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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

基于土地利用/覆被变化的流域景观格局与水沙响应关系研究

以黄河流域的2个典型流域为研究对象,借助GIS和Fragstats平台与长系列水沙数据,分析流域景观格局和水沙变化特征,并探讨景观指数与径流输沙的关系。结果表明:(1)两个流域优势景观类型为草地,1985—2010年间变化最大的景观类型分别为未利用土地(25a变幅为453.94 km~2)和耕地(25a变幅为52.85 km~2);(2)秃尾河流域景观均向规则、高连通和高度聚集的方向发展。孤山川控制流域内景观多样性和聚集度逐渐增加,整体向好。秃尾河流域景观稳定性指数高于孤山川流域,两流域草地和未利用土地地稳定性均呈增加趋势,而城乡工矿用地则相反。(3)流域年径流量和泥沙量均呈现逐年同步减小的趋势。秃尾河年径流量明显高于孤山川,但孤山川流域泥沙量与秃尾河流域相近。两流域径流泥沙相关关系显著,秃尾河流域相关系数(0.48)明显低于孤山川流域(0.85)。(4)景观指数与径流量、泥沙量呈显著线性相关,其中景观多样性相关的指数SHDI、SIDI、SHEI和SIEI均与径流呈极显著正相关,而泥沙仅与CONTAG、COHESION呈显著负相关。     

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。     

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。     

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。     

长江流域景观格局与生态系统水质净化服务的关系

流域景观格局通过影响生态过程,改变进入河流污染物的数量,进而对水质净化服务产生重要影响,探讨流域景观格局对水质净化服务的影响对于流域景观规划、生态系统保护和生态系统服务提升具有重要意义。以长江流域为研究区域,在分析45个子流域景观格局特征、应用In VEST模型评估流域水质净化服务基础上,探讨了两者的关系,结果表明:①景观组成上,长江流域农田和城镇面积比例分别与生态系统水质净化服务存在显著对数关系(P0.01),森林面积比例则与之呈极显著正相关关系(P0.01);②流域景观配置上,斑块密度和景观破碎度与水质净化服务呈显著负相关(P0.01),而平均斑块面积和形状规律相反(P0.01);③斑块类型水平上,森林平均斑块面积、灌丛/湿地平均斑块形状与生态系统水质净化服务呈显著正相关(P0.01),而农田平均斑块面积/边缘密度、城镇斑块密度则与之呈显著负相关(P0.01);④森林主导景观的子流域,仅有景观破碎度与生态系统水质净化服务呈显著负相关,而农田主导景观的子流域,景观蔓延度、香农多样性与其分别呈正相关(P0.01)。研究结果可以为长江流域生态系统水质净化服务的提升提供多途径的管理信息:流域景观尺度上,增加森林面积比例、控制农田与城镇面积比例,并减少景观破碎度而增加平均斑块形状复杂性;斑块类型水平上,可增加灌丛/湿地斑块形状复杂性,减小农田边缘密度和城镇斑块密度;森林主导景观的子流域应降低景观破碎度,以农田主导景观的子流域则应该增加斑块类型丰富度和团聚程度。研究也可为其他流域水质净化服务管理提供参考。     

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.     

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.     

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.     

厦门后溪水质与流域景观特征沿城乡梯度的变化分析

基于河流水质观测数据和Landsat 8影像数据,分析厦门后溪2013至2017年干季和湿季的水质时空变化特征,研究沿城乡梯度河流水质变化与流域景观特征的关系。结果表明:后溪上游(饮用水水源地水体)和下游(景观水体)溶解氧(DO)分别符合《地表水环境质量标准(GB3838—2002)》Ⅱ类标准和Ⅴ类标准,但是总氮(TN)和总磷(TP)有不同程度的超标,其中TN的超标比例较高。后溪上游土地利用类型中70%以上为林地,具有涵养水源、保护水质的作用;下游建设用地和耕地比重增加,TN、TP和叶绿素a (Chl a)显著高于上游。耕地和建设用地是提高TN、TP和Chl a等水质参数的主要土地利用类型,斑块密度、香农多样性指数和源汇景观指数与各水质指标也显著相关。冗余分析表明,流域景观特征可解释70%以上水质变化,对TN和TP的影响在湿季更大,而对Chl a的影响在干季较大。土地利用组成、配置、距离、高程和坡度对流域水质均有较大影响,其中土地利用组成对Chl a的影响较大,而景观指数则对TN和TP的影响较大。因此,在流域尺度加强土地利用的规划与综合管理,通过减少和控制地表径流面源污染的途径在一定程度上可降低人类活动对水质的不良影响。