上海环城绿带水体水质与土地利用结构的响应研究

陈体达 崔丹 袁育鑫 刘佳敏 黄民生 李莹

摘要： 选取了上海环城绿带中30个水体， 以现场实测数据和解译的缓冲区土地利用类型为基础， 综合运用马尔科夫转移矩阵和相关性分析， 揭示了环城绿带的土地利用变化规律及其与水质的响应关系. 结果显示：绿带水体历年以Ⅳ类—劣Ⅴ类为主， 劣Ⅴ类水体占比呈逐年下降的趋势； 缓冲区内以建设用地、林地和草地为主， 三者合计占比约84.37%； 以建设用地的减少和裸地增加为主， 两者分别占总减少面积的48.95%和总增加面积的50.85%； 在300 m缓冲区尺度上， 草地对DO、Chla呈现正效应； 在500 m尺度上， 裸地是引起CODMn恶化的主要因素， 而耕地在两个尺度均与多个污染指标呈正相关.

关键词： 环城绿带； 内梅罗指数法； 马尔科夫转移矩阵； 土地利用变化

中图分类号： X522 文献标志码： 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

城市的發展改变着人类的生产方式， 同时也深刻影响着土地的利用方式， 改变了自然水文过程.例如， 不透水面积的增加， 土壤-植被协同削减径流污染这一效应无法得到有效体现， 导致径流裹挟着大量地表污染物进入水体造成污染[1-2]. 流域内自然植被的消失、农业用地和建设用地的增加是非点源污染的主要来源， 且两者具有相同的负面效果[3]. 此外， 土地与水体在某些时候会表现为竞争关系， 这主要表现在对土地的开发利用与水体保护之间的矛盾， 由此带来水体被填埋、隔断等诸多问题， 失去了水体的自然肌理， 水体反过来侵蚀土地， 进一步加剧了水体与土地的矛盾. 国内外众多研究表明， 土地利用与水环境质量之间有着紧密的联系. Wang等[4]在研究了上海城市、城郊、农村24年的水环境质量后， 认为经济增长与地表水环境质量呈现倒U形关系， 城市水环境已得到改善， 污染治理重心应从城市转移到农村和城郊地区. Zhao等[5]认为工业用地对水质的负面影响仅在较小尺度上表现出来，而城市的影响则随着规模的扩大而更加明显， 土地利用和水文条件对水质的影响随着空间尺度的增大而变得更加多样化. Rena等[6]对上海市从1947—1996年的50年黄浦江沿线水质与城市化、土地利用格局变化进行了分析， 表明非自然的土地利用与水质恶化关系密切， 工业用地面积对水质变异性的解释度达94%.

1 研究区概况

上海环城绿带建设始于1995年， 其布局基本沿着外环高速（S20）两侧铺展开， 宽度约500 m， 总长约97 km， 规划总面积约6 208 hm2 [7]， 规划布局为“长藤结瓜”式[8]. 环城绿带建设在规划时就保留了数量众多的水体， 绿带与水体既是城市优质的海绵体， 也是天然的氧吧， 是维持生态平衡不可或缺的因素. 此外， 绿带水体满足了林带养护浇灌、林带防火、通航以及城市居民游憩观赏、科普教育等社会功能. 上海环城绿带位于上海城乡接合地区， 快速城市化与工业化过程中， 由于中心城区人口、商业集聚， 土地租金上涨， 同时也为了保护中心城区的环境， 大量的污染企业、生活垃圾的堆置、填埋和焚烧场所被转移至城郊地区[9]. 另外， 外来人口大量涌入大城市， 聚集在城乡结合地区， 缺乏系统有效的管理， 进一步加剧了城乡接合地区的环境负担. 城乡接合地区通常缺乏完善的排水管网、水处理设施， 导致生产生活废水无组织排放， 进一步加剧了该区域的水环境污染[10-13].

本文以上海环城绿带水体为研究对象， 基于遥感影像解译和现场采集的水质数据， 运用马尔科夫转移矩阵和Pearson相关性分析法， 探究了土地利用对主要水质指标的响应关系， 为环城绿带的建设与保护提供了参考依据.

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

2.1.1 水质数据来源

本研究选取了30个监测点（见图1）， 自2018年1月至2020年8月每月定期采样监测， 监测指标包括pH值、溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、叶绿素a（Chl-a）、总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）， 共计8个.

2.1.2 土地利用数据来源

采取人工目视解译法来获取2017年（12月12日）与2019年（10月19日）监测点500 m缓冲区的土地利用分类信息， 遥感影像来自Google Earth. 土地利用分类采用一级分类， 分为草地、耕地、建设用地、林地、裸地、水体共6类.

2.2 研究方法

2.2.1 內梅罗综合污染指数法

2.2.2 马尔科夫转移矩阵

马尔科夫转移矩阵（Markov Transition Matrix）可用于一段时期内不同土地利用类型之间相互转移的定量化表达[16]. 该矩阵为二维矩阵， 其行列式可以是改变的地类面积， 即转移面积， 也可以是变化的面积与该地类总面积之比， 即转移概率， 矩阵每一行（地类）的转移概率之和为1， 详见表1.

2.2.3 皮尔逊相关性分析

3 结果与讨论

3.1 水质时空变化特征

图2为环城绿带30个监测点的水质指标浓度分布. 由图2可见， 环城绿带监测点的溶解氧浓度均较高， 多数水体平均溶解氧处于过饱和状态， S17（华泾路）的平均溶解氧浓度最低， 该水体由于近岸农污直排， 导致水体明显黑臭. pH值除个别监测点的个别月份超过上限， 其余值均满足6 ～ 9的标准. 30个监测点的高锰酸盐指数3年的平均值为4.76 ～ 12.36， 多数点位平均值介于Ⅳ类—Ⅴ类水. 监测点平均BOD5浓度介于Ⅲ类—Ⅴ类， 其中有6个监测点平均值评价为Ⅲ类， 14个评价为Ⅳ类， 10个评价为Ⅴ类. 各监测点总氮表现出明显的差异性， S9（泾力西路）平均浓度最高， S16（华泾公园）平均浓度最低， 有11个监测点的总氮平均浓度为劣Ⅴ类， 说明了总氮仍然是绿带水体污染的限制性因子. 氨氮平均浓度较低， 多数监测点评价为Ⅲ类， 无评价为Ⅴ类水体. 多数水体总磷浓度处于Ⅴ类水平， 有5个水体平均浓度劣于Ⅴ类， 其中S17（华泾路）的平均浓度最高， 超过Ⅴ类水标准数倍， S16（华泾公园）最低， 处于Ⅱ类标准. Chl-a多数监测点波动较大， 且极大的异常值较多， 这也说明了环城绿带水体水华现象频发， 富营养化严重.

选择内梅罗综合污染指数法对30个水体进行评价， 根据《上海市水（环境）功能区划》中提出的Ⅳ类水质控制区， 选取《地表水环境质量标准（GB 3838—2002）》中的Ⅳ类作为评价标准， 其近3年均值评价结果如图3所示.

由图3可见， 上海环城绿带水体历年以Ⅳ类—劣Ⅴ类为主， 其中2018年劣Ⅴ类占比为27.6%， 2019年为25%， 2020年为4.5%， 呈逐年下降的趋势. 2018年和2019年无水体整体评价为Ⅱ类或Ⅲ类， 2020年有4个水体评价为Ⅲ类， 1个水体评价为Ⅱ类， 这也反映了绿带水体水质的显著改善.

3.2 土地利用变化特征

3.2.1 土地利用构成现状

根据2017年和2019年30个监测点以500 m为半径建立的缓冲区， 分别统计各点缓冲区内各类土地利用类型的面积， 其结果如图4、图5和表2所示.

可以看出， 監测点500 m缓冲区域内历年均以建设用地为主导， 其次是林地、草地、水体、裸地，而耕地的占比最少， 说明了该片区域的城市化率较高. 从变化幅度看， 林地、草地和水体面积逐年增加， 建设用地、耕地和裸地面积逐年减少， 说明了上海环城绿带建设力度较大. 环城绿带自立项开始，建设工作逐年稳步推进， 退耕还林还草、农居拆迁、水环境整治等措施成效显著.

3.2.2 土地利用转移矩阵分析

基于ArcGIS软件， 结合缓冲区遥感图像的人工目视解译结果并对其进行叠加分析， 通过统计叠加后的土地利用类型面积， 可得到研究区2017—2019年土地利用面积及转移矩阵. 其结果如表3所示.

2017—2019年的土地利用变化以建设用地与裸地为主导， 其中建设用地面积减少了1.32 km2， 裸地则增加了1.54 km2， 这是因为2017年约有1.88 km2建设用地转移到裸地， 占建设用地总面积的15.16%. 对于其他土地利用类型， 2017—2019年草地主要转移为建设用地， 转移面积约0.37 km2； 耕地主要转移成裸地， 转移面积约0.17 km2； 林地主要转移为草地， 转移面积约0.56 km2； 裸地主要转移为草地， 转移面积约0.37 km2； 水体主要转移为草地和建设用地， 转移面积约0.093 km2和0.073 km2.

分析上述变化可知， 绿带水体缓冲区内土地变化活跃， 尤其以建设用地和裸地间的相互转移为主导. 这是由于环城绿带处于上海城乡接合地区， 在快速城市化过程中， 大量的农村居住点被拆迁闲置，而后期开发未能及时跟上造成较多的裸露地面存在， 裸地的大量存在会引起水土流失进而影响区域内的水环境质量.

较长时期的现场跟踪调查发现， 有部分裸地转移为耕地， 可见裸地的长期闲置容易引起非法的裸地人为垦荒， 尤其在外来人口众多、人员构成复杂、管理较为混乱的城乡接合地区， 这些无序开垦的耕地也是引起水环境恶化的重要因素之一[18].

3.3 土地利用结构与水质的响应关系

为了探究不同尺度下水质与土地利用方式之间的响应关系， 本文参照国内外相关研究中对研究尺度的设定[19-21]， 将该研究划分2个空间尺度（300 m缓冲区、500 m缓冲区）. 选取各监测点半径300 m及500 m缓冲区内2017年及2019年的土地利用类型， 结合2018年与2019年的水质数据， 运用SPSS statistic 23中的Pearson相关性分析， 结果如图5所示.

由图6可知， 在300 m尺度上， DO与草地呈现显著正相关（p < 0.01）， Chl-a与草地呈现较强正相关（p < 0.05）， BOD5、CODMn、NH4+-N、TN和TP均与耕地呈正相关（p < 0.05）. 在500 m尺度上， DO与林地呈负相关（p < 0.05）， CODMn与裸地呈正相关（p < 0.05）， 说明裸地对CODMn的影响在小尺度上表现不明显. BOD5、NH4+-N与耕地呈正相关（p < 0.05）， TN与耕地呈显著正相关（p < 0.01）.

溶解氧在300 m尺度上与草地呈现正相关， 而在500 m尺度上与林地呈现负相关， 原因可能在于，在较大尺度上绿带水体周围林地面积较大者多为生态防护水体， 且多为独立型水体， 受周围植被的遮挡易形成静风区， 加之不与外界水系客水交换， 水体易成缓流甚至静止， 不利于水体的复氧. 而在小尺度上， 周围存在大量草地的水体多为景观休憩水体， 其水面较为开阔， 没有高大乔木的遮挡， 使得水面上空气流动加强， 有助于水体复氧. 水体周围裸地的大量存在不但会引起水土流失， 而且由于裸地多是由耕地或工业用地拆除后形成的， 残留在土壤中的污染物在雨水径流的裹挟下进入水体容易造成水体污染. 此外， 从现场调查情况看， 环城绿带周围的部分裸地上堆积着大量垃圾及建筑材料， 其污染物极易在雨水裹挟下形成渗滤液而流入水体. 上海属于典型的平原河网地区， 水系交错纵横， 而耕地又逐水而作， 不合理的耕作方式以及过度的施肥导致氮磷等营养盐流失进入水体. 综上可知， 环城绿带水体周围的耕地和裸地是造成水质恶化的最主要的土地类型， 只有控制好耕地和裸地的面积， 才能有利于水体的治理与改善.

建设用地与各项污染指标表现出不强的相关性， 说明建设用地类型繁多， 对水环境的影响不能一概而论. 在规划合理、管网完善的建成区域， 要做到有效地控源截污[22]， 而管网不完善， 抑或是地表污染物较多的区域， 如工矿仓储用地或农村宅基地等， 前者主要表现为径流污染， 后者主要表现为生活污水直排， 均会对水环境造成严重污染.

4 结论与建议

（1）近3年环城绿带水体水质得到明显的改善， TN仍然是水体污染的限制性因子. 此外， 水体水华现象频发， 水质提标压力仍然较大.

（2）环城绿带监测点500 m缓冲区内以建设用地、林地和草地为主， 三者合计占比约为84.37%， 以建设用地面积的减少和裸地面积的增加为主， 分别占总减少面积的48.95%和总增加面积的50.85%.

（3）耕地面积在300 m和500 m两个尺度平均占比约2%， 但在两个尺度上均与多个水质参数都有较强的相关性， 可见耕地仍然是环城绿带水体水质变异的主导因素.

对于数量众多的绿带水体， 在治理与维护上要依照水体的同质性与异质性分门别类对待. 裸地和耕地在环城绿带缓冲区内占比很小， 但是对水环境影响显著， 应当严格控制裸地与耕地的面积， 同时要继续推进绿带的退耕还林、农村居住点拆迁等措施， 这也是维持环城绿带生态健康的基础.

[参 考 文 献]

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（责任编辑： 张 晶）