前言：本站為你精心整理了土地利用下的空氣污染論文范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價(jià)值，我們的客服老師可以幫助你提供個(gè)性化的參考范文，歡迎咨詢。

1引言

本研究以長株潭城市群核心區(qū)為對象，綜合地理信息系統(tǒng)（GIS）和遙感（RS）技術(shù)，在年均和季節(jié)2個(gè)時(shí)間尺度，探討土地利用/覆蓋類型及其景觀格局對城市空氣污染時(shí)空分布特征的影響。與已往研究相比，本研究創(chuàng)新之處在于首次在年均與季節(jié)2個(gè)時(shí)間尺度，同時(shí)從宏觀土地利用/覆蓋類型及其微觀景觀格局雙重角度，解析土地利用格局與空氣污染特征的關(guān)系。

2空氣污染效應(yīng)的圖像識別處理與分析

2.1土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)處理

在美國地質(zhì)勘探局(USGS)全球可視化瀏覽器[18]下載長株潭城市群2013年7月31日2景Landsat8（Path123,Row40&41）遙感影像，選取波段分辨率為30m的8個(gè)波段進(jìn)行合成。利用ENVI軟件對合成影像進(jìn)行大氣校正、幾何校正、鑲嵌和裁剪處理后，依據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)[13-14,19]與研究區(qū)土地利用/覆蓋特征，采用最大似然法將預(yù)處理后的合成影像分為建設(shè)用地、道路、裸地、耕地、水域、綠地和林地7類。長株潭城市群及其生態(tài)綠心區(qū)土地利用/覆蓋分類與統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別見圖1和表1。表1中面積占比=(Ai/A)×100%，式中，i=1,2,…7和Ai分別為土地利用/覆蓋類型i的序號和面積；A為長株潭城市群全區(qū)土地總面積。

2.2土地利用景觀格局分析

相對土地利用/覆蓋從宏觀角度總體描述區(qū)域土地利用狀況，景觀格局分析著重于從微觀角度測度土地要素的空間配置關(guān)系。景觀指數(shù)是表征土地利用景觀格局的有效指標(biāo)[20]。參照相關(guān)報(bào)道[19,21]，結(jié)合長株潭城市群特點(diǎn)與空間幅度，選取類型級別斑塊面積百分比（PLAND）、景觀級別蔓延度指數(shù)（CONTAG）、散布與并列指數(shù)（IJI）、周長面積分維度指數(shù)（PAFRAC）、聚合性指數(shù)（AI），以及香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）量化區(qū)內(nèi)土地利用景觀格局特征。景觀指數(shù)計(jì)算通過軟件Fragstats4.0移動窗口法實(shí)現(xiàn)。

2.3空氣污染數(shù)據(jù)處理及其濃度分布格局

研究中使用的空氣污染數(shù)據(jù)來源于湖南省環(huán)保廳環(huán)境質(zhì)量實(shí)時(shí)系統(tǒng)[22]，包括23個(gè)空氣質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)（圖1），站點(diǎn)依據(jù)環(huán)境監(jiān)測規(guī)范[23]設(shè)置，采樣高度為3~15m。獲取2013年1-12月NO2、PM10、O3、PM2.5小時(shí)濃度觀測數(shù)據(jù)，通過求算術(shù)平均值計(jì)算月均和年均濃度值。在實(shí)驗(yàn)對比分析反距離加權(quán)（IDW）、普通克里格（OrdinaryKring）和樣條函數(shù)（SplineFunction）3種常用插值方法精度基礎(chǔ)上，選擇插值效果最佳的IDW方法生成長株潭城市群NO2、PM10、O3、PM2.5的空氣污染濃度圖。成圖過程中，在統(tǒng)計(jì)分析300、500、1000、1500和3000m5個(gè)不同分辨率柵格圖各土地利用/覆蓋類型NO2濃度均值的基礎(chǔ)上，結(jié)合環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測規(guī)范附則中對空氣質(zhì)量評價(jià)點(diǎn)的定義，選定1000m為空氣污染濃度圖制圖的空間分辨率，結(jié)果見圖3?？紤]數(shù)據(jù)缺失程度（1-12月數(shù)據(jù)缺失率分別為：7.08%、11.81%、2.45%、2.53%、2.13%、5.68%、2.98%、1.57%、0.8%、1.89%、2.44%、20.79%）和研究區(qū)季節(jié)劃分情況（3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12月和1-2月為冬季），選取數(shù)據(jù)缺失少、最具季節(jié)特征的5月（圖3(a)）、8月（圖3(b)）、10月（圖3(c)）和1月（圖3(d)）分別代表長株潭城市群春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)，繪制城市群NO2、PM10、O3、PM2.5季節(jié)和年均（圖3(e)）濃度空間分布圖。

2.4空氣污染特征及其濃度相關(guān)性

運(yùn)用ArcGIS分區(qū)統(tǒng)計(jì)工具（ZonalStatisticTool）分別統(tǒng)計(jì)春季、夏季、秋季、冬季和全年長株潭城市群各類土地利用/覆蓋類型下的NO2、PM10、O3、PM2.5濃度均值。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用ArcGISIntersect功能疊加空氣污染濃度和景觀指數(shù)圖，組合對應(yīng)柵格濃度值和景觀指數(shù)值生成分析樣本數(shù)據(jù)組，基于皮爾遜相關(guān)系數(shù)量化土地利用/覆蓋及其景觀格局與NO2、PM10、O3、PM2.5濃度的相關(guān)性。

3空氣污染效應(yīng)計(jì)算結(jié)果與分析

3.1土地利用/覆蓋類型與空氣污染濃度

圖4為2013年長株潭城市群空氣污染濃度月均值變化曲線。從圖4可知，在不區(qū)分土地利用/覆蓋類型時(shí)，城市群內(nèi)PM10和PM2.5濃度變化趨勢一致，春、夏季節(jié)低，秋、冬季節(jié)高，在10月達(dá)到最大值（PM10:172μg/m3；PM2.5:154μg/m3）；最小值出現(xiàn)在7月（PM10:50μg/m3；PM2.5:26μg/m3）。O3冬季最低，2月最低濃度為45μg/m3；春、夏、秋季節(jié)均較高，最高值（144μg/m3）出現(xiàn)在10月。NO2與PM10和PM2.5的濃度變化趨勢相似，12月均值最高（72μg/m3），7月最低（23μg/m3）。相對不區(qū)分土地利用/覆蓋類型而言，圖5表明：長株潭城市群不同土地利用/覆蓋類型與空氣污染濃度間的響應(yīng)關(guān)系存在差異。綜合分析土地利用/覆蓋分類結(jié)果（圖1）和空氣污染濃度空間分布格局（圖3）可知，長株潭城市群核心城區(qū)建設(shè)用地NO2濃度最高，而西南部綠地、林地集中區(qū)域NO2較低，整個(gè)城市群建設(shè)用地NO2濃度均值亦高于相應(yīng)林地均值（春季：36μg/m3VS30μg/m3；夏季：26μg/m3VS23μg/m3；秋季：52μg/m3VS47μg/m3；冬季：60μg/m3VS52μg/m3；年均：43μg/m3VS37μg/m3）。PM10濃度分布與土地利用/覆蓋類型的關(guān)系相對復(fù)雜，在建設(shè)用地外圍綠地與耕地零散夾雜分布地區(qū)，以及望城與湘潭縣接壤地區(qū)濃度仍然較高。O3濃度在建設(shè)用地相對大面積集中區(qū)明顯低于非集中零散分布小區(qū)，但在岳塘區(qū)和石峰北部林地區(qū)存在小面積高濃度區(qū)域，總體呈現(xiàn)外圍高、中心低的趨勢。各土地利用/覆蓋類型PM2.5濃度均值差異在春季、夏季，以及年均尺度較?。?lt;2μg/m3），但建設(shè)用地、道路及水域在秋季和冬季的PM2.5濃度（秋季：132、132、134μg/m3；冬季：159、158、156μg/m3）均高于林地PM2.5濃度（秋季：127μg/m3；冬季：149μg/m3），建設(shè)用地總體上是PM2.5高濃度集中分布區(qū)域。與圖5結(jié)果相似，表2PLAND與空氣污染濃度相關(guān)性分析結(jié)果，進(jìn)一步定量證實(shí)了土地利用/覆蓋類型對城市空氣污染濃度的影響。不同時(shí)間尺度下土地利用/覆蓋類型與各空氣污染物濃度相關(guān)關(guān)系的顯著性存在差異，相關(guān)系數(shù)的大小反映了相關(guān)關(guān)系的緊密程度。總體而言，長株潭城市群建設(shè)用地和道路面積占比與NO2、PM2.5濃度正相關(guān)、與O3濃度負(fù)相關(guān)，相關(guān)性強(qiáng)弱依次是NO2>PM2.5>O3。究其原因，建設(shè)用地與道路是以NO2為主要成分的機(jī)動車尾氣排放的重要場地，PM2.5與O3由NO2經(jīng)過化學(xué)/光化學(xué)反應(yīng)生成的二次污染物組成，但與O3相比，PM2.5還與城市內(nèi)部工廠廢氣排放等密切相關(guān)，由此造成了3種污染物與城市建設(shè)用地、道路面積占比的相關(guān)性差異。林地、綠地、耕地面積占比與NO2、PM2.5濃度負(fù)相關(guān)，研究結(jié)果與相關(guān)報(bào)道一致[13-14]。但林地面積占比與O3年均、春季、冬季濃度顯著負(fù)相關(guān)，與先前報(bào)道結(jié)果相反[25]。土地利用/覆蓋對PM10濃度特征的影響相對不穩(wěn)定，建設(shè)用地、耕地面積占比與PM10濃度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)特征。分析原因：建設(shè)用地面積占比較小的望城南部與湘潭處于城鎮(zhèn)化高速開發(fā)階段（如其中的岳塘區(qū)2013年有多個(gè)項(xiàng)目密集開工），建筑和工業(yè)揚(yáng)塵帶來的PM10排放[26]明顯高于其他區(qū)域，造成了小比例建設(shè)用地對應(yīng)高PM10濃度。表2說明長株潭城市群土地利用/覆蓋，對空氣污染物濃度變化的影響具有明顯季節(jié)效應(yīng)。道路面積占比與O3和PM10年均濃度相關(guān)性較?。é裍,Y:－0.04、0.09），但與夏季、冬季O3濃度以及夏季PM10濃度的相關(guān)性明顯增大（ρX,Y:-0.14，-0.16，0.17）。耕地面積占比與年均O3和PM2.5濃度相關(guān)性不顯著但與夏季、冬季O3濃度顯著相關(guān)（ρX,Y:0.11VS-0.08），與春季、夏季PM2.5濃度出現(xiàn)正負(fù)反復(fù)的顯著性相關(guān)差異（ρX,Y:0.07VS-0.12）。林地面積占比除與春季PM2.5濃度顯著正相關(guān)外，與其他季節(jié)和年均PM2.5濃度均顯著負(fù)相關(guān)。

3.2土地利用景觀格局與空氣污染濃度

綜合分析城市群內(nèi)景觀指數(shù)和空氣污染濃度空間分布格局（圖2、3）可知，長株潭城市群土地利用/覆蓋型的微觀景觀格局，可用于揭示空氣污染的空間分布特征。蔓延度指數(shù)CONTAG值高的長沙縣南部、石峰區(qū)北部對應(yīng)O3濃度較高；散布與并列指數(shù)IJI、形狀分維數(shù)PAFRAC、聚合性指數(shù)AI值高的城市群核心區(qū)中西部與PM10和PM2.5濃度高值區(qū)域相對吻合；多樣性指數(shù)SHDI較低區(qū)域PM2.5濃度值低。分析原因，長株潭城市群CONTAG高值區(qū)域位于湘江支流瀏陽河兩側(cè)，優(yōu)勢斑塊綠地和林地的連通性較好，對NO2、PM10和PM2.5的“負(fù)效應(yīng)”得以充分發(fā)揮。相對而言，承載人類開發(fā)活動較多的城市群核心區(qū)中西部的望城和湘潭景觀格局破碎程度高，PM10和PM2.5濃度相應(yīng)較高。表3為長株潭城市群2013年春季、夏季、秋季、冬季和年均尺度空氣污染濃度與景觀指數(shù)相關(guān)分析結(jié)果?？傮w來看，相關(guān)性結(jié)果的顯著性在證實(shí)景觀格局對空氣污染存在指示作用的同時(shí)，也揭示了指示作用強(qiáng)弱隨季節(jié)變化的特征。CONTAG在年均、冬季、春季與O3濃度顯著正相關(guān)，但在夏季、秋季不相關(guān)。IJI與NO2、O3、PM2.5年均濃度顯著相關(guān)（ρX,Y:0.10、-0.12、0.14），但與冬季NO2、秋季O3、夏季PM2.5濃度幾乎不相關(guān)（ρX,Y:0.01、0、0.01）；PAFRAC與冬季PM10濃度相關(guān)系數(shù)僅為-0.07，但與年均、春季、秋季PM10濃度強(qiáng)顯著相關(guān)（ρX,Y:≥0.3）；SHDI與PM2.5濃度正相關(guān)特征出現(xiàn)在秋季、冬季及年均尺度（ρX,Y:0.17、0.11、0.13），但此種相關(guān)性在夏季消失。此外，不容忽視的是，土地利用/覆蓋及其景觀格局的空氣污染效應(yīng)分析，多強(qiáng)調(diào)大致從宏觀角度間接反映區(qū)域內(nèi)部大氣污染源排放的空間差異，如何耦合大氣污染物擴(kuò)散的物理化學(xué)機(jī)制充分揭示微觀地貌景觀，如河流、丘陵等對空氣污染擴(kuò)散的影響值得深入研究。事實(shí)上，區(qū)域空氣質(zhì)量多數(shù)情景下易受外源輸入的影響。但在季節(jié)和年均時(shí)間尺度，外來污染源對區(qū)域內(nèi)部空氣污染濃度分布的貢獻(xiàn)空間上相對均勻，因而，在城市高空間分辨率氣象數(shù)據(jù)（如混合層高度）獲取受限的條件下，從土地利用/覆蓋及其景觀格局與空氣污染濃度關(guān)系分析的角度解析區(qū)域空氣污染空間差異的成因不失為一種相對可行與可靠的手段。

3.3生態(tài)綠心區(qū)空氣污染濃度特征

長株潭生態(tài)綠心區(qū)建設(shè)的目的在于合理創(chuàng)新土地利用模式，科學(xué)管理自然生態(tài)資源，實(shí)現(xiàn)維持區(qū)域生態(tài)健康、提升城市群空氣質(zhì)量水平的目標(biāo)[27]。分析生態(tài)綠心區(qū)空氣污染特征可初步檢驗(yàn)土地利用方式改變對于降低城市空氣污染的效果。綜合分析圖1和圖3可知，長株潭城市群建設(shè)用地覆蓋率低、植被覆蓋率高的生態(tài)綠心區(qū)內(nèi)的NO2、O3、PM2.5濃度水平整體低于鄰近地區(qū)。同時(shí)，整個(gè)城市群內(nèi)NO2、PM2.5濃度最高值卻出現(xiàn)在生態(tài)綠心區(qū)的石峰區(qū)與岳塘區(qū)交界地。生態(tài)綠心區(qū)PM10濃度均值高于城市群整體均值，大致呈現(xiàn)西高東低趨勢，在岳塘區(qū)湘江沿岸達(dá)到最高。分析原因，一方面生態(tài)綠心區(qū)內(nèi)的岳塘和瀏陽市交界地集中分布了五一、仙人造水庫2個(gè)自然保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)內(nèi)聚集的林地、綠地對綠心區(qū)范圍內(nèi)的NO2、O3、PM2.5濃度具有“負(fù)效應(yīng)”；另一方面，生態(tài)綠心區(qū)地處長株潭三市交接地，在長株潭城市群一體化建設(shè)過程中，區(qū)內(nèi)高PM10濃度主要可歸咎于各類工業(yè)發(fā)展和建筑開發(fā)活動對污染的“正效應(yīng)”。

4結(jié)論

在運(yùn)用GIS和RS技術(shù)獲取研究區(qū)土地利用/覆蓋基礎(chǔ)上，結(jié)合土地利用景觀格局分析結(jié)果，本研究首次分年均和季節(jié)時(shí)間尺度，同時(shí)從宏觀和微觀角度解析了土地利用格局與空氣污染濃度特征之間的關(guān)系。主要結(jié)論如下：（1）土地利用/覆蓋類型可影響空氣污染濃度的空間分布特征。建設(shè)用地和道路面積占比越大，NO2、PM2.5濃度越高、O3濃度越低；林地、耕地面積占比越大，NO2、PM2.5濃度越低；土地利用/覆蓋對PM10濃度特征的影響相對不穩(wěn)定，主要受局地尺度工業(yè)發(fā)展和建筑開發(fā)活動影響。（2）土地利用景觀格局一定程度上，指示了空氣污染濃度的空間分布特征。形狀分維數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)和散布與并列指數(shù)值越大，PM10、PM2.5濃度往往相應(yīng)高；蔓延度指數(shù)值越大、散布與并列指數(shù)值越小，O3濃度越高。（3）宏觀土地利用/覆蓋類型及其微觀景觀格局，對NO2、PM10、O3、PM2.5濃度變化的影響程度，會隨分析時(shí)間尺度（年均、季節(jié)）的變化而改變，其中PM2.5受季節(jié)性因素影響大。（4）長株潭城市群生態(tài)綠心區(qū)整體上對區(qū)內(nèi)NO2、O3、PM2.5濃度的上升有抑制作用，但對局地NO2和PM2.5濃度極高值、整個(gè)城市群PM10濃度的“負(fù)效應(yīng)”作用不明顯，生態(tài)綠心區(qū)保障長株潭城市群空氣質(zhì)量的效果尚未真正展現(xiàn)。

作者：許珊鄒濱蒲強(qiáng)郭宇單位：中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院上海市大氣顆粒物污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室