星云湖流域土地利用變化與水質(zhì)響應(yīng)分析

張曉倫，邵妍妍，陳 占，張福存，萬保峰，陳國平，聶俊堂

(1.昆明冶金高等專科學(xué)校測繪學(xué)院，云南 昆明 650033；2.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；3.云南省國防科技工業(yè)局綜合研究所，云南 昆明 650118；4.西寧市測繪院，青海 西寧 810001)

0 引 言

湖泊是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要資源[1]。星云湖是滇中地區(qū)五大高原湖泊之一，具有工農(nóng)業(yè)用水、旅游、防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖等功能。由于湖泊流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)發(fā)展、城鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展、人口快速增加，大量工農(nóng)業(yè)與生活污水流入湖泊，加上湖泊換水周期長[2]，星云湖水體污染嚴重，湖泊生態(tài)環(huán)境遭受巨大破壞，2002年星云湖水質(zhì)下降為Ⅴ類，一直處于中度-重度富營養(yǎng)狀態(tài)。

國內(nèi)外關(guān)于星云湖水質(zhì)的研究眾多，F(xiàn)ukushima等[3]利用氣象條件與水質(zhì)的過去關(guān)系預(yù)測湖泊水質(zhì)變化對氣候變化的影響;Zhang等[4]通過研究湖泊沉積物重建20世紀星云湖流域氣候變化與人類活動;鄭田甜等[2]從人類活動角度分析了人文因素對星云湖水質(zhì)的驅(qū)動作用;郭志海等[5]基于landsat數(shù)據(jù)，通過光譜分析探究星云湖水質(zhì)狀況與植被指數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。綜合國內(nèi)外關(guān)于星云湖水質(zhì)變化的研究，多集中于氣候變化、降雨、湖泊沉積物、浮游植物等自然因素方面，也有從人文因素方面探究人類活動對水質(zhì)的影響。

湖泊匯聚的水主要來源于地表徑流與高海拔地表水下滲。地表水在下滲或徑流到湖泊的過程中會攜帶大量污染物質(zhì)[6]。水體所在流域的土地利用與土地覆被變化對水體的水質(zhì)會產(chǎn)生重要影響。在土地利用與土地覆被變化對水質(zhì)影響的研究中，姜暢等[7]基于GIS技術(shù)探究紅楓湖流域土地利用變化對水質(zhì)的響應(yīng)；孫金華等[8]通過子流域歸類分析了土地利用空間格局差異對水質(zhì)的影響；楊婭楠等[6]分析了撫仙湖流域土地利用格局與水質(zhì)變化關(guān)系，說明土地利用比例結(jié)構(gòu)與空間分布格局對水質(zhì)有重要影響。但是由于土地利用類型復(fù)雜多變，而且區(qū)域的差異性很大，并非所有地區(qū)水質(zhì)與土地利用類型之間的對應(yīng)關(guān)系都一樣。因此開展星云湖流域土地利用變化對水質(zhì)變異的影響具有可行性與區(qū)域特色性。本研究通過量化流域內(nèi)土地利用類型的面積，再與水質(zhì)進行關(guān)聯(lián)性分析，揭示星云湖流域土地利用變化對水質(zhì)變化的影響，為拓展認識星云湖水質(zhì)變化的驅(qū)動因素與流域管理開發(fā)提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

星云湖位于云南省玉溪市江川區(qū)境內(nèi)，緊鄰江川城區(qū)。星云湖流域?qū)儆谥衼啛釒О霛駶櫢咴撅L(fēng)氣候，氣候溫和，四季不分明，年平均氣溫16.5℃；干濕季節(jié)分明，雨季主要集中于5—10月，年平均降雨量863.1 mm。

1.2 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

本研究采用的6幅研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)分別成像于1990、1995、2000、2005、2010、2016年，空間分辨率為2 m。筆者為便于后期數(shù)據(jù)處理與分析，對遙感影像數(shù)據(jù)進行幾何精校正與裁剪等預(yù)處理。

星云湖的水質(zhì)信息通過參考文獻[5,9-11]獲得1990、1995、2000、2005、2010、2016年6個年份湖泊水質(zhì)狀況數(shù)據(jù)，選取化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN)3個指標(biāo)進行分析。磷(P)與氮(N)是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主要因素，COD可以反映水體被有機物污染的程度。

1.3 土地利用類型劃分

根據(jù)《第三次全國土地調(diào)查土地分類》(下文簡稱“三調(diào)”)規(guī)范，并結(jié)合研究區(qū)實際情況、研究目的，確定星云湖流域土地利用類型包括：A.耕地(水田、水澆地、旱地與大棚)；B.林地(喬木林地、竹林地、灌木林地、苗圃與果園)；C.建設(shè)用地(住宅用地、商服用地、工礦倉儲用地、公共管理與公共服務(wù)用地、水工建筑用地)；D.水體(河流、湖泊、水庫、坑塘、溝渠)；E.草地(天然牧草地、人工牧草地)；F.裸地。由于本研究目的是分析湖泊周邊土地利用變化對湖泊水質(zhì)的影響，交通運輸用地對道路兩旁自然與生態(tài)環(huán)境影響較大，因此在本研究中將交通運輸用地作為第G類土地利用類型進行研究。

1.4 土地利用與變化信息處理

利用ArcGIS 10.1軟件，依據(jù)“三調(diào)”中不同土地利用類型解譯標(biāo)志對6期遙感影像進行目視解譯，制作土地利用現(xiàn)狀圖。

土地利用變化狀況是從面積上考核土地利用類型的變化程度，著重描述不同土地利用類型在不同時間節(jié)點量上的差異。本研究對土地利用類型的面積進行動態(tài)監(jiān)測，利用轉(zhuǎn)移矩陣分析處理制作1990—2016年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，對星云湖流域26年間土地利用類型間的轉(zhuǎn)換程度與方向進行分析。

1.5 土地利用變化與水質(zhì)相關(guān)性分析

本研究將1990、1995、2000、2005、2010、2016年6個年份土地利用類型面積(耕地、林地、草地)與對應(yīng)年份的水體污染指標(biāo)(COD、TP、TN)進行關(guān)聯(lián)，利用SPSS 19.0進行Pearson相關(guān)性分析，探究26年間土地利用變化與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 土地利用類型分布與分析

利用ArcGIS 10.1制作1990、1995、2000、2005、2010和2016年6個年份的土地利用類型分布圖(圖1)。利用軟件中的空間數(shù)據(jù)分析功能，對不同時期土地利用類型的面積進行量化統(tǒng)計(表1)。

圖1 1990、1995、2000、2005、2010和2016年星云湖流域土地利用類型圖Fig.1 Picture of land use types in Xingyunn Lake basin in 1990, 1995, 2000, 2005, 2010 and 2016

表1 1990、1995、2000、2005、2010和2016年星云湖流域土地利用類型Tab.1 Land use type of the Xingyu Lake basin in 1990, 1995, 2000, 2005, 2010 and 2016 km2

1990—2016年，26年間星云湖流域土地利用類型總體特征：1)流域內(nèi)土地利用類型以耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地5種為主，各種土地類型均有明顯變化。2)建設(shè)用地與交通運輸用地呈逐步上升趨勢，面積增加顯著，建設(shè)用地面積由15.12 km2增加到31.61 km2，交通運輸用地面積由0.62 km2增加到4.31 km2；這與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進相符合。3)草地與裸地面積在逐步減少，草地面積減少一半以上，由79.72 km2減少到33.21 km2，大量草地轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地；裸地面積由3.19 km2減少到0.36 km2。4)水體面積在小范圍內(nèi)波動，變化幅度較小；林地面積在2010年前呈增長趨勢，2010—2016年大幅減少，林地覆蓋范圍變得破碎化；耕地面積在2005年以前逐步減少，2005—2010年大幅增加。

2.2 土地利用變化分析

利用ArcGIS 10.1軟件對1990—2016年的土地利用類型圖進行動態(tài)監(jiān)測，通過轉(zhuǎn)移矩陣分析處理，得到1990—2016年26年間土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表2)。

由研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可知，土地利用類型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移明顯：1)1990—2016年，耕地在逐步增加，累計增加面積達28.09 km2，主要流入來源是草地與林地，二者面積在過去26年間明顯減少；耕地的主要流出方向是建設(shè)用地與交通運輸用地，說明流域內(nèi)建設(shè)發(fā)展對耕地的占用較為明顯。2)2016年林地面積相比較于1990年沒有明顯變化(增加0.04 km2)，但林地與草地、耕地、建設(shè)用地之間的轉(zhuǎn)換明顯。3)草地面積減少顯著，累計減少面積達46.51 km2，主要流出方向為耕地與林地，其次為建設(shè)用地與交通運輸用地，說明在建設(shè)發(fā)展過程中對草地的占用明顯。4)建設(shè)用地增加16.49 km2，近30年間面積增加一倍以上，建設(shè)用地增加主要占用耕地與草地。5)交通運輸用地增加3.69 km2，面積增加了6倍，主要占用耕地、草地與林地。6)水體面積沒有明顯變化，裸地面積有所減少。

表2 1990—2016年研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.2 The transfer matrix of land use in research area from 1990 to 2016 km2

流域內(nèi)耕地、林地、草地與建設(shè)用地4種土地利用類型轉(zhuǎn)換明顯，建設(shè)用地與交通運輸用地在逐步增加，增量主要來自耕地與草地；耕地范圍也在增加，增量主要來源于草地；草地主要通過林地補償，但草地轉(zhuǎn)化林地的面積遠大于林地轉(zhuǎn)換到草地的面積，引起草地補償缺乏，面積持續(xù)下降。

2.3 水質(zhì)變化分析

星云湖在1995年前為Ⅲ類水質(zhì)，隨著區(qū)域經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展，2000年水質(zhì)類別下降為Ⅳ類，自2002年開始下降為Ⅴ類，處于中度-重度富營養(yǎng)狀態(tài)。2000年前各項水體污染指標(biāo)變化不明顯，2000年開始水體污染指標(biāo)在逐步增加，水體惡化顯現(xiàn)；2005—2010年間各項水體污染指標(biāo)變化明顯，水體惡化顯著；2010年后惡化速度降低。星云湖緊鄰江川城區(qū)，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達，周邊地勢平緩；生活污水的排放、不合理的水產(chǎn)養(yǎng)殖與農(nóng)業(yè)面源污染可能是導(dǎo)致水質(zhì)惡化的主要原因。

表3 1990—2016年水體污染指標(biāo) Tab.3 Indices of water pollution from 1990 to 2016 mg/L

2.4 土地利用類型與水質(zhì)響應(yīng)分析

土地利用類型與水體污染指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)可描述土地利用類型與水質(zhì)變化的相互影響關(guān)系，相關(guān)系數(shù)>0表示正相關(guān)，土地利用類型變化會加劇水質(zhì)惡化；相關(guān)系數(shù)<0表示負相關(guān)，土地利用類型變化會抑制水質(zhì)惡化；相關(guān)系數(shù)=0表示不相關(guān)，土地利用類型變化對水質(zhì)響應(yīng)不明顯。

土地利用類型變化與水體污染指標(biāo)相關(guān)性分析見表4。

表4 土地利用變化與水體污染指標(biāo)相關(guān)性分析表Tab.4 Correlation coefficient between LUCC and water pollution indices

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

結(jié)果表明：

1)耕地與水體污染指標(biāo)的正相關(guān)性顯著，與COD、TP、TN相關(guān)系數(shù)分別達到0.976、0.866、0.669，耕地與COD極顯著正相關(guān)，與TP也有較強正相關(guān)性。說明耕地所代表的農(nóng)業(yè)面源污染對星云湖水體污染影響強烈。

2)建設(shè)用地與交通運輸用地兩種土地利用類型與水體污染指標(biāo)有一致的較強正相關(guān)性，尤其是建設(shè)用地與TP表現(xiàn)出強烈顯著性正相關(guān)，表明建設(shè)用地與交通運輸用地所代表的不透水面面積增大，地表結(jié)構(gòu)失去對污染物的截留、吸收作用，大量污染物短時間隨徑流流入湖泊，同時說明工業(yè)和生活污染源對湖水中氮、磷元素的引入有重要貢獻作用。

3)草地與裸地均表現(xiàn)出與水體污染指標(biāo)有極強顯著性負相關(guān)，草地與3種指標(biāo)相關(guān)系數(shù)分別達到-0.935、-0.942、-0.850，裸地與3種指標(biāo)相關(guān)系數(shù)分別達到-0.865、-0.830、-0.933，草地與裸地均屬于透水性下墊面，對地表水下滲與徑流的截留作用較強。

4)林地與COD相關(guān)性不明顯，與TP和TN具有一般正相關(guān)性，這是由于林地屬于透水性下墊面對氮磷元素具有滯留、吸收作用，可降低面源污染對水體的影響，但是林地的枯枝落葉含有豐富的有機質(zhì)、氮、磷，隨著枯枝落葉腐爛，又可能引起水體污染。水體通過徑流方式與湖泊水質(zhì)相關(guān)聯(lián)，攜帶營養(yǎng)物質(zhì)進入湖泊，與COD和TP有一般正相關(guān)性。

3 結(jié) 論

1)本研究利用RS與GIS技術(shù)并結(jié)合統(tǒng)計學(xué)相關(guān)性分析，探討了星云湖流域近30年間土地利用變化對水質(zhì)的影響，分析了水體污染指標(biāo)與各土地利用類型的相關(guān)關(guān)系，表明土地利用變化可以作為研究星云湖水質(zhì)變化的一個重要指標(biāo)。

2)星云湖流域內(nèi)主要土地利用類型是耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地5種，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，各種土地類型均有明顯變化。建設(shè)用地與交通運輸用地面積增加顯著，主要占用耕地與草地，與區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進相符合。草地與裸地面積在逐步減少，大量草地轉(zhuǎn)化為耕地和建設(shè)用地，說明在經(jīng)濟社會發(fā)展對草地占用明顯。水體面積在小范圍內(nèi)波動，林地覆蓋范圍變得破碎；耕地面積在2005年前逐步減少，2005—2010年間大幅增加，主要流入來源是草地與林地，主要流向為建設(shè)用地與交通運輸用地。

3)星云湖在1995年前各項水體污染指標(biāo)變化不明顯，為Ⅲ類水質(zhì)。隨著區(qū)域經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展，2000年開始水體污染指標(biāo)在逐步增加，水質(zhì)類別下降為Ⅳ類，2005年后水體污染指標(biāo)增加明顯，水體惡化顯著，水質(zhì)下降為Ⅴ類，處于中度-重度富營養(yǎng)狀態(tài)。

4)通過分析星云湖流域土地利用類型與湖泊水體污染指標(biāo)相關(guān)性，耕地、建設(shè)用地與交通運輸用地與水體污染均有顯著的正相關(guān)性，說明星云湖的水質(zhì)較差可能是農(nóng)業(yè)面源污染、生活污染源與工業(yè)污染源的共同作用結(jié)果；草地與裸地與水體污染有顯著的負相關(guān)性，說明透水性下墊面對污染物具有明顯的截留、吸收作用。