星云湖流域土地利用变化与水质响应分析

张晓伦，邵妍妍，陈 占，张福存，万保峰，陈国平，聂俊堂

(1.昆明冶金高等专科学校测绘学院，云南 昆明 650033；2.昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093；3.云南省国防科技工业局综合研究所，云南 昆明 650118；4.西宁市测绘院，青海 西宁 810001)

0 引 言

湖泊是经济社会发展的重要资源[1]。星云湖是滇中地区五大高原湖泊之一，具有工农业用水、旅游、防洪、水产养殖等功能。由于湖泊流域内工农业发展、城镇建设发展、人口快速增加，大量工农业与生活污水流入湖泊，加上湖泊换水周期长[2]，星云湖水体污染严重，湖泊生态环境遭受巨大破坏，2002年星云湖水质下降为Ⅴ类，一直处于中度-重度富营养状态。

国内外关于星云湖水质的研究众多，Fukushima等[3]利用气象条件与水质的过去关系预测湖泊水质变化对气候变化的影响;Zhang等[4]通过研究湖泊沉积物重建20世纪星云湖流域气候变化与人类活动;郑田甜等[2]从人类活动角度分析了人文因素对星云湖水质的驱动作用;郭志海等[5]基于landsat数据，通过光谱分析探究星云湖水质状况与植被指数的关联关系。综合国内外关于星云湖水质变化的研究，多集中于气候变化、降雨、湖泊沉积物、浮游植物等自然因素方面，也有从人文因素方面探究人类活动对水质的影响。

湖泊汇聚的水主要来源于地表径流与高海拔地表水下渗。地表水在下渗或径流到湖泊的过程中会携带大量污染物质[6]。水体所在流域的土地利用与土地覆被变化对水体的水质会产生重要影响。在土地利用与土地覆被变化对水质影响的研究中，姜畅等[7]基于GIS技术探究红枫湖流域土地利用变化对水质的响应；孙金华等[8]通过子流域归类分析了土地利用空间格局差异对水质的影响；杨娅楠等[6]分析了抚仙湖流域土地利用格局与水质变化关系，说明土地利用比例结构与空间分布格局对水质有重要影响。但是由于土地利用类型复杂多变，而且区域的差异性很大，并非所有地区水质与土地利用类型之间的对应关系都一样。因此开展星云湖流域土地利用变化对水质变异的影响具有可行性与区域特色性。本研究通过量化流域内土地利用类型的面积，再与水质进行关联性分析，揭示星云湖流域土地利用变化对水质变化的影响，为拓展认识星云湖水质变化的驱动因素与流域管理开发提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

星云湖位于云南省玉溪市江川区境内，紧邻江川城区。星云湖流域属于中亚热带半湿润高原季风气候，气候温和，四季不分明，年平均气温16.5℃；干湿季节分明，雨季主要集中于5—10月，年平均降雨量863.1 mm。

1.2 数据获取与预处理

本研究采用的6幅研究区遥感影像数据分别成像于1990、1995、2000、2005、2010、2016年，空间分辨率为2 m。笔者为便于后期数据处理与分析，对遥感影像数据进行几何精校正与裁剪等预处理。

星云湖的水质信息通过参考文献[5,9-11]获得1990、1995、2000、2005、2010、2016年6个年份湖泊水质状况数据，选取化学需氧量(COD)、总磷(TP)、总氮(TN)3个指标进行分析。磷(P)与氮(N)是导致水体富营养化的主要因素，COD可以反映水体被有机物污染的程度。

1.3 土地利用类型划分

根据《第三次全国土地调查土地分类》(下文简称“三调”)规范，并结合研究区实际情况、研究目的，确定星云湖流域土地利用类型包括：A.耕地(水田、水浇地、旱地与大棚)；B.林地(乔木林地、竹林地、灌木林地、苗圃与果园)；C.建设用地(住宅用地、商服用地、工矿仓储用地、公共管理与公共服务用地、水工建筑用地)；D.水体(河流、湖泊、水库、坑塘、沟渠)；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边土地利用变化对湖泊水质的影响，交通运输用地对道路两旁自然与生态环境影响较大，因此在本研究中将交通运输用地作为第G类土地利用类型进行研究。

1.4 土地利用与变化信息处理

利用ArcGIS 10.1软件，依据“三调”中不同土地利用类型解译标志对6期遥感影像进行目视解译，制作土地利用现状图。

土地利用变化状况是从面积上考核土地利用类型的变化程度，着重描述不同土地利用类型在不同时间节点量上的差异。本研究对土地利用类型的面积进行动态监测，利用转移矩阵分析处理制作1990—2016年的土地利用转移矩阵，对星云湖流域26年间土地利用类型间的转换程度与方向进行分析。

1.5 土地利用变化与水质相关性分析

本研究将1990、1995、2000、2005、2010、2016年6个年份土地利用类型面积(耕地、林地、草地)与对应年份的水体污染指标(COD、TP、TN)进行关联，利用SPSS 19.0进行Pearson相关性分析，探究26年间土地利用变化与水质的响应关系。

2 结果与讨论

2.1 土地利用类型分布与分析

利用ArcGIS 10.1制作1990、1995、2000、2005、2010和2016年6个年份的土地利用类型分布图(图1)。利用软件中的空间数据分析功能，对不同时期土地利用类型的面积进行量化统计(表1)。

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

1990—2016年，26年间星云湖流域土地利用类型总体特征：1)流域内土地利用类型以耕地、林地、草地、水体、建设用地5种为主，各种土地类型均有明显变化。2)建设用地与交通运输用地呈逐步上升趋势，面积增加显著，建设用地面积由15.12 km2增加到31.61 km2，交通运输用地面积由0.62 km2增加到4.31 km2；这与区域经济发展和城镇化建设的推进相符合。3)草地与裸地面积在逐步减少，草地面积减少一半以上，由79.72 km2减少到33.21 km2，大量草地转化为耕地和建设用地；裸地面积由3.19 km2减少到0.36 km2。4)水体面积在小范围内波动，变化幅度较小；林地面积在2010年前呈增长趋势，2010—2016年大幅减少，林地覆盖范围变得破碎化；耕地面积在2005年以前逐步减少，2005—2010年大幅增加。

2.2 土地利用变化分析

利用ArcGIS 10.1软件对1990—2016年的土地利用类型图进行动态监测，通过转移矩阵分析处理，得到1990—2016年26年间土地利用转移矩阵(表2)。

由研究区土地利用转移矩阵可知，土地利用类型结构转移明显：1)1990—2016年，耕地在逐步增加，累计增加面积达28.09 km2，主要流入来源是草地与林地，二者面积在过去26年间明显减少；耕地的主要流出方向是建设用地与交通运输用地，说明流域内建设发展对耕地的占用较为明显。2)2016年林地面积相比较于1990年没有明显变化(增加0.04 km2)，但林地与草地、耕地、建设用地之间的转换明显。3)草地面积减少显著，累计减少面积达46.51 km2，主要流出方向为耕地与林地，其次为建设用地与交通运输用地，说明在建设发展过程中对草地的占用明显。4)建设用地增加16.49 km2，近30年间面积增加一倍以上，建设用地增加主要占用耕地与草地。5)交通运输用地增加3.69 km2，面积增加了6倍，主要占用耕地、草地与林地。6)水体面积没有明显变化，裸地面积有所减少。

表2 1990—2016年研究区土地利用转移矩阵Tab.2 The transfer matrix of land use in research area from 1990 to 2016 km2

流域内耕地、林地、草地与建设用地4种土地利用类型转换明显，建设用地与交通运输用地在逐步增加，增量主要来自耕地与草地；耕地范围也在增加，增量主要来源于草地；草地主要通过林地补偿，但草地转化林地的面积远大于林地转换到草地的面积，引起草地补偿缺乏，面积持续下降。

2.3 水质变化分析

星云湖在1995年前为Ⅲ类水质，随着区域经济建设发展，2000年水质类别下降为Ⅳ类，自2002年开始下降为Ⅴ类，处于中度-重度富营养状态。2000年前各项水体污染指标变化不明显，2000年开始水体污染指标在逐步增加，水体恶化显现；2005—2010年间各项水体污染指标变化明显，水体恶化显著；2010年后恶化速度降低。星云湖紧邻江川城区，水产养殖业发达，周边地势平缓；生活污水的排放、不合理的水产养殖与农业面源污染可能是导致水质恶化的主要原因。

表3 1990—2016年水体污染指标 Tab.3 Indices of water pollution from 1990 to 2016 mg/L

2.4 土地利用类型与水质响应分析

土地利用类型与水体污染指标间的相关系数可描述土地利用类型与水质变化的相互影响关系，相关系数>0表示正相关，土地利用类型变化会加剧水质恶化；相关系数<0表示负相关，土地利用类型变化会抑制水质恶化；相关系数=0表示不相关，土地利用类型变化对水质响应不明显。

土地利用类型变化与水体污染指标相关性分析见表4。

表4 土地利用变化与水体污染指标相关性分析表Tab.4 Correlation coefficient between LUCC and water pollution indices

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关，*表示在0.05水平(双侧)上显著相关

结果表明：

1)耕地与水体污染指标的正相关性显著，与COD、TP、TN相关系数分别达到0.976、0.866、0.669，耕地与COD极显著正相关，与TP也有较强正相关性。说明耕地所代表的农业面源污染对星云湖水体污染影响强烈。

2)建设用地与交通运输用地两种土地利用类型与水体污染指标有一致的较强正相关性，尤其是建设用地与TP表现出强烈显著性正相关，表明建设用地与交通运输用地所代表的不透水面面积增大，地表结构失去对污染物的截留、吸收作用，大量污染物短时间随径流流入湖泊，同时说明工业和生活污染源对湖水中氮、磷元素的引入有重要贡献作用。

3)草地与裸地均表现出与水体污染指标有极强显著性负相关，草地与3种指标相关系数分别达到-0.935、-0.942、-0.850，裸地与3种指标相关系数分别达到-0.865、-0.830、-0.933，草地与裸地均属于透水性下垫面，对地表水下渗与径流的截留作用较强。

4)林地与COD相关性不明显，与TP和TN具有一般正相关性，这是由于林地属于透水性下垫面对氮磷元素具有滞留、吸收作用，可降低面源污染对水体的影响，但是林地的枯枝落叶含有丰富的有机质、氮、磷，随着枯枝落叶腐烂，又可能引起水体污染。水体通过径流方式与湖泊水质相关联，携带营养物质进入湖泊，与COD和TP有一般正相关性。

3 结 论

1)本研究利用RS与GIS技术并结合统计学相关性分析，探讨了星云湖流域近30年间土地利用变化对水质的影响，分析了水体污染指标与各土地利用类型的相关关系，表明土地利用变化可以作为研究星云湖水质变化的一个重要指标。

2)星云湖流域内主要土地利用类型是耕地、林地、草地、水体、建设用地5种，随着经济社会发展，各种土地类型均有明显变化。建设用地与交通运输用地面积增加显著，主要占用耕地与草地，与区域经济发展和城镇化建设的推进相符合。草地与裸地面积在逐步减少，大量草地转化为耕地和建设用地，说明在经济社会发展对草地占用明显。水体面积在小范围内波动，林地覆盖范围变得破碎；耕地面积在2005年前逐步减少，2005—2010年间大幅增加，主要流入来源是草地与林地，主要流向为建设用地与交通运输用地。

3)星云湖在1995年前各项水体污染指标变化不明显，为Ⅲ类水质。随着区域经济建设发展，2000年开始水体污染指标在逐步增加，水质类别下降为Ⅳ类，2005年后水体污染指标增加明显，水体恶化显著，水质下降为Ⅴ类，处于中度-重度富营养状态。

4)通过分析星云湖流域土地利用类型与湖泊水体污染指标相关性，耕地、建设用地与交通运输用地与水体污染均有显著的正相关性，说明星云湖的水质较差可能是农业面源污染、生活污染源与工业污染源的共同作用结果；草地与裸地与水体污染有显著的负相关性，说明透水性下垫面对污染物具有明显的截留、吸收作用。