星云湖流域地表覆被變化與湖泊環(huán)境狀況關(guān)聯(lián)分析

易達(dá)，甘淑，余章蓉

(昆明理工大學(xué) 津橋?qū)W院，云南 昆明 650000)

土地利用/覆蓋變化是全球變化研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一[1]。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者就不同區(qū)域土地利用、土地覆蓋變化相繼開(kāi)展研究[2-3]，但國(guó)內(nèi)外關(guān)于土地利用/土地覆蓋的研究多表現(xiàn)為大區(qū)域的研究和城市化區(qū)域范圍內(nèi)的研究，過(guò)程上多通過(guò)2～3個(gè)典型年份的土地利用變化來(lái)進(jìn)行分析，并探索土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力機(jī)制。關(guān)于云南高原土地利用變化的研究多集中于瀾滄江、金沙江等流域，而涉及星云湖流域這樣的高原湖泊流域尺度的土地利用變化及驅(qū)動(dòng)力機(jī)制研究還很少見(jiàn)。

在人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的區(qū)域生態(tài)環(huán)境問(wèn)題中，土地利用/覆蓋變化過(guò)程對(duì)區(qū)域生態(tài)安全起著決定性的作用。由人類(lèi)土地利用活動(dòng)造成的土地覆蓋改變必然會(huì)影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，對(duì)區(qū)域氣候、水文、生物地球化學(xué)循環(huán)及生物多樣性等產(chǎn)生重大影響，從而導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)安全的變化[4-5]。本文從綜合影響出發(fā),選擇了最能表述人類(lèi)活動(dòng)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響的土地利用與土地覆蓋變化(LUCC)因子，以此作為湖泊流域環(huán)境變化研究的切入點(diǎn)和立足點(diǎn)，研究星云湖LUCC的時(shí)空變化及其與導(dǎo)致這種變化的驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系，旨在揭示人地系統(tǒng)相互作用的內(nèi)在機(jī)制，并以此預(yù)測(cè)星云湖未來(lái)生態(tài)環(huán)境的發(fā)展趨勢(shì)，從而采取相應(yīng)的對(duì)策[6]。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取及遙感預(yù)處理

星云湖是云南滇中的典型高原湖泊之一。湖泊位于云南省玉溪市江川縣境內(nèi)，當(dāng)水位達(dá)到1 722.5 m高程時(shí)，湖面面積3.433×107m2。

所用的3景研究區(qū)影像數(shù)據(jù)分別為成像于1996、2005、2014年的Landsat TM數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m。為了便于技術(shù)處理，首先對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何精校正，并結(jié)合研究區(qū)地表覆被圖像特性進(jìn)行預(yù)處理，使得提取地表覆被類(lèi)型的信息更加明顯[7]。

1.2 地表覆被類(lèi)型分類(lèi)體系

開(kāi)展地表覆被分類(lèi)研究，首先要明確利用遙感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的地表覆被類(lèi)型的分類(lèi)體系。通過(guò)比較多種地表覆被分類(lèi)體系后，選用安德森分類(lèi)體系中的第一層次[8]，將研究區(qū)地表覆蓋類(lèi)型分為6類(lèi)：建設(shè)用地，包括住宅、商業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸公共業(yè)、混合城市建設(shè)用地；農(nóng)用地，包括農(nóng)田、果園、葡萄園、苗圃；草地，包括草本、灌木和混合牧場(chǎng)；林地，包括落葉林、常綠林和混交林；水域，包括水庫(kù)、沿岸水源；未利用地，包括巖石裸地、采石場(chǎng)、建筑工地、土路。

1.3 地表覆被分類(lèi)遙感監(jiān)測(cè)處理

傳統(tǒng)的分類(lèi)方法中通常以像元作為分類(lèi)對(duì)象進(jìn)行遙感信息提取，這種方法建立在地物間光譜差異較為明顯的基礎(chǔ)上，對(duì)于只含有較少波段的高分辨率遙感影像，傳統(tǒng)的分類(lèi)方式會(huì)導(dǎo)致分類(lèi)精度降低，不利于空間分析。圖斑包含的信息比單個(gè)像元更加豐富，包括光譜信息和形狀、大小、紋理、位置等特征信息[9]。面向?qū)ο蟮姆诸?lèi)技術(shù)采用圖斑作為分類(lèi)對(duì)象進(jìn)行信息提取，可綜合利用遙感影像的光譜、形狀、紋理等信息，因此，其分類(lèi)效果更為客觀與精確可靠。

本文采用基于樣本的分類(lèi)方法。具體地：運(yùn)用ENVI 5.0EX模塊作為數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，分割閾值設(shè)為30，合并分塊閾值設(shè)為70[10]，依照1.2節(jié)的地表覆蓋分類(lèi)依據(jù)，選取具有典型性和代表性的訓(xùn)練樣區(qū)，最終得到3個(gè)評(píng)估年6種地表覆被類(lèi)型的圖像分布(圖1)。

圖1 1996年、2005年、2014年地表覆被分類(lèi)結(jié)果

1.4 地表覆被分類(lèi)遙感監(jiān)測(cè)精度評(píng)估

針對(duì)遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果，構(gòu)建精度評(píng)價(jià)混淆矩陣。通過(guò)使用面向?qū)ο蟮姆诸?lèi)方法，對(duì)星云湖流域進(jìn)行地表覆被分類(lèi)。3個(gè)評(píng)估年的分類(lèi)精度如下：1996年圖像分類(lèi)總體精度為95.24%，卡帕系數(shù)為0.93；2005年圖像分類(lèi)總體精度為96.34%，卡帕系數(shù)為0.95；2014年圖像分類(lèi)總體精度為98.00%，卡帕系數(shù)為0.97。

2 結(jié)果與分析

2.1 星云湖水質(zhì)環(huán)境狀況

根據(jù)星云湖“十一五”“十二五”規(guī)劃中關(guān)于星云湖的水質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，得到星云湖1996—2014年的營(yíng)養(yǎng)指數(shù)及變化趨勢(shì)(圖2)。

圖2 星云湖1996—2014年水體營(yíng)養(yǎng)指數(shù)動(dòng)態(tài)變化

20世紀(jì)90年代末期，星云湖水體營(yíng)養(yǎng)指數(shù)超過(guò)50，進(jìn)入富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，之后水體營(yíng)養(yǎng)指數(shù)急劇上升，由2000年的輕度-富營(yíng)養(yǎng)發(fā)展到2003年的中度-富營(yíng)養(yǎng)。2010年星云湖水體營(yíng)養(yǎng)指數(shù)為66.37，屬于中度-富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。星云湖1996—2000年水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)為Ⅲ類(lèi)，2001年為Ⅳ類(lèi)，2002年水質(zhì)降為Ⅴ類(lèi)，2005年水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，接近Ⅳ類(lèi)，2014年惡化至劣V類(lèi)。

由于水質(zhì)惡化和不合理的養(yǎng)殖，湖泊生物多樣性受到嚴(yán)重破壞，大型水生生物急劇減少，種群結(jié)構(gòu)向不良方向發(fā)展，沉水植物和挺水植物近年來(lái)大量消亡，藻類(lèi)數(shù)量急劇增加，魚(yú)類(lèi)品種單一，水體的生物調(diào)控能力下降，生態(tài)系統(tǒng)失衡，富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題突出[11]。同時(shí)，天然湖濱帶濕地被大規(guī)模圍墾，破壞了湖泊的良性生態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)湖泊水功能產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。

2.2 流域地表覆被遙感探測(cè)結(jié)果分析

研究區(qū)地表覆被分類(lèi)遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果的結(jié)構(gòu)比例統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。可以看出，以農(nóng)用地和建設(shè)用地變化最為劇烈。1996—2014年，建設(shè)用地占比從1996年的2.69%增長(zhǎng)至2014年的6.30%；農(nóng)用地由1996年的14.77%增長(zhǎng)至26.23%。整體來(lái)看，這兩種用地類(lèi)型面積的增長(zhǎng)主要由草地、未利用地轉(zhuǎn)換而來(lái)。

表1 不同時(shí)期土地利用和地表覆蓋分類(lèi) 面積占比變化

2.3 湖泊水環(huán)境與流域地表覆被變化的關(guān)系

地表覆被變化對(duì)水資源環(huán)境及流域生物完整性有直接影響。在水循環(huán)過(guò)程中，無(wú)論是生活污水、工業(yè)廢水，還是農(nóng)田灌溉廢水，都含有大量的環(huán)境污染物[12]。這些攜帶大量污染物的水，無(wú)論是參與水的自然循環(huán)還是參與水的社會(huì)循環(huán)，都會(huì)對(duì)水循環(huán)作用產(chǎn)生不良影響[13]。結(jié)合星云湖流域?qū)嶋H狀況分析，在影響湖泊環(huán)境狀況的各類(lèi)型地表覆被中，影響效應(yīng)最大的當(dāng)屬流域內(nèi)的城市化進(jìn)程以及農(nóng)業(yè)發(fā)展，具體對(duì)應(yīng)于流域內(nèi)的建設(shè)用地及農(nóng)用地的動(dòng)態(tài)變化[14]。

星云湖所在江川縣第一產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達(dá)，以蔬菜種植為主，且用于蔬菜種植的農(nóng)用地大都分布在星云湖周邊，農(nóng)用地的面源污染直接與湖水相接觸。伴隨農(nóng)用地的增加，農(nóng)業(yè)面源污染形勢(shì)更為嚴(yán)峻。建設(shè)用地的增長(zhǎng)主要體現(xiàn)在江川縣城區(qū)域，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，縣城的城市生活污染情況也逐漸惡化，城市垃圾、生活用水污水也對(duì)星云湖周邊的生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的影響。

將上述遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果與湖泊水質(zhì)環(huán)境狀況調(diào)查結(jié)果相對(duì)照，研究區(qū)的建設(shè)用地占比從1996年的2.69%增長(zhǎng)至2005年的4.04%，而后增長(zhǎng)至2014年的6.30%，農(nóng)用地占比由1996年的14.77%增長(zhǎng)至2005年的15.88%，而后再增長(zhǎng)為26.23%；相應(yīng)地，水質(zhì)從1996年的Ⅲ類(lèi)水質(zhì)惡化至2005年的V類(lèi)，再惡化至2014年的劣V類(lèi)。

基于調(diào)查分析，出現(xiàn)此關(guān)聯(lián)的原因主要在于：(1)在流域范圍內(nèi)，江川縣及以江城鎮(zhèn)為主的濱湖城鎮(zhèn)，具有特殊的區(qū)位性。星云湖流域內(nèi)12條河流及農(nóng)業(yè)灌溉溝渠縱橫交織，與上游的水庫(kù)和下游的星云湖構(gòu)成了星云湖流域的水網(wǎng)體系。由地表覆被監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看到，星云湖流域內(nèi)的城市、農(nóng)村建設(shè)用地逐年增長(zhǎng)，且由于江川縣、江城鎮(zhèn)的生活污水經(jīng)處理后直接排入星云湖，但污水處理率不高，導(dǎo)致水質(zhì)惡化。(2)在水循環(huán)的過(guò)程中，農(nóng)田灌溉廢水含有大量的環(huán)境污染物。農(nóng)用地增長(zhǎng)及農(nóng)業(yè)施肥、施藥、畜禽養(yǎng)殖等產(chǎn)生的過(guò)量氮、磷流失進(jìn)入湖體，造成了水體的富營(yíng)養(yǎng)化[15-16]。(3)星云湖流域范圍內(nèi)擁有豐富的鐵、鎳、磷、銅等礦產(chǎn)資源，尤以被國(guó)際上稱為“戰(zhàn)略資源”的磷礦因儲(chǔ)量大、品位高、含砷低、水文和工程地質(zhì)條件好、宜露天開(kāi)采而著稱。磷化工產(chǎn)業(yè)的興旺在一定程度上也對(duì)湖泊的環(huán)境保護(hù)提出了挑戰(zhàn)。

3 小結(jié)

本文研究表明，研究區(qū)的建設(shè)用地占比從1996年的2.69%增長(zhǎng)至2005年的4.04%，而后增長(zhǎng)至2014年的6.30%，農(nóng)用地占比由1996年的14.77%增長(zhǎng)至2005年的15.88%，而后再增長(zhǎng)為26.23%；相應(yīng)地，水質(zhì)從1996年的Ⅲ類(lèi)水質(zhì)惡化至2005年的V類(lèi)，再惡化至2014年的劣V類(lèi)。流域地表覆被變化與湖泊環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)出明顯的關(guān)聯(lián)性。