1997~2007年上海市青浦区水体氮素含量时空变化特征及驱动因子分析

摘要

富营养化是目前我国水体污染的主要特征之一，蓝藻水华连连爆发。引起水体富营养化从而导致水华爆发的根本因素之一就是氮元素的过量输入。大量的科学研究结果表明，水体氮污染与其周边的社会经济发展和土地利用变化密切相关，且社会经济发展与土地利用变化也密切相关。
　　 研究上海市青浦区水体氮元素污染具有重要意义。第一，初步数据分析结果显示，青浦区水体中氮含量变化与社会经济及土地利用指标具有类似的时间与空间分布，因此，青浦区水体氮素研究可以作为揭示社会经济活动过程中水体氮含量变化规律及其驱动机制的典型案例。第二，青浦区位于黄浦江上游水源地，对保证上海市饮用水安全起着重要作用。第三，青浦区属于太湖流域一个独立的行政单元，对研究太湖流域城市化进程中水体污染具有一定的参考价值。第四，青浦区属于我国东部平原河网地区，对于研究水质型缺水地区的水体污染也具有一定的参考价值。青浦区河流湖泊众多，相互贯通，目前关于湖泊尤其是淀山湖的研究已经开展了很多，但对于河道的研究相对较少。青浦区的河道分为市区镇村四级，市区级河道与外界相通，镇村级河道相对封闭在青浦区域内。另外，与水体富营养化相关的氮指标主要包括氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、有机氮、总氮等。因此，本文以青浦区河道为研究对象，分别分析了青浦区市区级河道和镇村级河道水体中氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总氮的空间分布特征、年际变化趋势、社会经济驱动因子及土地利用变化驱动因子。
　　 本文利用1997～2007年青浦区河道水质常规监测数据分析了氮元素含量的时间变化趋势，发现青浦区市区级河道氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮含量均呈逐年递增趋势。镇村级河道该三种形式氮元素含量呈现较明显的波动，在2000年呈现峰值。另外，青浦区各级河道的总氮总磷比值均呈现明显的季节变化规律：夏季最低，冬季最高，春秋季居中。
　　 本文应用ArcGIS软件做出了各级河道氮的空间分布图，通过各级河道、水利片、行政区域、支流间氮元素含量比较，发现青浦区河道氮元素含量具有明显的空间分布规律：青东地区氨氮、亚硝酸盐氮与总氮含量远远高于青西地区，而青西地区硝酸盐氮含量则略高于青东地区。
　　 在进行青浦区河道表层水氮元素含量变化驱动因子分析中，本文从社会经济发展、土地利用两大类因子分别分析了市区级河道与镇村级河道的主要驱动因子。其中，社会经济指标选用了19个，数据来源于青浦区统计年鉴。采用监督与非监督分类方法，对Landsat5 TM遥感影像进行解译得出青浦区耕地、菜地、城乡工矿居民用地、水域、林地、未利用土地六个土地利用类型的面积比例变化。相关性分析采用了灰色关联度分析和缓冲区分析两种分析方法。分析结果表明：青浦区市区级河道氨氮含量变化的首要驱动因子为总户数，镇村级河道氨氮含量变化的首要驱动因子为企业单位个数，各级河道氨氮含量变化的土地利用主要驱动因子均为城乡工矿居民用地面积比例和未利用土地面积比例。青浦区市区级河道硝酸盐氮含量变化的首要社会经济驱动因子为渔业产量，受土地利用变化影响较小。青浦区市区级河道亚硝酸盐氮含量变化的首要社会经济驱动因子为企业单位个数，各级河道亚硝酸盐氮含量变化的主要土地利用变化驱动因子均为城乡工矿居民用地面积比例和水域面积比例。青浦区各级河道总氮含量变化的土地利用驱动因子均为城乡工矿居民用地面积比例和水域面积比例。
　　 总之，青浦区河道表层水氮元素含量变化一方面受社会经济发展驱动，一方面也受土地利用变化驱动，另一方面社会经济发展也通过驱动土地利用变化而间接驱动氮元素含量变化。