基于遥感监测的滇池总磷浓度变化及其对湖滨带湿地时空变化的响应研究

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滇池是中国最大的高原淡水湖泊。由于人类早期不合理的开发利用,滇池湖滨湿地严重退化,氮磷污染严重。2008年起云南政府在滇池湖滨带大规模建设人工湿地,以恢复滇池湖滨生态系统功能。人工湿地对滇池总磷浓度的影响是一个长期过程,人工湿地的基质、植被配置及长势、景观格局等对滇池总磷浓度是否有影响、影响如何?这些都需要通过长时间连续监测的数据来评价,卫星遥感技术宏观性、周期性的特点,为利用长时间序列数据评价滇池湖滨与滇池总磷浓度的响应关系提供了技术支持。本文以滇池外海和滇池湖滨带为研究区,结合入湖河流总磷负荷,研究2005-2018年滇池湖滨植被、典型湿地景观格局对滇池总磷浓度的影响。主要研究内容和结论如下:(1)滇池总磷浓度遥感估算模型构建及其时空规律分析。基于敏感波段分析以及总磷浓度与叶绿素a浓度、透明度之间的相关性分析,构建了基于TM和OLI传感器数据的滇池总磷浓度直接和间接估算模型。对所构建的直接和间接估算模型进行精度评价,结果表明直接估算模型估算滇池总磷浓度精度更高。将直接估算模型应用到TM和OLI影像上,获取滇池外海总磷浓度的时空分布,结果表明,滇池外海总磷浓度由湖缘向湖心逐渐降低,并且北部和南部偏高;每年2至5月总磷浓度呈现增加趋势,11至次年1月呈现减少趋势;从2005到2018年,滇池外海总磷浓度呈现显著下降趋势。(2)滇池湖滨带植被动态变化及其与滇池总磷浓度的关系分析。基于NDVI阈值法,提取滇池湖滨带草本和木本植物信息,发现2005-2018年湖滨带草本和木本植物面积都显著增加,增加最剧烈的年份是2010-2011年;从空间分布、季节差异以及与湖岸线距离这三个角度分析湖滨带植被与滇池总磷浓度之间的关系,得出如下结论:(a)2011-2018年滇池总磷浓度显著减小位置位于湖缘,其与湖滨带植被的拦截作用密切相关;(b)本文提出了湖滨带对滇池总磷浓度的强影响区这一概念,2005年强影响区范围最大,为距岸1740米的水域,2017年强影响区范围最小,为距岸570米的水域;相比于平水期和丰水期,枯水期NDVI与强影响区总磷浓度负相关关系最强;(c)滇池湖滨带强影响区总磷浓度与距离湖岸线900米以内的草本和木本植物面积相关性均很高,在距离湖岸线900米以外,总磷浓度与草本植被面积相关性骤然降低,而与木本植被面积仍保持较高的相关性。(3)典型湖滨湿地对强影响区滇池总磷浓度的影响分析。以三个典型湿地公园(海东湿地、捞渔河湿地、东大河湿地)为例,研究滇池湖滨带湿地景观与湿地强影响区总磷浓度的关系。相关性分析结果显示,在海东湿地中,水域的面积百分比与湿地强影响区总磷浓度呈现较强负相关,这是由于海东湿地内部分布大量氧化塘,塘内种植了多种沉水、挺水植物以及人工收割所致。捞渔河湿地植被生长期NDVI、木本植物与湿地强影响区滇池总磷浓度相关性高,这与其高覆盖度的水上森林有关。东大河湿地中挺水植物、浮叶植物以及水域均与强影响区滇池总磷浓度相关性较强,这与其湿地地物多样性高度相关。此外,综合三个湿地数据,基于分组思维利用相关性分析、方差膨胀因子检验、逐步回归等统计方法,筛选对强影响区滇池总磷浓度影响较为重要的湿地景观关键指标,分析湿地景观格局与强影响区滇池总磷浓度的关系。筛选出的关键指标以及其对强影响区滇池总磷的影响程度排序为:水域连通性指数>不透水表面连通性指数>植被生长期NDVI>挺水植物面积百分比>木本植物景观形状指数。水域连通性对滇池总磷的影响最大,相对解释率达到29.97%。故建议在湿地引水系统的建设和改造过程中,需要注意降低水域的连通性,注意湿地内部水体流速,尽量避免因水域连通性增加而降低湿地对磷的截留效果。
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