城市化下景观格局对河流水质变化的空间尺度效应分析

研究不同空间尺度上景观组成与结构变量对城市河流水质的影响程度和机制对于流域生态保护具有重要意义.以汉江流域襄阳城区段8个水质监测断面为中心,利用GIS软件以河流为对象生成8种空间尺度的缓冲区域,采用景观格局指数、冗余分析等方法与模型,识别景观格局对河流水质影响最有效的河岸带空间尺度,以及其与水质的相互关系.结果表明:①总体上农用地和城市用地的面积占比随缓冲区宽度上升而增加,而其他景观类型呈相反的变化特征.②景观格局在不同宽度缓冲区内对河流水质的影响具有空间尺度性,在300 m宽度解释能力最大,达到了78.5%.③景观组成变量中仅园地的面积比例(PLAND_(GAR))在400 m宽度上与水质指标存在相关关系.④影响水质变化的主要景观类型在小尺度上是城市用地,相对较大尺度上是林业用地,并且城市用地和林业用地的斑块密度(PD_(URB)和PD_(FOR))对河流水质的负面影响最为显著.结果反映了300 m宽度是景观格局对水质变化的最佳临界区,景观组成变量对水质的影响程度小于景观结构变量.同时,不同景观类型对水质的影响机制也具有差异性,林业用地分布越密集、面积越大对进入水体的污染物净化作用越明显,而分散分布的城市区域对水质退化的作用显著.园地和草地因种植方式的差异对水质变化有一定的影响;而农业用地与水质之间没有发现显著的相关性.研究结果可以从宏观尺度上为流域水环境保护、景观优化与管理提供科学依据.     

密云水库上游白河地表水质对不同空间尺度景观格局特征的响应

基于密云水库上游北京境内白河段9个监测断面的水质数据,利用多元统计分析方法分析不同空间尺度（100、200、300、500和1000 m）河岸带缓冲区土地利用景观格局特征与水质总氮（TN）和总磷（TP）的关联性,识别水质对景观特征响应的最佳缓冲区尺度.结果表明,密云水库上游北京境内白河周边土地利用景观格局对水质的影响随着河岸缓冲区不同宽度的变化而不同,在河岸小尺度缓冲区表现得更明显,对水质TN和TP空间分异解释的最佳尺度分别为300 m和100 m河岸缓冲区.300 m缓冲区尺度,耕地斑块密度和草地聚集指数是影响河流TN的主要指数.100 m缓冲区尺度,城乡居民点面积比例对河流TP影响显著.该研究表明,优化河岸缓冲区300 m宽度范围内的景观格局,特别是耕地和林草地的合理配置提高农业景观的连通性和聚集度以及岸边城乡居民点面积与污染物排放控制,对于改善北京境内白河段河流水质的生态功能和保障密云水库饮用水安全十分重要.     

农业源头流域景观异质性与溪流水质耦合关系

以丹江口库区胡家山流域为研究区域,分析了溪流枯、丰水期的水质变化特征,结合流域和河岸缓冲带景观类型及其格局,运用Spearman秩相关分析筛选了影响溪流水质的景观指数,利用逐步回归和冗余排序法定量描述景观格局与溪流水质的耦合关系.结果表明：溪流水质指标中氨氮和总磷浓度时空变化较大,其标准变异系数范围分别为69.8%~207.6%和52.0%~146.1%.景观类型中耕地和居民地是溪流水体污染的重要来源,两者在100m河岸缓冲带尺度上对氨氮的解释程度为58.6%,高于流域尺度;景观格局指数中蔓延度、林地和居民地斑块密度、林地和居民地最大斑块指数以及林地和耕地聚集度指数等显著影响溪流水质（P<0.05）,流域尺度上各景观类型的景观指数对总氮和总磷的解释程度分别介于71.1%~81.6%和74.5%~83.8%,均高于100m河岸缓冲带尺度,其中蔓延度对总氮和总磷均有显著影响（P<0.05）.无显著因子进入高锰酸盐指数模型中,其浓度变化是各景观指数共同作用的结果.此外,景观格局季节变化也显著影响溪流水质.枯水期景观指数能够更好的解释总氮和总磷变化,而丰水期对氨氮的解释程度要好于枯水期.     

土地利用结构与空间格局对鄱阳湖流域中小河流水质的影响

为揭示土地利用结构与空间格局对中小河流水质的影响机制,于2022年1月与2022年7月在鄱阳湖流域3条中小河流的25个采样点收集水样.采用Bioenv分析、Mantel检验与方差分解量化不同空间尺度的土地利用结构与空间格局对水质的影响,使用广义加性模型拟合水质与土地利用结构与空间格局的关系,广义线性模型构建分段回归模型,并基于逐步递归法计算阈值.结果表明：①土地利用结构与空间格局对河流水质的平均解释率在丰水期（59.72%）大于枯水期（48.95%）;子流域与河岸100 m是土地利用结构与空间格局影响中小河流水质的关键尺度,平均解释率分别为54.70%和64.88%;土地利用结构与空间格局的共同解释部分是驱动河流水质变化的重要因素,占总解释率的66.90%.②土地利用结构对中小河流水质的影响具有显著的阈值效应,当子流域尺度下建设用地占比低于2%、耕地占比低于8%和林地占比高于82%,河岸缓冲区尺度下建设用地占比低于12%、耕地占比低于41%和林地占比高于49%时,均能明显改善水质.③空间格局对中小河流水质的影响也具有阈值效应但弱于土地利用结构,当子流域尺度下斑块形状值大于28.77和斑块多样性大于0.69,河岸缓冲区尺度下斑块形状值大于2.99和斑块多样性大于1.02时,均能改善水质.以上结果表明,加强对子流域与河岸100 m尺度的土地利用的管理,合理规划土地利用结构与空间格局能够有效地防止水质恶化.     

土地利用结构与空间格局对袁河水质的影响

于2018年7月和2019年1月在袁河干流及支流38个采样点采集水样,测定营养盐离子及重金属等14项水质指标.同时,采用Bioenv分析、Mantle检验与方差分解等方法,揭示土地利用结构与空间格局在子流域和缓冲区对水质变化的影响机制,并基于层次分割理论探讨不同土地利用类型的空间格局特征对水质的影响.结果表明：①袁河流域重金属污染不显著,氮、磷营养盐是水体主要污染物,水质变化具有河段差异,上游污染物浓度低于中、下游.②空间格局在在近距离缓冲区（100 m、300 m）对水质变化的解释率最高（63%）,土地利用结构在远距离缓冲区（3000 m）和子流域尺度对水质变化的解释率最高（33%）,二者交互作用在过渡带（500 m、1000 m）对水质变化的解释率最高（56%）.③在近距离缓冲区和过渡带,单一土地利用类型的空间格局对水质变化的解释能力依次为：林地 > 农田 > 建设用地;在远距离缓冲区为：农田≈林地>建设用地;在子流域依次为：农田 > 林地 > 建设用地.其中,林地的连通性特征（ENN_MN指数）、农田的边缘密度特征（ED指数）和建设用地的形状特征（LPI、LSI指数）是影响水质变化的关键特征,占各自空间格局解释率的37.8%、31.2%、53.8%.以上结果表明,土地利用结构与空间格局是驱动袁河水质变化的重要因素,加强1000 m缓冲区尺度土地利用的管理对保护流域水质具有重要意义.     

不同空间划分方式下袁河流域景观结构对水质的影响

近年来景观结构的水文效应受到关注,研究不同空间划分方式下景观结构对河流营养盐、重金属变化的影响机制对于流域生态保护具有重要意义.本文于2018年7月和2019年1月在袁河干流及支流38个采样点采集水样,测定水体营养盐类污染指标（DO、NO₃^--N、NH₄⁺-N、TP和DOC浓度）和重金属类污染指标（Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、As、Cd和Pb浓度）.基于前向变量选择、冗余分析等方法,筛选景观结构指标,量化其在不同尺度下对水体营养盐、重金属变化的影响.结果表明：①农田、斑块密度（PD）、斑块聚集指数（COHESION）及散布与并列指数（IJI）是影响水体营养盐变化的主要指标.林地、建设用地（Res）、平均最近邻体距离（ENN_MN）和最大斑块指数（LPI）的组合是影响重金属变化的主要指标.②在河岸缓冲带与圆形缓冲区划分方式下,景观结构均在100 m尺度对营养盐变化解释能力最强,平均解释率分别为31.5%、24.3%,均在1000 m尺度对重金属变化解释能力最强,平均解释率分别为32.0%、42.6%.③100 m河岸缓冲带和子流域尺度分别是景观结构影响水体营养盐、重金属变化的最佳空间尺度,平均解释率分别为31.5%、42.8%.以上结果表明,针对水体不同的污染类型,采用对应的划分方式及缓冲尺度有助于提高定量分析精度,为流域水环境保护、景观优化与管理提供科学依据.     

不同缓冲区的土地利用方式对地表水水质的影响：以海河流域天津段为例

探明土地利用方式与水质的关系对改善地表水环境具有重要意义.基于2021年天津市16个国家地表水水质监测站的月数据及土地利用数据,利用GIS空间分析和数理统计方法研究不同尺度缓冲区的土地利用方式对地表水水质的影响.结果表明：①研究区土地利用类型以建设用地、耕地和水域为主,对河流水质影响显著.除水温（WT）和pH外,耕地、建设用地和水域与各水质指标均呈负相关;林地和草地与溶解氧（DO）和总氮（TN）呈正相关,与其他水质指标均呈负相关.②水质指标在不同季节表现出明显的空间差异.pH、DO与TN浓度在旱季较高,而高锰酸盐指数、氨氮（NH₄⁺-N）与总磷（TP）浓度在雨季较高.③冗余分析（RDA）结果表明,800 m缓冲区土地利用对旱季水质变化具有最大的解释能力（50.4%）,而3 000 m缓冲区土地利用可以最大程度解释雨季水质变化情况（49.6%）;从旱雨季的平均解释率来看,3 000 m缓冲区是天津市土地利用对水质指标的最佳影响尺度（50.0%）;④偏最小二乘回归（PLSR）分析可知,3 000 m缓冲区内建设用地、耕地和水域是影响地表水水质变化最显著的地类.旱季大多数水质指标PLSR模型的预测能力比雨季强.在旱季,除WT和pH外,其余水质指标均受耕地的影响最大.在雨季,建设用地对WT和NH₄⁺-N浓度的影响最大,其余水质指标的最重要影响因子仍是耕地.研究表明合理规划河流或湖库3 000 m内的土地利用方式有利于改善地表水水环境质量.     

湖南水府庙水库流域景观格局与水质特征关系分析

以湖南水府庙水库流域为例,在土地利用类型遥感解译结果以及水质监测数据基础上,选用景观和斑块类型2个水平上的景观指数,采用Pearson相关分析法、典范式对应分析法等方法分析了该流域内景观格局特征,并探讨了景观格局与河流水质指标特征之间的关系。结果表明:1)研究区土地利用类型与河流水质指标显著相关,其中,林地面积所占比例与多数污染指标呈显著负相关;耕地、建设用地面积所占比例与各污染指标呈正相关。2)景观格局在景观和斑块类型水平上对水质的影响表现出差异性,其中斑块破碎度在2个水平上对水质的影响均较大;斑块形状的复杂程度与水质指标无明确相关性。3)景观格局在流域尺度上对水质影响的异质性表现在土地利用类型的空间分布以及各种景观类型的空间格局特征对河流中污染物源、汇的贡献和迁移转化影响的差异性。     

鲁东山区流域景观格局与面源污染关联关系

基于实地监测和3S技术,以鲁东低山丘陵地区栖霞市为研究区,采用Spearman相关、非约束性PCA、对应典范分析（CCA）等方法,研究不同流域尺度下景观格局与面源污染的关联关系。结果表明：（1）研究区景观格局空间分异明显,在特征尺度下农用地和建设用地斑块较为破碎,林地、园地斑块聚集性强。（2）研究区河流面源污染物主要以TN为主,EC、COD污染次之,主河道出水口为污染较为严重的区域。（3）景观格局对水质的影响丰水期要大于平水期,TN和EC对土地利用类型面积比例和景观格局指数的变化最为敏感。（4）平水期河岸带尺度下景观格局对TN影响最大的为斑块密度,EC受景观边缘密度影响最大,小流域尺度TN受景观蔓延度影响最大,COD与景观多样性关系密切;丰水期河岸带尺度景观多样性对TN影响最大,EC受斑块聚合度影响最大,小流域尺度影响TN最大的因素与平水期一致,EC与景观蔓延度关系密切。（5）小流域景观类型水平下,TN主要受林地斑块密度影响,TP与耕地散布与并列指数关系密切;丰水期TN受林地散布与并列指数影响显著,TP对林地平均分维数变化敏感,EC受草地聚集性影响最大。本文分析了研究区景观格局与面源污染空间分布特征,探讨了两者在不同尺度下的相关性,可为栖霞市水土资源可持续利用提供科学依据。     

景观格局对河流水质影响的尺度效应Meta分析

景观格局决定了陆域污染物的源汇过程,是影响河流水质状况的关键因素.由于尺度效应,不同尺度下景观格局与河流水质关系的研究结果不尽相同.然而,景观格局对河流水质影响的尺度效应问题尚缺乏系统研究.收集了国内外4 041条研究数据,采用Meta分析法定量分析了不同尺度下景观格局对河流水质的作用特征,识别了影响河流水质的关键时间和空间尺度以及景观指数.结果表明,相对于降水事件、平水期和年际尺度,丰水期下景观格局对河流水质的影响最大;相对于流域尺度,缓冲区尺度的景观格局对河流水质的影响更大;丰水期-缓冲区尺度是景观格局影响河流水质的关键时空耦合尺度.与耕地、水域、草地以及流域整体景观相比,林地和城镇用地的景观格局对河流水质的影响更大;破碎度是影响河流水质最重要的景观格局因子.在河流水质治理中,应重点考虑缓冲区的景观配置,增加缓冲区林地面积、减少林地和水域的斑块密度和减少城镇用地的面积占比和聚集度,以有效保护河流水质.     

入湖河流水质对土地利用时空格局的响应研究:以洱海北部流域为例

揭示土地利用与入湖河流水质的内在联系是非点源研究的重要内容,以洱海北部流域为研究对象,从土地利用类型组成和空间格局入手,综合空间分析和统计分析方法对两者响应关系进行研究.结果表明,研究区平均坡度(SLOPE)、植被区面积百分比(VEG)作为表征土地利用类型组成的指标,与入湖河流TN和TP的关系显著,斑块密度(PD)、农业用地斑块密度(PDagr)、水体形状指数(LSIwat)作为表征土地利用空间格局的指标,与TP和NH+4-N的关系显著;类型水平下,入湖河流水质对土地利用空间格局的响应关系较景观水平强,水质响应指标为雨季TP和旱季NH+4-N,回归调整系数R2分别为0.761和0.978;旱季,入湖河流水质对土地利用的响应关系强于雨季,水质响应指标为TN、TP和NH+4-N.因此,进行洱海北部流域非点源污染治理时可考虑提高植被覆盖率和农业用地集约化程度,尽量避免旱季对自然水体的人为干扰,后续进行土地利用空间格局与入湖河流水质关系研究建议选类型水平.     

城郊流域源汇景观格局与水体抗生素的关系

阐明城郊地区土地利用格局对水体抗生素的影响,对于维护水质安全和城乡居民健康具有重要意义.本研究以长三角典型城郊宁波樟溪流域为例,基于不同子流域定位监测,研究了城郊流域水体抗生素的组成和分布特征,基于源汇景观模型探讨了流域源汇景观格局特征对水体抗生素的影响.结果表明,不同子流域水体抗生素含量和种类存在较大差异,抗生素的浓度变化范围为1.12～53.74 ng·L~(-1).景观分析表明研究区从上游到下游"源"景观的面积逐渐增大,而"汇"景观的面积逐渐减小.不同子流域水体抗生素的非度量多维尺度分析(NMDS)发现具有相似源汇景观格局的子流域水体抗生素组成和含量具有一定的相似性.土地利用的组成及其在海拔、坡度和距离上的分布都对水体抗生素浓度有不同程度的影响.相关分析和冗余分析(RDA)表明,源汇景观负荷比指数(LWLI)与水体抗生素浓度呈正相关关系,子流域LWLI越大其水体抗生素浓度越高.通过流域景观格局优化,使"源""汇"景观在空间上合理分布,可以减少水体抗生素污染.     

密云水库上游流域非点源氮流失特征研究

利用密云水库上游流域2001年、2004年地表水质监测数据,从流域土地利用和景观格局特征出发,分析了非点源氮流失的时空差异以及影响因素。结果表明:雨季中水体中氮污染物的浓度明显高于雨季后的浓度,硝态氮(NO3--N)是是氮在地表水环境的主要存在形式,而且与总氮(TN)呈很好的线性关系;村庄、农地等人类活动比较剧烈的流域,氮的季节变异较大;而在有稳定水源或径流季节变异较小的流域,氮的季节变异较小;不同的景观分布格局也对氮的流失产生影响,源景观更靠近监测点氮污染物浓度要高于汇景观更靠近监测点的氮污染物浓度;在坡度较大的东北和西北地区,(TN)和(NO3--N)的浓度要明显大于坡度较小的库北地区。     

北方寒冷地区冻融期河岸缓冲区土地利用结构对河流水质的影响

以松花江哈尔滨段为研究区域,基于2014—2015年哈尔滨市6个国控水质监测断面逐月水质监测数据和2014年秋季ETM遥感数据,通过不同空间尺度和土地利用类型划分,利用冗余分析等方法研究土地利用结构在北方寒冷地区冻融期对河流水质的影响,结果表明:松花江流域哈尔滨段水质状况整体状况一般,氮污染比较严重,融水期COD与BOD_5高于冰封期,冰封期氮、磷含量高于融水期;冻融期河岸带100、200、500、900、1500 m缓冲区这5种尺度下,对河流水质指标影响最显著的土地利用方式为水域和建设用地,影响最大的空间尺度为100 m缓冲区,200 m缓冲区次之.其中建设用地和旱田与除DO以外的任何水质指标呈正相关,水域则与其呈负相关.融水期水质对土地利用结构的响应关系强于冰封期.在冰封期,水域对NH_3-N影响较大呈显著负相关,建设用地对TN影响较大呈显著正相关.在融水期,建设用地对COD影响较大呈显著正相关.在流域管理中,针对植被覆盖率低、建设用地占比高的流域应加强冻融期土地利用管控,合理开发建设用地.     

九龙江流域土地利用/景观格局-水质的初步关联分析

选取哑热带中尺度流域九龙江为研究对象,运用空间分析与统计分析方法,从全流域和河岸缓冲区尺度分别建立了九龙江流域2002年和2007年土地利用、景观格局与河流水质的关联.结果表明,2002年和2007年土地利用/景观格局-水质的关联基本一致,表现为建设用地面积比例与BOD5、NO3--N、NH4+-N和高锰酸盐指数呈负相...     

洱海西部雨季地表径流氮磷污染特征及受土地利用类型的影响

云南高原平坝区地表径流是湖泊氮、磷的主要来源之一.为研究高原平坝区雨季地表径流氮、磷污染特征及受土地利用类型的影响,调查了洱海西部平坝区雨季的径流氮、磷形态特征,并结合遥感影像空间分析与SPSS等统计分析,从汇水区尺度和缓冲区尺度上研究土地利用类型与地表径流水质的关系.结果表明:①研究区雨季地表径流氮、磷质量浓度较高,ρ（TP）为0.16~0.77 mg/L,且以DIP（溶解性无机磷）为主（63.01%）;ρ（TN）为1.75~14.86 mg/L,且以NO₃--N为主（78.15%）.②汇水区尺度上城镇用地对ρ（TP）影响突出.环湖农村居民点对ρ（NH₄+-N）影响突出,耕地中的高施肥种植区对ρ（TN）、ρ（NO₃--N）影响突出;③在缓冲区500、1 000和2 000 m尺度下,随缓冲区距离增加,土地利用类型对地表径流水质的影响减小.研究显示,城镇用地与高施肥种植区对洱海西部雨季地表径流氮、磷质量浓度影响最大,土地利用类型随缓冲区距离增加对水质的影响逐渐减小.      

滇池北岸入湖河流水质变化趋势分析

文章采用WPI水污染指数法评价滇池北岸各片区河道的水质,并分析其变化趋势,同时采用pearson相关分析方法研究旱季和雨季各片区河道WPI指数变化趋势的相关度。结果表明:1988-2001年滇池北岸河道水质污染主要为减轻的趋势;2001-2007年随着昆明市的大规模扩张,其加重趋势非常明显;2007-2009年,随着河道水环境综合整治工程的大规模开展,又主要表现为减轻趋势,且旱季水质污染减轻的趋势比雨季明显,在纳入统计的5个片区河道中,旱季有4个片区河道水质好转,雨季有3个片区河道水质好转。这是由于2007-2009年间开展的河道水环境综合整治工程主要针对点源污染控制。此外,由于面源污染特征在5个片区中的4个片区都非常相似,雨季各片区河道WPI指数变化趋势的相关度比旱季高。     

潮河流域景观格局与非点源污染负荷关系研究

以密云水库上游潮河流域为研究区,在HSPF模型模拟的基础上,利用CCA排序和路径分析等多种统计分析方法,分析不同水平景观格局与非点源污染过程的相关关系,确定各景观指数对非点源污染的影响和贡献程度.结果表明:潮河流域景观格局与非点源污染过程的关系密切,二者的关系与空间尺度也有着紧密的关联.景观格局指数能累积解释55％的流域非点源污染负荷变化,土地利用面积比例的影响要大于景观格局指数,耕地是污染负荷的主要贡献源,而林地和草地较能有效控制污染物的输出.污染负荷受景观的破碎化、多样性和蔓延度的影响较大,流域内的景观越破碎、类型越丰富,斑块分布越零散,污染物的输出也就越多.斑块类型水平上,影响污染物负荷的指标因景观类型不同而异,其中,斑块密度(PD)和边缘密度(ED)是影响流域非点源污染负荷的共性指标.路径分析的结果表明,边缘密度(ED)、香农多样性指数(SHDI)、聚集度指数(AI)和蔓延度指数(CONTAG)是影响流域非点源污染负荷输出的主要景观格局变量,其中,香农多样性指数对TN、TP负荷的解释能力最大.较少的人类活动干扰和斑块类型的团聚分布能减少污染物输出的风险.