滇池流域土地利用变化对地下水水质的影响

陈清飞,陈安强,叶远行,闵金恒,张 丹*

滇池流域土地利用变化对地下水水质的影响

陈清飞1,陈安强2,叶远行1,闵金恒1,张 丹1*

(1.云南农业大学资源与环境学院,云南 昆明 650201；2.云南省农业科学院农业环境资源研究所,云南 昆明 650201)

土地利用变化影响着浅层地下水水质,以滇池流域为研究对象,综合运用遥感影像解译、马尔科夫转移矩阵和冗余分析,对近20年(2002～2020)滇池流域土地利用和浅层地下水质变化进行分析,揭示长时间尺度下土地利用变化对浅层地下水水质的影响.结果表明:2002和2020年滇池流域土地利用类型以草地、林地和耕地为主,分别占总面积20.91%和17.43%、43.21%和37.99%、22.11%和17.08%,2002～2020年间耕地向建筑用地和林地、林地向草地和耕地、草地向林地和建筑用地转移概率分别为22.59%和20.72%、13.16%和10.49%、26.30%和15.65%,耕地面积减少146km2,建筑用地面积增加279km2.2002～2020年滇池流域浅层地下水化学类型由HCO3-·SO42--Mg2+型转变为HCO3-·SO42--Ca2+型,浅层地下水水质从I、II类下降至IV、V类,整体水质恶化.草地和林地与TN、NO3--N呈负相关,表现为“汇”效应;建筑用地与TN、NO3--N呈显著正相关(< 0.05),表现为“源”效应.可见,滇池流域土地利用空间格局变化显著影响着流域浅层地下水水质,建筑用地和耕地是导致滇池流域浅层地下水水质恶化的主要影响因素,合理规划、利用滇池流域土地资源对改善地下水水质具有重要意义.

滇池流域；土地利用变化；浅层地下水；水质

滇池是云南省最大、中国第六大内陆淡水湖,近几十年来,随着滇池流域城镇建设、工矿企业和农业的迅速发展,导致城镇、工矿企业面积扩张,农业种植结构调整,农业集约化程度和复种指数越来越高[1],不仅对浅层地下水资源需求越来越大,而且城镇污水排放、化肥农药的大量施用也使得流域内地下水水质污染问题不断加重[2-3].研究表明,土地利用变化是影响地下水水质的重要因素之一[4-6].因此,为了解该流域地下水水质的动态变化,摸清造成地下水水质变化的主要驱动因素,亟待研究滇池流域土地利用变化对地下水水质变化的影响,以确保该流域地下水资源的可持续利用,保护滇池水质安全,支撑当地社会经济的可持续发展.

土地利用变化是揭示流域水环境质量变化的关键[7-8],国内外学者围绕土地利用变化对地下水和地表水质量的影响进行了较多研究.土地利用类型与浅层地下水水质指标之间存在显著相关性[9],建筑用地面积增加,显著增加了地下水中NH4+-N浓度[10].土地利用变化也改变了河流和湖泊水质状况,河口区TN浓度变化的64%和pH值变化的32%是由土地利用类型变化引起的[11].旱地和城镇用地是造成淮河流域水体污染的主要原因,而草地、林地和水域能减缓污染物对流域水体的影响[12].湖水中TN和CODMn与农田和滩地呈负相关;TP和TN与草地、居民用地和农田呈正相关[13].因此,量化流域内土地利用类型面积与水质的关系是研究土地利用变化对流域水质影响的重要手段[14].

土地利用变化显著影响着地下水水质[15-17].一方面土地利用类型变化改变了地表水循环过程,导致地表径流出现盈/亏,从而间接地对浅层地下水的水文过程造成影响[18];另一方面,土地利用格局变化会引起地类内部及不同地类间物质循环和能量分配发生变化,影响氮磷等面源污染物的发生、迁移和转化[19-20],进而影响浅层地下水水质.目前,我国关于土地利用变化对浅层地下水质的影响在华北平原[21-22]和东北平原[23-24]均有所研究,并表明土地利用结构变化与地下水水质关系密切,但少有研究关注高原湖泊流域浅层地下水水质与土地利用变化的联系.本文以滇池流域为研究区域,通过遥感影像解译、马尔科夫转移矩阵、冗余分析等方法,研究2002～2020年滇池流域土地利用变化下浅层地下水水质变化特征,分析土地利用类型面积与浅层地下水水质的关系,探讨流域内土地利用变化对浅层地下水水质的影响,以期为滇池流域浅层地下水污染防治和合理的土地利用布局提供新的思路.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省昆明市的滇池流域(24°27′～ 25°27′N,102°29′～103°00′E),属长江上游金沙江水系.滇池湖面面积330km2,平均水深4.4m,最大深度10.9m,库容12.9亿m3,湖体呈弓形,南北长32km,东西宽12.5km.该流域包括盘龙区、五华区、西山区、官渡区、呈贡区、晋宁县和嵩明县等县区,流域面积2 920km2(图1).流域属低纬高原山地季风气候,年均气温15.1℃,年均降雨量1 075mm,全年无霜期240d,具有冬无严寒、夏无酷暑,四季如春,干湿分明,垂直差异大的气候特点[25].

图1 研究区位置示意

1.2 样品采集与分析

2002年浅层地下水数据来源于团队成员参与的国家“十五”重大科技专项,采集的滇池周边区域60个浅层地下水样品.2020年5～10月使用地下水样采集器对滇池流域农田区的农灌井和居民区的饮水井进行浅层地下水取样,共采集102个水样.收集于250mL聚乙烯瓶中,将收集好的水样放在保温箱中带回实验室,并储存于4℃冰箱中,用于总氮(TN)、硝态氮(NO3--N)、铵态氮(NH4+-N)、总磷(TP)、溶解性无机磷(DIP)、溶解性总磷(DTP)和Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-等浓度的测定,所有水样在采集后的一周内测完.采水样时,现场使用手持式多参数水质测量仪YSI(YSI Incorporated, USA)测定水中温度(T)、电导率(EC)、酸碱度(pH)、氧化还原电位(ORP)和溶解氧(DO),用钢卷尺测量浅层地下水深(SWL,地表至浅层地下水面的深度).

浅层地下水中TN浓度采用碱性过硫酸钾-紫外分光光度法测定,NO3--N和NH4+-N浓度采用Bran+Luebbe AA3型连续流动分析仪测定,有机氮(ON)浓度为TN减去NO3--N和NH4+-N;TP、DIP和DTP浓度采用酸性过硫酸钾-钼酸铵分光光度法测定,为了去除水样中的杂质,测定前可先用滤纸对其进行过滤,其中DIP和DTP测定前需过0.45 μm滤膜;Na+和K+使用火焰原子吸收分光光度法测定,Ca2+和Mg2+用乙二胺四乙酸二钠滴定法,Cl-用硝酸银容量法,SO42-用硫酸钡比浊法,HCO3-用盐酸滴定法.

1.3 遥感影像数据

选取的遥感影像数据源自中国科学院资源环境科学数据中心(https://www.resdc.cn),包含2002年Landsat TM/ETM和2020年Landsat 8的遥感影像数据.根据张露洋等[26]的土地利用分类研究,考虑到实际地物与遥感影像的可解译性,将研究区范围内的土地利用类型分为林地、草地、耕地、水域和建筑用地.

1.4 研究方法

采用马尔科夫转移矩阵定量研究各时段土地利用转移到其它地类的面积,呈现出研究区土地利用类型转移的结构特征和方向[27].

式中:为面积;为土地转移前后的土地利用数量;、(,= 1,2,…,)分别代表土地转移前、后的土地利用类型;S为转移前的地类转换为地类的面积.

土地利用动态度是研究在某段时间内某土地利用类型和数量的变化情况,可反映区域内土地利用类型变化的剧烈程度[28].

式中:为某种土地利用类型的动态度;S1、S2分别为研究初期与末期某种土地利用类型的面积,m2;为研究时间间隔,a.

1.5 数据处理

利用ArcGIS 10.2软件对遥感影像进行几何校正、图像融合、镶嵌与裁剪处理,并绘制和统计不同土地利用类型面积,利用R的“vegan”和“corrplot”程序包进行水质指标与影响因子的冗余度分析(RDA)和相关性分析,利用SPSS 26.0采用0.05进行显著性差异检验,利用Origin 2021进行绘图.

2 结果与分析

2.1 近20a滇池流域土地利用变化特征

对2002年和2020年两期遥感影像解译,将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域和建筑用地,绘制出土地利用类型分布图(图2),并统计出滇池流域各土地利用类型面积及占比(表1).2002年滇池流域主要的土地利用类型为草地、耕地和林地,分别占20.91%、22.11%和43.21%,其中林地占比最大,2020年流域内主要的土地利用类型为草地、耕地、林地和建筑用地,分别占17.43%、17.08%、37.99%和16.64%.近20a滇池流域内草地、耕地、林地和水域面积整体呈减少趋势,草地、林地和水域面积减少不大,而建筑用地增加最多,耕地面积减少最多,2002年建筑用地占比仅为7.10%,而到2020年时,建筑用地占比高达16.64%,是原来的2.3倍,面积从原来的204km2增加到483km2.原来的耕地大部分都已转变成建筑用地,主要是随着流域人口数量增加,城镇化进程加快,地势平坦的大量耕地被建筑用地代替,使得建筑用地在流域中的占比越来越大,且主要分布在流域的东部及东北部.

滇池流域近20a土地利用类型主要在耕地、草地、林地和建筑用地之间转移(表2),其中草地主要向耕地、建筑用地和林地转移,分别转移了86、95和158km2,耕地主要向林地和建筑用地转移了133和145km2,这与实施的退耕还林及城镇化建设有关,而林地向草地转移的面积最多,转移了148km2,其次向耕地转移,转移面积为118km2.耕地向建筑用地和林地转移概率分别为22.59%和20.72%,林地向草地和耕地转移概率分别为13.16%和10.49%,草地向林地和建筑用地转移概率分别为26.30%和15.65%. 2002～2020年草地、耕地和林地面积均有所减少,其中林地和草地减少量主要发生在流域的西南和西北部,耕地减少量主要发生在东北部,而建筑用地面积净增加279km2,北部尤其在东北部大面积增加,且增加的面积主要来源于草地、林地和耕地,其中耕地转移的面积最多.

滇池流域近20a土地利用类型动态度表明(表3),草地、耕地、林地、水域和建筑用地动态度分别为-16.64%、-22.74%、-1.96%、-3.07%和136.76%,草地、耕地、林地和水域的动态度均为负值,表明近20a这4种土地利用类型以不同方式向其它地类转移,而耕地负动态度最大,说明在此期间该土地利用类型越容易向其它地类转移,只有建筑用地的动态度为正值,高达136.76%,说明在此期间所有土地利用类型主要向该地类转移,使得流域内建筑用地面积不断增加.

图2 2002年和2020年滇池流域土地利用类型分布

表1 2002年和2020年滇池流域各土地利用类型面积及占比

表2 2002～2020年滇池流域土地利用转移矩阵(km2)

表3 滇池流域2002～2020年土地利用动态度

注:正号(+)省略表示面积增加,负号(-)表示面积减少.

2.2 近20a滇池流域浅层地下水水质变化特征

滇池流域浅层地下水Piper三线图表明(图3),2002年滇池流域阳离子三角形区域样点主要分布在Piper三线图的右角,优势阳离子主要是Mg2+,毫克当量百分数在40%～80%之间,阴离子三角形区域位于三线图的左下角,阴离子主要是HCO3-和SO42-,毫克当量百分比分别为60%～80%和40%～ 80%,2002年滇池流域浅层地下水化学类型主要是HCO3-·SO42--Mg2+型.2020年滇池流域阳离子主要是Ca2+(60%～80%)和Mg2+(40%～60%),阴离子主要是HCO3-(40%～80%)和SO42-(60%～80%),其水化学类型主要是HCO3-·SO42--Ca2+型.2002～2020年间滇池流域浅层地下水化学类型主要由HCO3-·SO42-- Mg2+型转变为HCO3-·SO42--Ca2+型,阳离子主要是Ca2+和Mg2+,阳离子含量一般为Ca2+> Na++K+> Mg2+,阴离子主要是HCO3-和SO42-,阴离子含量一般为HCO3-> SO42->Cl-.

图4表明2002年滇池流域地下水中(TN)、(NO3--N)、(ON)和(NH4+-N)的平均值(mg/L)分别为(13.94±22.02)(0.15～91.4,最小值～最大值,下同)、(2.52±2.85)(0.03～9.67)、(10.96±20.40) (1.06～ 87.97)和(0.46±0.58)(0.04～2.7),近79.67%和54.24%采样点(NO3--N)和(NH4+-N)符合《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)[29]规定的II类水质标准,整体以I、II类水质为主,水质良好;而2020年滇池流域地下水中(TN)、(NO3--N)、(ON)和(NH4+-N)的平均值(mg/L)分别为(32.77±25.55)(2.12～114.57)、(23.76±20.61)(0.31～90.12)、(8.43±7.33)(0.23～24.50)和(0.58±1.20)(0.01～7.22),其中,近66.7%采样点(NO3--N)达到《地下水质量标准》(GB/T 14848- 2017)中IV类水质要求规定的30mg/L,以及近81.25%采样点(NH4+-N)达到IV类水质要求规定的1.5mg/L,整体以IV、V类水质为主;2002年和2020年滇池流域浅层地下水中各形态氮浓度差异性并不大,除2020年NH4+-N浓度外,2020年的TN、NO3--N和ON浓度均大于2002年(> 0.05),其中(TN)从13.94mg/L增加到32.77mg/L,(NO3--N)从2.52mg/L增加到23.76mg/L,各形态氮浓度上升趋势不断增加,可见,近20a滇池流域浅层地下水受氮污染较为严重.

图5表明2002年滇池流域浅层地下水中(TP)、(DTP)和(DIP)的平均值(mg/L)分别为(0.31± 0.73)(0.04～5.23)、(0.17±0.24)(0.01～1.27)和(0.18± 0.37)(0.02～2.58),而2020年(TP)、(DTP)和(DIP)的平均值分别为(0.17±0.16)(0.05～0.89)、(0.13±0.11) (0.03～0.67)和(0.11±0.10)(0.02～0.61).其中,2002年和2020年的TP差异性较小(>0.05),而DTP和DIP存在显著性差异(<0.05),且2020年的TP、DTP和DIP浓度均略低于2002年,这可能与当地实施的流域保护政策以及大量植树造林有关,从“十一五”以来,昆明市政府相继发布了《关于在滇池流域内禁止经销和限制使用含磷洗涤用品》公告,无磷洗衣粉得到推广应用,并进一步加强了对磷污染的源头控制,滇池面山采石场、含磷矿石加工厂全面停封,同时,修复滇池南岸富磷区矿山的生态和植被,提高流域内污水处理量和处理能力[30],由于在“十一五”期间对滇池流域磷的治理取得一定成效后并延续至今,以至于2020年各形态磷浓度略低于2002年,使得近20a来滇池流域浅层地下水受各形态磷的污染影响较小.

图5 滇池流域浅层地下水中各形态磷浓度

2.3 滇池流域土地利用类型与浅层地下水水质的关系

滇池流域近20a土地利用类型面积变化与水质指标相关性分析(图6)表明,耕地面积与浅层地下水中TN、NO3--N、NH4+-N、TP呈负相关,其中耕地面积与NH4+-N、TP呈显著负相关(< 0.05),这可能是随着流域内耕地面积减少,导致流域内农业集约化程度、复种指数越来越高,特别是近20a来设施蔬菜、花卉的大面积扩张,过量施用化肥、农药、大水漫灌等不合理的生产方式,导致农田中大量的氮磷等通过地表径流或地下淋溶等途径进入地下水中,致使农田区浅层地下水中氮磷浓度越来越高.建筑用地与地下水中各氮磷浓度呈明显正相关,与TN、NO3--N呈显著正相关(<0.05),表明随着建筑用地面积的不断增加,城镇污水泄露或排放使得浅层地下水受氮磷污染较为严重,表现为“源”效应.草地、林地与TN、NO3--N呈显著负相关(<0.05),可见,草地和林地有利于减缓地下水氮污染,表现为“汇”效应,这是由于林地和草地对污染物质具有滞留、吸附作用,从而降低氮磷等污染物直接渗入地下水中,此外,草地和林地面积在流域内占比较大,使得来源于林地、草地的大量清水补充,对耕地和建设用地产生的污染物进行稀释,降低了地下水中氮磷浓度;水域与地下水中各氮磷指标均呈负相关关系,表明随着水域面积的减少对各污染物质净化、稀释作用会减弱,所以浅层地下水中氮磷浓度相对增加.

图6 水质指标与各土地利用类型的相关性

1.草地; 2.耕地; 3.建筑用地; 4.林地; 5.水域; 6.TN; 7.NO3--N; 8.NH4+-N; 9.TP;*表示在0.05水平显著差异

采用RDA分析了环境因子对浅层地下水中各形态氮和磷浓度的影响(图7),表明地下水中各形态氮浓度与水环境因子排序结果前两轴解释率分别为77.86%和21.13%,而各形态磷与水环境因子排序结果前两轴解释率分别为96.24%和3.63%.滇池流域各取样点浅层地下水氮浓度分布比较分散(图7a),各形态磷浓度主要集中在第三象限(图7b).浅层地下水中EC、ORP、T和SWL是反映和影响浅层地下水中各形态氮浓度的关键因子,其中,EC对TN和NO3--N影响较大,ORP和T对ON影响较大,而SWL对NH4+-N影响较大.浅层地下水中pH值和T对浅层地下水中各形态磷浓度影响较大,其中pH值对DTP和DIP影响较大,T对TP影响较大.

3 讨论

3.1 浅层地下水水化学组成具有明显的时间差异

2002年滇池流域浅层地下水中优势阳离子主要是Mg2+,而2020年滇池流域浅层地下水中的优势阳离子为Ca2+,这主要因为:首先,自然环境特征决定了滇池流域中优势阳离子为Ca2+,滇池流域四周为中低山环绕,山体主要由碳酸盐岩(石灰岩和白云岩为主)、碎屑岩和玄武岩构成[31],冯泽波等[32]通过对滇池主要入湖河流的水化学特征进行研究,并表明地质环境的岩石、土壤等本底条件是导致滇池流域Ca2+、HCO3-很高的主要原因,再加之中～弱酸性水-岩作用使得碳酸盐类岩石溶蚀作用更强烈[33],陈荣彦等[34]对滇池流域的盘龙江浅层地下水化学类型进行分析,认为Ca2+、HCO3-等离子是流域自然演化的结果.其次,在时域演变上,地表土地利用方式和人为污染强度的改变造成了地下水化学类型的变异[34],近20a滇池流域人口高度密集和快速城镇化以及居民生活水平的提高和生产、生活方式的改变[30],导致城市生活污水和污染物排放迅速增加,湖泊周边农业集约化程度的提高,大量酸性肥料、半腐熟有机肥料等的施用,以及Ca2+、Mg2+、K+、Na+等离子的流失[35],很大程度上改变了滇池流域地下水环境的演变过程.2002～2020年滇池流域浅层地下水中阴离子主要为HCO3-和SO42-,主要是由于流域地势南低北高,地形坡度大使水流坡降大、水流运动强烈,侵蚀力及溶解能力增加,使碳酸盐类岩石受喀斯特发育分异,再加上溶蚀作用和侵蚀作用增强,致使地下水中HCO3-含量偏高[36];另外,随着流域内工农业不断发展,大量的废水或污水未经处理或处理不当进行排放,以及肥料用量的不断增加,导致流域地下水中SO42-含量也增加[37-38],使得2002～2020年间滇池流域浅层地下水中的SO42-浓度从原来90.59mg/L增至171.95mg/L,是原来的1.9倍.滇池流域正是因为受到各种风化和溶滤作用,流域内工业废水、生活污水的排放,农业生产中肥料大量施用,使得浅层地下水化学类型由HCO3-·SO42--Mg2+型逐渐转变为HCO3-·SO42--Ca2+型.

3.2 土地利用变化显著影响着浅层地下水中氮磷浓度

2002年滇池流域浅层地下水中近79.67%和54.24%采样点(NO3--N)和(NH4+-N)符合II类水质标准,水质良好,而2020年滇池流域近66.7%和81.25%采样点(NO3--N)和(NH4+-N)达到IV类水质标准,整体以IV、V类水为主,水质整体已经恶化.土地利用类型变化显著影响着滇池流域浅层地下水中氮磷浓度,其中建筑用地与地下水中各形态氮磷浓度呈正相关关系,这与Prita等[10]研究结果一致,说明滇池流域浅层地下水由建筑用地面积增加引起的氮磷污染较为严重,黄强盛等[39]研究也表明了滇池流域城镇居民区以及主城区地下水中NO3--N浓度较高,污染严重,一方面,由于建筑用地面积上升,增加了不透水层面积,破坏了原有水系格局和交换能力,降低了水环境容量以及对污染物的稀释、净化和吸纳能力[40];另一方面,城镇化建设和人口的增多,使得人类生产和生活中产生大量垃圾、污水通过地表径流和入渗进入地下水中[41],同时,城镇和村落的污水收集管网不完善或破损,造成生活污水“跑、冒、滴、漏”突出,从而影响浅层地下水环境[42].耕地与地下水中TN、NO3--N呈负相关,与NH4+-N和TP呈显著负相关,主要是由于城市扩张压缩耕地面积,导致湖泊周边地区农业产业结构不断调整以适应城镇化发展的需求,设施农业面积连年增加,农业集约化程度高,蔬菜、花卉复种指数大[43],大量化肥、有机肥施用,增加了农田氮磷对浅层地下水的污染负荷[44].草地和林地与地下水中TN、NO3--N呈负相关,说明草地和林地可有效减少进入地下水中的氮浓度,对地下水环境的改善有促进作用,姜畅等[45]、杨柳等[46]的研究也表明了林地和草地属于透水性下垫面,对氮磷元素有滞留、吸收作用,可有效降低面源污染对受纳水体的影响.TN、TP、NO3--N和NH4+-N是滇池流域浅层地下水中主要超标污染物,而TN、NO3--N和NH4+-N与建筑用地和耕地存在显著的正相关,说明在滇池流域由建筑用地和耕地引起的面源污染是导致浅层地下水水质恶化的主要原因.因此,为防止流域浅层地下水水质持续恶化,建议优化土地利用空间格局,严格限制流域内建筑用地的新开发,合理调整种植结构,降低复种指数,种植水肥低耗高效作物,科学施肥、灌溉,保护和恢复流域内林地、草地,建立植被缓冲带,重点治理点源和农业面源污染.

4 结论

4.1 2002年和2020年滇池流域土地利用类型以草地(20.91%和19.17%)、林地(43.21%和40.60%)和耕地(22.11%和19.59%)为主,近20a滇池流域的耕地主要向建筑用地(22.59%)和林地(20.72%)转移,草地向林地(26.3%)和建筑用地(15.65%)转移,林地向草地(13.16%)和耕地(10.49%)转移,建筑用地和林地增加的面积主要来源于耕地,其次为草地.

4.2 滇池流域地下水化学类型由2002年的HCO3-·SO42--Mg2+型转变为2020年的HCO3-·SO42-- Ca2+型.2002年近79.67%和54.24%采样点(NO3--N)和(NH4+-N)符合II类水质标准,而2020年近66.7%和81.25%采样点(NO3--N)和(NH4+-N)达到IV类水质标准,整体水质恶化.建筑用地和耕地是导致滇池流域浅层地下水水质恶化的主要影响因素,表现为“源”效应;草地和林地有利于水质改善,表现为“汇”效应.

[1] 李桂芳,杨 恒,叶远行,等.高原湖泊周边浅层地下水:氮素时空分布及驱动因素 [J]. 环境科学, 2022,43(6):3027-3036.

Li G F, Yang H, Ye Y H, et al. Shallow groundwater around plateau lakes: spatiotemporal distribution of nitrogen and its driving factors [J]. Environmental Science, 2022,43(6):3027-3036.

[2] 李清光,王仕禄.滇池流域硝酸盐污染的氮氧同位素示踪 [J]. 地球与环境, 2012,40(3):321-327.

Li Q G, Wang S L. Nitrogen and oxygen isotopic tracing of nitrate pollution in the Dianchi Lake Basin [J]. Earth and Environment, 2012, 40(3):321-327.

[3] 张 晗,陈 昱,吕占禄,等.沟塘水质及其周边浅层地下水PAHs的风险评价 [J]. 中国环境科学, 2021,41(8):3808-3815.

Zhang H, Chen Y, Lü Z L, et al. Risk assessment of PAHs in ditch pond water and its surrounding shallow groundwater [J]. China Environmental Science, 2021,41(8):3808-3815.

[4] 章文亭,杨鹏年,彭 亮,等.2005～2017年焉耆盆地平原区地下水时空演变规律及其与土地利用的关系 [J]. 水土保持通报, 2021,41(1): 276-283.

Zhang W T, Yang P N, Peng L, et al. The spatio-temporal evolution of groundwater and its relationship with land use in the plain of Yanqi Basin from 2005 to 2017 [J]. Soil and Water Conservation Bulletin, 2021,41(1):276-283.

[5] 张喜风,张兰慧,顾 娟,等.敦煌绿洲地下水时空变异特征及其对土地利用/覆被变化的响应分析 [J]. 兰州大学学报(自然科学版), 2014,50(3):311-317.

Zhang X F, Zhang L H, Gu J, et al. Characteristics of spatio-temporal variation of groundwater in Dunhuang oasis and its response to land use or cover change [J]. Journal of Lanzhou University (Natural Science Edition), 2014,50(3):311-317.

[6] 赵 晴,刘 征,赵旭阳.石家庄地表水源保护区土地利用变化与水质相关性研究 [J]. 水土保持研究, 2013,20(2):121-126.

Zhao Q, Liu Z, Zhao X Y. Study on correlativity of land utilization change and water quality in the surface headwaters protection area of Shijiazhuang [J]. Research of Soil and Water Conservation, 2013,20(2): 121-126.

[7] 祁兰兰,王金亮,叶 辉,等.滇中“三湖流域”土地利用景观格局与水质变化关系研究 [J]. 水土保持研究, 2021,28(6):199-208.

Qi L L, Wang J L, Ye H, et al. Study on the relationship between land use landscape pattern and water quality change in the "three lakes watershed" in central Yunnan [J]. Research of Soil and Water Conservation, 2021,28(6):199-208.

[8] 梁 旭,刘华民,纪美辰,等.北方半干旱区土地利用/覆被变化对湖泊水质的影响:以岱海流域为例(2002～2018年) [J]. 湖泊科学, 2021, 33(3):727-738.

Liang X, Liu H M, Ji M C, et al. Effects of land use/cover change on lake water quality in northern semi-arid region: a case study of Daihai watershed [J]. Lake Science, 2021,33(3):727-738.

[9] Tong S T Y, Chen W L. Modeling the relationship between land use and surface water quality [J]. Journal of Environmental Management, 2002,66(4):377-393.

[10] Prita A P, Yudi S, Rahmi N K, et al. The effect of land use change on water quality: a case study in Ciliwung watershed [J]. Iop Conference Series: Earth and Environmental Science, 2017,54(1):012026-012026.

[11] Bahman J A, Kaneyuki N. Modeling the linkage between river water quality and landscape metrics in the Chugoku district of Japan [J]. Water Resources Management, 2009,23(5):931-956.

[12] 杨 琴,汤秋鸿,张永勇.淮河流域(河南段)水质时空变化特征及其与土地利用类型的关系 [J]. 环境科学研究, 2019,32(9):1519-1530.

Yang Q, Tang Q H, Zhang Y Y. Spatiotemporal changes of water quality in Huai River Basin (Henan section) and its correlation with land use patterns [J]. Environmental Science Research, 2019,32(9): 1519-1530.

[13] 郭青海,马克明,张 易.城市土地利用异质性对湖泊水质的影响 [J]. 生态学报, 2009,29(2):776-787.

Guo Q H, Ma K M, Zhang Y. Impact of land use pattern on lake water quality in urban region [J]. Journal of Ecology, 2009,29(2):776-787.

[14] 张 洪,陈 震,张 帅,等.云南省高原湖泊流域土地利用与水环境变化异质性研究 [J]. 水土保持通报, 2012,32(2):255-260.

Zhang H, Chen Z, Zhang S, et al. Heterogeneity of land use and water environment in Plateau Lake Basins of Yunnan province [J]. Soil and Water Conservation Bulletin, 2012,32(2):255-260.

[15] 吴晶晶,蔡永立.快速城市化地区土地利用变化及其对水质的影响—以上海市奉贤区为例 [J]. 安徽农业科学, 2011,39(26):16208- 16211.

Wu J J, Cai Y L. Land use change and its impact on water quality in the rapidly urbanized areas: a case study of Fengxian district, Shanghai [J]. Anhui Agricultural Science, 2011,39(26):16208-16211.

[16] Christopher P T, Robert W B, Alexander J S, et al. Land-use proximity as a basis for assessing stream water quality in New York State (USA) [J]. Ecological Indicators, 2009,10(3):727-733.

[17] 高雅玉,唐家凯,钱 鞠,等.土地利用/覆被变化对水环境影响的研究综述 [J]. 人民黄河, 2010,32(12):16-18.

Gao Y Y, Tang J K, Qian J, et al. A review of research on the impact of land use / cover change on water environment [J]. Yellow River, 2010, 32(12):16-18.

[18] Avay R, Prem B P, Padmanava D, et al. Sensitivity of hydrology and water quality to variation in land use and land cover data [J]. Agricultural Water Management, 2020,241.

[19] 项 颂,庞 燕,杨天学,等.内蒙古典型草原区土地利用动态变化及其对水质的影响 [J]. 农业环境科学学报, 2022,41(4):857-867.

Xiang S, Pang Y, Yang T X,et al. Land use change and its effects on water quality in typical steppe region of the inner Mongolia autonomous region, China [J]. Journal of Agricultural Environmental Science, 2022,41(4):857-867.

[20] 索安宁,关道明,孙永光,等.景观生态学在海岸带地区的研究进展 [J]. 生态学报, 2016,36(11):3167-3175.

Suo A N, Guan D M, Sun Y G, et al. Advances in coastal landscape ecology and its role in the construction of marine ecological civilization [J]. Journal of Ecology, 2016,36(11):3167-3175.

[21] 王慧亮,陈开放,张汪寿,等.淮河流域土地利用变化对湖库水质的影响 [J]. 水电能源科学, 2020,38(8):41-45.

Wang H L, Chen K F, Zhang W S, et al. Impact of water quality in lake and reservoirs under land-use changes in Huaihe River Basin [J]. Hydropower Energy Science, 2020,38(8):41-45.

[22] 刘 丰,刘静玲,张 婷,等.白洋淀近20年土地利用变化及其对水质的影响 [J]. 农业环境科学学报, 2010,29(10):1868-1875.

Liu F, Liu J L, Zhang T, et al. Land use change and its impact on water quality in Baiyangdian Lake of north China during last 20years [J]. Journal of Agricultural Environmental Science, 2010,29(10):1868- 1875.

[23] 李艳利,徐宗学,李艳粉,等.辽河流域水质状况及其对土地利用/覆被变化的响应 [J]. 水土保持通报, 2013,33(2):72-77.

Li Y L, Xu Z X, Li Y F,et al. Water quality in Liaohe River Basin and its response to land use and land cover change [J]. Soil and Water Conservation Bulletin, 2013,33(2):72-77.

[24] 孙青言,陆垂裕,郭 辉,等.三江平原土地利用变化对水量平衡的影响 [J]. 水科学进展, 2021,32(5):694-706.

Sun Q Y, Lu C Y, Guo H, et al. Effects of land change on water balance in the Sanjiang Plain [J]. Advances in Water Science, 2021,32 (5):694-706.

[25] 张 洪,黎海林,陈 震.滇池流域土地利用动态变化及对流域水环境的影响分析 [J]. 水土保持研究, 2012,19(1):92-96.

Zhang H, Li H L, Chen Z. Analysis on land use dynamic change and its impact on the water environment in Danchi Lake drainage area [J]. Research of Soil and Water Conservation, 2012,19(1):92-96.

[26] 张露洋,雷国平,郭一洋,等.基于Landsat影像的面向对象土地利用分类—以下辽河平原为例 [J]. 应用基础与工程科学学报, 2021,29(2): 261-271.

Zhang L Y, Lei G P, Guo Y Y, et al. Object-oriented land use classification based on Landsat images: a case study of the lower Liaohe Plain [J]. Journal of Applied Basic and Engineering Sciences, 2021,29(2):261-271.

[27] 乌义汉,秦富仓,郭月峰,等.奈曼旗土地利用动态及其生态系统服务功能 [J]. 水土保持通报, 2020,40(4):321-328.

Wu Y H, Qin F C, Guo Y F, et al. Land use dynamics and ecosystem service function in Naiman Banner [J]. Soil and Water Conservation Bulletin, 2020,40(4):321-328.

[28] 王志杰,苏 嫄.基于遥感和GIS的陕南地区近20年土地利用时空变化特征 [J]. 自然灾害学报, 2017,26(6):164-174.

Wang Z J, Su Y. Spatio temporal characteristics of land use change in southern Shaanxi Province in recent 20 years based on RS and GIS [J]. Journal of Natural Disasters, 2017,26(6):164-174.

[29] Wang M Q, Liu J S, Wang J D, et al. Ecological footprint and major driving forces in west Jilin Province, northeast China [J]. Chinese Geographical Science, 2010,20(5):434-441.

[30] 欧阳志宏,郭怀成,王婉晶,等.1982～2012年滇池水质变化及社会经济发展对水质的影响 [J]. 中国环境监测, 2015,31(2):68-73.

Ou Y Z H, Guo H C, Wang W J, et al. Analysis of water quality change and impacts socio-economic development in Dianchi Lake from 1982 to 2012 [J]. Environmental Monitoring in China, 2015,31(2):68-73.

[31] 彭珮媛,吴晓妮,李子光,等.滇池流域源头区不同土地利用方式土壤无机磷组分的分布特征 [J]. 水土保持研究, 2021,28(6):58-64.

Peng P Y, Wu X N, Li Z G, et al. Characteristics of distribution of inorganic phosphorus fractions in soil of different land use patterns in the source area of Dianchi watershed [J]. Research of Soil and Water Conservation, 2021,28(6):58-64.

[32] 冯泽波,史正涛,苏 斌,等.滇池主要入湖河流水化学特征及其环境意义 [J]. 水生态学杂志, 2019,40(3):18-24.

Feng Z B, Shi Z T, Su B, et al. Water chemistry in the primary tributaries of Dianchi Lake and effect on the water environment of Dianchi Lake [J]. Journal of Water Ecology, 2019,40(3):18-24.

[33] 李 军,邹胜章,赵 一,等.会仙岩溶湿地地下水主要离子特征及成因分析 [J]. 环境科学, 2021,42(4):1750-1760.

Li J, Zou S Z, Zhao Y,et al. Major ionic characteristics and factors of karst groundwater at Huixian karst wetland, China [J]. Environmental Science, 2021,42(4):1750-1760.

[34] 陈荣彦,叶许春,张世涛,等.人类活动影响盘龙江下游浅层地下水水质的变化 [J]. 水资源与水工程学报, 2007,18(5):47-51.

Chen R Y, Ye X C, Zhang S T, et al. Change of the shallow groundwater quality by human activities influence in lower reaches of Panlongjiang River [J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2007,18(5):47-51.

[35] 陈春瑜,和树庄,胡 斌,等.土地利用方式对滇池流域土壤养分时空分布的影响 [J]. 应用生态学报, 2012,23(10):2677-2684.

Chen C Y, He S Z, Hu B, et al. Effects of land use type on spatiotemporal distribution of soil nutrients in Dianchi watershed, Yunnan Province of southwest China [J]. Journal of Applied Ecology, 2012,23(10):2677-2684.

[36] 孙大明.大连地区地下水化学特征分析及形成机制研究 [J]. 水资源开发与管理, 2022,8(2):54-58.

Sun D M. Analysis of chemical characteristics and formation mechanism of groundwater in Dalian area [J]. Development and Management of Water Resources, 2022,8(2):54-58.

[37] 周忠发,张 结,潘艳喜,等.双河洞洞穴系统岩溶地表水-地下水主要离子化学特征及其来源分析 [J]. 科学技术与工程, 2018,18(6): 5-13.

Zhou Z F, Zhang J, Pan Y X,et al. Chemical characteristics and source analysis of main ions in karst surface water and groundwater in Shuanghe cave system [J]. Science and Technology and Engineering, 2018,18(6):5-13.

[38] 李东青,梁 籍,张立燕,等.密云库区1991～2011年水质变化趋势研究 [J]. 中国环境科学, 2015,35(6):1675-1685.

Li D Q, Liang J, Zhang L Y, et al. The research of water quality trend in the Miyun Reservoir from 1991 to 2011 [J]. China Environmental Science, 2015,35(6):1675-1685.

[39] 黄强盛,李清光,卢玮琦,等.滇池流域地下水、河水硝酸盐污染及来源 [J]. 地球与环境, 2014,42(5):589-596.

Huang Q S, Li Q G, Lu W Q, et al. Nitrate pollution and sources of groundwater and river water in Dianchi Lake Basin [J]. Earth and Environment, 2014,42(5):589-596.

[40] 何 丹,周 璟,高 伟,等.基于CA-Markov模型的滇池流域土地利用变化动态模拟研究 [J]. 北京大学学报(自然科学版), 2014,50(6): 1095-1105.

He D, Zhou J, Gao W, et al. An integrated CA-Markov model for dynamic simulation of land use change in Lake Dianchi watershed [J]. Journal of Peking University (Natural Science Edition), 2014,50(6): 1095-1105.

[41] 韩 玉,卢文喜,李峰平,等.浑河流域地表水地下水水质耦合模拟 [J]. 中国环境科学, 2020,40(4):1677-1686.

Han Y, Lu W X, Li F P, et al. Water quality coupling simulation of surface water and groundwater in Hunhe river basin [J]. China Environmental Science, 2020,40(4):1677-1686.

[42] 王 昶,王 力,曾 明,等.我国农村生活污水治理的现状分析和对策探究 [J]. 农业资源与环境学报, 2022,39(2):283-292.

Wang Y, Wang L, Zeng M, et al. Status and countermeasure for the treatment of rural domestic sewage in China [J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2022,39(2):283-292.

[43] 陆海燕,胡正义,张瑞杰,等.滇池北岸居民-农田混合区域农田土壤氮素空间分布特征研究 [J]. 农业环境科学学报, 2010,29(8):1618- 1623.

Lu H Y, Hu Z Y, Zhang R J, et al. Spatial variability of nitrogen in soils in farmland adjacent suburban villages at northern bank of Dianchi Lake [J]. Journal of Agricultural Environmental Science, 2010,29(8):1618-1623.

[44] 付利波,苏 帆,尹 梅,等.氮磷减施对滇池周边香石竹产量、地下水氮磷含量的影响 [J]. 西南农业学报, 2013,26(1):237-242.

Fu L B, Su F, Yin M, et al. Effects of nitrogen and phosphorus management on carnation yield and N,P content of underground water in Dianchi watershed [J]. Southwest Agricultural Journal, 2013,26(1): 237-242.

[45] 姜 畅,刘鸿雁,陈 竹,等.基于GIS的红枫湖流域土地利用变化与水质响应 [J]. 农业环境科学学报, 2018,37(6):1232-1239.

Jiang C, Liu H Y, Chen Z, et al. Response relationship between land- use change and water quality in Hongfeng Lake Basin based on GIS [J]. Journal of Agricultural Environmental Science, 2018,37(6):1232- 1239.

[46] 杨 柳,马克明,郭青海,等.城市化对水体非点源污染的影响 [J]. 环境科学, 2004,25(6):32-39.

Yang L, Ma K M, Guo Q H, et al. Impacts of urbanization on waters non-point source pollution [J]. Environmental Science, 2004,25(6): 32-39.

Effects of land use change on groundwater quality in the Dianchi Lake Basin.

CHEN Qing-fei1, CHEN An-qiang2, YE Yuan-hang1, MIN Jin-heng1, ZHANG Dan1*

(1.College of Resources and Environment, Yunnan agricultural University, Kunming 650201, China；2.Agricultural Environment and Resources Institute, Yunnan Academy of Agricultural Science, Kunming 650201, China)., 2023,43(1)：301～310

Land use change impacts on shallow groundwater quality. The changes of land use and shallow groundwater quality in the Dianchi Lake Basin in recent 20years (2002～2020) were analyze by comprehensive use of remote sensing image interpretation, Markovtransition matrix and redundancy analysis, and the impact of land use change on shallow groundwater quality in a long time scale was revealed. The results showed that the land use types in 2002 and 2020 in the Dianchi Lake Basin were mainly grassland, forest land and cultivated land, accounting for 20.91% and 17.43%, 43.21% and 37.99%, 22.11% and 17.08% of the total area, respectively. The transfer probabilities of cultivated land to construction land and forest land, forest land to grassland and cultivated land, and grassland to forest land and construction land were 22.59% and 20.72%, 13.16% and 10.49%, 26.30% and 15.65% from 2002 to 2020, respectively. The area of cultivated land decreased by 146km2, and the area of construction land increased by 279km2. From 2002 to 2020, the chemical type of shallow groundwater in the Dianchi Lake Basin changed from HCO3-·SO42--Mg2+to HCO3-·SO42--Ca2+. The quality of shallow groundwater decreased from Class I and II to Class IV and V, and the overall water quality has deteriorated. Grassland and forest land were negatively correlated with TN and NO3--N, showing a “sink” effect, while construction land was positively correlated with TN and NO3--N (< 0.05), showing a “source” effect. Our results revealed that changes in the spatial pattern of land use in the Dianchi Lake Basin significantly affected the quality of shallow groundwater. Construction land and cultivated land were the main drivers that led to the deterioration of shallow groundwater quality in the Dianchi Lake Basin. Reasonable planning and utilization of land resources are crucial to improve groundwater quality in the Dianchi Lake Basin.

Dianchi Lake Basin；land use change；shallow groundwater；water quality

A

1000-6923(2023)01-0301-10

陈清飞(1999-),男,贵州铜仁人,硕士研究生,主要从事流域水土过程及其环境效应研究.发表论文2篇.

2022-06-10

国家自然科学基金资助项目(42067052,41977319);云南省兴滇英才项目

* 责任作者, 副教授, yidan33@163.com