基于“源-汇”生态过程的景观格局识别方法——景观空间负荷对比指数

正确理解景观格局与生态过程的关系是进一步深化景观生态学研究的关键,但是由于景观格局和生态过程涉及到不同的研究尺度,并且随着尺度的变化而变化,加上面状生态过程监测数据无法直接获得,导致很难定量描述景观格局与生态过程之间的关系。本文以非点源污染作为研究的典型生态过程,通过分析不同景观类型及其空间分布格局在非点源污染形成过程中的地位和作用,借用洛伦兹曲线的理论,从距离、相对高度和坡度三个方面建立了不受尺度限制的景观格局评价模型——景观空间负荷对比指数。该指数可以较好地将具有面状特性的景观格局与点状监测数据有机地结合在一起,使定量研究流域景观格局与生态过程的关系成为可能。该评价模型的特点有以下几个：①不受空间尺度的限制,具有跨尺度的功能;②适宜于环境背景(降雨和土壤等)相似的地区;③景观空间负荷对比指数具有相对比较意义,其值越大,表示该类景观空间格局对流域出口监测点的贡献越大,反之越小;④景观空间负荷对比指数不能用来预测流域出口监测点非点源污染或水土流失的值,但是可以通过比较计算不同流域景观空间负荷对比指数,来判断流域发生养分(水土)流失的危险性。     

流域尺度上的景观格局与河流水质关系研究进展

利用景观生态学原理研究流域尺度上土地利用及其空间格局对河流水质的影响,已成为流域环境研究中的热点问题。在综合评价国内外土地利用变化与河流水质关系研究的基础上,阐述了景观格局在流域水环境研究中的重要性,并根据国内外研究进展,对景观格局与水质关系的研究方法和手段进行了分类分析,同时也对流域尺度上的景观-水质模型研究进展也进行了分析总结,最后指出了景观格局与水质关系研究的核心问题和未来研究的热点方向。     

河流水质的景观组分阈值研究进展

土地利用/覆被变化产生的区域生态环境负面效应已引起国内外研究者的广泛关注,其中,河流水质对景观组分变化的响应已在区域及更大尺度的研究中,成为热点。探讨河流水质的景观组分阈值,可以弥补非点源污染研究在区域尺度上的景观变化影响水质问题研究中的不足,而这是当前流域水环境管理及土地利用规划与管理的主要依据之一。从景观组分指数与水质指标出发,分析了当前研究的常用指标,认为:具有明确物理意义的景观组分指数,如不透水表面指数、植被指数等,受到水质的景观组分阈值研究的青睐;在水质指标中,水化学指标应用最为广泛,同时,表征水生生态系统条件的如生物类指标、综合生物类与非生物类指标,也逐渐受到重视,方兴未艾。尽管河流水质的景观组分阈值是当前的研究重点,但在区域以及更大尺度上,阈值的差异较大。在今后的研究中,水质退化的景观组分阈值还需在研究尺度、水质指标及阈值标准等问题上进一步深化,而景观格局指数的应用将会促进对水质退化受景观组分空间配置影响的研究。对水质的景观组分阈值研究进行综述,可以为区域尺度上开展水质保护、流域水环境管理及土地利用规划提供前沿信息。     

深圳市西部库区景观格局与水质的关联特征

利用灰色关联分析方法研究了深圳市西部水库流域景观格局指数与水质指标的关联关系,并探讨了"源"、"汇"景观格局对非点源污染的影响程度.结果表明:研究区"源"、"汇"景观的优势程度、聚集程度和破碎程度显著地影响流域内水体质量;2000-2001年,由于研究区"源"、"汇"景观格局的变化,使得整个流域内污染物输出程度不断加剧,污染物得以削减的程度不断降低,导致研究区水体质量恶化.结合研究区"源"、"汇"景观的空间分布特征来看,水库水体质量的变化与"汇"景观在流域下游的分布特征具有紧密关联,这说明"汇"景观格局对非点源污染的防治起着非常重要的作用.     

基于“源-汇”生态过程的长江上游农业非点源污染

景观空间格局是农业非点源污染的主要影响因素之一,关于二者的相互关系缺乏定量研究.针对长江上游的农业非点源污染问题,应用基于"源-汇"生态过程理论提出的景观空间负荷对比指数,选取9个典型的行政单元,探讨了长江上游流域景观空间格局和非点源污染之间的定量关系.结果表明,景观空间负荷对比指数对非点源污染负荷有显著的响应关系,说明景观空间负荷对比指数可作为非点源污染空间风险评价的有用方法之一.在此基础上,进一步分析了长江上游典型行政单元景观空间负荷对比指数时空演变规律.探讨了指数演变时空差异原因,认为该指数主要受到区域景观的坡度、与污染出口相对距离、高程、土地利用类型比重和农业与农村经济政策的影响.最后提出了长江上游非点源污染空间风险控制与管理的对策.     

不同空间尺度景观特征对南流江水质的影响差异

流域景观特征决定了非点源污染物来源与地表景观削减消纳能力,但尚缺乏全流域不同空间尺度对二者关联性的认识。以广西北部湾南流江为例,分别在子流域、河岸缓冲带以及监测点圆形缓冲区三种尺度上,基于2020年Landsat 8 OLI遥感影像解译的土地利用类型特征,结合水质监测数据,运用数理统计和GIS空间分析方法,探讨了流域景观特征在不同空间尺度上对河流水质的影响。结果表明：(1)在子流域尺度,土地利用类型以林地为主,而在河岸缓冲带与监测点圆形缓冲区均以耕地为主;(2)水质指标高锰酸盐指数、生化需氧量与景观特征相关性最为显著,耕地、建设用地、其他用地和园地与其呈正相关,是南流江水质污染负荷的重要来源区;景观格局指数中,斑块密度、蔓延度指数、多样性指数、均匀度指数是引起河流水质指标变化的主要景观因子;(3)受流域内或不同子流域间景观特征差异,景观组成面积占比和景观格局指数均在河岸缓冲带尺度对水质状况影响最大,分别可解释57.0%和64.7%的水质指标变化;子流域尺度次之,圆形缓冲区尺度最小,且景观格局指数对水质状况的影响大于景观组成面积占比。建议在河岸带50 m范围内严格控制耕地面积,建设河岸缓...     

异质景观中非点源污染动态变化比较研究

通过在河北省遵化地区于水库的上游选取景观特征差异明显的4个典型流域,对地表水体采样分析,研究了非点源污染N（水溶性N）含量的季节动态变化特征以及与流域形状、景观空间分布格局的相互关系。结果表明：（1）平水（偏干,下同）年份不同季节地表水中非点源污染N含量高于干旱年份,反映出平水年份地表和地下径流对非点源污染的形成起到了较大作用。（2）干旱年份地表水中非点源污染N含量季节变化比较平稳,且空间变异较小,而平水年份地表水体中非点源污染N含量季节变化较大,表现出两种不同变化形式。（3）流域形状和景观类型的相对重要性与非点源污染N之间没有明显的相关关系,而“源”“汇”景观类型的空间分布格局在非点源污染的形成中起着重要作用。     

不同尺度景观空间分异特征对水体质量的影响——以深圳市西丽水库流域为例

由于景观格局对水体质量的影响是依赖于研究尺度、并且随着时间尺度和空间尺度的变化而变化的，因此探讨不同尺度上景观格局变化对水质的影响程度具有重要的研究价值。从深圳市水库流域水环境保护的需求出发，选择西丽水库及其汇水子流域为研究对象，以陈利顶等提出的景观空间负荷对比指数分析方法为基础，区分高度、坡度和距离3个空间要素计算了分区和累积景观空间负荷对比指数，继而利用该指数对比分析了不同时空尺度上“源”“汇”景观空间分异特征变化对水质的影响程度。研究结果表明，不同尺度上的景观空间分异特征可以显著影响“源”“汇”景观在非点源污染输出和削减方面贡献程度的对比关系，从而影响水体质量。由于不同尺度上景观空间分异特征的复杂性以及“源”“汇”景观在数量和类型方面差异的显著性，景观空间负荷对比指数的对比关系并不能良好地反映不同空间尺度上景观空间分异特征对水质影响的差异状况，因此必须 针对不同的研究尺度有选择的应用该方法来探讨景观空间分异特征对水质的影响程度。     

流域单元景观格局与农业非点源污染的关系

农业非点源污染日益成为影响地表环境的主要污染方式之一,正确理解景观格局和农业非点源污染过程的关系是进一步认识农业非点源污染发生机制的关键。本文应用去趋势典范对应分析方法（DCCA）对石头口门水库控制流域13个流域单元的景观格局与农业非点源污染关系进行定量分析。结果表明:DCCA排序前2轴分别与森林比率、植被指数、景观聚集度指数、多样性指数和耕地及居民建设用地比率显著相关,累计解释了景观格局与农业非点源污染关系的92%,证明此方法对研究目标具有较高显示度。各流域单元农业非点源污染养分径流输出特征沿景观因子梯度具有明显空间变异。     

不同空间特征尺度下景观格局对水质的影响

探究空间特征尺度下景观格局与水质的关系，对正确揭示格局如何影响水体污染迁移过程具有重要意义。本研究以福建省闽江流域为例，划分子流域、河岸和圆形缓冲区3种空间尺度，收集流域内26个监测断面的水质数据，基于Landsat-8影像分析景观格局特征。利用半变异函数、冗余分析等手段，识别各空间尺度的特征尺度，探讨在空间特征尺度下景观格局对水质的影响。结果显示：(1)闽江流域水质总体达到Ⅱ类标准，但仍存在超标水质，主要由水产禽畜养殖所致。(2)河岸尺度的特征尺度在1000 m缓冲区，而圆形缓冲区的特征尺度在2000 m。(3)子流域尺度景观格局对水质的总解释最强，达58.4%,其次为河岸(45.2%)、圆形缓冲区尺度(38.4%)。(4)林地的聚集程度和城镇最大斑块指数是影响水质的主要景观格局变量。上游汇水单元是未来水资源管理的关键区域，减少污染排放，增大林地优势和聚集程度，打破大面积建成区的连续性，有助于净化水质。     

城市非点源污染控制的景观生态学途径

城市非点源污染是伴随城市快速发展而出现的新问题.城市土地利用的特殊性、不透水层面积的增加,使城市非点源污染不同于农业非点源污染,而控制难度更大.治理城市非点源污染的常用方法是最佳管理措施(BestManagementPractices,BMPs),主要采取一些局部修复措施在地表径流迁移过程中控制污染物.但城市土地利用格局的改变对非点源污染的影响十分显著,结合局部的BMPs和区域的景观规划是控制城市非点源污染的一个理想途径.城市非点源污染控制的景观生态学途径首先需要了解城市景观格局对非点源污染源、污染物迁移过程和受纳水体的影响,明确非点源污染与景观格局的关系,判定造成非点源污染的主要原因和关键环节.在此基础上,根据城市非点源污染控制要求,针对性地重新组合原有景观格局或引入新的景观要素以构建新的景观格局,并将BMPs融入规划之中,将景观规划与管理有机结合,增强城市景观异质性,实现对城市非点源污染的有效控制.     

流域景观格局与河流水质的多变量相关分析

流域内的景观格局改变是人类活动的宏观表现,会对河流水质产生显著影响,因此明确影响水质变化的关键景观因子,对于深入了解景观对水质的影响机制具有重要的研究价值。选择广东省淡水河流域为研究对象,以2007年ALOS卫星影像以及水质监测数据为基础,运用空间分析和多变量分析方法,分析淡水河流域景观格局与河流水质的相关关系。用包括流域和河岸带尺度的景观组成和空间结构信息的景观指数表征景观格局,用Spearman秩相关分析、多元线性逐步回归模型和典型相关分析(CCA)研究景观指数和水质指标的相关关系。研究结果表明:林地、城镇用地和农业用地占淡水河流域总面积超过90%,其中城镇用地超过20%。多元线性逐步回归分析和CCA结果说明水质指标受到多个景观指数的综合影响,反映了景观格局对水质的复杂影响机制。流域景观格局对河流水质有显著影响,流域尺度的景观指数比河岸带尺度的景观指数对水质影响更大。城镇用地比例是影响耗氧污染物和营养盐等污染物浓度最重要的景观指数,林地和农业用地对水质的影响较小。另外,景观破碎化对pH值、溶解氧和重金属等水质指标有显著影响。CCA的第一排序轴解释了景观指数与水质指标相关性的54.0%,前两排序轴累积能解释景观指数与水质指标相关性的87.6%,前两轴分别主要表达了城市化水平和景观破碎化水平的变化梯度。淡水河流域的景观格局特征从上游到下游呈现出城市—城乡交错—农村的景观梯度,水质变化也对应了这个梯度的变化,说明人类活动引起的流域土地覆盖及土地管理措施变化会对水质变化产生显著影响。     

SWAT模型对景观格局变化的敏感性分析——以丹江口库区老灌河流域为例

景观的空间配置与类型组成能够对流域的产流、产沙及非点源污染产生影响。在以往SWAT模型研究中,往往默认水文模型考虑了该影响。为分析SWAT模型对不同景观格局变化的敏感性,根据老灌河流域2000年土地利用在各子流域的组成,模拟研究区更为破碎、复杂的景观空间配置,通过设置多套试验参数,利用SWAT模型生成基于不同景观格局的模拟结果。结果表明,SWAT模型不能反映除坡度和面积变化之外的景观水平下各斑块之间因景观空间格局改变对流域产流、产沙以及非点源污染的影响;模型通过其他参数的调整,弥补了模型分析数据的不足,使实测数据与模型部分结果高度吻合。这表明,一个能够反映流域部分水文特征的SWAT模型,未必是对研究区真实情形的模拟,而是各个参数间平衡的结果。因此,在利用SWAT模型分析模拟景观变化时,不应默认模型能够模拟景观空间格局改变对流域水文过程的影响,同时研究者可以通过划分坡度带,提高模型对不同坡度土地利用的敏感性。     

基于“源-汇”景观的太湖宜兴段入湖港口水质时空变化

针对太湖流域非点源污染日益严重和近年来宜兴段土地利用方式变化状况,以太湖大堤西岸3km缓冲区内的景观为研究区域,基于"源-汇"景观理论,计算了其"源-汇"景观空间负荷对比指数(LCI),并结合宜兴市10条主要入太湖港口的实测水质数据,定量分析了太湖流域宜兴段非点源污染的时空变化特征。结果表明:时间上,2010年有8个入湖港口的LCI值较2004年有明显下降;对应的水质指标方面,铵氮浓度降低了41.0%,说明LCI降低对氨氮浓度影响较大,而其他水质指标改善不明显。空间上,景观类型通过相对重要性指数变化对LCI值产生相应影响,而LCI值与综合水质标识指数之间呈正相关关系,说明景观空间格局变化会显著影响水质指标。总之,LCI值与水质指标中的铵氮和总氮密切相关,LCI值的变化趋势与各港口水质的时空变化趋势基本一致,LCI能够较好地反映非点源污染的产生、转移过程。     

基于“源-汇”景观的典型半城市化小流域非点源污染风险评价

小流域的水质恶化主要由点源污染和非点源污染引起，随着点源污染控制水平达到一定程度后，非点源污染已成为首要污染源。当前对非点源污染的管控仍存在难监测和难治理的问题，明晰非点源污染发生风险以及背后的原因是亟需解决的问题，因此开展非点源污染风险分析和评价具有重要意义。采用高分辨率影像解译了2010年、2015年和2020年三期厦门市后溪流域土地利用数据；基于"源-汇"景观格局方法计算研究区网格单元的网格污染指数（GPI）；结合土地利用变化数据分析非点源污染风险的时空变异，对风险区成因进行了分析。研究结果表明：当前，"汇"景观占流域面积的67.86%，非点源污染发生风险分布呈现北低南高；十年中，非点源污染风险呈现上升趋势，目前非点源污染发生风险处于低风险水平（GPI=0.27）。通过分析风险区的土地利用构成发现耕地面积的缩减（减少67.08%）和建设用地面积扩张（增加43.02%）是污染风险发生变动的主要原因。计算了风险区转移矩阵，发现非点源污染发生风险区呈现出中高风险区向低风险区和"汇"景观区域转移的趋势。基于"源-汇"景观格局理论计算的网格污染指数（GPI）可以有效地对流域非点源污染风险值进行表征，是评价和分析流域非点源污染发生风险的可用方法。     

基于“源-汇”理论的流域非点源污染控制景观格局调控框架——以厦门市马銮湾流域为例

基于“源-汇”理论对景观格局进行调控与优化是一种较为经济、有效的流域非点源污染控制新方法,目前尚处在探索阶段.在景观生态学及相关理论与前人已有研究的基础上,以流域整体为对象,从2个层次构建基于“源-汇”理论的流域非点源污染控制景观格局调控框架: 1)流域层次:在分析流域“源-汇”景观合理的基本组合与空间布局方式的基础上,建立了流域景观格局整体调控与优化方法;2)景观斑块类型层次:将关键“源”景观作为重点调控与优化对象,建立了包含景观单位面积污染负荷、景观坡度、起传输作用的狭长“源”景观、临河“源”景观单位岸线长度污染负荷等4项关键“源”景观识别准则,并遵循镶嵌“汇”景观、局部增补带型“汇”景观、提高原有“汇”景观消纳污染物的能力等3项调控与优化原则,针对农村地区与城区不同的关键“源”景观类型,制定了9类调控与优化方法.最后将该框架应用到厦门市马銮湾流域,基于GIS平台及研究区遥感图像与数字高程模型,制定了马銮湾流域景观格局整体调控与优化模式及3个片区关键“源”景观调控与优化方案.     

城市景观组分影响水质退化的阈值研究

运用景观格局与水质监测方法评价城市景观变化对河流水质的影响,是当前景观格局-效应研究的热点问题.为实现城市发展目标与水环境保护目标的统一,需要科学判断城市景观变化对水质的影响程度与范围,特别是以城市不透水表面为代表的景观组分变化,是目前水质退化研究中的核心对象,而对水质退化的景观阈值研究目前尚存争论.基于截面数据进行统计分析,构建阈值判定方法,选择深圳市为案例研究区,研究快速城市化地区的河流水质退化的景观阈值水平.结果表明,在深圳市,河流缓冲区宽度为100-200 m时,景观变化对水质显著性影响最高(P＜0.001).缓冲区内,景观变化与耗氧、营养盐等类指标呈指数关系,具有显著性,是这类指标变化的最主要影响因素;同时,景观变化与有毒物质及重金属等类指标呈指数关系,具有显著性,但并非这类指标变化的最主要因素.影响水质退化的不透水表面比例阈值水平介于38.2％-50％之间,最小阈值水平为38.2％,即当流域缓冲区内不透水表面百分比超过38.2％时,河流水质显著退化.     

河流流量对流域下垫面特性的响应

以美国切斯比克湾地区为例,对该区域150个小流域的下垫面特性(包括土地利用类型、地面不透水系数和土壤物理属性)进行了提取,根据1984—2004年间逐日流量观测数据计算出了33个水文指标,运用逐步回归方法在不同地理区分析了9种下垫面特性对其中17个重要水文指标的影响。结果表明:随着草地和林地比例的增加,流量趋于减小、流量变化趋于稳定,随着建设用地和不透水层的增加,流量增加、流量变化剧烈,随着土壤水文组等级的升高,流量减少;在整个切斯比克湾流域,对流域下垫面特性响应最为显著的水文指标是高脉冲个数及历时,在阿巴拉契亚高地地区响应最为显著的水文指标是年极值流量、高脉冲个数及历时,在皮德蒙特山地响应最为显著的水文指标是高脉冲个数及历时,在沿海平原地区响应最为显著的水文指标是高脉冲个数及历时、流量变化的速率与频率。     

景观对河流生态系统的影响

从景观的视角研究河流生态系统,是目前河流生态学中受到广泛关注且发展迅速的内容之一。流域内多尺度景观强烈影响河流的理化及生物特征,已成为共识,但有关量度、整合景观与河流生态系统二者之间联系的理论体系与方法的建立尚处于起步阶段。对景观组成与空间格局影响河流生态系统的机制与途径进行了系统总结,提出了该领域研究中的主要难题,即如何识别景观中人为因素和自然因素的协变现象,如何衡量多空间尺度景观对河流生态系统的交互影响,如何理解景观阈值的不确定性。为克服当前研究面临的困难与挑战,填补已有知识的不足,提出今后研究的重点方向:河流景观分类系统的改进;更具代表性时空数据的采集;新型景观指标的开发与应用;微观尺度数据与宏观尺度数据的整合等。