使用 CA-Markov 对穆瓦图普扎河流域地下水可持续性进行土地利用和土地覆盖变化预测（2033–2050）

为何土地变化对隐蔽的水资源至关重要

在许多热带地区，数百万人饮用地下水。然而，我们建造城市、砍伐森林和耕作土地的方式，正在悄然改造这一隐匿的资源。本研究关注印度南部喀拉拉邦的穆瓦图普扎河流域，提出一个紧迫的问题：随着景观城市化，居民赖以生存的地下水的水质和稳定性会发生怎样的变化？

一个正在快速被人类改造的流域

穆瓦图普扎流域从西高止山脉的陡峭林区一直延伸到靠近阿拉伯海的低洼稻田和潟湖。研究者利用 2003、2013 和 2023 年的卫星影像，追踪了二十年来的土地利用和覆盖变化。林地和农田曾主导该流域，但城镇、村庄、道路及其他硬化面等建成区大幅扩张。建成区从 2003 年约占流域面积的 12% 增长到 2023 年超过 44%，主要取代了农业用地和部分植被覆盖区。与此同时，真正的荒地或裸地面积减少，水体和湿地总体变化甚微，尽管在局部存在侵占和围垦现象。

窥探地下：水化学如何变化

为观察这些地表变化如何影响地下，团队分析了流域内井点在三个基准年（2003、2013、2023）的地下水数据。他们测量了电导率（表征水的咸度或矿物质含量）、溶解固体、主要溶解矿物如钙、镁和钠，以及常来自化肥和污水的硝酸盐等基本指标。随着时间推移，许多井的溶解矿物和硬度稳步上升，显示含水层矿化程度增加。硝酸盐在若干地点，尤其是靠近城市和高强度农业区的地方也有所上升，表明人类废弃物和农业化学品的影响正在加剧。尽管许多井的指标仍在饮用水标准范围内，但整体水质逐步下降的趋势已显现。

从地图与统计到未来情景

仅了解趋势还不够；规划者需要知道未来可能会怎样。研究人员使用称为 CA-Markov 的建模技术，根据观测到的变化和坡度、海拔、土壤、到道路与河流的距离等物理约束，预测 2023 年到 2050 年间土地利用的演变。他们的模拟显示，建成区将在 2033 年和 2043 年继续扩展，之后到 2050 年增长趋缓，而农业用地和地表水区域将继续承受压力。与此同时，团队对地下水数据应用多元统计分析，将影响水质的两股主要力量区分开来：来自岩石溶解的自然过程和地表人类活动引入的污染物。这一分析表明，咸化、富矿化水体与硝酸盐污染往往遵循不同模式，暗示其背后的成因各异。

用机器学习解析无形风险

研究更进一步，采用机器学习算法检验能否用其它更易测的水质指标预测与健康相关的污染物——硝酸盐。研究团队在井点数据上训练了随机森林、支持向量回归和 XGBoost 等模型，并使用一种称为 SHAP 的“可解释型 AI”工具揭示最重要的影响因素。模型指出镁、钙和碱度是影响硝酸盐浓度的关键变量，这可能反映了含水层中自然缓冲反应和氧化还原条件如何促进或抑制硝酸盐积累。同时，仅凭一般水化学参数对硝酸盐的可预测性有限，也强调了局部土地利用、卫生条件和农业实践仍是关键驱动因素，必须直接监测。

对民众与规划的意义

对居民和决策者而言，结论明确：穆瓦图普扎流域的土地利用方式深刻影响其地下水质。快速的城市扩张和不断变化的农业活动已使许多井的矿物质含量和硝酸盐水平上升，若当前趋势持续，预测的土地利用变化将带来持续压力。通过结合基于卫星的土地地图、现场测量和透明的机器学习工具，研究提供了一个实用框架，用以识别新兴的地下水“热点”，指导保护补给区、改进污水和化肥管理、以及引导未来开发。简言之，今天的智慧土地规划可以帮助让明天的水井更清洁、更安全、更可靠。

引用: K, A., Gautam, S., Prince Arulraj, G. et al. Forecasting land-use and land-cover change for groundwater sustainability in the Muvattupuzha basin using CA-Markov (2033–2050). Sci Rep 16, 7462 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38961-2

关键词: 地下水, 城市化, 土地利用变化, 硝酸盐污染, 喀拉拉邦