云贵高原湖区湖泊营养物生态分区技术方法研究

提出一种基于主成分分析、聚类分析、判别分析和空间自相关的分区模型,用于对云贵高原湖区湖泊营养物生态分区的研究.首先运用主成分分析方法对众多指标进行了降维综合处理,产生彼此互补相关又能综合反映湖区情况的4个新指标,累计贡献率达到93.69%,具有充分的代表性,构建了云贵高原湖区湖泊营养物生态分区指标体系.在此基础上,根据各区域新指标值,结合聚类模型初步将湖泊流域分为5类,再利用判别分析完成非湖泊流域的类别判别,最后运用空间自相关分析方法,按聚类结果进行全局自相关分析,Moran’sI为0.320,且检验值Z值为68.2,远大于临界值(显著水平1%所对应的临界值2.58),表明聚类结果与空间位置具有显著相关性,之后运用局部自相关对区域各因素的主成分综合得分的空间分布格局进行了量化分析,揭示了零散分类区块在空间地域分布上的关联和差异,根据关联结果完成最终的分区.结果表明,利用此分区模型可以尽量避免人为因素,得到更为客观的分区结果,具有良好的适应性和可行性,可为探索适合我国湖泊营养物生态分区的指标体系和分区技术方法,完成全国湖泊营养物生态分区和科学地制定我国湖泊营养物基准和富营养化控制标准提供技术支持.     

湖泊营养物生态分区：中国东北的分区试验

湖泊营养物生态分区是实现湖泊富营养化分区控制的基础。论文以东北区为研究区域,从自然地理要素、生态系统和人类活动三方面建立指标体系,利用粗糙集方法确定各指标的权重,并据此计算栅格尺度湖泊营养物生态分区评价分值,并将其投影到小流域尺度上。在小流域尺度采用双约束空间聚类算法开展湖泊营养物生态分区。结果表明：①采用粗糙集方法,运用属性重要度确定各属性的客观权重,适合用于测算湖泊营养物生态分区指标体系中各指标的权重;②采用双约束空间聚类进行湖泊营养物生态分区,保证了分区结果在空间上的连续性和评价分值上的接近性;③可以将东北区分为大兴安岭北部山地区、小兴安岭山地-三江平原区、长白山山地区、松嫩平原区和辽东、辽西丘陵-辽河平原区。     

基于水生态系统结构特征的滇池流域水生态功能三级分区

水生态功能分区的目的是为了实现中国流域的"分区、分类、分级、分期"管理的精细管理理念,而水生态系统结构是水生态系统完整性的基础,也是区分不同区域生境特征与功能差异的重要指标.因此,为了实现更精细化的湖泊流域管理,在滇池流域完成水生态功能二级分区基础上,基于水生态系统结构特征进一步对滇池流域进行三级区划,进而反映流域水生态功能的空间异质性.以反映水生态系统结构的物理、化学与生物特征为依据,分别构建了滇池流域陆域与湖体的三级分区指标体系;通过对三级分区单元指标综合值进行聚类分级,最终将滇池流域的水生态功能三级分区划分为20个陆域区和4个湖体区,并利用底栖与藻类的生物数据对分区进行合理性评价.最后基于生态服务功能理论,结合滇池流域自身特点与管理需求,将滇池流域三级分区定义为不同的水生态功能类型.通过对滇池流域水生态功能三级分区的划分以及主体功能的确定,不仅为滇池流域水生态健康管理构建了空间管理单元,而且为湖泊水生态功能分区的研究提供了案例.     

中国湖泊富营养化防治策略研究

随着湖泊富营养化的加剧,藻类水华暴发的频率也越来越高,规模越来越大,成为制约中国社会和国民经济持续发展的重大环境瓶颈问题,前景堪忧.本文从全国湖泊流域整体层面出发,分析制定基于生态分区的营养物基准和富营养化控制标准,以富营养化控制标准为依据,建立全国不同分区的营养物总量控制和生态修复体系,提出全国湖泊营养物削减和富营养化控制的国家方案,希望为中国湖泊富营养化防治工作提供借鉴.     

海河流域水生态功能一级二级分区

水生态功能分区是实现流域水环境"分区、分级、分期和分类"管理的基础.通过分析海河流域的陆地和水生态系统特点,确定了一级二级分区的指标体系,一级分区指标包括地貌类型、径流深、年降水量、年蒸发量,反映水资源供给功能的空间格局特征,共划分了6个一级水生态功能区;二级分区利用植被类型和土壤类型的空间异质性,反映流域生态水文过程及水质净化功能的空间格局特征,共划分了16个二级水生态功能区.最后,通过野外调查各个分区的水生态系统结构和生境差异性(水量、水质、河流生境、水生动植物等),对一级和二级分区结果进行了评价.分区结果能够为海河流域的水质目标管理和区域生态环境建设提供支持,分区方法和指标体系也可以为国内其它类似流域的水生态功能分区提供参考.     

基于AWRSEI的岱海流域生态环境质量时空演变及驱动因子分析

流域是重要的生态安全屏障和社会经济发展区域,为了更加客观准确地评价干旱和半干旱区流域生态环境质量,基于遥感生态指数（RSEI）引入盐度指标构建适用于干旱和半干旱区流域的遥感生态指数（AWRSEI）并以岱海流域为例分析其适用性.基于AWRSEI模型,采用4期Landsat TM/OLI合成影像,对2001~2020年岱海流域的生态环境质量进行定量评价,通过变异系数和空间自相关分析岱海流域生态环境质量时空演变规律,并通过地理探测器进行成因分析和驱动因子解释力分析.结果表明：①AWRSEI与各生态因子的平均相关系数为0.860,比单个指标分量更具代表性;第一主成分的荷载正负值和排序与RSEI一致,特征值贡献率比RSEI高3.69%,评价结果与真实地表情况更为接近,适合用于干旱区流域的生态环境质量评价.②岱海流域2001~2020年AWRSEI指数的年均值为0.427,生态环境质量基础较差,期间AWRSEI的均值呈现波动上升的趋势,并且在2020年均值达到最高0.502.整体生态环境质量明显好转,恶化区域减少了20.51%,改善区域增加了12.71%.空间分布上,岱海流域南部和西北部高海拔地区的林地生态环境质量优,北部和南部中海拔地区生态环境质量较差,湖区北侧生态环境质量优于南侧.③岱海流域AWRSEI变异系数平均值为0.280,生态环境质量状况稳定,整体变化波动较小,高波动主要集中在湖区南侧和居民点区域.岱海流域生态环境质量存在显著的空间自相关性,高-高集聚区主要分布在高海拔的林地区域和低海拔耕地区域;低-低集聚区零星分布在中海拔区域.④2001~2020年岱海流域生态环境的提升主要由于NDVI提高,NDBSI和NDSI降低.NDVI和NDBSI是交互作用最强的组合,对生态环境的解释力最强.土地利用是AWRSEI的主导因子,解释力最强.土地利用和气象因子的组合是交互作用最强,且各驱动因子之间均为增强关系.     

云南省云县生态经济分区

运用模糊聚类的分析方法对云南省云县12个乡镇进行了生态经济分区,并经过判别分析,得到了5个生态经济区域,分区结果符合客观实际,对分类指导和科学调控云县区域生态经济系统,保证持续、稳定、高速发展具有重要的参考价值.     

春季融雪补给后巩乃斯河水物理化学性质空间分布特征研究

在春季融雪补给后对巩乃斯河19个采样点8个水物理化学指标进行了监测,运用聚类分析(CA)、判别分析(DA)和主成分分析(PCA)方法分析了巩乃斯河水物理化学性质的空间分布特征.聚类分析结果表明,按各采样点之间河水物理化学性质的相似性可将巩乃斯河大致分为3个河段,分别代表河流的上游、中游和下游;判别分析的结果证实了此种分类的可靠性,并表明DO、Cl-以及BOD5是影响这种分类的显著性指标;主成分分析共提取了3个主成分,对应特征值的累积方差贡献率达到86.90%,表明影响河水物理化学性质的主要指标为EC、ORP、NO-3-N、NH+4-N、Cl-和BOD5.对各采样点的主成分得分进行排序,结果显示DO主要影响上游水质,p H主要影响中游水质,其余指标则是影响下游水质的主要因素.主成分综合得分的排序则表明上游水质最优,其次为中游,而下游最差,恰好对应聚类分析所划分的3个河段.人类活动及污染物的沿河积累可能是造成这种空间差异的主要原因.     

基于基尼系数的湖泊流域分区水污染物总量分配

从经济、社会和环境系统整体效益出发,将环境基尼系数应用于总量控制分配中,分别以人口和工业增加值等作为湖泊流域内基尼系数分配的指标,建立了一种定性与定量相结合描述湖泊流域分区水污染物排放总量分配的层次结构模型.该模型综合考虑了各项评价指标,以区域允许排污总量为基础,依据环境基尼系数调整各分区允许排污量的权重比,并依此比例在各分区间进行排污总量分配.同时,以汤逊湖流域为例,根据流域内经济、社会和环境系统的实际特点,以工业增加值为主要限制指标,调整分配方案,计算出该流域水污染物排放总量的分配结果.结果表明,本研究提出的分配方法,克服了等比例分配的不公平性,同时又兼顾了各分区间的实际差异,是一种较好的分配方法.     

云南省云县生态经济分区

运用模糊聚类的分析方法对云南省云县12个乡镇进行了生态经济分区,并经过判别分析,得到了5个生态经济区域,分区结果符合客观实际,对分类指导和科学调控云县区域生态经济系统,保证持续、稳定、高速发展具有重要的参考价值。     

太子河着生藻类群落结构空间分布特征

以辽宁省太子河流域为研究范例,调查了全流域内69个采样点的着生藻类群落和水环境理化特征,并且以着生藻类的群落结构为基础,对太子河流域的水生态系统类型区进行了划分.结果表明,太子河流域着生藻类群落结构具有明显的空间异质性.CCA(典范对应分析)结果显示,驱动全流域着生藻类群落结构形成的水环境因子为电导率、ρ(TDS)(TDS为总溶解固体)和ρ(TN).基于着生藻类的群落结构特征,将太子河流域划分为3个着生藻类类型区:第1分区为太子河上游的森林多水区,第2分区为中游低山丘陵森林区,第3分区为下游平原农业区.CCA结果还显示,显著影响第1分区、第2分区及第3分区的着生藻类群落结构的环境因子分别为ρ(NO3--N)、ρ(TN)及ρ(总溶解固体)和硬度.     

三峡库区水生态分区初探

通过分析国内外水生态分区、水环境功能分区现状,研究了各种分区指标选取依据及指标体系特点。通过对比三峡库区已有的生态功能分区依据及指标体系特点,提出了已有分区指标体系的不足之处,即尚未充分考虑水生要素。在三峡库区流域自然要素及水生态特征的分析的基础上,建立了三峡库区流域水生态分区体系.明确了各级分区的主要内容与分区依据,提出了各级分区的特征指标,从而建立了流域水生态分区的指标与方法体系。结果表明,三峡库区流域包括2级水生态区。该研究在GIS技术支持下,采用多指标叠加分析和专家判断方法,将三峡库区流域划分为6个一级区,对不同分区的水生态系统特征及其所面临的生态环境问题进行了总结,为基于水生态区的环境管理提供了技术支撑。     

流域、生态区和景观构架及其在海河流域生态评价中的应用

流域、生态区和景观是评估大尺度区域生态质量的构架,阐述了三者合理结合的理论基础. 流域是解决水生态环境问题的整体性构架,但是流域研究的成果缺乏外推的依据. 生态区提供了合适的外推机制,与流域结合使用,可以解决小尺度成果的尺度上推和预测问题. 景观范围界定的主观随机性,使其可以与行政区、生态区和流域等空间范围结合,用于区域生态质量评估. 以海河流域为例,验证了流域、生态区、景观相结合的区域生态质量评估方法体系,包括3个步骤:流域生态区划分;建立以遥感影像为数据源的景观生态质量评价指标体系,并对生态区内的典型行政区开展景观生态质量评估;将评估结果外推到所在生态区. 以流域生态过程为核心整体统筹各生态区,提出上游山区水土保持、平原节水并修复河流和地下水系统、下游湿地保护并增加入海流量的水生态系统恢复对策.     

黄河三角洲典型地区耕地土壤养分空间预测

掌握土壤养分的分布特点是实现养分优化管理的重要基础。论文选择黄河三角洲典型地区山东省垦利县为研究区,通过田间采样与实验室化验分析获取了1 278个样本（0~20 cm）的土壤碱解氮、有效磷、速效钾数据。在经典统计分析的基础上,用地统计学方法分析了土壤养分的空间变异特征,并拟合了养分的变异函数模型。利用普通克里格法（OK）、反距离权重法（IDW）、泛克里格法（UK）、径向基函数法（RBF）和局部多项式法（LP）5种方法进行空间插值,并采用独立数据集验证对插值结果进行精度评价,进而分析了各养分空间分布规律。为深入探索各方法的适用性规律,基于AN数据设计了离散、随机、聚集3种空间分布模式的数据,利用各模型的自动优化进行试验,对比分析了不同插值方法在土壤养分空间预测中的自适应性。结果表明：1）研究区碱解氮、有效磷、速效钾均为中等强度的空间变异和中等程度的空间自相关,其变异函数模型分别为球状模型、指数模型和球状模型,决定系数依次为0.951、0.892和0.787;2）在空间分布上,土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量与地形和土地利用类型等有关,西南部地势较高,以水浇地和旱田为主,东北部沿黄农田受黄河淡水影响,耕地质量较好,而中部地区地势低平,以水田为主,养分含量偏低;3）相对于块金系数/基台值,Moran’s I是更为稳健有效的衡量土壤养分空间自相关性的方法;4）论文认为,空间分布模式、样本量、空间自相关性和空间聚集程度（最近邻比）均影响插值精度。在离散模式下,各方法自适应性均较差;在随机模式下,IDW与RBF自适应性优于OK和LP;在聚集模式下,各方法自适应性与样本量和空间自相关性有关,直至样本足够多时,4种插值方法精度接近。论文探明了研究区主要土壤养分的最佳插值预测方法,分析了土壤养分的变异特征和空间分布规律,为黄河三角洲典型地区耕地土壤养分利用管理和农业可持续发展提供了理论依据。     

Establishing eutrophication assessment standards for four lake regions, China

The trophic status assessment of lakes in different lake regions may provide important and fundamental information for lake trophic state classification and eutrophication control. In this study, a region-specific lake eutrophication assessment standard was established through a frequency distribution method based on chlorophyll-a concentration. The assessment standards under the oligotrophic state for lakes in the Eastern plain, Yungui Plateau, Northeast Plain and Mountain Mongolia-Xinjiang regions are total phosphorus of 0.068, 0.005, 0.011, 0.005 mg/L; total nitrogen of 1.00, 0.16, 0.37, 0.60 mg/L; Secchi depth of 0.60, 8.00, 1.55, 3.00 m; and CODMn of 2.24, 1.00, 5.1 l, 4.00 mg/L, respectively. Moreover, a region-specific comprehensive trophic level index was developed to provide an understandable assessment method for the public. The results indicated that the frequency distribution analysis based on chlorophyll-a combined with trophic level index provided a useful metric for the assessment of the lake trophic status. In addition, the difference of eutrophication assessment standards in different lake regions was analyzed, which suggested that the sensitivities of algae to nutrients and the assessment standard of trophic status possessed significant regional differences for the four lake ecoregions. Lake eutrophication assessment standards would contribute to maximizing the effectiveness of future management strategies, to control and minimize lake eutrophication problems.     

东太湖水质污染特征研究

2008年8月至2009年7月研究了江苏东太湖网围养殖区、东茭咀、油车港等12个典型湖区的水环境特征,运用主成分分析法研究东太湖水质的空间异质性及主控因素.结果表明,东太湖水质在各区域存在显著差异,季节变化明显,主要表现为丰水期水质优于枯水期. 12个水质指标简化成2个主成分,主成分I代表水体的总磷、溶解性总磷和磷酸盐水平,是东太湖水域最主要的污染因子;主成分II主要反映水体的有机污染状况,叶绿素a和高锰酸盐指数的贡献率较大.利用主成分得分进行聚类分析,将12个采样点分为4类,北部由于受东山镇生活污水影响,各入湖河道口污染较为严重,特别是油车港;网围养殖区由于人工栽植的水草较为茂盛,水质较好,同东茭咀、太浦河口等水域的水质一样.     

中国水生态分区初探

从生态系统的角度管理自然资源以及进行环境保护,已经成为国际环境保护领域的主流趋势.基于生态分区和地理分类单元开展环境保护与资源管理,已广为世界各国所接受.淡水生态分区是生态分区的一个重要类型,与水文分区和水环境功能分区相比,其在管理、评价和保护河流、溪流和湖泊等淡水水体资源、环境及水生生态系统方面,具有不可比拟的优势.本研究比较了国内外主要水体分区体系,分析各分区体系的优劣,强调在中国开展水生态分区研究的必要性.在此基础上,提出中国水生态分区的目标、范围和指标体系的设想,指出中国水生态分区应根据中国淡水生态系统实际和环境特征,着重突出河流和湖泊等水体的生态服务功能、水生生态系统的敏感性和人类活动的干扰与影响,并就中国水生态分区的范围、分类指标及水生态分区在将来环境管理中与其他现行分区体系的协调做了探讨.