南四湖入湖河流水环境质量状况及其对流域土地利用空间格局的响应

来源 :曲阜师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:winchard
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南四湖是我国北方最大的淡水湖,承接鲁、苏、豫、皖四省三十多个县市区的用水,为南水北调东线工程重要中转站,是山东省最大的商品粮基地,也是山东省最大的淡水渔业基地。随着流域内城市化进程的发展,城市建设用地面积逐年增加,耕地面积逐年减少。为了维持粮食生产总量,氮、磷肥和农药等施加量随之增加,未被利用的污染物经降雨径流冲刷进入到河流,最终汇入湖泊,使南四湖水环境非点源污染严重。同时,南四湖流域还拥有丰富的矿产资源,由于不合理的开发利用,使得南四湖的重金属污染问题突出。本研究分平水期、枯水期和丰水期三个水文时期,通过现场监测及室内分析等方法探究南四湖51条主要入湖河流入湖口附近水环境质量的时空变化特征,运用单因子评价法、水质综合污染指数法和综合水质标识指数法等3种评价方法对所测得的18个水质指标进行综合评价;并结合流域不同空间尺度的土地利用和景观格局,运用Person相关分析、冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)等方法分析南四湖入湖河流水环境质量状况对不同空间尺度土地利用和景观格局的响应,以便为南四湖流域水环境保护提供理论支撑和数据支持。主要取得以下结论:(1)参照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)发现,影响南四湖入湖河流水环境质量恶化的关键水质指标主要有5个,分别是总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和重金属镍(Ni),其中TN和Ni是造成多数入湖河流水质变差的主要水质指标。目前,南四湖入湖河流表层水中TN、TP、COD、NH3-N、Ni等指标仍存在严重的污染问题,但水质评价结果显示南四湖入湖河流总体水质状况较好,基本可以达到Ⅲ类水标准。根据水质综合污染指数法和综合水质标识指数法评价结果,平水期水环境质量状况最好,枯水期次之,丰水期最差。(2)水质指标的平均质量浓度在3个水文时期的变化趋势主要表现为两种,一种变化趋势是枯水期?平水期?丰水期,主要有TN、硝态氮(NO3-N)、锌(Zn)、锰(Mn)等水质指标;另一种变化趋势是丰水期?枯水期?平水期,主要有TP、NH3-N、COD、铜(Cu)、铁(Fe)、铅(Pb)、铬(Cr)等水质指标。(3)南四湖流域2020年土地利用状况分析结果表明,流域属典型的农业流域,耕地面积占总面积的75%以上,建设用地面积占总面积的21.02%,林、草地面积分别占总面积的0.45%、0.72%,未利用地面积最小,仅占整个流域的0.01%,说明南四湖流域整体土地开发利用程度高,受人类活动的影响强烈。(4)南四湖流域各河流入湖河口周围景观格局指数分析表明,入湖口周围100 m、300 m缓冲区的景观破碎化程度大,斑块间的物理连通性差,不同类型斑块间的团聚程度低;但是,从子流域尺度来看,各子流域景观破碎化程度低,斑块间的物理连通性好,不同类型斑块间的团聚程度高,景观结构较合理。(5)各河流入湖河口水质与周围缓冲区土地利用状况的相关分析表明,在300 m和500 m缓冲区尺度,耕地与TP存在显著负相关(p<0.05),说明耕地在300 m和500 m缓冲区尺度对河流中磷污染物的输入起阻滞作用;在1 km缓冲区尺度,耕地与Ni存在显著正相关(p<0.05),说明耕地在1 km缓冲区尺度对河流中重金属Ni的输入起促进作用。建设用地作为人类活动最频繁的区域,在入湖河口300 m、500 m和1 km缓冲区尺度与TP、NH3-N、COD和Ni等水质指标存在显著正相关(p<0.05),说明在1 km及其以下范围的缓冲区内,建设用地是造成南四湖流域入湖河流水体污染的主要土地利用类型。林地和草地在入湖河口1 km及其以下范围的缓冲区内出现的频率较低,对水环境质量影响较小;但是,在子流域尺度下,草地和未利用地与Ni存在显著负相关(p<0.05),说明草地和未利用地在子流域尺度对河流中重金属Ni的输入起阻滞作用。(6)不同空间尺度景观格局指数与水质指标的RDA分析表明,在入湖河口300 m、500 m和1 km缓冲区尺度,最大斑块指数(LPI)、蔓延度指数(CONTAG)和聚合度指数(COHESION)对TN、TP、NH3-N、Ni等水质指标解释能力较高,说明最大斑块的面积比重、不同类型斑块的团聚程度和斑块间的物理连通性对河流中氮磷污染物及重金属Ni的输入起促进作用;在子流域尺度,在枯水期时香农多样性指数(SHDI)对NO3-N、TN等水质指标解释能力较高,在丰水期时COHESION对COD、NH3-N的解释能力较高,CONTAG和LPI对TP解释能力较高,说明在枯水期各斑块类型的异质性对河流中氮污染物的输入起促进作用,在丰水期斑块间的物理连通性对河流中氮污染物及有机污染物的输入起促进作用,不同类型斑块间的团聚程度和景观形状的复杂程度对河流中磷污染物的输入起促进作用。(7)相关分析与RDA分析结果表明,在本研究5种空间尺度中,1 km缓冲区尺度是南四湖流域土地利用和景观格局对入湖河流水环境质量产生影响最大的空间尺度。因此,入湖河口1 km范围内的土地利用状况和景观格局结构是南四湖水环境质量的关键影响因子,河湖水质的治理和保护应该着重从入湖河口1 km范围的区域入手,建立植被缓冲带,或者在入湖河口建设湿地生态系统,拦截或净化污染物,保护河湖水环境。
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