北方半干旱区土地利用/覆被变化对湖泊水质的影响:以岱海流域为例(2000—2018年)

土地利用/覆被变化对明晰气候变化和人类活动对湖泊水环境的影响有重要作用.以北方典型农牧交错的岱海流域为研究对象,基于遥感解译技术、马尔可夫转移矩阵、综合污染指数法等方法,对2000-2018年岱海流域土地利用/覆被和湖泊水质的变化进行分析,并结合冗余分析法和计量分析模型探究长时间序列尺度下土地利用/覆被变化对湖泊水质的影响.结果表明:近20年来,岱海流域的土地利用/覆被类型以耕地和草地为主,其变化特征主要是草地和林地转化为耕地,水域转化为季节性河流,岱海转化为内陆滩涂、沼泽草地和灌丛沼泽;岱海湖泊水质因子高锰酸盐指数、五日生化需氧量、总磷和总氮浓度存在不同程度的超标现象;岱海、湿地、林地对水质具有积极的改善作用,耕地、草地、建设用地是加剧水质污染的主要原因.该研究为岱海湖泊流域土地资源合理利用、湖泊水质改善和生态保护提供了一定的科学理论依据.     

太湖上游水源区河流水质对景观格局变化的响应关系——以东苕溪上游为例

景观格局演变作为人类活动的综合表征,通过改变水文过程和径流路径,从而影响非点源污染物的发生位置、迁移路径和转化过程,进而对流域水环境产生深刻影响.苕溪作为太湖的主要入湖河流之一,对太湖水环境有着关键的影响作用.本文以发源于杭州市临安区太湖源镇的东苕溪上游区域作为研究对象,在对河流水质进行两个时期监测的基础上,运用相关性分析、冗余分析和逐步回归分析等方法,综合景观组分指数和景观空间配置指数,在子流域尺度上量化景观指数对河流不同水质指标的解释能力,探讨河流水质对流域景观格局的响应规律.结果表明:1)东苕溪上游大部分监测点总氮浓度远超地表水V类水质标准限值,但氨氮和总磷浓度整体较低,部分监测点可达Ⅰ类水质标准.2)在汛期,景观组成中流域的"源"景观比例是影响水质的重要因素,农业用地占比与硝态氮、总氮浓度呈显著正相关,建设用地占比对氨氮、总磷浓度影响显著;而在非汛期,景观配置因子,特别是表征斑块形状的周长—面积分形维数(PAFRAC)对河流水质的影响极显著.3)无论是汛期还是非汛期,林地和草地对河流中污染物均具有显著的削减作用,是流域河流污染防治的关键"汇"景观.4)从整体上来看,河流氮、磷污染与人类活动强度密切相关,增加景观连通性、降低自然景观的破碎化程度可有效改善河流水环境.     

城镇化下河流水质变化及其与景观格局关系分析——以太湖流域苏州市为例

以河流近域景观格局与水环境质量间的关系为研究对象,基于2001年及2010年两期土地利用类型以及7条典型河流的溶解氧、氨氮、高锰酸盐指数、总磷、总氮5项水质指标,分析城镇化下苏州市河流水质与景观格局之间的关系及其变化规律.结果表明:(1)苏州市河流水质状况总体较差,但呈现一定的好转趋势.(2)河流水质受到城镇用地、旱地及水田的综合影响,并表现出尺度效应.其中城镇用地与旱地对河流水质恶化具有明显的作用,水田则反之.2001-2010年城镇用地及水田对水质的影响程度有所减弱,旱地则增强.(3)蔓延度指数、最大面积斑块比例对河流水质呈现负相关,斑块数量、斑块密度、香农均匀度指数、香农多样性指数则与水质呈现正相关.景观格局对于水质的影响在大范围缓冲区更为显著.研究结果可为苏州水环境管理及太湖流域城市空间开发提供一定的参考依据.     

土地利用结构与景观格局对鄱阳湖流域赣江水质的影响

于2015年1月和7月采集赣江干流及支流34个采样点水样,测定电导率、水化学离子、无机氮等水质指标.利用赣江流域2014年30 m分辨率的土地利用数据,以流域景观类型占比表征土地利用结构,景观指数表征景观格局;采用Pearson相关分析、Bioenv分析、Mantle检验与方差分解等方法分析流域土地利用结构与景观格局对赣江水质的影响.结果表明:上游Cl~-、Na~+浓度最高,中游电导率、Cl~-、Na~+、K~+、Ca~(2+)等水质指标最低,下游电导率、HCO_3~-、SO_4~(2-)、Mg~(2+)、Ca~(2+)、NO_3~--N等水质指标最高.居民建设用地是对水质影响最显著的单一土地利用类型.林地、水田与居民建设用地是对水质影响最显著的土地利用类型组合.平均最近邻体指数是对水质影响最显著的单一景观指数,斑块个数、斑块聚集度指数、平均最近邻体指数是对水质影响最显著的景观指数组合.枯水期土地利用结构和景观格局对水质的贡献率分别为41.1%和17.2%,景观格局对水质的贡献率(17.2%)均为和土地利用结构的交互作用,无独立贡献部分;丰水期二者对水质贡献率分别为51%、53%,交互作用部分为37%.以上结果表明,土地利用结构与景观格局都对赣江水质有较大影响,二者的交互作用在该影响中占有重要地位,且枯水期景观格局对水质的影响涵盖在与土地利用结构的交互作用中.     

黄河流域多时空尺度土地利用与水质的关系

为探究不同时空尺度土地利用与水质的相互关系,以黄河流域为研究对象,基于2018年河流水质与土地利用数据,提取3种空间尺度(1000 m河段缓冲区、500 m河岸带缓冲区、子流域)的景观格局指数,结合4个季节河流水质指标,采用冗余分析方法定量探讨土地利用对河流水质的多时空尺度影响,获得水质资源管理最有效的时空尺度.结果表明:(1)在3种空间尺度下,耕地和草地占比最大.斑块密度(PD)在1000 m河段缓冲区尺度下更大,香农多样性指数(SHDI)在3种空间尺度下变化不大;(2)水质指标季节性和空间性存在显著差异,夏季水质优于冬季;(3)土地利用在夏季和1000 m河段缓冲区尺度下对水质影响最显著;(4)不同景观格局指数对河流水质产生的影响不同,耕地面积占比和林地面积占比、未利用地面积占比和SHDI对水质影响最为显著,除了耕地面积占比和PD值的增加会导致水质下降外,其余土地利用指数在大多数时空尺度下均可改善水质.该研究基于不同的时空尺度对土地利用与水质的关系进行定量研究,为合理规划土地资源提供参考,从而保护流域水质安全.     

考虑空间尺度效应的云南异龙湖流域主要入湖河流污染源解析

定量解析污染源对水质影响的贡献是水环境精细化管理的重要基础。目前多通过水质和土地利用类型的关系以解析水体污染源的研究,忽略了空间尺度的差异性,引发景观配置不合理的后果。为此,本研究依据考虑空间尺度效应的污染源解析方法,基于异龙湖流域3条主要入湖河流的入湖口监测断面对雨季和旱季的水质数据进行研究。同时利用绝对主成分—多元线性回归模型(APCS-MLR)和bioenv分析揭示河道不同尺度缓冲区的土地利用变化对水质的影响并解析河流主要污染源。研究结果表明:(1)异龙湖主要入湖河流水质表现出季节性差异,旱季期间3条主要入湖河流的浊度、化学需氧量(COD_Cr)、氨氮(NH₃-N)、总磷(TP)和总氮(TN)浓度平均值相比于雨季减幅分别为39.53%、39.93%、94.48%、38.29%和1.72%。其中,入湖河流水体中的TN在旱季和雨季的超标率分别为58%和74%,成为首要污染物;(2)在旱季,20 m缓冲区尺度内河流水质受耕地和裸地占比影响较大,随着空间尺度的扩大,至50～300 m缓冲区尺度时建设用地、林地及水体占比对水质的影响增加;在雨季,C...     

典型网状河网区域土地利用和景观格局对地表季节水质的影响——以江苏省溧阳市为例

地表水质受区域景观组成及其空间配置的影响较大,了解景观特征与水质之间的关系可以极大地提高潜在污染的可预测性和污染物输出的评估能力. 以典型网状河网区域(江苏省溧阳市)为例,研究了土地利用和景观格局特征对地表季节水质的影响. 本研究基于2017年每单月从12个监测断面收集的21个水质指标,首先分析了多尺度缓冲区(500、1000、1500、2000、2500和3000 m)内土地利用和景观格局特征,然后通过主成分分析选取12个指标作为主要水质因子,采用冗余分析确定景观因子对水质指标的最佳影响尺度,最后采用偏最小二乘回归(PLSR)探究了最佳影响尺度下景观因子对季节水质的影响. 结果表明,2500 m缓冲区是该区域景观因子对水质指标的最佳影响尺度,旱季大多数水质指标PLSR模型的显著性和预测能力比雨季强. 雨季大多数水质指标都受园地、林草地、散布与并列指数(IJI)和香农均匀度指数(SHEI)的重要影响,并且这些景观因子与除pH和溶解氧浓度之外的其他水质指标均呈负相关. 在旱季,溶解氧、石油类、化学需氧量、总氮和总磷浓度受土地利用的影响最大; 另外,IJI是电导率、硫酸盐和亚硝酸盐氮浓度的最重要影响因子,而SHEI对硫化物和总悬浮物浓度的影响最大. 此外,景观指数对雨季水质的影响更大. 本研究结果揭示了网状河网区域土地利用/景观格局与季节性水质的关系,为区域水环境管理和景观格局优化提供了科学依据.     

干旱区绿洲两种典型的LUCC过程与驱动力对比分析——以天山北坡三工河流域为例

根据三工河流域绿洲1978,1987年航片、1998年TM影像以及土壤、水文与社会经济资料,综合运用遥感、GIS、土地利用/覆被变化(LUCC)指数模型、Logistic逐步回归模型及所提出的因子加权和指标,分析表征影响因子对区域土地利用空间格局的影响程度,比较小规模家庭承包和大规模农场耕作的两种典型土地经营模式下的LUCC过程和驱动力.耕地、草地控制全区土地利用的基本格局,耕地、城镇村工矿用地面积逐年增加,家庭经营区林草地面积均大幅度减少,而农场经营区仅草地有所减少(减幅12.0%),林地却增加了(增幅13.7%);研究区前期(1978～1987年)土地利用变化比后期(1987～1998年)剧烈,家庭经营区土地利用变化比农场经营区剧烈.政策是土地利用变化的决定性因素,水资源是土地利用的先决条件,在政策的宏观控制和水资源的约束下,全区土地利用变化的主要驱动因素为人口和经济,主要的限制因素为土壤肥力和地下水埋深;家庭经营区人为驱动占主导地位,农场经营区自然因素的限制作用更加突出.影响因子波动越大的区域或时段,其土地利用的变化也越显著.     

干旱区绿洲两种典型的LUCC过程与驱动力对比分析——以天山北坡三工河流域为例

根据三工河流域绿洲1978,1987年航片、1998年TM影像以及土壤、水文与社会经济资料,综合运用遥感、GIS、土地利用/覆被变化(LUCC)指数模型、Logistic逐步回归模型及所提出的因子加权和指标,分析表征影响因子对区域土地利用空间格局的影响程度,比较小规模家庭承包和大规模农场耕作的两种典型土地经营模式下的LUCC过程和驱动力.耕地、草地控制全区土地利用的基本格局,耕地、城镇村工矿用地面积逐年增加,家庭经营区林草地面积均大幅度减少,而农场经营区仅草地有所减少(减幅12.0%),林地却增加了(增幅13.7%);研究区前期(1978～1987年)土地利用变化比后期(1987～1998年)剧烈,家庭经营区土地利用变化比农场经营区剧烈.政策是土地利用变化的决定性因素,水资源是土地利用的先决条件,在政策的宏观控制和水资源的约束下,全区土地利用变化的主要驱动因素为人口和经济,主要的限制因素为土壤肥力和地下水埋深;家庭经营区人为驱动占主导地位,农场经营区自然因素的限制作用更加突出.影响因子波动越大的区域或时段,其土地利用的变化也越显著.     

干旱区绿洲两种典型的LUCC过程与驱动力对比分析——以天山北坡三工河流域为例

根据三工河流域绿洲1978,1987年航片、1998年TM影像以及土壤、水文与社会经济资料,综合运用遥感、GIS、土地利用/覆被变化(LUCC)指数模型、Logistic逐步回归模型及所提出的因子加权和指标,分析表征影响因子对区域土地利用空间格局的影响程度,比较小规模家庭承包和大规模农场耕作的两种典型土地经营模式下的LUCC过程和驱动力.耕地、草地控制全区土地利用的基本格局,耕地、城镇村工矿用地面积逐年增加,家庭经营区林草地面积均大幅度减少,而农场经营区仅草地有所减少(减幅12.0%),林地却增加了(增幅13.7%);研究区前期(1978～1987年)土地利用变化比后期(1987～1998年)剧烈,家庭经营区土地利用变化比农场经营区剧烈.政策是土地利用变化的决定性因素,水资源是土地利用的先决条件,在政策的宏观控制和水资源的约束下,全区土地利用变化的主要驱动因素为人口和经济,主要的限制因素为土壤肥力和地下水埋深;家庭经营区人为驱动占主导地位,农场经营区自然因素的限制作用更加突出.影响因子波动越大的区域或时段,其土地利用的变化也越显著.     

The influence of land use patterns on water quality at multiple spatial scales in a river system

The influence of land use patterns on water quality in a river system is scale‐dependent. In this study, a four‐order hierarchical arrangement method was used to select water sampling sites and to delineate sub‐basins in the Daliao River Basin, China. The 20 sub‐basins were classified into four spatial scales that represented four different stream orders. Pearson correlation analysis was used to quantify relationships between land use composition and the river's physical‐chemical variables for all samples collected. This analysis showed that the presence of forest cover was associated with higher water quality at the scale of the whole basin. The scale effects of land use patterns on water quality were then examined using stepwise multiple regression analysis that compared different land use types with water quality variables. The results from this analysis showed that urban areas, as opposed to forest areas, became the most significant contributors of water pollutants when scale effects were considered. The influence of urban land cover on water pollution was significantly higher at larger scales. The lack of a significant regression correlation for the forest land use type at smaller scales revealed that forest located upstream of the Daliao River Basin did not provide a buffer for improved water quality. Further analysis showed that this result could be because of disproportionate spatial distributions for forest and urban land use types. The topographic characteristics of sub‐basins, such as average slope (S) and size (A), were determined to be secondary explanatory variables that affected land use impacts on stream water quality. Areas with steep slopes were associated with increased water oxygenation, whereas areas with flatter slopes were associated with higher concentrations of pollutants. These results are significant because they can provide a better understanding of the appropriate spatial scale required for effective river basin management in the future. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

Opportunities and challenges of the Sponge City construction related to urban water issues in China

Waterlogging is one of the major water issues in most cities of China and directly restricts their urbanization processes. The construction of Sponge City is an effective approach to solving the urban water issues, particularly for the waterlogging. In this study, both the urban issues emerged at the stage of rapid urbanization in China and the demands as well as problems of Sponge City construction related with the water issues were investigated, and the opportunities and challenges for the Sponge City construction in the future were also proposed. It was found that the current stormwater management focused on the construction of gray infrastructures (e.g., drainage network and water tank) based on the fast discharge idea, which was costly and hard to catch up with the rapid expansion of city and its impervious surface, while green infrastructures (e.g., river, lake and wetland) were ignored. Moreover, the current construction of Sponge City was still limited to low impacted development (LID) approach which was concentrated on source control measures without consideration of the critical functions of surrounding landscapes (i.e., mountain, river, wetland, forest, farmland and lake), while application of the integrated urban water system approach and its supported technologies including municipal engineering, urban hydrology, environmental science, social science and ecoscape were relatively weak and needed to be improved. Besides, the lack of special Sponge City plan and demonstration area was also a considerable problem. In this paper, some perspectives on Good Sponge City Construction were proposed such as the point that idea of urban plan and construction should conform to the integral and systematic view of sustainable urban development. Therefore, both the basic theoretical research and the basic infrastructure construction such as monitoring system, drainage facility and demonstration area should be strengthened, meanwhile, the reformation and innovation in the urban water management system and the education system should also be urgently performed. The study was expected to provide a deeper thinking for the current Sponge City construction in China and to give some of suggestions for the future directions to urban plan and construction, as well as urban hydrology discipline.     

Ecological water quality analysis of the Guayas river basin (Ecuador) based on macroinvertebrates indices

The Guayas river basin is one of the major watersheds in Ecuador, where increasing human activities are affecting water quality and related ecosystem services. The aims of this study were (1) to assess the ecological water quality based on macroinvertebrate indices and (2) to determine the major environmental variables affecting these macroinvertebrate indices. To do so, we performed an integrated water quality assessment at 120 locations within the river basin. Biological and physical–chemical data were collected to analyze the water quality. Two biotic indices were calculated to assess the water quality with an ecological approach: the Biological Monitoring Working Party Colombia (BMWP-Col) and the Neotropical Low-land Stream Multimetric Index (NLSMI). Both the BMWP-Col and NLSMI indicated good water quality at the (upstream) forested locations, lower water quality for sites situated at arable land and bad water quality at residential areas. Both indices gave relevant assessment outcomes and can be considered valuable for supporting the local water management. A correspondence analysis (CA) applied on both indices suggested that flow velocity, chlorophyll concentration, conductivity, land use, sludge layer and sediment type were the major environmental variables determining the ecological water quality. We also suggested that nutrient and pesticide measurements are important to study water quality in the area where intensive agriculture activities take place. The nutrient levels detected in agricultural areas were relatively low and illustrated that the types of crops and the current cultivation methods were not leading to eutrophication. The applied methods and results of this study can be used to support the future water management of the Guayas river basin and similar basins situated in the tropics.     

邛海入湖河流水质及其湖区响应特征(2011—2021年)

邛海是云贵高原水域面积>25 km²的11个天然湖泊之一。基于邛海入湖河流与湖区水质监测数据,揭示入湖河流水质特征,并探究其湖区响应。结果表明:2021年,邛海入湖河流水质空间异质性显著,且分为自然型、农业型和城镇型3种类型河流。官坝河等3条自然型河流水质优良,而高仓河等8条城镇型和农业型河流(R4～R11)水质较差,污染物浓度超标严重。2011—2021年,邛海主要入湖河流(官坝河、鹅掌河、小青河)的营养盐浓度呈下降或先增加后下降趋势,水质逐渐改善。流域土地利用变化是导致邛海入湖河流水质空间异质性的主要因素,同时也是河流水质在2011—2021年改善的原因之一。受湖泊水文环境与入湖河流污染类型影响,2017—2021年邛海湖区水环境及其与河流水质响应关系差异性明显:高枧湾水域(L5)水深浅、水环境容量小,主要受纳城镇污水,因而湖区营养盐与叶绿素a浓度高,在2021年达富营养状态;官坝河、鹅掌河与小青河入湖影响区(L1～L3)与小渔村(L4)水域湖水深、水环境容量大,污染物浓度与营养状态指数低,但因汇入的河流污染类型不同,湖区营养水平与河流水质响应存在季节性...     

南四湖流域1980-2015年土地利用变化及其对流域生境质量的影响

生境质量在一定程度上决定了区域生物多样性维持能力的高低,评估区域生境质量对土地利用/覆被变化的响应,可以间接衡量区域生物多样性维持功能的时空变化,为生物多样性保护提供定量参考.本文以南四湖流域为例,运用InVEST-Habitat Quality模型模拟评价1980-2015年流域生境质量的时空变化,定量评估湖区退耕还湿还林和丘陵地区退耕还林2种政策情景对区域生境质量改善的效果.结果表明：35 a间流域耕地、林地和草地大量转化为建设用地,城市建设用地增长40.23%,湖泊面积减少35.56%,主要转化为渔业坑塘;南四湖流域整体生境质量处于较低水平,近35 a来快速发展的工农业生产和不断扩张的城市用地使得流域生境质量呈现降低趋势,当前平均生境质量为历年最低（0.20）.环境保护力度和人类活动剧烈程度的差异导致生境质量在空间上呈现出西部平原区（0.19） < 东部丘陵山区（0.44） < 南四湖湖区（0.81）的分布特征.近35 a来生境稀有度（即生境保存完整性指数）较高的区域主要是湖区主体和流域东部丘陵山区,但部分边缘湖区生境稀有度指数却极低,受人类活动干扰剧烈,主要原因在于沿湖渔业养殖和农业活动.定量评估湖区退耕还林还湿和流域丘陵旱地退耕还林2种政策情景对生境质量的改善效果,结果表明湖区退耕还湿还林能使湖区生境质量上升9.21%,而丘陵旱地退耕还林可使流域平均生境质量提高16.75%.     

云南星云湖水质变化及其人文因素驱动力分析

星云湖目前存在水污染加重、富营养化进程加快、水体功能受损等问题.以星云湖为研究对象,根据星云湖2005-2015年的水质数据、社会经济统计数据和遥感影像图,运用目视解译、叠加分析、污染足迹模型及主成分分析法,分析了星云湖流域近10年以来水质变化趋势、入湖河流污染物污染足迹及其人文因素驱动力.结果表明:(1)水质数据趋势表明,从月变化看,3月份水质最好,9月份水质最差;从年变化看,2005-2015年间,2008年水质状况最好,2014年的水质状况最差,从2008-2014年水质持续变差,到2015年好转.(2)2015年有机物、氮和磷的污染足迹分别为583.26、705.88和494.11 km~2.污染足迹前4位的入湖河流依次为:大街河东西大河东河渔村河东西大河西河,占星云湖流域总污染足迹的66.21%.污染程度大的大街河、东西大河和渔村河周边土地利用类型为水田、旱地和村庄.(3)星云湖水质影响因素第1主成分(总人口、播种面积、农村人口、化肥使用量、农膜使用量、大牲畜存栏量)与农村生活和农业面源污染有关;第2主成分(人均GDP、第一产业产值、第二产业产值、第三产业产值)与社会经济发展有关.因此,星云湖流域水质变化的人文因素驱动力为农村生活和农业面源污染类和社会经济发展类,其中第1主成分的贡献率是84.389%,农村生活和农业面源污染是水质变化的主要驱动力.