非点源污染过程与景观格局的尺度依赖性研究

景观格局与非点源污染过程是典型的格局与过程关系，由于机理复杂，不同尺度间污染物运移的相互作用机制尚不清楚，影响了非点源污染的深入研究和有效控制。目前国内外研究多集中在单一空间尺度下，简单景观格局变量与非点源污染物运移之间的关系，还缺乏从一个系列空间尺度上的连续过程研究。本项目选取北京密云水库上游流域的多个嵌套式流域为重点监测研究区，拟开展不同尺度下的景观格局与非点源污染过程关系的尺度依赖性和景观格局变量对环境响应产生控制作用的尺度适应性研究。从景观格局与污染过程相互作用的角度出发，采用冗余分析（RDA）与SWAT模型技术，识别不同尺度下影响地表水质的关键景观类型与格局，揭示不同尺度污染物运移的相互作用机制，建立污染物运移的尺度转化关系，为有效控制非点源污染提供理论依据和技术指导；本项目的研究成果对进一步控制地表水的富营养化、促进水源地保护和流域健康，具有十分重要的科学意义和广泛的应用价值。

通过对密云水库上游流域50个样点的连续多年水质监测，利用GIS技术、冗余分析、多元线性回归、因子分析、空间回归等数理统计分析技术，开展了子流域、岸边带、局部河段等不同尺度下景观格局与非点源污染过程关系的尺度适应性研究，识别出不同尺度下影响地表水质的关键景观类型与格局，辨析了不同因素对于景观格局与水质关系的影响。研究发现：（1）河流污染物浓度变化具有显著的时空差异，浓度最高值大多出现在雨季中。总磷运移过程不受水文尺度转换影响。随着嵌套式流域面积的增大，总氮及硝酸盐的浓度出现降低的趋势。亚硝酸盐的浓度变化则相反，从小尺度到大尺度出现增高。氨氮可能受点源污染的影响，尺度间变异不明显。COD与TOC从小尺度向大尺度区域迁移过程中出现浓度升高。（2）河流水质与流域景观特征显著相关，村镇用地与河网密度对河流水质的影响最大。流域季节性水文过程对景观因子与河流环境的关系有很大的影响。在河流流量较大的雨季中及雨季后，景观因子对于河流水质的变异解释能力较高。随着流量的变化，对水质起主导作用的景观因子类型也会发生变化; 在雨季前与雨季中，流域尺度与岸边带尺度的景观对与水质变异的解释能力几乎相等。雨季后，流域尺度的景观对于水质的影响更大，但二者的差距不明显。（3）研究区内景观的变异主要是由景观组成与结构所代表的人为景观特征造成的，水文变量代表的自然景观特征对研究区内景观变异影响较小，空间均质性较高。自然因子与人为因子对水质变异的解释能力随季节变化而变化。雨季前与雨季中二者对水质的影响基本相同，雨季后人为因子对水质的影响最大。景观结构变量对水质变异的解释能力在各季节均小于土地利用变量。（4）局部河段尺度景观对水质的解释能力明显小于其他尺度，在本区不适用于预测河流物理化学特征。岸边带尺度景观对于水质的解释能力大于流域尺度，100m 岸边带尺度内景观具有最大的水质变异解释能力。因此距河岸100m内的景观与河流环境的响应关系可以代表这一区域岸边带尺度景观特征对水质的影响。（5）在HSPF模型模拟和CCA排序和路径分析等统计分析研究表明，边缘密度、香农多样性指数、聚集度指数和蔓延度指数是影响流域非点源污染负荷输出的主要景观格局变量，较少的人类活动干扰和斑块类型的团聚分布，更能减少污染物输出的风险。