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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 8 期摇 摇 2012 年 4 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
东北地区 5 种阔叶树苗木对火烧的生理响应 王摇 荣,胡海清 (2303)……………………………………………
梭梭木虱发生规律及其影响因子 李粉莲,吴雪海,王佩玲,等 (2311)……………………………………………
基于遥感降尺度估算中国森林生物量的空间分布 刘双娜,周摇 涛,舒摇 阳,等 (2320)…………………………
流域景观格局与河流水质的多变量相关分析 赵摇 鹏,夏北成,秦建桥,等 (2331)………………………………
内蒙古达赉湖地区赤狐生境选择及生境景观特征分析 张洪海,李成涛,窦华山,等 (2342)……………………
雅鲁藏布江流域底栖动物多样性及生态评价 徐梦珍,王兆印,潘保柱,等 (2351)………………………………
用组合模型综合比较的方法分析气候变化对朱鹮潜在生境的影响 翟天庆,李欣海 (2361)……………………
2010 年牧区 2 代草地螟成虫迁飞的虫源分析 张摇 丽,张云慧,曾摇 娟,等 (2371)……………………………
基于细胞色素 b基因的中国岩羊不同地理种群遗传差异分析 李楠楠,刘振生,王正寰,等 (2381)……………
喀斯特峰丛洼地不同退耕还林还草模式的土壤微生物特性 鹿士杨,彭晚霞,宋同清,等 (2390)………………
永定河沿河沙地杨树人工林生态系统呼吸特征 方显瑞,张志强,查同刚,等 (2400)……………………………
基于湿地植物光谱的水体总氮估测 刘摇 克,赵文吉,郭逍宇,等 (2410)…………………………………………
背瘤丽蚌 F型线粒体基因组全序列分析 陈摇 玲,汪桂玲,李家乐 (2420)………………………………………
流域“源鄄汇冶景观格局变化及其对磷污染负荷的影响———以天津于桥水库流域为例
李崇巍,胡摇 婕,王摇 飒,等 (2430)
…………………………
……………………………………………………………………………
线虫群落对抚顺煤矸石山周边土壤可溶性盐污染的响应 张伟东,吕摇 莹,肖摇 莹,等 (2439)…………………
地上竞争对林下红松生物量分配的影响 汪金松,范秀华,范摇 娟,等 (2447)……………………………………
湿地松和马尾松人工林土壤甲烷代谢微生物群落的结构特征 王摇 芸,郑摇 华,陈法霖,等 (2458)……………
马尾松和杉木树干韧皮部水溶性糖 啄13C值对气象因子的响应 卢钰茜,王振兴,郑怀舟,等 (2466)…………
沙坡头人工植被演替过程的土壤呼吸特征 高艳红,刘立超,贾荣亮,等 (2474)…………………………………
豫西刺槐能源林的热值动态 谭晓红,刘诗琦,马履一,等 (2483)…………………………………………………
铁皮石斛种子的室内共生萌发 吴慧凤,宋希强,刘红霞 (2491)…………………………………………………
红光与远红光比值对温室切花菊形态指标、叶面积及干物质分配的影响
杨再强,张继波,李永秀,等 (2498)
………………………………………
……………………………………………………………………………
扑草净对远志幼苗根系活力及氧化胁迫的影响 温银元,郭平毅,尹美强,等 (2506)……………………………
地表臭氧浓度增加和 UV鄄B辐射增强及其复合处理对大豆光合特性的影响
郑有飞,徐卫民,吴荣军,等 (2515)
……………………………………
……………………………………………………………………………
AMF对喀斯特土壤枯落物分解和对宿主植物的养分传递 何跃军,钟章成,董摇 鸣 (2525)……………………
传统豆酱发酵过程中细菌多样性动态 葛菁萍,柴洋洋,陈摇 丽,等 (2532)………………………………………
定位施肥对紫色菜园土磷素状况的影响 孙倩倩,王正银,赵摇 欢,等 (2539)……………………………………
基于生态需水保障的农业生态补偿标准 庞爱萍,孙摇 涛 (2550)…………………………………………………
保障粮食安全造成的生态价值损失评估模型及应用 芦蔚叶,姜志德,张应龙,等 (2561)………………………
专论与综述
疏浚泥用于滨海湿地生态工程现状及在我国应用潜力 黄华梅,高摇 杨,王银霞,等 (2571)……………………
问题讨论
厌氧氨氧化菌群体感应系统研究 丁摇 爽,郑摇 平,张摇 萌,等 (2581)……………………………………………
基于形态结构特征的洞庭湖湖泊健康评价 帅摇 红,李景保,夏北成,等 (2588)…………………………………
研究简报
黄土高原不同树种枯落叶混合分解效应 刘增文,杜良贞,张晓曦,等 (2596)……………………………………
不同经营类型毛竹林土壤活性有机碳的差异 马少杰,李正才,王摇 斌,等 (2603)………………………………
干旱对辣椒光合作用及相关生理特性的影响 欧立军,陈摇 波,邹学校 (2612)…………………………………
硅和干旱胁迫对水稻叶片光合特性和矿质养分吸收的影响 陈摇 伟,蔡昆争,陈基宁 (2620)…………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*326*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*36*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄04
封面图说: 红树林粗大的气生根———红树林是热带、亚热带海湾及河口泥滩上特有的常绿灌木或乔木群落。 由于海水环境条
件特殊,红树林植物具有一系列特殊的生态和生理特征。 其中之一就是气根,红树从根部长出许多指状的气生根露
出海滩地面,以便在退潮时甚至潮水淹没时用以通气,故称呼吸根。 在中国,红树林主要分布在海南、广西、广东和
福建省沿海,它一般分布于高潮线与低潮线之间的潮间带,往往潮差越大、红树的呼吸根就长得越高越粗大。
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 8 期
2012 年 4 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 8
Apr. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:科技部东江水专项(2008ZX07211-009);广州市科信局应用基础研究专项(2011J4100103)
收稿日期:2011鄄03鄄14; 摇 摇 修订日期:2011鄄08鄄01
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: xiabch@ mail. sysu. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201103140315
赵鹏,夏北成,秦建桥,赵华荣.流域景观格局与河流水质的多变量相关分析.生态学报,2012,32(8):2331鄄2341.
Zhao P, Xia B C, Qin J Q, Zhao H R. Multivariate correlation analysis between landscape pattern and water quality. Acta Ecologica Sinica,2012,32(8):
2331鄄2341.
流域景观格局与河流水质的多变量相关分析
赵摇 鹏1,夏北成1,*,秦建桥2,赵华荣1,3
(1. 中山大学环境科学与工程学院,广州摇 510275; 2. 广东省环境科学研究院,广州摇 510045
3. 桂林理工大学环境科学与工程学院,广西桂林摇 541004)
摘要:流域内的景观格局改变是人类活动的宏观表现,会对河流水质产生显著影响,因此明确影响水质变化的关键景观因子,对
于深入了解景观对水质的影响机制具有重要的研究价值。 选择广东省淡水河流域为研究对象,以 2007 年 ALOS卫星影像以及
水质监测数据为基础,运用空间分析和多变量分析方法,分析淡水河流域景观格局与河流水质的相关关系。 用包括流域和河岸
带尺度的景观组成和空间结构信息的景观指数表征景观格局,用 Spearman 秩相关分析、多元线性逐步回归模型和典型相关分
析(CCA)研究景观指数和水质指标的相关关系。 研究结果表明:林地、城镇用地和农业用地占淡水河流域总面积超过 90% ,其
中城镇用地超过 20% 。 多元线性逐步回归分析和 CCA结果说明水质指标受到多个景观指数的综合影响,反映了景观格局对水
质的复杂影响机制。 流域景观格局对河流水质有显著影响,流域尺度的景观指数比河岸带尺度的景观指数对水质影响更大。
城镇用地比例是影响耗氧污染物和营养盐等污染物浓度最重要的景观指数,林地和农业用地对水质的影响较小。 另外,景观破
碎化对 pH值、溶解氧和重金属等水质指标有显著影响。 CCA的第一排序轴解释了景观指数与水质指标相关性的 54. 0% ,前两
排序轴累积能解释景观指数与水质指标相关性的 87. 6% ,前两轴分别主要表达了城市化水平和景观破碎化水平的变化梯度。
淡水河流域的景观格局特征从上游到下游呈现出城市—城乡交错—农村的景观梯度,水质变化也对应了这个梯度的变化,说明
人类活动引起的流域土地覆盖及土地管理措施变化会对水质变化产生显著影响。
关键词:景观格局;景观指数;水质;典型相关分析
Multivariate correlation analysis between landscape pattern and water quality
ZHAO Peng1, XIA Beicheng1,*, QIN Jianqiao2, ZHAO Huarong1,3
1 School of Environmental Science and Engineering, Sun鄄Yat鄄Sen University, Guangzhou 510275, China
2 Guangdong Provincial Academy of Environmental Science, Guangzhou 510045, China
3 School of Environmental Science and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China
Abstract: Water quality variation is generally linked to the change of landscape pattern in watershed, which represents the
main impact of human activities in macroscopic view. Therefore, identifying the crucial landscape factors that affect water
quality variation is valuable for understanding the mechanism that landscape may affect water quality. Multivariate analysis
tools are effective methods to deal with complex correlations between landscape pattern and water quality. Besides,
advances of remote sensing (RS) and geographic information systems (GIS) technologies have made regional and watershed
scale studies much more feasible. This study was conducted along Danshui River watershed, a branch of Dongjiang River in
Guangdong Province. The correlation between landscape pattern and water quality of Danshui River was represented by
using spatial analysis and multivariate analysis methods base on ALOS satellite image and water quality monitoring data in
2007. Landscape metrics, including information of landscape composition and spatial configuration, were used to represent
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landscape pattern. In order to cover overall landscape information, landscape metrics on both watershed scale and riparian
scale were used. Spearman忆 s rank correlation analysis, multiple linear regression models with step鄄wise and canonical
correlation analysis (CCA) were used to reveal the linkage between landscape metrics and water quality. The results show
that forest, urban and agriculture land use are accounted for more than 90% of the total area in Danshui River watershed,
while the area proportion of urban land exceeds 20% . Results of multiple linear regression models with step鄄wise and CCA
showed that water quality indicators were affected by more than one landscape metric. The variation of water quality was
influenced by landscape pattern significantly. The landscape metrics in watershed scale revealed more information of water
quality variation than landscape metrics in riparian scale. The proportion of urban land use proportion had the greatest
impact on water quality. Spearman忆s rank correlation analysis and multiple linear regression models showed the proportion of
urban land use was the most important contributing factor to cause variation of oxygen consuming pollutants and nutrients.
However, forest and agriculture land use had less influence on water quality. On the other hand, landscape metrics about
landscape fragmentation were crucial factors to affect indicators of water quality, such as pH, DO and heavy metals. The
result of CCA indicated that the first ordination axis could explain 54. 0% of the correlations between landscape metrics and
water quality indicators, and the first two ordination axes could cumulatively explain 87. 6% of the correlations between
landscape metrics and water quality. The result of CCA revealed that water quality had an obvious trend with the varying
landscape gradient. The first two ordination axes mainly represented urbanization gradient and landscape fragmentation
gradient respectively. Landscape characteristics in the study area showed a gradient of urban, urban鄄rural fringe, rural from
upstream to downstream of Danshui River watershed. The distribution of pollutants concentration was corresponded with the
gradient of landscape pattern in the watershed. Land use and cover change is an integrated result due to human activities,
and change the state of eco鄄system of river and watershed significantly. It忆s highly reasonable that the water quality must
correspond to the change of watershed landscape.
Key Words: landscape pattern; landscape metrics; water quality; canonical correlation analysis
从景观生态学出现以来,景观格局与生态过程的关系一直都是该学科的关键论题[1]。 河流汇水区景观
格局与河流水质变化有密切的联系[2鄄3]。 随着人类活动的增加,流域内的土地覆盖逐渐从自然植被转变为以
人类活动为主导的农业、城镇用地,从而导致河流水质的退化[4鄄8]。 在许多地区点源污染已经得到有效控制
的情况下,非点源污染因其污染的广泛性、不确定性成为影响河流水质的重要原因之一,而景观格局是影响非
点源污染负荷的主要因素之一[9鄄10]。 单纯的水质监测评价和点源污染治理等管理措施不足以面对快速城市
化过程中引起的河流水质恶化、水生生态系统退化等问题。 使用与水质显著相关的景观格局指数作为景观尺
度上的景观环境指标,可以直接反映水质变化的原因,对于水质监测、流域管理等有重要的意义[11]。 目前,国
内外已有相关研究分析了景观组成(如森林、城镇、农田等) [12鄄14]、景观空间结构(不同类型斑块的大小、形状
和分布等) [3鄄5, 15]以及不同景观研究尺度(河岸带、流域尺度等) [16鄄18]对水质的影响。
景观指数众多,而且有些指标间还存在信息冗余,如何选出少量的关键性指标,建立景观指标与水质指标
之间的联系并能够阐明其影响的机理,成为研究景观对水质影响的焦点[5, 19鄄20]。 由于景观格局与河流水质之
间的关系非常复杂,仅仅求出景观变量和水质指标之间的单因素相关关系不足以完整、准确地说明景观对水
质的影响。 以多变量分析方法(如多元线性回归分析、主成分分析、典型相关分析等)直接从多个相关因素中
提取重要的因子,可以避免依靠经验选取指标时可能导致的指标间信息冗余,并更加清晰地突显景观格局与
河流水质之间的关键因素及其相关关系。 本研究以淡水河流域为研究对象,在流域尺度和河岸带尺度上,用
包含景观组成和结构信息的景观指数表征景观格局状况,通过 Spearman秩相关分析、多元线性逐步回归分析
和典型相关分析方法研究景观指数和河流水质指标(以下简称景观鄄水质)的相关关系,探讨景观格局对河流
水质的影响。
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1摇 研究区域概况
摇 图 1摇 淡水河流域位置、水质监测断面所控制的汇水区和土地利
用类型(D1—D7,P1—P4 为水质监测断面)
Fig. 1摇 Location of Danshui River Watershed,upland catchments
of monitoring sections and land use type( D1—D7,P1—P4 were
water monitoring sections)
淡水河是广东省境内东江之西枝江下游的一个二
级支流,发源于深圳龙岗的梧桐山(在深圳境内称为龙
岗河),于惠州的惠阳区淡水镇进入惠州(惠州境内称
为淡水河),在惠州市马安镇汇入西枝江(图 1)。 全长
约 95 km,流域面积约 1300 km2。 位于北回归线以南,
濒临南海,地处亚热带,属南亚热带海洋性气候。 流域
多年平均降雨量为 1649 mm,且雨季集中于 4—9月,雨
季降雨量占全年的 80% 。 多年平均气温 21. 7 益,年内
温差较小。 土壤分布主要为砂页岩赤红壤,其次为砂页
岩红泥田,土层较浅,多含砾石,保水保肥差,肥力不高。
淡水河流域上游地区城镇化程度高、工业发达,中下游
地区原来以农业为主,近年来城镇化、工业发展也非常
迅速,生活污水,工业废水及面源污染导致淡水河生态
环境急剧恶化。
2摇 数据与方法
2. 1摇 水质数据
采用 2007 年淡水河常规水质监测数据,逢单月上
旬采样监测,水质指标包括酸碱度 ( pH 值)、溶解氧
(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、5 日生物化学需氧量
(BOD5)、化学需氧量(CODCr)、氨氮(NH3 鄄N)、总氮(TN)、总磷(TP)、石油类(Oil)、铜(Cu)、锌(Zn)、氟化物
(F)和阴离子表面活性剂(LAS)共 13 项。 水质测试采用国家标准分析方法[21]。 一共有 11 个常规监测断面,
D1—D7 是位于淡水河主干流上从上游至下游的 7 个水质监测断面,P1—P4 是位于淡水河主要支流坪山河干
流上从上游至下游的 4 个水质监测断面(图 1)。
2. 2摇 景观组成及景观指数
利用遥感影像为 2007 年 10 月 24 日 ALOS卫星影像(分辨率为 2. 5 m)获取研究区的土地利用信息。 采
用 ENVI4. 5 对遥感影像数据进行大气辐射校正、几何校正等预处理,然后利用 ArcGIS9. 2 进行人工目视解译
和数字化,并结合实地调查,将研究区域的土地利用类型分为林地、城镇用地(包括工矿仓储用地、住宅用地、
商服用地和交通运输用地)、农业用地(包括农田和果园)、水域(包括河流水面、水库水面和坑塘水面)、草地、
裸地,一共 6 类。 以 SRTM的高程图(90 m分辨率)为基础,利用 ArcGIS的水文分析模块,获得淡水河流域范
围、河网分布以及各监测断面的上游控制区域。 河岸带尺度的研究范围取河道两岸各 100 m宽的缓冲带[16]。
利用 ArcGIS中的 Patch Analyst 4 模块计算研究区流域尺度和河岸带尺度的景观水平和类型水平上的的
景观组成和景观指数,其中类型水平选取研究区内占主导地位的 3 种土地利用类型林地、城镇用地和农业用
地。 所选景观指数包括斑块大小、边界与形状、景观多样性三大类,其中景观多样性指数仅在景观水平上进行
分析。 另外考虑到林地独特的生态功能,还加入表征林地斑块的核心区域特征的景观指数(如核心区域密
度、核心区域指数等),核心区域的缓冲区采用 200 m。 由于河岸带尺度较小,以及人为划出缓冲带切割对许
多斑块的形状和边界产生的影响较大,因此在河岸带尺度上仅考虑景观多样性和斑块大小的景观指数。
在景观指数中,部分指数之间存在信息重复,为突出对水质有重要影响的关键景观指数,对所有的景观指
数进行两两之间的 Spearman秩相关分析,筛选出相互独立,不存在显著相关关系(P<0. 05)的景观指标体系。
显著相关的景观指数中,优先选择经文献研究证明对水质变化有较大影响的景观变量[3鄄5, 15]。
通过 Spearman秩相关分析后,筛选出相互独立的景观变量如下:林地面积比例、城镇用地比例、农业用地
3332摇 8 期 摇 摇 摇 赵鹏摇 等:流域景观格局与河流水质的多变量相关分析 摇
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比例、面积加权斑块分型指数(AWMPFD)、林地核心区域密度(CAD)、城镇用地边界密度(ED)、农业用地最
大斑块指数(LPI)、河岸带城镇用地比例和河岸带林地平均最近邻距离(MNN)。 这些景观变量包含了流域尺
度和河岸带尺度上景观组成和结构的信息(表 1)。
表 1摇 景观指数描述
Table 1摇 Description of selected Landscape metrics
景观指数 Landscape metrics 计算公式 Formulations
林地比例 / % 林地比例=(林地面积 /流域总面积)伊100%
城镇用地比例 / % 城镇用地比例=(城镇用地面积 /流域总面积)伊100%
农业用地比例 / % 农业用地比例=(农业用地面积 /流域总面积)伊100%
面积加权斑块分型指数
面积加权斑块分型指数 = 移
m
i = 1
移
n
j = 1
2ln 0. 25P( )ij
ln a( )ij
aij( )[ ]流域总面积
a为斑块面积,P为斑块周长,m为斑块类型,n为斑块数量
林地核心区域密度 / (1 / m2) 林地核心区域密度=林地核心区域数量 /流域总面积
城镇用地边界密度 / (m / hm2) 城镇用地边界密度=(城镇用地斑块边界长度 /流域总面积)伊10000
农业用地最大斑块指数 / %
农业用地最大斑块指数=[max(A j) /流域总面积]伊100
A为农业用地斑块面积,j为农业用地斑块数量
河岸带城镇用地比例 / % 河岸带城镇用地比例=(河岸带城镇用地面积 /河岸带总面积)伊100%
河岸带林地平均最近邻距离 / m 河岸带林地平均最近邻距离=
移
n
j = 1
D j
n
D为最近邻河岸带林地斑块之间的距离,n为河岸带林地斑块的数量
2. 3摇 统计分析
用每个监测断面各种水质指标的标准变异系数(Standardized coefficients of variation, CV)表示水质指标
的变化情况,计算公式:
CV = (SD / x)伊100% (1)
式中, SD为水质指标的标准偏差,x为样本均值。
为了解景观特征对水质指标的影响,使用 Spearman 非参数检验方法检验景观指数与水质指标之间的相
关性,并建立景观鄄水质的多元线性逐步回归模型,用变量 F 显著性概率作为评判标准检验,评判进入值的标
准值为 0. 05,评判剔除值的标准值为 0. 10,对每一个水质指标,通过回归统计特征(P,R2),选择最优模型。
用典型相关分析(Canonical Correspondence Analysis,CCA)研究景观鄄水质两组变量之间复杂的相关关系。
CCA是用于分析两个随机向量之间相关程度的一种多元统计方法,其基本思想是在矢量的线性函数空间中
查找使得映射后变量相关系数最大的一对线性变换[22]。 在 CCA 结果图中,箭头表示景观指数,箭头连线的
长度表示该景观指数的相对作用大小,箭头连线与排序轴的夹角表示该景观指数与排序轴相关性的大小,箭
头的方向表示该景观指数的变化梯度方向[23]。 分析时,可以做出某水质指标与景观指数连线的垂直线,垂直
线与连线相交点距离箭头越近,说明该水质指标或监测断面与该景观指数的正相关性越大,处于另一端则表
示负相关性越大[24]。 CCA结果图可以直观地把景观指数、水质指标以及样本点同时表达在排序轴的坐标平
面上,以显示在一定的景观梯度下水质指标和样本点的分布情况。 用 Monte Carlo tests检验景观鄄水质相关系
数和 CCA排序轴的显著性。 所有统计分析都在 SPSS17. 0 以及 PC鄄ord5. 0[25]环境下完成。
3摇 研究结果
3. 1摇 各监测断面水质指标分异特征
摇 摇 从 2007 年淡水河流域 11 个水质监测断面水质指标统计信息可以看出,pH 和 DO 相对其他水质指标时
空变化较小,CV分别为 2. 03%和 39. 39% ,时空变化较大的水质指标有 CODMn、BOD5、TP、Oil 和 LAS,CV 均
大于 100% (表 2)。
4332 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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表 2摇 淡水河 2007 年各监测断面各项水质指标的统计信息
Table 2摇 Water quality statistics of Danshui river watershed in 2007
水质指标
Water quality variables
平均值(变化范围)
Mean value(range)
标准偏差
Standard deviation
标准变异系数
Standardized coefficients of variation / %
pH 7. 26(7. 05—7. 81) 0. 15 2. 03
DO / (mg / L) 4. 16(0. 60—8. 02) 1. 64 39. 39
CODMn / (mg / L) 7. 95(1. 03—46. 05) 8. 32 104. 69
CODCr / (mg / L) 34. 89(5. 53—113. 93) 26. 15 74. 94
BOD5 / (mg / L) 12. 42(1. 40—77. 90) 16. 05 129. 24
NH3 鄄N / (mg / L) 8. 54(0. 07—20. 17) 5. 83 68. 28
TP / (mg / L) 1. 31(0. 02—5. 81) 1. 36 103. 61
TN / (mg / L) 12. 93(0. 53—26. 96) 7. 61 58. 82
Oil / (mg / L) 0. 61(0. 01—4. 78) 0. 86 140. 48
Cu / (mg / L) 0. 11(0. 003—0. 37) 0. 10 91. 57
Zn / (mg / L) 0. 17(0. 01—0. 16) 0. 16 95. 29
F / (mg / L) 0. 59(0. 08—1. 64) 0. 46 78. 84
LAS / (mg / L) 0. 45(0. 02—2. 63) 0. 49 111. 11
摇 摇 酸碱度 pH;溶解氧 DO;高锰酸盐指数 CODMn;5 日生物化学需氧量 BOD5;化学需氧量 CODCr;氨氮 NH3 鄄N;总氮 TN;总磷 TP;石油类 Oil;铜
Cu;锌 Zn;氟化物 F;阴离子表面活性剂 LAS
3. 2摇 土地利用结构
以各水质监测点上游汇水区为区域,分别计算其流域和河岸带两个尺度的分类结果(图 2)。 在流域尺度
上,各区域土地利用都是以林地为主,其次是城镇用地,有少数区域农业用地占较大比例,这 3 种土地利用类
型的总面积占总面积接近 90%或更高。 淡水河流域城镇用地所占比例超过 20% ,在个别小流域超过 30% ,
城市化程度较高。 在河岸带尺度上也是林地、城镇用地和农业用地 3 种土地利用类型占主导地位,但是林地
所占的比例下降,而城镇用地和农业用地所占的比例更大。 淡水河流域沿程从上游到下游,林地比例变化不
大,城镇用地比例逐渐减少,农业用地比例逐渐增大。
图 2摇 淡水河 11 个常规水质监测点上游汇水区土地利用分类结果
Fig. 2摇 The land use characteristics of those upland catchments of 11 sampling sections in Danshui River Watershed
A:流域尺度,B:河岸带尺度, D1—D7,P1—P4 为水质监测断面
3. 4摇 景观鄄水质的多变量相关分析结果
3. 4. 1摇 景观鄄水质单因子相关分析结果
摇 摇 从 Spearman 秩相关分析结果可看出,pH 值与 Agr% 负相关,与 F_CAD、R_Urb% 正相关。 DO 仅与
AWMPFD负相关,与其他景观指数都无显著相关关系。 CODMn、BOD5 和 TP 都是与 Urb%和 U_ED正相关,而
CODCr、TN和 Oil都与 Urb%和 R_Urb%正相关。 Cu和 F分别与都与 U_ED 和 Urb%正相关,而都与 A_LPI负
5332摇 8 期 摇 摇 摇 赵鹏摇 等:流域景观格局与河流水质的多变量相关分析 摇
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相关。 Zn与 AWMPFD正相关而与 For%负相关。 LAS 与所有景观指数都无显著相关关系,所有水质指标与
R_F_MNN也都无显著相关关系(表 3)。
表 3摇 景观鄄水质的 Spearman秩相关系数
Table 3摇 Spearman忆s rank correlation coefficients of landscape metrics and water quality indices
景观指数
Landscape metrics pH DO
CODMn CODCr BOD5 NH3 鄄N TP
林地比例 / % 0. 273 0. 136 -0. 391 -0. 573 -0. 455 -0. 455 -0. 355
城镇用地比例 / % 0. 273 0. 091 0. 855** 0. 927** 0. 891** 0. 745** 0. 682*
农业用地比例 / % -0. 800** -0. 382 -0. 382 -0. 245 -0. 355 -0. 218 -0. 282
面积加权斑块分型指数 -0. 439 -0. 693* -0. 018 0. 060 -0. 152 0. 337 -0. 051
林地核心区域密度 0. 724* 0. 173 0. 200 0. 114 0. 050 0. 415 0. 159
城镇用地边界密度 0. 127 0. 073 0. 700* 0. 509 0. 755** 0. 373 0. 709*
农业用地最大斑块指数 -0. 068 0. 565 -0. 396 -0. 264 -0. 296 -0. 515 -0. 405
河岸带城镇用地比例 / % 0. 618* 0. 145 0. 500 0. 609* 0. 436 0. 555 0. 236
河岸带林地平均最近邻
距离 0. 073
-0. 464 0. 518 0. 582 0. 445 0. 473 0. 227
景观指数
Landscape metrics TN Oil Cu Zn F LAS
林地比例 / % -0. 545 -0. 645* -0. 323 -0. 636* -0. 400 -0. 409
城镇用地比例 / % 0. 745** 0. 909** 0. 574 0. 355 0. 627* 0. 573
农业用地比例 / % -0. 073 -0. 200 -0. 314 0. 345 -0. 227 0. 018
面积加权斑块分型指数 0. 531 0. 236 0. 009 0. 656* 0. 208 0. 420
林地核心区域密度 0. 410 0. 214 0. 057 0. 096 0. 260 0. 314
城镇用地边界密度 0. 145 0. 327 0. 715* -0. 164 0. 418 0. 218
农业用地最大斑块指数 -0. 433 -0. 433 -0. 703* -0. 460 -0. 665* -0. 282
河岸带城镇用地比例 / % 0. 664* 0. 636* 0. 096 0. 073 0. 345 0. 409
河岸带林地平均最近邻
距离 0. 591 0. 573 0. 278 0. 018 0. 418 0. 400
摇 摇 *:在 0. 05 水平上显著相关; **:在 0. 01 水平上显著相关;其他无显著相关性; 林地面积比例 For% ;城镇用地比例 Urb% ;农业用地比例
Agr% ;面积加权斑块分型指数 AWMPFD;林地核心区域密度 F_CAD;城镇用地边界密度 U_ED;农业用地最大斑块指数 A_LPI;河岸带城镇用地
比例 R_Urb% ;河岸带林地平均最近邻距离 R_F_MNN
3. 4. 1摇 多元线性回归分析结果
由于各个景观指数综合作用于河流水质,因此在单因子分析的基础上,进行多变量相关分析,在众多寻找
影响水质指标变化的关键景观指数。
水质指标与景观指数的多元线性逐步回归模型都达到显著性水平(P<0. 05),pH值、TN、石油类和 Cu 受
到景观影响较大(R2>0. 8),CODMn、BOD5、TP、Zn和氟化物受到景观影响较小(R2 <0. 5)。 不同水质指标受到
不同景观指数的影响,被选入回归模型的景观指数有城镇用地比例、林地核心区域密度、面积加权斑块分型指
数、河岸带城镇用地比例、河岸带林地平均最近邻距离、城镇用地边界密度、农业用地最大斑块指数和林地比
例。 CODMn、CODCr、NH3 鄄H、TP、TN、石油类、氟化物和 LAS都主要受城镇用地比例的影响,且都与城镇用地比
例正相关。 pH、TN、石油类和 Cu的方程都选择了多个景观指数作为主要景观影响因子(表 4)。
3. 4. 2摇 典型相关分析结果
景观鄄水质的相关系数和 CCA前两排序轴都达到显著水平(P<0. 05),第一排序轴解释了景观鄄水质相关
性的 54. 0% ,前两排序轴累积能解释景观鄄水质相关性的 87. 6% 。 第一轴与城镇用地比例、河岸带林地平均
最近邻距离和河岸带城镇用地比例的相关性较高,相关系数分别为-0. 879、-0. 620 和-0. 609,主要表达了城
市化水平的变化梯度。 第二轴与面积加权斑块分型指数、农业用地最大斑块指数和林地核心区域密度的相关
性较高,相关系数分别为-0. 784、0. 609 和 0. 539,主要表达了景观破碎化的变化梯度(表 5)。 淡水河流域水
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质的变化主要受到城市化和景观破碎化的影响,其中城市化是最主要的影响因素。
表 4摇 景观鄄水质的最优多元线性逐步回归模型
Table 4摇 The optimal multiple linear regression models with stepwise of landscape metrics and water quality indices
水质指标
Water quality indices
逐步回归方程
Multiple linear regression models with step鄄wise R
2 P
pH pH=8. 651+0. 617 X1 -1. 297 X2 0. 959 <0. 001
DO DO=1. 970+8. 171 X1 0. 610 0. 005
CODMn CODMn =-0. 976+0. 590 X3 0. 476 0. 019
CODCr CODCr =-36. 046+2. 364 X3 0. 695 0. 001
BOD5 BOD5 =-17. 696+0. 820 X4 0. 419 0. 031
氨氮 氨氮=-8. 480+0. 567 X3 0. 759 <0. 001
TP TP =-1. 716+0. 101 X3 0. 451 0. 024
TN TN=-134. 064+0. 574 X3 +108. 230 X2 0. 847 0. 001
石油类 石油类=-0. 996+0. 110 X3 -0. 009 X5 0. 802 0. 002
Cu Cu=-0. 603+0. 053 X6 -0. 073 X7 -0. 0008 X5 0. 881 0. 001
Zn Zn=0. 907-0. 014 X8 0. 449 0. 024
氟化物 氟化物=-0. 507+0. 036 X3 0. 391 0. 040
LAS LAS=-0. 362+0. 027 X3 0. 565 0. 008
摇 摇 酸碱度 pH;溶解氧 DO;高锰酸盐指数 CODMn;5 日生物化学需氧量 BOD5;化学需氧量 CODCr;总氮 TN;总磷 TP;铜 Cu;锌 Zn;阴离子表面活
性剂 LAS; 林地核心区域密度 X1; 面积加权斑块分型指数 X2;城镇用地比例 X3;河岸带城镇用地比例 X4;河岸带林地平均最近邻距离 X5;城镇
用地边界密度 X6;农业用地最大斑块指数 X7;林地比例 X8
摇 摇 摇 摇 表 5摇 景观指数与 CCA前两轴的典型相关系数
Table 5摇 The canonical correlation coefficients of landscape metrics
and first two CCA ordinations
景观指数
Landscape metrics
第一轴
Axis 1
第二轴
Axis 2
城镇用地比例 / % -0. 879 -0. 084
林地比例 / % 0. 437 0. 259
农业用地比例 / % 0. 497 -0. 339
面积加权斑块分型指数 0. 055 -0. 784
林地核心区域密度 0. 313 0. 539
城镇用地边界密度 -0. 557 0. 197
农业用地最大斑块指数 0. 082 0. 609
河岸带城镇用地比例 -0. 609 0. 323
河岸带林地平均最近邻距离 -0. 620 -0. 097
图 3 反映了各监测断面上游汇水区的景观格局
特征。 监测断面 P1、D7 和 P4 位于第一象限,这 3 个
监测断面的上游控制区域具有城市化程度低、景观破
碎度小的景观格局特征。 其中监测断面 P1 远离所有
其他的监测断面的分布区,说明该监测断面上游汇水
区城市化程度和景观破碎度都远低于其他的监测断
面。 监测断面 D3、D4、D5、D6 和 P3 位于排序图的第
二象限,说明这几个监测断面上游汇水区的城市化程
度不高,但景观破碎度较高,位于城乡交错地带。 P2、
D1、D2 位于排序图的第四象限,城市化程度高,但景
观破碎度不高。 淡水河流域的景观特征从上游到下
游有城市化程度逐渐降低,景观破碎化程度先升高再
降低的变化趋势,呈现出一个城市—城乡交错—乡村
的景观梯度。
图 4 反映了水质指标与景观格局特征的关系。 水质指标在前两轴的分布表明了水质指标变化受景观梯
度变化的影响情况,相距较近的水质指标对景观梯度变化有相似的响应。 DO 和 pH 值位于 CCA 排序图的第
一象限,TN、Cu、Zn、F和 LAS位于排序图的第二象限,NH3 鄄N、Oil和 TP 位于排序图的第三象限,BOD5、CODCr
和 CODMn3 种表示耗氧污染物的水质指标位于排序图的第四象限。
4摇 讨论
本研究表明,Spearman秩相关分析仅能检验景观指数和水质指标之间的单因素相关关系,多元线性逐步
回归分析可以在众多景观指数中提取出影响某一水质指标的关键景观因子,CCA 排序可以更直观地表现出
众多景观指数对水质指标的综合作用。
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图 3摇 景观指数与监测断面的 CCA排序图
摇 Fig. 3摇 CCA ordination plot of landscape metrics and sampling
sections摇
林地核心区域密度 X1;面积加权斑块分型指数 X2;城镇用地比例
X3;河岸带城镇用地比例 X4;河岸带林地平均最近邻距离 X5;城
镇用地边界密度 X6;农业用地最大斑块指数 X7;林地比例 X8;农
业用地比例 X9
许多研究证明了城市面积比例增加会导致河流水
质退化[3, 26],本研究中 Spearman秩相关分析、多元回归
分析和 CCA排序结果都表明 Urb%的变化是解释水质
变化最重要的一个景观指数(表 3、表 4、图 5)。 耗氧污
染物(BOD5、CODCr 和 CODMn )、营养物质 ( TN、TP 和
NH3 鄄N)、石油类和氟化物都与城镇用地比例显著正相
关。 除了通过点源污染增加排放到河流中的污染物之
外,城镇化的一个主要特点是不透水地面比例的增大。
暴雨时期城镇地区在失去自然植被对污染物的截留、吸
收作用以及土壤的自然下渗过程的情况下,大量的污染
物会通过不透水地面在短时间内进入河流[27鄄28],城市
的地下排水系统进一步增加了洪峰流量和缩短了污染
物进入河流的时间[29]。 在其他研究中,林地和农业用
地比例的变化是引起水质变化的重要原因之一[16, 30],
在本研究中淡水河流域的林地和农业用地面积比例变
化都不是引起水质变化的主要原因。 但通过对景观格
局的分析表明保持林地和农业用地斑块的完整性对避
免水质恶化有更重要的意义,Lee 等人的研究也指出破
碎化的林地和农业用地与水质的恶化有密切的
联系[3]。
pH值、TN、Oil和 Cu的多元回归模型都选择了多个景观指数进入方程,说明影响这些水质指标的关键景
观因子不止一个(表 4)。 CCA结果表明城市化和景观破碎化是影响淡水河水质最主要的两个景观梯度。 在
CCA排序图中,TN、NH3 鄄N、LAS和重金属 Cu、Zn位于第二排序轴的下方(图 4),即景观破碎化程度高的梯度
方向,说明景观破碎化是引起这些污染物浓度上升的重要因素。 林地斑块的核心区域具有与斑块边缘处及破
碎的林地斑块不同的群落结构和生态功能,涵养水土和防止土壤中营养物质流失的能力更强[5]。 研究区域
内完整的农业用地一般位于地形平坦地区,水土流失程度较低,而且农业生产集中便于对化肥和农药的使用
进行科学管理,减少面源污染物进入河流的量。
河岸带城镇用地比例和河岸带林地平均最近邻距离都反映了人类活动对河岸带的干扰程度,河岸带城镇
化的一个重要的表现是河道的渠道化,河滨植物带被水泥堤坝取代不但割裂了河流的横向连通性,而且破坏
了河道自然蜿蜒的特点,降低了河流生境的多样性。 河滨植物带是截留面源污染物进入河流的天然屏障,河
岸带林地平均最近邻距离的增大说明了河滨植被斑块之间的连续性减弱,对面源污染物的截留削减能力降
低。 一般来说,河岸带的景观斑块对河流水质的影响远大于远离河道的景观斑块,但是整个流域往往能反映
更为全面的信息,特别是当污染物与流域的水文条件密切相关的情况下[31]。 哪个尺度能更好地反映水质变
化情况取决于景观数据的精度,河岸带能不能代表全流域的景观情况,流域的水文条件以及各种污染物的具
体来源等因素[2]。 在本研究中,河岸带城镇用地比例和河岸带林地平均最近邻距离被选入 BOD5、石油类和
Cu的多元线性逐步回归模型,说明流域尺度上景观格局特征比河岸带尺度上景观格局特征与水质变化关系
更为密切。
5摇 结论
本研究分析了淡水河流域 11 个水质监测断面上游汇水区的景观格局与水质的关系,结果表明流域的景
观组成(主要表现为城市化)和景观结构(主要表现为景观破碎化)都对河流水质有重要影响。 流域尺度比河
岸带尺度的景观指数对水质的影响更大。
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图 4摇 景观指数与水质指标的 CCA排序图
Fig. 4摇 CCA ordination plot of landscape metrics and water quality indices
林地核心区域密度 X1; 面积加权斑块分型指数 X2;城镇用地比例 X3;河岸带城镇用地比例 X4;河岸带林地平均最近邻距离 X5;城镇用地边
界密度 X6;农业用地最大斑块指数 X7;林地比例 X8;农业用地比例 X9
水质指标与景观指数的多元线性逐步回归模型都达到显著性水平(P<0. 05),pH、TN、石油类和 Cu 受到
景观影响较大(R2>0. 8),CODMn、BOD5、TP、Zn和氟化物受到景观影响较小(R2<0. 5)。 Spearman 秩相关分析
和多元线性逐步回归模型表明 Urb%增加是引起 CODMn、CODCr、NH3 鄄N、TP、TN、石油类、氟化物和 LAS等污染
物浓度升高的主要原因。 另外, pH值、DO和重金属等水质指标受到景观破碎化的影响。 CCA的第一排序轴
解释了景观鄄水质相关性的 54. 0% ,前两排序轴累积能解释景观鄄水质相关性的 87. 6% ,城镇用地比例和面积
加权斑块分型指数分别是与前两轴相关性最高的景观变量,前两排序轴分别主要表达了城市化水平和景观破
碎化水平的变化梯度。 淡水河流域的景观特征从上游到下游呈现出城市—城乡交错—农村的景观梯度,水质
也从上游到下游逐渐变好。
以景观格局特征表征河流水质,是一个较好的方法,特别是从宏观上把握河流水环境和生态系统变化具
有很好的优势。 可以直接从区域的景观变化来判断河流生态系统的变化,为河流生态系统管理提供了新的方
法和手段。
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1432摇 8 期 摇 摇 摇 赵鹏摇 等:流域景观格局与河流水质的多变量相关分析 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 8 April,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Physiological responses of five deciduous broad鄄leaved tree seedlings in the Northeast Area of China to burning
WANG Rong,HU Haiqing (2303)
………………………
……………………………………………………………………………………………………
The occurrence regularity of psyllid in Haloxylon spp and its influencing factors
LI Fenlian, WU Xuehai, WANG Peiling,et al (2311)
………………………………………………………
……………………………………………………………………………
The estimating of the spatial distribution of forest biomass in China based on remote sensing and downscaling techniques
LIU Shuangna, ZHOU Tao,SHU Yang,et al (2320)
……………
………………………………………………………………………………
Multivariate correlation analysis between landscape pattern and water quality
ZHAO Peng, XIA Beicheng, QIN Jianqiao,et al (2331)
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Red fox habitat selection and landscape feature analysis in the Dalai Lake Natural Reserve in Inner Mongolia
ZHANG Honghai, LI Chengtao, DOU Huashan,et al (2342)
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Research on assemblage characteristics of macroinvertebrates in the Yalu Tsangpo River Basin
XU Mengzhen, WANG Zhaoyin, PAN Baozhu, et al (2351)
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Climate change induced potential range shift of the crested ibis based on ensemble models ZHAI Tianqing, LI Xinhai (2361)………
Analysis of the sources of second generation meadow moth populations that immigrated into Chinese pastoral areas in 2010
ZHANG Li, ZHANG Yunhui, ZENG Juan, et al (2371)
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Genetic diversity based on cytochrome b gene analysis of different geographic populations of blue sheep in China
LI Nannan, LIU Zhensheng, WANG Zhenghuan, et al (2381)
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Soil microbial properties under different grain鄄for鄄green patterns in depressions between karst hills
LU Shiyang, PENG Wanxia, SONG Tongqing, et al (2390)
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Ecosystem and soil respiration of a poplar plantation on a sandy floodplain in Northern China
FANG Xianrui, ZHANG Zhiqiang, ZHA Tonggang, et al (2400)
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Estimating total nitrogen content in water body based on reflectance from wetland vegetation
LIU Ke,ZHAO Wenji,GUO Xiaoyu,et al (2410)
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Analysis on complete F type of mitochondrial genome in Lamprotula leai CHEN Ling,WANG Guiling, LI Jiale (2420)………………
The source鄄sink landscape pattern change and its effect on phosphorus pollution in Yuqiao watershed
LI Chongwei, HU Jie, WANG Sa, et al (2430)
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Responses of soil nematode communities to soluble salt contamination around Gangue hill in Fushun
ZHANG Weidong, LV Ying, XIAO Ying, et al (2439)
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Effect of aboveground competition on biomass partitioning of understory Korean pine (Pinus koraiensis)
WANG Jinsong, FAN Xiuhua, FAN Juan, et al (2447)
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Research of methane metabolic microbial community in soils of slash pine plantation and Masson pine plantation
WANG Yun, ZHENG Hua, CHEN Falin, et al (2458)
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啄13C values of stem phloem water soluble sugars of Pinus massoniana and Cunninghamia lanceolata response to meteorological
factors LU Yuxi,WANG Zhenxing,ZHENG Huaizhou,et al (2466)………………………………………………………………
Soil respiration patterns during restoration of vegetation in the Shapotou area, Northern China
GAO Yanhong, LIU Lichao, JIA Rongliang, et al (2474)
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Dynamics of caloric value of Robinia pseudoacacia L. energy forest in the west of Henan Province
TAN Xiaohong, LIU Shiqi, MA Luyi, et al (2483)
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Ex鄄situ symbiotic seed germination of Dendrobium catenatum WU Huifeng, SONG Xiqiang, LIU Hongxia (2491)……………………
Effects of red / far red ratio on morphological index,leaf area and dry matter partitioning of cut chrysanthemum flower
YANG Zaiqiang,ZHANG Jibo,LI Yongxiu,et al (2498)
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Effect of prometryne on root activity and oxidative stress of Polygala tenuifolia Willd. seedling roots
WEN Yinyuan, GUO Pingyi,YIN Meiqiang,et al (2506)
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Combined effects of elevated O3 concentration and UV鄄B radiation on photosynthetic characteristics of soybean
ZHENG Youfei, XU Weimin, WU Rongjun, et al (2515)
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Nutrients transfer for host plant and litter decompositon by AMF in Karst soil
HE Yuejun,ZHONG Zhangcheng,DONG Ming (2525)
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The dynamics of bacteria community diversity during the fermentation process of traditional soybean paste
GE Jingping,CHAI Yangyang , CHEN Li, et al (2532)
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Effect of site鄄specific fertilization on soil phosphorus in purple garden soil
SUN Qianqian,WANG Zhengyin,ZHAO Huan,et al (2539)
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A method of determining standards for ecological compensation in agricultural areas, giving priority to environmental flows in water
allocation PANG Aiping, SUN Tao (2550)…………………………………………………………………………………………
The loss of ecosystem services value caused by food security assessment model and it忆s application
LU Weiye,JIANG Zhide,ZHANG Yinglong,et al (2561)
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Review and Monograph
Review of the current situation of coastal ecological engineering using dredged marine sediments and prospects for potential app鄄
lication in China HUANG Huamei, GAO Yang, WANG Yinxia, et al (2571)……………………………………………………
Discussion
Quorum sensing in anaerobic ammonium oxidation bacteria DING Shuang,ZHENG Ping,ZHANG Meng,et al (2581)………………
Health evaluation of Dongting Lake based on morphological characters SHUAI Hong,LI Jingbao,XIA Beicheng,et al (2588)………
Scientific Note
Effects of mix鄄leaf litter decomposition of different trees in the Loess Plateau
LIU Zengwen,DU Liangzhen,ZHANG Xiaoxi,et al (2596)
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Changes in soil active organic carbon under different management types of bamboo stands
MA Shaojie, LI Zhengcai, WANG Bin, et al (2603)
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Effects of drought stress on photosynthesis and associated physiological characters of pepper
OU Lijun, CHEN Bo, ZOU Xuexiao (2612)
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Effects of silicon application and drought stress on photosynthetic traits and mineral nutrient absorption of rice leaves
CHEN Wei, CAI Kunzheng, CHEN Jining (2620)
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《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,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,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
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生摇 态摇 学摇 报
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(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 32 卷摇 第 8 期摇 (2012 年 4 月)
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