流域是一个具有特定结构和功能、相对独立完整的自然资源-生态环境-人类社会的复杂系统,承载了区域经济发展所需要的空间。人类及其他生物以其生活的流域作为物质依托,从中获取水、食物等物质资源和生活、娱乐、发展活动的空间资源。然而在社会经济高速发展的背景下,作为人类重要物质与空间依托的流域,其环境遭受来自各方面的多重影响因子的共同作用,其中以河流水质为主,正面临着日渐退化的趋势,因而保护人们赖以生存的环境迫在眉睫。很多人为因素包括城市化、农业活动、产业、污水排放都是影响河流水质的流域土地利用/覆盖变化过程的一部分。此外,流域内水文、气候变化通过降水与蒸发等作用影响着水循环过程,对水质起间接作用。探索各种土地利用类型分别如何影响非点源污染负荷有助于监测、预测和调控由土地利用转变造成的水质变化。理清水质与土地利用类型的关系能帮助我们更有针对性地预测管理流域的水质变化趋势。波托马克河流域(Potomac river)是北美最大海湾--切萨皮克湾(Chesapeake Bay)的第二大河,全长约590 km,流域面积37000 km2,流经马里兰州、西弗吉尼亚州、弗吉尼亚州和华盛顿哥伦比亚特区,是五百多万人的饮用水源地。波托马克河河流健康关乎区域用水安全以及切萨皮克湾的生态安全。为保障流域水质安全,美国从上世纪七十年代陆续颁布水环境保护和管理的相关法案、政策和措施,如《清洁水法》、TMDL计划、BMPs等,目前已取得不错的成效。本研究通过剖析波托马克河流域土地利用与水质的动态关联,旨在探讨波托马克河流域管理的成功经验,为中国的流域管理提供有益借鉴。本研究借助地理信息技术、统计分析等方法,构建波托马克河流域基础数据库,系统分析流域气候变化的水文效应、土地利用与水质的动态关联,取得如下研究结果:首先,构建了波托马克河流域基础数据库。通过美国地质调查局(USGS)、美国国家海洋和大气管理局(NOAA)、美国农业部(USDA)、切萨皮克湾项目(Chesapeake Bay Program)等相关网站,获取流域土地利用、DEM、水文、气象、土壤等空间数据以及水质、水量、降水等属性数据。基于波托马克河1950年至2015年若干站点的日观测径流量、降水数据,1990年至2015年27个子流域的水质监测数据(包括DIN、NH4、N02、N03、TN、TP)以及1992年、2001年、2006年、2011年土地利用数据,计算年径流量、Flashiness值(FI)、基流指数、年降水量、拐点前后月径流量、月降水量,以及营养盐在丰水期(一月至五月)、枯水期(六月至十二月)中的浓度和四个年份子流域的土地利用百分比。其次,识别了波托马克河流域近60年气候变化及其水文效应。1950年至2015年,流域整体年降水量呈增长趋势,且中游(South Fork Shenandoah、North Fork Shenandoah、Middle Potomac-Catoctin三个气象站点)增长最显著。近60年来,各水文站点年径流量最高值均出现在1970年至1980年,而2000年以来年径流量呈下降趋势;流域整体FI值随时间呈减小趋势,且上游的FI值下降趋势比下游更显著,基流指数呈上升趋势,且上游的基流指数的上升趋势比下游更显著,说明波托马克河流域人类活动呈加剧的趋势。从上游至下游的年径流量和年降水量的皮尔森相关系数呈减小趋势,说明上游的径流量对降水的响应要强于下游。第三,构建了波托马克河流域土地利用-水质的动态关联模型,具有较好的预测能力。按丰水期与枯水期分别构建了 1992年、2001年、2006年、2011年四个年份水质与土地利用的回归方程,并检验其预测能力。耕地是DIN、NO2、N03回归方程的预测因子,而NH4、TN、TP还受到林地和湿地的影响:2011年TP的回归模型中湿地和林地是预测因子,跟其他三个年份不同;2001年和2006年NH4的预测因子为裸地,在2011年受湿地的影响;TN在2011年受林地的影响;TP四个年份的回归模型丰水期的R2都大于枯水期,而NH4则相反;经检验所构建的1992年、2001年、2006年三个年份的模型有较好的预测能力(R2值0.6-0.8),且丰水期回归模型的预测能力优于枯水期(丰水期R2值更大)。最后,讨论了土地利用与水质动态关联对流域管理的启示。波托马克河流域土地利用与水质关联分析表明,耕地是影响河流水质的主要因子,农业面源污染问题仍需重视;NH4的回归模型中无建设用地这一预测因子,与许多中国流域(包括九龙江)研究结果不同,这一定程度上反映了美国清洁水法和BMPs有效执行,使得该流域点源污染的问题被较好地解决;湿地作为NH4、TP的预测因子在近年来却使水质退化,作为一种常用的生态工程措施,湿地的环境消纳能力有限,应进一步考虑生物与工程集成技术,提升环境自净能力。