本文關(guān)鍵詞：流溪河流域景觀特征對(duì)河流水質(zhì)的影響及河岸帶對(duì)氮的削減效應(yīng)

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【摘要】：流域水環(huán)境管理中,在點(diǎn)源污染得到較好控制的情況下,土地利用組成與空間布局的調(diào)整和優(yōu)化可有效調(diào)控非點(diǎn)源污染。使探索河流水質(zhì)對(duì)流域景觀特征時(shí)空變異的響應(yīng)及其機(jī)制,成為河流水質(zhì)污染控制基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)之一,對(duì)流域景觀優(yōu)化設(shè)計(jì)與水環(huán)境保護(hù)具有重要意義。氮是陸地水體的重要污染物,相鄰高地的氮經(jīng)地表與地下徑流通過(guò)河岸帶排入水體。河岸帶作為陸地和水體之間的過(guò)渡緩沖帶,是截留轉(zhuǎn)化陸地污染物防止其進(jìn)入水生環(huán)境的最后一道屏障,在控制來(lái)自陸地非點(diǎn)源的氮素過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。因此,研究河岸帶生態(tài)系統(tǒng)對(duì)污染物的去除作用,對(duì)改善河流水質(zhì)和保護(hù)流域生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本文以GIS技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合實(shí)地采樣調(diào)查,使用傳統(tǒng)線性多元統(tǒng)計(jì)與非線性統(tǒng)計(jì)法分析了流域景觀特征對(duì)河流水質(zhì)的影響,并獲得河流水質(zhì)典型污染物種類,在此基礎(chǔ)上,通過(guò)分析河岸帶生態(tài)系統(tǒng)對(duì)該典型污染物的去除作用,來(lái)展示河岸帶生態(tài)系統(tǒng)的重要作用。本文研究的主要內(nèi)容及結(jié)論如下所示:本論文主要得到以下研究結(jié)果與結(jié)論:(1)以廣州市流溪河流域?yàn)檠芯繀^(qū),在水質(zhì)外業(yè)斷面采集的基礎(chǔ)上,采用偏冗余分析(Partial redundancy analysis PRDA)和隨機(jī)森林回歸分析(Random forests regression RFR)等多種統(tǒng)計(jì)分析方法,分析不同景觀變量組與河流水質(zhì)間的關(guān)系,確定各景觀因子對(duì)水質(zhì)的影響和貢獻(xiàn)程度。結(jié)果表明:流域景觀特征從上游到下游表現(xiàn)為城市化遞增的趨勢(shì),水質(zhì)惡化程度與該趨勢(shì)一致。其中,裸露地對(duì)水質(zhì)的影響作用最強(qiáng),其次是建設(shè)用地,兩者間對(duì)水質(zhì)變化起負(fù)效應(yīng),而林地與水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系表現(xiàn)為負(fù)相關(guān),園地與水質(zhì)指標(biāo)關(guān)系不明顯;在所有景觀特征變量中,景觀組成對(duì)水質(zhì)的作用最明顯,其對(duì)水質(zhì)空間變異的解釋貢獻(xiàn)率占總解釋方差的20.7%;其次是自然景觀因子和景觀格局指數(shù),其值分別為8.1%和4.3%。與傳統(tǒng)的線相關(guān)分析相比,偏冗余分析結(jié)合隨機(jī)森林回歸的非線性統(tǒng)計(jì)方法能夠起到更高的降維作用,兩者的結(jié)合是研究流域景觀指標(biāo)與水質(zhì)關(guān)系的有效途徑之一。(2)以廣州市水源地流溪河為研究對(duì)象,在子流域尺度及30m、61m、100m、200m及300m河岸緩沖尺度中,通過(guò)冗余分析(RDA)篩選對(duì)水質(zhì)空間變異解釋力最佳的寬度,同時(shí)獲得對(duì)水質(zhì)影響最顯著的景觀變量組;利用CART模型進(jìn)行的變化點(diǎn)分析篩選對(duì)單一水質(zhì)指標(biāo)影響最大的景觀因子,確定沿流域景觀梯度變化引起水質(zhì)突變的景觀閾值.結(jié)果表明:整體來(lái)看,河岸緩沖尺度對(duì)水質(zhì)的影響要大于子流域尺度,且200m緩沖區(qū)尺度的景觀因子對(duì)水質(zhì)空間變異的解釋力最大;在各尺度的景觀特征中,裸露地面積比(bar%)是對(duì)水質(zhì)影響最重要的景觀因子.另一方面,在200m緩沖區(qū)尺度中,bar%、建設(shè)用地面積比(con%)及建設(shè)用地最大斑塊指數(shù)(lpicon)是影響水質(zhì)中tp、cod及nh4+空間變異的最主要景觀變量;且當(dāng)con%15~23%、bar%0.8~1.4%及l(fā)pico5.0%~6.6%時(shí)會(huì)分別加重河流中cod、tp及nh4+的污染負(fù)荷。(3)以廣州市水源地流溪河二級(jí)支流的河岸帶為研究對(duì)象,分析流域多尺度環(huán)境因子對(duì)河岸帶土壤理化性質(zhì)的影響,確定調(diào)控河岸帶土壤理化性質(zhì)的不同尺度景觀因子,為河岸帶管理和修復(fù)提供參考和科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明:河岸帶流域縱向尺度上的地形指數(shù)、坡度、海拔、土地利用類型等因子是影響土壤水分含量、土壤質(zhì)地及ph等性質(zhì)的主要因素;河岸帶橫向斷面尺度上距河邊遠(yuǎn)近不同的景觀位置及植被覆蓋度等因子是影響土壤可溶性有機(jī)碳、土壤硝態(tài)氮及土壤容重等性質(zhì)的主要因素;河岸帶垂直剖面尺度上人為活動(dòng)對(duì)土壤干擾強(qiáng)度大小、剖面根系分布情況及地下水位高低等因子是影響土壤有機(jī)碳、總氮及氨氮等性質(zhì)的主要因素。(4)以廣州市水源地流溪河二級(jí)支流的河岸帶為研究對(duì)象,分析嵌套結(jié)構(gòu)的多尺度因素對(duì)河岸帶土壤反硝化作用的影響,確定調(diào)節(jié)河岸帶土壤反硝化酶活性的不同尺度控制因素。結(jié)果表明:以土壤反硝化酶活性表征的反硝化潛力,其在研究區(qū)內(nèi)的剖面尺度空間變異性顯著大于斷面尺度和流域景觀尺度;反硝化酶活性的空間變異受多尺度因子的作用,其中剖面尺度中土壤有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮等因子對(duì)其空間分布起主要的直接控制作用,而斷面尺度的景觀位置、植被密度與流域景觀尺度的地形指數(shù)、高程及土地利用類型等因子通過(guò)影響土壤性質(zhì)而間接調(diào)控反硝化酶的空間分異性;研究區(qū)的反硝化酶活性在剖面尺度中表層最高,隨著深度增加呈急劇減小的趨勢(shì);斷面尺度中活性值最高位于河岸區(qū)中間的景觀位置,因該位置具有良好的景觀連接性和較高的植被密度;流域景觀尺度中,除受人為擾動(dòng)嚴(yán)重城市化地區(qū)外,河岸帶土壤反硝化酶活性沿流域從上游至下游呈不斷增加的趨勢(shì)。(5)以廣州市水源地流溪河二級(jí)支流的河岸帶為研究對(duì)象,分析河岸帶淺層地下水對(duì)氮素的去除作用,確定主要作用機(jī)理,探討主要影響因素。本研究結(jié)果表明,所研究區(qū)的河岸帶對(duì)來(lái)自高地地下水硝酸鹽有很好的削減作用,可較好的起到對(duì)河流水質(zhì)保護(hù)的作用,去除機(jī)理主要是反硝化作用,影響該機(jī)理的直接因素有地下水中氮源、碳源及氧氣的供給情況,間接因素有縱向景觀尺度的表征水文地質(zhì)的含水層厚度、土地利用類等環(huán)境因子,及代表橫向尺度因子的景觀位置、河岸帶寬度環(huán)境因子。三個(gè)斷面的兩個(gè)寬度的河岸帶均顯示了明顯的對(duì)地下水硝酸鹽的去除效果,其中,去除率最高的主要位于可提供豐富硝態(tài)氮的耕地用地類型的樣地D2,其在23m與10m寬度的去除率均超過(guò)90%,顯著高于其他樣地;而出去率相對(duì)最低的位于林地背景的用地類型為菜地的樣地D4,23m寬的去除率只有53%;在不考慮河岸區(qū)地下水硝氮輸入濃度的差異時(shí),23m寬的河岸帶硝氮去除率要高于10m寬的。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(廣州地球化學(xué)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：X52;P901
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本文編號(hào)：1258339