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论文信息
标题：A comprehensive framework for assessing the spatiotemporal impact of land use and cover change on lake eutrophication
期刊：International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation（一区）
时间：2024
作者：Yi Lin
一句话总结：提出了一种LULCCs净化能力指数，并分析了土地利用对淀山湖净化能力及N/P迁移和传输的影响作用。
声明：以下内容仅代表个人对文章的理解，水平有限，难免出现错讹，欢迎批评指正！
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亮点
（1）通过整合非混合技术和InVEST模型，提高N/P滞留和输出的估算精度；
（2）通过构建土地利用和土地覆盖变化净化能力指数（LPI），直观且全面地量化LULCCs对N/P分布的影响；
（3）基于长期的LPI地图，揭示土地利用和土地覆盖变化净化能力随时间的时空演变规律；
（4）探索不同土地利用和土地覆盖类型与N/P在陆地上的迁移和转化过程之间的关系，并讨论其对湖泊保护和管理的意义。
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研究意义
（1）超过60%的全球湖泊已经处于富营养化状态，导致生态系统服务严重退化。周围环境过量的氮和磷（N/P）输入是湖泊富营养化的主要原因。因此，越来越多的关注被投入到理解N/P在陆地上的迁移和转化过程。
（2）大量的研究已经定量分析了土地利用和土地覆盖变化（LULCCs）对总氮和总磷（TN/TP）的影响方式和程度。然而，由于LULCCs的影响与自然因素之间的复杂相互作用，存在很大的不确定性。即使在同一土地利用和土地覆盖类型内，N/P的吸收能力也会因不同的自然因素而有所不同。
（3）以往研究存在两个主要缺陷。首先，在低分辨率或中等分辨率的遥感影像中普遍存在的混合像素并未被考虑。此外，现有研究缺乏对长期LULCCs对N/P迁移和传输的综合影响的量化与空间化分析。
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材料与方法
技术路线图
3.1 研究区
淀山湖4 km缓存区。
研究区概况图
3.2 数据
所用数据如下：
3.3 丰度分数计算
光谱分解是一种分解操作，可获取不同土地利用和土地覆盖类别的比例，即丰度分数。在本研究中，v-SVC（向量支持向量机）被用来获取每个土地利用和土地覆盖类型的丰度分数。
3.4 N/P的存储和输出估算
在本研究中，营养物输送比率（NDR）模块被用来评估各种土地利用和土地覆盖类型对营养物（N/P）的滞留和输出。模型参数如下所示：
3.5 LULCCs净化评估
（1）该研究提出了一种土地利用净化能力指数：
（2）在研究区域进行了Chl-a浓度的遥感反演。选择了四种广泛应用的Chl-a反演模型。选择了R2最高的最优模型来反演滇山湖的Chl-a浓度，并验证所提出的InVEST-UM框架。
3.6 统计分析
为了进一步探讨土地利用和土地覆盖变化（LULCCs）对N/P迁移和传输的影响机制，分别进行了两种分析：皮尔逊相关系数（PCC）分析和交叉敏感性系数（CCS）分析。
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研究结果
5.1 长时序LULCCs净化能力评估
（1）从2004年到2020年，滇山湖缓冲区内的N/P滞留和输出呈现出持续的波动趋势。在过去的17年里，滇山湖缓冲区的N/P总存储量大约是平均总输出的2到3倍，具体数值在每年都有波动。N/P的总滞留量在过去17年中呈现出先减少后增加的整体趋势，以2014年为分界年。
N/P存储和输出
（2）计算了17年间的LPI空间分布地图，其净化能力呈现出先整体下降后上升的趋势，其中2014年和2009年的LPI值最低。
研究区域的长期LULCCs净化能力
（3）具体来说，在17年的时间里，LULCCs净化能力增强的区域占总面积的29.677%，而LULCCs净化能力减弱的区域占总面积的18.076%。裸地和人造表面的增加是LULCCs净化能力退化的主要原因，而植被的增加，以及裸地和水面面积的减少，导致了LULCCs净化能力的增强。
LULCCs净化能力的演变
（4）在本研究中，选择了带有指数函数的修正CI模型来定量估算滇山湖的Chl-a浓度。相对较高的Chl-a浓度出现在2009年和2014年，导致更为严重的富营养化。从空间分布上看，滇山湖的北部和西南部地区出现了显著的富营养化现象，因为这些区域是更为静止的水域，远离湖泊的入口和出口。
LPI和Chl-a浓度的定性和定量分析
5.2 影响机制
（1）从PCC热力图可以看出，植被与总N/P滞留量呈现出强烈的正相关关系。这表明植被面积的增加将增强总N/P的滞留量。相反，其他三种类型对总N/P滞留量显示出负面的影响。
（2）此外，研究区域中有43.90%和32.24%的面积被划分为不敏感和低敏感区域，这些区域主要分布在南部和北部地区。高敏感和中等敏感区域分别占9.92%和13.94%，它们主要分布在研究区域的东北部和西北部。
影响机制探索
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讨论
（1）在过去的17年中，滇山湖的LPI和Chl-a浓度结果显示水质总体有所改善，这与之前的研究所示一致。自2007年以来，上海市政府实施了严格的环境保护政策，包括工业发展、畜牧养殖和网箱养殖等措施。
（2）2014年和2009年是LULCCs净化能力最弱的年份，其中CPI越大，水质越差。2014年的CPI为0.68，2009年为0.63，其他年份小于0.60。
（3）2009年和2014年，裸地和人工表面的比例较高，导致了LULCCs净化能力的退化。工业用地和人类居住区的扩张侵占了植被区域，降低了土地对N/P的固定能力，增加了富营养化的程度。植被与裸地之间的转换主要受年间耕作和农田废弃等因素的影响。
（4）植被面积与LULCCs净化能力之间存在正相关关系，而裸地、水体和人工表面的扩张则存在负相关关系。水体与LPI之间的负相关性可能是因为水体面积总体减少，转换为植被。此外，人工表面的覆盖在17年间明显减少，这些变化归因于“十二五”计划期间在滇山湖地区进行的生态恢复倡议。
（5）高度敏感区域主要是由植被转换为裸地和人工表面。由于植被面积减少导致的不透水面积增加，将在一定程度上增强生态脆弱性，这使得湖泊净化能力对这种转换表现出更大的敏感性。这意味着人为因素对生态系统水净化能力产生了严重的负面影响。政府和管理者应关注湖泊周围的人为活动，并进行合理规划。应加强工业和农业地表污染的调查和修复，以确保进入滇山湖的水质达到并超过标准。
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结论
本研究通过结合非混合算法和InVEST模型，提出了一种优化框架，用于生成高精度的营养物质迁移和转化地图。基于这些结果，研究了长时空LULCCs对滇山湖净化能力的影响，并构建了一个综合的LULCCs净化能力指数（LPI）来有效代表湖泊富营养化的长期空间时间影响。研究显示，在过去17年中，滇山湖主要被LULCCs净化能力增强的区域所主导，而植被面积的增加对增强LULCCs净化能力有强烈的影响。同时，也提出了该研究的一些局限性，并为后续研究提供了建议。
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