基于“源”“汇”景观格局指数的海河流域总氮流失评价

作者:孙然好等    文章来源:环境科学    点击数:3510    更新时间:2012/8/24

摘要: 土地利用类型及其格局能够影响非点源污染时空特征,而景观格局分析方法是评价非点源污染的重要技术手段,但是传统的景观格局指数较少考虑景观之间的位置关系,导致生态意义不明确.“源”“汇”景观格局理论中的“源景观”和“汇景观”指的是促进和阻碍非点源污染发生的景观类型.通过收集海河流域2009年夏季26个子流域的总氮浓度数据,并结合1 25DEM 1 10 万土地利用图,构建了融合景观类型、面积、空间位置等信息在内的源汇景观格局指数,发现源汇景观格局指数与总氮浓度有很好的相关性,在燕山山区、太行山区和下游平原区的相关系数分别为0. 860. 67 0. 65.结果表明,源汇景观格局指数能够很大程度上反映总氮的空间变异特征,可以为其它流域的非点源污染评价提供参考,也有可能作为输入参数提高现有水质模型的模拟精度.

关键词: 源汇景观; 景观格局; 景观指数; 总氮; 海河

作者:孙然好 陈利顶 王伟 王赵明

中图分类号: X522 文献标识码: A 文章编号: 0250-3301(2012) 06-1784-05

随着农业机械化发展,化肥和农药得到大量使用,农业非点源污染已经成为地表水环境污染的主要来源.非点源污染具有不确定性强、时空差异大、影响因素及作用过程复杂、污染监测困难等特点[15].因此,对非点源污染进行识别和模拟是进行流域水环境管理的重要手段.

非点源污染模型是近年来发展比较快的技术手段,主要是通过对整个流域系统及其内部污染过程进行定量描述,分析非点源污染产生的时空分布特征,识别其主要来源和迁移路径,预报污染产生的负荷及其对水体的影响,为流域管理和规划提供决策依据[610],比较著名的模型包括AGNPSANSWERSMIKE-SHESWATHSPFSPARROW[3 1114].然而,现有模型的结构、适用尺度、侧重的水文过程具有差异,模型精度很大程度上取决于数据质量,在一些缺乏数据的流域模拟中受到很大限制.由于非点源污染受到土地利用类型及格局的影响,土地利用时空特征与非点源污染具有密切的联系,利用景观格局指数评价非点源污染也是一个重要的技术手段[1519].但是,多数景观格局指数仅仅考虑了景观类型、形状和面积等信息,而没有考虑景观类型的空间位置和地形特征,导致景观格局指数生态意义不明确、刻画非点源污染的能力不足.因此,构建具有空间属性的景观格局指数对于大流域的非点源污染评价具有重要意义.

“源”“汇”景观格局理论是近年来出现的一种用于景观格局分析的研究手段,能够比较好的融合景观类型、面积、空间位置和地形特征,可以用于刻画非点源污染的空间异质性.根据该理论,在非点源污染形成过程中,流域中一些景观类型起到了“源”的作用,一些景观起到了“汇”的作用,同时一些景观起到了传输的作用.影响非点源污染强度的因素除了“源”“汇”景观的类型、面积外,还与它们的空间分布特征有关系,包括景观单元相对于流域出口(监测点) 的“相对距离”、“相对高度”和“坡度”,基本假设是景观单元离监测点的相对距离越近、相对高度越大、相对坡度越陡,越能增大非点源污染的危险性.为了将源汇景观的各种空间特征融合在一起,借用了洛仑兹曲线公式,计算不同景观单元随着距离、相对高度和坡度的面积累积百分比,最终形成了源汇景观格局指数,该指数在东北海伦地区、黄土高原地区等都进行了应用和尝试[2021]

海河流域在我国具有重要的政治、经济和文化地位,快速的经济发展和城市化进程造成了严重的非点源污染现象[2225].由于流域具有山地和平原地形变化大、季节性断流明显、人类干扰强烈等特点,使得对参数要求很高的机制模型在应用时存在较大的困难.因此,本研究通过建立海河流域的源汇景观格局指数,并与实地监测的总氮(TN) 浓度进行相关性分析,评价源汇景观格局指数对非点源污染的表征能力和适用性,以期为海河流域水环境管理提供依据,并为国内外其它类似流域非点源污染评价提供方法参考.

1 材料与方法

1. 1 研究区域

海河流域位于112°~120°E35°~43°N之间,西依黄土高原、东临渤海、北靠蒙古高原、南临黄河.流域总面积31. 8 km2,占中国国土面积的3. 3%,涉及8个省区范围,包括北京、天津两市全部、河北省大部、山西省东部、河南、山东两省北部、以及内蒙古自治区和辽宁省一小部分地区(1).海河流域支撑了全国10%人口、11%耕地、13%GDP 12%的粮食生产总量,具有非常重要的政治、经济和文化地位.海河流域的降水量分布呈较明显的地带性差异,沿太行山、燕山山脉迎风坡有一条年降雨量达600 mm的弧形多雨带,平原地区降水量一般为500 600 mm.由于受季风气候的影响,流域降水量年内分配很不均匀,80% 集中在汛期.海河流域的河流水系包括滦河、海河和徒骇马颊河三大水系,属于资源型严重缺水地区,多年平均水资源总量370 亿m3,水资源占全国的1. 3%,人均水资源仅为全国平均的13%.由于城市化进程的加快和人口的增多,海河流域的污染越来越严重,“有河皆干、有水皆污”的现象日益严重.

1 海河流域位置及监测站点

Fig1 Location of sampling sites in the Haihe River basin

1. 2 数据来源

利用1 25 DEM,在ArcGIS 水文模块的支持下,提取了有常年流水的26个子流域水系及汇水区.对此26个子流域,根据地理位置和地形地貌特征将它们分为3个地理单元,分别为燕山山区(10个子流域)、太行山区(8个子流域)、下游平原区(8个子流域)

水质数据是200979 月现场采集获得,在此期间对海河流域进行了2 次水质采样,每个子流域的出口设置一个监测点,两次采样的平均值作为该子流域的代表性水质指标.由于海河流域面积大,无法将水样带回实验室进行测定,水质参数利用了WTW PhotoLab S12 便携式仪器进行实验,确保水质参数能够在最短的时间内得到及时的测量.

土地利用数据来自于1 10 万土地利用图,由中国环境科学研究院利用2007Landsat TM 影像(30 m 分辨率) 进行解译,并负责进行加工处理、精度校准.原始的土地利用类型分为26个类别,根据本研究需要将其合并为7: 水田、旱地、居住地、林地、草地、水体和未利用土地(2)

2 海河流域土地利用类型

Fig2 Land use pattern in the Haihe River basin

1. 3 源汇景观指数构建

1. 3. 1源汇景观类型的划分

根据源汇景观格局理论,源景观是促进水土和养分流失过程发生的类型,汇景观是抑制水土和养分流失过程发生的类型.在海河流域中,源景观包括居民地、水田、旱地,汇景观包括林地、草地,水域和未利用土地对养分的流失更多在于传输的作用.不同的“源”“汇”景观对非点源污染的贡献是不同的,根据前期在一些小流域进行的监测和研究[26],并借鉴了土壤侵蚀通用方程中的作物覆盖与管理因子(C ) ,对其贡献进行了简单赋值,依次为居民地(1. 0)、水田(0. 8)、旱地(0. 6)、林地(0. 8)、草地(0. 6)

1. 3. 2基于洛仑兹曲线的源汇景观指数的构建

陈利顶等[2021]利用了洛仑兹曲线公式建立了源汇景观指数,在文献中已有比较详细的理论假设和推导过程[22],公式如下:

式中,LWLI 是综合的源汇景观指数,LWLI' 表示分别以相对距离(distance)、相对高程(elevation) 和坡度(slope) 为横坐标建立的源汇景观指数,Asource iAsource j分别指源景观和汇景观在洛仑兹曲线中的面积累积曲线,WiWj指得是源景观和汇景观的权重,APiAPj指的是源景观和汇景观在流域内的面积比例,m n为源景观和汇景观的类型数目.

大致计算步骤包括: 首先将源汇景观类型进行栅格化处理,然后按照相对距离(按照相对高程和坡度也类似) 统计源景观和汇景观的面积,并以相对距离/相对高度/坡度为横坐标、景观面积为纵坐标绘制累积面积曲线,曲线与横坐标围成的面积即为AsourceAsink.利用MATLAB 编程语言,实现了源汇景观的曲线绘制,获取了26个子流域的源汇景观指数.

2 结果与讨论

2. 1 区域划分及水质特征

2009年夏季采集的总氮数据为代表,对海河流域的非点源污染状况进行了分析,结果表明水环境状况存在明显的区域分异规律(1).总氮平均浓度分别是太行山区(1. 63 mg·L-1) 下游平原区(1. 11mg·L-1) 燕山山区(0. 07 mg·L-1).这种空间分布特征的原因可能是,太行山区由于较高的降水量和较低的植被覆盖度,水土流失严重,因此土壤养分造成的非点源污染严重; 而下游平原区由于人类活动强烈、以及农田的退水也造成水体严重污染; 相对来说,燕山山区植被覆盖较好,水土流失较弱,而且农田以旱地为主,非点源污染程度较轻.除了气候、植被、降水等差异之外,已有研究表明,农田非点源氮磷等污染物的流失受到施肥方式、地表和地下径流等影响[27]3个地理单元之间的土壤类型以及土壤管理模式(如施肥季节、种类和方式等) 可能存在不同,也会导致不同地理单元之间的总氮流失差异.

1 海河流域26个子流域的源汇景观指数及总氮含量特征

Table 1 Spatial pattern of sink-source index and TN concentration in the 26 watersheds of the Haihe River basin

2. 2 源汇景观格局指数与总氮的相关性

根据表1 的数据,计算了总氮浓度与源汇景观格局指数、源汇景观面积比例的相关性.在燕山山区、太行山区和下游平原区的LWLI 与总氮的相关系数分别为0. 860. 670. 65,而源汇面积比与总氮的相关系数则分别为0. 820. 480. 19.可以看出,源汇景观指数LWLI 与总氮的相关系数要高于简单的源汇面积比例,说明了LWLI 指数能够有效的表征总氮的流失量.

本研究中不同地理单元的LWLI 指数与总氮的相关性有所差异,这与不同区域的地理特征和土地利用格局有关系.燕山山区植被覆盖度高,人类密度相对较低,水体污染主要来自于农业非点源污染,比较单一的污染机制也使得模拟的精度比较高.太行山区和下游平原区的人为干扰比较强烈,除了农业非点源污染外,城镇和农村生活污水、工业点源排放等也会影响到源汇景观指数的模拟精度.此外,下游平原区地势低平,125万的DEM 很难准确的提取流域界线,而且河流的水力联系也受到行政区划的割裂,势必也会影响到LWLI 指数的表征能力.

2. 3 源汇景观格局指数的适用性与前景分析

本研究表明,源汇景观格局指数越大,流域出口监测点的非点源污染物的浓度越大,相反,非点源污染物的浓度越小.源汇景观格局指数将景观类型、面积、空间位置等信息进行集成,考虑了水文过程的部分机制,具有跨尺度性,可以适合于不同面积、气候、地形特征的流域.但是,源汇景观格局指数是一个相对值,适合于环境背景相似的流域,如果环境背景差异较大,不同流域之间的指数不具可比性,需要对其它环境因子进行校正.源汇景观指数的构建具有开放性,可以将其它空间属性和指标加以引进,也会增加该指数的模拟精度,比如雨水汇集路径、流域形状等.在下一步研究中,还需要通过比较其它传统的景观格局指数,综合评价源汇景观指数的准确性.

3 结论

(1) 基于野外监测数据显示,海河流域总氮流失存在明显的空间异质性,在燕山山区的总氮流失最低,而太行山区和下游平原区较高.

(2) 源汇景观格局指数是可以有效刻画非点源污染空间特征的定量指标.本研究仅仅利用了相对距离、相对高程和坡度三个地形指标构建了源汇景观格局指数,与总氮浓度的相关性要远高于简单的源汇景观面积比例,源汇景观指数针对非点源污染的发生过程,指数值大小与非点源污染发生的风险程度形成对应.表明该指数可以在大流域非点源污染评价中进行应用,具有参数容易获取、精度较高等特点,同时该指数也有可能经过适当调整后,作为其它水文和水质模型的输入参数,用于提高模型模拟的精度.

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作者简介: 孙然好(1981) ,男,博士,助理研究员,主要研究方向为景观格局识别与动态模拟。

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