天目湖沙河流域近20年土地利用變化對葉綠素濃度的影響

龔翔峰，徐守剛，孟定華，毛勁喬*，顧小涵，朱詩潔

(1.江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽 213333；2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

得益于獨特的生態(tài)資源和地理區(qū)位優(yōu)勢，水庫具有防汛抗旱、生態(tài)涵養(yǎng)、休閑旅游等多種生態(tài)功能。庫區(qū)水環(huán)境與人類生產(chǎn)生活方式密切相關，由于水庫流速較緩，自凈能力相對較弱，容易出現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)過剩、透明度下降、水華暴發(fā)等一系列問題，對飲用水安全、水生生物棲息繁殖、旅游業(yè)可持續(xù)發(fā)展等都會產(chǎn)生影響[1-2]。土地利用的變化情況可綜合反映人類的活動程度，理清流域各類土地利用占比對水環(huán)境關鍵因子的影響，可為周邊土地合理規(guī)劃與庫區(qū)水環(huán)境治理提供依據(jù)[3]。

天目湖沙河流域位于江蘇省溧陽市南部丘陵地區(qū)，天目湖也稱沙河水庫，既是著名的旅游景區(qū)，也是一座典型的保護與開發(fā)并存、水環(huán)境保護需求迫切、富營養(yǎng)化防控難度較大的水庫型湖泊。庫區(qū)水環(huán)境保護是系統(tǒng)性工程，已有學者開展了水文特征、氮磷元素分布、浮游植物群落變化及保護方案的研究[4-6]；這為生態(tài)規(guī)劃、入湖河流整治、水庫清淤等保護工程的實施提供了重要依據(jù)。其中，葉綠素a濃度是表征水環(huán)境的關鍵因子，但已有研究成果還不能定量地闡明人類綜合活動對庫區(qū)葉綠素a濃度的綜合影響。為建立水生態(tài)環(huán)境保護的有效機制，迫切需要從更宏觀的角度研究土地利用變化情況對水環(huán)境關鍵因子的影響，從而能夠更有效銜接庫區(qū)生態(tài)保護與區(qū)域可持續(xù)性開發(fā)。

針對上述需求，本文研究了天目湖流域近20年土地利用變化情況，以十年為時間間隔提取各類土地利用信息，針對表征庫區(qū)富營養(yǎng)化管理的核心指標葉綠素a濃度，采用統(tǒng)計分析法，系統(tǒng)研究不同發(fā)展時期天目湖沙河流域土地利用變化情況對葉綠素a濃度的影響，以期為合理布局流域各類空間和要素提供技術支撐。

1 研究概況

1.1 研究區(qū)概況

天目湖流域地處低山丘陵地區(qū)，水流依地形自高向低流去，構成東西窄、南北長的沙河庫區(qū)(圖1)。沙河庫區(qū)為溧陽市的主要飲用水源地，主要入庫河流有平橋河、下宋河和中田河[7]，該水庫面積達12 km2，總庫容為1.09億m3，集水面積148.5 km2，是具有飲用、灌溉、旅游、漁業(yè)等多種生態(tài)功能的水庫型湖泊，屬國家大型水庫。人類活動加劇是導致近年來天目湖水體生態(tài)功能趨于下降的主因[8]，尤其是近年來由于旅游業(yè)開發(fā)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展等強度不斷增加，天目湖沙河庫區(qū)出現(xiàn)了水污染增加、水體透明度下降、富營養(yǎng)化程度增加等問題。

a)區(qū)位 b)監(jiān)測點位

1.2 研究方法

1.2.1水質(zhì)數(shù)據(jù)采集與處理

以沙河水庫庫區(qū)及其周邊地區(qū)為主要對象展開調(diào)研，收集整理地理、水環(huán)境、水生態(tài)等觀測與遙感資料。土地利用變化情況研究范圍及葉綠素a濃度監(jiān)測點設于天目湖湖區(qū)，包括南端的河流入湖區(qū)、河湖過渡帶、水庫尾水區(qū)及北端天目湖湖區(qū)。葉綠素a濃度是表征庫區(qū)營養(yǎng)狀態(tài)的核心指標，與水生態(tài)環(huán)境密切相關。在天目湖湖區(qū)分別設置10個監(jiān)測點(圖1)，在2021年4—6月進行現(xiàn)場監(jiān)測，檢測方法為乙醇+分光光度法，因葉綠素a濃度隨水深變化而變化，取葉綠素a濃度在垂向剖面的峰值為研究值，若某監(jiān)測點處葉綠素a濃度無明顯深度變化，取水下5 m處葉綠素a濃度為研究值[9]。同時收集2001、2011年葉綠素a濃度的歷史資料作為對比數(shù)據(jù)[5]，并以此為基礎研究天目湖沙河流域近20年富營養(yǎng)狀態(tài)變化情況。

1.2.2流域土地利用解譯

天目湖生態(tài)系統(tǒng)受氣候、環(huán)境、人類活動等諸多因素的綜合影響，其中受人類活動的影響最為嚴重。鑒于各因素對湖區(qū)的作用過程十分復雜，本研究選用天目湖流域周邊土地利用變化以反映諸多外界因素對湖泊水環(huán)境的影響。

根據(jù)遙感資料進行反演分析得到土地利用類型數(shù)據(jù)，考慮到天目湖流域尺度問題和流域土地利用空間變化問題，以2001年Landsat 5 TM衛(wèi)星數(shù)據(jù)(時相4月13日，分辨率30 m)、2011年Landsat 5 TM衛(wèi)星數(shù)據(jù)(時相11月9日，分辨率30 m)和2021年Landsat 8 OLI_TRIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)(時相1月30日，分辨率30 m)的遙感影像作為基礎數(shù)據(jù)。參考《土地利用現(xiàn)狀分類(2017年版)》[10]，將天目湖流域內(nèi)的土地類型分為6種：水體、林地、草地、耕地、建筑用地[11]和裸地。

在對遙感圖像進行輻射校正、大氣校正、裁剪等預處理之后，選取監(jiān)督分類的方法對流域內(nèi)的土地利用情況進行分類[12]，目前ENVI的監(jiān)督分類可分為3種：基于神經(jīng)網(wǎng)絡方法；基于傳統(tǒng)統(tǒng)計分析學方法，含最小距離、平行六面體、最大似然、馬氏距離；基于模式識別方法，含支持向量機以及模糊分類等。現(xiàn)采用基于模式識別的支持向量機的分類方式，根據(jù)有限的樣本信息，既可以減小樣本誤差，又可以縮小模型泛化誤差的上限。支持向量機得到的分類圖像略顯粗糙，并且圖中有許多小斑塊，各土地類型的界限不清晰，需要對直接分類后的圖像采用majority/minority分析，去除小斑塊，使得分類圖像更光滑。經(jīng)過上述處理，最終得到2001、2011、2021年的土地利用情況(圖2)。

a)2001年

利用ENVI，結合Google earth進行2001、2011、2021年的土地利用分類，得到相應的土地利用數(shù)據(jù)。

日前，《天津市農(nóng)村生活排水及處理工程規(guī)劃》正式通過天津市發(fā)改委審批，根據(jù)規(guī)劃安排，天津市將利用2011—2020年10年時間，投入15億元大力推動農(nóng)村生活排水及處理工程建設，計劃為全市539個村新建農(nóng)村生活污水收集及處理工程419處，綜合整治農(nóng)村坑塘469座。

1.2.3相關性分析

將不同土地利用類型比例與葉綠素a濃度進行對比分析。水質(zhì)監(jiān)測點設于近20年的水質(zhì)參數(shù)采樣時間4—6月，取每個月實測數(shù)據(jù)的平均值，利用SPSS軟件對水質(zhì)數(shù)據(jù)和土地利用占比進行正態(tài)檢驗，鑒于部分數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布，故相關分析采用皮爾遜相關分析法，該方法廣泛應用于定量分析2個變量之間的相關程度，相關系數(shù)值介于 -1～1，通常認為皮爾遜相關系數(shù)的絕對值處于0.8～1.0時為極強相關，0.6～0.8為強相關，0.4～0.6為中等程度相關，0.2～0.4為弱相關，0.0～0.2為極弱相關或無相關。

2 結果分析與討論

2.1 天目湖流域近20年營養(yǎng)狀態(tài)變化情況

研究中較常通過葉綠素a的含量估算水體初級生產(chǎn)力以及水體的富營養(yǎng)化程度，葉綠素a濃度在4—6月呈現(xiàn)較高的狀態(tài)，這與氣象條件逐漸適應藻類生長相關，因此本文重點研究土地利用對天目湖4—6月的葉綠素a濃度的影響情況。葉綠素a濃度在檢測時間段的逐月平均值見表1。

表1 葉綠素a監(jiān)測平均值 單位：μg/L

由數(shù)據(jù)可得，天目湖流域葉綠素a濃度在7～15 μg/L波動，各年平均分別為9.515、13.139、9.499 μg/L，其中2011年葉綠素a濃度明顯高于其他年份。目前學者對流域富營養(yǎng)狀態(tài)的研究已較成熟[13-14]，由于本文僅以葉綠素a濃度作為評價天目湖流域的關鍵水環(huán)境因子，故以葉綠素a濃度作為天目湖流域富營養(yǎng)化評價的檢驗指標[15]，采用單因子含量評價法。選用營養(yǎng)狀況指數(shù)(TSI)[16]評價湖泊的富營養(yǎng)化程度，TSI<40，為貧營養(yǎng)；4050為富營養(yǎng)。根據(jù)葉綠素a濃度計算TSI指數(shù)的經(jīng)驗公式[16]見式(1)：

(1)

計算得近20年天目湖流域富營養(yǎng)化程度(表2)。

表2 天目湖流域富營養(yǎng)化程度

研究可得，天目湖流域2001、2021年均處于中營養(yǎng)狀態(tài)，2011年水體富營養(yǎng)化程度較嚴重，由葉綠素a濃度的平均值計算得水體TSI值為52.717。

2.2 天目湖流域近20年土地利用時空格局演變

將基于目視解譯所得的天目湖流域土地利用圖像進行相關研究，基于GIS平臺依次統(tǒng)計研究天目湖流域內(nèi)近20年的不同土地利用類型的比例及所占面積，見表3。

表3 土地利用構成及其比例

可得，水體占地區(qū)域變化不明顯；林地占地區(qū)域呈現(xiàn)下降的趨勢，其像元素由123 086降至99 157；草地占地面積增大，由0增至1 031；建筑用地占地區(qū)域變化趨勢不明顯，呈緩慢增長的趨勢；耕地面積增大趨勢顯著，由30 215增至55 286，增長占比83%；裸地面積呈下降趨勢，由4 212降至1 381。

2.3 土地利用變化對葉綠素a濃度的影響分析

對天目湖流域近20年不同土地利用類型比例與2001、2011、2021年的4—6月葉綠素a濃度進行分析，分析結果見表4。

表4 不同時段土地利用類型面積與葉綠素a濃度的相關系數(shù)

結果顯示，在天目湖流域內(nèi)，葉綠素a濃度始終與水體面積成正相關，相關系數(shù)最大為0.997，為極強相關，表明水體面積越大葉綠素a濃度越高。葉綠素a濃度與林地面積成正相關，相關系數(shù)為0.185，為弱相關。通常認為草地生長有利于水環(huán)境保護與治理，研究結果表明葉綠素a濃度與草地面積成負相關，相關系數(shù)為-0.489，為中等程度相關，即草地面積越大葉綠素a濃度越低，水體富營養(yǎng)化程度越低，通常認為親水植物有凈水功能，可吸附水中懸浮物質(zhì)，吸收氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，提高水體溶解氧含量，故湖泊周邊草地生長有利于水環(huán)境保護與治理，與實際情況相符。葉綠素a濃度與建筑用地面積成正相關，但相關系數(shù)為0.536，僅為中等程度相關，這與人類活動程度密切相關，建筑用地面積增大加重水體污染，使水體向中富營養(yǎng)狀態(tài)發(fā)展。同時葉綠素a濃度與耕地面積成正相關，但程度更為明顯，相關系數(shù)達0.773，為強相關，表明耕地面積越大葉綠素a濃度越高，與人類在耕種期間施加肥料等因素有關。葉綠素a濃度與裸地面積成負相關，相關系數(shù)為-0.540，為中等程度相關，表明裸地面積越大葉綠素a濃度越低，因裸地并未受到人類活動的影響而造成污染，且土壤有一定的自凈能力可過濾水體營養(yǎng)物質(zhì)，降低其富營養(yǎng)化程度，即表明尚未開發(fā)的土地并不會對水體富營養(yǎng)化造成不良影響，與前人研究及實際情況相符[17-19]。上述研究證實了天目湖水質(zhì)受到人類活動的強影響，尤其是耕地施加的肥料通過水循環(huán)進入水體，會導致天目湖水體富營養(yǎng)化程度加劇。因此可見，保護天目湖水生態(tài)環(huán)境，需有系統(tǒng)性管理策略，從流域角度構建水生態(tài)環(huán)境保護機制十分必要。

3 結論與展望

3.1 結論

研究了天目湖流域周邊土地利用對湖區(qū)水環(huán)境的影響情況，通過明確不同土地利用類型對水質(zhì)關鍵指標的影響程度，以期為天目湖湖區(qū)水環(huán)境保護提供依據(jù)。

a)天目湖流域近20年水體均處于中富營養(yǎng)狀態(tài)，其中2011年水體富營養(yǎng)化較嚴重，其營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)達52.717。

b)根據(jù)遙感影像將天目湖流域土地利用分類，可分為水體、林地、草地、建筑用地、耕地和裸地六大類。受人類活動的影響，建筑用地與耕地面積均呈增大的趨勢，且耕地面積增幅為83%，符合國家保護耕地的政策。

c)將2001、2011、2021年天目湖沙河水庫典型時段的葉綠素a濃度均值與各土地類型所占面積遙感數(shù)據(jù)進行相關性分析，分析結果可知，葉綠素a濃度與水體、林地、建筑用地、耕地面積成正相關，與草地、裸地面積成負相關。將葉綠素a濃度與土地利用情況綜合分析，得到土地利用對水質(zhì)的影響，采用定量與定性相結合的方法分析了影響水環(huán)境變化的多種因素。

同時，2021年監(jiān)測期實測葉綠素a平均濃度分別為7.447、7.842、9.793 μg/L，表明4—6月，庫區(qū)藻類生長導致葉綠素a濃度逐漸上升，且湖區(qū)葉綠素a濃度高于引水渠，即葉綠素a濃度隨距電站引排水口距離的增大而呈上升趨勢。

3.2 展望

受人類活動等諸多因素的影響，流域周邊土地利用情況不斷改變，水體富營養(yǎng)化問題日益嚴重，葉綠素a濃度是評價水體富營養(yǎng)化的關鍵因子，氮、磷元素同樣是導致水體發(fā)生富營養(yǎng)化的重要元素。對此，需加強以下幾個方面的研究：①添加長序列的研究，擴展研究年份，更直觀詳細地反映天目湖流域近20年的土地利用變化情況，使結果更加精確;②對流域的研究設置長期的動態(tài)監(jiān)測，并監(jiān)測更多水環(huán)境關鍵指標，使用評價方法對流域水環(huán)境進行評價研究[20]，便于流域水體富營養(yǎng)化治理。