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。     

艾比湖区域景观格局空间特征与地表水质的关联分析

为进一步明确区域土地利用/覆被—景观格局对河流水质影响的空间尺度。选择新疆艾比湖区域为研究对象,以25个水质采样点为中心,建立5种尺度的河流缓冲区并提取不同尺度下的土地利用/覆被-景观格局数据。首先,通过主成分分析获得水环境的主要水质变量。其次,利用冗余分析(RDA)方法探讨研究区不同宽度缓冲区土地利用/覆被—景观格局对河流水质的影响,获得水质管理的有效缓冲区。最后,引入突变点分析方法进一步寻找导致水质变量沿景观梯度突变的特定位置。结果表明:(1)土地利用/覆被—景观格局在不同宽度缓冲区内对河流水质的影响不同。4 km缓冲区土地利用/覆被—景观格局对区域水质有较强的分异解释能力,因此4 km缓冲区的景观格局合理配置对河流水质管理尤为重要。(2)通过偏RDA分析发现4 km缓冲区中,影响区域水质的主要环境变量为景观水平斑块密度、类型水平耕地斑块密度和森林聚集度。(3)在偏RDA分析的基础上,对4 km缓冲区内的景观指数进行突变点分析研究,发现区域景观水平斑块密度为90—105 m/hm~2,类型水平耕地的斑块密度ED值在90—110 m/hm~2、林草地的AI值在70%—90%,是艾比湖区域水质保护的最佳突变值,该值为艾比湖区域水质保护的阈值。本研究从多个角度对新疆艾比区域的土地利用/覆被—景观格局对区域水质的影响进行定量分析,揭示该地区景观生态变化的规律,为区域景观格局优化和土地合理规划提供理论依据,并对改善"丝绸之路经济带"生态环境、实现资源可持续利用具有重要的现实意义和理论价值。     

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。     

流域尺度上河流水质与土地利用的关系

以苏子河流域内54个水质采样点为基点,生成6种尺度的河岸带缓冲区,并借助FRAGSTATS软件计算景观水平和类型水平上的8种景观指数.分别从景观空间格局与景观类型组成两方面,对景观指数与水质进行相关分析.结果表明:区域景观格局在不同缓冲区内对流域水质具有不同的效应.当缓冲区距离≤300 m时,旱地、建筑用地、水田为主要的景观类型组成,其面积比例、斑块数量、斑块密度、最大斑块指数、最大形状指数、景观斑块聚集度指数均较高,农田的连通性较高,对水质的影响较大.在距离河流较远的区域(缓冲区距离＞300 m),林地面积比例较高,林地聚集连通程度较好,对水质改善具有一定作用,但不明显.该流域耕地、建设用地等对水质有着关键的影响作用.     

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...     

京杭运河杭州段城市景观格局对河网水环境的影响

近年来人类活动显著改变了陆地生态环境,城市化作为人类活动的重要组成部分,对陆地生态环境中的水环境也产生了深刻的影响。以杭州市作为研究区,以京杭运河杭州段为研究对象,在对水质监测点建立不同半径缓冲区的基础上,分析了城市景观格局对河网水环境的影响。结果表明：（1）京杭运河杭州段城市景观和农村景观镶嵌分布,河网水系发达,景观破碎化程度高,斑块形状复杂多变,城乡交错带特征典型,人类活动强度高低分化明显;（2）各种景观类型沿河分布的空间特征明显,景观格局指数随缓冲半径的增大而变化,当缓冲半径达到1000m以后格局指数维持相对稳定状态;（3）京杭运河杭州段水系的氮源污染物含量整体处于较高水平,总磷含量处于低水平。水质受到建设用地和农业用地的影响较高;（4）不同的景观格局指数对不同的水质指标在不同的时期具有一定的解释能力,且同一景观指数在汛期和非汛期对水环境的影响作用差异较大甚至相反,景观格局在河网密集型城市区域对河流水环境影响的整体利弊还需进一步权衡量化。     

农业主产区湖泊水质对湖滨带多尺度景观格局的空间响应

为分析农业主产区湖泊水环境质量对不同空间尺度上景观格局的响应关系,以洪湖为研究对象,以5种湖泊功能区为基础,利用RS和GIS软件生成7种空间尺度的湖滨带缓冲区,采用Fragstats 软件分析景观格局指数,结合冗余分析等数理统计方法与模型,研究景观格局对洪湖水质变化的空间尺度效应。结果表明: 1)景观格局在不同宽度缓冲区内对湖泊水质的影响具有空间尺度性,在200 m宽度其解释能力最大,达到86.1%,是影响水质的最有效空间尺度。2)景观配置变量(如最大斑块指数、斑块密度等)对水质的影响程度大于景观组成变量(如面积比例和均匀度指数等)。3)景观类型对水质的影响机制具有较大的差异性,农业用地受流域的地形地貌和耕作方式等因素的影响,在100～500 m小尺度的湖滨带缓冲区内对水质退化起主导作用;在远离水体的相对较大尺度(1000～5000 m),林地分布越密集、面积越大,对污染物进入水体的净化作用越明显;草地对水质的影响与林地一致;密集分布的城市用地对水质的影响与林地相反。研究结果可以从宏观尺度上为农业主产区湖泊流域水质管理和景观合理配置提供科学参考。     

不同空间尺度的景观格局对流溪河水质的影响

为探究不同空间尺度的景观格局对流溪河水质的影响,于2020年6月和2021年1月在流溪河干流15个采样点进行了水样的采集,测定了水温、溶解氧、pH、氨氮、硝态氮、硫酸盐和氯化物等水质指标。结合遥感解译所得的土地利用数据,提取了不同空间尺度(子流域和河岸带缓冲区)的景观格局指数,采用Bioenv分析、Mantle检验、方差分解和层次分割理论等方法揭示了景观格局对水质变化的影响。研究结果表明：氨氮是流溪河的主要污染物。土地利用结构与空间格局特征对水质的影响存在空间尺度效应。在100 m河岸带缓冲区,水域是影响水质的主要贡献源;而在其他空间尺度建设用地是影响水质的主要贡献源。在子流域尺度,林地和建设用地的斑块密度(PD指数)是影响水质变化的核心特征;而在河岸带缓冲区尺度,水域和建设用地的连通性(CONTAG指数)和林地的多样性(SHDI指数)是影响水质变化的关键特征。在各个空间尺度,土地利用与空间格局的交互作用对驱动水质变化起主导作用,尤其在1000 m河岸带缓冲区对水质的贡献率最高。因此,加强1000 m缓冲区尺度土地利用的管理和减少建设用地成片建设规划等对保护流域水质具有重要意义。     

基于CA-Markov和InVEST模型的城市景观格局与生境质量时空演变及预测

由人类活动引起的城市景观格局变化是影响陆地生态系统的重要因素之一,城市景观格局分布对区域生物多样性服务功能的影响极大.为研究城市景观格局和生境质量演化及其变化原因,以武汉市作为典型区,基于武汉市2005、2010和2015年3期景观类型信息,使用马尔柯夫模型分析其景观格局时空变化特征;采用CA-Markov模型模拟预测武汉市2020年自然增长情景下的景观格局发展方向;使用Logistic回归模型分析景观变化的驱动力;结合InVEST模型评价3期景观格局分布下的生境质量分布和变化,以及2020年模拟情景下的生境质量分布特征,探究景观格局变化与人类活动之间的关系.结果表明: 2005—2015年间,研究区景观类型变化以耕地和人工表面为主.耕地面积呈现逐年减少的趋势,主要转变为人工表面.人工表面面积不断增多,主要由水田和旱地转变而来.研究区整体景观生境质量级别下降,大量高生境质量级别的景观向低生境质量级别转化.整体景观生境质量指数减少,生物多样性服务功能降低,生境质量发生退化.2015—2020年间,武汉市景观格局和生境质量继续保持2005—2015年的变化趋势,表现为人工表面增加、景观生境质量指数减少、生物多样性服务功能降低、生境质量退化.研究区景观格局变化的主要驱动因子是国内生产总值变化和地区财政收入变化.人类社会经济活动是影响研究区景观格局变化和生境质量下降的重要驱动力,城镇化扩张和填湖造地是武汉市生态景观变化的主要原因.     

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。     

区域景观格局与地表水环境质量关系研究进展

摘要：区域景观格局对地表水环境具有重要影响,1970s以来国外学者对区域景观格局与地表水水质之间的关系开展了大量研究。在系统梳理景观格局与水质关系的研究思路和技术方法的基础上,综合国内外文献探讨了水化学离子、常规污染物、营养物、重金属、有机物、水生生物,直至当前的河流健康等各类水环境指标对景观格局的响应程度,以及景观格局影响水环境的尺度效应问题。认为当前研究存在划定流域边界未能严格避免流域嵌套及土地利用空间自相关、选择景观格局变量尚未充分重视空间结构和水文地貌因素、数据分析技术多限于半定量分析等问题,并尝试提出相应的解决方案。试探性地提出国内研究的未来方向,指出在关注研究区域的流域边界是否明确和点源污染是否控制两个理论前提基础上,进一步根据非点源污染物在景观格局中的累积和迁移转化行为特征,进行相应的土地利用景观分类将是十分重要和迫切的基础性工作,提出了将景观格局与过程关系理论应用于城市面源污染调控的关键科学问题,包括非点源与目标水体的空间位置关系、不透水面和透水面的空间格局关系、区域不透垫面比例是否存在阈值,以及设置透水面的最佳空间尺度等。     

流溪河流域景观空间特征与河流水质的关联分析

人类活动影响或改变流域景观空间结构,并有可能对河流水质产生不同程度的影响,以流溪河流域为研究区,分析流域景观空间格局特征与水质指数之间的相关关系。将流域划分为27个子流域,采集水样分析水质状况,所选用的水质指标有氨氮(NH3-N)、硝态氮-亚硝态氮(NO3-N+NO2-N)、总磷(TP)、化学需氧量(CODCr)。结果表明:1)该流域土地利用结构与水质具有显著相关性,其中居住用地对水质的影响作用最强,林地对河流水质具有净化功能,与水质指标之间的关系表现为负相关,园地与水质指标关系具有不确定性;2)流域景观特征从上游到下游之间表现为城市化增强的梯度,水质状况响应这个梯度变化表现为上游优于下游,人类活动及城市化发展引起的土地利用变化及土地管理方式对水质变化有显著影响;(3)景观破碎度与水质呈现显著正相关性,是影响水质的重要指标,景观聚集程度和斑块形状复杂程度与水质有负相关关系;子流域尺度和河岸带尺度景观空间特征对水质的影响差异不明显。     

城镇化流域“源-汇”景观格局对河流氮磷空间分异的影响——以天津于桥水库流域为例

随着流域城镇化的加速,流域城镇化景观格局对流域水质的影响逐渐加剧。以城镇化趋势明显的于桥水库流域为例,基于流域"源-汇"景观特征指数,并结合于桥水库流域2013、2014和2015年33个子流域的水质数据,采用空间分析、相关分析和冗余分析等方法,探讨了在城镇化影响下,于桥水库流域景观特征指数和水质指标的定量关系。结果表明:整个流域从上游到下游呈现"汇"景观面积减小,"源"景观面积增大的趋势,居民建设用地面积比在中下游子流域达34.6%,"汇"型景观中林地面积为33.5%;景观空间负荷对比指数(LWLI)全局Moran′s I的值为0.637,P0.01,在空间上存在趋于集群的现象,LWLI高-高聚集区与城镇化集中区域具有一致性。LWLI与流域氮、磷空间分布存在极显著的相关性,平水期TN与LWLI的复相关系数R_2为0.811,丰水期LWLI与TP的复相关系数R_2为0.741;子流域所有水质参数NH_4~+-N、TN、NO_3~--N、TP及LWLI均集中在同一象限,与其它景观特征指数相比,LWLI对河流中氮、磷的影响最大。城镇居民用地与水质指标存在极显著的相关性,是流域水质污染重要的贡献源。流域城镇化发展中,建议提高村镇的景观连通性,便于污染物集中处理,同时增加林地、草地面积,改善流域的生态水文功能。     

Land use disturbance indicators and water quality variability in the Biscayne Bay Watershed,Florida

Rapid land use transformations due to extensive agricultural and urban development in south Florida (USA) threaten water resources such as Biscayne Bay, an oligotrophic estuary draining the Miami metropolitan complex and South Dade Agricultural Area. Biscayne Bay is sensitive to nutrient inputs and this study evaluated watershed land use-water quality relationships from 1995 to 2004. Using eight monitoring sites, three spatial extents were considered: sub-basins, canal buffers, and site buffers. Selected sites represented agricultural, urban, and mixed land use classes. Disturbance indicators (landscape metrics; Landscape Development Intensity (LDI) index; percent imperviousness), nutrient loads (nitrate/nitrite-nitrogen (NO_X-N); total ammonia nitrogen (NH₃-N); total phosphorus (TP)), and multivariate regression models were used to determine land use factors influencing water quality variability. The sub-basin regression model was the best predictor of annual NO_X-N loads in the watershed. Both LDI and largest patch index variables were included in this model, indicating that the relative distribution of dominant land use classes influences NO_X-N loads. There were no significant regression models for total inorganic nitrogen (NO_X-N plus NH₃-N) loads. Total phosphorus loads were more closely related to disturbance indicators at a smaller spatial extent (1000 m canal buffer), which is a function of watershed nutrient transport processes. The relative proportion of directly connected impervious areas (DCIA) was not identified as a significant land use variable for regression models. Positive correlations between LDI and DCIA values suggested both indicators provided similar information regarding the intensity of human disturbance. However, the LDI index incorporates anthropogenic intensity associated with a broad range of land uses while DCIA primarily reflects the impact of watershed urbanization. Watershed managers can use the LDI index with landscape metrics that evaluate spatial patterns to link land use development to water quality parameters.     

Separating the effects of water quality and urbanization on temperate insectivorous bats at the landscape scale

Many local scale studies have shown that bats respond to water quality degradation or urbanization in a species‐specific manner. However, few have separated the effects of urbanization versus water quality degradation on bats, in single city or single watershed case studies. Across North Carolina, USA, we used the standardized North American Bat Monitoring Program mobile transect protocol to survey bat activity in 2015 and 2016 at 41 sites. We collected statewide water quality and urban land cover data to disentangle the effects of urbanization and water quality degradation on bats at the landscape scale. We found that statewide, water quality degradation and urbanization were not correlated. We found that bats responded to water quality degradation and urbanization independently at the landscape scale. Eptesicus fuscus and Lasiurus cinereus negatively responded to water quality degradation. Lasiurus borealis and Perimyotis subflavus positively responded to water quality degradation. Lasionycteris noctivagans did not respond to water quality degradation but was more active in more urbanized areas. Tadarida brasiliensis positively responded to urbanization and was less active in areas with degraded water quality. We show that bat–water quality relationships found at the local scale are evident at a landscape scale. We confirm that bats are useful bioindicators for both urbanization and water quality degradation. We suggest that water quality can be used to predict the presence of bat species of conservation concern, such as P. subflavus, in areas where it has not been studied locally.     

Riparian control on NO3 −, DOC, and dissolved Fe concentrations in mountainous streams, northern Japan

We evaluated (1) the longitudinal pattern of stream chemistry and (2) the effects of the riparian zone on this longitudinal pattern for nitrate (NO₃ ⁻), dissolved organic carbon (DOC), and total dissolved iron (Fe). We selected two small watersheds; the “southern watershed” had an extending riparian wetland and the “northern watershed” had a narrow riparian area. Stream NO₃ ⁻ concentrations decreased from the spring to outlet of both watersheds. In the southern watershed, stream DOC concentration decreased from the spring to midstream and then increased to the outlet. Stream Fe concentration in the southern watershed longitudinally increased. On the other hand, the northern watershed exhibited no longitudinal pattern for DOC and Fe concentrations. In both watersheds, while NO₃ ⁻ concentrations in the soil and ground water were lower than those in the stream waters, DOC and Fe concentrations exhibited the opposite patterns. The longitudinal decreases of NO₃ ⁻ concentrations in both streams and increase of stream Fe in the southern watershed mainly resulted from the inflow of the soil and ground water to the stream. The decrease in stream DOC from the spring to midstream in the southern watershed was due to the deep groundwater having low DOC, while the subsequent increase to the surrounding soil and ground water. Moreover, considerations of stream solute flow with soil and ground water chemistry suggested other mechanisms adding NO₃ ⁻ and removing/diluting DOC and Fe, especially for the northern watershed; coexistence of oxidizing and reducing conditions in the riparian zone might control the longitudinal concentration change in the stream water chemistry.     

Integrated stream and wetland restoration: A watershed approach to improved water quality on the landscape

Water quality in Upper Sandy Creek, a headwater stream for the Cape Fear River in the North Carolina Piedmont, is impaired due to high N and P concentrations, sediment load, and coliform bacteria. The creek and floodplain ecosystem had become dysfunctional due to the effects of altered storm water delivery following urban watershed development where the impervious surface reached nearly 30% in some sub-watersheds. At Duke University, an 8-ha Stream and Wetland Assessment Management Park (SWAMP) was created in the lower portion of the watershed to assess the cumulative effect of restoring multiple portions of stream and former adjacent wetlands, with specific goals of quantifying water quality improvements. To accomplish these goals, a three-phase stream/riparian floodplain restoration (600 m), storm water reservoir/wetland complex (1.6 ha) along with a surface flow treatment wetland (0.5 ha) was ecologically designed to increase the stream wetland connection, and restore groundwater wetland hydrology. The multi-phased restoration of Sandy Creek and adjacent wetlands resulted in functioning riparian hydrology, which reduced downstream water pulses, nutrients, coliform bacteria, sediment, and stream erosion. Storm water event nutrient budgets indicated a substantial attenuation of N and P within the SWAMP project. Most notably, (NO₂⁻ + NO₃⁻)-N loads were reduced by 64% and P loads were reduced by 28%. Sediment retention in the stormwater reservoir and riparian wetlands showed accretion rates of 1.8 cm year⁻¹ and 1.1 cm year⁻¹, respectively. Sediment retention totaled nearly 500 MT year⁻¹.     

长江上游坡地景观特征对河流水质的影响

景观组成及景观格局特征决定了污染物的来源和地表景观的拦截消纳潜力，地表坡降会加剧土壤侵蚀，坡地景观特征是影响河流水质的重要因素。研究基于长江上游重庆段2015年水质监测数据和30 m空间分辨率土地利用数据，提取河岸带100 m、200 m、300 m、500 m、1000 m和子流域6种空间尺度上景观格局和景观组成，并进一步将景观组成分为总地类、缓坡地类和陡坡地类三种不同坡度尺度，再采用相关分析和冗余分析（RDA）等方法定量探讨了坡地景观特征（坡地景观组成、景观格局）对河流水质的多时空尺度影响。结果表明：坡地景观特征对2015年长江上游重庆段河流水质的影响具有空间尺度效应；坡地景观特征对河流水质的影响在河岸带尺度强于子流域尺度，其中关键尺度为河岸带100 m至300 m，最有效尺度为河岸带200 m。坡地景观特征影响水质的季节差异随空间尺度不同而变化，在河岸带100 m至300 m尺度为汛期强于非汛期，在河岸带1000 m尺度相反，在子流域尺度无季节差异。建设用地面积比与溶解氧（DO）和高锰酸盐指数（COD_Mn）正相关，耕地面积百分比与氨氮（NH₄⁺-N）参数正相关，两者为水质污染"源景观"，且缓坡耕地对水质的解释率高于总地类耕地；林地与水质参数呈负相关，对缓解水质恶化具有积极作用；集聚度（COHESION）、聚合度（AI）指标与NH₄⁺-N参数及斑块密度（PD）、边缘密度（ED）与DO、COD_Mn参数均呈正相关。在集水区尤其是河岸带300 m范围内，严格把控建设用地污水收集与处理，种植河岸带防护林，采取横坡耕种方式，并通过优化景观结构（如种植植物篱）以增强景观拦截力以减少污染物的集中输出，从而改善河流水质。