星云湖流域地表覆被变化与湖泊环境状况关联分析

易达，甘淑，余章蓉

(昆明理工大学 津桥学院，云南 昆明 650000)

土地利用/覆盖变化是全球变化研究的重点问题之一[1]。近年来，我国学者就不同区域土地利用、土地覆盖变化相继开展研究[2-3]，但国内外关于土地利用/土地覆盖的研究多表现为大区域的研究和城市化区域范围内的研究，过程上多通过2～3个典型年份的土地利用变化来进行分析，并探索土地利用变化的驱动力机制。关于云南高原土地利用变化的研究多集中于澜沧江、金沙江等流域，而涉及星云湖流域这样的高原湖泊流域尺度的土地利用变化及驱动力机制研究还很少见。

在人类活动导致的区域生态环境问题中，土地利用/覆盖变化过程对区域生态安全起着决定性的作用。由人类土地利用活动造成的土地覆盖改变必然会影响区域生态系统的结构和功能，对区域气候、水文、生物地球化学循环及生物多样性等产生重大影响，从而导致区域生态安全的变化[4-5]。本文从综合影响出发,选择了最能表述人类活动对区域生态环境影响的土地利用与土地覆盖变化(LUCC)因子，以此作为湖泊流域环境变化研究的切入点和立足点，研究星云湖LUCC的时空变化及其与导致这种变化的驱动力之间的关系，旨在揭示人地系统相互作用的内在机制，并以此预测星云湖未来生态环境的发展趋势，从而采取相应的对策[6]。

1 材料与方法

1.1 数据获取及遥感预处理

星云湖是云南滇中的典型高原湖泊之一。湖泊位于云南省玉溪市江川县境内，当水位达到1 722.5 m高程时，湖面面积3.433×107m2。

所用的3景研究区影像数据分别为成像于1996、2005、2014年的Landsat TM数据，空间分辨率为30 m。为了便于技术处理，首先对遥感影像进行几何精校正，并结合研究区地表覆被图像特性进行预处理，使得提取地表覆被类型的信息更加明显[7]。

1.2 地表覆被类型分类体系

开展地表覆被分类研究，首先要明确利用遥感技术进行监测的地表覆被类型的分类体系。通过比较多种地表覆被分类体系后，选用安德森分类体系中的第一层次[8]，将研究区地表覆盖类型分为6类：建设用地，包括住宅、商业、工业、农业、交通运输公共业、混合城市建设用地；农用地，包括农田、果园、葡萄园、苗圃；草地，包括草本、灌木和混合牧场；林地，包括落叶林、常绿林和混交林；水域，包括水库、沿岸水源；未利用地，包括岩石裸地、采石场、建筑工地、土路。

1.3 地表覆被分类遥感监测处理

传统的分类方法中通常以像元作为分类对象进行遥感信息提取，这种方法建立在地物间光谱差异较为明显的基础上，对于只含有较少波段的高分辨率遥感影像，传统的分类方式会导致分类精度降低，不利于空间分析。图斑包含的信息比单个像元更加丰富，包括光谱信息和形状、大小、纹理、位置等特征信息[9]。面向对象的分类技术采用图斑作为分类对象进行信息提取，可综合利用遥感影像的光谱、形状、纹理等信息，因此，其分类效果更为客观与精确可靠。

本文采用基于样本的分类方法。具体地：运用ENVI 5.0EX模块作为数据处理平台，分割阈值设为30，合并分块阈值设为70[10]，依照1.2节的地表覆盖分类依据，选取具有典型性和代表性的训练样区，最终得到3个评估年6种地表覆被类型的图像分布(图1)。

图1 1996年、2005年、2014年地表覆被分类结果

1.4 地表覆被分类遥感监测精度评估

针对遥感监测结果，构建精度评价混淆矩阵。通过使用面向对象的分类方法，对星云湖流域进行地表覆被分类。3个评估年的分类精度如下：1996年图像分类总体精度为95.24%，卡帕系数为0.93；2005年图像分类总体精度为96.34%，卡帕系数为0.95；2014年图像分类总体精度为98.00%，卡帕系数为0.97。

2 结果与分析

2.1 星云湖水质环境状况

根据星云湖“十一五”“十二五”规划中关于星云湖的水质调查数据，得到星云湖1996—2014年的营养指数及变化趋势(图2)。

图2 星云湖1996—2014年水体营养指数动态变化

20世纪90年代末期，星云湖水体营养指数超过50，进入富营养化状态，之后水体营养指数急剧上升，由2000年的轻度-富营养发展到2003年的中度-富营养。2010年星云湖水体营养指数为66.37，属于中度-富营养状态。星云湖1996—2000年水质综合评价为Ⅲ类，2001年为Ⅳ类，2002年水质降为Ⅴ类，2005年水质有所好转，接近Ⅳ类，2014年恶化至劣V类。

由于水质恶化和不合理的养殖，湖泊生物多样性受到严重破坏，大型水生生物急剧减少，种群结构向不良方向发展，沉水植物和挺水植物近年来大量消亡，藻类数量急剧增加，鱼类品种单一，水体的生物调控能力下降，生态系统失衡，富营养化问题突出[11]。同时，天然湖滨带湿地被大规模围垦，破坏了湖泊的良性生态结构，对湖泊水功能产生了严重的影响。

2.2 流域地表覆被遥感探测结果分析

研究区地表覆被分类遥感监测结果的结构比例统计数据如表1所示。可以看出，以农用地和建设用地变化最为剧烈。1996—2014年，建设用地占比从1996年的2.69%增长至2014年的6.30%；农用地由1996年的14.77%增长至26.23%。整体来看，这两种用地类型面积的增长主要由草地、未利用地转换而来。

表1 不同时期土地利用和地表覆盖分类 面积占比变化

2.3 湖泊水环境与流域地表覆被变化的关系

地表覆被变化对水资源环境及流域生物完整性有直接影响。在水循环过程中，无论是生活污水、工业废水，还是农田灌溉废水，都含有大量的环境污染物[12]。这些携带大量污染物的水，无论是参与水的自然循环还是参与水的社会循环，都会对水循环作用产生不良影响[13]。结合星云湖流域实际状况分析，在影响湖泊环境状况的各类型地表覆被中，影响效应最大的当属流域内的城市化进程以及农业发展，具体对应于流域内的建设用地及农用地的动态变化[14]。

星云湖所在江川县第一产业较为发达，以蔬菜种植为主，且用于蔬菜种植的农用地大都分布在星云湖周边，农用地的面源污染直接与湖水相接触。伴随农用地的增加，农业面源污染形势更为严峻。建设用地的增长主要体现在江川县城区域，随着经济发展，县城的城市生活污染情况也逐渐恶化，城市垃圾、生活用水污水也对星云湖周边的生态环境造成了一定程度的影响。

将上述遥感监测结果与湖泊水质环境状况调查结果相对照，研究区的建设用地占比从1996年的2.69%增长至2005年的4.04%，而后增长至2014年的6.30%，农用地占比由1996年的14.77%增长至2005年的15.88%，而后再增长为26.23%；相应地，水质从1996年的Ⅲ类水质恶化至2005年的V类，再恶化至2014年的劣V类。

基于调查分析，出现此关联的原因主要在于：(1)在流域范围内，江川县及以江城镇为主的滨湖城镇，具有特殊的区位性。星云湖流域内12条河流及农业灌溉沟渠纵横交织，与上游的水库和下游的星云湖构成了星云湖流域的水网体系。由地表覆被监测结果可以看到，星云湖流域内的城市、农村建设用地逐年增长，且由于江川县、江城镇的生活污水经处理后直接排入星云湖，但污水处理率不高，导致水质恶化。(2)在水循环的过程中，农田灌溉废水含有大量的环境污染物。农用地增长及农业施肥、施药、畜禽养殖等产生的过量氮、磷流失进入湖体，造成了水体的富营养化[15-16]。(3)星云湖流域范围内拥有丰富的铁、镍、磷、铜等矿产资源，尤以被国际上称为“战略资源”的磷矿因储量大、品位高、含砷低、水文和工程地质条件好、宜露天开采而著称。磷化工产业的兴旺在一定程度上也对湖泊的环境保护提出了挑战。

3 小结

本文研究表明，研究区的建设用地占比从1996年的2.69%增长至2005年的4.04%，而后增长至2014年的6.30%，农用地占比由1996年的14.77%增长至2005年的15.88%，而后再增长为26.23%；相应地，水质从1996年的Ⅲ类水质恶化至2005年的V类，再恶化至2014年的劣V类。流域地表覆被变化与湖泊环境质量呈现出明显的关联性。