滇池流域土地利用動態(tài)變化及對流域水環(huán)境的影響分析

張 洪，黎海林，陳 震

（云南財經(jīng)大學 城市管理與資源環(huán)境學院，昆明650221）

在流域水環(huán)境變化原因的研究中，土地利用類型變化是一個非常重要的影響因素，如果能夠明確土地利用類型和水質(zhì)之間的關(guān)系，就可以通過適當?shù)耐恋乩靡?guī)劃來確定合理的污染預(yù)防措施，從而解決水環(huán)境污染問題，保護水質(zhì)。國外在這方面研究較多，Basta和Bower總結(jié)了14個土地利用變化對水量、水質(zhì)影響模型。比較詳細地描述了這些模型使用的土地類型、時空屬性、水文特征、水類型及測定的污染物。He將GIS和AGNPS模型結(jié)合，研究密歇根州一個農(nóng)業(yè)流域土壤侵蝕和N、P流失情況，并在模擬預(yù)測的結(jié)果基礎(chǔ)上提出了最佳的土地利用方法[1－3]。目前國內(nèi)也有這方面的研究，于興修以太湖上游浙江西苕溪流域為例研究了土地利用／覆被變化及對水質(zhì)的影響[4]，李文杰研究了梁子湖流域土地利用變化對流域水環(huán)境的影響[5]，張婷對白洋淀水質(zhì)時空變化及影響因子進行了評價與分析[6]。但是云貴高原的滇池流域土地利用結(jié)構(gòu)及動態(tài)變化對水質(zhì)的影響研究沒有，因此本文是LUCC及計量地理學理論在滇池流域的一次實證應(yīng)用，致力于研究滇池流域1974—2008年土地利用動態(tài)變化及對其水環(huán)境的影響，旨在真實反映該區(qū)域的土地利用情況，同時得出這種變化對水環(huán)境的影響，為土地利用規(guī)劃、水污染治理及其它領(lǐng)域研究提供參考借鑒作用。

1 研究區(qū)域及研究方法

1.1 研究區(qū)域

滇池流域位于云貴高原中部，地處長江、珠江和紅河三大水系分水嶺地帶，范圍包括昆明市盤龍、五華、西山、官渡四區(qū)及呈貢、晉寧、嵩明等縣市區(qū)部分地區(qū)。地理坐標為東經(jīng)102°29′—103°01′，北緯24°29′—25°28′，流域面積為2 840.7km2。整個流域為南北長、東西窄的湖盆地，地形可分為山地丘陵、淤積平原和滇池水域三個層次。滇池流域?qū)俦眮啛釒駶櫦撅L氣候，年均氣溫14.9℃，年降雨量931.8mm，全年無霜期227d，具有低緯高原的季風氣候特征，冬無嚴寒、夏無酷暑，四季如春，干濕分明，垂直差異大的氣候特點。

1.2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.2.1 研究方法 結(jié)合研究區(qū)域的土地利用方式特點，將土地利用按一級分類分為5大類，即：耕地、林地、建設(shè)用地、水域及其它地類。利用Edras遙感影像處理軟件和ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件對1974年、1988 年、1998 年、2008 年 4 個 時 期 Landsat－5（TM）遙感衛(wèi)片進行校驗配準及增強處理，通過野外GPS實地考察，獲取遙感影像的解譯標志，并對每個時期的影像進行人機交互解譯，得出四個時期的土地利用現(xiàn)狀。利用ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件中的ArcMAP模塊進行圖層疊加分析，根據(jù)馬爾柯夫模型建立土地利用空間動態(tài)變化轉(zhuǎn)移矩陣。其中流域土地利用與水環(huán)境變化模擬采取單位根檢驗與協(xié)整檢驗來分析，并在此之前的基礎(chǔ)上，利用馬爾柯夫預(yù)測模型，通過Matlab軟件實現(xiàn)對后期的土地利用結(jié)果及對水環(huán)境的影響進行預(yù)測。

1.2.2 數(shù)據(jù)來源 研究區(qū)數(shù)據(jù)來源于1974年、1988年、1998年及2008年Landsat－5（TM）遙感衛(wèi)片，采取TM＿Band＿4（R），TM＿Band＿3（G），TM＿Band＿2（B）波段合成影像，通過幾何校正及Edras遙感影像處理軟件和ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件人機交互解譯得來。

1.2.3 馬爾柯夫模型 馬爾柯夫方法是利用某一變量的現(xiàn)狀和動向去預(yù)測未來的狀態(tài)及動向的一種分析手段，數(shù)學表達為：

式中：P（n）——將來時刻n土地利用類型的狀態(tài)概率向量；P（0）——研究初始時刻土地利用類型的狀態(tài)概率向量，簡稱初始狀態(tài)概率向量；Pij——土地類型i轉(zhuǎn)變?yōu)橥恋仡愋蚸的轉(zhuǎn)移概率向量[7]。

1.2.4 ADF單位根檢驗 ADF單位根檢驗是檢驗數(shù)據(jù)序列的平穩(wěn)性，如果存在同階平穩(wěn)的話，就可以對它們進行協(xié)整檢驗。由以下回歸方程構(gòu)成：

式中：β1——常數(shù)項；β2——t的系數(shù)；εt——純粹白噪音誤差項，而 ΔYt－1＝（Yt－1－Yt－2），ΔYt－2＝（Yt－2－Yt－3）等。假設(shè)δ＝0，Yt－1系數(shù)的估計t值服從τ統(tǒng)計量，即存在一個單位根，即時間序列是非平穩(wěn)的。假設(shè)不能接受δ＝0假設(shè)，可以使用通常的t檢驗，即不存在單位根，該時間序列是平穩(wěn)的[8]。

1.2.5 協(xié)整檢驗 采用Johansen檢驗法進行協(xié)整檢驗，其基本思路是在多變量向量自回歸（VAR）系統(tǒng)回歸構(gòu)造兩個殘差的積矩陣，計算矩陣的有序本征值，根據(jù)本征值得出一系列的統(tǒng)計量判斷協(xié)整關(guān)系是否存在以及協(xié)整關(guān)系的個數(shù)[9]。

2 土地利用變化分析

2.1 土地利用現(xiàn)狀

根據(jù)前面所得數(shù)據(jù)，利用ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件中的面積統(tǒng)計功能，得到4個研究時期的5大地類的面積及其所占總面積的百分比（表1）。

從表1可以看出，4個研究時期的各類土地利用中林地所占比率最大，最大是1974年達到44.8%，這與流域的地質(zhì)地貌特點有很大關(guān)系。耕地面積和建設(shè)用地面積變化則較大，耕地由1974年的17.3%下降到2008年的9.3%，建設(shè)用地則從1974年的3.1%上升到2008年的14.0%。

表1 1974－2008年土地利用現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)

2.2 土地利用類型變化

土地利用變化分析主要是對4個時期土地利用現(xiàn)狀空間信息在ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件下進行空間疊加，利用馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣，通過統(tǒng)計分析、計算整理后得到各個時期的土地利用現(xiàn)狀圖及土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（附圖9、表2）。

所得轉(zhuǎn)移矩陣表中，數(shù)據(jù)所在列代表1974年土地利用類型，行代表2008年土地利用類型。數(shù)字代表的是1974的土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)?008年各類利用類型的面積。根據(jù)轉(zhuǎn)移矩陣不難看出，在1974—2008年期間，耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積為212.86 km2，其中1988—2008年中，耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積為為128.98km2；其它地類轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積為102.86km2，水域及林地呈遞減趨勢，但是減少的面積很小，整體變化不大。

3 基于馬爾柯夫模型的土地利用預(yù)測

根據(jù)馬爾柯夫預(yù)測模型，應(yīng)用Matlab軟件對各個時期的轉(zhuǎn)移概率進行計算，并將預(yù)測相應(yīng)結(jié)果與實際值比較，結(jié)合實際情況，采用1988—2008這個時間段的里1988年作為初始狀態(tài)年，以這個時間段的轉(zhuǎn)移概率作為轉(zhuǎn)移概率向量，預(yù)測得到1998年、2008年的土地利用結(jié)構(gòu)與1998年、2008年實際的土地利用結(jié)構(gòu)進行對比，模擬值和實際值十分接近，兩個時期的相對誤差平均值在0.05%內(nèi)。由此可見利用馬爾柯夫過程預(yù)測滇池流域土地利用結(jié)構(gòu)是可行的。得到的預(yù)測結(jié)果見表3。

表3 馬爾柯夫鏈預(yù)測的各土地利用類型面積 km2

馬爾柯夫模型預(yù)測結(jié)果表明，2015—2030年研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地面積進一步增加，林地、水域和其他地類進一步減少，但減少的幅度在逐漸變小，耕地面積也繼續(xù)減少。

4 流域土地利用演變與水環(huán)境變化的關(guān)系

土地利用是人類對自然環(huán)境最直接的一種作用方式，如果利用方式不當將會導致大量的硝酸鹽、磷酸鹽等物質(zhì)未經(jīng)處理排入流域水體，進一步造成對流域水環(huán)境的污染。在此以滇池流域土地利用變化的研究為基礎(chǔ)，結(jié)合查找相關(guān)年份的土地利用數(shù)據(jù)，利用1994—2008年以來可以獲得的水質(zhì)資料，分析滇池流域土地利用變化對水環(huán)境所帶來的影響。

4.1 流域土地利用與水環(huán)境變化模擬

水環(huán)境主要由地表水和地下水兩部分組成，本文只對滇池的地表水環(huán)境進行相應(yīng)分析。滇池水環(huán)境的評價標準是參考中華人民共和國環(huán)境保護總局頒布的《中華人民共和國地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838－2002）。水質(zhì)監(jiān)測的常規(guī)項目包括：水溫、電導率、pH、溶解氧（DO）、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH3－N）、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量BOD，揮發(fā)酚、石油類、重金屬和細菌等指標[6]。結(jié)合本次研究實際情況，對從監(jiān)測部門所獲取的1994—2008年的總氮（TN）、總磷（TP）、生化需氧量（BOD）及化學需氧量（COD）資料采用時間序列方法進行分析，研究滇池流域土地利用變化對滇池水環(huán)境產(chǎn)生的影響。

4.1.1 單位根檢驗 采用監(jiān)管部門調(diào)研得到的土地數(shù)據(jù)，將滇池流域的土地類型分為城鎮(zhèn)村工礦建設(shè)用地（CH）、耕地（GE）、有林地（LIN）、牧草地（MU）、濕地（SHI）、園地（YUAN）6大類，分別采用各類土地類型占流域土地的比重，對1994—2008年滇池流域的總氮（TN）、總磷（TP）、生化需氧量（BOD）、化學需氧量（COD）以及各土地類型的時間序列采用ADF法進行單位根檢驗，計算結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出總氮量與園地序列為0階單整，其它序列均為2階單整。

表4 各變量ADF檢驗

4.1.2 協(xié)整檢驗 通過Johansen檢驗計算得到總磷（TP）、生化需氧量（BOD）、化學需氧量（COD）與城鎮(zhèn)村工礦建設(shè)用地（CH）、耕地（GE）、有林地（LIN）、牧草地（MU）、濕地（SHI）、園地（YUAN）之間存在協(xié)整關(guān)系。其關(guān)系為：

其中（1）（2）（3）式下括號內(nèi)數(shù)為t值，R2表示調(diào)整后的擬合優(yōu)度，DW為durbin watson檢驗值。可以得到在5%顯著性水平下TP和BOD與土地利用類型之間存在相關(guān)關(guān)系，城鎮(zhèn)建設(shè)用地及獨立工礦用地對總氮量的彈性為15.31，即城鎮(zhèn)建設(shè)用地每增加666.7 m2，會對總氮量產(chǎn)生15.31mg／L的正向影響，同理，耕地對總氮量彈性為10.47，牧草地對總氮量彈性為－156.74。城鎮(zhèn)建設(shè)用地及獨立工礦用地對BOD的影響為543.79，耕地對BOD的影響為－272.49，有林地對BOD的影響為160.88。在20%顯著性水平下COD與土地利用類型之間存在相關(guān)關(guān)系，城鎮(zhèn)建設(shè)用地及獨立工礦用地、耕地、濕地對COD的彈性分別為173.88，－100.75和－4920.59。可以認為，城鎮(zhèn)村工礦建設(shè)用地和耕地顯著提高了流域總磷量的排放，然而牧草地顯著減少了流域總磷量的影響；城鎮(zhèn)村工礦建設(shè)用地及有林地顯著提高了流域BOD的污染，而耕地有效地減少了流域BOD的污染；城鎮(zhèn)村工礦建設(shè)用地顯著提高了流域COD的排放，而耕地和濕地有效減少了COD的排放。

4.2 流域土地利用與水環(huán)境變化預(yù)測

采用馬爾柯夫鏈分別預(yù)測2015年、2020年、2025年、2030年4期土地利用狀況后，采用模型（1），（2），（3）分別對滇池流域TP，BOD，COD進行預(yù)測，結(jié)果見表5。

表5 4個時期水質(zhì)污染狀況預(yù)測 mg／L

由以上預(yù)測可以看出，隨著年份的增長，水質(zhì)污染狀況指標呈現(xiàn)持續(xù)惡化的趨勢，主要原因是由于隨著年份的增長，流域城鎮(zhèn)村工礦建設(shè)用地所占比例不斷擴大，而流域內(nèi)耕地、有林地、牧草地、濕地等地類不斷減少，導致了環(huán)境狀況的持續(xù)惡化。

5 結(jié)論

通過對1974—2008年4個時期的分析，揭示了滇池流域近30a土地利用／覆被變化情況以及這種變化對滇池水環(huán)境的影響。結(jié)果表明，滇池流域土地利用類型變化顯著，土地利用對滇池水質(zhì)有一定的影響。土地利用相互轉(zhuǎn)化過程中，耕地、建設(shè)用地和其它地類的變化幅度較大，水域和林地變化不明顯。其中，耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積為212.86km2，其它地類轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積為102.86km2。各時間段中，1998—2008年研究期間的土地利用變化最大，同樣表現(xiàn)為耕地的大量減少和建設(shè)用地的急劇增加。

馬爾柯夫模型預(yù)測結(jié)果表明，2015—2030年研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地面積進一步增加，林地、水域和其它地類進一步減少，但減少的幅度在逐漸變小，耕地面積也繼續(xù)減少。

通過單位根和協(xié)整檢驗可以看出土地利用類型的變化對滇池水環(huán)境變化具有明顯的影響作用，在5%顯著性水平下TP和BOD與土地利用類型之間存在相關(guān)關(guān)系，建設(shè)用地對總氮量的彈性為15.31，即城鎮(zhèn)建設(shè)用地每增加0.067hm2，會對總氮量產(chǎn)生15.31mg／L的正向影響，耕地對總氮量彈性為10.47，牧草地對總氮量彈性為－156.74。建設(shè)用地對BOD的影響為543.79，耕地對BOD影響為－272.49，有林地對BOD影響為160.88。在20%顯著性水平下COD與土地利用類型之間存在的相關(guān)關(guān)系，建設(shè)用地、耕地、濕地對COD的彈性分別為173.88，－100.75，－4 920.59。可以認為，城鎮(zhèn)村工礦建設(shè)用地和耕地顯著提高了流域總磷量的排放，然而牧草地顯著減少了流域總磷量的影響；城鎮(zhèn)村工礦建設(shè)用地及有林地顯著提高了流域BOD的污染，而耕地有效地減少了流域BOD的污染；城鎮(zhèn)村工礦建設(shè)用地顯著提高了流域COD的排放，而耕地和濕地有效減少了COD的排放。

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