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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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基于生物多样性保护的兴安落叶松与白桦最佳混交比例要要要以阿尔山林区为例
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中国能源消费碳排放的时空特征 舒娱琴 渊源怨缘园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土丘陵沟壑区坡面尺度土壤水分空间变异及影响因子 姚雪玲袁傅伯杰袁吕一河 渊源怨远员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
新疆艾比湖流域土壤有机质的空间分布特征及其影响因素 王合玲袁张辉国袁秦摇 璐袁等 渊源怨远怨冤噎噎噎噎噎噎
雅鲁藏布江山南宽谷风沙化土地土壤养分和粒度特征 李海东袁沈渭寿袁邹长新袁等 渊源怨愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎
一株溶藻细菌对海洋原甲藻的溶藻效应 史荣君袁黄洪辉袁齐占会袁等 渊源怨怨猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
砷形态对黑藻和竹叶眼子菜有机酸含量的影响 钟正燕袁王宏镔袁王海娟袁等 渊缘园园圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
七项河流附着硅藻指数在东江的适用性评估 邓培雁袁雷远达袁刘摇 威袁等 渊缘园员源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
杭州湾滨海湿地不同植被类型沉积物磷形态变化特征 梁摇 威袁邵学新袁吴摇 明袁等 渊缘园圆缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
剪形臂尾轮虫形态的时空变化及其与生态因子间的关系 葛雅丽袁席贻龙袁马摇 杰袁等 渊缘园猿源冤噎噎噎噎噎噎噎
太湖流域河流水质状况对景观背景的响应 周摇 文袁刘茂松袁徐摇 驰袁等 渊缘园源猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
荒漠植物白刺属 源 个物种的生殖分配比较 李清河袁辛智鸣袁高婷婷袁等 渊缘园缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
臭氧浓度升高对香樟叶片光合色素及抗过氧化的影响及其氮素响应 牛俊峰袁张巍巍袁李摇 丽袁等 渊缘园远圆冤噎噎
不同密度下凤仙花重要形态性状与花朵数的关系 田旭平袁常摇 洁袁李娟娟袁等 渊缘园苑员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
五种高速公路边坡绿化植物的生理特性及抗旱性综合评价 谭雪红袁高艳鹏袁郭小平袁等 渊缘园苑远冤噎噎噎噎噎噎
散孔材与环孔材树种枝干尧叶水力学特性的比较研究 左力翔袁李俊辉袁李秧秧袁等 渊缘园愿苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎
北京城区行道树国槐叶面尘分布及重金属污染特征 戴斯迪袁马克明袁宝摇 乐 渊缘园怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
南亚热带米老排人工林碳贮量及其分配特征 刘摇 恩袁 刘世荣 渊缘员园猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
植物生活史型定量划分及其权重配置方法要要要以四棱豆生活史型划分为例 赵则海 渊缘员员园冤噎噎噎噎噎噎噎
半干旱区湿地鄄干草原交错带边界判定及其变化 王摇 晓袁张克斌袁杨晓晖袁等 渊缘员圆员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
氮肥运筹对晚播冬小麦氮素和干物质积累与转运的影响 吴光磊袁郭立月袁崔正勇袁等 渊缘员圆愿冤噎噎噎噎噎噎噎
氮肥形态对冬小麦根际土壤氮素生理群活性及无机氮含量的影响 熊淑萍袁车芳芳袁马新明袁等 渊缘员猿愿冤噎噎噎
基于数字相机的冬小麦物候和碳交换监测 周摇 磊袁何洪林袁孙晓敏袁等 渊缘员源远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
黄土高原半湿润区气候变化对冬小麦生长发育及产量的影响 姚玉璧袁王润元袁杨金虎袁等 渊缘员缘源冤噎噎噎噎噎
基于土地破坏的矿区生态风险评价院理论与方法 常摇 青袁邱摇 瑶袁谢苗苗袁等 渊缘员远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于生态位的山地农村居民点适宜度评价 秦天天袁齐摇 伟袁李云强袁等 渊缘员苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
氯虫苯甲酰胺对黑肩绿盲蝽实验种群的影响 杨摇 洪袁王摇 召袁金道超 渊缘员愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎远 种植物次生物质对斜纹夜蛾解毒酶活性的影响 王瑞龙袁孙玉林袁梁笑婷袁等 渊缘员怨员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
云南元江芒果园桔小实蝇成虫日活动规律及空间分布格局 叶文丰袁李摇 林袁孙来亮袁等 渊缘员怨怨冤噎噎噎噎噎噎
重庆市蝴蝶多样性环境健康指示作用和环境监测评价体系构建 邓合黎袁马摇 琦袁李爱民 渊缘圆园愿冤噎噎噎噎噎
专论与综述
生态系统服务竞争与协同研究进展 李摇 鹏袁姜鲁光袁封志明袁等 渊缘圆员怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
中国沿海无柄蔓足类研究进展 严摇 涛袁黎祖福袁胡煜峰袁等 渊缘圆猿园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
冰雪灾害对森林的影响 郭淑红袁薛摇 立 渊缘圆源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同干扰因素对森林和湿地温室气体通量影响的研究进展 杨摇 平袁仝摇 川 渊缘圆缘源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
采石场废弃地的生态重建研究进展 杨振意袁薛摇 立袁许建新 渊缘圆远源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
基于地统计学和 悦云陨样地的浙江省森林碳空间分布研究 张摇 峰袁杜摇 群袁葛宏立袁等 渊缘圆苑缘冤噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿源源鄢扎澡鄢孕鄢 预 苑园郾 园园鄢员缘员园鄢猿远鄢圆园员圆鄄园愿
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封面图说院 秋色藏野驴群要要要秋天已经降临在海拔 源圆园园 多米的黄河源区袁红色的西伯利亚蓼渊生于盐碱荒地或砂质含盐碱土
壤冤铺满大地袁间有的高原苔草也泛出了金黄袁行走在上面的藏野驴们顾不上欣赏这美丽的秋色袁只是抓紧时间在严
冬到来之前取食袁添肥增膘以求渡过青藏高原即将到来的漫长冬天遥
彩图提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援 糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援 糟燥皂
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第 32 卷第 16 期
2012 年 8 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 16
Aug. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家林业局林业公益性行业科研专项(200904001); 国家自然科学基金资助项目(30870433,40801068);国家水体污染控制与治理科
技重大专项(2009ZX07318鄄001)
收稿日期:2011鄄10鄄31; 摇 摇 修订日期:2012鄄03鄄26
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: msliu@ nju. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201110311624
周文,刘茂松,徐驰,何舸,王磊,杨雪姣.太湖流域河流水质状况对景观背景的响应.生态学报,2012,32(16):5043鄄5053.
Zhou W, Liu M S, Xu C, He G, Wang L, Yang X J. Response of river water quality to background characteristics of landscapes in Taihu Lake basin. Acta
Ecologica Sinica,2012,32(16):5043鄄5053.
太湖流域河流水质状况对景观背景的响应
周摇 文1,2,刘茂松1,*,徐摇 驰1,何摇 舸3,王摇 磊4,杨雪姣1
(1. 南京大学生命科学学院, 南京摇 210093; 2. 江苏省城市规划设计研究院,南京摇 210036;
3. 中国城市规划设计研究院深圳分院, 深圳摇 518040; 4. 江苏省林业科学研究院, 南京摇 211153 )
摘要:为探索流域水质对景观背景的响应,以太湖流域为研究对象,在 0. 5—24 km 共 9 个尺度上运用冗余分析研究了土地利
用、河网密度、降水量、地形等景观背景因子与河流水化学指标的关系。 结果表明:2006—2010 年太湖流域河流水质状况总体
较差,但整体有逐渐改善的趋势,超标水质指标主要包括总磷(TP)、氨氮(AN)、生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)和溶解
氧(DO),上游地区主要表现为林区和平原水网区的差异,下游地区主要表现为河段上下游间的差异。 河流水质受到多种景观
背景因子的综合影响,并表现出尺度依赖性和区位差异性。 AN、TP、DO在流域上游与聚落用地正相关,在下游则与耕地、河网
密度正相关。 COD、BOD在流域上游主要与自然湿地负相关,与人工湿地正相关,在下游则与坡度负相关,与河网密度正相关。
总方差贡献率在上下游表现出一致的尺度依赖特征,均在较小(0. 5—1 km)和较大(16 km)两个尺度上具有较高的解释能力。
自然湿地和坡度,河网密度和耕地分别为上游、下游地区在较小和较大尺度上解释能力最高的景观因子。
关键词:河流水质;景观因子;土地利用;多尺度分析;冗余分析
Response of river water quality to background characteristics of landscapes in
Taihu Lake basin
ZHOU Wen1,2, LIU Maosong1,*, XU Chi1, HE Ge3, WANG Lei4, YANG Xuejiao1
1 School of Life sciences, Nanjing University, Nanjing 210093, China
2 Jiangsu Institute of Urban Planning and Design,Nanjing 210036,China
3 China Academy of Urban Planning and Design Shenzhen, Shenzhen 518040, China
4 Jiangsu Academy of Forestry, Nanjing 211153, China
Abstract: Taihu Lake basin is one of the most populous regions in China, with high urbanization and economic
development. This area has faced serious water environmental problems since the 1980忆 s as the amount of pollutants
produced and discharged into the rivers and lakes have increased. Non鄄point source pollution—mainly caused by land use
and land cover change—is considered the most important cause of this contamination. Most earlier work researching the
relationship between rivers and the landscapes through which they flow in this area simply focused on the impact of land use
on water quality at a single spatial scale, and lacked a consideration of natural factors such as geography and climate
conditions. To explore the response of water quality to background characteristics of landscapes at a watershed scale, we
examined the correlation of 9 landscape factors characterizing land use, stream density, precipitation, and topography with 5
water chemistry indicators of the rivers in Taihu Lake basin. Using redundancy analysis, correlations were conducted at 9
spatial scales from 0. 5 km to 24 km, respectively. The results show an overall poor status for the water quality of the rivers,
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but with an improving trend. The indicators with concentrations exceeding the national standard include total phosphorus
(TP), ammonia nitrogen (AN), biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD), and dissolved
oxygen (DO). Water quality also varies significantly by location: in the upstream basin, apparent differences are observed
between the plains areas with dense stream networks and the forested areas, while in the downstream basin the rivers flowing
out of Taihu Lake show a significant difference between their upper and lower reaches. The investigated landscape factors
have a significant effect on water quality of the rivers; the water chemistry indicators show scale鄄 and location鄄dependent
responses to the landscape factors. Moreover, different indicators have distinct responses. Specifically, AN, TP, and DO
are positively correlated with settlement cover in the upstream basin, but with farmland cover and stream density in the
downstream basin. BOD and COD exhibit a negative correlation with natural wetlands and a positive correlation with
artificial wetlands in the upstream basin, while being negatively correlated with slope and positively correlated with stream
density in the downstream basin. The explanatory power on the variance in water quality of each landscape factor shows
apparent scale鄄dependent features. With increasing spatial scale, the curves of total explanatory power show a consistent
pattern in the upstream and downstream basins, presenting double peaks near the scales of 0. 5—1 km and 16 km. In the
upstream basin, natural wetlands and slope present the highest exploratory power at the smaller and larger scales,
respectively. In the downstream basin, stream density has the largest effect at small scales and farmland has the largest
effect at a large scales.
Key Words: water quality of river; landscape factor; land use; multi鄄scale analysis; redundancy analysis
在流域水环境影响因素的研究中,以土地利用及其变化为主要内容的人为活动因素一直是关注的焦点,
并被认为是影响流域水环境的主要原因[1鄄2];同时也有研究发现自然地理因素对流域水环境具有重要的决定
作用[3鄄4]。 一般地,流域土地利用影响水环境的过程需要降水的激活,降水冲刷地表物质经地表径流进入河
流,引起河流中各种物质浓度的变化[5鄄6],因此参与这个过程的降水、土地利用状况、地质条件、地形和水系特
征等自然和人为因素往往相互叠加,综合作用于河流水质[7鄄8],但是各种因素的作用方向和强度在不同的研
究结果中却有很大的差异[9鄄10]。
太湖流域作为我国社会经济发展最快速的地区之一,其经济发展和水环境保护的矛盾格外突出[11],流域
平均水质自 20 世纪 80 年代开始基本上每 10a下降 1 个等级[12]。 土地利用状况及其变化被认为是太湖流域
水环境恶化的主要原因之一[11,13],张殷俊等[14]、夏叡等[15]和张大伟等[16]在太湖流域局部地区的研究均认为
河流水质受到周边较小范围内(2 km以下)土地利用的显著影响,且相关性随缓冲区的宽度和形状等因素的
不同而有较大差异;胡建等[17]在整个流域上基于分区的研究显示在较大尺度(水文单元)上土地利用格局与
水质有显著的相关关系。 总体来说,对太湖流域水环境与土地利用等景观背景的关系仍缺乏在整个流域范围
内连续尺度的研究,且缺少对自然地理和气候等因素的考虑。
本文对太湖流域河流主要水质指标对土地利用结构等景观背景因素的多尺度响应及各因素在不同尺度
上对主要水质指标的作用方向及强度等进行了研究,以期为合理调整流域土地利用结构,发展土地利用结构
优化技术,改善流域水环境质量提供理论与技术参考。
1摇 研究区概况与研究方法
1. 1摇 研究区概况
太湖流域位于长江三角洲地区(E 119毅3忆—121毅55忆、N 30毅7忆—32毅15忆),面积 3. 69伊104 km2,行政区划分属
江苏、浙江、安徽、上海三省一市。 流域位于亚热带季风气候区,多年平均降雨量 1177mm,年均气温 14. 9—
16. 2益 [18]。 流域地势西南高东北低,四周高中间低,主要地貌包括山地丘陵(16% )和平原(68% ),其中山地
丘陵主要分布在流域西部,平原主要分布于流域北部、东部和南部。 流域主要水系属典型的平原河网,河道总
长约 1. 2伊105km,平均密度达 3. 24 km / km2[19]。 以太湖湖体为界,上游主要分布有苕溪水系、南河水系和洮滆
4405 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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水系,下游主要分布有黄浦江水系(包括吴淞江)、沿江水系和沿杭州湾水系[20]。
1. 2摇 数据资料
水质数据来自水利部太湖流域管理局公布的 2006—2010 年《太湖流域及东南诸河重点水功能区水资源
质量状况通报》,主要包括各监测断面每个月的水质等级和超 III 类水质指标种类,其中水质等级评价采用单
指标评价法,评价项目为水温、pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、化学需氧量、氟化物、氰化物、硫化
物、阴离子表面活性剂、铜、镉、锌、铅、硒、砷、汞、六价铬、氨氮、总磷、总氮、石油类、挥发酚等共 23 项,并按地
表水环境质量标准(GB3838—2002)分为玉—吁类及劣吁类。 本研究选择具有时间连续性的 80 个河道监测
断面进行分析(图 1)。
图 1摇 水质监测断面分布及景观因子作用区示意图
Fig. 1摇 Locations of the water quality monitoring sites and illustration of buffers settings of the investigated landscape factors
2006—2010 年间,太湖流域虽然经历了快速的城市化过程,聚落用地相对增幅较大,但其它土地利用类
型的相对组成变化总体上较小,且景观要素的相对比例构成未发生显著变化,本文暂以基于遥感影像的 2006
年的土地利用图进行相关研究。 相关的数据源包括成像时间为 2006 年覆盖太湖流域的 5 景 Landsat (Land
satellite)TM(Thematic mapper)遥感影像(空间分辨率为 28. 5m)、SRTM(Shuttle radar topography mission)DEM
(Digital elevation model)数据(空间分辨率为 90 m)、1颐100 000 三级以上河流水系图和 2006—2010 年间流域
内各县区降水量(各地年鉴)等。
1. 3摇 研究方法
1. 3. 1摇 多尺度景观背景因子获取
基于 TM遥感影像,按研究需要,将流域土地利用分为聚落用地、耕地、林地、自然湿地和人工湿地 5 种类
型,其中自然湿地主要指流域内的大小湖泊与河流,人工湿地主要为水产养殖池塘,聚落用地包括从乡村到城
市的一系列不同规模的人类聚居地。 同时,基于 STRM DEM数据生成流域坡度图,基于各县区降水量数据插
值生成流域降水量图。
缓冲区法常用于划定作用区以研究周边土地利用状况等因素与河流水质的关系[21]。 在坡降比较大的小
流域,作用区多为由监测点上溯并向河道两侧扩展一定宽度的带状缓冲区[22鄄23],而平原水网地区多采用以监
测点为圆心一定距离为半径的圆形缓冲区为作用区[14鄄15]。
考虑到太湖流域多平原,水网交织,与监测断面所在河道横向交错的众多上游河流、沟渠势必对监测断面
水质产生影响,本研究选取以监测断面为圆心,其上游垂直于所在河道的半径依次为 0. 5、1、2、4、8、12、16、20
km和 24 km的半圆形区域为作用区(图 1)。 统计每个作用区内各种土地利用类型的占比、三级以上河网密
度、年均降水量、平均高程和平均坡度。
1. 3. 2摇 冗余分析
冗余分析(Redundancy analysis,RDA)是多变量直接环境梯度分析,是一种基于排序技术的线性分析方
5405摇 16 期 摇 摇 摇 周文摇 等:太湖流域河流水质状况对景观背景的响应 摇
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法,能从统计学角度评价一个或一组变量与另一组多变量数据之间的关系[24]。 冗余分析能够有效地对多解
释变量进行统计检验,独立保持各个解释变量对响应变量的方差贡献率,并可通过排序图直观地展现解释变
量之间、解释变量与响应变量之间和响应变量之间的关系,被广泛应用于动植物群落组成与环境因子关系及
类似问题的研究中[25鄄26]。
本文以各监测断面主要超标水质指标的超标频数作为响应变量,以监测点对应作用区内的各种景观背景
因子为解释变量,并考虑到太湖流域上下游非常明显的水文条件和地形特征的差异[20],将 80 个河道断面分
为上游 32 个、下游 48 个断面分别进行冗余分析。 本文着重考察每个景观背景因子单独的解释作用(marginal
effect)。
以上操作中多尺度景观背景因子获取在 ENVI 4. 3 和 ArcGIS 9. 2 中完成;冗余分析在 CANOCO 4. 5 软件
中完成。
2摇 结果与讨论
2. 1摇 流域水质状况及时空分布特征
2006—2010 年,本研究所涉及太湖流域 80 个河道断面水质状况总体较差,5a 和各年平均水质均以劣吁
类、吁类和郁类为主,超标水质指标主要包括总磷、氨氮、生化需氧量、化学需氧量和溶解氧,平均超标概率分
别达 41. 6% 、52. 7% 、47. 7% 、46. 4%和 42. 9% (表 1,图 2,图 3)。 比较各类断面占比时间变化发现,2006—
2010 年间劣吁类断面逐年大幅减少,芋类断面逐年大幅增加,吁类和郁类断面分别在 30%和 25%左右波动,
表明 2006—2010 年太湖流域河流水质污染形势非常严峻,但总体上表现出一定的改善趋势。
表 1摇 处于不同水质等级的监测断面数量频率 / %
Table 1摇 The frequency of monitoring sites presenting different water quality grades
水质等级
Water quality grades 2006 2007 2008 2009 2010
5 年平均
5鄄year average
域类 Grade 域 0. 00 0. 00 1. 25 0. 00 1. 25 0. 00
芋类 Grade 芋 3. 75 7. 50 15. 00 12. 50 15. 00 11. 25
郁类 Grade 郁 21. 25 16. 25 23. 75 30. 00 28. 75 23. 75
吁类 Grade 吁 21. 25 37. 50 28. 75 27. 50 30. 00 30. 00
劣吁类 Worse than Grade 吁 53. 75 38. 75 31. 25 30. 00 25. 00 35. 00
空间分布上,流域不同区位水质等级和主要水质指标超标频数存在较大差异。 太湖西南部林区和太湖出
湖河流邻近太湖部分为芋类和郁类断面的主要分布区,各类水质指标超标频数相对较小,其中浙西林区为整
个流域水质最好的区域,太湖出湖河流邻近太湖部分为流域下游水质最好的区域;除此之外的所有区域断面
均为吁类或劣吁类水质,尤其是太湖西南部平原河网区水质以劣吁类为主,且各类水质指标的超标频数均非
常高,是整个流域污染最为严重的区域。 比较 2006—2010 年水质等级的空间分布发现,太湖西北部入湖河口
地区和东北部出湖河口地区的水质改善较为明显(图 2,图 3)。
由上述分析可知,上下游水质的区域分异特征差异明显:上游主要表现为西南部林区和西北部平原水网
区的横向差异,即林区水质明显好于平原水网地区,表明不同景观背景对水质的影响不同;下游主要表现为出
湖河流上游河段和下游河段的纵向差异,即上游河段水质显著好于下游河段,表明河流流动过程中不断从周
围景观中纳入污染物导致水质逐渐恶化。
2. 2摇 景观因子作用的尺度相关性
由于太湖流域上下游水文及相关生态过程的差异性,本文分上游地区和下游地区,分别对监测断面主要
水质指标超标频数与多个尺度半圆形作用区内 9 种景观背景因子进行冗余分析。 结果表明,9 种景观背景因
子均在某些尺度上表现出对水质数据显著或极显著的解释能力,且总方差贡献率在上、下游随尺度增加表现
出较为一致的变化趋势,均在 0. 5—1 km和 16 km左右两个尺度上具有最高的解释能力,但各因子之间、同种
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图 2摇 各监测断面的年均水质等级
Fig. 2摇 Annual average water quality grades at the monitoring sites
图 3摇 各监测断面的水质指标超标频数
Fig. 3摇 The frequencies of the water quality indicators over the national standard at the monitoring sites
TP: 总磷 Total phosphorus; AN: 氨氮 Ammonia nitrogen; BOD: 生化需氧量 Biochemical oxygen demand; COD: 化学需氧量 Chemical oxygen
demand; DO: 溶解氧 Dissolved oxygen
因子在上下游之间方差贡献率的相对高低及其随观测尺度的变化存在一定差异(图 4)。
在上游地区,较小尺度(0. 5—2 km)上具有较高方差贡献率的因子依次为自然湿地、坡度、林地和高程,
较大尺度(4 km以上)上具有较高方差贡献率的因子依次为坡度、林地、高程、河网密度、耕地和聚落用地,自
然湿地和坡度分别为较小尺度(1 km)和较大尺度上(16 km)起主导作用的景观因子,但自然湿地在 4 km 及
以上尺度基本无解释能力。 林地、坡度、高程和河网密度从 8 km 开始方差贡献率较为稳定,聚落用地在 12
km以上尺度、人工湿地在 20 km以上尺度其方差贡献率才达到显著水平,且随观测尺度增加而增加,而降水
7405摇 16 期 摇 摇 摇 周文摇 等:太湖流域河流水质状况对景观背景的响应 摇
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量的方差贡献率则基本未达显著水平。
在下游地区,较小尺度上具有较高方差贡献率的因子依次为河网密度、坡度、自然湿地和耕地,较大尺度
上具有较高方差贡献率的因子包括耕地、河网密度、自然湿地、坡度和人工湿地,其中河网密度和耕地分别为
小尺度(0. 5 km)和较大尺度(16 km)上起主导作用的景观因子。 与上游地区相比,自然湿地对水质指标超标
率的解释能力显著突出,且总体上随观测尺度的增加解释能力显著上升;人工湿地的解释能力也显著高于上
游地区。 在上游地区具一定解释能力的高程、聚落用地、林地等,在下游地区则基本上无显著解释能力,而在
上游地区解释能力相对较弱的耕地,在下游地区则成为主导因子。
图 4摇 不同景观因子对水质方差贡献率随空间尺度的变化
Fig. 4摇 Variance of water quality explained by the landscape factors over different spatial scales
可见在上、下游地区间影响水质指标超标率的主导因子存在显著差异。 一般地,上游地区总体上坡降大,
水流速度快,水体与景观背景要素的交互作用时间较短,人工湿地、农业用地等面源型因子对水质状况影响相
对较弱,林地及坡度、高程、河网密度等自然景观要素影响相对突出。 而下游地区地形平坦、河道坡降小,水流
速度慢,水体与景观背景要素的交互作用时间较长,湿地(人工及自然)、耕地等土地利用相关因子的作用相
对突出,同时反映水系特征的河网密度对水质指标超标率的解释能力也显著高于上游地区。 此外,与流域点
源污染密切相关的聚落用地,在上游作用比较突出,而在下游地区则未达显著水平,推测一方面由于下游地区
人口密集,聚落相对均匀、密集,而水质指标超标率总体上较高,在观测尺度上难以检出其解释能力,另一方
面,点源污染一般释放较快,产生影响的作用时间也较短,体现为聚落用地在上游表现比下游显著,不过总体
上其作用仍相对较小。
Nash等[27]和 Tran等[23]认为,河流周边数百米范围内的土地利用,特别是滨岸带植被和耕地的占比,决
定了河流的水质;Zampella等[28]和 Wang等[29]则认为,发生在流域尺度上的土地利用对溪流的影响在仅仅关
注河流周边小范围的时候不能被很好的理解,整个流域尺度上的土地利用等特征可以更好地解释水质的差异
性;而 Gove 等[30]研究发现中尺度上的土地利用特征对水质有更好的解释能力。 Allan[21]认为当人类影响较
小或在研究区内广泛而均匀的时候,自然因素可能变得比较重要。 国内研究也认为太湖流域的气候、地形、水
系特征可以在很大程度上影响到水环境质量[31]。
本文研究发现,无论上游、下游地区,均存在两个较高解释能力的空间尺度,表明景观背景影响水质状况
可能存在较大尺度和较小尺度两种不同机制,但具体过程或机制尚需进一步深入研究。
2. 3摇 影响因子与水质指标的相关性
为进一步研究各主要水质指标与景观背景的相关性,对 5 种主要水质指标超标频数和 9 种景观背景因子
排序图的分析结果表明,不同水质指标与景观背景因子的相关性及强度往往随观测尺度而变化,且上游地区、
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下游地区间存在显著不同(图 5,图 6)。
在上游地区,几乎在所有观测尺度上,自然湿地、林地、高程、坡度、降水量均与各主要水质指标超标频数
呈不同程度的负相关,表明该类因子总体上有利于河流水质改善。 而其它因子则相对复杂。 其中,聚落用地
是 0. 5—1 km尺度与所有指标特别是 TP、AN 和 DO 正相关的主要因子,是较小尺度上水质超标的最主要的
影响因素,但随着观测尺度的增加(2—4 km),其相关性变弱,但在更大尺度上,聚落用地再次与 AN、TP、DO
超标率显著正相关。 耕地、人工湿地和河网密度与各水质指标的关系经历了从负相关(1 km 以下)到正相关
转变的过程,至 2 km以上,均与各主要水质指标超标率存在显著的正相关关系,表明 2 km以上尺度,耕地、人
工湿地、聚落用地相对占比的增加,以及河网密度的增大与水质恶化直接相关。 河网密度往往在地势低平处
较高,其与各主要水质指标超标率的正相关,可能与水流相对缓慢、河流与周边土地间相互作用增强有关。
图 5摇 上游地区不同空间尺度上的 RDA排序图
Fig. 5摇 Bi鄄plots from RDA at multi鄄scales in the upstream basin
T: 总方差贡献率 Total contribution to variance;a: 人工湿地 Artifical wetland;e: 高程 Elevation;fa: 耕地 Farmland;fo: 林地 Forest;n: 自然湿
地 Natural wetland;p: 降水量 Precipitation;se: 聚落用地 Settlement;sl: 坡度 Slope;st: 河网密度 Stream density
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在下游地区,与上游地区一致的是自然湿地、林地、高程、坡度等在所有观测尺度上与各主要水质指标的
超标频数负相关,耕地、河网密度等总体上与各主要水质指标的超标频数正相关,但降水量、人工湿地、聚落用
地等的相对作用则有所不同。 其中,聚落用地总体上与水质指标超标频数呈现弱负相关,人工湿地在 0. 5 km
尺度与所有水质指标特别是 AN和 BOD正相关,在 1 km 以上尺度转变为负相关,且与各水质指标的相关性
在各尺度上均与自然湿地类似;而降水量则主要与 TP超标频数正相关,与 AN相关性则较弱。
图 6摇 下游地区不同空间尺度上的 RDA排序图
Fig. 6摇 Bi鄄plots from RDA at multi鄄scales in the downstream basin
一般认为,聚落用地、耕地、林地是向河流中输入污染物的主要土地利用类型[32],但污染物输出能力有一
定的差别[33];湿地,特别是自然湿地,往往具有非常显著的削减污染物的功能[34鄄35]。 李恒鹏等[36鄄37]在太湖流
域上游地区若干小流域的研究发现,总氮、TP、BOD 和 COD 等污染物的输出能力按耕地、聚落用地和林地递
减。 此外,发达的水产养殖产业形成的大量的养殖池塘型人工湿地,被认为是太湖流域非常重要的面源污染
来源[19]。
本研究中,耕地在上下游比较一致地表现出与水质超标频数正相关且相关程度相近,证实了农业活动导
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致的面源污染是目前太湖流域水环境的主要威胁之一。 林地、自然湿地在上下游比较一致地表现出与水质超
标频数负相关,表明陆源污染输出能力最低的林地和具有较强污染消解能力的自然湿地,对于水环境改善具
有非常重要的意义。 聚落用地与水质超标频数在上游正相关,特别是在较小尺度上成为最重要的景观因子,
但在下游则相关性较弱或呈弱负相关,考虑到下游地区人口密集,土地开发利用强度较高,而更高城市化水平
的聚落用地相应的环保措施等可能抑制了聚落用地的污染排放,从而表现为聚落用地与水质超标频数在下游
的相关不显著或弱负相关。 人工湿地与聚落用地类似,在上游地区与水质超标频数正相关,而在下游与水质
超标频数负相关,可能因为在下游地区其污染物输出能力弱于耕地和聚落用地,因此其占比的相对增加总体
上减少污染物输出。
在各主要土地利用方式污染物输出能力的水平方面,整个流域特别是下游地区目前缺少充分的基础数据
支持,因而上述分析有待进一步相关研究的证明。
3摇 结论
本文分析了 2006—2010 年整个太湖流域河流水环境状况和时空分布特征,并对河流水质与土地利用、降
水量、河网密度、高程和坡度等景观背景因子的关系及其尺度依赖性进行了研究,结果表明:
(1)研究期内,太湖流域河流水质状况总体较差,整体有逐渐改善的趋势。 不同区位水质差异较大,上游
主要表现为西南部林区和西北部平原水网区的横向差异,下游主要表现为出湖河流上游河段和下游河段的纵
向差异。 超标水质指标主要包括总磷、氨氮、生化需氧量、化学需氧量和溶解氧。
(2)冗余分析结果表明,太湖流域河流水质受到多种景观背景因子的综合影响,各种因子均在某些尺度
上对水质有显著的解释能力,且因子对水质数据的解释能力均随尺度增加而变化,存在显著的尺度相关性。
(3)总方差贡献率在上下游随尺度增加表现出较为一致的变化趋势,并均在 0. 5—1 km和 16 km左右两
个尺度上具有较高的解释能力。 在上游地区,自然湿地和坡度分别为较小尺度(1 km)和较大尺度(16 km)上
解释能力最高的景观因子;在下游地区,河网密度和耕地分别为较小尺度(0. 5 km)和较大尺度(16 km)上解
释能力最高的景观因子。
(4)各水质指标对景观背景因子的响应不同,且具有尺度依赖性和上、下游间的区位差异性。 如,AN、
TP、DO超标频数在上游主要与聚落用地正相关,在下游则与耕地、河网密度正相关;COD、BOD超标频数在上
游主要与自然湿地负相关,与人工湿地正相关,在下游则主要与坡度负相关,与河网密度正相关。
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叶生态学报曳是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊袁创刊于 员怨愿员 年遥 主要报道生态学研究原
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叶生态学报曳为半月刊袁大 员远 开本袁圆愿园 页袁国内定价 苑园 元 辕册袁全年定价 员远愿园 元遥
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