基于高分二號的白洋淀土地利用與水質響應關系研究

劉 剋，郭 暢，王玉靜

(1.北華航天工業學院，河北省航天遙感信息處理與應用協同創新中心，河北廊坊 065000；2.北華航天工業學院，計算機與遙感信息技術學院，河北廊坊 065000；3.北華航天工業學院，電子與控制工程學院，河北廊坊 065000)

0 引 言

近些年，隨著人類活動的加劇，人與自然的矛盾日益突出，人類活動改變了土地利用類型，而土地利用類型的變化是影響內陸水質變化的重要因素[1]。目前許多國內外學者致力于土地利用類型與水質關系的研究，Hwang Sun-Ah等[2]采用非線性模型對韓國境內水質進行分析，得出土地利用與水質之間的關系可以根據土地利用比例劃分為三類；郝敬鋒等[3]通過計算水質指數WQI，指出建筑用地對水質有負面影響，而林地具有改善水質作用；Susanna T. Y. Tong等[4]采用BASINS模型，模擬小邁阿密河流域土地利用對水質的影響，得出水質中氮、磷等污染物與土地利用之間存在顯著關系的結論；梁平等[5]利用地理加權回歸模型，研究了漢江不同區域土地利用與水質之間關系，結果表明耕地與水質中COD、NH3-N、TN呈正相關關系，且響應關系隨研究區域不同顯示不同特征；姜暢等[6]采用Spearman相關性分析方法，對貴陽紅楓湖土地利用與水質數據進行分析，結果表明建設用地與COD、NH3-N、TP呈現明顯正相關關系，并認為污染主要來自于工業源和生活源。呂志強[7]等采用相關性分析及冗余分析方法，以重慶市6條河流為研究區，分析得出建設用地和農業用地對水質惡化具有明顯的作用，林地則能顯著改善水質。國內對太湖的土地利用與水質的研究較多，如：周文[8]等利用冗余分析法，分析得到水質受到多種景觀背景因子的綜合影響，并具有尺度依賴性和區位差異性，具體表現在上游聚落用地與NH3-N、TP、DO正相關，下游耕地則與NH3-N、TP、DO正相關；劉倩[9]等運用Pearson相關性分析法，結果得到林地、草地與CODMn呈明顯的負相關性，說明兩者對污染物具有截留吸收作用；高斌等[10]利用灰色關聯分析方法，研究發現水質整體上與城鎮用地灰色關聯度最大，其次是水田和旱地，水域和林地最低。綜上相關研究表明：水體水質易于受到周邊土地利用狀況的影響。

1 研究區概況

白洋淀位于河北省保定市東部，具有“華北明珠”之稱，淀區面積366 km2，平均蓄水量13.2 億m3，是華北平原第一大淡水湖[11]。歷史上的白洋淀水域面積曾經達到1 000 km2，潴龍河、孝義河、唐河、府河、漕河、瀑河、清水河、萍河和白溝引河注入，史稱“九河入梢”。近年來，潴龍河、唐河、清水河、萍河長期斷流，漕河、孝義河、瀑河僅部分季節有水，唯一流入白洋淀的府河又是上游保定市生活污水和工業廢水的主要排放渠道[12]。

白洋淀屬于平原封閉式淺水型湖泊，自身調節能力較弱，因面臨水污染和缺水的雙重困境，白洋淀水域面積不斷縮小并被割裂，淀區水體出現了嚴重的富營養化現象，使白洋淀的生態功能急劇下降，生態系統平衡更為脆弱[13]。2018年4月，中共中央、國務院批復的《河北雄安新區規劃綱要》提出“實施白洋淀生態修復，加強生態建設，開展環境綜合治理。”因此，以白洋淀為研究區，探索淀區內各土地利用類型對水質的影響，摸清主要影響因素，對白洋淀生態環境治理十分必要。

2 各緩沖區內土地利用分類

2017年11月3-5日，完成了對16個野外采樣點的化學需氧量COD、氨氮NH3-N、總磷TP以及總氮TN 4類水質監測指標的實地采樣(表1)。取與采樣時間最近的2017年11月18日和28日共4景高分二號的多光譜影像，進行輻射校正、幾何校正、鑲嵌及裁剪等預處理操作。利用最大似然法[16]對遙感影像進行土地利用分類，參考2017年《土地利用現狀分類》(GBT 21010-2017)以及白洋淀實地踏勘情況，將白洋淀區域的土地利用類型分為8類：葦地、耕地、裸地、商業及旅游用地、居民生活用地、水生植物較多的水體(蓮藕等水生植物覆蓋度高)、廢棄的水產養殖坑塘、普通水體(表面無或較少植被覆蓋的水體)[15]。結合實地采樣進行監督分類，分類后結果通過16個采樣點周邊拍照和屬性信息錄入的方法進行土地利用類型修正，以保證分類精度。

表1 野外采樣點水質參數 mg/L

以16個采樣點為圓心，以100、300、500 m為半徑做緩沖區，將緩沖區與土地利用類型分類之后的結果進行疊加，得到各采樣點不同緩沖區的土地利用類型圖(圖1)，統計各采樣點不同緩沖區內的土地利用類型面積占比(圖2-4) 。

3 土地利用與白洋淀水質響應

根據《地表水環境標準》(GB 3838-2002)，可以判定白洋淀采樣點的水質大都屬于耗氧型和氮磷污染型(圖5)，以TN的污染超標最嚴重。

由于白洋淀“淀中有村，村中有淀”且入淀河流僅剩下府河，淀區水質易于受到淀區內土地利用狀況的影響，有必要進行白洋淀土地利用類型面積占比與水質監測指標相關性分析(表2-4)，探索不同空間范圍內土地利用對水質狀況的影響，各緩沖區分析如下。

3.1 100 m周邊區域內

COD：最大負相關是水生植物較多的水體，相關系數為-0.44，相關性較弱，廢棄的水產養殖坑塘，裸地和普通水體則和COD呈較弱正相關，葦地、商業及旅游用地、居民生活用地、耕地和COD濃度關系不大。

圖1 白洋淀淀區部分緩沖區土地利用分類結果Fig.1 Partial buffer land use classification results in Baiyangdian lake

圖3 300 m緩沖區16個采樣點土地類型面積占比Fig.3 Proportion of land type area of 16 sampling points in 300 m buffer zone

圖4 500 m緩沖區16個采樣點土地類型面積占比Fig.4 Proportion of land type area of 16 sampling points in 500 m buffer zone

圖5 研究區域及主要污染類型圖(底圖為土地利用分類圖，等值線為克里格插值結果)Fig.5 The picture of study area and main pollution type (The base map is a land use classification map, and the contour is the Kriging interpolation result)

NH3-N：與耕地的相關系數為0.50，其次為裸地，其他土地類型則和NH3-N相關性較弱。在100 m內，存在耕地對水體NH3-N的輸出，其次為水體自身攜帶。

TP：小范圍內廢棄的水產養殖坑塘對TP有貢獻，相關系數為0.55，由于廢棄的水產養殖坑塘面積比最小，且僅存在于四個采樣點周邊，可能對水質的影響較弱，因此，在100 m內，TP與臨近環境的關聯性不強。

TN：水生植物較多的水體對TN有較弱的輸出作用，相關系數為0.48，其次為廢棄的水產養殖坑塘，為0.44，普通的水體對TN存在稀釋作用，相關系數為-0.44。

本次實驗的采樣點一般在水體最中央，100 m緩沖區為采樣點最臨近區域，以水生植物較少的水體覆被為主(圖2)，各土地利用類型與水質參數的關聯性較弱，總體來看，近鄰環境各土地利用對臨近水體的總體水質影響不大。

表2 100 m緩沖區內土地利用類型面積占比與水質參數的相關性系數Tab.2 Correlation coefficient between land area type and water quality parameters in 100 m buffer

注：*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關。

3.2 300 m周邊區域內

COD：最大負相關是水生植物較多的水體，相關系數為-0.62，證明水生植物對COD有較強的凈化能力，葦地和COD基本不相關。經實地調查發現，水生植物以蓮藕和沉水性水草為主，多分布在陸地和航道之間的水域內，蘆葦則以陸生為主，水生的蘆葦在岸邊3 m左右范圍較多，由相關性可知，陸生蘆葦對COD的凈化能力不及岸邊的水生蘆葦。商業和旅游用地、廢棄的水產養殖坑塘、普通水體以及裸地則和COD有較弱的正相關。

NH3-N：各土地類型和NH3-N相關性都很弱，說明NH3-N污染和周邊環境的關聯性不大，本地來源可能性不大，且本地吸收、降解能力也弱。

TP：最大負相關為廢棄的水產養殖坑塘，為-0.53，耕地、居民用地等存在較弱的正相關性。廢棄的水產養殖坑塘可能會對TP有一定吸收作用。

表3 300 m緩沖區內土地利用類型面積占比與水質參數的相關性系數Tab.3 Correlation coefficient between land area type and water quality parameters in 300 m buffer

注：*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關。

TN：和TP的表現特征類似，廢棄的水產養殖坑塘的相關系數為-0.56，其他用地相關性較弱，廢棄的水產養殖坑塘對TN具有一定的吸收作用，但由于廢棄的水產養殖坑塘面積比很小，經對遙感影像的判讀分析，坑塘植被覆蓋度可能是影響TP、TN的主要因素。

在300 m范圍內，地表覆被仍以水體為主(圖3)，水生植物較多的水體面積有所增加，對水質的影響逐步體現出來，水生植物對COD有較強的凈化能力，且凈化能力較100 m范圍明顯增強。

3.3 500 m周邊區域內

COD：和100、300 m一樣，最大負相關是水生植物較多的水體，相關系數為-0.64，可見，水生植物對COD存在較好的凈化作用，商業及旅游用地和裸地則是COD的重要貢獻源，相關系數為0.58和0.55。

NH3-N：和100、300 m范圍一樣，各土地類型和NH3-N相關性均很弱。進一步說明NH3-N的本地來源較弱且各土地類型對其的影響能力有限。

TP：最大負相關為葦地，相關系數-0.53，居民生活用地呈正相關，相關系數為0.55，居民生活用地是白洋淀水體TP的重要本地輸入源。而蘆葦則對TP有較強的吸收能力，同時，水體對TP有較弱的稀釋能力。

TN：葦地與TN的相關系數最強，為-0.68，證明蘆葦對TN有較強的吸收作用，其次為水體，相關系數為-0.54，對TN有一定的稀釋能力，居民生活用地為0.52，為TN的本地輸入源。

在500 m范圍內，葦地的面積顯著增加(圖4)，其對TN、TP的吸收能力顯著增強，對TN的吸收作用遠大于其他土地利用類型，居民生活用地是TP、TN的本地來源之一。葦地和水生植物較多的水體，對于水質的總體改善效果較好，水生植物對COD有較好的凈化作用，葦地則對TN、TP有較強的吸收能力。

總體來看，在100～500 m范圍內，水生植物對水體都有凈化作用，主要表現在對COD的較強凈化能力上，葦地則在500 m緩沖區內，有利于降低TN和TP尤其是TN的污染，普通水體對TN和TP有一定的稀釋能力，隨著距離的增加稀釋能力有所增強，居民生活用地可能是TN和TP的本地來源，而NH3-N和土地利用各類型關系不大。

表4 500 m緩沖區內土地利用類型面積占比與水質監測指標的相關性系數Tab.4 Correlation coefficient between land area type and water quality parameters in 500 m buffer

注：*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關，**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關。

4 結 論

研究表明，水生植物和蘆葦對水體都有凈化作用。水生植物在100～500 m范圍內對COD污染都有凈化能力，在300 m和500 m范圍內有顯著凈化作用，蘆葦在500 m范圍內特別有利于TN濃度的降低，其對TP也有一定的吸收能力。TP、TN都和居民生活用地正相關，居民生活用地是二者尤其是TP的本地來源之一，可能存在以TP和TN為主的經常性排污行為，這一結論與劉豐等[16]對白洋淀的研究結論基本一致。植被覆蓋較少、占水體主體的普通水體則對TP、TN有一定的稀釋作用。商業及旅游用地、裸地則與COD存在明顯關聯性，說明二者是COD的重要本地來源。NH3-N與采樣點周邊各土地利用關系不大，說明NH3-N為水體自身攜帶，存在為外來污染且本地吸收能力差的可能性。

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