滇池流域土地利用变化及其对水质影响研究综述

张 洪 森,角 媛 梅,徐 秋 娥,张 兆 年,陶 妍

(云南师范大学 地理学部,云南 昆明 650500)

0 引 言

土地利用变化是人类活动改变自然环境的最直观结果。过去几十年,土地利用变化影响了全球近1/3的土地面积[1],量化土地利用动态变化成为应对众多全球性问题的关键[2],土地利用变化及其生态环境效应也成为全球变化研究的重要领域之一[3-4]。水是维持和改善人类健康和福祉的重要资源,随着社会经济发展,全球水危机迫在眉睫[5]。水质恶化成为影响区域生态安全、可持续发展和人类福祉的关键环境问题[6-7]。水质对土地利用变化尤为敏感,由于点源和非点源污染的存在,保持水质清洁成为一项艰巨任务,分析土地利用与水质的关系,已成为国内外水环境系统研究和管理的关注热点[8]。土地利用与水质指标之间存在显著相关性[9],土地利用不仅会影响污染物产生的类型和数量,也影响污染物由陆域向水体、上游向下游的扩散和去除过程[10-11]。然而,不同流域具有明显的区域性特征,自然地理和人文地理条件的差异性导致土地利用与水质的关联很难有通用模式[12]。在人地矛盾突出的地区,土地利用变化与水质变化的关系,以及土地利用因素影响的程度,人们还知之甚少。

湖泊流域是受人类活动影响最为严重的地区之一[13]。近年来,中国有许多湖泊流域的土地利用发生剧烈变化,例如:滇池流域生态用地减少[14],太湖流域建设用地增加[15],鄱阳湖水体面积下降[16]等。随着流域土地利用变化,湖泊水质也出现恶化,这表明二者之间存在关系。高原湖泊地理环境特殊,具有一定封闭性,湖水的净化周期长,流动性差,对周围生态环境变化敏感,受人类活动和气候变化等多重影响,水质极易波动[17]。西南云贵高原湖泊流域人口集中,湖区周边区域用水量持续增加,原有的水资源收支平衡被打破,污染物大量排放,湖泊富营养化加剧、水质下降的现象越来越突出[18]。因此,研究高原湖泊流域土地变化与水质变化的影响,对于合理管理流域稀缺水土资源、开展生态环境保护和治理、实现流域可持续发展具有重要意义。

滇池是云贵高原面积最大的湖泊,也是长江上游生态安全格局的重要组成部分,对保障全国和区域生态安全具有重要地位。滇池流域是云南省人地矛盾最突出的区域,面积占全省7%,却供养了全省11.2%的人口并创造了25%的国民生产总值。2015年滇池流域常住人口406.86万,人口密度393人/km2,高于同时期的洞庭湖流域(373人/km2)和鄱阳湖流域(389人/km2)。然而,滇池是中国污染最严重的湖泊之一,也是三湖治理的重难点,日益严重的水污染加剧了流域本已紧张的人地关系[19-20]。本文旨在系统梳理滇池流域土地利用变化对水质影响的相关文献,总结研究内容与方法,着重解释滇池流域不同尺度土地利用的变化,并深入分析土地利用变化对水质产生的影响。以期理解研究区特殊的人地关系,为滇池流域今后的生态文明建设和可持续发展提供科学依据,并为今后研究指明方向。

1 滇池流域概况

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,地处长江、珠江、红河三大水系的分水岭地带,属长江流域,流域面积2 920 km2(见图1)。滇池是中国第六大淡水湖,分草海和外海,其中草海10.8 km2,外海289.2 km2,湖岸线163.2 km,储水量15.6亿m3,主要入湖河流35条。

图1 滇池流域概况Fig.1 Overview of the Dianchi Lake Basin

2 文献来源及分析

在“中国知网(CNKI)”和“Web of Science”两个数据库中,检索“滇池/Dianchi Lake”“滇池流域/Dianchi Lake Basin(Dianchi Lake Watershed)”“土地利用/Land Use”3个关键词,对截至2021年12月的已发表文献进行严格审查。然后通过参考文献加以补充,使其满足以下标准:① 研究区的范围为滇池流域(2 920 km2);② 研究内容以土地利用对水质的影响为主;③ 三者搜索关键词是“或”而不是“并”的关系。最终筛选到有效文献229篇。本研究不涉及实地数据收集或实验室水质分析。

从检索的结果看,在土地利用对水质影响的研究内容与方法上,已形成一套较为完善的体系和流程,主要集中在二者相关性、空间尺度和阈值上[21]。整理滇池流域采用的研究内容和方法如表1所列。可以看出,土地利用数据的影像源大多采用美国Landsat卫星,但由于不同研究的分类体系差异和精度不一致,导致数据结果相差较大(见图2),争议集中在林地和草地、湖泊及湿地的划分上,耕地和林地的面积差异较大。各项水质指标多来自国家地表水水质监测站的实测数据,并且滇池富营养化严重,氮磷营养物是普遍关注的重点。在研究方法上,主要有2种思路:① 通过土地利用类型面积百分比、景观格局指数、土地利用强度和水质指标做统计学分析,例如相关性分析、灰色关联分析、回归分析等;② 运用水文分析模型对非点源污染进行模拟,例如SWAT、HSPF和SWMM等,土地利用在其中仅作为一个影响因子被考虑[22]。从时序上看,跟踪时间最长的是1976～2013年,但仅研究了不透水表面对水质的影响。从研究空间尺度看,多尺度的分析思路主要考虑到了流域尺度、子流域尺度以及水文响应单元等面状要素,而较少从采样点、河岸带、湖滨带等点线要素构建缓冲区分析。

表1 滇池流域土地利用对水质影响的研究方法和内容Tab.1 Method and confent of research on the influence of land use on water quality in Dianchi Lake Basin

图2 不同研究里滇池流域关键土地利用变化Fig.2 Key land use changes in the Dianchi Lake Basin of different researches

3 流域土地利用变化

3.1 土地利用总体特征化

从流域尺度看,滇池流域土地利用变化明显。其中最明显的一个特征是耕地持续减少,建设用地迅速增加。1974～2016年,建设用地迅速扩张,成为流域第二大土地利用类型,占比从3.01%上升到18.50%,而耕地减少9.17%[31]。张珂等[32]也证实,建设用地周围的农用地在城市扩展的每个阶段都有缩减。在其他研究的时间序列,也都发现耕地和建设用地此消彼长的趋势,只是不同阶段的变化速度不同,这种趋势进一步加剧了滇池流域土地供需矛盾[33-35]。林地是滇池流域面积占比最大的土地利用类型,但在不同研究里,其变化幅度却有很大差异。如王启名等[36]的研究显示林地在2000～2014年间增加21.55%;而金杰[31]的研究却显示1998～2016年间,林地波动不大,仅减少了1.39%。出现这种差异,和先前分析的影像分辨率与分类标准有关。对比所有土地利用类型可知,水域的误差最小,基本常年在300 km2上下波动。然而,从变化的结果看,滇池流域的湖泊和湿地历经了从无序破坏到大规模恢复重建的曲折过程[37-38]。相关研究也显示,滇池面积在1998年后迅速减少,2008年达到最低值287.18 km2,与1988年295.71 km2相比萎缩2.89%[39]。近年来,滇池采用自然恢复和人工重建的方法,实现由“人进湖退”到“湖进人退”的历史转变[40]。综上所述,随着城市化发展和治理深入,滇池流域建设用地将持续增加,生态用地从减少到逐步恢复。

3.2 不同空间尺度土地利用变化特征

高原湖泊流域以湖泊为中心,形成湖滨带-坝区-山区三级空间格局,土地利用差异明显。湖滨带是滇池的天然屏障,是湖泊生态系统与陆地生态系统之间的狭长过渡区。坝区是地势相对平缓的冲积湖积平原地带,海拔在2 000 m以内。山区是由中山、低山组成的最外环山地,海拔在2 000 m以上。

3.2.1湖滨带

湖滨带是对土地利用变化最为敏感的地区。根据谭志卫等[41]的研究,1957年滇池湖滨带有30.83 km2湿地,20世纪六七十年代围湖造田和筑防浪堤,水域和湿地大幅减少,至1972年水域减少约10 km2、湿地萎缩约27 km2(缩减约90%)。之后,快速城市化对湖滨带的影响更为剧烈,城市扩张使得滇池周边仅存的湿地被改作他用,耕地、草地和灌木丛被建设用地取代,仅2000～2020年,环滇池2 km范围内建设用地增长近一倍[42-43]。土地利用快速变化严重破坏湖滨生态环境,不仅使湖泊生态系统与陆地生态系统隔绝,还减少水资源补给,加速湖泊老化过程[44]。直到2008年“四退三还”工程启动,这一现象才得到遏制,滇池水域增加11.51 km2,重建并保护湖滨湿地约33.3 km2。但值得关注的是,近几年滇池湖滨带一级保护区内开发现象又有死灰复燃之势,严重挤占湖滨带狭小的生态空间[45]。

3.2.2坝 区

坝区受城市化影响强烈,土地利用最直观的变化就是耕地转化为建设用地,其中滇池北岸和东岸变化最为明显[46]。昆明城市空间形态经历由“单中心”圈层式扩张转变为“多中心”组团式扩张的过程[47]。早期圈层扩张时,建设用地占用耕地的现象主要发生在滇池北岸的主城四周。转折点在2000年前后,主城区的建设用地接近饱和。在此之后,城市建设逐渐向南部呈贡区和东北部嵩明县增加,极大驱动了建设用地的扩张。这导致坝区耕地大幅减少,位于滇池东岸的官渡区和呈贡区尤甚,局部地区的耕地甚至减少为零。2016年,晋宁撤县设区,滇池南岸得到发展,建设用地也迅速增加。至此,一城三区的“多中心”组团式城市空间新格局逐渐体现,环滇池开发现象愈演愈烈[48]。

3.2.3山 区

山区的土地利用以草地、灌丛和林地为主,占比超过70%,担负着涵养水源的重要功能[49]。滇池流域山区植被以人工林为主,天然林仅零星分布在北部。作为流域占比最大的土地利用类型——林地集中在海拔2 000 m以上,坡度在0°～8°和25°～35°的山地、台地和丘陵,在流域尺度空间上呈现出呈森林包围城市的格局[49]。20世纪滇池流域山区的森林遭大量砍伐,加之采矿业发展,致使水土流失加剧。随后,国家和地方出台一系列政策用于保护和恢复林地,以北部松华坝水库为例:自1981年成立水源保护区后,相继实施封山育林、退耕还林、天然林保护和荒山及难造林地改造等措施,林地在9 a间增加59.78%[50],植被覆盖度2019年达到68.12%。此外,滇池流域还创新性地针对面山和“五采区”进行植被修复,林地迅速增加,山区生态环境逐步得到改善。

4 土地利用变化对水质的影响

通过文献整理和分析可知,滇池流域土地利用对水质影响的研究多从土地利用类型、强度和格局去探讨,而且多关注建设用地、耕地、湿地和林地对水质的影响过程及效应(见图3)。

图3 滇池流域土地利用变化的水质效应Fig.3 Water quality effects of land use changes in the Dianchi Lake Basin

4.1 土地利用类型变化对水质的影响

4.1.1建设用地

目前,滇池流域在建设用地(不透水面)扩张对水质造成的影响方面展开了大量研究。城市化导致土地利用变化最为明显的特征就是不透水面增加,不透水面的增加进一步加剧城市污染负荷,特别是在暴雨初期,垃圾、沉积物、营养物和重金属污染物更容易随地表径流过程进入水体[28]。而且不透水面增加会使得流域生态系统功能退化和水体自净能力减弱,最终导致水质下降[51]。1976～2013年,滇池流域不透水面从2.73%增加到26.71%,水质类别也由Ⅲ类降为劣Ⅴ类,不透水面的扩张与湖泊水质参数呈现出显著的相关关系,表明滇池流域高速城镇化是导致滇池富营养化和蓝藻水华频繁暴发的原因之一[29-30]。城市内部建设用地的多功能属性导致径流的污染程度也有所不同,降雨特征、交通流量和城市绿地面积都会成为影响城市地表径流水质的主要因素[52]。一方面,建设用地扩张会加重滇池流域的非点源污染排放;另一方面,建设用地内部的污水处理系统对非点源污染负荷的控制也具有积极作用,城市内部高效、健全的污水处理设施和截污系统可以削减进入滇池的污染物。

4.1.2耕 地

农业非点源污染是水质变化驱动因子之一。虽然滇池流域耕地减少,但并不代表农业面源污染减轻。随着人口和经济增长,农业现代化使得滇池流域耕地的种植结构发生变化,逐渐以粮食作物为主的传统结构向以蔬菜、花卉等作物为主的多样化结构发展。以滇池东南岸为例,这里早期以水稻种植为主,在1999年后迅速转为大棚[26,53]。耕地向高强度农业活动转变,在增加经济效益的同时,加剧了面源污染的风险。造成农业面源污染的组成物质是农药和化肥,耕地中未经作物吸收的肥料和地表残留的农药经由土壤侵蚀,会随径流进入水体,对TP、TN增加起到较大影响[54]。特别是滇池流域平均施肥量更是高于全国化肥使用的环境安全阈值[55],2021年蔬菜和花卉的种植面积已接近流域耕地面积的一半。发展绿色生态农业,对流域农业面源污染物从源到汇进行截留、去除是提升水质的关键。

4.1.3湿 地

湿地是滇池流域生态环境的核心组成,在维系流域生态平衡方面发挥着不可替代的功能。特别是湖滨湿地是发挥湖泊生态功能的关键区域,提升其水质净化服务是解决湖泊富营养化问题的关键[56]。湿地减少、破碎化和不合理的开发利用,都是导致滇池水质逐渐恶化的原因[57]。近年来,湿地修复成为滇池流域应对水质变化挑战的“基于自然的解决方案”,湖滨湿地作为滇池水污染防治的最后一道防线,具有重要的生态屏障作用[58]。根据现有研究,湿地的水质净化能力往往取决于湿地面积的大小,湖滨湿地能有效截留净化陆域面源污染物,减少污染物向湖泊的输出,改善湖泊水质[59]。研究表明:滇池TP浓度的减少与湖滨湿地带内植物的拦截作用密切相关[60]。人工湿地技术在滇池治理中起到十分重要的作用,据统计:滇池湖滨湿地对COD、TP、TN的去除量分别达到355,13 t/a和71 t/a[61-62]。由此可见,环滇池湖滨湿地生态系统在减少非点源、减轻氮磷污染、减缓水土流失、调节水质等自然净化过程中发挥了重要作用。并且,通过情景分析发现[43],恢复湿地在水文调节、生物多样性、美学景观方面的表现更为突出,对提升滇池缓冲带生态系统服务价值的作用最明显。

4.1.4林 地

滇池流域山区的林地在净化水质、控制面源污染、改善流域生态环境等方面也有巨大作用。林地的植被对河流中的泥沙悬移含量、水温、溶解氧及水化学性质都有很大影响,水在流经森林过程中,林冠下的枯落物层好似过滤器,对水中的各种污染物质进行过滤、吸收和净化,从而改善水质,防止非点源污染[63]。林地面积增加和质量提升是水土流失面积和强度下降的主要原因,因为它减少了土壤侵蚀和径流速度[64]。目前,滇池流域研究中没有直接说明林地的水质净化功能,但从水土流失相关的研究来看,若按每公顷林地减少60 t计算,可保土724.54万t[65]。可见森林生态修复对滇池流域水质改善起到了不可替代的重要作用。但仍需看到,滇池流域修复的植被中大部分为幼龄阶段的人工林,群落结构较为单一,容易受到外界干扰和破坏,水土保持与涵养能力依然十分脆弱。

4.2 土地利用强度变化对水质的影响

滇池流域建设用地扩张增加了滇池非点源污染负荷[66]。就流域尺度而言,建设用地是影响入湖河流水质的关键类型,其面积和CODMn、TP、TN、NH3-N呈显著正相关,而耕地、林地和草地与上述水质污染指标呈负相关[67]。但事实上,即使子流域具有相似的土地利用类型和比例,土地利用强度也会导致流域内水质参数出现显着差异[68]。有研究证实,滇池东南岸与其他流域的研究结果不同,该区的建设用地与各水质指标呈负相关,耕地是东南岸入湖河流水质污染的主要来源,掩盖了建设用地对河流的污染贡献,这是因为滇池东南岸耕地比例过高,频繁轮作致使农肥施用量大[23,27]。此外,有研究分析了滇池水质时空特征及与流域人类活动的关系,滇池草海NH3-N、TP、TN浓度比外海高出5～50倍,证实土地类型比例、人口密度、单位土地GDP是导致草海与外海水质相差悬殊的主要原因[26]。在运用土地利用预测模型对滇池流域面源污染模拟时,随着年份增长,滇池水质污染状况指标呈现持续恶化的趋势[24]。但从近年来的水质监测数据结果看,滇池水质一直在企稳向好,与预测结果相悖,这是因为土地利用预测模型只考虑面积,而忽略了土地利用强度和空间格局[69]。

4.3 土地利用格局变化对水质的影响

采用景观格局指数表征土地利用空间格局,可以探讨包括类型、数量及空间排列组合等土地利用空间格局与水体养分之间的关系。在滇池流域建设用地格局研究中发现,建设用地面积增加,团聚程度和整合性升高,斑块间距离变小,斑块形状趋于复杂和不规则,通过灰色关联分析表明,水质同这种景观空间格局变化关系密切,特别是聚合度和面积加权的平均斑块分维数[25]。滇池流域水质最差的子流域是以建设用地为主的流域,但这类用地的斑块数量越多、形状越不规则,却越有利于延缓水质的恶化。另外,当耕地斑块越大越集中时,受到的面源污染威胁也越高,但流经耕地的径流中的污染物浓度会因大斑块的吸附过滤作用而降低;林地斑块密度越大,对污染物的截留作用就越大[70]。此外,“源汇”是指不同景观类型在空间上的动态平衡对生态过程的影响,水体富营养化归根结底是“源汇”景观在空间分布不合理,养分在时空过程上“盈亏”不平衡造成的[71]。有关研究在滇池上游的松华坝,通过洛伦兹曲线对源汇景观识别得出:“源”景观多分布于中低海拔缓坡区,“汇”景观多分布于中高海拔、陡峭地带,就水源区保护区的“源汇”景观格局现状看,非点源污染物虽产生很少,但并不代表可以把留存的污染物在进入水库之前完全消除[72]。

5 结论与展望

5.1 结 论

通过分析229篇相关文献后得出:有关土地利用变化及其水质影响的研究时序集中在1974～2017年间,但由于所使用的遥感影像分辨率、土地利用类型分类标准差异使得土地利用变化的量化结果不尽相同,氮磷营养物浓度是水质指标关注的重点,多元分析方法尤其是统计分析是滇池流域土地利用变化对水质影响研究的主要手段和方法。

滇池流域土地利用变化明显。从总体变化特征看,1974年至今,建设用地增加、耕地减少是流域土地利用最直观的变化。林地虽有所波动,但一直是流域占比最大的类型。受围湖造田影响,滇池水域减少10 km2、湿地减少27 km2,而随着滇池治理力度加大,面积逐渐恢复。从不同空间尺度看,湖滨带是对土地利用变化最为敏感的地区;滇池北岸和东岸的坝区变化最为明显,由于建设用地扩张,耕地的空间分布越来越破碎化,官渡、呈贡部分地区的耕地减少为零;山区以林地为主,约占70%,呈现出森林包围城市的格局。

滇池流域水质下降明显,不同土地利用类型、强度和格局对水质的影响具有非线性特征。在类型上,建设用地和耕地是影响水质的关键,滨湖湿地是改善滇池水质重要的类型;在强度上,已有研究发现滇池流域的土地类型比例、人口密度、单位土地GDP是导致草海与外海水质差异的主要原因;在格局上,采用景观指数分析,不同地类的聚合度、形状、面积、斑块密度和数量对水质的影响更大,“源-汇”景观的空间配置在非点源污染的产生和去除过程中有着重要作用。

5.2 展 望

流域作为“山水林田湖草”的空间载体,在生态文明建设的战略地位中发挥着越来越重要的作用[73]。尽管滇池近年来在水质恢复方面取得了巨大成功,但在全球变化和更多人为因素干预的背景下,土地利用与其他自然特征、社会因素之间如何影响水质,如何治理水体富营养化和实现可持续自然修复方面仍然是个挑战[74]。因此,加强基于土地利用格局-水体污染物迁移转化过程-生态环境效应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卫星作为影像源,分辨率只能满足中观到宏观尺度的研究,不能满足微观尺度河流、沟渠、道路等线状要素和一些小型静水湿地和绿地的分类研究,因此,未来需要采用更高分辨率的影像数据来加强相关研究[75]。② 由于不同土地利用类型的污染物种类和负荷不同,因此需要根据特定污染物的来源迁移转化特征来对土地利用类型进行合理的分类,但如何整合现有的土地利用分类标准是未来研究需要关注的。③ 滇池流域建设用地(不透水面)扩张对水质的影响已有许多研究但仅考虑土地利用类型的差异,而忽略土地利用强度和空间格局差异,将影响非点源污染的整体解释,今后还需要加强土地利用空间格局和强度差异的分析[76]。④ 已有研究主要以滇池内部的监测数据为主,缺乏流域内其他水体(河流、湿地等)的水文水质监测数据,因此,未来如何获取配套且连续的流域水文和水质监测数据来校准模型,对提升土地利用与水质相关性模型的准确性非常重要[77]。⑤ 受不同尺度的自然和社会经济因素的共同影响,土地利用的水质影响机理和过程具有非线性特征,所以有必要从多尺度的角度采用多种模型认识土地利用的空间分异特征和规律,以确定土地利用变化对水质影响的尺度效应和阈值,如采样点、河流、湖泊岸线缓冲带,选用多尺度、基于过程的综合模型,如AnnAGNPS、APEX或REMM等来揭示土地利用格局-水体污染物迁移转化过程-生态环境效应的关系。⑥ 高原湖泊流域人类活动强,面对日益复杂的水质问题,还应从自然-社会水系统耦合的角度关注土地利用与水质二者的关系[78],通过研究格局-过程-功能-服务-福祉的级联关系,实现高原湖泊流域的可持续发展。