基于_源_汇_景观格局指数的海河流域总氮流失评价_孙然好
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中图分类号： X522 文献标识码： A 文章编号： 0250-3301（ 2012） 06-1784-05
Correlating Landscape Pattern with Total Nitrogen Concentration Using a
Location-weighted Sink-source Landscape Index in the Haihe River Basin，
“源”“汇”景观格局理论是近年来出现的一种 用于景观格局分析的研究手段，能够比较好的融合 景观类型、面积、空间位置和地形特征，可以用于刻 画非点源污染的空间异质性． 根据该理论，在非点源 污染形成过程中，流域中一些景观类型起到了“源” 的作用，一些 景 观 起 到 了“汇 ”的 作 用，同 时 一 些 景 观起到了传输的作用． 影响非点源污染强度的因素 除了“源”“汇”景观的类型、面积外，还与它们的空 间分布特征有关系，包括景观单元相对于流域出口 （ 监测点） 的“相对距离”、“相对高度”和“坡度”，基 本假设是景观单元离监测点的相对距离越近、相对 高度越大、相对坡度越陡，越能增大非点源污染的危 险性． 为了将源汇景观的各种空间特征融合在一起， 借用了洛仑兹曲线公式，计算不同景观单元随着距 离、相对高度和坡度的面积累积百分比，最终形成了 源汇景观格局指数，该指数在东北海伦地区、黄土高 原地区等都进行了应用和尝试［20，21］．
1 材料与方法 1. 1 研究区域
海河流域位于 112° ～ 120°E、35° ～ 43°N 之间， 西依黄土高原、东临渤海、北靠蒙古高原、南临黄河． 流域总面积 31. 8 万 km2 ，占中国国土面积的 3. 3% ， 涉及 8 个省区范围，包括北京、天津两市全部、河北 省大部、山西省东部、河南、山东两省北部、以及内蒙 古自治区和辽宁省一小部分地区（ 图 1） ． 海河流域 支撑了全国 10% 人口、11% 耕地、13% GDP 和 12% 的粮食生产总量，具有非常重要的政治、经济和文化 地位． 海河流域的降水量分布呈较明显的地带性差 异，沿太行 山、燕 山 山 脉 迎 风 坡 有 一 条 年 降 雨 量 达 600 mm 的弧形多雨带，平原地区降水量一般为 500 ～ 600 mm． 由于受季风气候的影响，流域降水量年 内分配很不均匀，80% 集中在汛期． 海河流域的河 流水系包括滦河、海河和徒骇马颊河三大水系，属于 资源型严重缺水地区，多年平均水资源总量 370 亿 m3 ，水资源占全国的 1. 3% ，人均水资源仅为全国平 均的 13% ． 由于城市化进程的加快和人口的增多， 海 河 流 域 的 污 染 越 来 越 严 重，“有 河 皆 干、有 水 皆 污”的现象日益严重．
非点源污染模型是近年来发展比较快的技术手
段，主要是通过对整个流域系统及其内部污染过程 进行定量描述，分析非点源污染产生的时空分布特
收稿日期： 2011-11-11； 修订日期： 2011-12-19 基金项目： 国家杰出青年科学基金项目（ 40925003） ； 国家水体污染
控制与治理科技重大专项（ 2012ZX07501002） 作者简介： 孙然好（ 1981 ～ ） ，男，博士，助理研究员，主要研究方
向为景观格局识别与动态模拟，E-mail： rhsun@ rcees． ac． cn
6期
孙然好等： 基于“源”“汇”景观格局指数的海河流域总氮流失评价
1785
征，识别其主要来源和迁移路径，预报污染产生的负 荷及其对水体的影响，为流域管理和规划提供决策 依 据［6 ～ 10］，比 较 著 名 的 模 型 包 括 AGNPS、 ANSWERS、MIKE-SHE、SWAT、HSPF、SPARROW 等［3，11 ～ 14］． 然而，现 有 模 型 的 结 构、适 用 尺 度、侧 重 的水文过程具有差异，模型精度很大程度上取决于 数据质量，在一些缺乏数据的流域模拟中受到很大 限制． 由于非点源污染受到土地利用类型及格局的 影响，土地利用时空特征与非点源污染具有密切的 联系，利用景观格局指数评价非点源污染也是一个 重要的技术手段［15 ． ～ 19］ 但是，多数景观格局指数仅 仅考虑了景观类型、形状和面积等信息，而没有考虑 景观类型的空间位置和地形特征，导致景观格局指 数生态意义不明确、刻画非点源污染的能力不足． 因 此，构建具有空间属性的景观格局指数对于大流域 的非点源污染评价具有重要意义．
China
SUN Ran-hao1 ，CHEN Li-ding1 ，WANG Wei2 ，WANG Zhao-ming1
（ 1. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology，Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of
海河流域在我国具有重要的政治、经济和文化 地位，快速的经济发展和城市化进程造成了严重的 非点源污染现象［22 ～ 25］． 由于流域具有山地和平原地 形变化大、季节性断流明显、人类干扰强烈等特点， 使得对参数要求很高的机制模型在应用时存在较大 的困难． 因此，本研究通过建立海河流域的源汇景观 格局指数，并与实地监测的总氮（ TN） 浓度进行相关 性分析，评价源汇景观格局指数对非点源污染的表 征能力和适用性，以期为海河流域水环境管理提供 依据，并为国内外其它类似流域非点源污染评价提 供方法参考．
第 33 卷第 6 期 2012 年 6 月
环境科学 ENVIR． 33，No． 6 Jun． ，2012
基于“源”“汇”景观格局指数的海河流域总氮流失评价
孙然好1 ，陈利顶1 ，王伟2 ，王赵明1
（ 1. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085； 2. 河北省环境科学研究院，石家庄 050037） 摘要： 土地利用类型及其格局能够影响非点源污染时空特征，而景观格局分析方法是评价非点源污染的重要技术手段，但是 传统的景观格局指数较少考虑景观之间的位置关系，导致生态意义不明确．“源”“汇”景观格局理论中的“源景观”和“汇景 观”指的是促进和阻碍非点源污染发生的景观类型． 通过收集海河流域 2009 年夏季 26 个子流域的总氮浓度数据，并结合1∶ 25 万 DEM 和 1∶ 10 万土地利用图，构建了融合景观类型、面积、空间位置等信息在内的源汇景观格局指数，发现源汇景观格局指 数与总氮浓度有很好的相关性，在燕山山区、太行山区和下游平原区的相关系数分别为 0. 86、0. 67 和 0. 65． 结果表明，源汇景 观格局指数能够很大程度上反映总氮的空间变异特征，可以为其它流域的非点源污染评价提供参考，也有可能作为输入参数 提高现有水质模型的模拟精度． 关键词： 源汇景观； 景观格局； 景观指数； 总氮； 海河
随着农业机械化发展，化肥和农药得到大量使 用，农业非点源污染已经成为地表水环境污染的主 要来源． 非点源污染具有不确定性强、时空差异大、 影 响 因 素 及 作 用 过 程 复 杂、污 染 监 测 困 难 等 特 点［1 ～ 5］． 因此，对非点源污染进行识别和模拟是进行 流域水环境管理的重要手段．
Sciences，Beijing 100085，China； 2. Hebei Research Academy of Environmental Sciences，Shijiazhuang 050037，China）
Abstract： Understanding the effect of land cover pattern on nutrient losses is of great importance in management of water resources． The extensive application of mechanism models is limited in large-scale watersheds owing to the intensive data and calibration requirements． On the other hand，the traditional landscape indexes only take the areas and types of land cover into account， considering less about their topographic features and spatial patterns． We constructed a location-weighted landscape index （ LWLI） based on the Lorenz curve，which plots the cumulative proportion of areas for sink and source landscapes respectively against cumulative proportion of their relative location to the outlet in a watershed，including relative elevation，distance and slope． We assessed the effect of land cover pattern on total nitrogen losses in the Haihe River． Firstly，26 watersheds were derived from 1∶ 250 000 digital elevation model （ DEM） ，and their“source”and“sink”landscape types were identified from Landsat TM images in 2007. The “source”landscapes referred to the paddy land，dry land and residential area，correspondingly the “sink”landscapes referred to the forest and grassland． Secondly，LWLI was calculated according to the landscape types and spatial patterns for each watershed． Thirdly， we accessed the effect of land cover pattern on total nitrogen （ TN） flux according to the value of LWLI，comparing with the area proportion of sink-source landscapes． The correlation coefficients were different in three parts of Haihe River，i． e． ，0. 86，0. 67 and 0. 65 in the Yanshan Mts，Taihang Mts and lower Haihe River． The results showed strong correlations between TN and LWLI in contrast to the weak correlations between TN and area proportion of sink and source landscape types． This study indicates the spatial pattern of land cover is essential for accessing the nutrient losses，and the location-weighted landscape pattern analysis may be an alternate to existing water quality models，especially in large watershed scales． The sink-source index is sufficiently simple that it can be compared across watersheds and be easily interpreted，and potentially be used in landscape pattern optimal designing and planning． Key words： sink-source landscape； landscape pattern； landscape index； total nitrogen； Haihe River
Correlating Landscape Pattern with Total Nitrogen Concentration Using a
Location-weighted Sink-source Landscape Index in the Haihe River Basin，
“源”“汇”景观格局理论是近年来出现的一种 用于景观格局分析的研究手段，能够比较好的融合 景观类型、面积、空间位置和地形特征，可以用于刻 画非点源污染的空间异质性． 根据该理论，在非点源 污染形成过程中，流域中一些景观类型起到了“源” 的作用，一些 景 观 起 到 了“汇 ”的 作 用，同 时 一 些 景 观起到了传输的作用． 影响非点源污染强度的因素 除了“源”“汇”景观的类型、面积外，还与它们的空 间分布特征有关系，包括景观单元相对于流域出口 （ 监测点） 的“相对距离”、“相对高度”和“坡度”，基 本假设是景观单元离监测点的相对距离越近、相对 高度越大、相对坡度越陡，越能增大非点源污染的危 险性． 为了将源汇景观的各种空间特征融合在一起， 借用了洛仑兹曲线公式，计算不同景观单元随着距 离、相对高度和坡度的面积累积百分比，最终形成了 源汇景观格局指数，该指数在东北海伦地区、黄土高 原地区等都进行了应用和尝试［20，21］．
1 材料与方法 1. 1 研究区域
海河流域位于 112° ～ 120°E、35° ～ 43°N 之间， 西依黄土高原、东临渤海、北靠蒙古高原、南临黄河． 流域总面积 31. 8 万 km2 ，占中国国土面积的 3. 3% ， 涉及 8 个省区范围，包括北京、天津两市全部、河北 省大部、山西省东部、河南、山东两省北部、以及内蒙 古自治区和辽宁省一小部分地区（ 图 1） ． 海河流域 支撑了全国 10% 人口、11% 耕地、13% GDP 和 12% 的粮食生产总量，具有非常重要的政治、经济和文化 地位． 海河流域的降水量分布呈较明显的地带性差 异，沿太行 山、燕 山 山 脉 迎 风 坡 有 一 条 年 降 雨 量 达 600 mm 的弧形多雨带，平原地区降水量一般为 500 ～ 600 mm． 由于受季风气候的影响，流域降水量年 内分配很不均匀，80% 集中在汛期． 海河流域的河 流水系包括滦河、海河和徒骇马颊河三大水系，属于 资源型严重缺水地区，多年平均水资源总量 370 亿 m3 ，水资源占全国的 1. 3% ，人均水资源仅为全国平 均的 13% ． 由于城市化进程的加快和人口的增多， 海 河 流 域 的 污 染 越 来 越 严 重，“有 河 皆 干、有 水 皆 污”的现象日益严重．
非点源污染模型是近年来发展比较快的技术手
段，主要是通过对整个流域系统及其内部污染过程 进行定量描述，分析非点源污染产生的时空分布特
收稿日期： 2011-11-11； 修订日期： 2011-12-19 基金项目： 国家杰出青年科学基金项目（ 40925003） ； 国家水体污染
控制与治理科技重大专项（ 2012ZX07501002） 作者简介： 孙然好（ 1981 ～ ） ，男，博士，助理研究员，主要研究方
向为景观格局识别与动态模拟，E-mail： rhsun@ rcees． ac． cn
6期
孙然好等： 基于“源”“汇”景观格局指数的海河流域总氮流失评价
1785
征，识别其主要来源和迁移路径，预报污染产生的负 荷及其对水体的影响，为流域管理和规划提供决策 依 据［6 ～ 10］，比 较 著 名 的 模 型 包 括 AGNPS、 ANSWERS、MIKE-SHE、SWAT、HSPF、SPARROW 等［3，11 ～ 14］． 然而，现 有 模 型 的 结 构、适 用 尺 度、侧 重 的水文过程具有差异，模型精度很大程度上取决于 数据质量，在一些缺乏数据的流域模拟中受到很大 限制． 由于非点源污染受到土地利用类型及格局的 影响，土地利用时空特征与非点源污染具有密切的 联系，利用景观格局指数评价非点源污染也是一个 重要的技术手段［15 ． ～ 19］ 但是，多数景观格局指数仅 仅考虑了景观类型、形状和面积等信息，而没有考虑 景观类型的空间位置和地形特征，导致景观格局指 数生态意义不明确、刻画非点源污染的能力不足． 因 此，构建具有空间属性的景观格局指数对于大流域 的非点源污染评价具有重要意义．
China
SUN Ran-hao1 ，CHEN Li-ding1 ，WANG Wei2 ，WANG Zhao-ming1
（ 1. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology，Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of
海河流域在我国具有重要的政治、经济和文化 地位，快速的经济发展和城市化进程造成了严重的 非点源污染现象［22 ～ 25］． 由于流域具有山地和平原地 形变化大、季节性断流明显、人类干扰强烈等特点， 使得对参数要求很高的机制模型在应用时存在较大 的困难． 因此，本研究通过建立海河流域的源汇景观 格局指数，并与实地监测的总氮（ TN） 浓度进行相关 性分析，评价源汇景观格局指数对非点源污染的表 征能力和适用性，以期为海河流域水环境管理提供 依据，并为国内外其它类似流域非点源污染评价提 供方法参考．
第 33 卷第 6 期 2012 年 6 月
环境科学 ENVIR． 33，No． 6 Jun． ，2012
基于“源”“汇”景观格局指数的海河流域总氮流失评价
孙然好1 ，陈利顶1 ，王伟2 ，王赵明1
（ 1. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085； 2. 河北省环境科学研究院，石家庄 050037） 摘要： 土地利用类型及其格局能够影响非点源污染时空特征，而景观格局分析方法是评价非点源污染的重要技术手段，但是 传统的景观格局指数较少考虑景观之间的位置关系，导致生态意义不明确．“源”“汇”景观格局理论中的“源景观”和“汇景 观”指的是促进和阻碍非点源污染发生的景观类型． 通过收集海河流域 2009 年夏季 26 个子流域的总氮浓度数据，并结合1∶ 25 万 DEM 和 1∶ 10 万土地利用图，构建了融合景观类型、面积、空间位置等信息在内的源汇景观格局指数，发现源汇景观格局指 数与总氮浓度有很好的相关性，在燕山山区、太行山区和下游平原区的相关系数分别为 0. 86、0. 67 和 0. 65． 结果表明，源汇景 观格局指数能够很大程度上反映总氮的空间变异特征，可以为其它流域的非点源污染评价提供参考，也有可能作为输入参数 提高现有水质模型的模拟精度． 关键词： 源汇景观； 景观格局； 景观指数； 总氮； 海河
随着农业机械化发展，化肥和农药得到大量使 用，农业非点源污染已经成为地表水环境污染的主 要来源． 非点源污染具有不确定性强、时空差异大、 影 响 因 素 及 作 用 过 程 复 杂、污 染 监 测 困 难 等 特 点［1 ～ 5］． 因此，对非点源污染进行识别和模拟是进行 流域水环境管理的重要手段．
Sciences，Beijing 100085，China； 2. Hebei Research Academy of Environmental Sciences，Shijiazhuang 050037，China）
Abstract： Understanding the effect of land cover pattern on nutrient losses is of great importance in management of water resources． The extensive application of mechanism models is limited in large-scale watersheds owing to the intensive data and calibration requirements． On the other hand，the traditional landscape indexes only take the areas and types of land cover into account， considering less about their topographic features and spatial patterns． We constructed a location-weighted landscape index （ LWLI） based on the Lorenz curve，which plots the cumulative proportion of areas for sink and source landscapes respectively against cumulative proportion of their relative location to the outlet in a watershed，including relative elevation，distance and slope． We assessed the effect of land cover pattern on total nitrogen losses in the Haihe River． Firstly，26 watersheds were derived from 1∶ 250 000 digital elevation model （ DEM） ，and their“source”and“sink”landscape types were identified from Landsat TM images in 2007. The “source”landscapes referred to the paddy land，dry land and residential area，correspondingly the “sink”landscapes referred to the forest and grassland． Secondly，LWLI was calculated according to the landscape types and spatial patterns for each watershed． Thirdly， we accessed the effect of land cover pattern on total nitrogen （ TN） flux according to the value of LWLI，comparing with the area proportion of sink-source landscapes． The correlation coefficients were different in three parts of Haihe River，i． e． ，0. 86，0. 67 and 0. 65 in the Yanshan Mts，Taihang Mts and lower Haihe River． The results showed strong correlations between TN and LWLI in contrast to the weak correlations between TN and area proportion of sink and source landscape types． This study indicates the spatial pattern of land cover is essential for accessing the nutrient losses，and the location-weighted landscape pattern analysis may be an alternate to existing water quality models，especially in large watershed scales． The sink-source index is sufficiently simple that it can be compared across watersheds and be easily interpreted，and potentially be used in landscape pattern optimal designing and planning． Key words： sink-source landscape； landscape pattern； landscape index； total nitrogen； Haihe River
