形状指数分别为43.42%、0.09个/100ha、11.98%、2.77%和2.12。按照水质较好的子流域森林类型布局对水质较差的子流域进行优化,在森林类型面积比上优化的水质提升效益为22.58~46.07%,在针叶林景观格局指数上优化的水质提升效益为8.06~25.64%,在阔叶林景观格局指数上优化的水质提升效益为3.23~31.46%,在针阔混交林景观格局指数上优化的水质提升效益为10.13~28.09%。同时,阔叶林和针叶林在河流两侧和出水口位置呈聚集分布有利于子流域水质的提升,针阔混交林在远离河流两侧和出水口位置分散布局有利于子流域水质的提升。