上海環(huán)城綠帶水體水質(zhì)與土地利用結(jié)構(gòu)的響應(yīng)研究

陳體達(dá) 崔丹 袁育鑫 劉佳敏 黃民生 李瑩

摘要： 選取了上海環(huán)城綠帶中30個水體， 以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和解譯的緩沖區(qū)土地利用類型為基礎(chǔ)， 綜合運用馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣和相關(guān)性分析， 揭示了環(huán)城綠帶的土地利用變化規(guī)律及其與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系. 結(jié)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(qū)內(nèi)以建設(shè)用地、林地和草地為主， 三者合計占比約84.37%； 以建設(shè)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(qū)尺度上， 草地對DO、Chla呈現(xiàn)正效應(yīng)； 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(biāo)呈正相關(guān).

關(guān)鍵詞： 環(huán)城綠帶； 內(nèi)梅羅指數(shù)法； 馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣； 土地利用變化

中圖分類號： X522 文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)展改變著人類的生產(chǎn)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(xié)同削減徑流污染這一效應(yīng)無法得到有效體現(xiàn)， 導(dǎo)致徑流裹挾著大量地表污染物進(jìn)入水體造成污染[1-2]. 流域內(nèi)自然植被的消失、農(nóng)業(yè)用地和建設(shè)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(fù)面效果[3]. 此外， 土地與水體在某些時候會表現(xiàn)為競爭關(guān)系， 這主要表現(xiàn)在對土地的開發(fā)利用與水體保護(hù)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(jìn)一步加劇了水體與土地的矛盾. 國內(nèi)外眾多研究表明， 土地利用與水環(huán)境質(zhì)量之間有著緊密的聯(lián)系. Wang等[4]在研究了上海城市、城郊、農(nóng)村24年的水環(huán)境質(zhì)量后， 認(rèn)為經(jīng)濟(jì)增長與地表水環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)倒U形關(guān)系， 城市水環(huán)境已得到改善， 污染治理重心應(yīng)從城市轉(zhuǎn)移到農(nóng)村和城郊地區(qū). Zhao等[5]認(rèn)為工業(yè)用地對水質(zhì)的負(fù)面影響僅在較小尺度上表現(xiàn)出來，而城市的影響則隨著規(guī)模的擴(kuò)大而更加明顯， 土地利用和水文條件對水質(zhì)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(zhì)與城市化、土地利用格局變化進(jìn)行了分析， 表明非自然的土地利用與水質(zhì)惡化關(guān)系密切， 工業(yè)用地面積對水質(zhì)變異性的解釋度達(dá)94%.

1 研究區(qū)概況

上海環(huán)城綠帶建設(shè)始于1995年， 其布局基本沿著外環(huán)高速（S20）兩側(cè)鋪展開， 寬度約500 m， 總長約97 km， 規(guī)劃總面積約6 208 hm2 [7]， 規(guī)劃布局為“長藤結(jié)瓜”式[8]. 環(huán)城綠帶建設(shè)在規(guī)劃時就保留了數(shù)量眾多的水體， 綠帶與水體既是城市優(yōu)質(zhì)的海綿體， 也是天然的氧吧， 是維持生態(tài)平衡不可或缺的因素. 此外， 綠帶水體滿足了林帶養(yǎng)護(hù)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(huán)城綠帶位于上海城鄉(xiāng)接合地區(qū)， 快速城市化與工業(yè)化過程中， 由于中心城區(qū)人口、商業(yè)集聚， 土地租金上漲， 同時也為了保護(hù)中心城區(qū)的環(huán)境， 大量的污染企業(yè)、生活垃圾的堆置、填埋和焚燒場所被轉(zhuǎn)移至城郊地區(qū)[9]. 另外， 外來人口大量涌入大城市， 聚集在城鄉(xiāng)結(jié)合地區(qū)， 缺乏系統(tǒng)有效的管理， 進(jìn)一步加劇了城鄉(xiāng)接合地區(qū)的環(huán)境負(fù)擔(dān). 城鄉(xiāng)接合地區(qū)通常缺乏完善的排水管網(wǎng)、水處理設(shè)施， 導(dǎo)致生產(chǎn)生活廢水無組織排放， 進(jìn)一步加劇了該區(qū)域的水環(huán)境污染[10-13].

本文以上海環(huán)城綠帶水體為研究對象， 基于遙感影像解譯和現(xiàn)場采集的水質(zhì)數(shù)據(jù)， 運用馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣和Pearson相關(guān)性分析法， 探究了土地利用對主要水質(zhì)指標(biāo)的響應(yīng)關(guān)系， 為環(huán)城綠帶的建設(shè)與保護(hù)提供了參考依據(jù).

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 水質(zhì)數(shù)據(jù)來源

本研究選取了30個監(jiān)測點（見圖1）， 自2018年1月至2020年8月每月定期采樣監(jiān)測， 監(jiān)測指標(biāo)包括pH值、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（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(shù)據(jù)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(jiān)測點500 m緩沖區(qū)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(shè)用地、林地、裸地、水體共6類.

2.2 研究方法

2.2.1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

2.2.2 馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣

馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣（Markov Transition Matrix）可用于一段時期內(nèi)不同土地利用類型之間相互轉(zhuǎn)移的定量化表達(dá)[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(zhuǎn)移面積， 也可以是變化的面積與該地類總面積之比， 即轉(zhuǎn)移概率， 矩陣每一行（地類）的轉(zhuǎn)移概率之和為1， 詳見表1.

2.2.3 皮爾遜相關(guān)性分析

3 結(jié)果與討論

3.1 水質(zhì)時空變化特征

圖2為環(huán)城綠帶30個監(jiān)測點的水質(zhì)指標(biāo)濃度分布. 由圖2可見， 環(huán)城綠帶監(jiān)測點的溶解氧濃度均較高， 多數(shù)水體平均溶解氧處于過飽和狀態(tài)， S17（華涇路）的平均溶解氧濃度最低， 該水體由于近岸農(nóng)污直排， 導(dǎo)致水體明顯黑臭. pH值除個別監(jiān)測點的個別月份超過上限， 其余值均滿足6 ～ 9的標(biāo)準(zhǔn). 30個監(jiān)測點的高錳酸鹽指數(shù)3年的平均值為4.76 ～ 12.36， 多數(shù)點位平均值介于Ⅳ類—Ⅴ類水. 監(jiān)測點平均BOD5濃度介于Ⅲ類—Ⅴ類， 其中有6個監(jiān)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(jiān)測點總氮表現(xiàn)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(jiān)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(shù)監(jiān)測點評價為Ⅲ類， 無評價為Ⅴ類水體. 多數(shù)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)倍， S16（華涇公園）最低， 處于Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn). Chl-a多數(shù)監(jiān)測點波動較大， 且極大的異常值較多， 這也說明了環(huán)城綠帶水體水華現(xiàn)象頻發(fā)， 富營養(yǎng)化嚴(yán)重.

選擇內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對30個水體進(jìn)行評價， 根據(jù)《上海市水（環(huán)境）功能區(qū)劃》中提出的Ⅳ類水質(zhì)控制區(qū)， 選取《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）》中的Ⅳ類作為評價標(biāo)準(zhǔn)， 其近3年均值評價結(jié)果如圖3所示.

由圖3可見， 上海環(huán)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(zhì)的顯著改善.

3.2 土地利用變化特征

3.2.1 土地利用構(gòu)成現(xiàn)狀

根據(jù)2017年和2019年30個監(jiān)測點以500 m為半徑建立的緩沖區(qū)， 分別統(tǒng)計各點緩沖區(qū)內(nèi)各類土地利用類型的面積， 其結(jié)果如圖4、圖5和表2所示.

可以看出， 監(jiān)測點500 m緩沖區(qū)域內(nèi)歷年均以建設(shè)用地為主導(dǎo)， 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(qū)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(shè)用地、耕地和裸地面積逐年減少， 說明了上海環(huán)城綠帶建設(shè)力度較大. 環(huán)城綠帶自立項開始，建設(shè)工作逐年穩(wěn)步推進(jìn)， 退耕還林還草、農(nóng)居拆遷、水環(huán)境整治等措施成效顯著.

3.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析

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

2017—2019年的土地利用變化以建設(shè)用地與裸地為主導(dǎo)， 其中建設(shè)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(shè)用地轉(zhuǎn)移到裸地， 占建設(shè)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(zhuǎn)移為建設(shè)用地， 轉(zhuǎn)移面積約0.37 km2； 耕地主要轉(zhuǎn)移成裸地， 轉(zhuǎn)移面積約0.17 km2； 林地主要轉(zhuǎn)移為草地， 轉(zhuǎn)移面積約0.56 km2； 裸地主要轉(zhuǎn)移為草地， 轉(zhuǎn)移面積約0.37 km2； 水體主要轉(zhuǎn)移為草地和建設(shè)用地， 轉(zhuǎn)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(qū)內(nèi)土地變化活躍， 尤其以建設(shè)用地和裸地間的相互轉(zhuǎn)移為主導(dǎo). 這是由于環(huán)城綠帶處于上海城鄉(xiāng)接合地區(qū)， 在快速城市化過程中， 大量的農(nóng)村居住點被拆遷閑置，而后期開發(fā)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(jìn)而影響區(qū)域內(nèi)的水環(huán)境質(zhì)量.

較長時期的現(xiàn)場跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)， 有部分裸地轉(zhuǎn)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(gòu)成復(fù)雜、管理較為混亂的城鄉(xiāng)接合地區(qū)， 這些無序開墾的耕地也是引起水環(huán)境惡化的重要因素之一[18].

3.3 土地利用結(jié)構(gòu)與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系

為了探究不同尺度下水質(zhì)與土地利用方式之間的響應(yīng)關(guān)系， 本文參照國內(nèi)外相關(guān)研究中對研究尺度的設(shè)定[19-21]， 將該研究劃分2個空間尺度（300 m緩沖區(qū)、500 m緩沖區(qū)）. 選取各監(jiān)測點半徑300 m及500 m緩沖區(qū)內(nèi)2017年及2019年的土地利用類型， 結(jié)合2018年與2019年的水質(zhì)數(shù)據(jù)， 運用SPSS statistic 23中的Pearson相關(guān)性分析， 結(jié)果如圖5所示.

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

溶解氧在300 m尺度上與草地呈現(xiàn)正相關(guān)， 而在500 m尺度上與林地呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)， 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(tài)防護(hù)水體， 且多為獨立型水體， 受周圍植被的遮擋易形成靜風(fēng)區(qū)， 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(fù)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(fù)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(yè)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(jìn)入水體容易造成水體污染. 此外， 從現(xiàn)場調(diào)查情況看， 環(huán)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(wǎng)地區(qū)， 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(dǎo)致氮磷等營養(yǎng)鹽流失進(jìn)入水體. 綜上可知， 環(huán)城綠帶水體周圍的耕地和裸地是造成水質(zhì)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(shè)用地與各項污染指標(biāo)表現(xiàn)出不強的相關(guān)性， 說明建設(shè)用地類型繁多， 對水環(huán)境的影響不能一概而論. 在規(guī)劃合理、管網(wǎng)完善的建成區(qū)域， 要做到有效地控源截污[22]， 而管網(wǎng)不完善， 抑或是地表污染物較多的區(qū)域， 如工礦倉儲用地或農(nóng)村宅基地等， 前者主要表現(xiàn)為徑流污染， 后者主要表現(xiàn)為生活污水直排， 均會對水環(huán)境造成嚴(yán)重污染.

4 結(jié)論與建議

（1）近3年環(huán)城綠帶水體水質(zhì)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(xiàn)象頻發(fā)， 水質(zhì)提標(biāo)壓力仍然較大.

（2）環(huán)城綠帶監(jiān)測點500 m緩沖區(qū)內(nèi)以建設(shè)用地、林地和草地為主， 三者合計占比約為84.37%， 以建設(shè)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(zhì)參數(shù)都有較強的相關(guān)性， 可見耕地仍然是環(huán)城綠帶水體水質(zhì)變異的主導(dǎo)因素.

對于數(shù)量眾多的綠帶水體， 在治理與維護(hù)上要依照水體的同質(zhì)性與異質(zhì)性分門別類對待. 裸地和耕地在環(huán)城綠帶緩沖區(qū)內(nèi)占比很小， 但是對水環(huán)境影響顯著， 應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制裸地與耕地的面積， 同時要繼續(xù)推進(jìn)綠帶的退耕還林、農(nóng)村居住點拆遷等措施， 這也是維持環(huán)城綠帶生態(tài)健康的基礎(chǔ).

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（責(zé)任編輯： 張 晶）