農林復合流域非點源污染調控的景觀生態學研究現狀

田耀武 黃志霖 肖文發 曾立雄 向勇

摘要：農業生產活動產生的非點源污染已成為三峽庫區等農林復合流域較為嚴重的生態環境問題。景觀生態學強調景觀格局對生態過程中物質流、能量流的控制和影響。本研究以三峽庫區農林復合流域為研究對象，從斑塊類型水平、景觀水平，綜述非點源污染調控的景觀生態學途徑研究進展：第一階段為景觀生態調查。了解流域景觀格局特征，判定造成非點源污染的主要原因和關鍵環節，明晰非點源污染產生的“源”斑塊及其生態過程，確定景觀格局與非點源污染的反饋關系；第二階段為景觀生態規劃。斑塊水平上，選取最佳管理措施（BMPs），評定應用效果；景觀水平上，增加新的景觀要素，調整“源”、“匯”景觀斑塊類型，評估景觀水平調控效果；第三階段景觀生態管理。從斑塊和景觀兩種水平進行小流域景觀生態建設，逐步實施BMPs，實現景觀生態規劃與管理的有機結合，增強景觀異質性，有效控制非點源污染強度，達到小流域的可持續發展。

關鍵詞：農林復合流域；景觀生態學；非點源污染；調控

中圖分類號：Q149 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）11-2723-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.043

A Landscape Ecological Approach for the Control of Non-point Source Pollution Exported from Agroforestry Watershed

TIAN Yao-wu1，2，HUANG Zhi-lin2，XIAO Wen-fa2，ZENG Li-Xiong2，XIANG Yong3

（1. College of Forestry， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471003， Henan， China； 2. State Forestry Administration Key Laboratory of Forest Ecology and Environment/ Institute of Forest Ecology， Environment and Protection， Chinese Academy of Forestry， Beijing 100091， China；3. Forestry Bureau of Zigui County， Yichang 443600， Hubei， China）

Abstract：Non-point source （NPS） water pollution generated by agricultural production is considered as a major environmental issue in China. Landscape ecology emphasizes the regulation and effect of landscape pattern on material flow， energy flow through ecological processes. In this study， landscape ecological approach for non-point source pollution control was discussed on patch class-level and landscape-level under the Three Gorges Reservoir agroforestry watershed conditions. The first was landscape ecological investigation. It was understanding the characteristics of watershed landscape pattern， realizing the main reason and key process for non-point source pollution， understanding the "source patches" of NSP and its ecological processes， and defining the feedback between landscape spatial pattern and non-point source pollution. The second was landscape ecological planning. BMPs were selected and assessed on patch-level. New landscape elements was added. The “source”and “sink” landscape patches were adjusted and assessed on landscape-level. The third was landscape ecological management. It included constructing watershed landscape on patch- and landscape-level， gradually implementing BMPs， combining landscape planning and management， enhancing landscape heterogeneity， controlling non-point source pollution intensity effectively， and achieving the sustainable development of small watershed.

Key words： agroforestry watershed； landscape ecology； non-point source pollution； regulation

非點源污染（Non-point Source Pollution，NSP）是指溶解態或固態污染物從非特定的地點，在降水或融雪沖刷作用下，通過徑流過程而匯入河流、湖泊、水庫、海灣等受納水體并引起水體的富營養化或其他形式的污染[1]。農業NSP是最為主要的非點源污染，包括土壤侵蝕、農業生產活動中化肥與農藥的過量使用、公路徑流、畜禽養殖和農業與農村廢棄物等，污染物主要包括泥沙、氮、磷、有機物質等。三峽庫區農林復合流域平均坡度較大，茶、作物等生產活動發達，由于農業生產活動已產生了較為嚴重非點源污染，引起了較為嚴重的水土流失、水體富營養化等生態環境問題[1，2]。

景觀生態學強調景觀空間格局對生態過程的控制和影響，景觀格局的改變會帶來景觀功能、物質流和能量流的變化[3]。景觀生態規劃、景觀生態設計和景觀生態管理構成了景觀生態建設[4，5]。景觀生態學的發展帶動著景觀生態規劃的發展。針對三峽庫區農林流域的非點源污染現狀，結合景觀生態學的基本原理，提出三峽庫區特定地理條件下，基于景觀生態學原理的非點源污染調控途徑、調控方法、實施步驟，以期為三峽庫區農林復合型小流域的社會經濟可持續發展提供理論基礎。

1 景觀生態學途徑的基本思路

三峽庫區農林流域非點源污染調控是應用景觀生態學原理和方法及其他相關學科的知識，通過研究景觀格局與生態過程以及人類活動與景觀的相互作用，在景觀生態分析、綜合與評價的基礎上，合理規劃流域景觀空間結構及功能，使斑塊、廊道及基質等景觀要素空間布局結構合理，能量流、信息流、物質流及價值流有組織、有秩序地流動，使景觀不僅符合生態學原理，也符合社會經濟的發展。基本過程分為3個階段（圖1）。第一階段為景觀生態調查。首先了解流域景觀格局特征，判定造成非點源污染的主要原因和關鍵環節，明晰非點源污染的“源”斑塊，量化景觀格局與非點源污染的反饋關系；第二階段為景觀生態規劃。斑塊水平上，“源”斑塊的最佳管理措施的效果評價；景觀水平上，新景觀要素的評價，“源”、“匯”景觀元素調整的效果評估；第三階段景觀生態管理，最佳管理措施BMPs的實施步驟，后期小流域的景觀生態管理。將景觀規劃與管理有機結合，增強景觀異質性，有效控制非點源污染強度，實現復合小流域的可持續發展。

2 景觀生態調查

景觀生態調查包括兩部分內容，一是流域景觀格局分析，二是非點源污染現狀分析。

景觀格局分析上，可以借助遙感、地理信息系統手段，以及一些專業景觀格局分析軟件，如FRAGSTATS。一般要從斑塊、景觀兩種水平上進行景觀格局分析。斑塊水平有單個斑塊面積、形狀、邊界特征，斑塊的平均面積、平均形狀指數、面積和形狀指數標準，單位面積的斑塊數目、邊界密度（單位面積的斑塊邊界數量）、斑塊鑲嵌體形狀指數、平均最近鄰體指數等。景觀水平上有景觀多樣性指數、景觀優勢度指數、景觀均勻度指數、景觀形狀指數、正方像元指數、景觀聚集度指數、分維數等[6，7]。

非點源污染現狀分析也要從斑塊、景觀水平進行。農業流域尺度管理模型可用來模擬徑流、泥沙、氮磷、有機碳等非點源污染遷移、轉化過程，部分基于過程的模型可以確認“源”“匯”斑塊類型及其非點源污染物產生的動態變化。常用的物理過程模型，如SMODERP，EUROSEM，EROSION 3D[8]， SHETRAN等，通常在10～100 km2較小尺度流域范圍內使用，研究地區通常被劃分為規則的離散單元面積。在102～104 km2中等尺度面積范圍內，常使用關聯物理過程和起源于經驗模型計算法則的概念模型，概念模型可長期連續預測徑流、土壤流失、沉積輸移和其他水文過程。目前常用的NSP模型主要有ANSWERS[9]、CREAMS[10]、WEPP、AGNPS[11]、SWAT以及AnnAGNPS[12]。使用與GIS緊密耦合的數學模型來評估農業流域泥沙與養分輸出，許多文獻已進行了開拓性的研究和探索等。在應用模型模擬方法進行NSP研究中，選擇正確的模型和計算法則是十分必要的。模型及計算法則的選擇主要受模擬目的、面積尺度、資料可獲取性決定。通過上述的景觀格局分析和非點源污染過程評價，明確非點源污染過程與景觀格局的關系，判定非點源污染產生的主要原因和關鍵環節。

黃志霖等[2，13]借助FRAGSTATS軟件和AnnAGNPS模型，以三峽庫區秭歸縣25個典型農林小流域作為研究對象，斑塊類型水平上選取斑塊面積比例指數，景觀水平上選取斑塊豐富度密度、雙對數回歸分維數、Shannon多樣性指數、聚集度等5類景觀指數，基于遙感和GIS技術，應用AnnAGNPS 模型模擬各流域徑流和泥沙輸出，FRAGSTATS軟件計算流域景觀格局指數，從景觀水平探討景觀格局特征對徑流、泥沙等污染物輸出的影響。流域徑流量與農坡地、農梯地、農林梯地、居民地等斑塊面積比例指數以及聚集度等景觀指數顯著正相關，林地、灌木地斑塊面積比例指數與徑流量顯著負相關；農坡地、農林梯地、居民地等斑塊面積比例指數、聚集度指數等與泥沙輸出量顯著正相關，而林地、灌木地斑塊面積比例指數、Shannon多樣性指數等與泥沙顯著負相關。景觀指數（因子）與徑流和泥沙輸出復相關系數為0.856和0.962（均高度相關），復相關系數均大于相對應的單因子相關系數。景觀水平上，流域景觀格局對徑流和泥沙輸出影響均顯著，景觀空間格局是景觀功能多樣性的反饋，該研究結果是景觀格局影響徑流、泥沙輸出等生態過程的又一例證。

3 景觀生態規劃

斑塊水平上，敏感斑塊、污染“源”斑塊可實施成熟的、經濟簡便的最佳管理措施（BMPs）。實施后達不到水質、泥沙輸出要求時，結合原有布局調整引入新的景觀要素，切斷非點源污染物遷移途徑，對“源”、“匯”景觀元素進行調整，縮小污染影響范圍，降低或去除污染物，達到控制非點源污染的目的。

泥沙、氮磷等非點源污染物產生的“源”斑塊多為農業斑塊，農業斑塊具有特殊的經濟產業屬性。對農業斑塊采先要采用恰當的BMPs。BMPs是美國20世紀70年代提出的[14]，BMPs可以是一個也可是多個符合流域實際條件措施的組合，其主要目的是防治和削減徑流污染物進入受納水體，使水質符合水質目標的實際措施，并要求在經濟和技術上能切實可行[14，15]。USEPA 把BMPs 定義為“任何能夠減少或預防水資源污染的方法、措施或操作程序，包括工程、非工程措施的操作和維護程序[16]”。常用的BMPs有：根據作物和土壤類型選擇化肥品種，按所需肥料的最佳使用數量和時間平衡施肥，不同作物品種輪種、套種，以減少養分流失；發展無公害農業，通過微生物、生物和化學系統的最佳整合控制病蟲害，以減少農藥的使用；改進傳統的耕作方式，使用免耕、殘留作物不予耕犁、選擇適當的耕作時間，防止耕作造成土壤沖蝕；科學用水，控制灌溉速度、時間和用水量，在確保作物得到所需水分的同時又不造成土壤沖蝕。

BMPs實踐上，李德榮等[17]研究了紅壤坡地果園不同水土保持措施對磷素流失的影響；許其功等[18]探索了耕作措施對三峽庫區土壤侵蝕和養分流失的影響；李琪等[19]評價了媯水河流域農耕區NPS磷污染危險性并對關鍵源區進行了識別；Santhi等[20]使用SWAT模型評估水質管理措施對Texas流域的影響；黃志霖等[13]選取三峽庫區典型流域，利用已校準的連續非點源污染模型AnnAGNPS，評價作物種植、化肥施用水平和保護性耕作措施、保護性工程措施、退耕還林措施等3組農業管理措施對農業NSP輸出的削減效果。模擬結果表明，作物種植類型對泥沙削減的效果差異不顯著，對磷輸出削減的效果差異顯著；化肥施用量對總氮和總磷輸出影響極顯著；保護性耕作措施可以顯著削減泥沙輸出，增加養分輸出；保護性工程措施能削減泥沙輸出，對養分輸出削減的效果不顯著；退耕還林措施對泥沙和養分輸出削減效果均顯著，坡度>10°農田實施退耕還林措施后，流域泥沙輸出<5 t/hm2，氮、磷等養分輸出量可降低至容許范圍。

斑塊尺度內，BMPs不能達到非點源污染物輸出要求時，必須對農業流域景觀格局進行調整，從景觀水平上增加高異質性斑塊、或增加連通性較高的廊道，進一步對敏感斑塊非點源污染物進行處理。景觀水平上重要一項是增加“匯”斑塊數量和面積。研究表明，當離散的林地、草地“匯”斑塊數量達到一定比例時，可以大大地提高降水入滲，減緩徑流速率，促進污染物吸收。

易揚等[21]采用2002年和2008年兩期Spot5遙感影像，評估了退耕還林工程實施前后黃土高原典型農林復合流域景觀格局的動態變化：農耕地斑塊面積大幅度下降，逐漸破碎化，28.95%的耕地轉化為幼林地和果園斑塊。幼林地增長率為89.64%，果園增長率為185.66%。景觀格局更為豐富，空間異質性提高，各斑塊景觀分布逐漸向均勻化方向發展，退耕還林生態工程實施與經濟效益的影響處于主導地位，當地產業、生產方式和經濟發展方向都發生了變化，驅動了生態景觀格局的良性發展。流域尺度上的景觀規劃還要以河流、湖泊等受納水體為中心，重新布局或引入新的景觀斑塊優化景觀格局，在水體周圍結合BMPs，構建一定寬度的植被緩沖帶，將泥沙、氮磷等污染物隔離于水體之外。現階段國外已有成功的實踐，即利用植被緩沖帶以及半自然或人工濕地阻截、吸附、沉淀、降解污染物。三峽庫區秭歸縣蘭陵溪多條流域已實施了自然排水溝渠的硬化處理，結合植被過濾帶，很大程度上減少了地表徑流對溝渠的沖刷侵蝕。

4 景觀生態管理

完成景觀生態調查、規劃后，要全面實施景觀生態建設。首先是斑塊水平上，以景觀斑塊為評價單元，采用遙感、地理信息系統以及流域尺度過程模型，結合實地采樣測試，分析流域景觀斑塊內在的資源質量以及與相鄰景觀斑塊相斥性或相容性，確定景觀斑塊對非點源污染適宜性和限制性，劃分景觀斑塊的敏感性等級。全力推行切實可行的BMPs。BMPs目標是在不降低作物產量與收益的基礎上，通過科學的管理措施，最大限度地減少養分及其他有害元素流失造成的水環境污染。對大多數流域，產生大量土壤侵蝕的面積在整個流域中只占一小部分，受流域投入資金的限制，BMPs的實施應先從最敏感的區域開始[15]，而且組合BMPs比單一措施有效。其次是景觀水平上，結合流域泥沙氮、磷等非點源污染物遷移過程的景觀格局分析，運用水土保持和其他管理措施，或引入新的景觀元素或重新布局景觀結構，形成最大削減非點源污染物的良性景觀格局[22]。在土壤擾動時段內，流域管理措施是用來阻止或降低土壤侵蝕量，進而保護水質的一種（組）方案。這種管理措施不但包括在土壤濕度較大時不進行耕作等相對簡單的耕作措施，而且也包括復雜水流匯集、分離重金屬等復雜的工程措施。通過采取持續農業管理措施和BMPs[14，15]可有效地使農業NSP不同程度的降低。

以三峽庫區為例，結合該區農林流域有關研究成果和流域農戶分散經營的實際情況，本區域內BMPs首先從作物和化肥施用管理入手，推廣較易實行的植被過濾帶，條件成熟后，全流域逐步實施坡改梯等高種植，利用國家小流域治理專項資金實施退耕還林，提高林草生態系統經濟效益，在農地和經濟作物地段實施林草過濾帶等工程措施，逐步加大NSP的調控，利用生物措施和工程措施解決流域與水資源有關的環境問題，實現農業小流域可持續發展。

5 小結

在非點源控制規劃設計過程中，將各種最佳管理措施應用于污染“源”景觀斑塊，同時增加與“源”斑塊高度異質的斑塊類型，結合實際調整廊道連通性，達到減小暴雨徑流速率，攔截、貯存、轉化徑流所攜帶的污染物。從景觀角度研究非點源污染物產生、遷移、轉化生態過程；從斑塊、景觀兩種角度進行非點源污染削減的景觀多功能設計。建設生態斑塊、生態廊道，實現在非點源污染物遷移過程中逐步削減，將景觀生態規劃與最佳管理措施相結合的景觀生態學途徑。

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