基于土地利用結(jié)構(gòu)與景觀格局的小流域氮、磷、碳輸出特征分析.pdf

1、伴隨著我國(guó)城市化的不斷發(fā)展，城市郊區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，并以從單一為城市供應(yīng)農(nóng)副產(chǎn)品發(fā)展成為具有為城市居民生產(chǎn)農(nóng)副產(chǎn)品和提供生態(tài)環(huán)境保障雙重基本功能的特殊區(qū)域。城郊農(nóng)業(yè)區(qū)地理?xiàng)l件優(yōu)越、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)達(dá)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以蔬菜糧食種植和集約化畜禽養(yǎng)殖為主體，而在此過(guò)程中，化肥的過(guò)量使用和低利用率、畜禽養(yǎng)殖廢水的排放、生產(chǎn)生活廢棄物和污水處理收集處理設(shè)施的缺乏，使得城郊區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染極為嚴(yán)重，成為我國(guó)生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)最大的區(qū)域。
　　 本研究選取湖南

2、省長(zhǎng)沙市城郊區(qū)金井河小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，以GIS和RS技術(shù)為平臺(tái)，合理布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從2009年12月至2011年11月對(duì)流域水體中氮、磷、碳濃度進(jìn)行連續(xù)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，利用多元統(tǒng)計(jì)學(xué)手段分析流域氮、磷、碳的輸出特征；結(jié)合流域的土地利用結(jié)構(gòu)和景觀格局，分析其對(duì)氮、磷、碳輸出的影響，為城郊農(nóng)業(yè)區(qū)面源污染的監(jiān)測(cè)和控制提供理論依據(jù)，為城郊農(nóng)業(yè)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。主要的研究結(jié)果如下：
　　 (1)城郊區(qū)金井河小流域徑流水體氮素污染極為嚴(yán)重

3、，總氮(TN)年均濃度為3.67 mg·L-1。在年際尺度上，流域氮素輸出以硝態(tài)氮(NO3--N)和銨態(tài)氮(NH4+-N)為主，且以NH4+-N占優(yōu)，TN與NH4+-N濃度達(dá)到極顯著正相關(guān)，與NO3--、NO2--N達(dá)到顯著正相關(guān)；在季節(jié)尺度上，除冬季外，其它三季水體中氮素以NO3--N占優(yōu)。流域各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體NO3--N濃度季節(jié)變化較小，表現(xiàn)為春季略高于秋季和冬季，夏季最低；NH4+-N濃度的季節(jié)變化明顯，表現(xiàn)為冬季>春季>秋季>夏季；

4、TN濃度的季節(jié)變化趨勢(shì)為：冬季>春季>秋季>夏季。流域各監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的氮素濃度、輸出形態(tài)、季節(jié)變化趨勢(shì)存在顯著的差異。城郊區(qū)小流域水體總磷(TP)含量較低，除去1號(hào)點(diǎn)(養(yǎng)殖廢水影響)，TP濃度的變化范圍為0.03～0.26 mg·L-1。流域水體TP的濃度季節(jié)差異較小，且維持在較低的水平。
　　 基于為期半年的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，金井河小流域徑流水體可溶性有機(jī)碳(DOC)的平均濃度為4.70 mg·L-1，可溶性無(wú)機(jī)碳(DIC)為6.47 m

5、g·L-1。在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，DOC濃度先下降后升高，七月份最高達(dá)到7.55 mg·L-1，九月份最低僅為1.26 mg·L-1；DIC濃度逐漸升高，其變化范圍為1.5 mg·L-1～11.5 mg·L-1。采用對(duì)數(shù)型冪函數(shù)普適公式計(jì)算金井河流域各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)綜合指數(shù)(EI值)，監(jiān)測(cè)期間內(nèi)流域各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均EI值為52.2，水體處于“富”營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，且各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的EI值存在較大差異。在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，在流域水體EI值先下降后升高，9月份的E

6、I值最低，平均值為45.6；11月份的EI值最高，平均為58.3，流域水體均處于“富”營(yíng)養(yǎng)等級(jí)狀態(tài)。
　　 (2)利用系統(tǒng)聚類分析可將流域中的20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)根據(jù)其水質(zhì)污染特征劃分為三類，分別為高污染(HP)、中污染(MP)、低污染(LP)，其中流域水體NO3--N濃度表現(xiàn)為：MP>HP>LP，NH4+-N、TN、TP、DOC、DIC均為：HP>MP>LP。在三類監(jiān)測(cè)點(diǎn)中分別進(jìn)行因子分析，分別提取了3、3、4個(gè)主成分解釋了90.75

7、％、90.78％、89.02％的總變異。第一類為HP監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括1、3、5、8、16、20號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因子分析結(jié)果表明該類監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)主要受居民生活污水、養(yǎng)殖廢水影響控制，其污染等級(jí)排序?yàn)椋?>1>3>5>20>16；第二類為MP監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括4、6、7、15與19號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，水質(zhì)主要受與施肥、水土流失農(nóng)業(yè)面源污染影響控制，其污染等級(jí)排序?yàn)椋?9>4>7>6>15：第三類為L(zhǎng)P監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括2、9、10、11、12、13、14、17與18號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

8、，水質(zhì)主要受水土流失影響控制，其污染等級(jí)排序?yàn)椋?7>18>14>10>13>12>9>2>11。
　　 (3)在流域尺度上，土地利用以林地為主，且各子流域土地利用結(jié)構(gòu)差異顯著。其中，MP監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在子流域以耕地為主，LP監(jiān)測(cè)點(diǎn)中以林地為主，HP監(jiān)測(cè)點(diǎn)中林地與耕地比例相當(dāng)。從高程、坡度、緩沖區(qū)角度分析，林地主要分布在海拔100m～200m、坡度大于15°的陡坡與緩陡坡中，且分布在距河道較遠(yuǎn)300m～700m的區(qū)域中；耕地、城鎮(zhèn)居民

9、地主要分布在坡度小于5°而且海拔小于100m的低地中，且各子流域不同距離的緩沖區(qū)差異較大；水域主要分布在海拔大于200m、坡度小于5°的低地中，且距河道較遠(yuǎn)。
　　 除去HP監(jiān)測(cè)點(diǎn)，不同時(shí)間尺度的源匯特征分析均表明林地、水域?qū)Φ?、磷、碳輸出起匯作用，耕地、城鎮(zhèn)居民地為源作用。多元逐步回歸分析表明，在年際尺度上，水田對(duì)TN、NO3--N濃度的空間變化影響最大，林地對(duì)NH4+-N影響最大，DIC受城鎮(zhèn)居民地影響最大。季節(jié)尺度上，除冬

10、季外，林地對(duì)TN空間變化的影響最大外，其它三季均為水田；夏季水田對(duì)NO3--N濃度空間變化影響最大，秋季為水域；冬夏季林地對(duì)NH4+-N變化影響最大，春季為水田，DIC在夏秋季分別受城鎮(zhèn)居民地和林地影響最大。DOC、TP在年際、季節(jié)尺度上均未建立最優(yōu)回歸方程，濃度的空間變化與土地利用結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。
　　 (4)在景觀尺度上選取12種景觀指標(biāo)構(gòu)建了流域的景觀格局，不同的景觀指標(biāo)的空間異質(zhì)性存在差異，其中NP、MPS、LPI、DI、CO

11、N均表現(xiàn)為L(zhǎng)P>HP>MP，F(xiàn)N、ED、SHDI、SHEI均表現(xiàn)為MP>HP>LP；除去HP監(jiān)測(cè)點(diǎn)，水質(zhì)指標(biāo)NO3--N、TP、DOC與所有的景觀格局指數(shù)均未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性；NH4+-N、TN與LPI、DI、CON均表現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)，與ED、SHDI、SHEI表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)，并且ED對(duì)NH4+-N、TN的空間變化影響最大；DIC與MPS、DI表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)，與SHDI、SHEI為顯著正相關(guān)，DI對(duì)DIC的空間變化影響最大。