抚仙湖流域土地利用格局与水质变化关系

杨娅楠， 王金亮， 陈光杰， 习晓环， 王成

(1. 云南师范大学旅游与地理科学学院，昆明　650500; 2. 中国科学院遥感与

数字地球研究所数字地球重点实验室, 北京　100094)



抚仙湖流域土地利用格局与水质变化关系

杨娅楠1,2， 王金亮1， 陈光杰1， 习晓环2， 王成2

(1. 云南师范大学旅游与地理科学学院，昆明650500; 2. 中国科学院遥感与

数字地球研究所数字地球重点实验室, 北京100094)

摘要：抚仙湖是我国水质较好的大型淡水湖泊之一，其总体水质为Ⅰ类。近年来由于流域内开发强度增加，水体水质呈现下降的趋势。为探究流域土地利用变化可能对湖泊水质产生的影响，利用1992—2010年的Landsat TM和ETM+数据，结合GIS技术和统计学方法，分析了流域内土地利用及景观格局变化与湖泊水质的响应关系。研究结果显示： 抚仙湖水体面积缩小，流域内林地和耕地面积总体呈减小趋势，与水质污染指数变化呈显著负相关； 交通运输用地和建设用地增长迅速，与水质污染指数响应呈显著正相关； 景观斑块数目、形状指数等景观格局指数增加，流域景观格局破碎化加重，与水质污染指数变化呈显著正相关； 土地利用及景观格局指数可以作为研究抚仙湖水质变化的重要指标。

关键词：土地利用变化； 景观指数； 抚仙湖； 水质； 相关性分析

0引言

水体是地球系统的重要组成部分。地表水通常在下渗或者径流过程中会携带大量污染物。因此水体所在流域的土地利用与土地覆盖变化以及土地利用类型的空间配置会对水体的水质产生重要影响。很多学者采用回归模型[1]、相关性分析模型[2]、水文模型[3]等方法建立水质指数与土地利用类型间的关系，进而分析水质与周边环境土地利用变化的响应关系。但是由于土地利用类型的复杂性和区域差异性很大，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。这主要体现在土地利用对径流等过程的影响存在区域性的差异。

以往许多研究仅通过土地利用类型的变化分析水质变化，过于依赖景观的组成指标，并没有充分考虑到景观格局的空间形状和排列配置，而这些指标可以反映土地利用对水质的影响机制[4]。近年来，从景观生态角度对水质影响进行相关分析、建立景观指数与流域水质量化关系的研究不断增多，如利用景观分析方法计算景观格局指数、选取合适的景观格局特征、利用SPSS统计软件分析景观格局指数与水质的关系等[5]。总体上看，虽然景观格局变化与水质存在一定的关联性，但由于研究区域的景观特征差异，其影响程度差异较大。

抚仙湖是我国水质较好的大型淡水湖泊之一，近年来水体主要污染指标整体呈上升趋势，水体富营养化进程加快。抚仙湖流域内面源污染范围逐步扩大，森林植被覆盖降低，水土流失严重[6]。其污染源主要来自人口集中、经济发达的抚仙湖北岸。通过对水样的理化实验分析，发现水质污染指数与农田耕作植物根系的吸收有关[7]。因此展开抚仙湖流域的土地利用变化分析可以探寻影响水质变异的主要影响因素[8-9]。本研究综合分析土地利用类型和景观格局变化对抚仙湖水质的影响，从景观生态学的角度深入分析各个影响因素及其之间的相关性，为认识抚仙湖水质变化的驱动因子与流域管理提供科学参考。

1研究区与数据源

1.1研究区

抚仙湖位于云南省玉溪市澄江县、江川县和华宁县境内，是我国蓄水量巨大的深水型淡水湖泊之一，约占全国淡水湖泊蓄水量的9.2%。地理位置E102°39′~103°02′，N24°12′~24°18′，面积约673 km2。流域内共有大小入湖河流103条，多为季节性河流，河水暴涨暴落，汇流时间短，河道径流调节能力较低，导致大量的泥沙随河流涌入抚仙湖。流域内主要土地利用类型有林地、旱地、草地和水浇地。本文选择抚仙湖流域为研究区(图1)。

图1　研究区地理位置

抚仙湖流域社会经济结构正处于转型期与快速发展阶段，工业和旅游业发展迅速，农业以粮食产业为主，经济作物以烤烟为主。主要矿产资源为磷矿，开采较早且分布面积大，对湖泊水质及生态系统影响较大。人口增长快，社会压力逐年增大，污染排放量加剧，生态系统变得敏感脆弱，环境承载超负荷。

1.2遥感数据

本文采用1992年9月1日、1996年1月16日、2001年3月2日和2006年1月3日的Landsat TM，以及2010年1月30日的Landsat ETM+共5期卫星遥感数据，空间分辨率均为30 m。还获取了研究区2006年的部分SPOT5数据对TM数据进行几何校正和配准，误差控制在1个像元内。

1.3水质数据

评价湖泊水体污染的主要环境参数包括化学耗氧量、生化需氧量、溶解氧和pH值(酸碱度)以及总氮、总磷等[10]。高锰酸盐指数通常可直接反映水质污染状况，生化需氧量能间接反映水体被有机物污染程度[11]，氮和磷则是导致水体富营养化的主要因素[7]。依据中华人民共和国《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)对水质评价指标的规定，结合对抚仙湖流域主要污染源，以及污染负荷与水体富营养化密切相关指标的调查[7]，选取高锰酸盐指数、生化需氧量、总磷和总氮年均值作为水质污染评价指数，见表1。表中1992—2001年数据来源于文献资料[6]，2006—2010年数据来源于《云南省环境状况公报》。

表1　1992—2010年水质污染指数

2研究方法

2.1土地利用分类体系

依据全国第二次土地调查结果并结合研究区实际情况，确定流域土地利用类型包括： ①耕地(水田、水浇地、旱地和大棚用地)； ②林地(有林地和天然林地)； ③建设用地(城镇用地、农村宅基地、商服用地、工矿仓储用地、公共管理与公共服务用地、空闲地、水工建筑用地和水利设施用地)； ④水体(河流水面、湖泊水面、水库水面、坑塘水面、内陆滩涂和沟渠)； ⑤草地(灌丛草地和茅草地)； ⑥裸地。由于研究区湖泊水面为研究的核心，交通运输用地对景观格局研究意义较大，因此最终将湖泊水面与交通运输用地分别作为第⑦类和第⑧类土地利用类型进行分析研究。

2.2遥感影像分类

利用ENVI5.0软件，对影像进行最大似然分类。依据经验知识，建立样本影像要素特征的直接解译标志，并结合Google Earth高分辨率影像等多种数据资料，作为间接解译标志进行影像解译。

为验证分类精度，分别于2013年7月10日，2014年1月14日开展了2次野外实地调查，并走访了解地表覆盖历史情况，获取324个地面点的实际土地利用类型数据，涵盖耕地、林地、裸地、水体等不同的土地利用类型，用于对2010年遥感影像分类进行精度评价。结果表明，地面点对应的影像分类中，正确的有253个，精度达78.09%。

2.3景观格局分析

目前基于遥感和GIS技术定量分析方法主要有景观格局指数分析法、空间统计分析法和景观格局变化动态模拟法3类。本文采用第一种，即通过高度浓缩景观结构组成、空间配置特征的景观格局信息来计算和分析景观格局特征，定量描述景观格局在不同时间和空间上的景观特征[12]。

通过ArcGIS10.0软件中Patch Analyst模块可以计算17个景观指数，依据景观的空间形态将其归为4类： 景观破碎化指数、景观边缘特征指数、景观形状指数和景观多样性指数。指标选取的依据原则有： ①反映研究区明显变化； ②能够同时描述景观形态与结构； ③在识别景观等级层次水平和景观特征尺度效应上具有敏感性和有效性[13]。本文最终选择6个景观格局指数[13-14]进行分析，分别为： 景观斑块类型的总数(number of patch，NUMP)，斑块面积标准差(patch size standard deviation，PSSD)，边缘密度(edge density，ED)，平均形状指数(mean shape index，MSI)，香农多样性指数(Shannon’s diversity index，SDI)和香农均匀度指数(Shannon’s evenness index，SEI)。

2.4水质相关性分析

相关分析是以相关系数为统计指标，度量变量之间的相关程度，常见的相关系数有Pearson，spearman和Kendall等。本文采用其中的Pearson相关系数。

Pearson相关系数反映两个变量之间线性相关程度，表现为一个常数，其值取决于抽样的样本[15]，即

(1)

式中:PXY为总体相关系数；Cov(X,Y)为随机变量X,Y的协方差；Var(X)，Var(Y)分别代表X和Y的方差。样本相关系数的计算公式为

(2)

利用SPSS19.0软件，对5期水质数据、土地利用数据和景观指数进行相关性分析，当系数为正时，表明该因素对污染物产生了正向作用，即加重了污染； 当系数为负时，表明该土地利用类型对污染物产生了负向作用，即减轻了污染。

3土地利用变化与水质关系分析

3.1土地利用类型变化分析

1992—2010年间研究区土地利用类型面积变化统计结果见表2。

表2　1992—2010年间土地利用类型面积变化

由表2可知，1992—2010年间抚仙湖流域围湖造田现象频繁，湖周边景区大开发、住宅修建等人为商业活动加剧，湖泊面积减少。随着经济快速发展，人均GDP增长近20倍，总人口密度呈现上升趋势[16]，交通运输用地由1.62 km2增长到7.56 km2，建设用地增加5.59 km2。流域内磷矿资源丰富，大面积的开采对地表植被造成了破坏，裸露地表增加1.18 km2。林地面积呈直线下降的趋势，变化面积占总面积的3.03%； 草地面积变化不明显、上下波动小，变化面积为4.71 km2。水体面积减少导致作物灌溉受限，耕地面积整体减少11.46 km2。

3.2土地利用类型结构转移变化分析

土地利用类型转移比例见图2。

图2　土地利用类型转移比例

由图2可知，土地利用类型结构转移明显。草地中有25.49%未发生转移变化，草地与耕地的转移面积比例为35%，与林地的转移比例为39%； 耕地中有61%未发生转移变化，与林地的转移比例为22%，与草地的转移比例为15%； 建设用地中44%未发生类型转移变化，42%从耕地转化而来； 交通运输用地中67%来源耕地，13%来自林地，仅9%为原有类型； 林地中有63%未发生转移变化，20%被耕地占用，16%转为草地； 裸地面积增长1.18 km2，其中有1.3 km2来自耕地，占转移量的78%； 水体减少量中有34%转为耕地，42%未发生变化。

流域内土地利用类型相互转换比例适中，单项类型转换频繁，整体类型转换相对平衡。裸地和交通运输用地转移变化明显，增量来自耕地，耕地减少后主要从林地中补偿，而林地缺乏补偿，导致持续下降。

3.3水质与土地利用变化分析

水质污染指数与土地利用类型的相关系数可描述水质与土地利用类型变化的相关关系，相关系数大于0表示正相关，土地利用类型变化会加剧水质污染指数的增加； 反之则为负相关，抑制水质污染指数的增加。水质污染指数与土地利用类型相关性分析见表3。

表3　水质污染指数与土地利用类型相关性分析

①*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关。

结果显示，高锰酸盐指数分别与林地在0.05置信水平显著负相关，与耕地呈负相关，与建设用地、草地在0.05水平显著正相关，与水体、交通运输用地和裸地相关系数均大于0.5，但显著性大于0.05，即相关但不显著。生化需氧量与耕地相关系数大于0.8，显著性小于0.1，与其他土地利用类型相比，显著性稍高。总磷与总氮与土地利用类型显著性均大于0.1，表示土地利用类型与总氮、总磷均相关，但不显著。

4景观格局变化与水质关系分析

4.1景观格局分析

4.1.1景观格局指数总体分析

1992—2010年间景观格局指数总体变化见表4。

表4　1992—2010年间景观格局指数总体变化

由表4可知，1992—2010年间，景观斑块指数呈上升趋势，斑块数目增加3 192块； 景观破碎化增大，边缘密度增加53.6； 土地利用类型景观平均斑块的边界弯曲程度增加，平均形状指数增加，受人类活动影响增大。斑块标准面积差降低，斑块间的面积变化差异降低，斑块面积均衡。香农多样性指数增加0.076，多样性变化小，香农均匀度指数也仅仅增加0.036，整个流域的土地利用类型破碎化增加，景观类型均衡度增加。

4.1.2景观类型指数分析

1992—2010年间，抚仙湖流域景观指数变化趋势明显(如图3所示)，土地利用类型斑块边缘密度指数上升，斑块平均形状指数增加，斑块类型异质性增强，反映斑块间物质与能量交换作用明显[21]。除建设用地和交通运输用地外，其余土地利用类型平均形状指数都增加，比较明显的是开采磷矿造成的裸地，平均形状指数增加0.56，景观破碎程度严重，建设用地和交通运输用地平均形状指数降低。耕地的边缘密度变化尤为突出，增加50.29。居民生产劳动将林地和耕地整体斑块分割为小单元种植区，以及交通运输用地的修建，导致整体斑块数量增加，斑块面积标准差变化大，整体斑块均衡水平降低。

(a) 平均形状指数变化 (b) 边缘密度指数变化

(c) 景观斑块类型的总数变化 (d) 斑块面积标准差变化

图31992—2010年间景观类型指数变化

Fig.3Changes of landscape indices from 1992 to 2010

4.2水质污染指数与景观指数变化分析

水质污染指数和景观指数的相关性分析结果见表5，香农多样性指数和香农均匀度指数与高锰酸盐指数在0.05水平上显著相关，香农多样性指数丰富，土地利用类型破碎化严重，平均斑块面积减小，污染物滞留时间短，大量进入水体。平均形状指数、边缘指数和斑块类型总数均与水质污染指数正相关，斑块面积标准差与水质污染指数负相关，原因可能在于斑块面积差异的变化大，破碎斑块间物质交换密集，污染物不容易流动，在斑块内被吸收和转化。

表5　水质污染指数与景观指数相关性分析①

①*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关。

5结论

1)本文利用RS、GIS技术并结合统计学相关性分析，探讨了抚仙湖流域近20 a间土地利用变化以及景观格局变化对水质的影响，分析了水质污染指数与各个环境要素之间的驱动机制，表明土地利用与景观格局可以作为研究抚仙湖水质变化的一个重要指标，从景观生态学角度揭示土地利用类型及其空间配置对水质变异的影响。

2)实验结果遵循土地利用格局对水质变化具有一定影响的结论，但本研究中采用的水质数据为年平均统计数据，只能进行土地利用与景观格局对水质影响的时间序列分析，不足以详细显示水质变化对其做出的具体响应。因此，建立多个观测点进行长时间序列观测，从空间上开展流域内不同土地利用配置对水质变化的研究更有必要。

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(责任编辑： 李瑜)

Relationship between land use pattern and water quality change in Fuxian Lake basin

YANG Yanan1, WANG Jinliang1, CHEN Guangjie1, XI Xiaohuan2, WANG Cheng2

(1.SchoolofTourismandGeographicalScience,YunnanNormalUniversity,Kunming650500,China; 2.KeyLaboratoryofDigitalEarth,InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciences,Beijing100094,China)

Abstract:The water quality of the Fuxian Lake basin has been deteriorating during the past 20 years. To evaluate the impacts of land use changes on water quality, the authors used Landsat TM and ETM+ from 1992 to 2010, in combination with GIS methods and correlation analysis, to explore the relationships of water quality with land use structure and landscape patterns respectively in the period of 1992—2010. The results showed that the surface water area, forest coverage and cultivated land area all displayed a decreasing trend, with a negative correlation of water quality with water area, forest coverage and cultivated land area respectively. There was a rapid expansion of transportation and construction land, which exhibited a significant positive correlation with water quality. Both the landscape diversity index and Shannon’s diversity index (SDI) exhibit a significant positive correlation with water quality, and landscapes become more fragmented with an increase in patch number and shape complexity.

Keywords:land use change; landscape indices; Fuxian Lake basin; water quality; correlation analysis

通信作者：王金亮(1963-)，男，教授，主要研究方向为遥感与GIS在资源环境方面的应用。Email: wang-jinliang@hotmail.com。

作者简介：第一 杨娅楠(1989-)，女，硕士研究生，主要研究方向为遥感技术及应用。Email: yayani2833@sina.com。

中图法分类号：TP 79

文献标志码：A

文章编号：1001-070X(2016)01-0159-07

基金项目：NSFC-云南联合基金项目“过去两千年多重环境压力对云南湖泊环境的影响及驱动机制研究”(编号： U1133601)、科技部国家重点基础研究发展计划(973计划)前期研究专项课题“抚仙湖生态环境变化的时空模式与流域开发影响机制评价”(编号： 2014CB460607)以及国家自然科学基金面上项目“基于星载GLAS与光学影像的森林生物量反演机理与方法研究”(编号： 41271428)共同资助。

收稿日期：2014-08-11；

修订日期：2014-10-28

doi:10.6046/gtzyyg.2016.01.23

引用格式： 杨娅楠,王金亮,陈光杰,等.抚仙湖流域土地利用格局与水质变化关系[J].国土资源遥感,2016,28(1):159-165.(Yang Y N,Wang J L,Cheng G J,et al.Relationship between land use pattern and water quality change in Fuxian Lake basin[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(1):159-165.)