滇池流域土地利用變化及其對(duì)水質(zhì)影響研究綜述

張 洪 森,角 媛 梅,徐 秋 娥,張 兆 年,陶 妍

(云南師范大學(xué) 地理學(xué)部,云南 昆明 650500)

0 引 言

土地利用變化是人類活動(dòng)改變自然環(huán)境的最直觀結(jié)果。過(guò)去幾十年,土地利用變化影響了全球近1/3的土地面積[1],量化土地利用動(dòng)態(tài)變化成為應(yīng)對(duì)眾多全球性問(wèn)題的關(guān)鍵[2],土地利用變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)也成為全球變化研究的重要領(lǐng)域之一[3-4]。水是維持和改善人類健康和福祉的重要資源,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,全球水危機(jī)迫在眉睫[5]。水質(zhì)惡化成為影響區(qū)域生態(tài)安全、可持續(xù)發(fā)展和人類福祉的關(guān)鍵環(huán)境問(wèn)題[6-7]。水質(zhì)對(duì)土地利用變化尤為敏感,由于點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染的存在,保持水質(zhì)清潔成為一項(xiàng)艱巨任務(wù),分析土地利用與水質(zhì)的關(guān)系,已成為國(guó)內(nèi)外水環(huán)境系統(tǒng)研究和管理的關(guān)注熱點(diǎn)[8]。土地利用與水質(zhì)指標(biāo)之間存在顯著相關(guān)性[9],土地利用不僅會(huì)影響污染物產(chǎn)生的類型和數(shù)量,也影響污染物由陸域向水體、上游向下游的擴(kuò)散和去除過(guò)程[10-11]。然而,不同流域具有明顯的區(qū)域性特征,自然地理和人文地理?xiàng)l件的差異性導(dǎo)致土地利用與水質(zhì)的關(guān)聯(lián)很難有通用模式[12]。在人地矛盾突出的地區(qū),土地利用變化與水質(zhì)變化的關(guān)系,以及土地利用因素影響的程度,人們還知之甚少。

湖泊流域是受人類活動(dòng)影響最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[13]。近年來(lái),中國(guó)有許多湖泊流域的土地利用發(fā)生劇烈變化,例如:滇池流域生態(tài)用地減少[14],太湖流域建設(shè)用地增加[15],鄱陽(yáng)湖水體面積下降[16]等。隨著流域土地利用變化,湖泊水質(zhì)也出現(xiàn)惡化,這表明二者之間存在關(guān)系。高原湖泊地理環(huán)境特殊,具有一定封閉性,湖水的凈化周期長(zhǎng),流動(dòng)性差,對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境變化敏感,受人類活動(dòng)和氣候變化等多重影響,水質(zhì)極易波動(dòng)[17]。西南云貴高原湖泊流域人口集中,湖區(qū)周邊區(qū)域用水量持續(xù)增加,原有的水資源收支平衡被打破,污染物大量排放,湖泊富營(yíng)養(yǎng)化加劇、水質(zhì)下降的現(xiàn)象越來(lái)越突出[18]。因此,研究高原湖泊流域土地變化與水質(zhì)變化的影響,對(duì)于合理管理流域稀缺水土資源、開展生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理、實(shí)現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

滇池是云貴高原面積最大的湖泊,也是長(zhǎng)江上游生態(tài)安全格局的重要組成部分,對(duì)保障全國(guó)和區(qū)域生態(tài)安全具有重要地位。滇池流域是云南省人地矛盾最突出的區(qū)域,面積占全省7%,卻供養(yǎng)了全省11.2%的人口并創(chuàng)造了25%的國(guó)民生產(chǎn)總值。2015年滇池流域常住人口406.86萬(wàn),人口密度393人/km2,高于同時(shí)期的洞庭湖流域(373人/km2)和鄱陽(yáng)湖流域(389人/km2)。然而,滇池是中國(guó)污染最嚴(yán)重的湖泊之一,也是三湖治理的重難點(diǎn),日益嚴(yán)重的水污染加劇了流域本已緊張的人地關(guān)系[19-20]。本文旨在系統(tǒng)梳理滇池流域土地利用變化對(duì)水質(zhì)影響的相關(guān)文獻(xiàn),總結(jié)研究?jī)?nèi)容與方法,著重解釋滇池流域不同尺度土地利用的變化,并深入分析土地利用變化對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生的影響。以期理解研究區(qū)特殊的人地關(guān)系,為滇池流域今后的生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù),并為今后研究指明方向。

1 滇池流域概況

滇池流域(24°29′N～25°28′N,102°29′E～103°01′E)是典型的高原淡水湖流域,位于云南高原中部,地處長(zhǎng)江、珠江、紅河三大水系的分水嶺地帶,屬長(zhǎng)江流域,流域面積2 920 km2(見圖1)。滇池是中國(guó)第六大淡水湖,分草海和外海,其中草海10.8 km2,外海289.2 km2,湖岸線163.2 km,儲(chǔ)水量15.6億m3,主要入湖河流35條。

圖1 滇池流域概況Fig.1 Overview of the Dianchi Lake Basin

2 文獻(xiàn)來(lái)源及分析

在“中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)”和“Web of Science”兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中,檢索“滇池/Dianchi Lake”“滇池流域/Dianchi Lake Basin(Dianchi Lake Watershed)”“土地利用/Land Use”3個(gè)關(guān)鍵詞,對(duì)截至2021年12月的已發(fā)表文獻(xiàn)進(jìn)行嚴(yán)格審查。然后通過(guò)參考文獻(xiàn)加以補(bǔ)充,使其滿足以下標(biāo)準(zhǔn):① 研究區(qū)的范圍為滇池流域(2 920 km2);② 研究?jī)?nèi)容以土地利用對(duì)水質(zhì)的影響為主;③ 三者搜索關(guān)鍵詞是“或”而不是“并”的關(guān)系。最終篩選到有效文獻(xiàn)229篇。本研究不涉及實(shí)地?cái)?shù)據(jù)收集或?qū)嶒?yàn)室水質(zhì)分析。

從檢索的結(jié)果看,在土地利用對(duì)水質(zhì)影響的研究?jī)?nèi)容與方法上,已形成一套較為完善的體系和流程,主要集中在二者相關(guān)性、空間尺度和閾值上[21]。整理滇池流域采用的研究?jī)?nèi)容和方法如表1所列?？梢钥闯?土地利用數(shù)據(jù)的影像源大多采用美國(guó)Landsat衛(wèi)星,但由于不同研究的分類體系差異和精度不一致,導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)果相差較大(見圖2),爭(zhēng)議集中在林地和草地、湖泊及濕地的劃分上,耕地和林地的面積差異較大。各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)多來(lái)自國(guó)家地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),并且滇池富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重,氮磷營(yíng)養(yǎng)物是普遍關(guān)注的重點(diǎn)。在研究方法上,主要有2種思路:① 通過(guò)土地利用類型面積百分比、景觀格局指數(shù)、土地利用強(qiáng)度和水質(zhì)指標(biāo)做統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,例如相關(guān)性分析、灰色關(guān)聯(lián)分析、回歸分析等;② 運(yùn)用水文分析模型對(duì)非點(diǎn)源污染進(jìn)行模擬,例如SWAT、HSPF和SWMM等,土地利用在其中僅作為一個(gè)影響因子被考慮[22]。從時(shí)序上看,跟蹤時(shí)間最長(zhǎng)的是1976～2013年,但僅研究了不透水表面對(duì)水質(zhì)的影響。從研究空間尺度看,多尺度的分析思路主要考慮到了流域尺度、子流域尺度以及水文響應(yīng)單元等面狀要素,而較少?gòu)牟蓸狱c(diǎn)、河岸帶、湖濱帶等點(diǎn)線要素構(gòu)建緩沖區(qū)分析。

表1 滇池流域土地利用對(duì)水質(zhì)影響的研究方法和內(nèi)容Tab.1 Method and confent of research on the influence of land use on water quality in Dianchi Lake Basin

圖2 不同研究里滇池流域關(guān)鍵土地利用變化Fig.2 Key land use changes in the Dianchi Lake Basin of different researches

3 流域土地利用變化

3.1 土地利用總體特征化

從流域尺度看,滇池流域土地利用變化明顯。其中最明顯的一個(gè)特征是耕地持續(xù)減少,建設(shè)用地迅速增加。1974～2016年,建設(shè)用地迅速擴(kuò)張,成為流域第二大土地利用類型,占比從3.01%上升到18.50%,而耕地減少9.17%[31]。張珂等[32]也證實(shí),建設(shè)用地周圍的農(nóng)用地在城市擴(kuò)展的每個(gè)階段都有縮減。在其他研究的時(shí)間序列,也都發(fā)現(xiàn)耕地和建設(shè)用地此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì),只是不同階段的變化速度不同,這種趨勢(shì)進(jìn)一步加劇了滇池流域土地供需矛盾[33-35]。林地是滇池流域面積占比最大的土地利用類型,但在不同研究里,其變化幅度卻有很大差異。如王啟名等[36]的研究顯示林地在2000～2014年間增加21.55%;而金杰[31]的研究卻顯示1998～2016年間,林地波動(dòng)不大,僅減少了1.39%。出現(xiàn)這種差異,和先前分析的影像分辨率與分類標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。對(duì)比所有土地利用類型可知,水域的誤差最小,基本常年在300 km2上下波動(dòng)。然而,從變化的結(jié)果看,滇池流域的湖泊和濕地歷經(jīng)了從無(wú)序破壞到大規(guī)?；謴?fù)重建的曲折過(guò)程[37-38]。相關(guān)研究也顯示,滇池面積在1998年后迅速減少,2008年達(dá)到最低值287.18 km2,與1988年295.71 km2相比萎縮2.89%[39]。近年來(lái),滇池采用自然恢復(fù)和人工重建的方法,實(shí)現(xiàn)由“人進(jìn)湖退”到“湖進(jìn)人退”的歷史轉(zhuǎn)變[40]。綜上所述,隨著城市化發(fā)展和治理深入,滇池流域建設(shè)用地將持續(xù)增加,生態(tài)用地從減少到逐步恢復(fù)。

3.2 不同空間尺度土地利用變化特征

高原湖泊流域以湖泊為中心,形成湖濱帶-壩區(qū)-山區(qū)三級(jí)空間格局,土地利用差異明顯。湖濱帶是滇池的天然屏障,是湖泊生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的狹長(zhǎng)過(guò)渡區(qū)。壩區(qū)是地勢(shì)相對(duì)平緩的沖積湖積平原地帶,海拔在2 000 m以內(nèi)。山區(qū)是由中山、低山組成的最外環(huán)山地,海拔在2 000 m以上。

3.2.1湖濱帶

湖濱帶是對(duì)土地利用變化最為敏感的地區(qū)。根據(jù)譚志衛(wèi)等[41]的研究,1957年滇池湖濱帶有30.83 km2濕地,20世紀(jì)六七十年代圍湖造田和筑防浪堤,水域和濕地大幅減少,至1972年水域減少約10 km2、濕地萎縮約27 km2(縮減約90%)。之后,快速城市化對(duì)湖濱帶的影響更為劇烈,城市擴(kuò)張使得滇池周邊僅存的濕地被改作他用,耕地、草地和灌木叢被建設(shè)用地取代,僅2000～2020年,環(huán)滇池2 km范圍內(nèi)建設(shè)用地增長(zhǎng)近一倍[42-43]。土地利用快速變化嚴(yán)重破壞湖濱生態(tài)環(huán)境,不僅使湖泊生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)隔絕,還減少水資源補(bǔ)給,加速湖泊老化過(guò)程[44]。直到2008年“四退三還”工程啟動(dòng),這一現(xiàn)象才得到遏制,滇池水域增加11.51 km2,重建并保護(hù)湖濱濕地約33.3 km2。但值得關(guān)注的是,近幾年滇池湖濱帶一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)開發(fā)現(xiàn)象又有死灰復(fù)燃之勢(shì),嚴(yán)重?cái)D占湖濱帶狹小的生態(tài)空間[45]。

3.2.2壩 區(qū)

壩區(qū)受城市化影響強(qiáng)烈,土地利用最直觀的變化就是耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地,其中滇池北岸和東岸變化最為明顯[46]。昆明城市空間形態(tài)經(jīng)歷由“單中心”圈層式擴(kuò)張轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸嘀行摹苯M團(tuán)式擴(kuò)張的過(guò)程[47]。早期圈層擴(kuò)張時(shí),建設(shè)用地占用耕地的現(xiàn)象主要發(fā)生在滇池北岸的主城四周。轉(zhuǎn)折點(diǎn)在2000年前后,主城區(qū)的建設(shè)用地接近飽和。在此之后,城市建設(shè)逐漸向南部呈貢區(qū)和東北部嵩明縣增加,極大驅(qū)動(dòng)了建設(shè)用地的擴(kuò)張。這導(dǎo)致壩區(qū)耕地大幅減少,位于滇池東岸的官渡區(qū)和呈貢區(qū)尤甚,局部地區(qū)的耕地甚至減少為零。2016年,晉寧撤縣設(shè)區(qū),滇池南岸得到發(fā)展,建設(shè)用地也迅速增加。至此,一城三區(qū)的“多中心”組團(tuán)式城市空間新格局逐漸體現(xiàn),環(huán)滇池開發(fā)現(xiàn)象愈演愈烈[48]。

3.2.3山 區(qū)

山區(qū)的土地利用以草地、灌叢和林地為主,占比超過(guò)70%,擔(dān)負(fù)著涵養(yǎng)水源的重要功能[49]。滇池流域山區(qū)植被以人工林為主,天然林僅零星分布在北部。作為流域占比最大的土地利用類型——林地集中在海拔2 000 m以上,坡度在0°～8°和25°～35°的山地、臺(tái)地和丘陵,在流域尺度空間上呈現(xiàn)出呈森林包圍城市的格局[49]。20世紀(jì)滇池流域山區(qū)的森林遭大量砍伐,加之采礦業(yè)發(fā)展,致使水土流失加劇。隨后,國(guó)家和地方出臺(tái)一系列政策用于保護(hù)和恢復(fù)林地,以北部松華壩水庫(kù)為例:自1981年成立水源保護(hù)區(qū)后,相繼實(shí)施封山育林、退耕還林、天然林保護(hù)和荒山及難造林地改造等措施,林地在9 a間增加59.78%[50],植被覆蓋度2019年達(dá)到68.12%。此外,滇池流域還創(chuàng)新性地針對(duì)面山和“五采區(qū)”進(jìn)行植被修復(fù),林地迅速增加,山區(qū)生態(tài)環(huán)境逐步得到改善。

4 土地利用變化對(duì)水質(zhì)的影響

通過(guò)文獻(xiàn)整理和分析可知,滇池流域土地利用對(duì)水質(zhì)影響的研究多從土地利用類型、強(qiáng)度和格局去探討,而且多關(guān)注建設(shè)用地、耕地、濕地和林地對(duì)水質(zhì)的影響過(guò)程及效應(yīng)(見圖3)。

圖3 滇池流域土地利用變化的水質(zhì)效應(yīng)Fig.3 Water quality effects of land use changes in the Dianchi Lake Basin

4.1 土地利用類型變化對(duì)水質(zhì)的影響

4.1.1建設(shè)用地

目前,滇池流域在建設(shè)用地(不透水面)擴(kuò)張對(duì)水質(zhì)造成的影響方面展開了大量研究。城市化導(dǎo)致土地利用變化最為明顯的特征就是不透水面增加,不透水面的增加進(jìn)一步加劇城市污染負(fù)荷,特別是在暴雨初期,垃圾、沉積物、營(yíng)養(yǎng)物和重金屬污染物更容易隨地表徑流過(guò)程進(jìn)入水體[28]。而且不透水面增加會(huì)使得流域生態(tài)系統(tǒng)功能退化和水體自凈能力減弱,最終導(dǎo)致水質(zhì)下降[51]。1976～2013年,滇池流域不透水面從2.73%增加到26.71%,水質(zhì)類別也由Ⅲ類降為劣Ⅴ類,不透水面的擴(kuò)張與湖泊水質(zhì)參數(shù)呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)關(guān)系,表明滇池流域高速城鎮(zhèn)化是導(dǎo)致滇池富營(yíng)養(yǎng)化和藍(lán)藻水華頻繁暴發(fā)的原因之一[29-30]。城市內(nèi)部建設(shè)用地的多功能屬性導(dǎo)致徑流的污染程度也有所不同,降雨特征、交通流量和城市綠地面積都會(huì)成為影響城市地表徑流水質(zhì)的主要因素[52]。一方面,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張會(huì)加重滇池流域的非點(diǎn)源污染排放;另一方面,建設(shè)用地內(nèi)部的污水處理系統(tǒng)對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的控制也具有積極作用,城市內(nèi)部高效、健全的污水處理設(shè)施和截污系統(tǒng)可以削減進(jìn)入滇池的污染物。

4.1.2耕 地

農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染是水質(zhì)變化驅(qū)動(dòng)因子之一。雖然滇池流域耕地減少,但并不代表農(nóng)業(yè)面源污染減輕。隨著人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng),農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化使得滇池流域耕地的種植結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,逐漸以糧食作物為主的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)向以蔬菜、花卉等作物為主的多樣化結(jié)構(gòu)發(fā)展。以滇池東南岸為例,這里早期以水稻種植為主,在1999年后迅速轉(zhuǎn)為大棚[26,53]。耕地向高強(qiáng)度農(nóng)業(yè)活動(dòng)轉(zhuǎn)變,在增加經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),加劇了面源污染的風(fēng)險(xiǎn)。造成農(nóng)業(yè)面源污染的組成物質(zhì)是農(nóng)藥和化肥,耕地中未經(jīng)作物吸收的肥料和地表殘留的農(nóng)藥經(jīng)由土壤侵蝕,會(huì)隨徑流進(jìn)入水體,對(duì)TP、TN增加起到較大影響[54]。特別是滇池流域平均施肥量更是高于全國(guó)化肥使用的環(huán)境安全閾值[55],2021年蔬菜和花卉的種植面積已接近流域耕地面積的一半。發(fā)展綠色生態(tài)農(nóng)業(yè),對(duì)流域農(nóng)業(yè)面源污染物從源到匯進(jìn)行截留、去除是提升水質(zhì)的關(guān)鍵。

4.1.3濕 地

濕地是滇池流域生態(tài)環(huán)境的核心組成,在維系流域生態(tài)平衡方面發(fā)揮著不可替代的功能。特別是湖濱濕地是發(fā)揮湖泊生態(tài)功能的關(guān)鍵區(qū)域,提升其水質(zhì)凈化服務(wù)是解決湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的關(guān)鍵[56]。濕地減少、破碎化和不合理的開發(fā)利用,都是導(dǎo)致滇池水質(zhì)逐漸惡化的原因[57]。近年來(lái),濕地修復(fù)成為滇池流域應(yīng)對(duì)水質(zhì)變化挑戰(zhàn)的“基于自然的解決方案”,湖濱濕地作為滇池水污染防治的最后一道防線,具有重要的生態(tài)屏障作用[58]。根據(jù)現(xiàn)有研究,濕地的水質(zhì)凈化能力往往取決于濕地面積的大小,湖濱濕地能有效截留凈化陸域面源污染物,減少污染物向湖泊的輸出,改善湖泊水質(zhì)[59]。研究表明:滇池TP濃度的減少與湖濱濕地帶內(nèi)植物的攔截作用密切相關(guān)[60]。人工濕地技術(shù)在滇池治理中起到十分重要的作用,據(jù)統(tǒng)計(jì):滇池湖濱濕地對(duì)COD、TP、TN的去除量分別達(dá)到355,13 t/a和71 t/a[61-62]。由此可見,環(huán)滇池湖濱濕地生態(tài)系統(tǒng)在減少非點(diǎn)源、減輕氮磷污染、減緩水土流失、調(diào)節(jié)水質(zhì)等自然凈化過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。并且,通過(guò)情景分析發(fā)現(xiàn)[43],恢復(fù)濕地在水文調(diào)節(jié)、生物多樣性、美學(xué)景觀方面的表現(xiàn)更為突出,對(duì)提升滇池緩沖帶生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的作用最明顯。

4.1.4林 地

滇池流域山區(qū)的林地在凈化水質(zhì)、控制面源污染、改善流域生態(tài)環(huán)境等方面也有巨大作用。林地的植被對(duì)河流中的泥沙懸移含量、水溫、溶解氧及水化學(xué)性質(zhì)都有很大影響,水在流經(jīng)森林過(guò)程中,林冠下的枯落物層好似過(guò)濾器,對(duì)水中的各種污染物質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾、吸收和凈化,從而改善水質(zhì),防止非點(diǎn)源污染[63]。林地面積增加和質(zhì)量提升是水土流失面積和強(qiáng)度下降的主要原因,因?yàn)樗鼫p少了土壤侵蝕和徑流速度[64]。目前,滇池流域研究中沒(méi)有直接說(shuō)明林地的水質(zhì)凈化功能,但從水土流失相關(guān)的研究來(lái)看,若按每公頃林地減少60 t計(jì)算,可保土724.54萬(wàn)t[65]。可見森林生態(tài)修復(fù)對(duì)滇池流域水質(zhì)改善起到了不可替代的重要作用。但仍需看到,滇池流域修復(fù)的植被中大部分為幼齡階段的人工林,群落結(jié)構(gòu)較為單一,容易受到外界干擾和破壞,水土保持與涵養(yǎng)能力依然十分脆弱。

4.2 土地利用強(qiáng)度變化對(duì)水質(zhì)的影響

滇池流域建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)黾恿说岢胤屈c(diǎn)源污染負(fù)荷[66]。就流域尺度而言,建設(shè)用地是影響入湖河流水質(zhì)的關(guān)鍵類型,其面積和CODMn、TP、TN、NH3-N呈顯著正相關(guān),而耕地、林地和草地與上述水質(zhì)污染指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)[67]。但事實(shí)上,即使子流域具有相似的土地利用類型和比例,土地利用強(qiáng)度也會(huì)導(dǎo)致流域內(nèi)水質(zhì)參數(shù)出現(xiàn)顯著差異[68]。有研究證實(shí),滇池東南岸與其他流域的研究結(jié)果不同,該區(qū)的建設(shè)用地與各水質(zhì)指標(biāo)呈負(fù)相關(guān),耕地是東南岸入湖河流水質(zhì)污染的主要來(lái)源,掩蓋了建設(shè)用地對(duì)河流的污染貢獻(xiàn),這是因?yàn)榈岢貣|南岸耕地比例過(guò)高,頻繁輪作致使農(nóng)肥施用量大[23,27]。此外,有研究分析了滇池水質(zhì)時(shí)空特征及與流域人類活動(dòng)的關(guān)系,滇池草海NH3-N、TP、TN濃度比外海高出5～50倍,證實(shí)土地類型比例、人口密度、單位土地GDP是導(dǎo)致草海與外海水質(zhì)相差懸殊的主要原因[26]。在運(yùn)用土地利用預(yù)測(cè)模型對(duì)滇池流域面源污染模擬時(shí),隨著年份增長(zhǎng),滇池水質(zhì)污染狀況指標(biāo)呈現(xiàn)持續(xù)惡化的趨勢(shì)[24]。但從近年來(lái)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果看,滇池水質(zhì)一直在企穩(wěn)向好,與預(yù)測(cè)結(jié)果相悖,這是因?yàn)橥恋乩妙A(yù)測(cè)模型只考慮面積,而忽略了土地利用強(qiáng)度和空間格局[69]。

4.3 土地利用格局變化對(duì)水質(zhì)的影響

采用景觀格局指數(shù)表征土地利用空間格局,可以探討包括類型、數(shù)量及空間排列組合等土地利用空間格局與水體養(yǎng)分之間的關(guān)系。在滇池流域建設(shè)用地格局研究中發(fā)現(xiàn),建設(shè)用地面積增加,團(tuán)聚程度和整合性升高,斑塊間距離變小,斑塊形狀趨于復(fù)雜和不規(guī)則,通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析表明,水質(zhì)同這種景觀空間格局變化關(guān)系密切,特別是聚合度和面積加權(quán)的平均斑塊分維數(shù)[25]。滇池流域水質(zhì)最差的子流域是以建設(shè)用地為主的流域,但這類用地的斑塊數(shù)量越多、形狀越不規(guī)則,卻越有利于延緩水質(zhì)的惡化。另外,當(dāng)耕地斑塊越大越集中時(shí),受到的面源污染威脅也越高,但流經(jīng)耕地的徑流中的污染物濃度會(huì)因大斑塊的吸附過(guò)濾作用而降低;林地斑塊密度越大,對(duì)污染物的截留作用就越大[70]。此外,“源匯”是指不同景觀類型在空間上的動(dòng)態(tài)平衡對(duì)生態(tài)過(guò)程的影響,水體富營(yíng)養(yǎng)化歸根結(jié)底是“源匯”景觀在空間分布不合理,養(yǎng)分在時(shí)空過(guò)程上“盈虧”不平衡造成的[71]。有關(guān)研究在滇池上游的松華壩,通過(guò)洛倫茲曲線對(duì)源匯景觀識(shí)別得出:“源”景觀多分布于中低海拔緩坡區(qū),“匯”景觀多分布于中高海拔、陡峭地帶,就水源區(qū)保護(hù)區(qū)的“源匯”景觀格局現(xiàn)狀看,非點(diǎn)源污染物雖產(chǎn)生很少,但并不代表可以把留存的污染物在進(jìn)入水庫(kù)之前完全消除[72]。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié) 論

通過(guò)分析229篇相關(guān)文獻(xiàn)后得出:有關(guān)土地利用變化及其水質(zhì)影響的研究時(shí)序集中在1974～2017年間,但由于所使用的遙感影像分辨率、土地利用類型分類標(biāo)準(zhǔn)差異使得土地利用變化的量化結(jié)果不盡相同,氮磷營(yíng)養(yǎng)物濃度是水質(zhì)指標(biāo)關(guān)注的重點(diǎn),多元分析方法尤其是統(tǒng)計(jì)分析是滇池流域土地利用變化對(duì)水質(zhì)影響研究的主要手段和方法。

滇池流域土地利用變化明顯。從總體變化特征看,1974年至今,建設(shè)用地增加、耕地減少是流域土地利用最直觀的變化。林地雖有所波動(dòng),但一直是流域占比最大的類型。受圍湖造田影響,滇池水域減少10 km2、濕地減少27 km2,而隨著滇池治理力度加大,面積逐漸恢復(fù)。從不同空間尺度看,湖濱帶是對(duì)土地利用變化最為敏感的地區(qū);滇池北岸和東岸的壩區(qū)變化最為明顯,由于建設(shè)用地?cái)U(kuò)張,耕地的空間分布越來(lái)越破碎化,官渡、呈貢部分地區(qū)的耕地減少為零;山區(qū)以林地為主,約占70%,呈現(xiàn)出森林包圍城市的格局。

滇池流域水質(zhì)下降明顯,不同土地利用類型、強(qiáng)度和格局對(duì)水質(zhì)的影響具有非線性特征。在類型上,建設(shè)用地和耕地是影響水質(zhì)的關(guān)鍵,濱湖濕地是改善滇池水質(zhì)重要的類型;在強(qiáng)度上,已有研究發(fā)現(xiàn)滇池流域的土地類型比例、人口密度、單位土地GDP是導(dǎo)致草海與外海水質(zhì)差異的主要原因;在格局上,采用景觀指數(shù)分析,不同地類的聚合度、形狀、面積、斑塊密度和數(shù)量對(duì)水質(zhì)的影響更大,“源-匯”景觀的空間配置在非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生和去除過(guò)程中有著重要作用。

5.2 展 望

流域作為“山水林田湖草”的空間載體,在生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略地位中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[73]。盡管滇池近年來(lái)在水質(zhì)恢復(fù)方面取得了巨大成功,但在全球變化和更多人為因素干預(yù)的背景下,土地利用與其他自然特征、社會(huì)因素之間如何影響水質(zhì),如何治理水體富營(yíng)養(yǎng)化和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)自然修復(fù)方面仍然是個(gè)挑戰(zhàn)[74]。因此,加強(qiáng)基于土地利用格局-水體污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程-生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的研究是今后研究方向。① 滇池流域土地利用的已有研究多采用Landsat衛(wèi)星作為影像源,分辨率只能滿足中觀到宏觀尺度的研究,不能滿足微觀尺度河流、溝渠、道路等線狀要素和一些小型靜水濕地和綠地的分類研究,因此,未來(lái)需要采用更高分辨率的影像數(shù)據(jù)來(lái)加強(qiáng)相關(guān)研究[75]。② 由于不同土地利用類型的污染物種類和負(fù)荷不同,因此需要根據(jù)特定污染物的來(lái)源遷移轉(zhuǎn)化特征來(lái)對(duì)土地利用類型進(jìn)行合理的分類,但如何整合現(xiàn)有的土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)是未來(lái)研究需要關(guān)注的。③ 滇池流域建設(shè)用地(不透水面)擴(kuò)張對(duì)水質(zhì)的影響已有許多研究但僅考慮土地利用類型的差異,而忽略土地利用強(qiáng)度和空間格局差異,將影響非點(diǎn)源污染的整體解釋,今后還需要加強(qiáng)土地利用空間格局和強(qiáng)度差異的分析[76]。④ 已有研究主要以滇池內(nèi)部的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為主,缺乏流域內(nèi)其他水體(河流、濕地等)的水文水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),因此,未來(lái)如何獲取配套且連續(xù)的流域水文和水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)校準(zhǔn)模型,對(duì)提升土地利用與水質(zhì)相關(guān)性模型的準(zhǔn)確性非常重要[77]。⑤ 受不同尺度的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的共同影響,土地利用的水質(zhì)影響機(jī)理和過(guò)程具有非線性特征,所以有必要從多尺度的角度采用多種模型認(rèn)識(shí)土地利用的空間分異特征和規(guī)律,以確定土地利用變化對(duì)水質(zhì)影響的尺度效應(yīng)和閾值,如采樣點(diǎn)、河流、湖泊岸線緩沖帶,選用多尺度、基于過(guò)程的綜合模型,如AnnAGNPS、APEX或REMM等來(lái)揭示土地利用格局-水體污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程-生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的關(guān)系。⑥ 高原湖泊流域人類活動(dòng)強(qiáng),面對(duì)日益復(fù)雜的水質(zhì)問(wèn)題,還應(yīng)從自然-社會(huì)水系統(tǒng)耦合的角度關(guān)注土地利用與水質(zhì)二者的關(guān)系[78],通過(guò)研究格局-過(guò)程-功能-服務(wù)-福祉的級(jí)聯(lián)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)高原湖泊流域的可持續(xù)發(fā)展。