本文關(guān)鍵詞：流溪河流域景觀特征對河流水質(zhì)的影響及河岸帶對氮的削減效應(yīng)

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【摘要】：流域水環(huán)境管理中,在點源污染得到較好控制的情況下,土地利用組成與空間布局的調(diào)整和優(yōu)化可有效調(diào)控非點源污染。使探索河流水質(zhì)對流域景觀特征時空變異的響應(yīng)及其機(jī)制,成為河流水質(zhì)污染控制基礎(chǔ)研究的熱點之一,對流域景觀優(yōu)化設(shè)計與水環(huán)境保護(hù)具有重要意義。氮是陸地水體的重要污染物,相鄰高地的氮經(jīng)地表與地下徑流通過河岸帶排入水體。河岸帶作為陸地和水體之間的過渡緩沖帶,是截留轉(zhuǎn)化陸地污染物防止其進(jìn)入水生環(huán)境的最后一道屏障,在控制來自陸地非點源的氮素過程中發(fā)揮著重要的作用。因此,研究河岸帶生態(tài)系統(tǒng)對污染物的去除作用,對改善河流水質(zhì)和保護(hù)流域生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要的理論和現(xiàn)實意義。本文以GIS技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合實地采樣調(diào)查,使用傳統(tǒng)線性多元統(tǒng)計與非線性統(tǒng)計法分析了流域景觀特征對河流水質(zhì)的影響,并獲得河流水質(zhì)典型污染物種類,在此基礎(chǔ)上,通過分析河岸帶生態(tài)系統(tǒng)對該典型污染物的去除作用,來展示河岸帶生態(tài)系統(tǒng)的重要作用。本文研究的主要內(nèi)容及結(jié)論如下所示:本論文主要得到以下研究結(jié)果與結(jié)論:(1)以廣州市流溪河流域為研究區(qū),在水質(zhì)外業(yè)斷面采集的基礎(chǔ)上,采用偏冗余分析(Partial redundancy analysis PRDA)和隨機(jī)森林回歸分析(Random forests regression RFR)等多種統(tǒng)計分析方法,分析不同景觀變量組與河流水質(zhì)間的關(guān)系,確定各景觀因子對水質(zhì)的影響和貢獻(xiàn)程度。結(jié)果表明:流域景觀特征從上游到下游表現(xiàn)為城市化遞增的趨勢,水質(zhì)惡化程度與該趨勢一致。其中,裸露地對水質(zhì)的影響作用最強(qiáng),其次是建設(shè)用地,兩者間對水質(zhì)變化起負(fù)效應(yīng),而林地與水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系表現(xiàn)為負(fù)相關(guān),園地與水質(zhì)指標(biāo)關(guān)系不明顯;在所有景觀特征變量中,景觀組成對水質(zhì)的作用最明顯,其對水質(zhì)空間變異的解釋貢獻(xiàn)率占總解釋方差的20.7%;其次是自然景觀因子和景觀格局指數(shù),其值分別為8.1%和4.3%。與傳統(tǒng)的線相關(guān)分析相比,偏冗余分析結(jié)合隨機(jī)森林回歸的非線性統(tǒng)計方法能夠起到更高的降維作用,兩者的結(jié)合是研究流域景觀指標(biāo)與水質(zhì)關(guān)系的有效途徑之一。(2)以廣州市水源地流溪河為研究對象,在子流域尺度及30m、61m、100m、200m及300m河岸緩沖尺度中,通過冗余分析(RDA)篩選對水質(zhì)空間變異解釋力最佳的寬度,同時獲得對水質(zhì)影響最顯著的景觀變量組;利用CART模型進(jìn)行的變化點分析篩選對單一水質(zhì)指標(biāo)影響最大的景觀因子,確定沿流域景觀梯度變化引起水質(zhì)突變的景觀閾值.結(jié)果表明:整體來看,河岸緩沖尺度對水質(zhì)的影響要大于子流域尺度,且200m緩沖區(qū)尺度的景觀因子對水質(zhì)空間變異的解釋力最大;在各尺度的景觀特征中,裸露地面積比(bar%)是對水質(zhì)影響最重要的景觀因子.另一方面,在200m緩沖區(qū)尺度中,bar%、建設(shè)用地面積比(con%)及建設(shè)用地最大斑塊指數(shù)(lpicon)是影響水質(zhì)中tp、cod及nh4+空間變異的最主要景觀變量;且當(dāng)con%15~23%、bar%0.8~1.4%及l(fā)pico5.0%~6.6%時會分別加重河流中cod、tp及nh4+的污染負(fù)荷。(3)以廣州市水源地流溪河二級支流的河岸帶為研究對象,分析流域多尺度環(huán)境因子對河岸帶土壤理化性質(zhì)的影響,確定調(diào)控河岸帶土壤理化性質(zhì)的不同尺度景觀因子,為河岸帶管理和修復(fù)提供參考和科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明:河岸帶流域縱向尺度上的地形指數(shù)、坡度、海拔、土地利用類型等因子是影響土壤水分含量、土壤質(zhì)地及ph等性質(zhì)的主要因素;河岸帶橫向斷面尺度上距河邊遠(yuǎn)近不同的景觀位置及植被覆蓋度等因子是影響土壤可溶性有機(jī)碳、土壤硝態(tài)氮及土壤容重等性質(zhì)的主要因素;河岸帶垂直剖面尺度上人為活動對土壤干擾強(qiáng)度大小、剖面根系分布情況及地下水位高低等因子是影響土壤有機(jī)碳、總氮及氨氮等性質(zhì)的主要因素。(4)以廣州市水源地流溪河二級支流的河岸帶為研究對象,分析嵌套結(jié)構(gòu)的多尺度因素對河岸帶土壤反硝化作用的影響,確定調(diào)節(jié)河岸帶土壤反硝化酶活性的不同尺度控制因素。結(jié)果表明:以土壤反硝化酶活性表征的反硝化潛力,其在研究區(qū)內(nèi)的剖面尺度空間變異性顯著大于斷面尺度和流域景觀尺度;反硝化酶活性的空間變異受多尺度因子的作用,其中剖面尺度中土壤有機(jī)碳、全氮、硝態(tài)氮等因子對其空間分布起主要的直接控制作用,而斷面尺度的景觀位置、植被密度與流域景觀尺度的地形指數(shù)、高程及土地利用類型等因子通過影響土壤性質(zhì)而間接調(diào)控反硝化酶的空間分異性;研究區(qū)的反硝化酶活性在剖面尺度中表層最高,隨著深度增加呈急劇減小的趨勢;斷面尺度中活性值最高位于河岸區(qū)中間的景觀位置,因該位置具有良好的景觀連接性和較高的植被密度;流域景觀尺度中,除受人為擾動嚴(yán)重城市化地區(qū)外,河岸帶土壤反硝化酶活性沿流域從上游至下游呈不斷增加的趨勢。(5)以廣州市水源地流溪河二級支流的河岸帶為研究對象,分析河岸帶淺層地下水對氮素的去除作用,確定主要作用機(jī)理,探討主要影響因素。本研究結(jié)果表明,所研究區(qū)的河岸帶對來自高地地下水硝酸鹽有很好的削減作用,可較好的起到對河流水質(zhì)保護(hù)的作用,去除機(jī)理主要是反硝化作用,影響該機(jī)理的直接因素有地下水中氮源、碳源及氧氣的供給情況,間接因素有縱向景觀尺度的表征水文地質(zhì)的含水層厚度、土地利用類等環(huán)境因子,及代表橫向尺度因子的景觀位置、河岸帶寬度環(huán)境因子。三個斷面的兩個寬度的河岸帶均顯示了明顯的對地下水硝酸鹽的去除效果,其中,去除率最高的主要位于可提供豐富硝態(tài)氮的耕地用地類型的樣地D2,其在23m與10m寬度的去除率均超過90%,顯著高于其他樣地;而出去率相對最低的位于林地背景的用地類型為菜地的樣地D4,23m寬的去除率只有53%;在不考慮河岸區(qū)地下水硝氮輸入濃度的差異時,23m寬的河岸帶硝氮去除率要高于10m寬的。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(廣州地球化學(xué)研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：X52;P901
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本文編號：1258339