上海環城綠帶水體水質與土地利用結構的響應研究

陳體達 崔丹 袁育鑫 劉佳敏 黃民生 李瑩

摘要： 選取了上海環城綠帶中30個水體， 以現場實測數據和解譯的緩沖區土地利用類型為基礎， 綜合運用馬爾科夫轉移矩陣和相關性分析， 揭示了環城綠帶的土地利用變化規律及其與水質的響應關系. 結果顯示：綠帶水體歷年以Ⅳ類—劣Ⅴ類為主， 劣Ⅴ類水體占比呈逐年下降的趨勢； 緩沖區內以建設用地、林地和草地為主， 三者合計占比約84.37%； 以建設用地的減少和裸地增加為主， 兩者分別占總減少面積的48.95%和總增加面積的50.85%； 在300 m緩沖區尺度上， 草地對DO、Chla呈現正效應； 在500 m尺度上， 裸地是引起CODMn惡化的主要因素， 而耕地在兩個尺度均與多個污染指標呈正相關.

關鍵詞： 環城綠帶； 內梅羅指數法； 馬爾科夫轉移矩陣； 土地利用變化

中圖分類號： X522 文獻標志碼： A DOI：10.3969/j.issn.1000-5641.2021.04.010

Changes in water quality and land use structure in the green-belt area around Shanghai

CHEN Tida1，2，3，4， CUI Dan1，2，3，4， YUAN Yuxin1，2，3，4， LIU Jiamin1，2，3，4， HUANG Minsheng1，2，3，4， Li Ying1，2，3，4

（1. Shanghai Key Laboratory for Urban Ecological Processes and Eco-Restoration， School of Ecological and Environmental Sciences， East China Normal University， Shanghai 200241， China； 2. Institute of EcoChongming， Shanghai 202162， China； 3. Shanghai Engineering Research Center of Biotransformation of Organic Solid Waste， Shanghai 200241， China； 4. Technology Innovation Center for Land Spatial EcoRestoration in Metropolitan Area （Ministry of Natural Resources）， Shanghai 200062， China）

Abstract： In this paper， we study land use change and its effects on water quality for 30 water bodies in the green-belt area of Shanghai； the analysis is based on the Markov transfer matrix and Pearson correlation analysis of field data and interpreted land use types. The results show that： the water quality is dominated by Grade Ⅳ and lower Grade Ⅴ； the proportion of water bodies with lower Grade Ⅴ is decreasing year by year； the buffer zone is dominated by construction land， forest， and grassland， with a total proportion of about 84.37%； the increase in construction land and decrease in bare land， accounted for 48.95% of the total reduced area and 50.85% of the total increased area， respectively； on the 300 m buffer scale， grassland had a positive effect on DO and Chla； on the 500 m scale， bare land was the main factor for CODMn deterioration； and cultivated land was positively correlated with multiple pollution indicators at two scales.

Keywords： green-belt around the city； Nemero index method； Markov transition matrix； land use change

0 引 言

城市的發展改變著人類的生產方式， 同時也深刻影響著土地的利用方式， 改變了自然水文過程.例如， 不透水面積的增加， 土壤-植被協同削減徑流污染這一效應無法得到有效體現， 導致徑流裹挾著大量地表污染物進入水體造成污染[1-2]. 流域內自然植被的消失、農業用地和建設用地的增加是非點源污染的主要來源， 且兩者具有相同的負面效果[3]. 此外， 土地與水體在某些時候會表現為競爭關系， 這主要表現在對土地的開發利用與水體保護之間的矛盾， 由此帶來水體被填埋、隔斷等諸多問題， 失去了水體的自然肌理， 水體反過來侵蝕土地， 進一步加劇了水體與土地的矛盾. 國內外眾多研究表明， 土地利用與水環境質量之間有著緊密的聯系. Wang等[4]在研究了上海城市、城郊、農村24年的水環境質量后， 認為經濟增長與地表水環境質量呈現倒U形關系， 城市水環境已得到改善， 污染治理重心應從城市轉移到農村和城郊地區. Zhao等[5]認為工業用地對水質的負面影響僅在較小尺度上表現出來，而城市的影響則隨著規模的擴大而更加明顯， 土地利用和水文條件對水質的影響隨著空間尺度的增大而變得更加多樣化. Rena等[6]對上海市從1947—1996年的50年黃浦江沿線水質與城市化、土地利用格局變化進行了分析， 表明非自然的土地利用與水質惡化關系密切， 工業用地面積對水質變異性的解釋度達94%.

1 研究區概況

上海環城綠帶建設始于1995年， 其布局基本沿著外環高速（S20）兩側鋪展開， 寬度約500 m， 總長約97 km， 規劃總面積約6 208 hm2 [7]， 規劃布局為“長藤結瓜”式[8]. 環城綠帶建設在規劃時就保留了數量眾多的水體， 綠帶與水體既是城市優質的海綿體， 也是天然的氧吧， 是維持生態平衡不可或缺的因素. 此外， 綠帶水體滿足了林帶養護澆灌、林帶防火、通航以及城市居民游憩觀賞、科普教育等社會功能. 上海環城綠帶位于上海城鄉接合地區， 快速城市化與工業化過程中， 由于中心城區人口、商業集聚， 土地租金上漲， 同時也為了保護中心城區的環境， 大量的污染企業、生活垃圾的堆置、填埋和焚燒場所被轉移至城郊地區[9]. 另外， 外來人口大量涌入大城市， 聚集在城鄉結合地區， 缺乏系統有效的管理， 進一步加劇了城鄉接合地區的環境負擔. 城鄉接合地區通常缺乏完善的排水管網、水處理設施， 導致生產生活廢水無組織排放， 進一步加劇了該區域的水環境污染[10-13].

本文以上海環城綠帶水體為研究對象， 基于遙感影像解譯和現場采集的水質數據， 運用馬爾科夫轉移矩陣和Pearson相關性分析法， 探究了土地利用對主要水質指標的響應關系， 為環城綠帶的建設與保護提供了參考依據.

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

2.1.1 水質數據來源

本研究選取了30個監測點（見圖1）， 自2018年1月至2020年8月每月定期采樣監測， 監測指標包括pH值、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、葉綠素a（Chl-a）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）， 共計8個.

2.1.2 土地利用數據來源

采取人工目視解譯法來獲取2017年（12月12日）與2019年（10月19日）監測點500 m緩沖區的土地利用分類信息， 遙感影像來自Google Earth. 土地利用分類采用一級分類， 分為草地、耕地、建設用地、林地、裸地、水體共6類.

2.2 研究方法

2.2.1 內梅羅綜合污染指數法

2.2.2 馬爾科夫轉移矩陣

馬爾科夫轉移矩陣（Markov Transition Matrix）可用于一段時期內不同土地利用類型之間相互轉移的定量化表達[16]. 該矩陣為二維矩陣， 其行列式可以是改變的地類面積， 即轉移面積， 也可以是變化的面積與該地類總面積之比， 即轉移概率， 矩陣每一行（地類）的轉移概率之和為1， 詳見表1.

2.2.3 皮爾遜相關性分析

3 結果與討論

3.1 水質時空變化特征

圖2為環城綠帶30個監測點的水質指標濃度分布. 由圖2可見， 環城綠帶監測點的溶解氧濃度均較高， 多數水體平均溶解氧處于過飽和狀態， S17（華涇路）的平均溶解氧濃度最低， 該水體由于近岸農污直排， 導致水體明顯黑臭. pH值除個別監測點的個別月份超過上限， 其余值均滿足6 ～ 9的標準. 30個監測點的高錳酸鹽指數3年的平均值為4.76 ～ 12.36， 多數點位平均值介于Ⅳ類—Ⅴ類水. 監測點平均BOD5濃度介于Ⅲ類—Ⅴ類， 其中有6個監測點平均值評價為Ⅲ類， 14個評價為Ⅳ類， 10個評價為Ⅴ類. 各監測點總氮表現出明顯的差異性， S9（涇力西路）平均濃度最高， S16（華涇公園）平均濃度最低， 有11個監測點的總氮平均濃度為劣Ⅴ類， 說明了總氮仍然是綠帶水體污染的限制性因子. 氨氮平均濃度較低， 多數監測點評價為Ⅲ類， 無評價為Ⅴ類水體. 多數水體總磷濃度處于Ⅴ類水平， 有5個水體平均濃度劣于Ⅴ類， 其中S17（華涇路）的平均濃度最高， 超過Ⅴ類水標準數倍， S16（華涇公園）最低， 處于Ⅱ類標準. Chl-a多數監測點波動較大， 且極大的異常值較多， 這也說明了環城綠帶水體水華現象頻發， 富營養化嚴重.

選擇內梅羅綜合污染指數法對30個水體進行評價， 根據《上海市水（環境）功能區劃》中提出的Ⅳ類水質控制區， 選取《地表水環境質量標準（GB 3838—2002）》中的Ⅳ類作為評價標準， 其近3年均值評價結果如圖3所示.

由圖3可見， 上海環城綠帶水體歷年以Ⅳ類—劣Ⅴ類為主， 其中2018年劣Ⅴ類占比為27.6%， 2019年為25%， 2020年為4.5%， 呈逐年下降的趨勢. 2018年和2019年無水體整體評價為Ⅱ類或Ⅲ類， 2020年有4個水體評價為Ⅲ類， 1個水體評價為Ⅱ類， 這也反映了綠帶水體水質的顯著改善.

3.2 土地利用變化特征

3.2.1 土地利用構成現狀

根據2017年和2019年30個監測點以500 m為半徑建立的緩沖區， 分別統計各點緩沖區內各類土地利用類型的面積， 其結果如圖4、圖5和表2所示.

可以看出， 監測點500 m緩沖區域內歷年均以建設用地為主導， 其次是林地、草地、水體、裸地，而耕地的占比最少， 說明了該片區域的城市化率較高. 從變化幅度看， 林地、草地和水體面積逐年增加， 建設用地、耕地和裸地面積逐年減少， 說明了上海環城綠帶建設力度較大. 環城綠帶自立項開始，建設工作逐年穩步推進， 退耕還林還草、農居拆遷、水環境整治等措施成效顯著.

3.2.2 土地利用轉移矩陣分析

基于ArcGIS軟件， 結合緩沖區遙感圖像的人工目視解譯結果并對其進行疊加分析， 通過統計疊加后的土地利用類型面積， 可得到研究區2017—2019年土地利用面積及轉移矩陣. 其結果如表3所示.

2017—2019年的土地利用變化以建設用地與裸地為主導， 其中建設用地面積減少了1.32 km2， 裸地則增加了1.54 km2， 這是因為2017年約有1.88 km2建設用地轉移到裸地， 占建設用地總面積的15.16%. 對于其他土地利用類型， 2017—2019年草地主要轉移為建設用地， 轉移面積約0.37 km2； 耕地主要轉移成裸地， 轉移面積約0.17 km2； 林地主要轉移為草地， 轉移面積約0.56 km2； 裸地主要轉移為草地， 轉移面積約0.37 km2； 水體主要轉移為草地和建設用地， 轉移面積約0.093 km2和0.073 km2.

分析上述變化可知， 綠帶水體緩沖區內土地變化活躍， 尤其以建設用地和裸地間的相互轉移為主導. 這是由于環城綠帶處于上海城鄉接合地區， 在快速城市化過程中， 大量的農村居住點被拆遷閑置，而后期開發未能及時跟上造成較多的裸露地面存在， 裸地的大量存在會引起水土流失進而影響區域內的水環境質量.

較長時期的現場跟蹤調查發現， 有部分裸地轉移為耕地， 可見裸地的長期閑置容易引起非法的裸地人為墾荒， 尤其在外來人口眾多、人員構成復雜、管理較為混亂的城鄉接合地區， 這些無序開墾的耕地也是引起水環境惡化的重要因素之一[18].

3.3 土地利用結構與水質的響應關系

為了探究不同尺度下水質與土地利用方式之間的響應關系， 本文參照國內外相關研究中對研究尺度的設定[19-21]， 將該研究劃分2個空間尺度（300 m緩沖區、500 m緩沖區）. 選取各監測點半徑300 m及500 m緩沖區內2017年及2019年的土地利用類型， 結合2018年與2019年的水質數據， 運用SPSS statistic 23中的Pearson相關性分析， 結果如圖5所示.

由圖6可知， 在300 m尺度上， DO與草地呈現顯著正相關（p < 0.01）， Chl-a與草地呈現較強正相關（p < 0.05）， BOD5、CODMn、NH4+-N、TN和TP均與耕地呈正相關（p < 0.05）. 在500 m尺度上， DO與林地呈負相關（p < 0.05）， CODMn與裸地呈正相關（p < 0.05）， 說明裸地對CODMn的影響在小尺度上表現不明顯. BOD5、NH4+-N與耕地呈正相關（p < 0.05）， TN與耕地呈顯著正相關（p < 0.01）.

溶解氧在300 m尺度上與草地呈現正相關， 而在500 m尺度上與林地呈現負相關， 原因可能在于，在較大尺度上綠帶水體周圍林地面積較大者多為生態防護水體， 且多為獨立型水體， 受周圍植被的遮擋易形成靜風區， 加之不與外界水系客水交換， 水體易成緩流甚至靜止， 不利于水體的復氧. 而在小尺度上， 周圍存在大量草地的水體多為景觀休憩水體， 其水面較為開闊， 沒有高大喬木的遮擋， 使得水面上空氣流動加強， 有助于水體復氧. 水體周圍裸地的大量存在不但會引起水土流失， 而且由于裸地多是由耕地或工業用地拆除后形成的， 殘留在土壤中的污染物在雨水徑流的裹挾下進入水體容易造成水體污染. 此外， 從現場調查情況看， 環城綠帶周圍的部分裸地上堆積著大量垃圾及建筑材料， 其污染物極易在雨水裹挾下形成滲濾液而流入水體. 上海屬于典型的平原河網地區， 水系交錯縱橫， 而耕地又逐水而作， 不合理的耕作方式以及過度的施肥導致氮磷等營養鹽流失進入水體. 綜上可知， 環城綠帶水體周圍的耕地和裸地是造成水質惡化的最主要的土地類型， 只有控制好耕地和裸地的面積， 才能有利于水體的治理與改善.

建設用地與各項污染指標表現出不強的相關性， 說明建設用地類型繁多， 對水環境的影響不能一概而論. 在規劃合理、管網完善的建成區域， 要做到有效地控源截污[22]， 而管網不完善， 抑或是地表污染物較多的區域， 如工礦倉儲用地或農村宅基地等， 前者主要表現為徑流污染， 后者主要表現為生活污水直排， 均會對水環境造成嚴重污染.

4 結論與建議

（1）近3年環城綠帶水體水質得到明顯的改善， TN仍然是水體污染的限制性因子. 此外， 水體水華現象頻發， 水質提標壓力仍然較大.

（2）環城綠帶監測點500 m緩沖區內以建設用地、林地和草地為主， 三者合計占比約為84.37%， 以建設用地面積的減少和裸地面積的增加為主， 分別占總減少面積的48.95%和總增加面積的50.85%.

（3）耕地面積在300 m和500 m兩個尺度平均占比約2%， 但在兩個尺度上均與多個水質參數都有較強的相關性， 可見耕地仍然是環城綠帶水體水質變異的主導因素.

對于數量眾多的綠帶水體， 在治理與維護上要依照水體的同質性與異質性分門別類對待. 裸地和耕地在環城綠帶緩沖區內占比很小， 但是對水環境影響顯著， 應當嚴格控制裸地與耕地的面積， 同時要繼續推進綠帶的退耕還林、農村居住點拆遷等措施， 這也是維持環城綠帶生態健康的基礎.

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（責任編輯： 張 晶）