天目湖沙河流域近20年土地利用變化對(duì)葉綠素濃度的影響

龔翔峰，徐守剛，孟定華，毛勁喬*，顧小涵，朱詩(shī)潔

(1.江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213333；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

得益于獨(dú)特的生態(tài)資源和地理區(qū)位優(yōu)勢(shì)，水庫(kù)具有防汛抗旱、生態(tài)涵養(yǎng)、休閑旅游等多種生態(tài)功能。庫(kù)區(qū)水環(huán)境與人類(lèi)生產(chǎn)生活方式密切相關(guān)，由于水庫(kù)流速較緩，自?xún)裟芰ο鄬?duì)較弱，容易出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)剩、透明度下降、水華暴發(fā)等一系列問(wèn)題，對(duì)飲用水安全、水生生物棲息繁殖、旅游業(yè)可持續(xù)發(fā)展等都會(huì)產(chǎn)生影響[1-2]。土地利用的變化情況可綜合反映人類(lèi)的活動(dòng)程度，理清流域各類(lèi)土地利用占比對(duì)水環(huán)境關(guān)鍵因子的影響，可為周邊土地合理規(guī)劃與庫(kù)區(qū)水環(huán)境治理提供依據(jù)[3]。

天目湖沙河流域位于江蘇省溧陽(yáng)市南部丘陵地區(qū)，天目湖也稱(chēng)沙河水庫(kù)，既是著名的旅游景區(qū)，也是一座典型的保護(hù)與開(kāi)發(fā)并存、水環(huán)境保護(hù)需求迫切、富營(yíng)養(yǎng)化防控難度較大的水庫(kù)型湖泊。庫(kù)區(qū)水環(huán)境保護(hù)是系統(tǒng)性工程，已有學(xué)者開(kāi)展了水文特征、氮磷元素分布、浮游植物群落變化及保護(hù)方案的研究[4-6]；這為生態(tài)規(guī)劃、入湖河流整治、水庫(kù)清淤等保護(hù)工程的實(shí)施提供了重要依據(jù)。其中，葉綠素a濃度是表征水環(huán)境的關(guān)鍵因子，但已有研究成果還不能定量地闡明人類(lèi)綜合活動(dòng)對(duì)庫(kù)區(qū)葉綠素a濃度的綜合影響。為建立水生態(tài)環(huán)境保護(hù)的有效機(jī)制，迫切需要從更宏觀的角度研究土地利用變化情況對(duì)水環(huán)境關(guān)鍵因子的影響，從而能夠更有效銜接庫(kù)區(qū)生態(tài)保護(hù)與區(qū)域可持續(xù)性開(kāi)發(fā)。

針對(duì)上述需求，本文研究了天目湖流域近20年土地利用變化情況，以十年為時(shí)間間隔提取各類(lèi)土地利用信息，針對(duì)表征庫(kù)區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化管理的核心指標(biāo)葉綠素a濃度，采用統(tǒng)計(jì)分析法，系統(tǒng)研究不同發(fā)展時(shí)期天目湖沙河流域土地利用變化情況對(duì)葉綠素a濃度的影響，以期為合理布局流域各類(lèi)空間和要素提供技術(shù)支撐。

1 研究概況

1.1 研究區(qū)概況

天目湖流域地處低山丘陵地區(qū)，水流依地形自高向低流去，構(gòu)成東西窄、南北長(zhǎng)的沙河庫(kù)區(qū)(圖1)。沙河庫(kù)區(qū)為溧陽(yáng)市的主要飲用水源地，主要入庫(kù)河流有平橋河、下宋河和中田河[7]，該水庫(kù)面積達(dá)12 km2，總庫(kù)容為1.09億m3，集水面積148.5 km2，是具有飲用、灌溉、旅游、漁業(yè)等多種生態(tài)功能的水庫(kù)型湖泊，屬?lài)?guó)家大型水庫(kù)。人類(lèi)活動(dòng)加劇是導(dǎo)致近年來(lái)天目湖水體生態(tài)功能趨于下降的主因[8]，尤其是近年來(lái)由于旅游業(yè)開(kāi)發(fā)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展等強(qiáng)度不斷增加，天目湖沙河庫(kù)區(qū)出現(xiàn)了水污染增加、水體透明度下降、富營(yíng)養(yǎng)化程度增加等問(wèn)題。

a)區(qū)位 b)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

1.2 研究方法

1.2.1水質(zhì)數(shù)據(jù)采集與處理

以沙河水庫(kù)庫(kù)區(qū)及其周邊地區(qū)為主要對(duì)象展開(kāi)調(diào)研，收集整理地理、水環(huán)境、水生態(tài)等觀測(cè)與遙感資料。土地利用變化情況研究范圍及葉綠素a濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)于天目湖湖區(qū)，包括南端的河流入湖區(qū)、河湖過(guò)渡帶、水庫(kù)尾水區(qū)及北端天目湖湖區(qū)。葉綠素a濃度是表征庫(kù)區(qū)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的核心指標(biāo)，與水生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)。在天目湖湖區(qū)分別設(shè)置10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖1)，在2021年4—6月進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)方法為乙醇+分光光度法，因葉綠素a濃度隨水深變化而變化，取葉綠素a濃度在垂向剖面的峰值為研究值，若某監(jiān)測(cè)點(diǎn)處葉綠素a濃度無(wú)明顯深度變化，取水下5 m處葉綠素a濃度為研究值[9]。同時(shí)收集2001、2011年葉綠素a濃度的歷史資料作為對(duì)比數(shù)據(jù)[5]，并以此為基礎(chǔ)研究天目湖沙河流域近20年富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)變化情況。

1.2.2流域土地利用解譯

天目湖生態(tài)系統(tǒng)受氣候、環(huán)境、人類(lèi)活動(dòng)等諸多因素的綜合影響，其中受人類(lèi)活動(dòng)的影響最為嚴(yán)重。鑒于各因素對(duì)湖區(qū)的作用過(guò)程十分復(fù)雜，本研究選用天目湖流域周邊土地利用變化以反映諸多外界因素對(duì)湖泊水環(huán)境的影響。

根據(jù)遙感資料進(jìn)行反演分析得到土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)，考慮到天目湖流域尺度問(wèn)題和流域土地利用空間變化問(wèn)題，以2001年Landsat 5 TM衛(wèi)星數(shù)據(jù)(時(shí)相4月13日，分辨率30 m)、2011年Landsat 5 TM衛(wèi)星數(shù)據(jù)(時(shí)相11月9日，分辨率30 m)和2021年Landsat 8 OLI_TRIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)(時(shí)相1月30日，分辨率30 m)的遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。參考《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)(2017年版)》[10]，將天目湖流域內(nèi)的土地類(lèi)型分為6種：水體、林地、草地、耕地、建筑用地[11]和裸地。

在對(duì)遙感圖像進(jìn)行輻射校正、大氣校正、裁剪等預(yù)處理之后，選取監(jiān)督分類(lèi)的方法對(duì)流域內(nèi)的土地利用情況進(jìn)行分類(lèi)[12]，目前ENVI的監(jiān)督分類(lèi)可分為3種：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法；基于傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析學(xué)方法，含最小距離、平行六面體、最大似然、馬氏距離；基于模式識(shí)別方法，含支持向量機(jī)以及模糊分類(lèi)等?，F(xiàn)采用基于模式識(shí)別的支持向量機(jī)的分類(lèi)方式，根據(jù)有限的樣本信息，既可以減小樣本誤差，又可以縮小模型泛化誤差的上限。支持向量機(jī)得到的分類(lèi)圖像略顯粗糙，并且圖中有許多小斑塊，各土地類(lèi)型的界限不清晰，需要對(duì)直接分類(lèi)后的圖像采用majority/minority分析，去除小斑塊，使得分類(lèi)圖像更光滑。經(jīng)過(guò)上述處理，最終得到2001、2011、2021年的土地利用情況(圖2)。

a)2001年

利用ENVI，結(jié)合Google earth進(jìn)行2001、2011、2021年的土地利用分類(lèi)，得到相應(yīng)的土地利用數(shù)據(jù)。

日前，《天津市農(nóng)村生活排水及處理工程規(guī)劃》正式通過(guò)天津市發(fā)改委審批，根據(jù)規(guī)劃安排，天津市將利用2011—2020年10年時(shí)間，投入15億元大力推動(dòng)農(nóng)村生活排水及處理工程建設(shè)，計(jì)劃為全市539個(gè)村新建農(nóng)村生活污水收集及處理工程419處，綜合整治農(nóng)村坑塘469座。

1.2.3相關(guān)性分析

將不同土地利用類(lèi)型比例與葉綠素a濃度進(jìn)行對(duì)比分析。水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)于近20年的水質(zhì)參數(shù)采樣時(shí)間4—6月，取每個(gè)月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值，利用SPSS軟件對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)和土地利用占比進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，鑒于部分?jǐn)?shù)據(jù)不滿(mǎn)足正態(tài)分布，故相關(guān)分析采用皮爾遜相關(guān)分析法，該方法廣泛應(yīng)用于定量分析2個(gè)變量之間的相關(guān)程度，相關(guān)系數(shù)值介于 -1～1，通常認(rèn)為皮爾遜相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值處于0.8～1.0時(shí)為極強(qiáng)相關(guān)，0.6～0.8為強(qiáng)相關(guān)，0.4～0.6為中等程度相關(guān)，0.2～0.4為弱相關(guān)，0.0～0.2為極弱相關(guān)或無(wú)相關(guān)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 天目湖流域近20年?duì)I養(yǎng)狀態(tài)變化情況

研究中較常通過(guò)葉綠素a的含量估算水體初級(jí)生產(chǎn)力以及水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度，葉綠素a濃度在4—6月呈現(xiàn)較高的狀態(tài)，這與氣象條件逐漸適應(yīng)藻類(lèi)生長(zhǎng)相關(guān)，因此本文重點(diǎn)研究土地利用對(duì)天目湖4—6月的葉綠素a濃度的影響情況。葉綠素a濃度在檢測(cè)時(shí)間段的逐月平均值見(jiàn)表1。

表1 葉綠素a監(jiān)測(cè)平均值 單位：μg/L

由數(shù)據(jù)可得，天目湖流域葉綠素a濃度在7～15 μg/L波動(dòng)，各年平均分別為9.515、13.139、9.499 μg/L，其中2011年葉綠素a濃度明顯高于其他年份。目前學(xué)者對(duì)流域富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的研究已較成熟[13-14]，由于本文僅以葉綠素a濃度作為評(píng)價(jià)天目湖流域的關(guān)鍵水環(huán)境因子，故以葉綠素a濃度作為天目湖流域富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的檢驗(yàn)指標(biāo)[15]，采用單因子含量評(píng)價(jià)法。選用營(yíng)養(yǎng)狀況指數(shù)(TSI)[16]評(píng)價(jià)湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化程度，TSI<40，為貧營(yíng)養(yǎng)；4050為富營(yíng)養(yǎng)。根據(jù)葉綠素a濃度計(jì)算TSI指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式[16]見(jiàn)式(1)：

(1)

計(jì)算得近20年天目湖流域富營(yíng)養(yǎng)化程度(表2)。

表2 天目湖流域富營(yíng)養(yǎng)化程度

研究可得，天目湖流域2001、2021年均處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，2011年水體富營(yíng)養(yǎng)化程度較嚴(yán)重，由葉綠素a濃度的平均值計(jì)算得水體TSI值為52.717。

2.2 天目湖流域近20年土地利用時(shí)空格局演變

將基于目視解譯所得的天目湖流域土地利用圖像進(jìn)行相關(guān)研究，基于GIS平臺(tái)依次統(tǒng)計(jì)研究天目湖流域內(nèi)近20年的不同土地利用類(lèi)型的比例及所占面積，見(jiàn)表3。

表3 土地利用構(gòu)成及其比例

可得，水體占地區(qū)域變化不明顯；林地占地區(qū)域呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其像元素由123 086降至99 157；草地占地面積增大，由0增至1 031；建筑用地占地區(qū)域變化趨勢(shì)不明顯，呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)；耕地面積增大趨勢(shì)顯著，由30 215增至55 286，增長(zhǎng)占比83%；裸地面積呈下降趨勢(shì)，由4 212降至1 381。

2.3 土地利用變化對(duì)葉綠素a濃度的影響分析

對(duì)天目湖流域近20年不同土地利用類(lèi)型比例與2001、2011、2021年的4—6月葉綠素a濃度進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同時(shí)段土地利用類(lèi)型面積與葉綠素a濃度的相關(guān)系數(shù)

結(jié)果顯示，在天目湖流域內(nèi)，葉綠素a濃度始終與水體面積成正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)最大為0.997，為極強(qiáng)相關(guān)，表明水體面積越大葉綠素a濃度越高。葉綠素a濃度與林地面積成正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.185，為弱相關(guān)。通常認(rèn)為草地生長(zhǎng)有利于水環(huán)境保護(hù)與治理，研究結(jié)果表明葉綠素a濃度與草地面積成負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.489，為中等程度相關(guān)，即草地面積越大葉綠素a濃度越低，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度越低，通常認(rèn)為親水植物有凈水功能，可吸附水中懸浮物質(zhì)，吸收氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提高水體溶解氧含量，故湖泊周邊草地生長(zhǎng)有利于水環(huán)境保護(hù)與治理，與實(shí)際情況相符。葉綠素a濃度與建筑用地面積成正相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)為0.536，僅為中等程度相關(guān)，這與人類(lèi)活動(dòng)程度密切相關(guān)，建筑用地面積增大加重水體污染，使水體向中富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)發(fā)展。同時(shí)葉綠素a濃度與耕地面積成正相關(guān)，但程度更為明顯，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.773，為強(qiáng)相關(guān)，表明耕地面積越大葉綠素a濃度越高，與人類(lèi)在耕種期間施加肥料等因素有關(guān)。葉綠素a濃度與裸地面積成負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.540，為中等程度相關(guān)，表明裸地面積越大葉綠素a濃度越低，因裸地并未受到人類(lèi)活動(dòng)的影響而造成污染，且土壤有一定的自?xún)裟芰蛇^(guò)濾水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，降低其富營(yíng)養(yǎng)化程度，即表明尚未開(kāi)發(fā)的土地并不會(huì)對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化造成不良影響，與前人研究及實(shí)際情況相符[17-19]。上述研究證實(shí)了天目湖水質(zhì)受到人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)影響，尤其是耕地施加的肥料通過(guò)水循環(huán)進(jìn)入水體，會(huì)導(dǎo)致天目湖水體富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇。因此可見(jiàn)，保護(hù)天目湖水生態(tài)環(huán)境，需有系統(tǒng)性管理策略，從流域角度構(gòu)建水生態(tài)環(huán)境保護(hù)機(jī)制十分必要。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

研究了天目湖流域周邊土地利用對(duì)湖區(qū)水環(huán)境的影響情況，通過(guò)明確不同土地利用類(lèi)型對(duì)水質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)的影響程度，以期為天目湖湖區(qū)水環(huán)境保護(hù)提供依據(jù)。

a)天目湖流域近20年水體均處于中富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，其中2011年水體富營(yíng)養(yǎng)化較嚴(yán)重，其營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)達(dá)52.717。

b)根據(jù)遙感影像將天目湖流域土地利用分類(lèi)，可分為水體、林地、草地、建筑用地、耕地和裸地六大類(lèi)。受人類(lèi)活動(dòng)的影響，建筑用地與耕地面積均呈增大的趨勢(shì)，且耕地面積增幅為83%，符合國(guó)家保護(hù)耕地的政策。

c)將2001、2011、2021年天目湖沙河水庫(kù)典型時(shí)段的葉綠素a濃度均值與各土地類(lèi)型所占面積遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果可知，葉綠素a濃度與水體、林地、建筑用地、耕地面積成正相關(guān)，與草地、裸地面積成負(fù)相關(guān)。將葉綠素a濃度與土地利用情況綜合分析，得到土地利用對(duì)水質(zhì)的影響，采用定量與定性相結(jié)合的方法分析了影響水環(huán)境變化的多種因素。

同時(shí)，2021年監(jiān)測(cè)期實(shí)測(cè)葉綠素a平均濃度分別為7.447、7.842、9.793 μg/L，表明4—6月，庫(kù)區(qū)藻類(lèi)生長(zhǎng)導(dǎo)致葉綠素a濃度逐漸上升，且湖區(qū)葉綠素a濃度高于引水渠，即葉綠素a濃度隨距電站引排水口距離的增大而呈上升趨勢(shì)。

3.2 展望

受人類(lèi)活動(dòng)等諸多因素的影響，流域周邊土地利用情況不斷改變，水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益嚴(yán)重，葉綠素a濃度是評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵因子，氮、磷元素同樣是導(dǎo)致水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的重要元素。對(duì)此，需加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究：①添加長(zhǎng)序列的研究，擴(kuò)展研究年份，更直觀詳細(xì)地反映天目湖流域近20年的土地利用變化情況，使結(jié)果更加精確;②對(duì)流域的研究設(shè)置長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并監(jiān)測(cè)更多水環(huán)境關(guān)鍵指標(biāo)，使用評(píng)價(jià)方法對(duì)流域水環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)研究[20]，便于流域水體富營(yíng)養(yǎng)化治理。