星云湖流域地表覆被變化與湖泊環(huán)境狀況關聯(lián)分析

易達，甘淑，余章蓉

(昆明理工大學 津橋學院，云南 昆明 650000)

土地利用/覆蓋變化是全球變化研究的重點問題之一[1]。近年來，我國學者就不同區(qū)域土地利用、土地覆蓋變化相繼開展研究[2-3]，但國內外關于土地利用/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)域范圍內的研究，過程上多通過2～3個典型年份的土地利用變化來進行分析，并探索土地利用變化的驅動力機制。關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動力機制研究還很少見。

在人類活動導致的區(qū)域生態(tài)環(huán)境問題中，土地利用/覆蓋變化過程對區(qū)域生態(tài)安全起著決定性的作用。由人類土地利用活動造成的土地覆蓋改變必然會影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，對區(qū)域氣候、水文、生物地球化學循環(huán)及生物多樣性等產生重大影響，從而導致區(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活動對區(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和立足點，研究星云湖LUCC的時空變化及其與導致這種變化的驅動力之間的關系，旨在揭示人地系統(tǒng)相互作用的內在機制，并以此預測星云湖未來生態(tài)環(huán)境的發(fā)展趨勢，從而采取相應的對策[6]。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取及遙感預處理

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，當水位達到1 722.5 m高程時，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。為了便于技術處理，首先對遙感影像進行幾何精校正，并結合研究區(qū)地表覆被圖像特性進行預處理，使得提取地表覆被類型的信息更加明顯[7]。

1.2 地表覆被類型分類體系

開展地表覆被分類研究，首先要明確利用遙感技術進行監(jiān)測的地表覆被類型的分類體系。通過比較多種地表覆被分類體系后，選用安德森分類體系中的第一層次[8]，將研究區(qū)地表覆蓋類型分為6類：建設用地，包括住宅、商業(yè)、工業(yè)、農業(yè)、交通運輸公共業(yè)、混合城市建設用地；農用地，包括農田、果園、葡萄園、苗圃；草地，包括草本、灌木和混合牧場；林地，包括落葉林、常綠林和混交林；水域，包括水庫、沿岸水源；未利用地，包括巖石裸地、采石場、建筑工地、土路。

1.3 地表覆被分類遙感監(jiān)測處理

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

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

圖1 1996年、2005年、2014年地表覆被分類結果

1.4 地表覆被分類遙感監(jiān)測精度評估

針對遙感監(jiān)測結果，構建精度評價混淆矩陣。通過使用面向對象的分類方法，對星云湖流域進行地表覆被分類。3個評估年的分類精度如下：1996年圖像分類總體精度為95.24%，卡帕系數(shù)為0.93；2005年圖像分類總體精度為96.34%，卡帕系數(shù)為0.95；2014年圖像分類總體精度為98.00%，卡帕系數(shù)為0.97。

2 結果與分析

2.1 星云湖水質環(huán)境狀況

根據(jù)星云湖“十一五”“十二五”規(guī)劃中關于星云湖的水質調查數(shù)據(jù)，得到星云湖1996—2014年的營養(yǎng)指數(shù)及變化趨勢(圖2)。

圖2 星云湖1996—2014年水體營養(yǎng)指數(shù)動態(tài)變化

20世紀90年代末期，星云湖水體營養(yǎng)指數(shù)超過50，進入富營養(yǎng)化狀態(tài)，之后水體營養(yǎng)指數(shù)急劇上升，由2000年的輕度-富營養(yǎng)發(fā)展到2003年的中度-富營養(yǎng)。2010年星云湖水體營養(yǎng)指數(shù)為66.37，屬于中度-富營養(yǎng)狀態(tài)。星云湖1996—2000年水質綜合評價為Ⅲ類，2001年為Ⅳ類，2002年水質降為Ⅴ類，2005年水質有所好轉，接近Ⅳ類，2014年惡化至劣V類。

由于水質惡化和不合理的養(yǎng)殖，湖泊生物多樣性受到嚴重破壞，大型水生生物急劇減少，種群結構向不良方向發(fā)展，沉水植物和挺水植物近年來大量消亡，藻類數(shù)量急劇增加，魚類品種單一，水體的生物調控能力下降，生態(tài)系統(tǒng)失衡，富營養(yǎng)化問題突出[11]。同時，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)結構，對湖泊水功能產生了嚴重的影響。

2.2 流域地表覆被遙感探測結果分析

研究區(qū)地表覆被分類遙感監(jiān)測結果的結構比例統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示?？梢钥闯?，以農用地和建設用地變化最為劇烈。1996—2014年，建設用地占比從1996年的2.69%增長至2014年的6.30%；農用地由1996年的14.77%增長至26.23%。整體來看，這兩種用地類型面積的增長主要由草地、未利用地轉換而來。

表1 不同時期土地利用和地表覆蓋分類 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系

地表覆被變化對水資源環(huán)境及流域生物完整性有直接影響。在水循環(huán)過程中，無論是生活污水、工業(yè)廢水，還是農田灌溉廢水，都含有大量的環(huán)境污染物[12]。這些攜帶大量污染物的水，無論是參與水的自然循環(huán)還是參與水的社會循環(huán)，都會對水循環(huán)作用產生不良影響[13]。結合星云湖流域實際狀況分析，在影響湖泊環(huán)境狀況的各類型地表覆被中，影響效應最大的當屬流域內的城市化進程以及農業(yè)發(fā)展，具體對應于流域內的建設用地及農用地的動態(tài)變化[14]。

星云湖所在江川縣第一產業(yè)較為發(fā)達，以蔬菜種植為主，且用于蔬菜種植的農用地大都分布在星云湖周邊，農用地的面源污染直接與湖水相接觸。伴隨農用地的增加，農業(yè)面源污染形勢更為嚴峻。建設用地的增長主要體現(xiàn)在江川縣城區(qū)域，隨著經濟發(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)測結果與湖泊水質環(huán)境狀況調查結果相對照，研究區(qū)的建設用地占比從1996年的2.69%增長至2005年的4.04%，而后增長至2014年的6.30%，農用地占比由1996年的14.77%增長至2005年的15.88%，而后再增長為26.23%；相應地，水質從1996年的Ⅲ類水質惡化至2005年的V類，再惡化至2014年的劣V類。

基于調查分析，出現(xiàn)此關聯(lián)的原因主要在于：(1)在流域范圍內，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12條河流及農業(yè)灌溉溝渠縱橫交織，與上游的水庫和下游的星云湖構成了星云湖流域的水網體系。由地表覆被監(jiān)測結果可以看到，星云湖流域內的城市、農村建設用地逐年增長，且由于江川縣、江城鎮(zhèn)的生活污水經處理后直接排入星云湖，但污水處理率不高，導致水質惡化。(2)在水循環(huán)的過程中，農田灌溉廢水含有大量的環(huán)境污染物。農用地增長及農業(yè)施肥、施藥、畜禽養(yǎng)殖等產生的過量氮、磷流失進入湖體，造成了水體的富營養(yǎng)化[15-16]。(3)星云湖流域范圍內擁有豐富的鐵、鎳、磷、銅等礦產資源，尤以被國際上稱為“戰(zhàn)略資源”的磷礦因儲量大、品位高、含砷低、水文和工程地質條件好、宜露天開采而著稱。磷化工產業(yè)的興旺在一定程度上也對湖泊的環(huán)境保護提出了挑戰(zhàn)。

3 小結

本文研究表明，研究區(qū)的建設用地占比從1996年的2.69%增長至2005年的4.04%，而后增長至2014年的6.30%，農用地占比由1996年的14.77%增長至2005年的15.88%，而后再增長為26.23%；相應地，水質從1996年的Ⅲ類水質惡化至2005年的V類，再惡化至2014年的劣V類。流域地表覆被變化與湖泊環(huán)境質量呈現(xiàn)出明顯的關聯(lián)性。