田甲鳴,王延華,2,3,葉 春,張茂恒,2,3,張明禮

(1.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210023) (2.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210023) (3.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210023) (4.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012)

改革開放以來,隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,長江流域水環(huán)境問題日益凸顯. 1980—2010年,長江經(jīng)濟(jì)帶氮素輸入項(xiàng)中系統(tǒng)外源氮素輸入比例逐年增加,引起了全社會(huì)的廣泛關(guān)注[1-2]. 其中,面源排放已經(jīng)成為水環(huán)境污染的首要因子[3-4]. 太湖流域地處長三角經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū),人口密集,水網(wǎng)交織,稻麥輪作. 近幾十年來,隨著經(jīng)濟(jì)、人口和政策的變化,土地利用類型發(fā)生了較大轉(zhuǎn)變. 伴生的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活釋放的大量氮和磷,導(dǎo)致當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境氮和磷負(fù)荷日益加重,直接或間接地影響流域的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境演變[4-6]. 以往研究聚焦于脫氮除磷技術(shù)的研發(fā)和工程示范,取得了不錯(cuò)的效果[7],但是關(guān)于土地利用類型的時(shí)空變化對水環(huán)境污染負(fù)荷的影響少有涉及. 研究流域水體氮磷負(fù)荷對土地利用方式變化的響應(yīng),識(shí)別主要影響因子及其影響機(jī)制是目前迫切需要解決的問題. 本研究旨在通過對太湖流域1980—2010年間土地利用動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究,結(jié)合同期該區(qū)域水體氮磷負(fù)荷變化的分析,探討水體氮磷負(fù)荷對土地利用方式變化的響應(yīng)機(jī)制,從而為該流域可持續(xù)發(fā)展與環(huán)境修復(fù)提供借鑒.

1 材料與方法

1.1 圖像解譯

以1980年、1995年、2000年、2005年和2010年5期太湖流域1∶100 000的土地利用方式空間矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用ArcGIS10.3軟件的相關(guān)分析功能,依據(jù)我國土地分類系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究區(qū)土地利用類型解譯. 將太湖流域的土地利用類型分為6類:林地、草地、水域、建筑用地、耕地和未利用地.

1.2 動(dòng)態(tài)度與土地利用類型的狀態(tài)指數(shù)計(jì)算

單一土地利用動(dòng)態(tài)度分析[8]能夠用來體現(xiàn)太湖流域內(nèi)某段時(shí)間里的土地利用方式的變化,并且對未來太湖流域的土地利用發(fā)展趨勢具有一定的預(yù)測分析功能,計(jì)算式[9]見式(1):

Ci=[(V1-V2)/V1]/T×100%,

(1)

式中,Ci是太湖流域某段時(shí)間里第i類土地利用類型的面積動(dòng)態(tài)度. 若Ci>0,說明該地類面積在下降,若Ci<0,則說明該地類面積在上升;V1和V2分別代表了研究區(qū)初期和末期的第i類土地利用類型的面積(km2);T代表研究時(shí)長,若T的設(shè)定是年,Ci就是年動(dòng)態(tài)度.

在土地利用類型的轉(zhuǎn)換研究里,狀態(tài)指數(shù)可以比較清晰、直觀地體現(xiàn)土地利用類型的轉(zhuǎn)換趨勢. 通過對不同的土地利用類型面積的轉(zhuǎn)化速率的對比,運(yùn)用公式計(jì)算得到該種土地利用類型的狀態(tài)指數(shù)Di[8,10].

1.3 輸出系數(shù)模型選擇

面源污染是指以非點(diǎn)源形式進(jìn)入河流水網(wǎng)的各類污染來源[11-14]. 輸出系數(shù)法不僅精準(zhǔn)度高,且使用起來方便簡易,可以較好地和“3S”技術(shù)相結(jié)合,適用于研究非小尺度下的面源污染[15-18]. 輸出系數(shù)模型方程如式(2)所示:

(2)

本研究將氮和磷作為目標(biāo)污染物進(jìn)行研究. 式(2)中,Lj為污染物j在研究區(qū)域的總負(fù)荷量,單位 kg/(km2·a);i為太湖流域土地利用種類,合計(jì)m類;Eij為污染物j在第i種土地利用方式下的輸出系數(shù),單位kg/km2;Ai代表太湖流域里第i種土地利用方式的面積,單位km2.

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

太湖流域氮磷負(fù)荷的空間變異往往是多種源匯的綜合結(jié)果. 為了評估人為和自然因素對太湖流域水環(huán)境氮磷負(fù)荷的影響,對研究區(qū)氮磷面源污染負(fù)荷的影響因子進(jìn)行篩選. 采用SPSS18.0軟件將相關(guān)性較強(qiáng)的因子綜合在同一主成分中,各主成分彼此獨(dú)立,取小殘差絕對值和大累計(jì)方差百分比,分析主成分與原因子的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)的絕對值越大,表明主成分對該變量因子的代表性也越大. 進(jìn)行相關(guān)性分析的過程中,對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn).

2 結(jié)果與討論

2.1 1980—2010年太湖流域土地利用方式轉(zhuǎn)變

2.1.1 數(shù)量變化

1980—2010年總計(jì)5期30 m×30 m的太湖流域土地利用類型的解譯圖見圖1. 可見,太湖流域建筑用地面積逐年顯著增加,耕地面積減小,這和當(dāng)?shù)毓I(yè)發(fā)展及城鎮(zhèn)化進(jìn)程有很大關(guān)系. 為量化研究區(qū)各土地利用類型的轉(zhuǎn)化,計(jì)算了解譯出來的6種土地利用類型的面積占比,結(jié)果如圖2所示.

由圖2可知,1980—2010年間太湖流域的建筑用地和耕地面積變化最為明顯. 耕地面積占比由1980年的63.89%減少到2010年的47.02%. 而建設(shè)用地的面積占比由9.70%增加到25.16%. 圖1和圖2的研究結(jié)果可互為補(bǔ)充.

2.1.2 動(dòng)態(tài)度變化

基于各期不同土地利用類型的面積,運(yùn)用式(1)計(jì)算得到相對應(yīng)時(shí)期的土地利用類型的動(dòng)態(tài)度,結(jié)果見表1. 由表1可知,在1980—2010年間,太湖流域不同的土地利用類型變化速率依次為:未利用地>建筑用地>水域>耕地>草地>林地. 耕地(水田和旱地)動(dòng)態(tài)度基本大于0,說明近30年來,太湖流域耕地面積在不斷下降. 而建筑用地和水域動(dòng)態(tài)度一直小于0,表示建筑用地面積和水域面積在不斷升高. 未利用地、草地和林地動(dòng)態(tài)度有正有負(fù),總體上三者面積均呈上升趨勢,但未利用地和草地占總面積的百分比很小. 1980—2010年間,太湖流域耕地面積共減少6 327.33 km2,建筑用地面積增加了5 878.29 km2,水域面積略微增加. 建筑用地和水域面積的增加主要是占用了耕地. 城市化的發(fā)展促進(jìn)了建筑用地面積的擴(kuò)張.

表1 1980—2010年間太湖流域不同土地利用類型的動(dòng)態(tài)度變化Table 1 Dynamic degrees of different land use types in Taihu Lake basin during 1980-2010 %

2.1.3 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

使用ArcGIS的相關(guān)功能得到每期的不同土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣[19]. 計(jì)算出1980—2010年各期土地利用類型狀態(tài)指數(shù)Di(表2). 由表2可知,1980—1995年,太湖流域未利用土地和耕地的Di均大于0,表明這兩種土地利用類型的面積在不斷減少. 耕地的狀態(tài)指數(shù)為0.66,說明其面積下降速率相對比較快,轉(zhuǎn)出部分主要轉(zhuǎn)向了建筑用地. 林地、草地、水域和建筑用地的Di均為負(fù)值,可見其面積都在擴(kuò)增,其中建筑用地的狀態(tài)指數(shù)為-0.71,增速最快,且主要來自耕地. 1995—2000年,太湖流域水域和建筑用地Di均為負(fù)值,其變化趨勢同1980—1995年. 林地、草地、未利用土地和耕地的面積都在縮減,且耕地轉(zhuǎn)向建筑用地部分占總轉(zhuǎn)出部分的63.35%. 2000—2005年,太湖流域草地和耕地面積在減小,林地、水域、建筑用地和未利用土地的面積在擴(kuò)增.其中,建筑用地的土地利用類型Di絕對值最大,說明建筑用地的轉(zhuǎn)換速率最快,且94.9%來源于耕地. 2005—2010年,太湖流域林地和耕地的面積在縮減,草地、水域、建筑用地和未利用土地的面積在擴(kuò)增. 和2000—2005年一樣,建筑用地的土地利用類型Di為 -0.54,91.0%來自耕地. 可見,1980年以來的30年間,建筑用地Di絕對值最高,面積變化量最大.林地、水域和建筑用地90%以上的面積增加都來源于耕地面積的減小.

表2 1980—2010年各期土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣及狀態(tài)指數(shù)Table 2 Transfer matrix and status index of land use types during 1980-2010

2.2 不同土地利用方式下氮磷排放的年際變化特征

由表3可知,太湖流域不同土地利用方式下1980年、1995年、2000年、2005、2010年總氮(TN)排放量均呈逐年持續(xù)上升的勢頭,分別為3.71萬t/a、3.73萬t/a、5.76萬t/a、5.85萬t/a、6.15萬t/a. TN負(fù)荷的最大貢獻(xiàn)均來自耕地. 林地、草地和未利用地的TN負(fù)荷變化不大,且草地和未利用地TN負(fù)荷極少. 水域和建筑用地的TN負(fù)荷逐年持續(xù)上升.

表3 1980—2010年太湖流域不同土地利用方式下總氮負(fù)荷量Table 3 The TN load in different land use types in Taihu Lake basin during 1980-2010 104 t/a

太湖流域不同土地利用方式下總磷(TP)排放量也逐年上升(表4). 1980年、1995年、2000年、2005年、2010年分別為0.33萬t/a、0.33萬t/a、0.35萬t/a、0.52萬t/a、0.85萬t/a. 其中,林地、草地和未利用地排放磷負(fù)荷極小且變化不大.耕地的磷負(fù)荷每年略微縮小. 水域和建筑用地對水體磷負(fù)荷的貢獻(xiàn)逐年增加.

表4 1980—2010年太湖流域不同土地利用方式下總磷負(fù)荷量Table 4 The TP load in different land use types in Taihu Lake basin during 1980-2010 104 t/a

由計(jì)算結(jié)果可知,不同土地利用類型對氮磷輸出負(fù)荷的影響較為顯著.而輸出系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果是由輸出系數(shù)與土地利用類型的面積所決定,即某土地利用類型的面積越大或者輸出系數(shù)越高,其輸出的氮磷負(fù)荷越高. 輸出系數(shù)又是由降雨強(qiáng)度、地形地貌、氣候、土壤類型、植被類型、豬、牛、羊、家禽、農(nóng)村和城鎮(zhèn)人口、居民面源污染的排放和處理情況等因素通過多元線性相關(guān)分析所確定[20]. 由此可以得出,推動(dòng)城市化發(fā)展、減少農(nóng)藥及化肥的使用量、提高土壤肥力和利用效率、合理管理農(nóng)村生活污水和生活垃圾的排放、優(yōu)化畜禽養(yǎng)殖業(yè)的技術(shù)水平等是減少太湖流域氮磷負(fù)荷量的關(guān)鍵因素.

2.3 土地利用方式變化對流域面源污染的影響

2.3.1 輸出系數(shù)確定

本研究的輸出系數(shù)參照了有關(guān)區(qū)域的統(tǒng)計(jì)年鑒以及前人研究的相關(guān)成果[21-27]. 其中,耕地的輸出系數(shù)分為水田和旱地兩類,具體見表5.

表5 太湖流域不同土地利用類型氮磷輸出系數(shù)表Table 5 Output coefficients of TN and TP loads in different land use types in Taihu Lake basin

2.3.2 影響因素解析

選取人口密度X1、人均GDPX2、城鎮(zhèn)化率X3、建筑用地面積占比X4、耕地面積占比X5和污水排放量X66個(gè)因子,運(yùn)用SPSS18.0軟件的主成分分析功能對太湖流域1980—2010年的因子數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示. 可見,6個(gè)因子中,X5逐年減小,X1、X2、X3、X4和X6逐年顯著增加. 這也與土地利用方式的解譯結(jié)果(圖1和圖2)相一致.

表6 1980—2010年各因子變化Table 6 The data of variables during 1980-2010

表7 主成分分析太湖流域氮磷負(fù)荷的影響因子Table 7 Principal components analysis of variables influencing the TN and TP loads in Taihu Lake basin

根據(jù)表6數(shù)值,提取出特征值大于1的主成分F1,見表7. 主成分解釋方差的比例越大,表明主成分包含原有變量信息量越多.

F1=0.173X1+0.174X2+0.166X3+0.174X4- 0.175X5+0.166X6.

(3)

F1集中了原始變量94.30%的信息. 式(3)給出了F1與6個(gè)因子的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)無顯著差異.F1與因子X5(耕地面積占比)負(fù)相關(guān),說明隨著耕地面積的減小,F1增大. 與其余5個(gè)因子正相關(guān). 研究結(jié)果與相關(guān)研究者的研究結(jié)果具有較好的一致性[28-30],且符合城市化發(fā)展的一般規(guī)律.

3 結(jié)論

(1)1980—2010年,隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn),太湖流域耕地縮小速率較快,2010年比1980年縮小了16.87%. 林地面積小幅減小. 草地、水域、建筑用地和未利用地面積在擴(kuò)增且建筑用地面積擴(kuò)增速率最快(15.46%). 耕地面積縮減速率和建設(shè)用地面積擴(kuò)增速率逐年加快,雖然水域和建筑用地面積的增加主要占據(jù)的是耕地,但該區(qū)域仍然以耕地面積為主.

(2)1980—2010年,不同土地利用類型的狀態(tài)指數(shù)大小為:建筑用地>耕地>未利用地>水域>林地>草地. 轉(zhuǎn)移矩陣分析結(jié)果顯示,1980年以來的30年間,建筑用地Di值偏負(fù),-0.54～-0.97,耕地Di值偏正,0.46～0.94,二者面積變化量最大. 林地、水域和建筑用地90%以上的面積增加都來源于耕地面積的減小.

(3)輸出系數(shù)模型計(jì)算結(jié)果顯示太湖流域不同土地利用方式下氮排放對水域TN負(fù)荷的貢獻(xiàn)呈上升趨勢,從3.71萬t(1980年)到6.15萬t(2010年). TP負(fù)荷變化趨勢與TN類似,從0.33萬t(1980年)增加到了0.85萬t(2010年). 人類活動(dòng)是導(dǎo)致這一變化的關(guān)鍵因素. SPSS主成分分析說明人口密度、人均GDP、城鎮(zhèn)化率、建筑用地面積變化和污水排放量是主要驅(qū)動(dòng)力.