基于“源-汇”生态过程的景观格局识别方法——景观空间负荷对比指数

正确理解景观格局与生态过程的关系是进一步深化景观生态学研究的关键 ,但是由于景观格局和生态过程涉及到不同的研究尺度 ,并且随着尺度的变化而变化 ,加上面状生态过程监测数据无法直接获得 ,导致很难定量描述景观格局与生态过程之间的关系。本文以非点源污染作为研究的典型生态过程 ,通过分析不同景观类型及其空间分布格局在非点源污染形成过程中的地位和作用 ,借用洛伦兹曲线的理论 ,从距离、相对高度和坡度三个方面建立了不受尺度限制的景观格局评价模型——景观空间负荷对比指数。该指数可以较好地将具有面状特性的景观格局与点状监测数据有机地结合在一起 ,使定量研究流域景观格局与生态过程的关系成为可能。该评价模型的特点有以下几个 :1不受空间尺度的限制 ,具有跨尺度的功能 ;2适宜于环境背景 (降雨和土壤等 )相似的地区 ;3景观空间负荷对比指数具有相对比较意义 ,其值越大 ,表示该类景观空间格局对流域出口监测点的贡献越大 ,反之越小 ;4景观空间负荷对比指数不能用来预测流域出口监测点非点源污染或水土流失的值 ,但是可以通过比较计算不同流域景观空间负荷对比指数 ,来判断流域发生养分 (水土 )

三峡库区典型农业小流域溶解态养分输移对“源—汇”景观格局的响应

“源—汇”景观格局反映了流域土地利用配置与空间要素分布,导控流域能源流动与水沙过程,是影响小流域养分流失的重要因素。为探明景观格局对不同降雨类型下,农业小流域溶解态养分输移的影响,以三峡库区石盘丘小流域的传统农业型集水区与农林复合型集水区为研究对象,监测不同强度侵蚀性次降雨事件中,两个集水区出口断面处径流溶解态氮、磷浓度,利用航测数据结合最小累计阻力模型识别“源-汇”景观空间格局,引用景观空间负荷对比指数(Location-Weighted Landscape Index,LWLI)进一步分析小流域溶解态养分输移对“源—汇”景观格局的响应机制。结果表明:(1)传统农业型集水区内,“源”“汇”景观面积比为1.8︰1,以“源”景观为主,景观垂直分异性明显;农林复合型集水区内“源”“汇”景观比例约1︰1,且均衡分布,但高陡坡区域占比高、平均坡度大。(2)两种类型集水区内,溶解态氮、磷流失负荷均表现为暴雨>中雨>大雨,而不同降雨事件中,传统农业型集水区养分输出负荷及其变异系数均高于农林复合型集水区,养分输移波动性强,更易受到降雨强度变化的影响。(3)农业用地在两种集水区内均是主要的养分流失来源,但受坡度限制,其他林地可能是农林复合集水区中重要的养分迁出区域;传统农业型集水区的LWLI高达0.75,表征了该集水区的高氮、磷流失风险;农林复合型集水区LWLI为0.28,养分输出量低,这是合理的景观空间格局与农林复合经营模式共同作用的结果。“源—汇”景观格局对小流域养分流失影响显著,可通过“源—汇”景观空间负荷对比指数对小流域养分流失风险进行判别,并为“源—汇”景观格局优化及小流域面源污染防控提供依据。

不同尺度景观空间分异特征对水体质量的影响——以深圳市西丽水库流域为例

由于景观格局对水体质量的影响是依赖于研究尺度、并且随着时间尺度和空间尺度的变化而变化的,因此探讨不同尺度上景观格局变化对水质的影响程度具有重要的研究价值。从深圳市水库流域水环境保护的需求出发,选择西丽水库及其汇水子流域为研究对象,以陈利顶等提出的景观空间负荷对比指数分析方法为基础,区分高度、坡度和距离3个空间要素计算了分区和累积景观空间负荷对比指数,继而利用该指数对比分析了不同时空尺度上"源""汇"景观空间分异特征变化对水质的影响程度。研究结果表明,不同尺度上的景观空间分异特征可以显著影响"源""汇"景观在非点源污染输出和削减方面贡献程度的对比关系,从而影响水体质量。由于不同尺度上景观空间分异特征的复杂性以及"源""汇"景观在数量和类型方面差异的显著性,景观空间负荷对比指数的对比关系并不能良好地反映不同空间尺度上景观空间分异特征对水质影响的差异状况,因此必须针对不同的研究尺度有选择的应用该方法来探讨景观空间分异特征对水质的影响程度。

城镇化流域“源-汇”景观格局对河流氮磷空间分异的影响——以天津于桥水库流域为例

随着流域城镇化的加速,流域城镇化景观格局对流域水质的影响逐渐加剧。以城镇化趋势明显的于桥水库流域为例,基于流域"源-汇"景观特征指数,并结合于桥水库流域2013、2014和2015年33个子流域的水质数据,采用空间分析、相关分析和冗余分析等方法,探讨了在城镇化影响下,于桥水库流域景观特征指数和水质指标的定量关系。结果表明:整个流域从上游到下游呈现"汇"景观面积减小,"源"景观面积增大的趋势,居民建设用地面积比在中下游子流域达34.6%,"汇"型景观中林地面积为33.5%;景观空间负荷对比指数(LWLI)全局Moran′s I的值为0.637,P<0.01,在空间上存在趋于集群的现象,LWLI高-高聚集区与城镇化集中区域具有一致性。LWLI与流域氮、磷空间分布存在极显著的相关性,平水期TN与LWLI的复相关系数R_2为0.811,丰水期LWLI与TP的复相关系数R_2为0.741;子流域所有水质参数NH_4^+-N、TN、NO_3^--N、TP及LWLI均集中在同一象限,与其它景观特征指数相比,LWLI对河流中氮、磷的影响最大。城镇居民用地与水质指标存在极显著的相关性,是流域水质污染重要的贡献源。流域城镇化发展中,建议提高村镇的景观连通性,便于污染物集中处理,同时增加林地、草地面积,改善流域的生态水文功能。

基于“源-汇”原理的森林空间格局变化研究——以福建省为例

[目的]借助“源—汇”景观原理,明晰区域性的森林覆盖时空变化特征所蕴含的内在机制,为森林资源保护提供决策依据。[方法]利用福建省2010和2020年的土地利用/覆盖变化(LUCC)、数字高程模型(DEM)和道路交通数据集,将对森林丧失起到促进或阻止/延缓作用的景观分别视为“源”景观和“汇”景观,综合高程、坡度和距离3个景观空间要素计算得到综合景观空间负荷对比指数(LCI′),从省、市2种尺度对福建省森林丧失空间格局变化进行系统分析。[结果]省域尺度下,2010和2020年LCI′分别为0.117和0.152,“源”景观对森林丧失贡献较大,且景观空间要素的作用表现为:距离>坡度>高程;市域尺度下的LCI′计算结果存在差异,南平、三明、龙岩,LCI′相对较小(<0),福州、莆田、厦门、泉州、漳州地区的LCI′较大(>0);与2010年相比,2020年福建省各市LCI′均有小幅上升,其中福州市增长幅度最大(0.070),相对其他城市的森林丧失变化情况更为剧烈。[结论]近10 a来,福建省各区域存在不同程度的森林丧失,LCI′能够将景观格局与过程相结合,在一定程度上有效地反映2010—2020年福建省森林空间格局变化情况。

岷江上游小流域景观格局对土壤侵蚀过程的影响

以GIS为平台,利用泥沙输移分布模型模拟了岷江上游黑水流域和镇江关流域的流域侵蚀量、产沙量的空间分布,将模拟结果与土地利用图相结合,分析了各土地利用/覆被类型方式对侵蚀、产沙过程的影响,并利用景观空间负荷对比指数分析了土地利用/覆被类型随空间要素的配置、贡献权重和组成比例对土壤侵蚀的影响.结果表明:不同土地利用方式的土壤侵蚀模数不同,依次为裸岩>居民点>草地>农田>灌木林>林地;不同土地利用/覆被类型的产沙模数没有明显差异.2个流域土地利用/覆被类型随坡度的空间配置较优,随相对高度、相对距离和运移距离的空间配置较差;2个流域土地利用/覆被类型随着空间元素的配置各有优势,考虑土地利用/覆被类型的贡献权重后,镇江关流域的格局优势增加,当进一步考虑土地利用/覆被类型的组成比例时,镇江关流域的格局则优于黑水流域;只有综合考虑空间配置、贡献权重和组成比例,才能全面度量流域景观格局对土壤侵蚀的影响.坡度的景观空间负荷对比指数的构造不能准确地表现土地利用/覆被类型的贡献权重、组成比例对土壤侵蚀的影响,还需进一步改进.

太湖流域典型入湖港口景观格局对河流水质的影响

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-汇"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-N有显著影响,直接作用为0.740、-0.189和0.852;TN和NH+4-N与CONT相关性显著,与SHDI呈负的极显著相关;对TN和NH+4-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。

基于源汇景观单元的流域土壤侵蚀风险格局识别

人类活动影响下的土地利用及其景观格局会在一定程度上影响流域土壤侵蚀的发生发展。选取位于三峡库区的綦江流域作为研究区,利用2015年航空影像数据、数字高程模型和土壤数据库,进行水文响应单元的划分,以此作为研究区的源汇景观单元。综合景观类型、土壤和坡度对土壤侵蚀影响的贡献,构建源汇景观单元权重,在此基础上,对景观空间负荷对比指数进行修正并进行土壤侵蚀风险格局识别,最后利用修正的通用土壤侵蚀方程进行土壤侵蚀的模拟,以此验证风险格局的合理性,并综合分析了源汇景观空间特征:源汇景观单元组成结构、权重和土壤侵蚀风险。结果表明:(1)源汇景观单元权重大的地区主要分布在中低山区向低丘缓坡区过渡的地带,坡度较大、土壤可蚀性较高,以及水田、旱地和居民点的源汇景观单元也较为集中分布。(2)各子流域的景观空间负荷对比指数与平均土壤侵蚀模数具有显著正相关关系,因此基于源汇景观单元并赋予其权重的景观空间负荷对比指数能较好地反映流域内部土壤侵蚀规律,可作为流域土壤侵蚀风险评价的有效方法之一。(3)依据各子流域的景观空间负荷对比指数特征可将库区綦江流域划分为五大土壤侵蚀景观风险区:北部沿江地区各子流域耕地分布较为集中且相对水流路径较短,以及林草地较少,土壤侵蚀风险大;中部丘陵地区源景观单元分布较为分散,景观空间分布不均衡,存在一定的土壤侵蚀风险;南部中低山区以林地汇景观分布为主,源景观分布相对较小,土壤侵蚀风险较低。

水蚀风蚀交错区典型流域景观格局变化对土壤侵蚀过程的影响

流域土壤侵蚀过程与景观格局的关系是评价流域景观格局合理性的关键问题。以GIS软件为分析平台,以最新提出的"源""汇"景观理论为基础,以水蚀风蚀交错区典型流域——六道沟流域1995,2010年土地利用/覆被格局为分析对象,以淤地坝淤积量作为土壤侵蚀监测信息,利用景观空间负荷对比指数分别分析了这2个时期各景观类型随空间要素配置、贡献权重和组成比例对土壤侵蚀过程的影响,最后对该指数的变化与土壤侵蚀模数的变化进行相关性分析。结果表明:2010年与1995年相比,六道沟流域各集水区的相对高度、坡度、投影距离、运移距离负荷对比指数均呈减小趋势,景观格局分布更加合理,水土流失危险性降低,与同期土壤侵蚀模数变化趋势相同。坡度负荷对比指数增量与土壤侵蚀模数增量相关性较弱,相对高度、投影距离、运移距离负荷对比指数增量与土壤侵蚀模数增量呈显著正相关,运移距离负荷对比指数反映土壤侵蚀过程对景观格局变化响应的效果最好。景观格局负荷对比指数与土壤侵蚀实测值之间均存在较大差异,应进一步改进模拟方法以达到准确量化的目标。坡度负荷对比指数不能很好地解释景观格局对土壤侵蚀过程的影响,需要在坡度取值方式上加以改进。

松华坝水库流域非点源污染景观空间负荷

为保障松华坝水库流域的饮水安全,促进滇池流域水污染的防治工作,本文以非点源污染为研究对象,通过专家打分法分析不同景观在该流域非点源污染形成中的贡献,并确定各"源"、"汇"景观的比重,以景观空间负荷对比指数为基础,分别从流域整体与各景观空间要素2个方面,定量研究了流域景观格局与非点源污染的关系。结果显示:(1)松华坝水库流域整体和各空间要素层面的4个景观空间负荷指数值均小于0.50,表明流域在整体和各景观空间要素层面,均属于"污染截留型"景观格局,即理论上由当前景观格局新产生并排出的非点源污染物极少;(2)坡度景观空间负荷指数>相对高程景观空间负荷指数>距离景观空间负荷指数,表明加强保护该流域中高海拔陡坡地带的"汇"景观,不仅可以防止形成新的"污染贡献型"景观格局,还可强化其隔离圈式"污染截留型"景观格局,有效阻挡流域中面积最大的"源"景观,位于中高海拔山区的旱地所产生的土壤和养分外流。

基于格局-过程理论的非点源污染实证研究:以黄土丘陵沟壑区水土流失为例

非点源污染是影响地表环境的主要污染方式之一.针对黄土高原丘陵沟壑区水土流失这一典型的非点源污染问题,应用非点源污染的空间识别方法———景观空间负荷对比指数和景观坡度指数,对黄土高原泾河流域12个子流域进行了实证研究.结果表明,耕地、低覆盖度草地和各种林地的景观坡度指数和景观空间负荷对比指数对流域土壤侵蚀模数有显著的响应关系,对径流深度存在着一定的响应关系,而对径流变异系数和侵蚀变异系数没有明显的响应.说明景观空间负荷对比指数和景观坡度指数对流域水土流失具有一定的指示作用,可作为水土流失等非点源污染空间风险评价的1个有用方法.

基于“源-汇”生态过程的长江上游农业非点源污染

景观空间格局是农业非点源污染的主要影响因素之一,关于二者的相互关系缺乏定量研究。针对长江上游的农业非点源污染问题,应用基于"源-汇"生态过程理论提出的景观空间负荷对比指数,选取9个典型的行政单元,探讨了长江上游流域景观空间格局和非点源污染之间的定量关系。结果表明,景观空间负荷对比指数对非点源污染负荷有显著的响应关系,说明景观空间负荷对比指数可作为非点源污染空间风险评价的有用方法之一。在此基础上,进一步分析了长江上游典型行政单元景观空间负荷对比指数时空演变规律。探讨了指数演变时空差异原因,认为该指数主要受到区域景观的坡度、与污染出口相对距离、高程、土地利用类型比重和农业与农村经济政策的影响。最后提出了长江上游非点源污染空间风险控制与管理的对策。