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Responses of water quality to landscape pattern in Taihu watershed: case study of 3 typical streams in Yixing

太湖流域典型入湖港口景观格局对河流水质的影响



全 文 :
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 20 期摇 摇 2012 年 10 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
太湖流域源头溪流氧化亚氮(N2O)释放特征 袁淑方,王为东 (6279)……………………………………………
闽江河口湿地植物枯落物立枯和倒伏分解主要元素动态 曾从盛,张林海,王天鹅,等 (6289)…………………
宁夏荒漠草原小叶锦鸡儿可培养内生细菌多样性及其分布特征 代金霞,王玉炯 (6300)………………………
陕西省栎黄枯叶蛾蛹的空间分布 章一巧,宗世祥,刘永华,等 (6308)……………………………………………
模拟喀斯特生境条件下干旱胁迫对青冈栎苗木的影响 张中峰,尤业明,黄玉清,等 (6318)……………………
中国井冈山生态系统多样性 陈宝明,林真光,李摇 贞,等 (6326)…………………………………………………
鄂西南木林子常绿落叶阔叶混交林恢复过程中优势树种生态位动态 汤景明,艾训儒,易咏梅,等 (6334)……
不同增温处理对夏蜡梅光合特性和叶绿素荧光参数的影响 徐兴利, 金则新,何维明,等 (6343)……………
模拟长期大风对木本猪毛菜表观特征的影响 南摇 江,赵晓英,余保峰 (6354)…………………………………
雷竹林土壤和叶片 N、P 化学计量特征对林地覆盖的响应 郭子武,陈双林,杨清平,等 (6361)………………
利用树木年轮重建赣南地区 1890 年以来 2—3月份温度的变化 曹受金,曹福祥,项文化 (6369)……………
川西亚高山草甸土壤呼吸的昼夜变化及其季节动态 胡宗达,刘世荣,史作民,等 (6376)………………………
火干扰对小兴安岭白桦沼泽和落叶松鄄苔草沼泽凋落物和土壤碳储量的影响
周文昌,牟长城,刘摇 夏,等 (6387)
…………………………………
……………………………………………………………………………
黄土丘陵区三种典型退耕还林地土壤固碳效应差异 佟小刚,韩新辉,吴发启,等 (6396)………………………
岩质公路边坡生态恢复土壤特性与植物多样性 潘树林,辜摇 彬,李家祥 (6404)………………………………
坡位对东灵山辽东栎林土壤微生物量的影响 张摇 地,张育新,曲来叶,等 (6412)………………………………
太湖流域典型入湖港口景观格局对河流水质的影响 王摇 瑛,张建锋,陈光才,等 (6422)………………………
基于多角度基尼系数的江西省资源环境公平性研究 黄和平 (6431)……………………………………………
中国土地利用空间格局动态变化模拟———以规划情景为例 孙晓芳,岳天祥,范泽孟 (6440)…………………
世界主要国家耕地动态变化及其影响因素 赵文武 (6452)………………………………………………………
不同氮源下好氧反硝化菌 Defluvibacter lusatiensis str. DN7 的脱氮特性 肖继波,江惠霞,褚淑祎 (6463)………
基于生态足迹方法的南京可持续发展研究 周摇 静,管卫华 (6471)………………………………………………
基于投入产出方法的甘肃省水足迹及虚拟水贸易研究 蔡振华,沈来新,刘俊国,等 (6481)……………………
浦江县土壤碱解氮的空间变异与农户 N投入的关联分析 方摇 斌,吴金凤,倪绍祥 (6489)……………………
长江河口潮间带盐沼植被分布区及邻近光滩鱼类组成特征 童春富 (6501)……………………………………
深圳湾不同生境湿地大型底栖动物次级生产力的比较研究 周福芳,史秀华,邱国玉,等 (6511)………………
灰斑古毒蛾口腔反吐物诱导沙冬青细胞 Ca2+内流及 H2O2 积累 高海波,张淑静,沈应柏 (6520)……………
濒危物种金斑喙凤蝶的行为特征及其对生境的适应性 曾菊平,周善义,丁摇 健,等 (6527)……………………
细叶榕榕小蜂群落结构及动态变化 吴文珊,张彦杰,李凤玉,等 (6535)…………………………………………
专论与综述
流域生态系统补偿机制研究进展 张志强 ,程摇 莉 ,尚海洋,等 (6543)…………………………………………
可持续消费的内涵及研究进展———产业生态学视角 刘晶茹,刘瑞权,姚摇 亮 (6553)…………………………
工业水足迹评价与应用 贾摇 佳,严摇 岩,王辰星,等 (6558)………………………………………………………
矿区生态风险评价研究述评 潘雅婧,王仰麟,彭摇 建,等 (6566)…………………………………………………
研究简报
围封条件下荒漠草原 4 种典型植物群落枯落物枯落量及其蓄积动态 李学斌,陈摇 林,张硕新,等 (6575)……
密度和种植方式对夏玉米酶活性和产量的影响 李洪岐,蔺海明,梁书荣,等 (6584)……………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*312*zh*P* ¥ 70郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄10
封面图说: 草丛中的朱鹮———朱鹮有着鸟中“东方宝石冶之称。 洁白的羽毛,艳红的头冠和黑色的长嘴,加上细长的双脚,朱鹮
历来被日本皇室视为圣鸟。 20 世纪前朱鹮在中国东部、日本、俄罗斯、朝鲜等地曾有较广泛地分布,由于环境恶化等
因素导致种群数量急剧下降,至 20 世纪 70 年代野外已认为无踪影。 1981 年 5 月,中国鸟类学家经多年考察,在陕
西省洋县重新发现朱鹮种群,一共只有 7 只,也是世界上仅存的种群。 此后对朱鹮的保护和科学研究做了大量工
作,并于 1989 年在世界首次人工孵化成功。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 20 期
2012 年 10 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 20
Oct. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目: 林业公益性行业科研专项(201104055); 江苏省科技项目(BE2009603, BE2008636);2010 年浙江省林业科技项目
收稿日期:2011鄄12鄄21; 摇 摇 修订日期:2012鄄05鄄29
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: zhangk126@ 126. com
DOI: 10. 5846 / stxb201112211945
王瑛,张建锋,陈光才,单奇华,李泽波,徐永辉,陈云.太湖流域典型入湖港口景观格局对河流水质的影响.生态学报,2012,32(20):6422鄄6430.
Wang Y, Zhang J F, Chen G C, Shan Q H, Li Z B, Xu Y H, Chen Y. Responses of water quality to landscape pattern in Taihu watershed: case study of 3
typical streams in Yixing. Acta Ecologica Sinica,2012,32(20):6422鄄6430.
太湖流域典型入湖港口景观格局对河流水质的影响
王摇 瑛1,张建锋1,*,陈光才1,单奇华1,李泽波1,徐永辉2,陈摇 云2
(1. 中国林业科学研究院亚热带林研所, 富阳摇 311400; 2. 宜兴市农林局, 宜兴摇 214206)
摘要:以太湖流域宜兴段的 3 条主要入湖港口为研究对象,通过实地调查和数据分析,探讨了入湖港口景观格局对河流水质的
影响。 反映景观格局的指标有港口周边 5 km缓冲区域内的“源鄄汇冶景观空间负荷对比指数(LCI)、斑块数量(NP)、边界密度
(ED)、蔓延度指数(CONT)、香浓多样性指数(SHDI)和聚集度指数(AI);反映水质变化的主要指标为总氮(TN)、总磷(TP)和
化学需氧量(CODMn)。 以水质指标为因变量,对二者做了相关性分析和通径分析,结果表明,LCI 与 TN、TP 和 CODMn 关系显
著,对它们的直接作用分别为 0. 266、1. 512 和 0. 979;ED 对 TN、CODMn 和 NH
+
4 鄄N 有显著影响,直接作用为 0. 740、-0. 189 和
0郾 852;TN和 NH+4 鄄N与 CONT相关性显著,与 SHDI呈负的极显著相关;对 TN和 NH
+
4 鄄N来说,两个景观格局指标(LCI 与景观格
局指数)对它们都呈直接负作用;其它指标之间关系不显著。 这说明景观格局变化对区域内港口水质有一定影响,合理配置景
观格局能够有效地治理面源污染,改善水质状况。
关键词:“源鄄汇冶景观空间负荷对比指数;景观格局指数;相关性分析和通径分析;水质指标
Responses of water quality to landscape pattern in Taihu watershed: case study of
3 typical streams in Yixing
WANG Ying1, ZHANG Jianfeng1,*, CHEN Guangcai1, SHAN Qihua1, LI Zebo1, XU Yonghui2, CHEN Yun2
1 Institute of Subtropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Fuyang 311400
2 Yixing Agriculture & Forestry Department, Yixing 214206
Abstract: With rapid socio鄄economic development in the Taihu Lake Basin, pollution of Taihu Lake water is increasingly
getting more serious. Thus government at all levels has allocated considerable resources (money and manpower) to this
issue in the Taihu Lake Basin. As a result of their efforts, point source pollution has been better controlled around the
basin. But non鄄point source pollution is still serious due to its dispersion and concealment, and its random nature, and
consequent difficult monitoring. So it is still the key to resolving pollution in the basin and is a difficult point to which
attention needs to be paid both currently and in the future. The non鄄point source pollution is the result of multiple factors
such as soil, topography, hydrology, socio鄄economic development, management methods and land use, and it is closely
related to the landscape distribution pattern. Reasonable landscape distribution can improve water quality by reducing the
output of non鄄point source pollution, and hindering the transfer of watershed pollutants to receiving waters. Landscape
pattern index can also be a good description of landscape heterogeneity, and the location鄄weighted landscape contrast index
(LCI) can quantify non鄄point source pollution. However, little work has been done on the concrete relationship between the
water quality index and the landscape index.
In order to investigate responses of water quality to landscape pattern in the Taihu Basin watershed, 3 typical streams
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connected to Taihu Lake in Yixing City were chosen as test plots. Indicators which reflect landscape characteristics such as
source鄄sink landscape location鄄weighted Landscape Contrast Index ( LCI), Number of Patches ( NP ), Edge Density
(ED), Contagion Index (CONT), Shannon忆s Diversity Index (SHDI) and Aggregation Index (AI) were analyzed. Some
parameters which reflect water quality such as Total Nitrogen ( TN), Total Phosphorus ( TP), and Chemical Oxygen
Demand (CODMn) were also measured. Correlation analysis and path analysis between the landscape pattern and stream
water quality were used to show significant positive correlations between LCI and TN, TP, and CODMn with direct action
coefficients of 0. 266, 1. 512 and 0. 979, respectively. Though LCI and TN were significantly negatively correlated, there
was a less direct effect on TN. Rather, LCI has an indirect effect on TN concentrations via other landscape pattern indices.
ED had a significant effect on TN, CODMn and NH
+
4 鄄N, with direct action coefficients of 0. 740, -0. 189 and 0. 852,
respectively. CONT showed significant positive correlations with TN and NH+4 鄄N, but SHDI was negatively correlated with
TN and NH+4 鄄N. The higher the values of CONT and SHDI, the better adhesion between landscape patches. The non鄄point
pollution load assessment will be reduced, retained and transformed, and the water quality will be relatively good if better
balanced allocation of landscape elements is adopted.
DingKua is the only port for which the LCI is less than 0. It has a proportion of ‘sink爷 landscape which is the largest
of the three ports. The woodland area is 59. 46% and the open forest area is 2. 64% of the DingKua 5km buffer zone.
Forests have the effect of ecological restoration and pollutant interception. So the water quality at DingKua is the best of the
three ports.
Among the other indexes the relationship was not significant. It was concluded that landscape pattern had a certain
influence on stream water quality. Reasonable allocation of the landscape pattern is able to effectively combat non鄄point
source pollution, and improve water quality in the watershed.
Key Words: the source鄄sink landscape location鄄weighted landscape contrast index ( LCI); landscape pattern index;
correlation analysis and path analysis; water quality
改革开放以来,随着太湖流域社会经济的迅速发展,太湖水污染问题日益严重,以致在 2007 年 5 月引起
太湖蓝藻爆发。 此后,各级政府投入大量人力物力治理太湖。 经过努力,太湖周边的点源污染得到了较好的
控制,而面源污染由于其分散性、隐蔽性、随机性和不易监测性[1],对水质的影响仍较严重,是当前及今后治
理的重点、难点[2]。 面源污染是土壤、地形、水文、社会经济发展、管理方式和土地利用等多因素综合作用的
结果,其中景观空间分布格局与其关系密切[3鄄6]。 研究表明,合理的景观空间配置,可以减少面源污染输出,
转化、拦截流域污染物进入水体,从而改善水质[7鄄9]。
为了从根本上治理太湖流域面源污染,有必要深入了解面源污染的形成机理。 已经知道,景观格局是生
态过程的基础,通过格局特征可以推测过程特征,而过程反过来又影响格局形成[10]。 陈利顶等提出了“源鄄
汇冶景观空间负荷对比指数这一概念,它以生态过程为研究对象,能够量化面源污染的发生发展状况[11鄄13]。
景观格局指数也可以很好的描述景观空间异质性,反映流域面源污染状况[14鄄15]。 然而,截止到目前,对二者
与水质变化之间具体关系的研究还多为定性研究[16鄄19],将景观空间格局作用量化的研究相对较少。 太湖作
为中国第二大淡水湖,是上海、江苏、浙江等多个省市的水源区,其水质状况直接影响到周边省市的社会经济
发展,但其周边景观格局对水质的作用机制还缺少系统研究。
本研究在宜兴市进行,选取了 3 条具有代表性的典型入湖港口,分析了各港口景观格局特征及“源鄄汇冶景
观负荷对比指数与水质的相关性,并在通径分析的基础上,将各景观指标对水质的直接作用和间接作用做定
量分析,以期为宜兴市及太湖流域的水环境治理和区域景观建设提供科学依据。
1摇 研究地区与研究方法
1. 1摇 研究区域
摇 摇 宜兴市(31毅07忆—31毅7忆N,119毅31忆—120毅03忆E)位于太湖西岸,南部多为丘陵山地, 北部多为平原。 经济
3246摇 20 期 摇 摇 摇 王瑛摇 等:太湖流域典型入湖港口景观格局对河流水质的影响 摇
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图 1摇 研究区地理位置及景观格局分布图
Fig. 1摇 Location and landscape pattern of study area
来源北部以工商业为主,南部农林业和旅游业所占比例
较大。 其境内的太湖沿岸总长达 43. 5 km,有烧香港、
大浦港港、大港口、定跨港等 14 条省控、国控河道和 12
条市控河道,共计 26 条入湖河道。 因此,宜兴市入太湖
港口水质状况对太湖水体影响甚大。 本研究选择定跨
港、大浦港、烧香港作为典型入湖港口(图 1)。 分布于
南部的定跨港区域是宜兴市天然次生林分布较多、保护
较好的区域,其上游是一片竹海,人口很少,自然景观极
好;下游入湖口是宜兴太湖生态农业观光园;大浦港流
经区域经过了宜兴市区中心,且下游大浦镇是宜兴市的
工业重镇;烧香港区域紧邻无锡市,上游的工农业都较
为发达,下游入太湖流域是宜兴市生态公益林工程实施
规模最大、林木长势最好的地区。
1. 2摇 研究方法
本研究对 3 条港口做缓冲区分析,缓冲半径为 1、3
km和 5 km。 遥感影像采用 2010 年第 264 天的 Landsat
TM(Landsat Thematic Mapper)遥感数据,在 ENVI4. 7 中
将各波段与全色的第 8 波段融合成 15 m分辨率影像后划分土地利用类型 (图 1),其中林业用地类型的划分
参照了宜兴市林业二次调查资源图。
1. 2. 1摇 水样采样与分析
本研究选取了宜兴市由北到南 3 条具有代表性的入太湖港口,每个港口由东到西均匀分布水质采样点
(如图 1 所示),分别于 2011 年 3、6、9、12 月采集水样,每次取样 500 mL,于聚乙烯瓶中密封保存,第 2 天在中
国林科院亚热带林业研究所国家重点实验室分析各水质指标。 其中总氮(TN)用过硫酸钾氧化,紫外分光光
度法测定;总磷(TP)用离子色谱法测定;氨氮(NH+4 )用纳氏试剂光度法测定;化学需氧量(CODMn)用酸性法
测定[20]。
1. 2. 2摇 “源鄄汇冶景观空间负荷对比指数分析
本研究将耕地、工业用地和居民建设用地作为“源冶景观,有林地、疏林地、生态公益林、湿地和水体作为
“汇冶景观。 结合陈利顶等提出的“源鄄汇冶景观空间负荷对比指数算法[11鄄13],根据公式(1)计算各缓冲区内的
距离、高度、坡度、景观累积面积百分比。
LCI = log(移
m
i = 1
Si 伊 Wi 伊 P tci /移
n
j = 1
S j 伊 W j 伊 P tcj) (1)
式中,LCI(landscape contrast index)为流域尺度上一定距离范围内累积景观空间负荷对比指数,包括相对距离
(LCI_RD)相对高度(LCI_RE)、相对坡度(LCI_RE);m和 n分别表示“源冶“汇冶景观类型的数量; Si和 S j分别
为“源冶“汇冶景观在区间范围内的面积累积百分比之和; Wi 和 W j 分别为不同“源冶“汇冶景观类型在非点源污
染物形成和削减方面所起作用的相对权重; P tci和 P tcj分别表示第 i种“源冶景观和第 j种“汇冶景观在整个区间
内所占的面积百分比。
对各景观的权重,鉴于本研究区域为城市化程度较高地区,“源冶污染有工业污染和农业污染,所以参考
岳隽等对西丽水库的“源鄄汇冶景观空间负荷对比指数计算方法[16],将各景观类型实测化学需氧量进行标准化
处理,作为各景观类型的权重。
大浦港和烧香港位于宜兴市北部平原地区,缓冲带高度和坡度变化较小,当高度达到 15 m, 坡度>6毅时,
很多港口已经不宜区分“源冶景观或“汇冶景观了,也无法计算相对高度和坡度景观空间对比指数(LCI_RE、
4246 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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LCI_RS)值。 因此,依照常规可认为这两个港口的高度和坡度对水质的影响极小,在此不做分析。 定跨港的
LCI指数按照公式(2)计算。
LCI=LCI_RD伊LCI_RE / LCI_RS (2)
1. 2. 3摇 景观格局指数分析
将各缓冲区内的土地利用类型矢量图在 arcgis9. 3 中转换成 grid 数据,使用 Fragstats3. 3 软件分别计算 3
个港口 9 个缓冲区内的景观格局指数,在经过相关性分析后选取了斑块数量(NP)、边界密度(ED)、蔓延度指
数(CONT)、香浓多样性指数(SHDI)和聚集度指数(AI)5 个景观指数来表征景观格局特征。
1. 2. 4摇 数据处理与分析
使用统计分析软件 SPSS16. 0 统计各港口 4 个季度的水质数据,并将每个港口的所有采样点做平均分析,
得到各港口水质均值指标。 同时用 SPSS16. 0 计算各缓冲区内的 LCI、NP、ED、CONT、SHDI 和 AI 与其对应港
口的平均水质数据的统计相关关系,并进一步做通径分析。
2摇 结果与分析
2. 1摇 各港口缓冲区土地利用结构和“源鄄汇冶景观空间负荷对比指数分析
3 个港口缓冲区内土地利用状况见表 1,同时据此算出其“源鄄汇冶景观空间负荷对比指数(图 2)。 各港口
水质均值指标见图 3。
图 2摇 3 个港口缓冲区内景观空间负荷对比指数图
Fig. 2 摇 Location鄄weighted landscape contrast index of 3 ports
buffer
图 3摇 各港口水质均值指标
Fig. 3摇 The mean water quality index of watersheds
由此可以看出,定跨港的 3 个缓冲区域内都是有林地,且面积最大,是构成“汇冶景观的主要贡献景观,且
随着缓冲距离增加而增大,所占比例分别则分别达到了 48. 63% 、60. 57%和 59. 46% ;与此相对应的“源冶景观
中的居民建设用地所占比例则分别为 30. 75% 、22. 28%和 23. 73% ;对应的“源鄄汇冶景观空间负荷对比指数
(LCI)为-0. 15、-0. 35 和-0. 33。 陈利顶等研究指出,LCI小于 0,表明该流域“汇冶景观贡献较大,该流域的污
染输出相对较少,“汇冶景观的截留作用较强,反之亦然[12鄄13]。 结合图 3 显示的结果,可以看到定跨港的水质
均值指标中 TN为 4. 77 mg / L, 略大于其他两个港口,NH+4 鄄N为 1. 46 mg / L, 排第二位,TP 和 COD都是显著小
于大浦港和烧香港。
对大浦港来说,耕地和居民建设用地所占比例都较大,为 30%左右,且不随缓冲距离而改变,这也直接导
致其 LCI大于 0,表明流域污染物输出较多。 由于其“汇冶景观面积所占比例较小,3 个缓冲段内分别只有
23郾 15% 、19. 80%和 20. 9% ,所以该流域缓冲区起到的截留作用有限,对应的水质状况也较差,CODMn 达到了
最高值 7. 48 mg / L。 相关研究表明,耕地和居民建设用地比例过大,会导致 CODMn 浓度上升,水质变
5246摇 20 期 摇 摇 摇 王瑛摇 等:太湖流域典型入湖港口景观格局对河流水质的影响 摇
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差[18, 21鄄23]。 本研究的结果也说明了这一点。
对烧香港而言,从表 1 可以看出,耕地是其最主要的景观类型,缓冲距离为 1 km时达到了 68. 73% ,随着
缓冲距离的增加,所占比例有所下降;缓冲距离为 3 km 和 5 km 时,所占比例分别为 57. 50%和 52. 42% 。
“汇冶景观中有林地和生态公益林所占面积较大,当缓冲距离为 1 km 时,两种林地面积比例分别为 3. 87%和
6. 90;随着缓冲距离的增加,有林地面积比例上升到了 4. 19% ,而生态公益林却下降到了 2. 25% 。 烧香港的
LCI指数随缓冲距离的增加而缓慢增大,分别为 0. 80、0. 85 和 0. 90,说明烧香港地区面源污染较为严重。
表 1摇 各港口缓冲区内土地利用方式与结构
Table 1摇 Land鄄use composition in each buffer zone of ports
缓冲距离
Buffer
distance
/ km
源景观 Source landscape / %
耕地
Arable land
居民建设用地
Rsidential
land
工业用地
Industrial
land
有林地
Woodland
汇景观 Sink landscape / %
疏林地
Open forest
land
生态公益林
Ecological
forest
湿地
Wetland
水体
Water
定跨港 1 13. 32 30. 75 2. 00 48. 63 3. 69 1. 60
DingKua 3 10. 12 22. 28 2. 79 60. 57 3. 04 1. 21
5 9. 40 23. 73 2. 24 59. 46 2. 64 2. 13 0. 20 0. 20
大浦港 1 34. 24 29. 78 12. 82 3. 07 0. 08 0. 24 5. 12 14. 64
DaPu 3 37. 48 30. 21 12. 52 5. 74 0. 19 0. 79 5. 68 7. 40
5 36. 50 29. 18 13. 42 8. 39 0. 38 1. 57 4. 87 5. 69
烧香港 1 68. 73 13. 86 5. 98 3. 87 0. 09 6. 90 0. 57 0. 00
ShaoXiang 3 57. 50 14. 94 16. 13 4. 64 0. 15 4. 85 1. 65 0. 14
5 52. 42 19. 06 16. 94 4. 19 0. 10 4. 65 1. 53 1. 09
2. 2摇 各港口缓冲区景观格局指数分析
各港口缓冲区内的景观格局情况见表 2。 可以发现,大浦港的斑块数量(NP)是 3 个港口中最大的,为
2177;而烧香港最小,只有 1173。 定跨港的边界密度(ED)在 1 km缓冲区域中达到了各港口的最大值 66. 72;
随着缓冲距离的增加,ED有所减小。 大浦港 1 km缓冲区域 ED最小,只有 40. 97。 另一方面,定跨港和烧香
港的 ED随缓冲距离的增加有减小的趋势,而大浦港的 ED随缓冲距离增加而增大。 ED可以反映景观中异质
性斑块之间物质、能量交换的潜力和相互影响的强度,可以表示景观整体的复杂程度[24鄄26]。
表 2摇 各缓冲区内景观格局指数
Table 2摇 Landscape metrics in each buffer zone
缓冲距离
Buffer
distance / km
斑块数量
NP Patch
number
边界密度
ED Edge
density
蔓延度指数
CONTAG
Contagion index
香浓多样性指数
SHDI Shannon忆s
diversity index
聚集度指数
AI
Aggregation
index
定跨港 1 540 66. 72 62. 40 1. 25 98. 30
DingKua 3 1041 56. 87 66. 07 1. 13 98. 58
5 1533 58. 26 69. 96 1. 16 98. 55
大浦港 1 643 40. 97 61. 05 1. 55 98. 93
DaPu 3 1452 43. 74 60. 78 1. 56 98. 91
5 2177 46. 33 58. 20 1. 60 97. 71
烧香港 1 308 50. 92 72. 97 1. 05 98. 70
ShaoXiang 3 769 49. 51 67. 52 1. 27 98. 79
5 1173 48. 74 65. 62 1. 35 98. 81
由表 2 能够看出,定跨港的蔓延度指数(CONT)随缓冲距离的增加而增加,由 1 km时的 62. 40 上升到了
3 km时的 69. 96;而其它两个港口则都随着距离的增加,蔓延度指数降低,如大浦港的 CONTAG 分别为
61郾 05、60. 78 和 58. 20。 烧香港的 CONTAG 1 km时为 72. 97,是所有缓冲区内最大的,但缓冲距离为 5 km时
6246 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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则降低到了 65. 62。
对多样性而言,一般来说各景观要素之间的面积分布越均匀,多样性越高。 本研究中大浦港的香浓多样
性指数(SHDI)是最高的,且随缓冲距离增加而增加,5 km 时达到了最大值 1. 60;定跨港相对较低,各缓冲区
内 SHDI分别为 1. 25、1. 13 和 1. 16。
定跨港的聚集指数(AI)先增加后减少,说明区域内景观的空间连接性先强后弱。 整体而言,大浦港的 AI
最大,1km缓冲区域内达到了 98. 93;5km缓冲区域内则降到了各港口的最低值 97. 71;而烧香港各缓冲区域
内的 AI较为均匀,分别为 98. 70、98. 79 和 98. 81。
2. 3摇 景观格局特征变化与河流水质响应分析
2. 3. 1摇 “源鄄汇冶景观空间负荷对比指数与河流水质
探讨景观格局特征变化与河流水质响应时,二者之间的相关系数能够在一定程度上反映 LCI与水质指标
的相关程度,但是要弄清楚其对水质指标的作用大小,还需要进一步做通径分析。 对“源鄄汇冶景观空间负荷对
比指数与河流水质主要指标做通径分析,结果见表 3。 由此可以看出,LCI与 TN和 NH+4 鄄N的相关系数分别为
-0. 683 和-0. 430,其中与 TN呈显著负相关,而与 NH+4 鄄N无显著关系。 通径分析将相关系数分为直接作用和
间接作用,显示各因素的相对重要性和相关关系大小[27鄄28]。 通径分析结果表明 LCI 对 TN 的直接作用为
0郾 266,是 4 个水质指标中最低的,它对 TN 的作用是通过间接作用表现的,对 NH+4 鄄N 的直接作用为 0. 766。
LCI通过 NP、ED和 SHDI对 TN的间接作用较大,且也是负值,通过 CONT和 AI的作用虽然为正值,但是作用
较小。
表 3摇 景观格局对水质指标的通径系数
Table 3摇 Path coefficients of landscape pattern to water quality index
水质指标
Water quality
index
景观格局
测度指标
Landscape
pattern
measure index
相关系数
Correlation
coefficient
直接作用
Direct
effect
间接作用 Dndirect effect

LCI

NP

ED

CONT

SHDI

AI
TN LCI -0. 683* 0. 266 -0. 019 -0. 620 0. 030 -0. 424 0. 083
NP -0. 383 0. 305 -0. 017 -0. 168 0. 072 -0. 415 -0. 159
ED 0. 844** 0. 740 -0. 223 -0. 069 -0. 048 0. 530 -0. 085
CONT 0. 689* -0. 151 -0. 053 -0. 145 0. 236 0. 696 0. 107
SHDI -0. 895** -0. 790 0. 143 0. 160 -0. 496 0. 133 -0. 046
AI 0. 050 0. 290 0. 076 -0. 167 -0. 218 -0. 056 0. 124
TP LCI 0. 881** 1. 512 -0. 023 -0. 203 0. 041 -0. 472 0. 028
NP -0. 198 0. 371 -0. 095 -0. 055 0. 096 -0. 462 -0. 053
ED -0. 611 0. 243 -1. 266 -0. 084 -0. 064 0. 589 -0. 028
CONT 0. 206 -0. 202 -0. 303 -0. 176 0. 077 0. 775 0. 035
SHDI 0. 128 -0. 879 0. 812 0. 195 -0. 163 0. 178 -0. 015
AI 0. 319 0. 096 0. 434 -0. 203 -0. 072 -0. 074 0. 138
CODMn LCI 0. 987** 0. 979 -0. 008 0. 158 0. 015 -0. 137 -0. 021
NP 0. 044 0. 122 -0. 062 0. 043 0. 035 -0. 134 0. 040
ED -0. 868** -0. 189 -0. 820 -0. 028 -0. 024 0. 171 0. 021
CONT -0. 191 -0. 074 -0. 196 -0. 058 -0. 060 0. 225 -0. 027
SHDI 0. 539 -0. 255 0. 526 0. 065 0. 127 0. 065 0. 011
AI 0. 210 -0. 073 0. 281 -0. 067 0. 056 -0. 027 0. 040
NH+4 LCI -0. 430 0. 766 -0. 028 -0. 713 0. 045 -0. 596 0. 096
NP -0. 464 0. 438 -0. 048 -0. 194 0. 106 -0. 583 -0. 183
ED 0. 685* 0. 852 -0. 641 -0. 100 -0. 071 0. 743 -0. 098
CONT 0. 787* -0. 223 -0. 154 -0. 208 0. 272 0. 978 0. 123
SHDI -0. 894** -1. 109 0. 411 0. 230 -0. 571 0. 197 -0. 053
AI 0. 155 0. 334 0. 220 -0. 240 -0. 251 -0. 082 0. 175
摇 摇 1) * 表示在 0. 05 水平上显著相关,** 表示在 0. 01 水平显著相关
7246摇 20 期 摇 摇 摇 王瑛摇 等:太湖流域典型入湖港口景观格局对河流水质的影响 摇
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LCI与 TP 和 CODMn 的相关系数分别为 0. 881 和 0. 987,呈极显著正相关。 LCI 对 TP 的直接作用是所有
指标中最大的,达到了 1. 512;LCI通过 SHDI和 ED对 TP 的间接作用分别为-0. 472 和-0. 203,都较大;通过
CONT和 AI对 TP 的作用虽为正值,但都非常小。 LCI对 CODMn 的的直接作用为 0. 979,通过 ED和 CONT的
正向间接作用也都较小,通过其他景观格局指标的作用都为负值,且作用较小。 此结果表明 TP 和 CODMn 在
面源污染输出中起到的作用较大,可作为衡量面源污染程度的两个主要指标。 这与岳隽、刘芳等人的研究结
果类似[16, 29]。
2. 3. 2摇 景观格局指数与河流水质
在前面通径分析的基础上,可以得到 6 个景观格局指标对各河流水质指标的回归方程:
YTN = -43. 211+0. 308XLCI+0. 06XED-0. 021XCONT-2. 496XSHDI+0. 499XAI
YTP = -0. 168+0. 047XLCI+0. 001XED-0. 074XSHDI+0. 004XAI
YCODMn =48. 368+3. 399XLCI-0. 046XED-0. 03XCONT-2. 413XSHDI-0. 372XAI
YNH4 = -7. 283+0. 143XLCI+0. 011XED-0. 005XCONT-0. 567XSHDII+0. 092XAI
由上面的回归方程及表 3 可以看出,NP 和 AI 从总体上与河流水质指标没有明显的相关关系。 ED 与
NH+4 鄄N有显著相关关系,与 TN和 CODMn 有极显著相关关系,与 TP 的相关性不显著。 ED 对 TN 的直接作用
为 0. 740,通过 SHDI对 TN的间接作用较大,为 0. 530,通过其它景观指标对 TN 的作用较小,且都是负作用;
对 TP 的直接作用为 0. 243;ED对 CODMn 的直接作用为-0. 189,表明 ED主要是通过 LCI、SHDI等其他指标对
CODMn 起间接作用;ED 对 NH
+
4 鄄N 的直接作用较大,达到了 0. 852,是几个景观指标中最高的,且 ED 通过
SHDI对 CODMn 的间接作用也较大,为 0. 743。 ED主要表示边界形状的复杂程度和景观的破碎度,基于以上
分析,表明流域景观复杂程度和破碎度与水质状况密切相关。
CONT主要与 TN 和 NH+4 鄄N 呈显著相关,且对二者的直接作用分别为-0. 151 和-0. 223,为负相关。
CONT主要表示斑块间的连接度和破碎度,本研究结果说明区域景观的破碎度会显著影响 TN 和 NH+4 鄄N 的
浓度。
本研究中 SHDI和 TN、NH+4 鄄N有极显著关系,但是 SHDI对 TN的直接作用却是所有景观指标中最小的,
仅有-0. 790,它主要通过其它景观指标对 TN产生间接作用。 SHDI对 NH+4 鄄N的直接作用为-1. 109,通过 LCI
对 NH+4 鄄N的间接作用最大,达到了 0. 411。 SHDI从斑块的分布均衡程度和类型两方面反映了景观异质性和
多样性, SHDI越高,表明景观的多样性越高,异质性越大,水体污染越轻,水质越好。
3摇 结论与讨论
本研究以太湖流域宜兴段的 3 条主要入湖港口为研究对象,通过实地调查和数据分析,计算了 3 个港口
不同缓冲区的景观空间负荷对比指数和景观格局指数,并且将其与水质指标做相关性分析后发现景观空间分
布与河流水质关系密切,通过通径分析,进一步将二者间的作用定量化,可以直观的体现景观格局变化对水质
的影响程度。
定跨港是 3 个港口中 LCI小于 0 的唯一一个港口,其“汇冶景观所占比重是 3 个港口中最大的,在 5 km缓
冲区内,生态修复、污染物截留作用较强的有林地面积比例达到了 59. 46% ,疏林地面积比例也有 2. 64% ,是 3
个港口中最高的。 相对应的水质状况也实 3 个港口中最好的。 已有研究也证明了植被可以有效改善水环境
污染[30鄄32]。
TP 和 CODMn 是衡量水体污染的两个重要指标,景观空间负荷对比指数(LCI)与 TP 和 CODMn 有极显著
关系,且 LCI对这两个水质指标的直接作用都较大,分别为 0. 266、1. 512 和 0. 979;这说明 TP 和 CODMn 可以
很好的反应区域面源污染输出状况,LCI的变化能够有效地影响水质状况。 LCI 与 TN 虽然呈负的显著相关,
但对 TN的直接作用较小,主要通过其它景观指标间接影响 TN浓度。
表征景观破碎度和异质性的边界密度(ED)与各水质指标相关性较大,对水体的直接作用也较大,对 TN、
CODMn 和 NH
+
4 鄄N的直接作用达到 0. 740、-0. 189 和 0. 852。 刘宇等人的研究也指出 ED 与土壤侵蚀、水土流
8246 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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失关系密切[26],从而影响面源污染输出物进入水体。
景观蔓延度指数(CONT)和香浓景观多样性指数(SHDI)与水质指标之间相关关系显著,二者都对水质
污染指标有直接负作用。 景观蔓延度越大,多样性越高,各斑块间的粘合度越好,景观要素之间分配均衡,面
源污染输出较少,同时也被“汇冶景观截留转化,故水质相对较好。 这说明景观格局变化对区域内港口水质有
一定影响,合理配置景观格局能够有效地治理面源污染,改善水质状况。 这一点从本次调查的 3 条港口情况
也能看出: 定跨港的 3 个缓冲区域内都是有林地,且面积最大,是构成“汇冶景观的主要贡献景观,且随着缓冲
距离增加而增大,所占比例分别达到了 48. 63% 、60. 57%和 59. 46% ;与此相对应的“源冶景观中的居民建设用
地所占比例则分别为 30. 75% 、22. 28%和 23. 73% ;对应的“源鄄汇冶景观空间负荷对比指数(LCI)为-0. 15、-
0. 35 和-0. 33。 可见,景观的域值大小、空间布局及其格局变化对水体能够产生直接和间接作用;只要“源冶、
“汇冶景观合理配置,流域面源污染的治理将会起到事半功倍的效果。
在今后太湖流域水环境治理中,应基于这一原理,注重做好区域景观格局规划,在不影响社会经济发展的
前提下,适度增加林地、湿地等“汇冶景观面积,降低农田、工业用地等“源冶景观比重。 宜兴市自 2007 年起开
始大力建设生态公益林,计划将太湖沿岸上溯 3 公里范围全部建成生态公益林区。 在景观规划中,如果有林
地面积达到 60% ,耕地与居民建设用地所占比例控制在 20%—30% ,那么,定跨港、大浦港和烧香港的 LCI 将
分别下降至-0. 47、0. 59 和 0. 57,多样性(SHDI)会分别增至 1. 25、1. 66 和 1. 41,景观异质性增大,破碎度降
低,景观格局的正效应将会更加突出,表现在水体 TN和 NH+4 鄄N含量可能将下降约 60%—80% 。 这样就能够
实现最好的水污染生态修复效果,同时也充分发挥景观的环境美化作用,推动区域社会经济又好又快地发展。
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0346 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 20 October,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Characteristics of nitrous oxide (N2O) emission from a headstream in the upper Taihu Lake Basin
YUAN Shufang, WANG Weidong (6279)
……………………………………
……………………………………………………………………………………………
Nutrient dynamics of the litters during standing and sediment surface decay in the Min River estuarine marsh
ZENG Congsheng, ZHANG Linhai, WANG Tian忆e, et al (6289)
………………………
…………………………………………………………………
Diversity and distribution of endophytic bacteria isolated from Caragana microphylla grown in desert grassland in Ningxia
DAI Jinxia, WANG Yujiong (6300)
……………
…………………………………………………………………………………………………
Spatial distribution of Trabala vishnou gigantina Yang pupae in Shaanxi Province, China
ZHANG Yiqiao, ZONG Shixiang, LIU Yonghua, et al (6308)
……………………………………………
……………………………………………………………………
Effects of drought stress on Cyclobalanopsis glauca seedlings under simulating karst environment condition
ZHANG Zhongfeng, YOU Yeming, HUANG Yuqing, et al (6318)
……………………………
…………………………………………………………………
Ecosystem diversity in Jinggangshan area, China CHEN Baoming, LIN Zhenguang, LI Zhen, et al (6326)…………………………
Niche dynamics during restoration process for the dominant tree species in montane mixed evergreen and deciduous broadleaved
forests at Mulinzi of southwest Hubei TANG Jingming, AI Xuenru,YI Yongmei, et al (6334)……………………………………
Effects of different day / night warming on the photosynthetic characteristics and chlorophyll fluorescence parameters of Sinocaly鄄
canthus chinensis seedlings XU Xingli,JIN Zexin,HE Weiming, et al (6343)……………………………………………………
The effect of simulated chronic high wind on the phenotype of Salsola arbuscula
NAN Jiang,ZHAO Xiaoying, YU Baofeng (6354)
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Responses of N and P stoichiometry on mulching management in the stand of Phyllostachys praecox
GUO Ziwu, CHEN Shuanglin, YANG Qingping, et al (6361)
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Tree鄄ring鄄based reconstruction of the temperature variations in February and March since 1890 AD in southern Jiangxi Province,
China CAO Shoujin, CAO Fuxiang, XIANG Wenhua (6369)……………………………………………………………………
Diel variations and seasonal dynamics of soil respirations in subalpine meadow in western Sichuan Province, China
HU Zongda,LIU Shirong,SHI Zuomin, et al (6376)
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Effects of fire disturbance on litter mass and soil carbon storage of Betula platyphylla and Larix gmelinii鄄Carex schmidtii swamps
in the Xiaoxing忆an Mountains of Northeast China ZHOU Wenchang, MU Changcheng, LIU Xia, et al (6387)…………………
Variance analysis of soil carbon sequestration under three typical forest lands converted from farmland in a Loess Hilly Area
TONG Xiaogang, HAN Xinhui, WU Faqi, et al (6396)
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Soil鄄property and plant diversity of highway rocky slopes PAN Shulin,GU Bin,LI Jiaxiang (6404)……………………………………
Effects of slope position on soil microbial biomass of Quercus liaotungensis forest in Dongling Mountain
ZHANG Di, ZHANG Yuxin, QU Laiye, et al (6412)
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Responses of water quality to landscape pattern in Taihu watershed: case study of 3 typical streams in Yixing
WANG Ying, ZHANG Jianfeng, CHEN Guangcai, et al (6422)
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Study on the fairness of resource鄄environment system of Jiangxi Province based on different methods of Gini coefficient
HUANG Heping (6431)
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Simulation of the spatial pattern of land use change in China: the case of planned development scenario
SUN Xiaofang, YUE Tianxiang, FAN Zemeng (6440)
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Arable land change dynamics and their driving forces for the major countries of the world ZHAO Wenwu (6452)……………………
Denitrification characteristics of an aerobic denitrifying bacterium Defluvibacter lusatiensis str. DN7 using different sources of nitrogen
XIAO Jibo, JIANG Huixia, CHU Shuyi (6463)
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Study on sustainable development in nanjing based on ecological footprint model ZHOU Jing, GUAN Weihua (6471)………………
Applying input鄄output analysis method for calculation of water footprint and virtual water trade in Gansu Province
CAI Zhenhua, SHEN Laixin, LIU Junguo, et al (6481)
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Correlation analysis of spatial variability of Soil available nitrogen and household nitrogen inputs at Pujiang County
FANG Bin, WU Jinfeng, NI Shaoxiang (6489)
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Characteristics of the fish assemblages in the intertidal salt marsh zone and adjacent mudflat in the Yangtze Estuary
TONG Chunfu (6501)
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A comparison study on the secondary production of macrobenthos in different wetland habitats in Shenzhen Bay
ZHOU Fufang, SHI Xiuhua, QIU Guoyu, et al (6511)
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Regurgitant from Orgyia ericae Germar induces calcium influx and accumulation of hydrogen peroxide in Ammopiptanthus
mongolicus (Maxim. ex Kom. ) Cheng f. cells GAO Haibo, ZHANG Shujing,SHEN Yingbai (6520)…………………………
Behavior characteristics and habitat adaptabilities of the endangered butterfly Teinopalpus aureus in Mount Dayao
ZENG Juping, ZHOU Shanyi, DING Jian, et al (6527)
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Community structure and dynamics of fig wasps in syconia of Ficus microcarpa Linn. f. in Fuzhou
WU Wenshan, ZHANG Yanjie, LI Fengyu, et al (6535)
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Review and Monograph
Review and trend of eco鄄compensation mechanism on river basin ZHANG Zhiqiang, CHENG Li,SHANG Haiyang, et al (6543)……
Definition and research progress of sustainable consumption: from industrial ecology view
LIU Jingru, LIU Ruiquan, YAO Liang (6553)
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The estimation and application of the water footprint in industrial processes JIA Jia, YAN Yan, WANG Chenxing, et al (6558)……
Research progress in ecological risk assessment of mining area PAN Yajing,WANG Yanglin,PENG Jian, et al (6566)………………
Scientific Note
Litter amount and its dynamic change of four typical plant community under the fenced condition in desert steppe
LI Xuebin, CHEN Lin, ZHANG Shuoxin, et al (6575)
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Effects of planting densities and modes on activities of some enzymes and yield in summer maize
LI Hongqi, LIN Haiming,LIANG Shurong, et al (6584)
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《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的生态学专业性高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研
究原始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、
新方法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
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第 32 卷摇 第 20 期摇 (2012 年 10 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA

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