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景观格局对河流水质影响的尺度效应Meta分析

花匠小妙招
2024-11-30 04:43

摘要: 景观格局决定了陆域污染物的源汇过程, 是影响河流水质状况的关键因素. 由于尺度效应, 不同尺度下景观格局与河流水质关系的研究结果不尽相同. 然而, 景观格局对河流水质影响的尺度效应问题尚缺乏系统研究. 收集了国内外4 041条研究数据, 采用Meta分析法定量分析了不同尺度下景观格局对河流水质的作用特征, 识别了影响河流水质的关键时间和空间尺度以及景观指数. 结果表明, 相对于降水事件、平水期和年际尺度, 丰水期下景观格局对河流水质的影响最大；相对于流域尺度, 缓冲区尺度的景观格局对河流水质的影响更大；丰水期-缓冲区尺度是景观格局影响河流水质的关键时空耦合尺度. 与耕地、水域、草地以及流域整体景观相比, 林地和城镇用地的景观格局对河流水质的影响更大；破碎度是影响河流水质最重要的景观格局因子. 在河流水质治理中, 应重点考虑缓冲区的景观配置, 增加缓冲区林地面积、减少林地和水域的斑块密度和减少城镇用地的面积占比和聚集度, 以有效保护河流水质.

Scale Effects of Landscape Pattern on Impacts of River Water Quality: A Meta-analysis

WANG Yu-cang1,2,DU Jing-jing1,2,ZHANG Yu1,2,WU Hao1,2,HU Min-peng1,2,CHEN Ding-jiang1,2,3

Abstract: The landscape pattern determines water pollution source and sink processes and plays an important role in regulating river water quality. Due to scale effects, studies on the relationship between landscape pattern and river water quality showed variance at different scales. However, there is still a lack of integrated study on the scale effect of landscape pattern and river water quality dynamics. This study collected 4 041 data from results of previous publications to address the characteristics of landscape pattern and river water quality dynamics at different scales and to identify the key temporal and spatial scales as well as landscape pattern indices for regulating river water quality. The results indicated that, compared to precipitation events, base flow periods, and interannual scales, the high-flow period was the key temporal scale for linking landscape pattern on river water quality. Compared to the watershed scale, the landscape pattern of buffer zones had a greater impact on river water quality. The high-flow period-buffer zone scale was the key spatiotemporal coupling scale for linking landscape pattern and river water quality. Compared to croplands, water bodies, grasslands, and the overall landscape of the watershed, the landscape pattern of forests and urban areas had a greater impact on river water quality. Fragmentation degree was the most important landscape pattern factor regulating river water quality. In river water quality management, it is important to focus on the landscape configuration of buffer zones, increase forest area, reduce patch density of forests and water bodies, and decrease the aggregation degree of urban areas.

Key words:landscape pattern river water quality scale effect fragmentation land use

景观格局是指景观组成单元的类型、数目以及空间分布的配置特征, 陆域景观格局的变化深刻影响着河流水质状况[1~5]. 相较于土地利用和地形因子, 景观格局是影响河流水质变化的重要因素[6~9]. 景观格局与河流水质关系的研究开始于20世纪90年代, Johnson等[10]应用冗余分析方法, 探究了美国密歇根州中东部萨吉诺湾流域不同季节下景观格局与河流水质的关系, 发现夏季的流域景观格局对河流水质影响大于其它季节. 我国景观格局与河流水质关系的研究主要开始于21世纪初, 陈利顶等[11~13]研究发现, 在河流水质污染的形成过程中, “源”和“汇”景观类型的空间分布格局起着重要作用. 随着景观生态学和数学分析方法的发展, 景观格局与河流水质关系的研究也不断深入. 在研究内容上, 景观多样性指数、景观优势度指数和景观聚集度指数等越来越多的景观指数被用于评价景观格局对河流水质的影响；在研究方法上, 深度学习和机器学习等方法也逐渐被引入到景观格局与河流水质的作用关系分析中[14].

景观格局与河流水质关系存在明显的尺度效应. 尺度效应是指随着时间或空间的尺度改变, 研究对象的综合性、概括性和影响研究对象的主导分异因子的级别等会随之改变的现象[13, 15, 16]. 景观的结构、功能和变化本身依赖于其尺度的大小, 而影响河流水质的污染物在流失强度、形态、分布和规律等也随着尺度变化而变化. 因此, 景观格局在不同季节[8, 9]、年份[14]以及降雨前后[17]等不同时间尺度上对河流水质的影响程度不同, 在河岸缓冲区和流域等空间尺度上也存在明显差异[18~20]. 例如Nash等[18]对美国俄勒冈州流域研究发现, 河岸60 m缓冲区范围内城市土地利用率较高的地区, 河流水质恶化的概率较高. Hurley等[21]对加拿大中西部4个流域的研究指出, 河水中大肠杆菌空间变异性仅与河岸缓冲区尺度上的景观格局相关, 但浊度和总有机碳浓度与流域尺度的景观格局特征相关. Shi等[8]在中国丹河的研究发现, 在平水期流域尺度上, 最大斑块指数和连通度对河流水质的影响最大；丰水期流域尺度上景观形状指数对河流变化的解释率最高, 而缓冲区尺度上则是林地的面积对河流水质的影响最大. 目前有关景观格局与河流水质关系的尺度效应研究大多集中在单个流域、单一时间尺度研究, 尚鲜见跨流域、多时间尺度研究结果的综合分析报道, 对尺度效应问题尚缺乏系统认识.

本研究应用Meta分析方法, 汇总了国内外不同时空尺度下景观格局对河流水质影响的研究结果, 分析了时间尺度、空间尺度和时空耦合尺度上景观格局对河流水质的影响特征, 识别了景观格局影响河流水质的关键时空尺度及其主要景观类型和具体景观因子. 本研究结果对提升景观格局对河流水质影响的尺度效应问题具有较强的理论意义, 对指导河流水质综合治理具有重要实际意义.

1 材料与方法1.1 数据收集

本研究基于中国知网和Web of Science核心期刊数据库, 首先以“景观格局（landscape）”或“土地利用（land use）”与“河流水质（water quality）”为关键词对文章的题目、摘要和关键词进行文献检索, 共检索出中文核心期刊文献127篇、SCI论文812篇, 然后对检索结果依据研究要求进行文献筛选. 文献筛选方法如下：①在所检索到的文献中依次以“景观格局（landscape）”和“尺度（scale）”为关键词精炼检索结果, 筛选出以“景观格局对河流水质影响的尺度效应”为主题的研究, 中文53篇、英文127篇；②去除综述类文章；③逐一阅读原文, 去除原文中未给出景观格局对河流水质变化影响量化关系的文章. 最终, 研究收集了中国、美国、芬兰等在内的10个国家的51个流域在1997 ~ 2023年间发表的61篇文章研究数据（图 1）, 其中包括中文文献12篇, 英文文献49篇.

图 1 收集数据河流空间分布示意Fig. 1 Spatial distribution of rivers where data were collected

本研究主要收集了不同尺度下景观指标对水质指标变化影响的量化值. 由于不同研究中所使用的研究方法不同, 所得到的景观格局对河流水质变化影响的量化值的形式也不一致, 因此, 研究收集的数据主要为景观指标对河流水质变化解释率以及景观指标与河流水质指标的相关系数和影响系数这3类. 在景观指标方面, 研究收集了文献内所涉及的所有景观指标；在水质指标方面, 收集文献报道结果中重点关注氮、磷指标（占总数据50%以上）. 最终收集数据总计4 041条, 收集的不同尺度数据分布如表 1所示.

表 1 不同尺度的景观格局与河流水质关系研究结果数据分布Table 1 Data distribution of the results of the study on the relationship between landscape patterns and river water quality at different scales

1.2 数据处理

在所收集的研究数据中, 景观格局对河流水质的影响系数与相关系数等数据范围不一致. 为此, 采用数据标准化处理方法, 消除原始数据的量纲影响, 并转化为无量纲和数量级差异的易比较指标. 在各类标准化方法中, 极差标准化因其相对有效性较高、适用性广而得到广泛使用[22]. 本研究首先将所收集到的影响系数利用极差标准化方法将数据范围归一化至[-1, 1]区间内, 标准化公式为：

(1)

式中, Max表示所有影响系数数据集中最大值, Min表示所有影响系数数据集中最小值, x表示影响系数.

为了量化景观指标对河流水质的影响程度, 研究构建了相对重要指数（Q）. Q的计算基于同一景观指标在不同文献中出现的次数, 次数越多则表明该景观指标对河流水质的影响可能性越大, 计算公式如下：

(2)

式中, Q表示相对重要指数, ni表示第i个景观指标的数据个数, nmax和nmin分别表示所有景观指标中数据个数的最大值和最小值.

然后, 根据相对重要指数Q计算综合解释率和综合相关系数E：

(3)

式中, E表示综合解释率、综合相关系数或综合影响系数, ei表示第i个景观指数的具体解释率、相关系数或标准化影响系数.

本研究数据的标准化处理和相对重要指数的计算使用Python 3.7（Anaconda Inc., USA）完成, 统计分析采用SPSS 23.0（SPSS Inc., USA）软件实现. 图表的制作使用ArcGIS 10.7（ESRI Inc., USA）和Prism 8.0（GraphPad Software Inc., USA）软件完成.

2 结果与讨论2.1 时间尺度效应

丰水期尺度下景观格局对河流水质变化的综合累积解释率显著高于其他时间尺度[图 2（a）], 其中丰水期尺度下景观格局对河流水质变化的综合累积解释率为69%、平水期尺度为53%, 降雨事件尺度（37%）和年际尺度（42%）的景观格局对河流水质变化的综合累积解释率相近. 这主要是由于丰水期中, 在密集的降水和地表径流的淋洗和冲刷下, 土壤中的泥沙与其所携带的有害物质随径流迁移到水体中, 导致水质浑浊恶化[6, 8, 23~25]. 降雨事件尺度下虽然也有降雨对土壤的冲刷和淋洗过程, 但降雨事件尺度关注于单个降雨事件, 相较于持续时间长、降雨次数多的丰水期尺度, 降雨事件尺度景观格局对河流水质变化的解释率低于丰水期尺度. 因此, 丰水期景观格局对河流水质变化的综合累积解释率高于其它时间尺度. 在丰水期条件下, 与草地和流域整体景观格局相比, 林地（21%）、耕地（18%）和城镇用地（16%）的景观因子对河流水质变化的平均解释率相对较高[图 2（b）]. 因此, 林地、耕地和城镇用地是丰水期影响河流水质变化的主要景观类型[26~29].

图 2 不同时间尺度与景观类型的景观格局对河流水质变化的综合解释率Fig. 2 Combined explanatory rates of changes in river water quality by landscape patterns at different time scales and landscape types

从具体景观指标来看, 丰水期林地景观的斑块密度、面积占比和最大斑块指数对河流水质变化的综合解释率高于其它林地景观指标, 分别为35%、31%和20%（图 3）. 这表明林地景观的斑块密度、面积占比和最大斑块指数综合调控了丰水期林地污染物的动态变化. 斑块密度是指单位面积上林地斑块分布的数量, 代表着林地景观的破碎化程度[30]. 林地斑块密度与河流水质污染程度呈正相关（图 3）, 丰水期的连续降雨会产生大量地表径流, 林地具有减缓地表径流速度的作用, 但破碎化的林地大大降低了林地减缓地表径流速度的效果, 使得高斑块密度的林地会增加河流水质污染风险[26, 27]. 林地面积占比与河流水质污染程度呈负相关（图 4）, 有研究表明, 高林地面积占比的流域水质污染程度往往较低[26~29]. 这是由于地表径流流经林地过程中所携带的泥沙和有害物质被截留和净化, 从而减少了河流水质污染[8, 23]. 与斑块密度相反, 最大斑块指数代表景观聚集程度[30]. 在丰水期条件下, 林地最大斑块指数与河流水质之间存在负相关关系（图 4）. 有研究发现, 当林地的最大斑块指数值超过52%时, 流域河流水质污染程度明显降低[31]. 因此, 减少林地斑块密度、增加林地面积占比和提高林地聚集度能更好地改善河流水质状况[6, 31, 32]. 在耕地景观格局中, 耕地景观的面积占比（21%）、最大斑块指数（20%）和景观聚合指数（19%）对河流水质变化的平均解释率高于其它耕地景观指数（图 3）, 其中, 耕地面积占比在不同研究中对河流水质变化影响的差异较大（3% ~ 34%）（图 3）, 意味着农业面源污染对河流水质的影响存在较大的区域差异性[31]. 最大斑块指数和聚合度指数均是表示耕地景观聚集程度的景观指数, 二者均与河流水质污染程度呈负相关, 耕地面积占比与河流水质污染程度正相关, 因此, 提高流域内耕地的聚集度、减少耕地面积占比能有效减少河流水质恶化风险. 在城镇用地景观中, 城镇用地的斑块密度和最大斑块指数对河流水质变化的综合解释率较高, 分别是31%和25%（图 3）. 城镇用地和斑块密度均与河流水质污染程度的含量呈正相关（图 4）, 高破碎度的城镇用地代表该地区的城镇化水平较低, 可能是以农村居民点为主, 其污水集中处理设施较为缺乏, 使得对河流水质污染的贡献较大[19, 20, 25]. 因此, 在丰水期尺度上, 林地、耕地和城镇用地的聚集度是影响河流水质变化的主要景观特征, 林地和城镇用地的斑块密度以及耕地的面积占比是影响河流水质的重要景观因子. 在河流水质改善中, 增加林地面积、减少耕地与城镇用地面积的同时, 增加林地、耕地和城镇用地的聚集程度, 可以有效提高改善效果.

图 3 丰水期景观因子对河流水质变化的综合解释率Fig. 3 Combined explanatory rates of changes in river water quality by landscape factors during the water abundance period

图 4 丰水期景观因子与河流水质变化的综合相关系数Fig. 4 Correlation coefficients between landscape factors and changes in river water quality during the water abundance period

2.2 空间尺度效应

缓冲区尺度下景观格局对河流水质变化的综合累积解释率（69%）明显高于流域尺度的（42%）[图 5（a）], 表明缓冲区尺度的景观格局配置对于水质的调控更为显著[33, 34]. 与流域尺度相比, 缓冲区离河距离近, 缓冲区内持留的污染物能够在较短的时间内进入河流并影响河流水质[6, 23]. 流域尺度的景观影响更为复杂, 污染物由陆域输移到河流系统需经过较长输移时长, 同时会受流域中的林地和草地等景观的消耗与持留作用及人居地景观的补给作用影响, 使得最终进入河流的污染物在含量、形态等方面产生较大的变异[31, 32]. 为此, 相较于整个流域尺度而言, 缓冲区尺度上的景观格局对河流水质的影响更大. 在缓冲区尺度下, 与耕地景观和缓冲区整体景观相比, 水域（19%）、林地（19%）和城镇用地（17%）景观格局对河流水质变化的平均综合解释率更高[图 5（b）]. 因此, 水域、林地和城镇用地是缓冲区尺度下影响河流水质的主要景观类型.

图 5 不同空间尺度与景观类型的景观格局对河流水质变化的综合累积解释率Fig. 5 Integrated cumulative explanatory rate of changes in river water quality by landscape patterns at different spatial scales and landscape types

在缓冲区尺度的水域景观中, 边缘密度、最大斑块指数、水域面积占比和斑块密度对河流水质变化的综合解释率明显高于其它景观指数, 分别为31%、28%、21%和17%. 边缘密度、最大斑块指数和斑块密度均是表示水域景观破碎化程度的景观指标[30], 边缘密度、斑块密度和水域面积占比与河流水质污染程度呈正相关（图 6）. 这是由于河岸缓冲区尺度的面积一般较小, 池塘、堰塘等水域景观作为河流污染物的“汇”景观, 大量破碎化水域景观的存在会增加陆域景观与水体的接触面积, 增加了河流污染物直接进入水体的概率[7, 8, 14]. 因此, 在缓冲区尺度下整合水域景观, 减少水域的破碎度和面积占比能够更好地改善河流水质. 在林地景观格局中, 林地斑块密度对河流水质变化的解释率明显高于其它林地景观指标, 解释率为33%. 这与丰水期林地景观表现相似, 因此, 林地景观在时间和空间尺度均对河流水质具有明显的调控作用, 并且高面积占比、低破碎度的林地景观对河流水质的改善作用更好[6, 31, 32]. 在城镇用地景观中, 斑块密度（30%）和最大斑块指数（17%）对河流水质变化的综合解释率高于其它景观指标. 斑块密度代表城镇用地的分散程度, 最大斑块指数表示城镇用地的聚集程度[30]. 在缓冲区尺度上, 城镇用地斑块密度与河流水质污染程度呈负相关, 最大斑块指数与河流水质污染程度正相关（图 7）. 这可能是由于高聚集度的城镇用地往往具有更高的城镇化水平、更大的城镇用地面积, 使得缓冲区内的生活污水排放等点源污染对河流水质的影响较大[35~39], 因此, 缓冲区尺度上分散的城镇用地能更好地保护河流水质[6, 8, 24]. 为此, 在缓冲区尺度上, 水域、林地和城镇用地的聚集度是影响河流水质变化的主要景观特征, 水域景观边缘密度、林地斑块密度和城镇用地斑块密度是影响河流水质的重要景观因子. 减少缓冲区内水域和城镇用地景观的面积, 增加二者景观在缓冲区内的分散程度, 同时增加林地面积和聚集度, 能较为有效保护河流水质.

图 6 缓冲区景观因子对河流水质变化的综合解释率Fig. 6 Combined explanatory rates of changes in stream water quality by landscape factors in buffer zones

图 7 缓冲区景观因子与河流水质变化的综合相关系数Fig. 7 Combined correlation coefficients between landscape factors and river water quality changes in the buffer zone

2.3 时空耦合尺度效应

不同时空耦合尺度分析的结果表明, 丰水期-缓冲区尺度（69%）的景观格局对河流水质变化的综合累积解释率高于平水期-缓冲区尺度（53%）, 高于流域尺度下的丰水期（45%）与平水期尺度（39%）（图 8）. 缓冲区尺度下丰水期和平水期景观格局对河流水质变化的综合累积解释率均大于流域尺度的平水期和丰水期, 这表明在时空耦合尺度中, 景观格局对河流水质影响的空间依赖性要大于时间依赖性. 这是由于缓冲区是直接影响河流水质的关键空间尺度, 而丰水期则加强了这种调控效应. 二者耦合而成的丰水期-缓冲区尺度在具有缓冲区污染物快速入河的特征下, 且丰水期的水文连通性强, 使得其景观格局对河流水质变化的影响最大[6, 8, 33]. 在丰水期-缓冲区尺度下, 林地、城镇用地和水域的景观因子对河流水质变化的平均解释率高于其它景观类型, 分别是24%、23%和23%（图 8）. 因此, 林地、城镇用地和水域是影响丰水期-缓冲区尺度下河流水质变化的主要景观类型.

图 8 不同时空耦合尺度与景观类型的景观格局对河流水质变化的综合累积解释率Fig. 8 Integrated cumulative explanatory rate of river water quality change by landscape patterns at different spatio-temporal coupling scales and landscape types

在丰水期-缓冲区尺度中, 林地景观的斑块密度、斑块面积占比和最大斑块指数对河流水质变化的综合解释率高于其它林地景观指数, 分别为38%、27%和24%（图 9）. 这与单一时间和空间尺度下的林地和城镇用地景观对河流水质的影响特征相似（图 10）, 高面积占比、高聚合度和低破碎度的林地景观能够减少河流水质污染程度[4, 6, 7]. 城镇用地的斑块密度和最大斑块指数对河流水质变化的综合解释率高于其它城镇用地景观指数, 分别为37%和20%（图 9）；水域景观的斑块密度、边缘密度、最大斑块指数和面积占比对河流水质变化的综合解释率高于其它水域景观指数, 分别为32%、32%、31%和26%（图 9）；这与缓冲区尺度下城镇用地和水域景观对河流水质影响的特征相似（图 10）, 高破碎度、低面积占比的城镇用地和水域景观更有利于缓冲区河流水质改善[40, 41]. 因此, 丰水期-缓冲区尺度中林地、城镇用地和水域景观的聚集度是影响河流水质变化的主要景观特征, 林地、城镇用地和水域景观的斑块密度是影响河流水质的重要景观因子. 在缓冲区尺度上, 分散水域和城镇用地、增加二者斑块密度和景观面积, 同时尽量增加林地景观面积占比、减少林地斑块密度, 能更好地改善河流水质状况.

图 9 丰水期-缓冲区时空耦合尺度景观因子对河流水质变化的综合解释率Fig. 9 Integrated rate of explanation of river water quality changes by spatially and temporally coupled spatial and temporal scale landscape factors in the abundance-buffer zone

图 10 丰水期-缓冲区时空耦合尺度景观因子与河流水质变化的综合相关系数Fig. 10 Combined correlation coefficients between landscape factors and stream water quality changes at the temporal and spatial coupling scales of abundance-buffer zone

3 结论

（1）相对于降水事件、平水期和年际尺度, 丰水期尺度下景观格局对河流水质的影响最大. 丰水期尺度下林地、耕地和城镇用地是影响河流水质的关键景观类型, 林地、城镇用地的斑块密度以及耕地面积占比是影响河流水质的重要景观格局指标.

（2）相对于流域尺度, 空间尺度的缓冲区尺度上的景观格局对河流水质的影响更大. 缓冲区内水域、林地和城镇用地景观类型以及水域景观边缘密度、林地斑块密度和城镇用地斑块密度是影响河流水质的主要景观因素. 景观格局对河流水质影响的空间依赖性要大于时间依赖性.

（3）在时空耦合尺度中, 丰水期-缓冲区耦合尺度是影响河流水质的关键时空耦合尺度. 林地、城镇用地和水域景观以及3种景观的斑块密度是影响时空耦合尺度下河流水质变化的主要景观因素.

（4）为了改善河流水质, 在流域尺度上, 增加林地面积、减少城镇用地面积的同时, 应减少林地和城镇用地的分散度；在缓冲区尺度上, 增加林地面积、减少水域和城镇用地面积的同时, 应减少林地和水域的分散度、增强城镇用地分散度.