常熟市水體氮負荷對土地利用方式的響應①

陳 西，王延華,3,4,5*，蔡祖聰,3,4,5，周 偉，楊 浩,3,4,5

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常熟市水體氮負荷對土地利用方式的響應①

陳 西1，王延華1,3,4,5*，蔡祖聰1,3,4,5，周 偉2，楊 浩1,3,4,5

(1 南京師范大學地理科學學院，南京 210023；2中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；3 江蘇省物質循環與污染控制 重點實驗室，南京 210023；4江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，南京 210023；5 南京師范大學虛擬地理環境 教育部重點實驗室，南京 210023)

為研究水環境變化對土地利用方式的響應，以常熟地區為例，利用ArcGIS10.0空間分析功能和SPSS相關性分析方法，對常熟市各土地利用類型和水體總氮含量進行了分析。結果表明：1990—2010年間常熟地區耕地和水域面積在持續縮減，建設用地和林地面積在增加；各土類狀態指數(D)大小依次為：建設用地>林地>草地>耕地>水域；建設用地面積的增加主要占據的是耕地和水域，水域面積的縮減主要被耕地占用；耕地面積與水體總氮含量呈顯著性負相關關系(= –0.959*，<0.05)，說明種植型污染貢獻比例在下降；林草地與水體總氮含量無顯著相關性；建設用地與水體總氮含量呈顯著性正相關關系(= 0.929*，<0.05)，說明建設用地造成了點源污染。

常熟市；水體氮負荷；土地利用類型；轉移矩陣；Pearson相關分析

隨著經濟發展和城市化進程加快，生活污水的直接排放和農田大量化肥的投入使得區域環境問題越發嚴重[1-3]。近年來，土地利用方式與水環境質量關系的研究引起學者的廣泛關注[4-8]。不同的流域因土地利用方式及影響因素的不同，水環境對土地利用方式的響應結果存在差異[4-5,9]。

據報道，太湖流域總氮負荷量的51.3% 來自于農業面源污染，其中25.5% 來自于農田種植業[2]。伴隨產業結構調整，常熟市土地利用方式也發生了相應變化[10]。近年來，農作物種植過量施用氮肥，常熟市農田平均施氮水平為570 ~ 600 kg/(hm2·a)，化肥利用率僅為30% ~ 35%[11]，余下大部分隨地表徑流和地下滲漏進入水體，極大增加了肥料的徑流損失率和淋溶損失率，必將加大水體氮負荷。而太湖地區畜禽養殖的突出特點是許多養殖場建于河旁與湖濱地帶，甚至直接建于河湖水體內，造成大量氮素盈余于水體[11]。當地畜禽糞便處理率約為65%，在未經處理的禽畜排泄物中，近30% 直接進入水體[12]。如不加以適當調控，常熟地區氮負荷將增大到什么程度？識別土地利用方式對水環境的影響程度，研究長效調控機制是目前迫切需要解決的問題。本研究旨在通過對常熟市1990—2010年間土地利用動態變化進行研究，結合同期該區域水體氮負荷變化的分析，探討水體氮負荷對土地利用方式變化的響應機制，從而為該地區經濟發展與環境治理提供參考。

1 研究區概況

常熟市位于太湖平原北部，屬蘇州市，地處120°33′~121°03′ E，31°33′~31°50′ N，北接長江，東臨上海(圖1)。境內地勢較低平，河網交織，以城區為中心成放射狀分布且南密北稀，主要河湖有常滸河、望虞河、昆承湖和尚湖等。氣候溫和濕潤，四季分明，年均降水量約1 135.4 mm，年均溫16.2℃。截至2010年常熟市總面積1 276 km2，其中建設用地面積338.9 km2，水域面積215.47 km2，耕地面積706.5 km2。主要作物為水稻和小麥，一年兩熟。作物肥料中，化肥投入量大，化肥的當季利用效率僅為30%，區域水體嚴重惡化[11]。

圖1 常熟區位及行政區劃

2 研究方法

2.1 圖像解譯

基于1990年、2000年、2005年和2010年4期空間分辨率為30 m × 30 m的常熟市土地利用類型分布圖，借助ArcGIS進行前期的幾何校正、空間配準、空間分析，并按照全國土地分類系統標準進行解譯，將研究區土地利用類型分為5大類，分別為草地、水域、耕地、建設用地和林地。后期利用Adobe Photoshop (CS 5)等軟件進行圖片處理和完善。

2.2 動態度分析

土地利用類型變化、利用程度變化和變化的區域差異是土地利用動態度研究的3個主要方面，其中單一土地利用動態度是土地利用動態度分析的方法之一，可用來描述某區域某時段內某種土地利用類型的變化程度，并對未來該區域的土地利用變化趨勢具有一定的科學預測作用。其表達式[13]為

R=[(a–b)/a]/× 100% (1)

式中：為研究區域的某種土地利用方式在某時段內的動態率，為正值，則該類土地面積有縮小趨勢，反之有增大趨勢；a和b分別為該研究區期初和期末的某種土地利用方式的面積；為研究時段長，當設定為年時，即為年動態率。

2.3 土地利用類型狀態指數獲得

在土地利用/覆被變化中，狀態指數可以清楚地反映某土地利用類型的轉換趨勢和狀態，通過對某土地利用類型的轉入和轉出速度比較，利用公式(2)計算該土地利用類型的狀態指數D[14]。

D=(out-in)/(out+in) (–1≤D≤1) (2)

式中：D為研究區某時段內某土地利用類型的狀態指數，其意義見表1。in和out表示研究區某時段內某土地利用類型的轉入和轉出速度。

表1 參數Di值的不同范圍及意義對照表

2.4 相關性分析

基于解譯后常熟市土地利用方式數據和常熟市氮負荷監測數據，運用SPSS和Excel等軟件對數據進行處理，從而對該區域水體氮負荷對土地利用方式變化的響應程度進行分析。首先對研究區水體總氮含量的影響因子進行選取[22]，再進行曲度估計，選取適合的函數對數據進行分析。曲度估計結果顯示各影響因子和水質數據呈現線性關系，因此，本文采用的是皮爾遜(Pearson)相關性分析[14]，其是一種度量兩個變量間相關程度的統計學方法，相關系數用表示。在用SPSS軟件進行相關性分析過程中，對所有數據進行顯著性檢驗。

3 結果與討論

3.1 土地利用數量變化特征

運用ArcGIS10.0軟件的空間分析和統計功能分別解譯獲得1990年、2000年、2005年、2010年常熟市各類土地利用類型分布圖，并計算得到各土地利用類型的面積比例，結果見圖2。由圖2可知，1990—2010年間常熟市耕地和建設用地變化幅度最大，耕地面積比例由1990年的68.93% 降到2010年的55.33%，而建設用地面積比例由1990年的11.36% 升高到2010年的26.54%。2005—2010年間，常熟市耕地和建設用地比例的變化幅度最大，這和該地區的城市化進程有很大關系。其他用地類型，在1990—2010年間，草地面積比例較低且基本保持不變，林地面積比例略有增加。水域面積在1990—2000年期間比例增高，而在2000—2010年間比例下降，總體水域面積比例呈下降趨勢，可能是城市化建設和圍湖造田等原因導致[10]。

圖2 1990—2010年間常熟市各土地利用類型年際變化

3.2 土地利用時空變化特征

3.2.1 土地利用類型動態變化特征 根據1990—2010年各期土地利用類型的面積(表2)，由公式(1)計算可得出相應時期土地利用類型動態度(表3)。由表2和表3可知，在1990—2010年間，常熟市土地利用類型變化速度依次為：建設用地>草地>林地>耕地>水域，并且耕地動態度一直為正值，說明近20 a來，常熟市耕地面積在不斷縮少；而建設用地動態度一直為負值，表示建設用地面積在不斷擴加。草地和林地動態度有正有負，總體上二者面積呈擴大趨勢，但占總土地面積比例很小。水域動態度在1990—2000年間為負值，水域面積略有增加，而在2000—2010年間，水域面積在縮小。1990—2010年間，常熟市耕地面積共減少了173.64 km2，水域面積減少了24.54 km2，建設用地面積增加了193.84 km2。可基本說明建設用地面積的增加主要是占用了耕地和水域；城市化的發展促使了建設用地面積的擴張，并且擴張的速度在增快，但總體上常熟地區土地利用類型仍然以耕地為主。

表2 1990—2010年常熟各土地利用類型面積(km2)

表3 1990—2010年常熟各土地利用類型的土地利用動態度(%)

3.2.2 土地利用類型轉移矩陣 利用ArcGIS10.0空間分析功能計算每期各土地利用類型轉移矩陣[17]，再利用公式(2)計算1990—2010年各期土地利用類型狀態指數D(表4)。由表4數據可以得出：

1) 1990—2000年，常熟市水域和建設用地狀態指數為負值，表明二者土地面積不斷增加，其中建設用地狀態指數為–0.40，增速較快，增加了約55.52 km2，主要來自于耕地。水域狀態指數為–0.23，增速較慢，轉入部分也主要來自于耕地，原因一方面是農業結構調整，水產養殖業的興起，另一方面是“八五”期間常熟市政府總結洪澇災害經驗教訓，掀起大干水利熱潮并取得顯著成效[10]。草地、耕地和林地狀態指數皆為正值，表明其占地面積都在縮小。耕地狀態指數為0.36，面積縮減速度最快，縮減了約84.54 km2，轉出部分主要轉向了水域和建設用地。主要原因可能是常熟市加強城鄉規劃，進行老城區改造，全面開展招商引資，從而促使了建設用地面積的擴張[10]。

2)2000—2005年，常熟市草地、林地和建設用地面積都在增加，水域和耕地面積在縮減。建設用地面積的增加主要來自于耕地和水域，增加了約84.75 km2。耕地面積主要轉移到水域和建設用地，縮減了約92.45 km2。水域轉出部分主要轉向了耕地，縮減了約32.63 km2，其中轉向耕地部分占總轉出部分的76.62%。林地、草地面積的增加主要是常熟市加大了城鎮景觀改造、綠化建設和防護林及經濟林建設的力度。

3)2005—2010年，常熟市建設用地和林地面積在增加，水域、耕地和草地面積在縮減。建設用地狀態指數達到–0.96，說明在此期間，建設用地面積擴展速度較快。建設用地的轉入部分主要來自于耕地，約占總轉入部分的92.97%。耕地轉出部分主要轉向了建設用地和水域，其中轉向建設用地部分占總轉出部分的83.97%。水域轉出部分主要轉向了耕地，共縮減了37.62 km2。在此期間，除了草地，其他土地利用類型狀態指數絕對值均達到最大，表明常熟市各土類轉換速度加快，也間接地說明研究期間常熟市的城市化速度在加快，林地面積的增加說明1999年以來的退耕還林國策取得一定的成效。

表4 1990—2010年各期土地利用類型轉移矩陣及狀態指數

4)1990—2010年，常熟市草地、建設用地和林地的面積在增加，水域和耕地面積在縮減。其中，草地、林地的面積比例較小，總變化面積相對較小。建設用地面積變化量最大，建設用地面積的增加主要占用的是耕地，原因是城市化的發展促使城鎮用地的擴張而占用了大量的耕地資源。水域面積減少的原因主要是被耕地占用，原因可能是人口增加，耕地資源緊張，占用部分水域造田或局部地區農業結構調整、農田規劃導致。

對比1990—2010年間3期各土地利用類型轉化量累和與總轉化量，發現前者大于后者，說明常熟市各土地利用類型在此期間有重復轉化的現象，即一種土地轉化成其他土類后可能在另一時段中再轉回本類，也間接表明政府階段性的政策調整。例如：1990—2000年間，耕地轉入水域面積32.08 km2，而水域轉入耕地只有18.63 km2，是因為在此期間興修水利、退田還湖和水產養殖占用不少耕地；而2000—2005年間，耕地轉入水域量在減少而水域轉入耕地量在增多，一方面是人口增加耕地資源緊張圍湖造田，另一方面是水產養殖業的結構調整，為提高養殖效率而退湖還田[10]。

3.3 水質對土地利用方式的響應

對影響水質的相關因子進行篩選，保留了耕地面積、建設用地面積、林草地面積、單位面積農業產值、單位面積非農業產值、人口和單位面積氮肥投入量[8]7個因子，統計了研究區內文獻中的水質數據，利用SPSS18.0軟件對研究區1990—2010年的數據進行了分析，結果見表5。

表5 1990—2010年各因子與水體總氮含量相關性

注：**表示在<0.01 水平(單側)極顯著相關；表示在在<0.05 水平(單側)顯著相關；CODMn表示用高錳酸鉀測定的化學需氧量。

由表5可知，在1990—2010年間，影響因子中的建設用地面積和單位面積氮肥投入量與水體總氮含量呈顯著性正相關關系，耕地面積與水體總氮和總磷含量呈顯著負相關關系。其中，林草地面積與水體總磷含量呈極顯著正相關關系，與總氮含量無顯著相關關系，與其他學者研究結果有差異[4-7]。原因一方面可能是常熟的林草地面積比例較小且總面積增幅較緩；另一方面，從常熟市各土地利用類型分布圖上可以看出，林草地基本上集中在虞山國家森林公園，其他區域較少，對該市總的水質調節作用有限。此外，耕地面積與CODMn含量、化肥投入量與總磷含量都無顯著相關關系，可能是該研究時間跨度長，受政策等其他因素影響較大。例如，2010年常熟地區水體總氮為2.77 mg/L，較2006年水質改善[19]。近些年來常熟市政府重視環境治理與保護，特別是2007年“無錫供水危機事件”后加強了對尚湖、昆承湖等區域的水環境修復和生態建設，取得了一定成效，短期內水質有改善趨勢，這對相關性分析結果有較大影響。但，該區域水質整體上仍在劣Ｖ類級別，水環境污染嚴重，水治理刻不容緩。

常熟市水體總氮含量和單位面積化肥投入量(折純量)呈極顯著正相關關系(=0.993**，<0.01)，說明常熟市農業化肥的過量投入是造成水體總氮含量增加的一個重要因素。而根據表5可知，耕地面積與水體總氮含量呈負相關關系(= –0.959*，<0.05)，可能是常熟市城市化率由1990年的17.20% 增長到2005年62.30%[10]，城市化比例大大增加，促使了建設用地面積的擴張，一方面促使農村人口流入城市，農村勞動力減少；另一方面，建設用地占用了大量的耕地，二者都使得農村耕地總面積在縮減，從而使耕地面積和水體總氮含量呈現了負相關關系，但這種單位面積的化肥高投入方式對水體總氮濃度的貢獻不容忽視。

農業面源污染仍然是太湖流域水體污染的主要來源，而農業面源污染中，畜禽養殖、種植業和生活用水占主要部分[2]。據統計年鑒[10]知(表6)，該區域單位面積化肥投入量在不斷增加，且高于全國其他地區[22]，但自2010年以來，總施肥量基本保持穩定不變[10]。鑒于耕地面積縮減且縮減速度加快，隨著畜禽養殖量、淡水養殖量和人均污水排放量的增加[25]，種植型污染對水體氮負荷的貢獻比例可能會降低，而生活型和人畜排放型污染比例可能會增加。由于人口的迅速增加，城市建設用地的擴張，不注重環保以及不完善的污水處理系統[26,29]等因素，使得水體中的氮負荷越來越重，并且污染源也呈現出生活污水型和人畜排放型特征[19]，這也解釋了耕地面積與總氮的負相關關系，并且與張大偉等[6]、Jung等[23]的研究結果相同。

由圖3可知，常熟市水體總氮含量和年單位面積淡水養殖量變化具有良好的一致性。常熟地區養殖業的突出特征是許多養殖場建于河旁與湖濱地帶，甚至直接建于河湖水體內[28]。在常熟畜禽養殖氮素流動系統中，約83.6% 的氮素由禽畜糞尿排出，約52% 的氮素進入水體[24]。而當地畜禽糞便處理率約為65%，在未經處理的禽畜排泄物中，近30% 直接進入水體，造成了大量氮素盈余于水體。隨著人口的增加，畜禽養殖的需求加大和不完善的糞便處理系統，將使得進入水體的氮素進一步富集[27,30]。

表6 單位面積化肥投入、淡水養殖產量及生活污水排放量

圖3 1990—2010年間常熟市水體總氮含量和單位面積淡水產養殖量[10]

4 結論

1)1990—2010年，常熟市耕地和水域面積在縮小，建設用地和林地面積在增加。耕地面積縮減速度和建設用地面積增加速度逐年加快，而該區域仍然以耕地面積為主。

2)1990—2010年，各土地利用類型狀態指數(D)大小依次為：建設用地>林地>草地>耕地>水域；其中，變化量最大的兩種土地類型為建設用地和耕地。根據轉移矩陣數據分析可知，建設用地面積的增加主要占據的是耕地和水域，水域面積的縮減主要被耕地占用。

3)由相關性分析可得：水體總氮含量與建設用地面積、化肥投入量以及養殖業呈顯著正相關關系，與耕地面積呈顯著負相關關系，說明不合理的土地利用方式、種植業導致的農業面源污染以及養殖業帶來的地表徑流加重了當地水體富營養化。

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Responses of Nitrogen Load in Water Body to Land Use Types in Changshu City

CHEN Xi1, WANG Yanhua1,3,4,5*, CAI Zucong1,3,4,5, ZHOU Wei2, YANG Hao1,3,4,5

(1 School of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 2 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3Jiangsu Provincial Key Laboratory of Materials Cycling and Pollution Control, Nanjing 210023,China; 4 Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China; 5 Key Labortory of Virtual Geographic Environment, Ministry of Education, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China)

Changshu City was taken as the study area to explore the response of water quality variation to land use patterns. GIS space technology and SPSS correlation analysis were used to compare land use patterns and total nitrogen (TN) contents in the water body. Results showed that from 1990 to 2010, the areas of farm land and water body decreased continuously, while the areas of construction land and forest land increased. The status index(D)of land use pattern was in an order of constructed land>forest>grass land>farmland>water area. The increase in construction land was mainly come from cultivated land and water area, and the reduction of water area is mainly occupied by cultivated land. The area of cultivated land was significantly negatively correlated with the total nitrogen content of the water body (= –0.959*,<0.05), indicating that the proportion of pollution derived from crop-faming was declining. There was no significant correlation between the areas of forest land and grassland and the TN content of the water body. There was a significant positive correlation between the area of construction land and the TN content of the water body (= 0.929,<0.05), indicating that the construction land caused point source pollution.

Changshu City; Nitrogen load in the water body; Land use type; Transfer matrix; Pearson correlation analysis

國家自然科學基金項目(41273102)、國家重大科學研究計劃項目(2014CB953801)和南京師范大學百人計劃項目(184080H20181)資助。

(wangyanhua@njnu.edu.cn)

陳西(1993—)，男，安徽滁州人，碩士研究生，研究方向為氮素遷移轉化對環境的影響。E-mail: chenxi_njnu@126.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.04.004

X502

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