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。     

伊河流域景观格局变化及其驱动机制

以伊河流域1987、2000、2008和2013年4期土地覆被数据、同期气象资料及社会经济数据为基础,综合运用景观生态学原理及ArcGIS 10.2、Fragstats 4.2和SPSS 17等工具,从不同时空尺度分析伊河流域景观格局变化及其驱动机制.结果表明: 1987—2013年,研究区景观空间结构发生明显改变,伊河流域的林地、草地、库塘和建设用地面积增加,耕地、河渠面积呈现“减少-增加-减少”的趋势;1987—2008年,耕地主要转换为建设用地,2008—2013年,耕地、林地和草地之间的转移明显;景观空间格局的变化主要集中在海拔550 m以下的河谷平川和丘陵地带,山地景观格局随人类活动影响的加深也开始发生变化.景观格局指数分析表明:耕地与林地的最大斑块指数和聚集度指数最大;1987—2013年,伊河流域的斑块个数持续快速增长,分离度、Shannon均匀度指数和Shannon多样性指数呈“增大-略有减小-增大”的趋势,说明景观格局趋于不稳定,景观异质性增强.社会经济发展与人口增加是耕地、未利用地等景观类型向建设用地转化的主要驱动力;气温上升与蒸散发量增加是流域水域面积变化的直接原因;政策是流域林地、草地等景观结构发生变化的根本原因.     

景观格局视角下晋西三川河流域径流变化归因分析

黄土高原大规模人类活动造成下垫面剧烈变化,流域景观格局改变,影响产汇流过程。学科融合视角下,基于Budyko水热耦合方程、景观指数计算以及回归分析等多学科方法,以晋西黄土丘陵沟壑区三川河流域为例,分析不同尺度景观格局变化造成流域径流量变化的原因,判别地理景观空间对产汇流过程的影响。结果表明：(1)1980年至今是研究区径流锐减阶段,其中下垫面变化对径流贡献率为60.81%;(2)1980年至今的下垫面变化造成流域景观斑块破碎、形状趋于规整,景观格局分割度、蔓延度提高;(3)利用逐步线性回归模型可将径流减少的景观格局变化定位到具体地理空间,流域东部、北部主要支流上游与两条支流汇流处的林地核心斑块面积减少以及城市建设区域对于水体连通性的破坏。通过跨学科方法探究景观格局与径流变化之间的潜在空间关联,揭示径流对景观格局变化的响应,可为黄土高原水资源管理与生态规划提供决策依据。     

汉江流域景观格局变化对土壤侵蚀的影响

在流域尺度上,景观格局变化是决定土壤侵蚀程度的重要因素。以汉江流域为研究区域,基于2000—2015年四期土地利用类型数据及环境气象数据,运用中国土壤流失方程和逐步回归法,探究景观格局变化对土壤侵蚀的影响。结果表明:(1)在2000—2015年间,汉江流域土壤侵蚀量下降,高值区分布在流域中部草地区,低值区分布在流域东西两侧的林地和耕地区。不同坡度下各等级土壤侵蚀量不同,侵蚀量最大值出现在10—30°的坡度范围内。(2)研究期间,汉江流域的景观破碎化程度加强,斑块形状趋于简单,各斑块自身连通性增强,景观类型空间分布均匀。(3)汉江流域土壤侵蚀量与斑块密度和平均邻接度指数呈正相关,与蔓延度指数和香农均匀度指数呈负相关,即景观破碎度越高、连通性越差,土壤越容易遭受侵蚀,反之则不易受到侵蚀;研究表明景观格局变化对土壤侵蚀有显著影响,结果可为流域尺度景观管理与水土保持研究提供参考。     

洞庭湖流域中上游地区景观格局变化的水文响应

将洞庭湖流域中上游地区1980、1995和2000年的Landsat MSS和TM卫星照片解译所得的景观数据,与经过最大似然估计法“消噪”的湘、资、沅、澧四水入湖水文站的年内最高洪峰水位、最大瞬时流量、年入湖径流量和年入湖泥沙量数据进行Paneldata模型处理,并对处理后的景观和水文数据进行灰色分析和主成分分析。结果表明：研究区最高洪峰水位的变化受景观格局变化影响最大,入湖泥沙量的变化受景观格局变化影响最小。对最高洪峰水位变化影响最大的是山地水田、水库坑塘和灌木林地疏林地景观面积的变化,影响指数值分别达-48．5、-48．1和45．2;对最大瞬时流量变化影响最大的是水库坑塘、水田（山地水田除外）和灌木林地疏林地景观面积的变化,影响指数值分别达-41．9、41．2和41．2。有林地景观因林分差和林种结构单一,对各水文特征指标变化的影响较小,影响指数值分别仅为-10．1、-13．5和-14．5。     

二龙山水库流域景观格局研究

运用地理信息系统（GIS）技术强大的信息管理。空间数据处理分析功能,采用松散耦合式GIS建模方式,以区域景观生态系统的研究对象,以景观格局进行定量定位研究来探讨和揭示景观格局和景观生态过程之间的关系。人类活动对凡观格局过程和变化的影响。     

粒度变化对上海市景观格局分析的影响

采用1989年上海市1∶50 000彩红外航空遥感影像解译的土地利用数据,系统分析了粒度变化对中心城区、郊区和城郊结合部3类景观格局分析的影响.结果表明:景观格局指数对粒度具有尺度依赖性,随粒度的变粗,格局指数的变化可归为单调下降、阶梯上升或单峰变化以及不规则变化3类;景观格局指数随粒度变化的曲线存在多个拐点,并对应于合适的景观格局分析尺度,上海城市景观格局分析的合适尺度为10～20 m;不同城市景观类型对景观格局指数的粒度效应具有较大影响,景观格局指数在城郊结合部表现出与城区和郊区不同的变化趋势.     

空间幅度变化对景观格局分析的影响

景观格局指数是量化描述景观格局特征的主要方法之一,各种格局指数的尺度依赖性使比较分析景观格局特征和尺度推绎复杂化,分析不同指数随空间幅度变化的一般行为有助于景观格局分析结果的解释和降低空间尺度推绎的复杂性。研究以2种真实景观和27种模拟景观为分析对象,考查了16种常用的景观水平格局指数随空间幅度变化行为。根据这些指数因幅度变化行为可预测性把它们分为两类：第1类随幅度变化可预测性强,指数与幅度之间的关系可用简单的函数关系来表达;这类指数包括缀块数、边界总长、景观形状指数和缀块丰度密度;前两者随幅度增加呈幂函数形式增加,而缀块丰度密度随幅度增加呈幂函数下降,景观形状指数随幅度增加呈直线增加。第2类指数随幅度变化的可预测性较差,指数随幅度的变化存在多种可能(不同形式的增加、减小或保持不变),不可用一种或多种简单的函数关系来描述所有的情况。这类指数包括缀块丰度、缀块密度、边界密度、最大缀块指数、平均缀块面积、缀块面积标准差、缀块面积变异系数、平均缀块形状指数、面积加权平均缀块形状指数、双对数回归分维数、聚集度指数与Shannon多样性指数。第2类指数随幅度的变化行为受景观格局特征和指数本身算法的影响。总体上来说,第2类格局指数随幅度变化呈折线增加或减小;但当景观的缀块类型较多、各类型优势度比较均等、空间分布格局比较随机时,它们随幅度变化形为的可预测性增加,随幅度增加的函数关系主要有3种：幂函数减小、对数函数增加或直线增加,因指数和格局特征不同而异。研究的结果在揭示了常用景观指数随幅度变化的一般关系外,也启示我们在进行景观格局的比较分析,比较景观的幅度应相同或采用尺度效应图(scalograms)更有效。     

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。     

流域生态学的发展困境——来自河流景观的启示

随着中国生态环境问题越来越多地呈现出流域特性,流域生态研究的重要性和紧迫性也日渐凸显。整合流域生态研究,形成一个有效的研究体系,流域生态学迄今未能予以实现。通过对"流域生态学"和"河流景观"这两个相近概念提出过程的比较研究,探讨流域生态学发展困境产生的原因,为流域生态研究体系的构建提供思路。分析结果显示流域生态学目前主要存在两个不足:1)因为提出流域生态学概念的关键现实需求不明确,导致难以确定其核心科学问题;2)因为没有相应的流域生态系统概念模型,进而也就难以带动相关研究落实跟进。要推进流域生态学的发展,第一步要做的就是明确流域生态研究体系构建的核心现实需求,并对流域生态系统进行一个概念模型上的相应设计。     

基于RS和GIS技术的湿地景观格局变化研究进展

湿地是自然界最富生物多样性的生态景观,具有独特的生态结构与功能,蕴含的丰富资源为人类生存与发展提供了物质保证.湿地景观格局是各种生态过程综合作用的结果,湿地景观格局研究是湿地生态学领域研究的热点问题,目前RS和GIS技术的结合已成为湿地景观格局变化研究的重要途径和手段.本文从RS和GIS技术支持下的湿地景观格局研究方法、湿地景观格局指数和湿地景观格局演变驱动力等方面综述了国内外湿地景观格局变化的研究进展,探讨了RS和GIS技术相结合在湿地景观格局变化监测研究、湿地景观格局指数选取与应用以及自然和人为共同作用的驱动机制问题中的应用,指出目前研究中存在的不足,并对未来的研究进行了展望.     

青弋江流域土地利用/景观格局对水质的影响

研究不同空间尺度的景观组成与结构对水质的影响对于水质保护具有重要意义。青弋江为长江下游最长的支流,人类活动可能通过多种方式对水质产生影响。以青弋江流域为研究对象,基于Google Earth遥感数据和水质实测数据,采用冗余分析(RDA)和Spearman相关性分析,探讨了土地利用/景观格局对水质的影响。研究结论为:(1)以采样点为中心建立的100、200、500、1000、2000 m 5种尺度缓冲区中,500 m半径圆形缓冲区景观组成对水质的解释率最高,枯水期与丰水期对水质的解释率分别为46.30%和43.10%。(2)土地利用类型中,耕地和建设用地面积与NH₄⁺-N、TP、EC呈正相关,对水质具有负面效应;林地面积与DO呈正相关,对污染物起到净化作用;土地利用综合程度指数与污染指标呈正相关,表明人类活动强的区域,水质变差。(3)景观格局指数中,PRD在丰水期与NH₄⁺-N、TP浓度为负相关,相关系数分别为-0.656、-0.540,表明随斑块丰富度密度的增大,流域生态系统更加稳定;LPI与DO浓...     

太湖流域典型入湖港口景观格局对河流水质的影响

以太湖流域宜兴段的3条主要入湖港口为研究对象,通过实地调查和数据分析,探讨了入湖港口景观格局对河流水质的影响。反映景观格局的指标有港口周边5 km缓冲区域内的"源-汇"景观空间负荷对比指数(LCI)、斑块数量(NP)、边界密度(ED)、蔓延度指数(CONT)、香浓多样性指数(SHDI)和聚集度指数(AI);反映水质变化的主要指标为总氮(TN)、总磷(TP)和化学需氧量(CODMn)。以水质指标为因变量,对二者做了相关性分析和通径分析,结果表明,LCI与TN、TP和CODMn关系显著,对它们的直接作用分别为0.266、1.512和0.979;ED对TN、CODMn和NH+4-N有显著影响,直接作用为0.740、-0.189和0.852;TN和NH+4-N与CONT相关性显著,与SHDI呈负的极显著相关;对TN和NH+4-N来说,两个景观格局指标(LCI与景观格局指数)对它们都呈直接负作用;其它指标之间关系不显著。这说明景观格局变化对区域内港口水质有一定影响,合理配置景观格局能够有效地治理面源污染,改善水质状况。     

典型岩溶流域景观格局动态变化——以云南小江流域为例

根据云南小江流域 1982年的航片和 2 0 0 3年的 TM影像及实地调查资料 ,获得流域两期景观类型图 ,利用 GIS、RS和景观生态学的理论和方法 ,分析了典型岩溶流域景观格局的动态变化及驱动机制。结果表明 :流域 6 10 .12 km2的景观类型发生变化 ,占流域景观总面积的 5 9% ;景观类型变化主要由未利用地向耕地和林地以及林地向耕地的转化 ;流域景观变化速度十分迅速 ,综合变化动态度达 2 .95 % ,园地和耕地景观变化动态度达 34.0 9%、10 .5 5 % ;流域景观的斑块数增加 86 .3% ,平均斑块面积减少 4 6 .1% ,流域景观的基本构型由以大斑块为主体 ,中、小型斑块镶嵌其中转变为以中等斑块为主体 ,大、小型斑块镶嵌其中的构型 ;流域景观多样性指数增长 4 .14 % ,破碎度指数增长 84 .6 % ;未利用地、林地的分离度指数分别增加 114 .5 8%和6 9.6 4 % ,而耕地的分离度指数减少 4 5 .86 % ;流域耕地、建设地重心向东北方向迁移 ,而未利用地、林地、重心向南东、南西方向迁移 ;人文因素是流域景观格局变化的直接驱动力 ,人口增长、经济发展是流域耕地景观变化进而导致系列景观变化最根本的原因 ,而比较经济利益和理智的生态环境保护政策是流域林地景观变化的主要原因     

流域"源-汇"景观格局变化及其对磷污染负荷的影响——以天津于桥水库流域为例

基于1999年和2009年天津于桥水库流域两期TM遥感影像,应用遥感解译和空间分析的方法,分析了于桥水库流域"源-汇"景观格局变化特征,通过磷污染过程模型对流域不同景观格局下的磷污染负荷进行空间模拟,并采用情景模拟方法对磷污染空间变化进行了研究。结果表明:(1)10a来,于桥水库流域"汇"型景观格局(林地和灌草地)面积比例减少了18.44%,"源"型景观格局(耕地、园地、村镇及建筑)面积有不同程度的增加,面积比例上升了12.34%。(2)流域不同的"源-汇"景观格局总磷污染负荷模拟值有明显差异。从1999年的1.00(kg/km²)上升至2009年的1.12(kg/km²),上升比例达11％。"源"型景观格局总磷污染量,由1999年的0.98(kg/km²)上升至2009年的1.49(kg/km²),上升幅度达51.5%。(3)3个子流域对磷污染影响存在较大的空间异质性。其中淋河流域总磷负荷最高为1.26(kg/km²),沙河流域总磷负荷为1.14(kg/km²),黎河流域的总磷负荷量最低为1.10(kg/km²)。"源"型景观格局中淋河、沙河和黎河流域中农田景观的总磷量分别为1.93(kg/km²)、1.85(kg/km²)和1.65(kg/km²)。     

生态系统服务与景观格局集成研究综述

生态系统服务是综合科学和政策应用的有效工具,可用于应对人类干扰下的景观和生态系统服务的快速退化等复杂生态环境问题。综述生态系统服务与景观格局集成的学科发展、基础理论和模型开发的进展与存在的问题,建立可用的集成建模框架,并提出知识集成的概念框架:1)在要素层,"政策-决策—景观—生态系统服务—社会经济系统"的跨学科知识反馈环是集成理论基础; 2)在模型层,结构化、多层次的集成模拟模型是核心方法; 3)在数据层,多源数据集成是模拟模型的数据基础。集成生态系统服务与景观格局为区域生态环境治理实践提供了科学参考,能更好地应对生态系统服务科学与应用的挑战。     

树干/枝呼吸作用对环境变化的响应

树干/枝呼吸是调控森林碳平衡的关键生理过程之一,其对环境变化的响应在很大程度上决定了森林生产力及其固碳增汇能力.本文主要综述了近10年来林木树干/枝呼吸对大气CO2浓度升高、温度升高、干旱胁迫和人为管理的响应及其生理生态学调控机制,结果表明:大气CO2浓度升高和升温一般促进树干/枝的呼吸,其表观温度敏感性(Q10值)受树种、测定方法、温度范围、季节、林龄和径阶的影响,但变幅小于根系呼吸Q10值的变幅;干旱胁迫时,树干/枝呼吸速率减缓,随后进行浇水则会引发树干/枝呼吸的剧增,其生理学机制仍不清楚;不同的管理措施(如火烧、施肥、灌溉、修枝、环割等)对树干/枝呼吸的影响不尽相同.综述以往研究,提出今后值得深入探讨的4个方向:(1)明确树干/枝呼吸释放CO2的来源和去向以及建立相应的测定标准;(2)了解树干/枝呼吸对环境变化响应的生物学机制;(3)探讨树干/枝呼吸对环境变化的适应性;(4)树干液流、同位素示踪和CO2微电极技术的综合应用.     

Eco-hydrological effects of landscape pattern change

Scientists and environmental managers alike are increasingly concerned about landscape pattern change and its effect on hydrological and ecological processes. In this paper, research progress is reviewed and key issues of eco-hydrological effects of landscape pattern change are discussed. There are different eco-hydrological effects with landscape pattern change, and most attention is paid to runoff, water quality, and soil loss. Landscape shape and spatial distribution can change precipitation-runoff processes and lead to the change in runoff yield. Water quality is closely connected with the composition and spatial pattern of source and sink landscapes. Soil erosion systems are usually modified by land use structure and landscape pattern, and soil loss will be either reduced or increased with land use change. In addition, the change of landscape pattern also has potential impacts on climate and soil quality. In future studies, more attention should be paid to comprehensive multi-scale and integrated research of landscape pattern and eco-hydrological processes.     

桂西北典型喀斯特区生态系统服务价值对景观格局变化的响应

基于3S技术,对1985、1990、2000和2005年桂西北典型喀斯特区生态系统服务价值（ESVs）对景观格局的响应进行了探讨.结果表明：研究区ESVs与景观面积、破碎度、斑块形状复杂程度、关键类型面积、连通性以及丰富度紧密相关;景观面积与ESVs呈线性正相关,最大斑块指数、蔓延度指数、聚集度指数、有效网络面积和类相邻百分比与ESVs呈曲线正相关,随着关键景观类型比例的增加和连通性的增强,生态系统服务价值有所增加;分离度指数、分割度指数、斑块丰富度与ESVs呈曲线负相关,随着斑块的破碎与分离的加大以及关键类型比例的降低,生态系统服务价值有所减少.今后应加强对研究区林地、灌木和草地等关键景观类型的保护,加大其面积比例,保证其较大的蔓延度与有效网络面积和连通性,并减少干扰以免破碎度增加,增强生态系统服务价值,以更好地支撑桂西北典型喀斯特地区的可持续发展.