城市土地利用异质性对湖泊水质的影响

土地利用类型与水体水质之间存在显著相关关系,这种相关关系受到土地利用类型及其空间分布的影响.人类活动造成流域中不同汇水单元间土地利用异质性,进而影响和改变了汇水单元水质状况.在自然或半自然区域内,采用多个汇水单元的综合分析能够体现出流域土地利用类型与水质的相关关系.然而,在城市区域中,可能存在由于土地利用特征差异而导致这种相关关系的抵消和降低,致使分析结果与实际存在偏差.为证实这一现象的存在,选取武汉市汉阳地区龙阳湖等4个湖泊流域为研究对象,分别从汇水单元综合分析、以影响水质的主要用地类型作为变量进行聚类分析和以湖泊流域为对象的分析等3个角度,分析汇水单元间的土地利用特征差异对水质的影响,结果显示土地利用异质性影响甚至改变了土地利用类型与水质的相关关系.因此,在研究城市土地利用与水体水质相关性时,需要同时考虑土地利用类型的特征和格局.     

太湖流域土地利用与景观格局演变研究

基于遥感、GIS技术和景观生态学方法,以太湖流域为研究区域,在1985年、1995年和2000年的土地利用图基础上,分析了土地利用与景观格局演变.结果表明,15年间,太湖流域农田呈减少趋势,建设用地、林地、草地、水体呈增加趋势,其中农田的减少占土地利用总减少量的89.64%,建设用地的增加占土地利用总增加量的79.21%;由于人类活动的干预,太湖流域景观结构与景观异质性发生了较大变化.从景观尺度上看,斑块密度、多样性指数和均匀度指数呈降低趋势,边界密度、优势度指数、景观形状指数呈增加趋势;从斑块尺度上看,各景观组分的异质性指数及其变化过程有较大的差异,体现了景观生态系统的复杂性.人口增长、经济、政策等因素是太湖流域近15年景观格局动态变化的主要驱动力.太湖流域土地利用变化产生了景观碎化、边缘效应、生境退化等景观生态效应.可通过调整景观尺度上的土地利用方式,使太湖流域生态建设及水土资源实现可持续发展.     

赣江流域土地利用方式对河流水质的影响

赣江是鄱阳湖的最大支流,是鄱阳湖水污染物的主要来源,查明流域土地利用方式对赣江水质的影响和鄱阳湖的水环境保护具有重要意义。基于2012年对赣江7个主要支流NH+4-N、TP、CODMn和DO浓度的每月测定结果,通过不同空间尺度和土地类型等级划分,利用相关分析和冗余分析研究土地利用方式对赣江流域河流水质的影响。研究结果表明,子流域的土地利用方式对TP的影响大于缓冲区;对CODMn的影响在丰水期大于缓冲区,在枯水期小于缓冲区;对NH+4-N的影响在丰水期与缓冲区接近,在枯水期小于缓冲区;DO受土地利用方式的影响较小。水田中的丘陵水田是赣江水体TP和丰水期CODMn的主要来源;平原水田是枯水期CODMn的主要来源。居民建设用地中的城镇用地是赣江水体TP、NH+4-N和丰水期CODMn的主要来源,农村用地是CODMn的主要来源。水域中的水库坑塘是赣江水体TP和丰水期NH+4-N、CODMn的主要来源。     

太湖流域河流水质状况对景观背景的响应

为探索流域水质对景观背景的响应,以太湖流域为研究对象,在0.5—24 km共9个尺度上运用冗余分析研究了土地利用、河网密度、降水量、地形等景观背景因子与河流水化学指标的关系。结果表明:2006—2010年太湖流域河流水质状况总体较差,但整体有逐渐改善的趋势,超标水质指标主要包括总磷(TP)、氨氮(AN)、生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)和溶解氧(DO),上游地区主要表现为林区和平原水网区的差异,下游地区主要表现为河段上下游间的差异。河流水质受到多种景观背景因子的综合影响,并表现出尺度依赖性和区位差异性。AN、TP、DO在流域上游与聚落用地正相关,在下游则与耕地、河网密度正相关。COD、BOD在流域上游主要与自然湿地负相关,与人工湿地正相关,在下游则与坡度负相关,与河网密度正相关。总方差贡献率在上下游表现出一致的尺度依赖特征,均在较小(0.5—1 km)和较大(16 km)两个尺度上具有较高的解释能力。自然湿地和坡度,河网密度和耕地分别为上游、下游地区在较小和较大尺度上解释能力最高的景观因子。     

基于景观格局的太湖流域生态风险评估

以太湖流域为例,采用2000、2005、2010、2015年4期景观类型数据,结合Markov和CLUE-S模型对2030年不同情景下景观类型进行模拟,构建景观生态风险指数,运用空间统计、重心迁移等方法,对太湖流域生态风险进行研究,揭示其景观生态风险时空演化特征及其规律.结果表明: 2000—2015年,太湖流域以中生态风险和较低生态风险为主,高生态风险区主要分布在太湖湖区,低生态风险由太湖西南部和南部向太湖北部发达地区转移.景观生态风险与自然因素呈负相关,且相关性减弱,与社会经济因素相关性越来越强,景观生态风险受人类干扰越来越显著.社会经济因素对景观生态风险的影响,在不同城市化发展阶段的区域表现出显著差异:欠发达地区随着经济开发,景观日益破碎化,生态风险相应增加;发达地区则随着经济的进一步发展,城市化扩展使景观集聚成片,破碎度和分离度指数降低,生态建设得到恢复,景观生态风险随着经济发展开始降低.CLUE-S模型模拟预测表明,未来太湖流域景观生态风险将总体降低,主要以低生态风险和较低生态风险为主.太湖湖区不论在历史和未来都是高生态风险区,需要人们对太湖区域加强管理保护.     

鄱阳湖流域土地利用生态风险格局

以鄱阳湖流域土地利用数据为基础,定量分析2005年以来鄱阳湖流域土地利用变化特征;借助空间自相关、地统计分析等方法,揭示了鄱阳湖流域土地利用变化下生态风险时空演变特征。结果表明:2005—2013年,鄱阳湖流域土地利用转移非农化趋势明显;土地利用生态风险呈小幅上升趋势,在空间分布上具有显著相关性,生态风险"北热南冷"空间分异及等级扩散特征明显;依据空间差值结果可将研究区划分为低生态风险区(ERI0.15)、较低生态风险区(0.15≤ERI0.25)、中等生态风险区(0.25≤ERI0.35)、较高生态风险区(0.35≤ERI0.45)、高生态风险区(ERI≥0.45)5类;高风险区域主要分布在滨湖区、南昌、九江及赣中部分地区。生态风险等级分布与地形存在显著相关性,随着生态风险等级提高,分布区域表现出明显的地形指向性。以土地利用结构对生态风险进行表征,尝试从宏观上把握大尺度区域生态安全格局,为鄱阳湖流域土地利用格局优化提供了相关借鉴及建议。     

鄂尔多斯市土地利用生态安全格局构建

合理构建区域土地利用生态安全格局来实施管理对策和改善区域生态安全水平,已经成为区域生态环境保护的新需求。以位于中国北方农牧交错区的鄂尔多斯市为研究区,基于自然地理数据、社会经济统计数据、土地利用/覆被数据等,借助多目标优化模型和GIS空间分析技术,构建了鄂尔多斯市土地利用生态安全格局,结果表明:(1)不适宜性耕地所占比重较大,林地和草地分布比较合理,适宜的未利用地面积所占比重较大,后备土地资源丰富;(2)多目标优化结果显示,耕地、林地、水域和建设用地面积呈现增加的趋势;草地面积基本保持不变;未利用地面积大幅度下降;(3)土地利用生态安全格局显示,耕地面积增加,主要分布在水分条件较好的河流、湖泊和水库等的周边地区以及城镇和乡村居民点周围;林地面积大幅度增加,主要分布在达拉特旗北部和准格尔旗东部;草地略有增加,广泛分布于库布齐沙漠和毛乌素沙地以外的地区;建设用地增加面积主要来自于重点发展城镇的扩展和规划的重点矿产资源开采区;未利用地大幅度减少,主要集中在杭锦旗境内的库布齐沙漠以及乌审旗和鄂托克旗境内的毛乌素沙地。研究结果对鄂尔多斯市土地资源管理和生态安全建设具有重要指导意义。     

小流域土地利用景观格局对水质的影响

运用GIS技术及SPSS统计分析的方法, 探讨了芦山县清源河流域土地景观格局对河流水质的影响, 并分析了丰水期、平水期和枯水期土地景观格局与河流水质的关系。结果表明: (1)林地、湿地和草地与河流水质呈显著负相关; 耕地和建设用地以及LC与河流水质呈显著正相关; (2)景观格局指数PD、FN和SHDI与河流水质呈显著正相关; LPI和CONTAG与河流水质呈显著负相关; (3)总体分析看出枯水期土地景观格局对河流水质的影响较丰水期更为显著, 丰水期下游区域(4#、5#和6#区域)土地景观格局对河流水质影响比上游区域(1#、2#和3#区域)大。     

不同土地利用方式下土壤动物群落的聚类与排序

对广州天河城市化地区林地、草地和农田3种土地利用方式下,6个代表性的样地中小型土壤动物群落进行了调查,共捕获中小型土壤动物1623个,共26个类群,其中线虫纲( Nematoda)、蜱螨目(Acarina)和弹尾目(Collembola)为优势类群,共占总捕获量的79.1％.不同样地生境中土壤动物的类群组成以及个体数不同.总体来看,林地、农田、草地土壤动物群落的Shannon多样性指数、复杂性指数均依次降低,Pielou均匀性指数、Margalef丰富度指数均以林地为最高.对土壤动物的聚类和排序结果表明,研究区中小型土壤动物可划分为4大类,其中第1类由3种优势类群组成;第一、二排序轴分别反映了土壤理化性质、土地利用类型(以人类干扰程度不同为主要特征)对土壤动物组成及分布的影响.     

河流干支流水质与土地利用的相关关系

为探索不同等级河流水质状况及其对土地利用构成响应的差异,以江苏北部的灌河流域为研究对象,基于2006—2007年两个年度灌河及其支流的水质监测数据和研究区的Landsat TM影像,在河流两侧长度0.0—10.0 km、宽度0.0—0.5 km的范围内,运用多元回归分析,对研究区干、支流主要水质指标及其与相应土地利用构成的关系进行了研究。结果表明:2006—2007年间,研究区干流水质总体上显著好于支流,支流的总氮(TN)、总磷(TP)等营养盐指标显著高于干流,而干流的有机污染指标显著高于支流;比较不同观测尺度上土地利用构成对河流水质变化的方差贡献率发现,缓冲区宽度一定时,支流在所有观测尺度上的土地利用构成与水质变化皆存在显著相关关系,而干流仅在缓冲区长度0.0—4.0 km的观测尺度上其土地利用构成与水质变化的相关关系显著;缓冲区长度一定时,干、支流河道两侧0.0—0.3 km间土地利用状况对水质变化的解释能力较大。同时发现,氮、磷等营养盐浓度多与较大尺度上的土地利用构成相关,而化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)等多与较小尺度上的土地利用构成相关。研究结果显示,有必要区分不同河流等级,选择适宜的观测尺度,分别研究不同水质指标与土地利用构成间的相关关系。     

以毒性鉴别评价法评价化工废水处理效果的研究

江苏省某化工厂废水处理设施进、出水经大型Sou（Daphnia magna）急性毒性试验的结果表明,废水在处理前、后均显示毒性。采用毒性鉴别评价的试验程序,对处理设施的进、出水进行了关键毒物的鉴别和评价。发现进水中存在的关键毒物为金属铜离子并共存多种金属和极性有机毒物,而出水中存在的毒物为酸性条件下易被氧化的有毒有机物。该废水处理工艺对废水毒性去除率为77.6%。由此可见,该处理工艺对金属离子有较好的去除,而对有毒有机化合物的去除效果不甚理想,因此,该厂生产工艺和废水处理工艺还有待进一步改进。     

Nutrient availability and nutrient use efficiency in plants growing in the transition zone between land and water

The transition zone between terrestrial and freshwater habitats is highly dynamic, with large variability in environmental characteristics. Here, we investigate how these characteristics influence the nutritional status and performance of plant life forms inhabiting this zone. Specifically, we hypothesised that: (i) tissue nutrient content differs among submerged, amphibious and terrestrial species, with higher content in submerged species; and (ii) PNUE gradually increases from submerged over amphibious to terrestrial species, reflecting differences in the availability of N and P relative to inorganic C across the land–water ecotone. We found that tissue nutrient content was generally higher in submerged species and C:N and C:P ratios indicated that content was limiting for growth for ca. 20% of plant individuals, particularly those belonging to amphibious and terrestrial species groups. As predicted, the PNUE increased from submerged over amphibious to terrestrial species. We suggest that this pattern reflects that amphibious and terrestrial species allocate proportionally more nutrients into processes of importance for photosynthesis at saturating CO₂ availability, i.e. enzymes involved in substrate regeneration, compared to submerged species that are acclimated to lower availability of CO₂ in the aquatic environment. Our results indicate that enhanced nutrient loading may affect relative abundance of the three species groups in the land–water ecotone of stream ecosystems. Thus, species of amphibious and terrestrial species groups are likely to benefit more from enhanced nutrient availability in terms of faster growth compared to aquatic species, and that this can be detrimental to aquatic species growing in the land–water ecotone, e.g. Ranunculus and Callitriche.     

艾比湖区域水质空间分布特征及其与土地利用/覆被类型的关系

为深入了解艾比湖周边水质空间格局的变化,利用2014年5月及2014年10月实测水样采样点研究了艾比湖区域4个水质指标的空间变化趋势,包括p H、电导率、矿化度及全盐。结果表明:(1)探讨2014年内干湿季水质的空间分布趋势,从总体上看,p H表现出明显的交错模式;电导率、矿化度及全盐在干湿季变化差异较大,高值均聚集在艾比湖周围,而在耕种土地、天然梭梭林附近值则较低;(2)分析各水质的空间自相关性,p H的HH主要分布于艾比湖北部,LL则主要集中于艾比湖南部。HL的分布,说明有较高p H值的点被有较低p H值的点所包围,表明了水质在一定程度上存在空间异质性。电导率、矿化度及全盐在沿着艾比湖周边到甘家湖梭梭林自然保护区随着地势的增高呈现出由HH-LH-LL的转变。(3)建立水质参数与各土地利用/覆盖类型之间的关系,研究表明研究区内林草地、盐渍地及耕地对水质的影响相对较为显著。(4)为了研究水质变化因素,选取耕地、林草地、盐渍地和未利用地与水质参数分别建立优选多元线性回归模型,所得到的相关系数R分别为0.58、0.72、0.74、0.71,结果表明优选拟合模型与数据的拟合程度较好。总之,开展艾比湖区域水质空间格局的变化趋势研究,对于干旱区水质的时空分布具有重要的理论和实际意义。     

Response of macroinvertebrate communities to land use and water quality in Wudalianchi Lake

Macroinvertebrate assemblages are structured by a number of abiotic and biotic factors interacting simultaneously. We investigated macroinvertebrate assemblages along gradients of human disturbance and morphometric characteristics in five lakes connected by the same stream. We aimed to assess the relative effects of environmental gradients on macroinvertebrate assemblages and to investigate whether water quality effects on the assemblages were correlated with buffer land use. There were significant differences in macroinvertebrate community compositions among lakes, and our results indicated that oligochaetes (mainly Limnodrilus) and insects (mainly Chironomus) contributed highly to the differences. We used redundancy analysis with variation partitioning to quantify the independent and combined anthropogenic effects of water quality and land use gradients on the macroinvertebrate community. The independent effect of water quality was responsible for 17% of the total variance in macroinvertebrate community composition, the independent effect of buffer land use accounted for 6% of variation, and the combined variation between land use change and water quality accounted for 12%. Our study indicated that both the independent effects of land use and within‐lake water quality can explain the influence in macroinvertebrate assemblages, with significant interactions between the two. This is rather important to notice that changes in buffer land use generally may alter nutrient inputs and thus severely affect abiotic conditions encountered by macroinvertebrate. Our study demonstrates that considering buffer zone effects explicitly may be significant in the selection and application of conservation and management strategies.     

The use of biomarkers in the antioxidant responses of Daphnia magna to the acute and chronic exposure to no. 20 diesel oil and 2,4-dichlorophenol

Abstract

The effects of no. 20 diesel oil exposure, 2,4-dichlorophenol (2,4-DCP) exposure and combined exposure on the antioxidant defences of Daphnia magna have been studied systematically for the first time. Daphnia magna was exposed for 1 day or 10 days to several concentrations of 0, 0.005, 0.01, 0.05, 0.1, 0.5 or 1.0 mg L^?1 solutions. Antioxidant defences consisting of the levels of reduced glutathione (GSH) and glutathione disulfide (GSSG) and activities of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), glutathione reductase (GR), selenium dependent glutathione peroxidase (Se-GPx) and glutathione S-transferase (GST) of daphnids were determined to evaluate their protective roles and to analyse the occurrence of oxidative stress. The possible antioxidant defence mechanisms are discussed. Furthermore, GST can be a potential biomarker and an early-warning index for the pollutants in waters in that GST responded sensitively to 1 day and 10 days of exposure to diesel oil and 2,4-DCP and 10 days of combined exposure. Crossover comparisons showed an antagonistic action about the no-observed-effect concentration (NOEC) against Daphnia magna, which needs further studies.     

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。     

基于水量与水质的太湖流域水生态服务供需关系及多情景评估

耦合水量供给与水质净化的水生态服务供需关系的多尺度空间量化评估,有助于刻画和识别丰水区水质性缺水问题,并丰富水生态服务研究。在构建水量供给和水质净化服务供需评估方法的基础上,利用空间分析方法在现状情景基础上分别设置提升用水效率、改善土地管理方式和优化土地利用空间配置三种优化情景,并在栅格、子流域和县域三个尺度上开展基于水量供给和水质净化的水生态服务供需关系的定量评估,分别探讨了不同情景不同尺度下的水生态服务供需变化、空间响应及其机制特征。研究结果表明：(1)太湖流域的水量供需状况显著优于水质供需状况,节水能够有效改善流域内的水量赤字,而减量施肥和优化土地利用配置能够显著改善流域内的水质赤字。(2)多尺度的水量供给与水质净化服务供需解析,有助于精准识别不同尺度下亟需治理的关键区域。(3)水量赤字区主要集中在建设用地分布区域,耕地仍是引致水质赤字的主要原因,但随着尺度的逐渐增大,水质赤字区的建设用地面积也在不断增加。(4)优化土地利用结构方案是解决水质性缺水的最有效方法,但需要突破现有政策尤其是耕地保护政策的刚性约束,故耦合提升用水效率等方法是当前治理太湖流域“水质性缺水”问题首选措施。     

Relationship between river water quality and land use in a small river basin running through the urbanizing area of Central Japan

In this study, the relationship between water quality (as represented by major inorganic ion concentrations) and land use characteristics is examined for a small river basin which runs through the urbanizing area of central Japan. Water samples were taken from 24 sites at base flow and analyzed, and the proportions of the various land uses associated with the respective drainage basins were calculated using a digital land-use map (scale: 1:25000). The electrical conductivity (EC) of the water ranged from 84.5 to 600 μS cm⁻¹. Ca²⁺ and Na⁺ were the major cations, accounting for 77% of all cations. Among the anions, HCO₃ ⁻ was dominant (56%), followed by Cl⁻ (24%), SO₄ ²⁻ (13%) and NO₃ ⁻ (7%). Applying principal component analysis to land use in the drainage basin yielded three principal components. The first principal component expressed the degree of occupation by residential areas, the second indicated the degree of urban developing area (i.e., fast-developing and industrial areas), and the third showed the degree of coverage with farmland and green space. The residential area showed significant positive correlations with K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, NO₃ ⁻, HCO₃ ⁻, EC and TMI (total major ions). Urban developing area showed significant positive correlations with Ca²⁺, Cl⁻, HCO₃ ⁻, EC and TMI as well as weak negative correlations with NO₃ ⁻ and SO₄ ²⁻. Industrial area showed weak positive correlations with Na⁺ and Cl⁻ and a moderate negative correlation with NO₃ ⁻. Farmland showed significant positive correlations with NO₃ ⁻ and SO₄ ²⁻; these ions are present due to fertilizers and the biological activity of plants. Forest area is inversely related to almost all ions, indicating the need for this form of land use in order to maintain river water quality.