三湖流域土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdu.cn/lds.aspx)1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2018年的30 m×30 m精度的全国土地利用遥感监测数据。参照中科院一、二级分类体系,结合研究区实际情况,将研究区分为耕地、林地、草地、湖泊、水库坑塘、建设用地6种土地利用类型。评价水环境污染程度时,选用多种环境质量参数。本研究结合研究区的实际污染状况,选取与土地利用数据对应的7个年份的高锰酸盐、生化需氧量、总磷、总氮4个水质指标的年均值作为水质数据。水质数据主要来源于相关的文献资料^[20-22]、《云南省环境状况公报》、星云湖“十一五”规划、杞麓湖流域水污染综合防治“十一五”规划。

由图1可知,抚仙湖流域以林地和湖泊为主要土地利用类型,面积占比分别平均达到25.75%,32.53%,变化幅度微弱。建设用地面积持续增加,但占比较小(2.07%～2.78%),增加了34.81%。星云湖流域耕地、林地面积占比较大,分别为(32.16%～36.25%,30.15%～32.11%),并且波动式下降,其余土地利用类型占比较小,其中建设用地呈波动式上升趋势,面积占比增加了1.01%。杞麓湖流域耕地、林地为优势景观类型,面积占比最显著,分别平均达到44.63%,26.52%,而湖泊水面在2000—2018年面积占比变化幅度大,主要由于2010—2015年,受围湖修坝影响,湖泊水面缩小,湖滨带出现大面积滩地,2015—2018年为维护水环境,滩地又转为湖泊水面。总之,1990—2018年,三湖流域的耕地面积波动式减少,建筑用地逐年递增,剩余土地利用类型变化趋势幅度小(图1)。不同土地利用类型由于受人类活动的干扰,相互之间会发生转移。1990—2018年,三湖流域的土地利用类型转移以耕地、林地、草地、建设用地为主,根据转出面积的大小排序依次为耕地>林地>草地>建设用地,其余土地利用类型的转移幅度较小。三湖流域内耕地基本上转为林地、草地,这与三湖流域土地利用规划中退耕还林、还草政策相关; 林地大部分转为耕地、草地; 草地多数转为林地。建设用地的增加量主要来源于耕地的转入,抚仙湖、星云湖、杞麓湖流域耕地分别向建设用地转入了5.56,5.39,8.51 km²,表明三湖流域内人类活动增强,城镇化发展占据了大量的耕地,同时利用林地、草地填补耕地,保护区域生态环境。

景观指数可反映景观格局的空间结构,研究区内,1990—2018年总体景观指数变化如下(图2)。三湖流域的PD,LSI,SHDI指数均增加,表明研究区受人为干扰影响强烈,景观破碎化程度加深,异质性增强,不同景观类型的斑块朝着不规则多边形方向发展。抚仙湖与杞麓湖流域CONTAG减小,星云湖流域CONTAG增大; 同时3个湖泊流域的COHESION值介于98.8～99.1,表明3个湖泊流域相邻斑块间的空间连接性增强,空间连通性好,抚仙湖与杞麓湖流域内不同斑块类型团聚程度下降,星云湖流域内不同斑块类型聚集度提升。

抚仙湖、星云湖、杞麓湖水质变化见图3。根据中华人民共和国《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)将地表水域环境功能分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类。当CODMn≤2,4,6,10,15; BOD₅≤3,3,4,6,10; TP≤0.01,0.025,0.05,0.1,0.2; TN≤0.2,0.5,1.0,1.5,2.0时,分别对应Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类。1990—2018年,抚仙湖CODMn,BOD₅有显著增长趋势,TP与TN的变化不明显,且4个水质指标均处于Ⅰ类水标准,水质始终保持在Ⅰ类。星云湖CODMn,BOD₅,TP,TN总体呈上升趋势,其中在1990—2010年,浓度持续上升,2015—2018年浓度指数下降,且TP,TN是星云湖的主要污染物,TP在2010—2018年一直稳定在Ⅴ类,水质污染严重。杞麓湖BOD₅,TP,TN增长趋势明显,CODMn波动较大趋势不明显。BOD₅,TP在2010—2015年分别处于Ⅴ类,Ⅳ类水标准,TN一直处在Ⅴ类水标准。可见,2015年之前三湖水质受污染程度较高,2018年水质均有所改善。

同一地域条件下,不同土地利用类型由于自身空间布局及不同强度的人类活动干扰也会使得土地利用类型对水质影响效果产生差异。相关研究表明^[25-26],耕地和建设用地对污染物的输出贡献较大,两者作为水体潜在污染物的“源”景观,对水质具有正效应,由于农业用地施肥等原因,土壤中的污染物随着地表径流进入水体,而生活污染物导致建设用地本来就是污染源,加上地表不透水面的增加,为污染物向水体的输出提供了新的途径。而林草地是水体污染物的“汇”景观,能够较好地截留和消减污染物,净化水质。

图3 1990-2018年三湖水质指标变化

表2 土地利用/景观指数与水质指标相关关系

根据本研究结果,抚仙湖、杞麓湖流域耕地与所有水化学指标呈负相关,且与耗氧污染物(CODMn,BOD₅)显著负相关,这与其他研究结果不一致^[10]。究其原因,抚仙湖流域内耕地是次要土地用地,且面积在1990—2018年不断减少,而CODMn,BOD₅的变化趋势与其相反,表明流域内耕地对CODMn,BOD₅具有一定的削弱作用。杞麓湖流域内耕地为首要土地利用类型,其中农业旱地经济作物(烤烟、玉米等)根系部分对氨氮类等化学物质具有吸收作用,使得耕地与所有水质指标负相关。另外,抚仙湖、杞麓湖两个湖泊流域的林地均与CODMn,BOD₅负相关,且与TN中度正相关,主要因为两湖流域内林地与其他地类相间分布,发挥了污染源“汇”的作用,减少了CODMn,BOD₅两类污染物的入湖量; 同时两湖流域内均呈四周高、中间低的地势,而落地的枯枝,腐叶含有丰富的有机质,通过地表径流的方式将营养物带入湖泊。抚仙湖流域内建设用地主要分布于湖滨区,集中在北部澄江县,同时澄江县内磷矿企业较多,造成了流域内建设用地与CODMn显著正相关。杞麓湖流域内建设用地主要分布于坝区水田周边,二者共同带来的面源及生活污染,对湖泊水质造成威胁。杞麓湖流域内水库坑塘与CODMn显著正相关,这一结果源于杞麓湖是一浅水性湖泊,水库坑塘与湖泊水体相连,通过径流方式携带营养盐入湖,导致湖泊底泥营养物质越积越多,成为湖泊水质潜在的污染源。星云湖流域耕地、水库坑塘、建设用地与所有水污染指数正相关、林地、草地与所有水质指标负相关,但均无显著性,只有林地与水质之间的相关系数稍高,其结论与已有研究成果类似^[27]。其次星云湖流域内耕地与林地为主要景观类型,且面积占比相差不大,二者对水质的影响作用互相减弱,其次建设用地扩张缓慢是导致不同土地利用类型与水质指标相关性不显著的主要原因。

三湖流域在各个湖泊流域内自然环境特征、土地利用类型变化及分布影响下,结合表3土地利用/景观格局对水质的解释量,耕地、建设用地是影响抚仙湖、杞麓湖水质的主要土地利用类型。星云湖流域林地对其解释量稍高。

图4 土地利用类型/景观指数与水质的冗余关系

表3 土地利用/景观指数对水质的解释量

不同湖泊流域内,水质不仅受到土地利用类型的影响,更受到不同流域内景观类型的空间配置及格局的制约。通过建立景观指数与湖泊水体污染物浓度之间的关系,能够更好地预测湖泊水质的变化^[27]。

本研究显示,抚仙湖流域中,PD,LSI与CODMn显著正相关。PD,LSI反映景观的破碎度和景观形状复杂度,斑块边界越不规则、景观破碎化程度越严重,湖泊水质越容易被污染,SHDI反映斑块类型的异质性与多样性,其与水质的相关关系受到流域内景观类型的影响。抚仙湖流域内“汇”景观林地受到人为干扰,斑块结构整体性下降,使得吸收“源”景观污染物的能力减弱,随着SHDI指数的增大,促进了污染物的扩散,导致SHDI与CODMn显著正相关,且相关系数较高。结合RDA分析,SHDI,LSI对抚仙湖水体的解释程度较高,因此,SHDI,LSI可作为预测抚仙湖水质变化的关键因子。

本文结果表明,星云湖流域CONTAG与CODMn,TP,TN显著正相关,其余景观指数与剩余水质参数间的相关性不显著。这可能与流域内的景观类型有关系,CONTAG代表不同斑块类型间的团聚蔓延程度,反映景观的分离和散布程度。值越大,斑块间的聚集程度越高。流域内以耕地为主要景观类型,且多分布于湖泊近岸相对集中,斑块间连通性好,造成农业污染物通过地表径流的方式直接入湖,水体污染物浓度增加,湖泊水质下降,与浑太河流域研究相似^[17],但也有研究结果与其相反^[28],若研究区内以林草地等为优势景观,则在一定程度上有助于减少湖泊污染。此外结合表3中的不同环境因子对星云湖水体的解释程度,CONTAG可有效预测星云湖水质的变化。

在本研究中,通过杞麓湖流域景观—水质相关性分析、RDA分析可知,对杞麓湖水质影响较大的景观指标为PD,LSI,COHESION。PD,LSI均与CODMn极显著正相关的同时,仍与BOD₅显著正相关。杞麓湖流域内湖盆坝区是耕地与建设用地的集中区域,耕地面积的减少,建设用地的增长造成斑块类型重复出现的频率上升,景观类型被分割成小的斑块,意味着流域内破碎度的加大会导致斑块间物质流动强度大,有利于污染物的迁移输出。COHESION是衡量斑块连接度的重要指标,杞麓湖流域COHESION与BOD₅呈极显著负相关,与徐启渝等^[29]在鄱阳湖流域研究的结论相同。表明杞麓湖流域内随着COHESION值的增大,景观趋于高联通方向发展,流域内耕地为优势斑块类型,而旱地小麦等作物的根系部分对水质的净化作用已被其他土地利用类型的零散不规则的斑块分布引起的污染物的聚集所掩盖,导致无法有效净化水质。结合表3中COHESION,LSI,PD对整个湖泊水质具有较高的解释率可推断COHESION,LSI,PD可作为杞麓湖流域湖泊水质的有效预测因子^[29]。