太湖流域土地利用方式演變及其對水體氮磷負荷的影響

田甲鳴,王延華,2,3,葉 春,張茂恒,2,3,張明禮

(1.南京師范大學地理科學學院,江蘇 南京 210023) (2.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210023) (3.南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室,江蘇 南京 210023) (4.中國環(huán)境科學研究院,北京 100012)

改革開放以來,隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展,長江流域水環(huán)境問題日益凸顯. 1980—2010年,長江經(jīng)濟帶氮素輸入項中系統(tǒng)外源氮素輸入比例逐年增加,引起了全社會的廣泛關注[1-2]. 其中,面源排放已經(jīng)成為水環(huán)境污染的首要因子[3-4]. 太湖流域地處長三角經(jīng)濟發(fā)達區(qū),人口密集,水網(wǎng)交織,稻麥輪作. 近幾十年來,隨著經(jīng)濟、人口和政策的變化,土地利用類型發(fā)生了較大轉變. 伴生的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活釋放的大量氮和磷,導致當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境氮和磷負荷日益加重,直接或間接地影響流域的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境演變[4-6]. 以往研究聚焦于脫氮除磷技術的研發(fā)和工程示范,取得了不錯的效果[7],但是關于土地利用類型的時空變化對水環(huán)境污染負荷的影響少有涉及. 研究流域水體氮磷負荷對土地利用方式變化的響應,識別主要影響因子及其影響機制是目前迫切需要解決的問題. 本研究旨在通過對太湖流域1980—2010年間土地利用動態(tài)變化進行研究,結合同期該區(qū)域水體氮磷負荷變化的分析,探討水體氮磷負荷對土地利用方式變化的響應機制,從而為該流域可持續(xù)發(fā)展與環(huán)境修復提供借鑒.

1 材料與方法

1.1 圖像解譯

以1980年、1995年、2000年、2005年和2010年5期太湖流域1∶100 000的土地利用方式空間矢量數(shù)據(jù)為基礎,利用ArcGIS10.3軟件的相關分析功能,依據(jù)我國土地分類系統(tǒng)標準進行研究區(qū)土地利用類型解譯. 將太湖流域的土地利用類型分為6類:林地、草地、水域、建筑用地、耕地和未利用地.

1.2 動態(tài)度與土地利用類型的狀態(tài)指數(shù)計算

單一土地利用動態(tài)度分析[8]能夠用來體現(xiàn)太湖流域內(nèi)某段時間里的土地利用方式的變化,并且對未來太湖流域的土地利用發(fā)展趨勢具有一定的預測分析功能,計算式[9]見式(1):

Ci=[(V1-V2)/V1]/T×100%,

(1)

式中,Ci是太湖流域某段時間里第i類土地利用類型的面積動態(tài)度. 若Ci>0,說明該地類面積在下降,若Ci<0,則說明該地類面積在上升;V1和V2分別代表了研究區(qū)初期和末期的第i類土地利用類型的面積(km2);T代表研究時長,若T的設定是年,Ci就是年動態(tài)度.

在土地利用類型的轉換研究里,狀態(tài)指數(shù)可以比較清晰、直觀地體現(xiàn)土地利用類型的轉換趨勢. 通過對不同的土地利用類型面積的轉化速率的對比,運用公式計算得到該種土地利用類型的狀態(tài)指數(shù)Di[8,10].

1.3 輸出系數(shù)模型選擇

面源污染是指以非點源形式進入河流水網(wǎng)的各類污染來源[11-14]. 輸出系數(shù)法不僅精準度高,且使用起來方便簡易,可以較好地和“3S”技術相結合,適用于研究非小尺度下的面源污染[15-18]. 輸出系數(shù)模型方程如式(2)所示:

(2)

本研究將氮和磷作為目標污染物進行研究. 式(2)中,Lj為污染物j在研究區(qū)域的總負荷量,單位 kg/(km2·a);i為太湖流域土地利用種類,合計m類;Eij為污染物j在第i種土地利用方式下的輸出系數(shù),單位kg/km2;Ai代表太湖流域里第i種土地利用方式的面積,單位km2.

1.4 統(tǒng)計分析

太湖流域氮磷負荷的空間變異往往是多種源匯的綜合結果. 為了評估人為和自然因素對太湖流域水環(huán)境氮磷負荷的影響,對研究區(qū)氮磷面源污染負荷的影響因子進行篩選. 采用SPSS18.0軟件將相關性較強的因子綜合在同一主成分中,各主成分彼此獨立,取小殘差絕對值和大累計方差百分比,分析主成分與原因子的相關性,相關系數(shù)的絕對值越大,表明主成分對該變量因子的代表性也越大. 進行相關性分析的過程中,對數(shù)據(jù)進行顯著性檢驗.

2 結果與討論

2.1 1980—2010年太湖流域土地利用方式轉變

2.1.1 數(shù)量變化

1980—2010年總計5期30 m×30 m的太湖流域土地利用類型的解譯圖見圖1. 可見,太湖流域建筑用地面積逐年顯著增加,耕地面積減小,這和當?shù)毓I(yè)發(fā)展及城鎮(zhèn)化進程有很大關系. 為量化研究區(qū)各土地利用類型的轉化,計算了解譯出來的6種土地利用類型的面積占比,結果如圖2所示.

由圖2可知,1980—2010年間太湖流域的建筑用地和耕地面積變化最為明顯. 耕地面積占比由1980年的63.89%減少到2010年的47.02%. 而建設用地的面積占比由9.70%增加到25.16%. 圖1和圖2的研究結果可互為補充.

2.1.2 動態(tài)度變化

基于各期不同土地利用類型的面積,運用式(1)計算得到相對應時期的土地利用類型的動態(tài)度,結果見表1. 由表1可知,在1980—2010年間,太湖流域不同的土地利用類型變化速率依次為:未利用地>建筑用地>水域>耕地>草地>林地. 耕地(水田和旱地)動態(tài)度基本大于0,說明近30年來,太湖流域耕地面積在不斷下降. 而建筑用地和水域動態(tài)度一直小于0,表示建筑用地面積和水域面積在不斷升高. 未利用地、草地和林地動態(tài)度有正有負,總體上三者面積均呈上升趨勢,但未利用地和草地占總面積的百分比很小. 1980—2010年間,太湖流域耕地面積共減少6 327.33 km2,建筑用地面積增加了5 878.29 km2,水域面積略微增加. 建筑用地和水域面積的增加主要是占用了耕地. 城市化的發(fā)展促進了建筑用地面積的擴張.

表1 1980—2010年間太湖流域不同土地利用類型的動態(tài)度變化Table 1 Dynamic degrees of different land use types in Taihu Lake basin during 1980-2010 %

2.1.3 土地利用類型轉移矩陣

使用ArcGIS的相關功能得到每期的不同土地利用類型的轉移矩陣[19]. 計算出1980—2010年各期土地利用類型狀態(tài)指數(shù)Di(表2). 由表2可知,1980—1995年,太湖流域未利用土地和耕地的Di均大于0,表明這兩種土地利用類型的面積在不斷減少. 耕地的狀態(tài)指數(shù)為0.66,說明其面積下降速率相對比較快,轉出部分主要轉向了建筑用地. 林地、草地、水域和建筑用地的Di均為負值,可見其面積都在擴增,其中建筑用地的狀態(tài)指數(shù)為-0.71,增速最快,且主要來自耕地. 1995—2000年,太湖流域水域和建筑用地Di均為負值,其變化趨勢同1980—1995年. 林地、草地、未利用土地和耕地的面積都在縮減,且耕地轉向建筑用地部分占總轉出部分的63.35%. 2000—2005年,太湖流域草地和耕地面積在減小,林地、水域、建筑用地和未利用土地的面積在擴增.其中,建筑用地的土地利用類型Di絕對值最大,說明建筑用地的轉換速率最快,且94.9%來源于耕地. 2005—2010年,太湖流域林地和耕地的面積在縮減,草地、水域、建筑用地和未利用土地的面積在擴增. 和2000—2005年一樣,建筑用地的土地利用類型Di為 -0.54,91.0%來自耕地. 可見,1980年以來的30年間,建筑用地Di絕對值最高,面積變化量最大.林地、水域和建筑用地90%以上的面積增加都來源于耕地面積的減小.

表2 1980—2010年各期土地利用類型轉移矩陣及狀態(tài)指數(shù)Table 2 Transfer matrix and status index of land use types during 1980-2010

2.2 不同土地利用方式下氮磷排放的年際變化特征

由表3可知,太湖流域不同土地利用方式下1980年、1995年、2000年、2005、2010年總氮(TN)排放量均呈逐年持續(xù)上升的勢頭,分別為3.71萬t/a、3.73萬t/a、5.76萬t/a、5.85萬t/a、6.15萬t/a. TN負荷的最大貢獻均來自耕地. 林地、草地和未利用地的TN負荷變化不大,且草地和未利用地TN負荷極少. 水域和建筑用地的TN負荷逐年持續(xù)上升.

表3 1980—2010年太湖流域不同土地利用方式下總氮負荷量Table 3 The TN load in different land use types in Taihu Lake basin during 1980-2010 104 t/a

太湖流域不同土地利用方式下總磷(TP)排放量也逐年上升(表4). 1980年、1995年、2000年、2005年、2010年分別為0.33萬t/a、0.33萬t/a、0.35萬t/a、0.52萬t/a、0.85萬t/a. 其中,林地、草地和未利用地排放磷負荷極小且變化不大.耕地的磷負荷每年略微縮小. 水域和建筑用地對水體磷負荷的貢獻逐年增加.

表4 1980—2010年太湖流域不同土地利用方式下總磷負荷量Table 4 The TP load in different land use types in Taihu Lake basin during 1980-2010 104 t/a

由計算結果可知,不同土地利用類型對氮磷輸出負荷的影響較為顯著.而輸出系數(shù)法的計算結果是由輸出系數(shù)與土地利用類型的面積所決定,即某土地利用類型的面積越大或者輸出系數(shù)越高,其輸出的氮磷負荷越高. 輸出系數(shù)又是由降雨強度、地形地貌、氣候、土壤類型、植被類型、豬、牛、羊、家禽、農(nóng)村和城鎮(zhèn)人口、居民面源污染的排放和處理情況等因素通過多元線性相關分析所確定[20]. 由此可以得出,推動城市化發(fā)展、減少農(nóng)藥及化肥的使用量、提高土壤肥力和利用效率、合理管理農(nóng)村生活污水和生活垃圾的排放、優(yōu)化畜禽養(yǎng)殖業(yè)的技術水平等是減少太湖流域氮磷負荷量的關鍵因素.

2.3 土地利用方式變化對流域面源污染的影響

2.3.1 輸出系數(shù)確定

本研究的輸出系數(shù)參照了有關區(qū)域的統(tǒng)計年鑒以及前人研究的相關成果[21-27]. 其中,耕地的輸出系數(shù)分為水田和旱地兩類,具體見表5.

表5 太湖流域不同土地利用類型氮磷輸出系數(shù)表Table 5 Output coefficients of TN and TP loads in different land use types in Taihu Lake basin

2.3.2 影響因素解析

選取人口密度X1、人均GDPX2、城鎮(zhèn)化率X3、建筑用地面積占比X4、耕地面積占比X5和污水排放量X66個因子,運用SPSS18.0軟件的主成分分析功能對太湖流域1980—2010年的因子數(shù)據(jù)進行分析,統(tǒng)計結果如表6所示. 可見,6個因子中,X5逐年減小,X1、X2、X3、X4和X6逐年顯著增加. 這也與土地利用方式的解譯結果(圖1和圖2)相一致.

表6 1980—2010年各因子變化Table 6 The data of variables during 1980-2010

表7 主成分分析太湖流域氮磷負荷的影響因子Table 7 Principal components analysis of variables influencing the TN and TP loads in Taihu Lake basin

根據(jù)表6數(shù)值,提取出特征值大于1的主成分F1,見表7. 主成分解釋方差的比例越大,表明主成分包含原有變量信息量越多.

F1=0.173X1+0.174X2+0.166X3+0.174X4- 0.175X5+0.166X6.

(3)

F1集中了原始變量94.30%的信息. 式(3)給出了F1與6個因子的相關關系,相關系數(shù)無顯著差異.F1與因子X5(耕地面積占比)負相關,說明隨著耕地面積的減小,F1增大. 與其余5個因子正相關. 研究結果與相關研究者的研究結果具有較好的一致性[28-30],且符合城市化發(fā)展的一般規(guī)律.

3 結論

(1)1980—2010年,隨著城市化進程的推進,太湖流域耕地縮小速率較快,2010年比1980年縮小了16.87%. 林地面積小幅減小. 草地、水域、建筑用地和未利用地面積在擴增且建筑用地面積擴增速率最快(15.46%). 耕地面積縮減速率和建設用地面積擴增速率逐年加快,雖然水域和建筑用地面積的增加主要占據(jù)的是耕地,但該區(qū)域仍然以耕地面積為主.

(2)1980—2010年,不同土地利用類型的狀態(tài)指數(shù)大小為:建筑用地>耕地>未利用地>水域>林地>草地. 轉移矩陣分析結果顯示,1980年以來的30年間,建筑用地Di值偏負,-0.54～-0.97,耕地Di值偏正,0.46～0.94,二者面積變化量最大. 林地、水域和建筑用地90%以上的面積增加都來源于耕地面積的減小.

(3)輸出系數(shù)模型計算結果顯示太湖流域不同土地利用方式下氮排放對水域TN負荷的貢獻呈上升趨勢,從3.71萬t(1980年)到6.15萬t(2010年). TP負荷變化趨勢與TN類似,從0.33萬t(1980年)增加到了0.85萬t(2010年). 人類活動是導致這一變化的關鍵因素. SPSS主成分分析說明人口密度、人均GDP、城鎮(zhèn)化率、建筑用地面積變化和污水排放量是主要驅動力.