鄭州市嵩山農(nóng)林類非點源污染調(diào)控初探

鄭根寶

(河南超杰園林設(shè)計工程有限公司， 鄭州 450000)

鄭州市嵩山農(nóng)林類非點源污染調(diào)控初探

鄭根寶

(河南超杰園林設(shè)計工程有限公司， 鄭州 450000)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動產(chǎn)生的非點源污染已成為鄭州市嵩山較為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。景觀生態(tài)學(xué)強(qiáng)調(diào)景觀格局對生態(tài)過程中物質(zhì)流、能量流的控制和影響。本文以鄭州市嵩山的農(nóng)林復(fù)合流域為研究對象，從斑塊類型水平、景觀水平，探討非點源污染調(diào)控的景觀生態(tài)學(xué)途徑：第一階段為景觀生態(tài)調(diào)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(guān)鍵環(huán)節(jié)，明晰非點源污染產(chǎn)生的“源”斑塊及其生態(tài)過程，確定景觀格局與非點源污染的反饋關(guān)系；第二階段為景觀生態(tài)規(guī)劃。斑塊水平上，選取最佳管理措施(BMPs)，評定應(yīng)用效果；景觀水平上，增加新的景觀要素，調(diào)整“源”、“匯”景觀斑塊類型，評估景觀水平調(diào)控效果；第三階段為景觀生態(tài)管理。從斑塊和景觀兩種水平進(jìn)行小流域景觀生態(tài)建設(shè)，逐步實施BMPs，實現(xiàn)景觀生態(tài)規(guī)劃與管理的有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)景觀異質(zhì)性，有效控制非點源污染強(qiáng)度，達(dá)到小流域的可持續(xù)發(fā)展。

嵩山；農(nóng)林復(fù)合流域；景觀生態(tài)學(xué)；非點源污染；調(diào)控

非點源污染(NSP, Non-point Source Pollution)是指溶解態(tài)或固態(tài)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(yǎng)化或其它形式的污染[1]。農(nóng)業(yè)NSP是最為主要非點源污染，包括土壤侵蝕、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中化肥與農(nóng)藥的過量使用、和公路徑流、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)與農(nóng)村廢棄物等，污染物主要包括泥沙、氮、磷、有機(jī)物質(zhì)等。鄭州市嵩山農(nóng)林復(fù)合流域平均坡度較大，茶、作物等生產(chǎn)活動發(fā)達(dá)，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動已產(chǎn)生了較為嚴(yán)重非點源污染，引起了較為嚴(yán)重的水土流失、水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題[1,2]。

景觀生態(tài)學(xué)強(qiáng)調(diào)景觀空間格局對生態(tài)過程的控制和影響，景觀格局的改變會帶來景觀功能、物質(zhì)流和能量流的變化[3]。景觀生態(tài)規(guī)劃、景觀生態(tài)設(shè)計和景觀生態(tài)管理構(gòu)成了景觀生態(tài)建設(shè)[4,5]。景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展帶動著景觀生態(tài)規(guī)劃的發(fā)展。針對鄭州市嵩山農(nóng)林流域的非點源污染現(xiàn)狀，結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)的基本原理，提出鄭州市嵩山特定地理條件下，基于景觀生態(tài)學(xué)原理的非點源污染調(diào)控途徑、調(diào)控方法、實施步驟，以期為鄭州市嵩山農(nóng)林復(fù)合型小流域的社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1 鄭州市嵩山農(nóng)林流域非點源污染調(diào)控的景觀生態(tài)學(xué)途徑

鄭州市嵩山農(nóng)林流域非點源污染調(diào)控就是要應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)原理和方法及其他相關(guān)學(xué)科的知識，通過研究景觀格局與生態(tài)過程以及人類活動與景觀的相互作用，在景觀生態(tài)分析、綜合與評價的基礎(chǔ)上，合理規(guī)劃流域景觀空間結(jié)構(gòu)及功能，使斑塊、廊道及基質(zhì)等景觀要素空間布局結(jié)構(gòu)合理，能量流、信息流、物質(zhì)流及價值流有組織、有秩序地流動，使景觀不僅符合生態(tài)學(xué)原理，也符合社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?；具^程分為三個階段：第一階段為景觀生態(tài)調(diào)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(guān)鍵環(huán)節(jié)，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(guān)系；第二階段為景觀生態(tài)規(guī)劃。斑塊水平上，進(jìn)行“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(diào)整的效果評估；第三階段為景觀生態(tài)管理，最佳管理措施BMPs的實施步驟，后期小流域的景觀生態(tài)管理。將景觀規(guī)劃與管理有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)景觀異質(zhì)性，有效控制非點源污染強(qiáng)度，實現(xiàn)復(fù)合小流域的可持續(xù)發(fā)展。

圖1 農(nóng)林復(fù)合流域非點源污染調(diào)控的景觀生態(tài)學(xué)途徑

2 景觀生態(tài)調(diào)查

景觀生態(tài)調(diào)查包括兩部分內(nèi)容，一是流域景觀格局分析，二是非點源污染現(xiàn)狀分析。

景觀格局分析上，可以借助遙感、地理信息系統(tǒng)手段，以及一些專業(yè)景觀格局分析軟件，如FRAGSTATS。一般要從斑塊、景觀兩種水平上進(jìn)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(shù)、面積和形狀指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，單位面積的斑塊數(shù)目、邊界密度(單位面積的斑塊邊界數(shù)量)、斑塊鑲嵌體形狀指數(shù)、平均最近鄰體指數(shù)等。景觀水平上有：景觀多樣性指數(shù)、景觀優(yōu)勢度指數(shù)、景觀均勻度指數(shù)、景觀形狀指數(shù)、正方像元指數(shù)、景觀聚集度指數(shù)、分維數(shù)等[6,7]。

非點源污染現(xiàn)狀分析也要從斑塊、景觀水平進(jìn)行。農(nóng)業(yè)流域尺度管理模型可用來模擬徑流、泥沙、氮磷、有機(jī)碳等非點源污染遷移、轉(zhuǎn)化過程，部分基于過程的模型可以確認(rèn)“源”“匯”斑塊類型及其非點源污染物產(chǎn)生的動態(tài)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(nèi)使用，研究地區(qū)通常被劃分為規(guī)則的離散單元面積。在102～104km2中等尺度面積范圍內(nèi)，常使用關(guān)聯(lián)物理過程和起源于經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎惴▌t的概念模型，概念模型可長期連續(xù)預(yù)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(shù)學(xué)模型來評估農(nóng)業(yè)流域泥沙與養(yǎng)分輸出，許多文獻(xiàn)已進(jìn)行了開拓性的研究和探索等。在應(yīng)用模型模擬方法進(jìn)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(guān)系，判定非點源污染產(chǎn)生的主要原因和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

黃志霖等[2,13]借助FRAGSTATS軟件和AnnAGNPS模型，以典型農(nóng)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(shù)，景觀水平上選取斑塊豐富度密度、雙對數(shù)回歸分維數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)、聚集度等5類景觀指數(shù)，基于遙感和GIS技術(shù)，應(yīng)用AnnAGNPS 模型模擬各流域徑流和泥沙輸出，F(xiàn)RAGSTATS軟件計算流域景觀格局指數(shù)，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(nóng)坡地、農(nóng)梯地、農(nóng)林梯地、居民地等斑塊面積比例指數(shù)以及聚集度等景觀指數(shù)顯著正相關(guān)，林地、灌木地斑塊面積比例指數(shù)與徑流量顯著負(fù)相關(guān)；農(nóng)坡地、農(nóng)林梯地、居民地等斑塊面積比例指數(shù)、聚集度指數(shù)等與泥沙輸出量顯著正相關(guān)，而林地、灌木地斑塊面積比例指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)等與泥沙顯著負(fù)相關(guān)。景觀指數(shù)(因子)與徑流和泥沙輸出復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.856和0.962(均高度相關(guān))，復(fù)相關(guān)系數(shù)均大于相對應(yīng)的單因子相關(guān)系數(shù)。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(jié)果是景觀格局影響徑流、泥沙輸出等生態(tài)過程的又一例證。

3 景觀生態(tài)規(guī)劃

斑塊水平上，敏感斑塊、污染“源”斑塊可實施成熟的、經(jīng)濟(jì)簡便的BMPs。實施后達(dá)不到水質(zhì)、泥沙輸出要求時，結(jié)合原有布局調(diào)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(jìn)行調(diào)整，縮小污染影響范圍，降低或去除污染物，達(dá)到控制非點源污染的目的。

泥沙、氮磷等非點源污染物產(chǎn)生的“源”斑塊多為農(nóng)業(yè)斑塊，農(nóng)業(yè)斑塊具有特殊的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)屬性。對農(nóng)業(yè)斑塊采先要采用恰當(dāng)?shù)腂MPs。BMPs是美國70 年代提出的[14]，BMPs可以是一個也可是個符合流域?qū)嶋H條件措施的組合，其主要目的是防治和削減徑流污染物進(jìn)入受納水體，使水質(zhì)符合水質(zhì)目標(biāo)的實際措施，并要求在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上能切實可行[14,15]。USEPA 把BMPs 定義為“任何能夠減少或預(yù)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(hù)程序[16]”。常用的BMPs有：根據(jù)作物和土壤類型選擇化肥品種，按所需肥料的最佳使用數(shù)量和時間平衡施肥，不同作物品種輪種、套種，以減少養(yǎng)分流失；發(fā)展無公害農(nóng)業(yè)，通過微生物、生物和化學(xué)系統(tǒng)的最佳整合控制病蟲害，以減少農(nóng)藥的使用；改進(jìn)傳統(tǒng)的耕作方式，使用免耕、殘留作物不予耕犁、選擇適當(dāng)?shù)母鲿r間，防止耕作造成土壤沖蝕；科學(xué)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[18]等探索了耕作措施對鄭州市嵩山土壤侵蝕和養(yǎng)分流失的影響；李琪等(2008)評價了媯水河流域農(nóng)耕區(qū)NPS磷污染危險性并對關(guān)鍵源區(qū)進(jìn)行了識別；Santhi等[20]使用SWAT模型評估水質(zhì)管理措施對Texas流域的影響；黃志霖等[13]選取鄭州市嵩山典型流域，利用已校準(zhǔn)的連續(xù)非點源污染模型AnnAGNPS，評價作物種植、化肥施用水平和保護(hù)性耕作措施、保護(hù)性工程措施、退耕還林措施等3組農(nóng)業(yè)管理措施對農(nóng)業(yè)非點源污染(NSP)輸出的削減效果。模擬結(jié)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(hù)性耕作措施可以顯著削減泥沙輸出，增加養(yǎng)分輸出；保護(hù)性工程措施能削減泥沙輸出，對養(yǎng)分輸出削減的效果不顯著；退耕還林措施對泥沙和養(yǎng)分輸出削減效果均顯著，坡度>10°農(nóng)田實施退耕還林措施后，流域泥沙輸出<5 t·hm-2，氮、磷等養(yǎng)分輸出量可降低至容許范圍。

斑塊尺度內(nèi)，BMPs不能達(dá)到非點源污染物輸出要求時，必須對農(nóng)業(yè)流域景觀格局進(jìn)行調(diào)整，從景觀水平上增加高異質(zhì)性斑塊、或增加連通性較高的廊道，進(jìn)一步對敏感斑塊非點源污染物進(jìn)行處理。景觀水平上重要一項是增加“匯”斑塊數(shù)量和面積。研究表明，當(dāng)離散的林地、草地“匯”斑塊數(shù)量達(dá)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(jìn)污染物吸收。

易揚(yáng)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(nóng)林復(fù)合流域景觀格局的動態(tài)變化：農(nóng)耕地斑塊面積大幅度下降，逐漸破碎化，28.95%的耕地轉(zhuǎn)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(zhì)性提高，各斑塊景觀分布逐漸向均勻化方向發(fā)展，退耕還林生態(tài)工程實施與經(jīng)濟(jì)效益的影響處于主導(dǎo)地位，當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)、生產(chǎn)方式和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向都發(fā)生了變化，驅(qū)動了生態(tài)景觀格局的良性發(fā)展。流域尺度上的景觀規(guī)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(yōu)化景觀格局，在水體周圍結(jié)合BMPs，構(gòu)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?，F(xiàn)階段國外已有成功的實踐，即主要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。鄭州市嵩山多條流域已實施了自然排水溝渠的硬化處理，結(jié)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(tài)建設(shè)

完成景觀生態(tài)調(diào)查、規(guī)劃后，要全面實施景觀生態(tài)建設(shè)。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(tǒng)以及流域尺度過程模型，結(jié)合實地采樣測試，分析流域景觀斑塊內(nèi)在的資源質(zhì)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(biāo)是在不降低作物產(chǎn)量與收益的基礎(chǔ)上，通過科學(xué)的管理措施，最大限度地減少養(yǎng)分及其它有害元素流失造成的水環(huán)境污染。對大多數(shù)流域，產(chǎn)生大量土壤侵蝕的面積在整個流域中只占一少部分，受流域投入資金的限制，BMPs的實施應(yīng)先從最敏感的區(qū)域開始[15]，而且組合BMPs比單一措施有效。鑒于鄭州市嵩山農(nóng)林流域有關(guān)研究成果和流域農(nóng)戶分散經(jīng)營的實際情況，本區(qū)域內(nèi)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(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益，在農(nóng)地和經(jīng)濟(jì)作物地段實施林草過濾帶等工程措施，逐步加大NSP的調(diào)控，利用生物措施和工程措施解決流域與水資源有關(guān)的環(huán)境問題，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)小流域可持續(xù)發(fā)展。

從景觀水平上，結(jié)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(yùn)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(jié)構(gòu)，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(nèi)，流域管理措施是用來阻止或降低土壤侵蝕量，進(jìn)而保護(hù)水質(zhì)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(jìn)行耕作等相對簡單的耕作措施，而且也包括復(fù)雜水流匯集、分離重金屬等復(fù)雜的工程措施。通過采取持續(xù)農(nóng)業(yè)管理措施和BMPs[14,15]可有效地使農(nóng)業(yè)NSP不同程度降低的降低。

在非點源控制規(guī)劃設(shè)計過程中，將各種最佳管理措施應(yīng)用于污染“源”景觀斑塊，同時增加與“源”斑塊高度異質(zhì)的斑塊類型，結(jié)合實際調(diào)整廊道連通性，達(dá)到減小暴雨徑流速率，攔截、貯存、轉(zhuǎn)化徑流所攜帶的污染物。從景觀角度研究非點源污染物產(chǎn)生、遷移、轉(zhuǎn)化生態(tài)過程；從斑塊、景觀兩種角度進(jìn)行非點源污染削減的景觀多功能設(shè)計。建設(shè)生態(tài)斑塊、生態(tài)廊道，實現(xiàn)在非點源污染物遷移過程中逐步削減，將景觀生態(tài)規(guī)劃與最佳管理措施相結(jié)合的景觀生態(tài)學(xué)途徑。

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Landscape Ecological Approach for the Control of Non-point Source Pollution Exportedfrom Agroforestry Watershed in Songshan Mountain

ZHENG Gen-bao

(HenanChaojieGardonDesignEngineeringCo.Ltd,Zhengzhou,Henan450000)

Non-point source (NPS) pollution generated by agricultural production is considered as a major environmental issue in Songshan mountain of China.Landscape ecology emphasizes the effect of landscape pattern on the regulation of material flow and energy flow through ecological processes.This study takes the agro-forest system as the subject to explore non-point source pollution control based on the landscape ecological approach regarding patch class-level and landscape-level.The first stage was landscape ecological investigation, which focused on elaborating the characteristics of watershed landscape pattern, interpreting the main reasons 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 stage was landscape ecological planning, which focused on the selection of BMP, assessment on application effect and addition of new landscape elements from patch-level.The “source” and “sink” landscape patches were adjusted and assessed on landscape-level.The third stage was landscape ecological management, which included construction of watershed landscape on patch- and landscape-level, gradually implementing BMPs, combining landscape planning and management together to enhance landscape heterogeneity and to control non- point source pollution intensity effectively for the purpose of sustainable development of small watershed.

Songshan Mountains; agroforestry watershed; landscape ecology; non-point source pollution; regulation

2015-06-10 作者簡介：鄭根寶(1973-)，男，河南登封人，碩士，工程師，主要從事生態(tài)林業(yè)及園林方面的工作和研究。

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1001-2117(2015)05-0049-05