三峡库区汉丰湖景观格局对水质的影响研究

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湖库水环境变化是区域社会经济发展的重要影响因素。持续增强的人类活动导致流域土地利用结构显著变化,加剧了水土流失,并使下游河流、湖库水体富营养化,进而对流域社会经济发展产生重要影响。湖库上游的土地利用结构改变引起景观格局发生重要变化,并使其与湖库水质变化产生紧密联系。然而,目前关于湖库水质变化与区域景观格局的响应关系的研究还较少见,景观格局对水质变化的影响机制并不清楚。明确湖库水质与景观格局的响应关系,将有利于改善水质,促进湖库水生态系统健康持续发展。三峡库区是长江上游的生态屏障建设区,也是水生态环境变化研究的热点区域。近年来,人类活动增强加剧了库区坡耕地水土流失,导致库区多条支流水体富营养化及水质恶化,极大限制了库区社会经济的可持续发展。汉丰湖是三峡库区面积最大的前置湖(水域面积达14.8 km~2),其水质变化形势受到国内外学者广泛关注。目前针对汉丰湖区的研究主要集中于水体营养状态及湖体藻类群落结构等方面,对汉丰湖库水质变化与湖库区域的景观格局响应关系的研究还很少见。基于此,本研究于2018年在汉丰湖水体布设7个典型采样点(HF1、HF2、HF3、HF4、HF5、HF6和HF7),对湖区水质变化进行了逐月监测,分析了湖体水质时空分布特征。同时,利用ENVI5.3与Arcgis10.5软件对湖区遥感影像进行了景观类型分类处理,以各采样点为中心划定圆形缓冲区(500 m、1000 m、1500 m和2000 m缓冲区)。借助Fragstats4.2软件提取了各缓冲区的景观指数(斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、蔓延度指数(CONTAG)、斑块凝聚指数(COHESION)、聚集度指数(AI)和香农多样性指数(SHDI)),通过相关性分析和主成分分析探究了不同时空尺度下各土地利用类型及景观指数与湖泊水质指标之间的关系,为汉丰湖库区土地利用的合理开发与湖体水环境保护与提供理论指导。本研究主要得到以下研究结果:(1)从时间变化上来看,水温(WT)、总固体悬浮物(TSS)和氨氮(NH4+-N)质量浓度在雨季显著高于旱季(P<0.05),电导率(EC)和硝态氮(NO3--N)质量浓度表现为雨季显著低于旱季(P<0.01)。透明度(SD)、溶解氧(DO)、p H、叶绿素a(Chl-a)、高锰酸盐指数(CODMn)、总氮(TN)、溶解性总氮(DN)、总磷(TP)、溶解性总磷(DP)和溶解性磷酸盐(PO43--P)季节变化差异不显著(P>0.05)。从空间变化来看,SD、EC和DP质量浓度在上游明显高于下游(P<0.05),而WT、DO、p H、TSS、Chl-a、CODMn、TN、DN、NH4+-N、NO3--N、TP和PO43--P的空间变化差异不显著(P>0.05)。各指标间,TN和TP呈显著正相关关系(P<0.05)。水体富营养化指数(TLI)的变化表明湖体处于中营养至轻度富营养化水平,且雨季湖体富营养化程度显著高于旱季(P<0.05)。(2)不同缓冲区尺度内,各土地利用类型占比不同,其中500 m缓冲区内水域占比(53.56%)最高,草地占比(0.03%)最低;1000 m缓冲区内水域占比(33.02%)最高,草地占比(0.78%)最低;1500 m缓冲区内建设用地占比(31.76%)最高,草地占比(1.04%)最低;2000 m缓冲区内建设用地占比(31.56%)最高,草地占比(1.17%)最低。不同缓冲区内景观格局差异明显,500 m缓冲区内LSI相对较小(2.42),表明景观相对完整,而2000 m缓冲区内LSI相对较大(5.83),说明景观比较破碎;1500 m和2000 m缓冲区内的COHESION较500 m和1000 m缓冲区大,表明缓冲区尺度越大,景观聚集度越高;随着缓冲区尺度增大,SHDI逐渐增大,表明土地利用类型越多元,破碎化程度越高。湖区各样点之间,HF3点位的各缓冲区景观形状最复杂,破碎化程度最高;HF7点位各缓冲区内土地利用程度(L)最大,但各缓冲区内土地级别差异不显著(P>0.05)。(3)景观格局对水质变化的影响存在显著的时空差异。空间上,1000 m和1500 m缓冲区尺度内景观指数与水质指标的相关性最高。而不同时段的分析结果表明,旱季土地利用指数与水质指标的相关关系较为显著,其中耕地、草地和土地利用程度(L)与各水质指标呈显著正相关(P<0.05),但相关性随缓冲区尺度增大而越弱。主成分分析结果表明以林地和L对水质变化的影响最大。从景观水平上来看,雨季景观指标(NP、PD、CONTAG、COHESION和SHDI)与p H、EC、TN、DN、NO3--N和TP呈的相关性显著(P<0.05),主成分分析进一步表明CONTAG、COHESION和SHDI与水质变化的相关性最高,表明景观越破碎、斑块连通性越低,越有利于营养物质的汇集,而使得湖体水质恶化程度越高。
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