【摘要】：流域內(nèi)多尺度景觀強烈影響河流的理化及生物特征已成為共識,目前這一研究已經(jīng)從簡單的定性研究發(fā)展為應用數(shù)理統(tǒng)計、水文模型等工具在區(qū)域及國家尺度上的定量研究。我國的相關(guān)研究還處于起步階段,多集中在單一空間尺度下,簡單土地利用結(jié)構(gòu)與非點源污染物運移之間的關(guān)系,還缺乏從一個系列空間尺度上的連續(xù)過程研究。論文以北京市飲用水源地——密云水庫上游流域為研究區(qū),開展不同尺度下(子流域、岸邊帶、局部河段)的景觀格局與非點源污染過程關(guān)系的尺度依賴性,以及景觀格局變量對環(huán)境響應產(chǎn)生控制作用的尺度適應性研究。從景觀格局與污染過程相互作用的角度出發(fā),采用GIS技術(shù)、冗余分析(RDA)、多元線性回歸(MLR)、因子分析(FA)、空間回歸(SP)等多種數(shù)理統(tǒng)計分析技術(shù),揭示不同水文尺度污染物運移的相互作用機制,識別不同尺度下影響地表水質(zhì)的關(guān)鍵景觀類型與格局,辨析不同因素對于景觀格局與水質(zhì)關(guān)系的影響,為有效控制非點源污染提供理論依據(jù)和技術(shù)指導；對進一步控制地表水的富營養(yǎng)化、促進水源地保護和流域健康,具有一定的科學意義和應用價值。論文主要研究結(jié)論可概括為以下幾個方面： (1)采用Kruskal-Wallis非參數(shù)檢驗及變異系數(shù)方法,對密云水庫上游流域近50個監(jiān)測點所采集的1376個樣品的水質(zhì)參數(shù)分析發(fā)現(xiàn),這一區(qū)域污染物濃度變化具有顯著的時空差異,且最高值大部分出現(xiàn)在雨季中。通過比較不同水文尺度嵌套式流域的污染物濃度發(fā)現(xiàn),隨著流域面積的增大,總氮(TN)及硝酸鹽(NO3-)的濃度均出現(xiàn)降低的趨勢。NO2-的濃度變化與之相反,有從小尺度到大尺度匯集的趨勢。NH4+可能受點源污染的影響,尺度間變異并不明顯。COD與TOC從小尺度區(qū)域向大尺度區(qū)域遷移過程中存在濃度升高的現(xiàn)象,TOC的這種趨勢更加顯著。總磷(TP)運移過程幾乎不受水文尺度轉(zhuǎn)換影響。 通過對水質(zhì)理化指標進行因子分析發(fā)現(xiàn),對水質(zhì)變異起主導作用的指標隨季節(jié)變化而改變。雨季前基本理化參數(shù)(pH、DO、Temp、COND)對水質(zhì)變異的影響最大,富營養(yǎng)化指標(HN、NO3、NH4+、TP、Chl)次之,耗氧污染物(TOC、COD)的影響最小。雨季中與雨季后富營養(yǎng)化指標對水質(zhì)變異的影響最大,基本理化參數(shù)次之,耗氧污染物的影響最小。TN、NO3是對研究區(qū)水質(zhì)影響最大的兩個水質(zhì)指標。TP的影響程度僅次于TN、N03-,但作為衡量水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵指標,也是非常值得關(guān)注的。 (2)選取景觀組成變量(耕地比例、林地比例、草地比例、城鎮(zhèn)比例)與景觀結(jié)構(gòu)變量(斑塊密度指數(shù)、邊緣密度指數(shù)、聚集度指數(shù))表征人為景觀特征,選取流域面積、平均坡度與河網(wǎng)密度表征自然景觀特征。在子流域、岸邊帶、局部河段三個空間尺度開展了景觀與水質(zhì)關(guān)系的研究。 通過因子分析方法發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)景觀的變異主要是由景觀組成與結(jié)構(gòu)所代表的人為景觀特征造成的,水文變量代表的自然景觀特征對研究區(qū)內(nèi)景觀變異影響較小,空間均質(zhì)性較高。冗余分析(RDA)結(jié)果顯示100 m岸邊帶尺度內(nèi)景觀在不同季節(jié)都具有最大的水質(zhì)變異解釋能力。因此可以認為距河岸100 m內(nèi)的景觀與河流環(huán)境的響應關(guān)系可以代表這 區(qū)域岸邊帶尺度景觀特征對水質(zhì)的影響。局部河段尺度景觀對水質(zhì)的解釋能力明顯小于河岸帶及流域尺度,在研究區(qū)內(nèi)并不適用于預測河流物理化學特征。 采用多元線性回歸與RDA定量分析相結(jié)合的方法探討了景觀因子的重要性程度,研究結(jié)果表明流域面積(DA)對水質(zhì)的影響最大,居民用地(Res)、林地(Forest)及聚集度指數(shù)(CONT)對水質(zhì)影響也較為顯著。研究區(qū)的林果業(yè)較為發(fā)達(板栗種植為主),林地比例與TN、NO3存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。 (3)季節(jié)性水文過程與人為活動的強度對景觀因子與河流環(huán)境的關(guān)系有很大的影響。雨季前景觀對水質(zhì)的影響最弱,雨季中區(qū)域流量最大,農(nóng)業(yè)耕作也最為頻繁,因此這一時段景觀對水質(zhì)的解釋能力也最強,雨季后隨著水位的下降與農(nóng)作物的收獲,景觀對水質(zhì)的影響也減弱,僅略大于雨季前。 偏冗余分析(partial RDA)結(jié)果顯示自然因子與人為因子對水質(zhì)變異的解釋能力也隨季節(jié)變化而發(fā)生改變。雨季前與雨季中二者對水質(zhì)的影響基本相同,雨季后人為因子對水質(zhì)的影響大于另外兩個季節(jié)。景觀結(jié)構(gòu)變量對水質(zhì)變異的解釋能力在各季節(jié)均小于土地利用變量。由于選擇了最具代表性的岸邊帶寬度且這一尺度土地利用結(jié)構(gòu)與流域尺度相差較大,因此岸邊帶尺度景觀對于水質(zhì)的解釋能力要大于流域尺度。 (4)由于受土地利用受人為活動干擾強度、季節(jié)變化以及水質(zhì)指標差異等因素影響,基于高精度數(shù)據(jù)生成的景觀指數(shù)對水質(zhì)的解釋能力并不一定高于低精度指數(shù),應根據(jù)研究區(qū)的特征及研究目標選取不同精度數(shù)據(jù)源。分類系統(tǒng)變化對景觀水質(zhì)關(guān)系的影響要小于數(shù)據(jù)源精度,且這種影響在不同尺度也表現(xiàn)不穩(wěn)定,有隨著尺度減小而增大的趨勢。 在眾多影響因素中樣本數(shù)量的增加對景觀與水質(zhì)關(guān)系的影響最為明顯。采樣點加密方案的RDA分析結(jié)果顯示,自然因子的重要性顯著增強,景觀組成因子中的耕地與林地的重要性也在這一分析中得到體現(xiàn),并且景觀對水質(zhì)影響的季節(jié)性變化更為明顯,但景觀對水質(zhì)的解釋能力出現(xiàn)下降。 通過空間回歸方法分析發(fā)現(xiàn)考慮空間距離權(quán)重因素,確實可以改善景觀對水質(zhì)的預測能力,但是程度有限,其中有效系數(shù)(R2)增加最大的為0.18,最小為0,平均不到0.05。并且這種能力的改善不隨尺度的變化而增加或減小,不具有尺度效應。 研究區(qū)內(nèi)耕地及城鎮(zhèn)用地比例對水質(zhì)影響并沒有明顯的閾值效應。
【學位授予單位】：首都師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：X52;P901

【引證文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 李艷利;徐宗學;劉星才;;渾太河流域氮磷空間異質(zhì)性及其對土地利用結(jié)構(gòu)的響應[J];環(huán)境科學研究;2012年07期

本文編號：2779886