地球科学进展, 2021, 36(1): 17-28 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.007

综述与评述

景观格局变化的水质净化服务响应关系研究进展

王飞,1, 陶宇1,2, 欧维新,1,2

1.南京农业大学土地管理学院,江苏 南京 210095

2.农村土地资源利用与 整治国家地方联合工程研究中心,江苏 南京 210095

Research Progress on Response Relationship of Water Quality Purification Service with Landscape Pattern Change

WANG Fei,1, TAO Yu1,2, OU Weixin,1,2

1.College of Land Management,Nanjing Agricultural University,Nanjing 210095,China

2.National & Local Joint Engineering,Research Center for Rural Land Resources Use and Consolidation,Nanjing 210095,China

通讯作者: 欧维新(1974-),男,湖南益阳人,教授,主要从事土地利用及生态环境效应研究. E-mail:owx@njau.edu.cn

收稿日期: 2020-10-30   修回日期: 2020-12-24   网络出版日期: 2021-03-19

基金资助: 国家自然科学基金项目“太湖流域景观格局变化的水生态服务响应机制及调控研究”.  41971230
“太湖流域水生态服务供需空间量化、格局演变与驱动机制”.  41701211

Corresponding authors: OU Weixin (1974-), male, Yiyang City, Hunan Province, Professor. Research areas include land use and eco-environmental effects. E-mail:owx@njau.edu.cn

Received: 2020-10-30   Revised: 2020-12-24   Online: 2021-03-19

作者简介 About authors

王飞(1993-),女,山西临汾人,博士研究生,主要从事土地利用与景观生态研究.E-mail:2019209024@njau.edu.cn

WANGFei(1993-),female,LinfenCity,ShanxiProvince,Ph.Dstudent.Researchareasincludelanduseandlandscapeecology.E-mail:2019209024@njau.edu.cn

摘要

景观格局变化对生态系统水质净化服务具有重要影响。为深入探究景观格局对水质净化服务的影响机制,通过国内外相关文献的系统梳理,总结出不同时空尺度下,景观格局对水质净化服务的影响存在差异,即水质净化服务对景观格局的响应具有尺度依赖性。相同尺度下,不同地形条件和景观基质也会使得景观格局对水质净化服务的影响表现出空间分异性。同时,景观格局与水质净化服务之间存在阈值效应,这使得决策者进行景观格局优化与水质保护时需要更为全面地考虑各种因素。针对当前研究存在的水质净化服务对景观格局响应的特征空间尺度不明晰、景观配置及空间分异特征研究有待加强,阈值效应不明确等问题,未来需开展多等级多尺度的对比研究,从不同侧面阐释景观格局与水质净化服务作用的特征尺度,发展能表征生态过程的景观格局指数,加强景观配置对水质净化服务影响的研究,深化不同影响因素下,两者之间空间分异特征探索,探究水质净化服务对景观格局响应的阈值识别方法,有效地判定阈值,为区域景观格局优化和水环境管理提供决策支持。

关键词: 景观格局 ; 水质净化服务 ; 响应关系 ; 尺度

Abstract

The change of landscape pattern has an important influence on the ecosystem water purification service. In order to explore the influence mechanism of the landscape pattern on the water purification service, in this article we systematically sorted out and analyzed the domestic and foreign relevant literature. It is concluded that there are differences in the influence of landscape pattern on water purification service at different spatial and temporal scales; that is, the response of water purification service to landscape pattern has scale dependence. At the same scale, different terrain conditions and landscape matrix also make the impact of landscape pattern on water purification service show spatial heterogeneity. At the same time, there is a threshold effect between landscape pattern and water purification service, which makes decision makers need to consider various factors more comprehensively in optimizing landscape pattern and water quality protection. In the current research, the characteristic spatial scale of water purification service response to landscape pattern is unclear; the study of landscape configuration and spatial differentiation characteristics needs to be strengthened; threshold effect is not clear. In the future, it is necessary to carry out multi-level and multi-scale comparative research to explain the characteristic scale of landscape pattern and water purification service from different aspects. Developing the landscape pattern index which can represent the ecological process and strengthening the research on the influence of landscape configuration on water purification service will deepen the exploration of spatial differentiation characteristics under different influencing factors. Strengthen the exploration of threshold recognition method of water quality purification service to landscape pattern response, effectively determines the threshold, and provides decisions support for regional landscape pattern optimization and water environment management.

Keywords: Landscape pattern ; Water purification service ; Response relationship ; Scale.

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本文引用格式

王飞, 陶宇, 欧维新. 景观格局变化的水质净化服务响应关系研究进展. 地球科学进展[J], 2021, 36(1): 17-28 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.007

WANG Fei, TAO Yu, OU Weixin. Research Progress on Response Relationship of Water Quality Purification Service with Landscape Pattern Change. Advances in Earth Science[J], 2021, 36(1): 17-28 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.007

1 引 言

十九大以来,在习近平生态文明思想指引下,我国生态文明建设取得显著成效,生态环境质量明显改善,践行绿色发展理念推进生态文明建设已经成为时代的主旋律。生态系统服务作为生态系统功能发挥的重要体现,维持着人类的生存和发展,同时受到景观格局和生态过程的影响,因此,景观格局与生态系统服务的关系一直是景观生态学和地理学等学科领域研究的核心问题1。水质净化服务作为一项重要的生态系统调节服务,是指森林、草地、湿地和河岸带等生态系统类型拦截、过滤或吸收径流中污染物的过程和能力2。快速城市化和经济社会发展背景下,土地利用景观格局的巨大变化驱动着生态系统物质循环和能量流动的变化,从而改变进入水体污染物的类型和数量,导致水质恶化、水体富营养化等水环境问题突出;同时自然覆被等生态景观的退化甚至丧失,使其拦截污染物的能力消减,导致水质净化服务降低或消失。因此,深入探究景观格局与水质净化服务之间的关系,对区域景观可持续性和水生态安全提升具有重要意义。

为此,国内外围绕水质净化服务评估、景观格局(或土地利用)等内容开展了大量的、卓有成效的研究工作,极大地深化了生态系统服务研究23,也为区域水生态安全保护与可持续发展提供了丰富的科学支撑。但现有研究仍多关注土地利用或景观格局对水质净化服务影响的强弱,影响机理上景观组成的影响研究较多、空间配置影响研究未达成共识,也缺乏景观格局变化与水质净化服务的非线性关系和响应阈值研究。鉴于此,本文拟从不同尺度下,水质净化服务对景观格局变化响应视角,系统梳理最新的研究进展,进而针对现有研究的不足,提出未来研究需要解决的问题,以期为学者们开展相关研究提供参考。

2 景观格局的刻画与水质净化服务测度方法

景观格局与水质净化服务之间联系密切,景观格局对水质净化服务的影响较大,国内外学者对景观格局的刻画,侧重于对土地利用类型的面积和组成比例进行测算,以及在景观和类型等水平上选择不同的景观格局指数来探讨景观组成和配置与水质净化服务的关系,阐明各土地利用类型和不同景观格局指数对水质的影响程度以及它们之间的相关性,以Web of Science 和CNKI(China National Knowledge Infrastructure)数据库为数据源,选取具有代表性的文章,通过统计研究中常用的景观指数发现,使用频率较高的指数有16个,其中斑块密度(Patch Density,PD)、香农多样性指数(Shannon's Diversity Index,SHDI)、蔓延度指数(Contagion,CONTAG)和最大斑块指数(Largest Patch Index,LPI)等指数应用广泛,能够较好地反映景观空间组成和配置(表1)。

表1   常用景观格局指数描述

Table 1  Description of the landscape pattern index in study

类别景观指数指数描述参考文献
面积—边界指数斑块类型面积百分比(Percentage of Landscape,PLAND)某一斑块类型占景观总面积百分比[1,4~42]
边界密度(Edge Density,ED)景观类型被边界分割的复杂程度[1,9,11,14,16,18,20,22~25,29,31,32,35]
最大斑块指数(Largest Patch Index,LPI)每个单元中最大斑块的面积比重[1,4,6,9~14,16,20~23,31,35]
总面积(Total Area,TA)度量景观或类型总面积[1,14,24,30]
平均斑块面积(Mean Patch Area,AREA_MN)景观或各类型中斑块的平均面积[4,10,14,19,22]
多样性指数香农多样性指数(Shannon's Diversity Index,SHDI)反映各斑块类型的异质性[1,4,6,8~12,14~16,20~23,25,31,35]
香农均匀性指数(Shannon's Evenness Index,SHEI)景观中不同斑块类型分配的均匀程度[1,8,14]
聚集度指数蔓延度指数(Contagion,CONTAG)度量不同类型斑块的团聚程度[1,4,6,8,10~12,16,18,20~23,25,31,32,35]
聚集度(Aggregation Index,AI)景观或斑块类型的非随机或聚集程度[1,4,9,11~13,16,22,23]
聚合度指数(Patch Cohesion index,COHESION)反映相应斑块间的物理连通性[1,6,10~12,15,18,22,23]
斑块密度(Patch Density,PD)每平方千米的斑块数,景观破碎化程度[6,8~16,18,20~25,29,31,32,35]
景观形状指数(Landscape Shape Index,LSI)表示景观形状的复杂程度[6,10,12~14,20,21,25,31,35]
交叉与并列指数(Interspersion Juxtaposition Index,IJI)反映景观或各斑块类型间的总体散布和并列情况[1,11,14,15,20,29,31]
斑块数量(Number of Patches,NP)景观或类型中斑块的数量[1,3,8,9,12,19,22]
形状指数平均形状指数(Mean Shape Index,SHAPE_MN)经数学转化的斑块边长与面积比[6,11,15,23]
面积加权平均分维数(Area-Weighted Mean Fractal Dimension Index,FRAC_AM)运用分维理论来测量斑块和景观的空间形状复杂性[10,11,14,16,24]

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水质净化服务则多采用水质参数进行表征,选取反映水环境质量的物理参数和化学参数或基于这些参数的综合指标来揭示特定景观格局下水质特征,这些参数多以野外采样加实验室分析的方式获得(表2)。此外,利用生态系统服务模型如

表2   研究中不同类型的水质参数

Table 2  Different types of water quality parameters in the study

指标参数选择参考文献
物理指标电导率(Electrical Conductivity, EC)[4~6,9,11,13,22,30,32,33]
色度(Chroma)[11]
溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)[4~6,8~11,13,19,22,27,29,30,34,37]
可溶性固体总量(Total Dissolved Solids,TDS)[5,11,33]
总悬浮固体(Total Suspended Solids,TSS)[1,6,11,12,19,20,27,31]
氧还原电位(Oxygen Reduction Potential, ORP)[9,30]
温度(Water Temperature,WT)[9,13,27,30]
浊度(Turbidity)[1,11,30]
化学指标酸碱度(Potential of hydrogen,pH)[4,5,6,9,11,22,27,30]
氮浓度(Concentrations of nitrogen)、磷浓度(Concentrations of phosphorus)[1,9]
磷浓度(Concentrations of phosphorus)[21,33]
地上氮负载(Annual phosphorus loading)、地下氮浓度(Groundwater nitrate concentration)[2,18]
总氮(Total Nitrogen,TN)、总磷(Total Phosphorus,TP)[8,9,11~13,15,20,21~23,27~29,31,32,34,37,40~42]
总磷(Total Phosphorus, TP)[4,5,10,14,16,19]
总氮(Total Nitrogen, TN)[39]
化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, CODcr)[6,11,16,20,22,23,27,31,32,34,40]
高锰酸盐(Permanganate index,COD Mn )[4,5,8~10,13,29,37]
硝酸盐氮(Nitrate nitrogen, NO3-N)[5,6,9,10,12~14,16,21,22,27,28,30,33,40]
硫酸根盐(Sulfate, SO42-)[5,33,37]
氯离子(Chloride, Cl-)[5,33]
亚硝酸盐氮(Nitrite nitrogen, NO2--N)[5,10,12,16,22,27,30,32,33]
氨氮(Ammonia Nitrogen, NH3-N)[4,5,8,11,13,14,16,19,27,29,30,33,34,37]
氨氮(Ammonia Nitrogen, NH4+-N)[6,9,10,12,20,21,22,28,31,32,40]
五日生化需氧量(Five Days Biochemical Oxygen Demand, BOD5)[6,10,11,19,23,27,34,37,41]
可溶性磷酸盐(Dissolved Phosphate, DP)[5,12,27,30,33,40]
总有机碳(Organic Carbon, OC)[28,32]
金属离子(Ca、Mg、Na、K、Zn、Pb)[33,37]
苯酚类(Phenol)石油类(Oils)[29,37]
阴离子表面活性剂(An-ionic surfactant,ANC)、挥发酚(Volatile-Phenol,VP)、硫化物(Sulfide, S2-[37]
水体抗生素[39]
生物指标周期性藻类硅藻(Periphytic algae, diatoms)[25]
大肠菌群(Escherichia Coli)[37]
叶绿素a(Chlorophyll-a, Chl-a)[13,22]
生态指标InVEST、SWAT模型计算:氮输出(Nitrogen Export, NE)与磷输出量(Phosphorus Export, PE)[3,7,17,24,35]

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InVEST、水文过程模型如SWAT等获得水质净化服务的模拟值,进行景观格局与水质净化服务的研究,限于篇幅这里不再赘述。

3 景观格局变化的生态系统水质净化服务研究进展

通过国内外文献的梳理发现,景观格局变化对水质净化服务的影响研究主要集中于水质净化服务对景观格局响应的特征尺度分析,即探究何种尺度下水质净化服务与景观格局变化的相关性最强;同时,从景观组成和空间配置两方面开展景观格局变化对水质净化服务影响的研究;也有部分研究考虑到地形和景观基质对两者关系的影响,并进一步探索一定尺度下,水质净化服务对景观格局响应的阈值效应(图1)。

图1

图1   景观格局对水质净化服务影响研究的基本框架

Fig.1   Basic framework for the study of the impact of landscape pattern on water quality purification services


3.1 景观格局变化影响水质净化服务的特征尺度研究

景观格局与水质净化服务两者之间的作用关系具有尺度依赖性,主要体现在时间尺度和空间尺度上,明晰两者之间的关联尺度对合理进行国土空间规划和提升流域水质具有重要意义。

景观格局与水质净化服务关系在时间尺度上主要考虑不同季节因子影响下,即旱季和雨季,河流各个水质参数与景观格局之间关系的相对强弱,通过与景观格局相关性强的水质参数个数来表征。研究表明,在子流域尺度上枯水期景观格局对河流水质的影响较丰水期更为明显34,不同土地利用类型与水质参数之间的关系在旱季更显著,其中耕地和城镇用地与水质参数的相关性在2个季节都较强5;与此相反,有研究认为土地利用对水质的影响在雨季更为显著,即大多数水质参数与景观格局之间相关性在雨季更强6。总的来说,同一流域不同研究尺度下旱季和雨季中,各水质参数与景观格局的相关性强弱存在差异,不同研究区,旱季和雨季对水质的影响同样存在区别。此外,景观格局与水质净化服务关系的时间尺度研究还包括探讨不同时间序列下土地利用变化对河流水质的影响,这类研究主要以时间点为研究基础,分析一定时间段内,景观格局与水质参数的变化规律,以及两者之间的相关性强弱变化,以期为流域水环境管理提供科学依据78

水质净化服务对景观格局响应的空间尺度(如流域和河岸带)研究较多,目前,学术界尚未形成统一认识9。有学者针对九龙江流域的研究发现,相对于全流域,河岸带内的土地利用组成与河流水质的关联更为显著10。在此基础上,相关研究还以河流采样点为中心建立不同尺度的河岸带缓冲区,进一步探究在何种缓冲区宽度下景观格局对区域水质有较强的分异解释能力,即景观格局对河流水质影响较大1112。也有研究表明,河流总体水质状况与流域尺度的景观格局关联性更强,但不同水质指标与景观格局关联的特征空间尺度不尽相同13。这一结论也得到了其他研究的佐证,在美国比斯坎湾的研究发现,河流中硝态氮浓度与流域尺度的景观格局显著相关,而总磷含量与河岸带尺度的景观格局更具有相关性14。事实上,不仅各水质指标与景观格局的空间关联尺度具有显著差别,不同土地利用类型与河流水质的空间关联尺度也不相同。Shi等6在丹江流域的研究表明,耕地在流域大尺度、林地在河岸带中尺度、建设用地在河段小尺度上分别与河流水质的相关性最高,可见河流水质与景观格局具有复杂的空间关联特征。

景观格局与水质净化服务在时空尺度上的研究较为丰富,可以发现,相关研究多集中在流域尺度和和河岸带尺度,季节变化对两者之间关系也存在显著影响(表3)。学者们从各自研究角度出发得出了大量结论,为今后研究提供了充足的理论支持,但尺度涵盖内容较为广泛,涉及的具体问题复杂,未来有待深入探索景观格局与水质净化服务相互作用的尺度问题,阐明两者之间的尺度效应。

表3   不同尺度下景观格局与生态系统水质净化服务研究

Table 3  Study on landscape patterns and ecosystem water purification services at different scale

空间尺度时间尺度特征尺度基质/地形景观指数主导景观指数参考文献
流域非连续不同年份流域未考虑景观组成景观组成[7,17]
子流域旱季/雨季旱季坡度(高>低)景观组成景观组成[5]
旱季/雨季旱季未考虑景观组成和配置景观组成和配置[3,4]
旱季/雨季旱季未考虑景观组成和配置景观配置[21]
旱季/雨季雨季未考虑景观组成和配置景观配置[15]
雨季/雨季后雨季未考虑景观组成和配置景观配置[20]
春季和秋季春季和秋季未考虑景观组成和配置景观组成和配置[23]
非连续不同年份子流域未考虑景观组成和配置景观组成和配置[24]
某一年份子流域未考虑景观组成和配置景观组成和配置[16,22,34]
某一年份子流域未考虑景观组成和配置景观组成[18,35]
某一年份子流域坡度景观组成和配置景观组成和配置[25]
某一年份子流域坡度景观组成景观组成[39,42]
某一年份子流域未考虑景观组成景观组成[38,40]
子流域、河岸带缓冲区、采样点缓冲区旱季/雨季雨季/河岸带未考虑景观组成和配置景观组成和配置[6]
雨季前/中/后雨季/子流域未考虑景观组成景观组成[28]
某一年份子流域坡度景观组成和配置景观配置[13]
非连续不同年份子流域未考虑景观组成和配置景观配置[14]
子流域、河岸带缓冲区旱季/雨季旱季/子流域未考虑景观组成和配置景观组成和配置[9]
非连续不同年份河岸带缓冲区未考虑景观组成和配置景观组成[10]
某一年份河岸带缓冲区100 m未考虑景观组成和配置景观组成和配置[31]
某一年份河岸带缓冲区100~200 m未考虑景观组成景观组成[37]
雨季前/中/后雨季中/河岸带缓冲区100 m未考虑景观组成和配置景观组成和配置[32]
采样点缓冲区非连续不同年份河岸带缓冲区未考虑景观组成和配置景观组成[19]
非连续不同年份河岸带缓冲区100~200 m高程景观组成景观组成[27]
非连续不同年份采样点缓冲区700~1 000 m未考虑景观组成和配置景观组成和配置[8]
某一年份采样点缓冲区小于等于300 m未考虑景观组成和配置景观组成和配置[12]
某一年份采样点缓冲区4 km未考虑景观组成和配置景观组成和配置[11]
某一年份采样点缓冲区未考虑景观组成和配置景观组成和配置[29]
某一年份采样点缓冲区未考虑景观组成景观组成[33,41]
采样点缓冲区1 km连续时间段采样点缓冲区1 km未考虑景观组成景观组成[30]

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3.2 景观组成及空间配置对水质净化服务的影响

现有研究中,景观格局对水质净化服务的影响主要体现在景观组成和空间配置两方面。景观组成对河流水质的影响首要考虑对不同尺度下,土地利用组成比例与河流水质参数之间进行相关性统计分析,来探究土地利用的空间格局差异对水质的影响,普遍认为城镇用地与耕地对河流水质具有显著正向影响,是污染排放的主要来源,林地和草地扮演了净水池的功效,对水质具有净化作用1516。也有学者基于土地利用数据,采用SWAT模型和InVEST模型等模拟不同土地利用情景下,河流的非点源污染负荷变化,包括不同景观类型对水体正面的水质净化和负面的污染排放,为非点源污染的防治和管理提供科学依据717

与景观组成相比,学者们对景观空间配置的探讨采用景观和类型水平下的景观格局指数表征,但流域尺度上景观配置对水质净化服务是否具有显著影响,目前尚无一致的结论。部分研究通过比较景观组成和配置对水质净化服务的影响发现,景观组成是影响氮磷污染负荷的最主要因素,农田和城镇是水体污染的主要来源,林地对水体具有净化作用,而景观配置不具有显著影响1819;也有研究认为,景观组成与配置对河流水质具有同等重要的影响16;景观配置指数(如斑块密度和最大斑块指数)是影响河流水质最重要的解释变量,而景观组成只是次要因素132021。此外,不同学者对河流水质与景观配置指数的响应关系仍有诸多分歧。对长江中下游典型湖泊流域的研究发现,大而聚合(相比小而分散)的建设用地与耕地斑块对湖泊水质的影响更大22;国外学者对韩国典型水库流域的研究也发现,建设用地与耕地的斑块密度越高,水库的水质越差,对水体产生负向污染排放。对于生态用地类型,增加林地、草地或湿地的边缘密度可显著改善河流水质182425,属于正向水质净化功能;但也有研究表明,破碎化的林地斑块不利于改善水质20,林地越破碎,发挥水质净化功能的效用不显著。在景观水平上,不同景观类型之间散布指数越高、景观多样性水平越高,则水质越差23;然而Qiu等18的研究表明,提高不同土地利用类型之间的散布水平可显著降低流域的氮磷污染负荷。

景观组成和空间配置对水质净化服务的影响成果诸多,水质净化服务对景观组成类型的响应结论一致,即不同的景观类型对水质净化服务的作用存在差异;但景观空间配置对水质净化服务的影响还存在争议,不同流域同一景观格局指数以及同一流域不同尺度下,景观指数对水质净化服务的影响强弱都存在差异,即景观格局指数的正面的水质净化和负面的污染排放的效用不同,学者们得到的研究成果也不尽相同(表3)。

3.3 地形条件和景观基质对景观格局与水质净化服务关系的影响

流域地形条件通过影响地表水文过程(如坡面汇流),从而对水质净化服务(即河流水质)产生显著影响。研究表明,流域地形条件和土地利用组成会影响河流水质26,流域地形条件不仅直接影响河流水质,也对“水质—景观格局响应关系”产生显著影响。在抚仙湖流域的研究表明,同一种用地类型在平原区和丘陵区对水质可产生显著不同的影响,提高丘陵区的耕地占比会增加河流总氮浓度,林灌草等自然植被类型可显著降低河流总氮浓度;而平原区的耕地和植被类型对河流总氮浓度不具有显著影响27,即不同土地利用的分布坡度是影响河流水质的重要因素,陡坡比平缓区的土地利用对水质影响更显著5。此外,地形条件可能会影响“水质—景观格局响应”的特征空间尺度。有学者在西苕溪流域(位于长江下游丘陵区)的研究发现,流域尺度的景观组成相比河岸带等小尺度上的景观组成,对河流水质的影响更显著也更稳健28。而对长江下游平原河网区的研究表明,河流采样点周边区域内的景观组成对水质影响更显著,这可能是由于平原河网地区的产汇流过程受地形影响不大、但人为干扰剧烈所导致2930。尽管如此,地形条件并不必然会影响“水质—景观格局响应”的特征空间尺度,在北运河流域(位于北京东南平原区)和密云水库流域(位于北京北部山区)的研究结果均表明,100 m 河岸带缓冲区内的景观组成对河流水质的影响最显著3132

景观基质可对“水质—景观格局响应关系”产生显著影响。在高度城市化地区,耕地面积占比与河流中的电解质浓度(如营养盐和杂质等)呈显著负相关;而在城市化水平较低的城郊区域,耕地面积占比与水中电解质浓度呈显著正相关33。这可能是因为在高度城市化地区,城镇建成区是最主要的水污染源,较高的耕地面积占比可显著降低水污染负荷;而在城郊地区,耕地是区域景观的主导用地类型,也是该区域最主要的水污染源。黄淮海平原的研究就表明,在以耕地为主要用地类型的区域景观中,耕地和建设用地对水环境具有同样显著的负面影响34。此外,不同学者在典型水库流域(以林地等生态用地类型为主)的研究发现,在景观水平上,不同景观组分之间散布指数越高、景观多样性水平越高,则水库的水质越差232535。而对城市化农业景观的研究发现,不同景观组分之间散布指数越高,流域的氮磷污染负荷越低18。由此可见,在自然景观区域,增加景观的破碎化和复杂程度(如新增建设用地或耕地斑块)可能会导致水质恶化;而在城市化及农业景观区域,增加景观的破碎化和复杂程度(如增加林地和湿地斑块)可能有利于改善水质。

地形和景观基质对景观格局与水质净化服务关系的影响显著,不同坡度、不同主导景观类型下,即在平原和山地地区水质净化服务对景观格局响应的时空分异特征都存在差别,研究中必须充分认识到地形和基质的重要性,全面考量不同因素的共同作用,进行针对性研究,厘清水质净化服务对景观格局的响应特征,为区域的可持续发展提供决策支持。

3.4 水质净化服务对景观格局响应的阈值效应

阈值是当系统质量、性能或征候发生突变时的突变点值,景观格局变化影响水质净化服务是否存在阈值,已经受到越来越多的学者关注36。Clément等25针对加拿大590个水库流域,采用回归树分析发现,当流域的林地面积占比不低于47%且林地边缘密度大于36 m/hm2时,水库的水质会有显著提升。在城市化地区(北京、深圳)研究发现,基于未知拐点的回归方法,当100 m河岸带缓冲区内建设用地占比超过40%或建设用地斑块密度大于30~40个/km2且水体的最大斑块指数大于2.5%~3.5%时,河流水质得到保护3137。采用非参数偏差分析,对农业景观研究表明,当流域的耕地面积占比低于60%且湿地面积占比大于6%时,可显著降低氮磷污染负荷18表4)。

表4   水质净化服务对景观格局响应的阈值

Table 4  Threshold of water purification service response to landscape pattern

特征尺度水质指标景观指数阈值参考文献
子流域硅藻类林地面积(PLAND)与林地边缘密度(ED)林地面积不低于47%且ED大于36 m/hm2时,水质提升[25]
子流域总磷(TP)、总氮(TN)耕地面积占比与湿地面积占比(PLAND)耕地面积占比低于60%且湿地面积占比大于6%时,水质提升[18]
河岸带缓冲区100 m高锰酸盐(CODMn)、总磷(TP)、总氮(TN)建设用地斑块密度(PD)与水体最大斑块指数(LPI)建设用地ED大于3~40个/km2且水体的LPI大于2.5%~3.5%时,水质提升[31]
河岸带缓冲区100~200 m溶解氧(DO)、高锰酸盐(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨型氮(NH3-N)、总磷(TP)、硫酸根盐(SO42-)、硫化物(S2-)、挥发酚(VP)、阴离子表面活性剂(ANC)、大肠菌群(CGB)建设用地占比(PLAND)建设用地占比小于38.2%,水质提升[37]
采样点缓冲区4 km高锰酸盐(CODMn)、总磷(TP)、总氮(TN)、可溶性固体总量(TDS)区域景观边缘密度与耕地边缘密度(ED)、林地和草地聚集度(AI)区域景观的ED值为100~110 m/hm2,耕地的ED值为90~105 m/hm2,林草地的AI值为70%~90%,利于水质保护[11]
采样点缓冲区五日生化需氧量(BOD5)、总磷(TP)、总氮(TN)城市用地面积(PLAND)流域城市用地面积为1.1%~31.5%,提高河流水质的土地利用管理可能更有效[41]

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总的来说,土地利用与水质之间存在的这种阈值效应和非线性关系,很大程度上增加了水质管理和国土空间规划的不确定性和复杂性,使决策者试图提高水质和尽量减少各种土地用途的不利影响时要更为全面的探究各种因素,以达到景观格局优化与水质保护的目的。

4 现有研究不足与未来研究展望

4.1 水质净化服务对景观格局响应的特征空间尺度尚不明晰

景观格局对水质净化服务的影响在不同时空尺度上存在差异,这是由于各区域之间存在异质性,且受人类活动的干扰程度不同,以及所采用数据分辨率的差异,使得现有研究中,对两者作用关系的特征空间尺度尚未形成统一定论,不同学者得到的结论不尽相同,进一步明晰景观格局与水质净化服务的复杂关系就显得尤为重要。未来,要强化不同流域景观格局对水质净化服务影响尺度比较,归纳出较为普适性的结论,明晰两者之间作用的特征尺度;同时,尺度的选择要考虑具体研究中所涉及的生态过程,不仅仅局限于流域尺度、河岸带尺度以及采样点缓冲带等研究,从内在尺度研究景观格局与水质净化服务的关系更为迫切。此外,要开展多等级多尺度的研究,不同研究区由于自然经济条件的迥异,景观格局变化的水生态服务响应机制也存在差异,开展不同区域的对比分析尤为重要,例如,干旱区、湿润区、半干旱区和半湿润区等,由于蒸散量和降水量不同,景观格局变化下水质净化服响应的特征尺度也存在区别,有待进一步探究,综合考虑时间尺度和空间尺度,从不同的侧面阐释水质净化服务对景观格局响应的特征尺度。

现阶段,景观格局与水质净化服务关系时间尺度的研究仅限于旱季和雨季以及不同时段的比较,缺乏连续时间序列的探讨分析,因而要加强时间尺度下的研究,借助相关技术手段,尽可能获取相关数据,在连续时间序列下探讨景观格局与水质净化服务的变化特点和尺度效应,体现两者作用的生态过程变化,为区域的可持续发展提供决策支持。

4.2 景观配置对水质净化服务的影响有待加强

相比景观组成对水质净化服务的影响,水质净化服务对景观配置的响应关系仍存在诸多分歧,不同区域以及同一区域不同的研究尺度下,景观配置指数与水质净化服务的相关性强弱都存在差异,未能得到统一论断。不少研究对景观格局指数的选择也存在随意性,并未通过指数之间相关性检验,所选取的指数存在较强的相关性,导致重复计算。且景观格局对水质净化服务的影响具有过程性,仅仅采用相关指数来探讨两者之间的关联,忽视了景观格局变化的生态过程,使得指数缺乏生态学意义。未来景观格局指数的选择必须考虑其代表性、避免各指数之间的重复,发展能表征生态过程的景观格局指数,如采用“源”、“汇”景观格局理论43,构建具有空间属性的景观格局指数3839,划分出 “源”景观类型和“汇”景观类型,从“格局—过程—尺度”的范式下探讨空间配置与区域水质净化服务之间的耦合关系,进一步厘清两者之间的作用机制,为区域景观格局优化和水资源保护提供科学支持。

4.3 景观格局与水质净化服务的空间分异特征研究仍需深入

水质净化服务对流域景观格局的响应具有空间分异特征。不同景观基质或不同地形条件下,水质净化服务对景观格局响应的定量关系及特征空间尺度会存在显著差异540。然而,现有多数研究中并未充分考虑地形或景观基质的影响,水质净化服务在不同因素影响下对景观格局响应的空间分异特征研究匮乏33。这就要求学者们在探究景观格局与水质净化服务关系的同时,进一步考虑研究区地形特点和优势景观类型,划分流域类型,比较不同类型之间两者关系的差异,深化空间分异特征的研究。同时,选取具有代表性的水质参数来反映全流域水质情况,现有研究多集中于水化学指标的应用,对物理指标和生物指标相对重视不足,因此,必须综合考虑多重因素对水体环境的影响,明晰不同因素影响下,景观格局与水质净化服务作用的空间分异特征。同时,加强对地下水水质的探讨,景观格局变化不仅影响地表径流,也会对地下水体产生影响,在进行景观格局变化的水质净化服务响应研究中,综合考虑地表水体和地下水环境尤为重要。此外,点源污染对水质净化服务的影响显著,在进行研究时,必须明确区分点源污染和非点源污染,综合考虑不同污染源对水质净化服务的作用。

更进一步地,流域水体面积、河流分布结构和等级、河流密度等因素对土地利用与水质净化之间的关系也存在一定影响29,但在现有研究中多被忽略。深入研究这些因素对景观格局与水质净化服务关系的空间分异特征尤为重要。

4.4 明确水质净化服务对景观格局响应的阈值效应

尽管部分研究针对不同景观类型(城市景观、农业景观和自然景观)、在不同空间尺度上(流域和河岸带)分析了水质净化服务突变的景观变化阈值,但并未探讨其生态学理论基础与含义,导致这些阈值仍广受争议,而且不同区域背景存在差异,未能形成确定的结论。此外,关于水质净化服务对景观格局响应的阈值效应研究还比较少,相关理论方法不是很成熟,多采用统计学方法,以线性回归分析为主,尽管这种方法存在一定的优势,但考虑到景观格局对水质的影响关系复杂,仍存在很大的不确定性和复杂性。

未来研究中应深化两者之间非线性关系及空间回归模型的探索,在复杂的时空尺度下运用更有效的时空分析模型4142,发展水质净化服务对景观格局响应的阈值识别方法,并结合景观生态学相关理论(如渗透理论、源汇理论和边缘效应等),更有效地判定某一尺度下研究区的阈值。同时,要加强不同地区阈值的研究对比,建立阈值标准,识别研究区关键的指标44,促进阈值在地区规划管理中的应用。此外,在对未来不同土地利用情景的预测中45~47,也要综合考虑阈值效应,明确景观格局的变化对水质净化服务产生的影响,更有针对性地提出规划目标。

5 结 语

现阶段,景观格局与水质净化服务关系的研究已取得较大进展,国际上对生态系统服务的研究中,景观和土地在近几年出现的频数有280多次48,涉及不同的研究类型和区域,学者们从特征尺度的刻画,及不同尺度、不同地形和基质条件下,景观组成和配置对水质的作用,深入探讨景观格局对水质净化服务的影响,但尚未形成较为成熟统一的结论,同时也存在一定的不足之处,未来要加强两者之间关系的研究,开展多尺度、多等级,多手段、多因素作用下的机制分析,融合多学科知识49,进一步明确水质净化服务对景观格局响应的特征尺度和空间分异特征,有效地判定阈值,为区域景观格局的优化和水生态保护提供决策支持。

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