土地利用格局对流域氮污染影响的同位素评估方法

技术领域

本申请各实施例属于遥感应用和生态环境影响评价技术领域，特别是涉及土地利用格局对流域氮污染影响的同位素评估方法。

背景技术

土地利用格局的变化通过改变流域生态系统景观的自然外观、物质循环和能量分配极大的影响了河流（湖泊）水质。河流（湖泊）中的氮污染主要是受到土地利用变化的驱动，从而改变了径流、非点源污染的产生及营养物质的运输而造成的。一般来讲，河流（湖泊）的氮输入与流域内农业用地大量使用氮肥有很大关系。建筑用地包括工业用地和城市用地的扩张也同样会引起含氮废水排入河流或湖泊，从而导致水体中氮的增加。林地能够起到固定和吸收养分的作用，因此林地可以缓解和消除对水体中氮的影响。

以往土地利用格局对流域氮污染影响的研究主要是对流域内的土地利用格局变量和水体氮变量之间进行相关和回归分析，进而利用土地利用格局变量预测水体中氮的含量，这种方法大部分都集中在两者之间关系的分析，缺少土地利用格局对流域氮污染影响的量化，无法准确计算土地利用格局对流域水体氮污染影响的贡献率。

基于以上，本发明公开了一种土地利用格局对河流（湖泊）流域氮污染影响的同位素评估方法。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供土地利用格局对流域氮污染影响的同位素评估方法，首次提出应用遥感技术结合硝酸盐自然丰度同位素值及混合模型，评估土地利用格局对河流（湖泊）氮污染的影响，计算不同氮源在不同土地利用方式中的贡献率，应用多时段遥感解译数据集提高土地利用分类的准确性，最大限度地减少个别地块时间变化的影响，避免太阳光照射和云层覆盖的限制；以各采样点作为水流出口，将整个流域划分成相应的子流域，进而依据土地利用类型，将子流域进行合并归类，划分成不同土地利用方式下的区域，更能精确计算出水体中硝酸盐氮的不同来源的贡献率，从而实现定量化评估土地利用格局对流域氮污染的影响，从而解决背景技术中的问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例提供的土地利用格局对流域氮污染影响的同位素评估方法的技术方案具体如下：

土地利用格局对流域氮污染影响的同位素评估方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：流域野外采样，测定水样中硝酸盐氮的含量及硝酸盐中氮氧同位素值；

步骤2：处理遥感影像，进行空间分析，划分子流域，根据子流域土地利用方式，将各子流域归类，划分区域；

步骤3：计算各区域内不同土地利用方式下氮的各来源的贡献率。

在上述任一方案中优选的实施例，所述步骤1，具体包括：

步骤11：在流域内从上游到下游及各支流设置采样点，分别在各采样点采集水样；

步骤12：在实验室内测定各样点水体中硝酸盐氮的含量；

步骤13：水体中的硝酸盐经过前处理后，在理化中心实验室的VG253质谱仪上测定稳定同位素δ

在上述任一方案中优选的实施例，所述步骤2，具体包括：

步骤21：利用高时间分辨率和高空间分辨率的卫星影像获取不同时段的多光谱影像数据，作为基础数据源；

步骤22：对流域内的影像数据进行预处理；

步骤23：采用非监督分类技术对预处理后的流域内的多光谱影像数据进行土地利用类型的划分，对划分出来的土地利用类型中的相似土地类型进行合并；

步骤24：依据流域数字高程及河或湖网水系图，以各采样点作为水流出口，将整个流域划分成相应的子流域，再将各子流域依据土地利用类型进行合并归类，划分成几个区域。

在上述任一方案中优选的实施例，所述预处理过程包括辐射定标或大气校正或正射校正或几何校正中的至少一种。

在上述任一方案中优选的实施例，所述步骤3，具体包括：

步骤31：在不同区域内，根据水体中硝酸盐的δ

步骤32：将每个区域内δ

在上述任一方案中优选的实施例，所述步骤11中，

将采集的水样经过酸化等前处理后贮存在4℃以下，带回实验室待测。

在上述任一方案中优选的实施例，所述步骤23中，对划分出来的土地利用类型中的相似土地方式进行合并，最终划分成八大类型，即：建筑用地、人工林地、草地、旱地、稻田、矿业用地、裸地和水域。

在上述任一方案中优选的实施例，所述步骤23中，分类的整体准确度和kappa系数分别为86%和0.79。

在上述任一方案中优选的实施例，所述步骤24中，依据各子流域内土地利用类型的相似性，将30个子流域合并归类，划分为6大区域，分别为：森林-农田混合区、人工林区、农田-养殖混合区、农田区、住宅区和农田-住宅混合区。

在上述任一方案中优选的实施例，所述步骤32中，利用同位素混合模型计算不同土地利用方式下硝酸盐氮的各种来源的贡献率，具体计算公式为：

同位素三元混合模型：

同位素二元混合模型：

其中，

与现有技术相比，本申请实施例的土地利用格局对流域氮污染影响的同位素评估方法，首次提出应用遥感技术结合硝酸盐自然丰度同位素值及混合模型，评估土地利用格局对河流（湖泊）氮污染的影响，计算不同氮源在不同土地利用方式中的贡献率，应用多时段遥感解译数据集提高土地利用分类的准确性，最大限度地减少个别地块时间变化的影响，避免太阳光照射和云层覆盖的限制；以各采样点作为水流出口，将整个流域划分成相应的子流域，进而依据土地利用类型，将子流域进行合并归类，划分成不同土地利用方式下的区域，更能精确计算出水体中硝酸盐氮的不同来源的贡献率，从而实现定量化评估土地利用格局对流域氮污染的影响。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一组件分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的组件件或组件分，本领域技术人员应该理解的是，这些附图未必是按比例绘制的，在附图中：

图1为本申请实施例土地利用格局对流域氮污染影响的同位素评估方法中硝酸盐氮的含量及其氮氧同位素值的测定流程示意图。

图2为本申请实施例土地利用格局对流域氮污染影响的同位素评估方法中根据流域内土地利用方式提取子流域和划分区域过程示意图。

图3为本申请实施例土地利用格局对流域氮污染影响的同位素评估方法的中不同土地利用方式下氮的不同来源贡献率的计算流程示意图。

图4为本申请实施例土地利用格局对流域氮污染影响的同位素评估方法的流程示意图。

图5为本申请实施例土地利用格局对流域氮污染影响的同位素评估方法的依据土地利用方式将30个子流域归类为六个区域示意图。

图6为本申请实施例土地利用格局对流域氮污染影响的同位素评估方法的各区域中硝酸盐的δ

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一组件分的实施例，而不是全组件的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请下述实施例以土地利用格局对流域氮污染影响的同位素评估方法为例进行详细说明本申请的方案，但是此实施例并不能限制本申请保护范围。

实施例

本申请实施例提供了土地利用格局对流域氮污染影响的同位素评估方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：流域野外采样，测定水样中硝酸盐氮的含量及硝酸盐中氮氧同位素值；所述步骤1，具体包括：步骤11：在流域内从上游到下游及各支流设置采样点，分别在各采样点采集水样，将采集的水样经过酸化等前处理后贮存在4℃以下，带回实验室待测；步骤12：在实验室内测定各样点水体中的硝酸盐氮的含量；步骤13：水体中的硝酸盐经过前处理后，在理化中心实验室的VG253质谱仪上测定稳定同位素δ

步骤2：处理遥感影像，进行空间分析，划分子流域，根据子流域土地利用方式，将各子流域归类，划分区域；所述步骤2，具体包括：步骤21：利用高时间分辨率和高空间分辨率的卫星影像获取不同时段的多光谱影像数据，作为基础数据源；步骤22：对流域内的影像数据进行预处理；步骤23：采用非监督分类技术对预处理后的流域内的多光谱影像数据进行土地利用类型的划分，对划分出来的土地利用类型中的相似土地方式进行合并，最终划分成八大类型，即：建筑用地、人工林地、草地、旱地、稻田、矿业用地、裸地和水域，分类的整体准确度和kappa系数分别为86%和0.79；步骤24：依据流域数字高程及河或湖网水系图，以各采样点作为水流出口，将整个流域划分成相应的子流域，再将各子流域依据土地利用类型进行合并归类，划分成几个区域；所述预处理过程包括辐射定标或大气校正或正射校正或几何校正中的至少一种；所述步骤24中，依据各子流域内土地利用类型的相似性，将30个子流域合并归类，划分为6大区域，分别为：森林-农田混合区、人工林区、农田-养殖混合区、农田区、住宅区和农田-住宅混合区。

步骤3：计算各区域不同土地利用方式下氮的不同来源的贡献率；所述步骤3，具体包括：步骤31：在不同区域内，根据水体中硝酸盐的δ

同位素三元混合模型：

同位素二元混合模型：

其中，

实施例一

第一步：测定水样中硝酸盐氮的含量及硝酸盐中氮氧同位素值。在东北某流域内从上游到下游及各支流设置30个采样点，分别在各采样点进行水样采集。将采集的水样经过酸化等前处理后贮存在4℃以下，带回实验室待测。在实验室内，采用分光光度计测定水体中各样点的硝酸盐氮的含量；水体中的硝酸盐根据硝酸银法进行前处理后，在理化中心实验室的VG253质谱仪上测定稳定同位素δ

第二步：利用遥感影像进行空间分析，划分子流域，根据土地利用方式的差异将各子流域归类，划分区域。利用2009年高分辨率（2.5米分辨率）多光谱SPOT影像数据，作为基础数据源，对该采样流域进行影像预处理。采用非监督分类技术对预处理后的流域内的多光谱影像数据进行土地利用类型的划分，对划分出来的土地利用类型中的相似土地方式进行合并，最终划分成八大类型，即：建筑用地、人工林地、草地、旱地、稻田、矿业用地、裸地和水域，分类的整体准确度和kappa系数分别为86%和0.79。依据流域数字高程及河网水系图，以30个采样点作为水流出口，将整个流域划分成相应的30个子流域。依据各子流域内土地利用类型的相似性，将30个子流域合并归类，划分为6大区域（图5），分别为：森林-农田混合区（Z1）、人工林区（Z2）、农田-养殖混合区（Z3）、农田区（Z4）、住宅区（Z5）和农田-住宅混合区（Z6）。

第三步：计算各区域不同土地利用方式下氮的不同来源的贡献率，即不同土地利用方式对氮污染的贡献。将6个区域内的稳定同位素δ

同位素三元混合模型：

同位素二元混合模型：

其中，

下角标A、B、C和M分别代表氮污染的三种来源及混合物；

f

本发明的河流（湖泊）流域土地利用格局对水体中氮污染影响的实验方法以及与同位素技术相结合进行评估的方法，应用多时段遥感解译数据集提高土地利用分类的准确性，最大限度地减少个别地块时间变化的影响，避免太阳光照射和云层覆盖的限制；以各采样点作为水流出口，将整个流域划分成相应的子流域，进而依据土地利用类型，将子流域进行合并归类，划分成不同土地利用方式下的区域，更能精确计算出水体中硝酸盐氮的不同来源的贡献率，从而实现定量化评估土地利用格局对流域氮污染的影响。

本发明利用高分辨率多光谱影像作为基础数据源，对流域进行影像预处理，获取流域边界和流域土地利用图；采用非监督分类技术对预处理后的多光谱影像数据划分土地利用类型；依据流域数字高程及河网水系图，以各采样点作为水流出口，将整个流域划分成相应的子流域，依据各个子流域内土地利用方式的相似性，将子流域合并归类为几个区域；将各区域内的稳定同位素δ

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中组件分或者全组件技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。