李春華, 葉 春, 高尚超, 魏偉偉, 鄭 燁
中國環(huán)境科學(xué)研究院, 湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實驗室, 國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點實驗室, 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室, 北京 100012
生態(tài)緩沖帶作為一種保護(hù)隔離措施,被廣泛應(yīng)用于水土侵蝕控制、水質(zhì)保護(hù)、城市園林綠化等[1-4],可以有效緩沖或減輕人類活動和自然過程對保護(hù)目標(biāo)的干擾[5-7]. 我國的生態(tài)緩沖帶概念始于“九五”期間的湖泊治理工作并逐漸推廣應(yīng)用,已經(jīng)從最初的模糊概念逐步發(fā)展形成了一系列的理論及成套技術(shù),在我國湖泊生態(tài)保護(hù)修復(fù)中發(fā)揮了重要作用[8-11]. 然而,與歐美地區(qū)相比,我國的生態(tài)緩沖帶重視程度還有待提高,主要表現(xiàn)在其類型還不夠豐富、覆蓋面積比還比較小[12-14]. 歐美地區(qū)的生態(tài)緩沖帶不僅有農(nóng)田緩沖帶、防風(fēng)緩沖帶、河岸緩沖帶、牧場緩沖帶,在較大流域內(nèi)還有流域生態(tài)緩沖帶,圍繞同一個保護(hù)目標(biāo),多種類型的緩沖帶相互聯(lián)系、共同作用,從而形成一個有效的流域生態(tài)緩沖體系[15-16]. 流域生態(tài)緩沖體系可以定義為基于水體功能和環(huán)境保護(hù)目標(biāo),以流域主要水體為保護(hù)核心,以污染源—輸移過程—受納水體為路徑的水污染物全過程緩沖、阻控的生態(tài)保護(hù)修復(fù)措施在流域的空間布局. 這種緩沖體系包括但不限于湖泊水庫生態(tài)緩沖帶、河濱緩沖帶、農(nóng)田周圍的植被緩沖帶、海綿城市配套的植被緩沖帶、濕地生態(tài)工程、農(nóng)田污染生態(tài)攔截工程等.
長江經(jīng)濟(jì)帶覆蓋上海市、江蘇省、浙江省、安徽省、江西省、湖北省、湖南省、重慶市、四川省、云南省、貴州省等11個省市,人口稠密、經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá),在占全國21.4%的國土面積上,集聚了全國42.7%的人口、41.2%的GDP,長江經(jīng)濟(jì)帶在區(qū)域發(fā)展總體格局中具有重要戰(zhàn)略地位[17]. 長江經(jīng)濟(jì)帶具有面積跨度大、土地利用復(fù)雜的特點,不成體系的零散設(shè)置的生態(tài)緩沖帶是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以滿足長江大保護(hù)的時代需求,需要應(yīng)用流域緩沖體系的理念,構(gòu)建長江經(jīng)濟(jì)帶流域緩沖體系,從流域?qū)用孢M(jìn)行規(guī)劃,才能起到事半功倍的效果.
基于此,該研究以長江經(jīng)濟(jì)帶為研究區(qū)域,分析影響大型流域緩沖體系構(gòu)建的主要影響因素;利用衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù),提取各子流域的地形特征、土地利用類型特征、土壤類型、土壤侵蝕強度、水文水系等信息,通過疊加篩選最終確定長江經(jīng)濟(jì)帶流域緩沖體系的重點區(qū)域,以期為長江流域的整體規(guī)劃、生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù).
流域生態(tài)緩沖體系的設(shè)置需要根據(jù)流域地形地貌特征、植被特征、流域生態(tài)目標(biāo)等,考慮流域生態(tài)緩沖體系功效的影響因素,滿足位置選擇、緩沖帶面積與流域面積比、緩沖帶寬度等一些基本的原則要求.
生態(tài)緩沖帶的位置決定其效果,緩沖帶位置的選取要充分考慮緩沖帶的主要目的. 基于對國內(nèi)外生態(tài)緩沖帶研究的總結(jié)[18-21],以水質(zhì)改善為目的的緩沖帶位置選擇原則如下:①為防止污染物直接進(jìn)入水體,需在近河流、湖庫區(qū)設(shè)置緩沖帶;②緩沖帶設(shè)置于流域上游比設(shè)置于流域下游或接近水體邊緣更有效;③在污染源發(fā)生點位周圍需設(shè)置緩沖帶;④緩沖帶宜設(shè)置在暴雨匯流區(qū)、洪水泛濫區(qū);⑤高強度土壤侵蝕區(qū)需設(shè)置緩沖帶.
為了保證生態(tài)緩沖帶能夠充分發(fā)揮緩沖、攔截與阻控的生態(tài)保護(hù)作用,根據(jù)整個流域面積,確定合適的流域緩沖帶面積占比是十分重要的. 美國研究者在23個水體子流域?qū)α饔蚓彌_帶面積占流域面積比例(10%、20%、30%、40%、50%)與水體水質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)性研究,結(jié)果表明,隨著流域緩沖帶面積比的增加,水質(zhì)與緩沖帶面積之間呈顯著正相關(guān)[22]. 當(dāng)流域緩沖帶占流域面積比增至30%以后,即30%~50%的流域緩沖帶面積增加,雖有助于水質(zhì)改善,但是改善的邊際效應(yīng)快速遞減,存在一個拐點. 因此,考慮到環(huán)境保護(hù)與土地利用、經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的平衡,流域生態(tài)緩沖體系占整個流域面積比最好設(shè)置在這個拐點范圍. 該比例關(guān)系與流域的開發(fā)強度、單位面積的污染產(chǎn)生量也有密切關(guān)系. 森林或林地覆蓋率高的區(qū)域,該比例可以采用緩沖帶面積與污染流出負(fù)荷高的土地利用面積之比. 由于我國人口密度高、污染負(fù)荷也相對較高,污染越重的區(qū)域,理論上而言,需要的流域生態(tài)緩沖體系占比可能更高,但是,通過加強緩沖帶的生態(tài)建設(shè)、提高緩沖帶環(huán)境功能,也可以相應(yīng)地減少流域生態(tài)緩沖體系的面積占比. 流域生態(tài)緩沖體系面積占整個流域面積的比例是一個非常重要的參數(shù),在長江經(jīng)濟(jì)帶該比例的取值需要開展深入的研究來確定,這對構(gòu)建長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)緩沖體系具有重要指導(dǎo)意義.
流域生態(tài)緩沖體系是由多個緩沖帶單元組成的,每個緩沖帶單元應(yīng)該根據(jù)保護(hù)目標(biāo)的功能,各自設(shè)置合理寬度,也即流域生態(tài)緩沖體系中不同類型的生態(tài)緩沖寬度不應(yīng)該是完全一致的. 劃定各緩沖帶單元寬度的主要原則包括: ①水體環(huán)境質(zhì)量要求越高,需要的保護(hù)程度就應(yīng)該越高,因此水體環(huán)境質(zhì)量要求越高的水體應(yīng)該具有更寬的緩沖帶;②污染強度高的區(qū)域應(yīng)該設(shè)置更寬的緩沖帶;③流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平越高,往往區(qū)域開發(fā)強度越高,通常對應(yīng)較高的污染壓力和人口密度,因此經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)域比欠發(fā)達(dá)區(qū)域需要更寬的生態(tài)緩沖帶;④在同等或類似經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平下,流域面積越大,最終進(jìn)入水體的污染負(fù)荷量也越大,因此,通常在大流域面積內(nèi)需劃定更寬的緩沖帶范圍;⑤流域的土壤類型及土壤侵蝕強度直接關(guān)系到污染物的遷移擴(kuò)散速率. 應(yīng)綜合考慮土壤類型和土壤侵蝕強度,評估污染物隨降雨徑流進(jìn)入水體的通量和強度,來確定生態(tài)緩沖帶的寬度. 一般而言,土壤侵蝕強度越大,需要的緩沖帶寬度越大.
長江經(jīng)濟(jì)帶橫跨我國東、中、西三大區(qū)域,區(qū)域發(fā)展、土地利用以及生態(tài)環(huán)境等復(fù)雜多樣,需要對不同區(qū)域內(nèi)水體環(huán)境目標(biāo)、土地利用分布特征、土壤類型與土壤侵蝕程度等要素進(jìn)行分析,為長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)緩沖體系構(gòu)建提供科學(xué)依據(jù).
近年來,長江經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的高速增長也帶來了巨大的生態(tài)環(huán)境壓力,湖泊濕地生態(tài)功能退化、江湖關(guān)系緊張、環(huán)境污染加劇、資源約束趨緊已成為阻礙長江經(jīng)濟(jì)帶高質(zhì)量發(fā)展的重要因素,因此長江經(jīng)濟(jì)帶各省市紛紛出臺日益嚴(yán)格的水環(huán)境治理保護(hù)政策. 據(jù)統(tǒng)計,長江經(jīng)濟(jì)帶各省市設(shè)定的2020年縣級以上集中式飲用水水源地達(dá)標(biāo)率目標(biāo),除了上海市為75%以外,其余省市均在90%以上;對于重要河湖水功能區(qū)的達(dá)標(biāo)率,上海市、浙江省目標(biāo)較低,均為78%;其余省市目標(biāo)均大于80%(貴州省無數(shù)據(jù));對于城市黑臭河道及劣Ⅴ類(GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》)水體治理目標(biāo),根據(jù)各省市的“十三五”環(huán)境保護(hù)規(guī)劃,除江西省、安徽省、湖北省外(重慶市無數(shù)據(jù)),均力爭在2020年消除城市黑臭水體以及劣Ⅴ類水體;在水質(zhì)達(dá)標(biāo)方面,各省市的“十三五”環(huán)境保護(hù)規(guī)劃均提出了到2020年地表水?dāng)嗝孢_(dá)到或優(yōu)于Ⅲ類的比例目標(biāo),安徽省、江蘇省和云南省目標(biāo)均低于80%,其余省市目標(biāo)均超過80%,浙江省目標(biāo)最高,為100%[23]. 這些目標(biāo),一方面表明長江經(jīng)濟(jì)帶11個省市的水環(huán)境治理壓力很大,各省市都存在黑臭和劣Ⅴ類水體,治理目標(biāo)都包含針對點狀的重點對象;另一方面也可看出,關(guān)注的是水質(zhì)目標(biāo),缺乏區(qū)域和小流域?qū)用娴恼w生態(tài)保護(hù)修復(fù)措施,也缺乏統(tǒng)籌長江經(jīng)濟(jì)帶上下游省市的協(xié)同作戰(zhàn). 對于以水質(zhì)改善為目標(biāo)的生態(tài)保護(hù)與修復(fù),設(shè)置流域生態(tài)緩沖體系是可行的,也是十分重要的解決途徑.
圖1 長江經(jīng)濟(jì)帶土地利用類型分布Fig.1 Distribution of land use types in the Yangze River Economic Belt
土地利用可以反映人為活動與自然環(huán)境之間的聯(lián)系[24],人為活動改變了流域土地利用結(jié)構(gòu),土地利用類型與污染源類型及源強具有高度相關(guān)性[25-26]. 該研究采用分辨率為1 km的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,長江經(jīng)濟(jì)帶(總面積205×104km2)土地利用類型分布見圖1,各類林草用地(有林地、灌林地、疏林地、其他林地、高覆蓋草地、中覆蓋草地、低覆蓋草地)是主要利用類型,共占62.46%,農(nóng)用地(旱地和水田)占30.30%,水域面積僅占2.43%,城鎮(zhèn)用地占0.86%.
長江經(jīng)濟(jì)帶各種土地利用類型存在明顯的空間差異性,農(nóng)用地主要集中在四川省、湖北省、安徽省和江蘇省. 城鎮(zhèn)用地主要集中在各省市的大中城市,尤其是長江中下游區(qū)域. 林地面積覆蓋率較高的有云南省、浙江省,草地和永久性冰川雪地主要集中在四川省西北部. 從子流域單元看,林草用地占比較高的依次是雅礱江流域(86.76%)、清江流域(85.68%)、金沙江流域(81.85%),較低的是長江干流區(qū)間(38.08%)、嘉陵江流域(53.33%). 農(nóng)用地占比較高的是長江干流區(qū)間(47.04%)、嘉陵江流域(44.04%),占比較低的為沱沱河流域(0)和通天河流域(0.001%). 湖泊主要分布在長江中下游地區(qū),很多湖泊水庫周邊環(huán)繞有農(nóng)田和城鎮(zhèn).
長江經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域高程(EGM96高程基準(zhǔn))分布見圖2. 長江經(jīng)濟(jì)帶地勢西高東低,西北部最高,海拔在 6 000 m以上的區(qū)域主要集中在四川省西北部,很多地區(qū)是永久性冰川雪地;其次是西南部的云貴高原(2 000~4 000 m);長江中下游地區(qū)大都在幾十米到幾百米,浙江省、江西省、湖南省屬于多丘陵地帶. 上游林草用地占比較大,一方面減少了污染負(fù)荷的流出,另一方面也有利于涵養(yǎng)水源. 林草地占比較大,可以減少緩沖帶設(shè)置面積. 結(jié)合土地利用類型分布可知,雖然整個長江經(jīng)濟(jì)帶中林草用地面積占比超過60%,但是主要集中在西部高地和中下游的丘陵地帶,這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá),環(huán)境污染相對較輕;而在人口密集、農(nóng)田密集的區(qū)域林草地分布偏少. 分析長江經(jīng)濟(jì)帶的土地利用類型有助于考慮流域緩沖體系的布局. 流域生態(tài)緩沖體系設(shè)置的重點區(qū)域主要在河流湖庫水體(保護(hù)對象)周邊,農(nóng)田、城鎮(zhèn)(重點面源污染防治對象)周邊污染流出路徑和關(guān)鍵節(jié)點,尤其是環(huán)繞農(nóng)田和城鎮(zhèn)的湖庫周邊更是重點區(qū)域. 根據(jù)高程可以從宏觀上判斷長江流域和各子流域的水流方向,在水流(尤其是降雨漫流)流出的垂直方向和關(guān)鍵節(jié)點設(shè)置緩沖帶.
長江經(jīng)濟(jì)帶土壤類型分布見圖3,主要土壤類型有37種,包括紅壤(占區(qū)域總面積的21.4%)、水稻土(占區(qū)域總面積的16.3%)、紫色土(占區(qū)域總面積的10.5%)、黃壤(占區(qū)域總面積的10.0%). 由于長江經(jīng)濟(jì)帶跨度和面積都比較大,各省市的主要土壤類型也有較大差別,如安徽省以水稻土(占省面積的28.0%)、砂姜黑土(占省面積的15.0%)為主;貴州省以黃壤(占省面積的42.0%)、石灰土(占省面積的25.0%)為主;湖北省以黃棕壤(占省面積的33.0%)、水稻土(占省面積的25.0%)為主;湖南省以紅壤(占省面積的46.0%)、水稻土(占省面積的23.0%)為主;江蘇省以水稻土(占省面積的39.0%)、潮土(占省面積的34.0%)為主;江西省以紅壤(占省面積的66.0%)、水稻土(占省面積的23.0%)為主;上海市以水稻土(占全市面積的74.0%)、潮土(占全市面積的20.0%)為主;四川省以紫色土(占省面積的20.0%)、黑氈土(占省面積的15.0%)為主; 云南省以紅壤(占省面積的31.0%)、赤紅壤(占省面積的14.0%)為主;浙江省以紅壤(占省面積的46.0%)、水稻土(占省面積的25.0%)為主;重慶市以紫色土(占全市面積的32.0%)、黃壤(占全市面積的28.0%)為主.
圖2 長江經(jīng)濟(jì)帶高程分布Fig.2 Elevation distribution map of Yangtze River Economic Belt
圖3 長江經(jīng)濟(jì)帶土壤類型分布Fig.3 Distribution of soil types in the Yangtze River Economic Belt
由上述土壤類型空間分布情況可知,浙江省、江蘇省、湖南省、江西省及安徽省大部分地區(qū)是黏性較大的土壤,污染物遷移能力較低;而污染物遷移能力較強的砂質(zhì)土或者土層較薄的山地草甸土主要分布在四川省北部、西北部;風(fēng)化程度較大的紫色土主要分布在四川盆地和云貴高原.
土壤侵蝕強度與土壤類型有一定的相關(guān)性[27]. 由圖4可見,就整個長江經(jīng)濟(jì)帶來看,水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕和凍融侵蝕均有分布,且以水力侵蝕為主. 水力侵蝕較強的區(qū)域位于重慶市、四川省,其他大部分區(qū)域?qū)儆谖⒍?、輕度水力侵蝕. 風(fēng)力侵蝕集中在四川北中部山地丘陵區(qū). 凍融侵蝕主要分布在四川西部冰川雪山區(qū),以輕度為主. 3種類型的侵蝕面積,按強度分,中度及以上侵蝕面積占總面積的14%,輕度侵蝕占15%,微度侵蝕占71%.
設(shè)置流域緩沖體系關(guān)注的是緩解面源污染流出對水體的影響. 污染負(fù)荷的流出與土壤類型、土壤侵蝕強度、高程(坡度)分布密切相關(guān),相關(guān)關(guān)系也比較復(fù)雜. 美國農(nóng)業(yè)局在《保護(hù)緩沖帶:緩沖帶、廊道和綠色通道設(shè)計指南》中總結(jié)了污染物遷移與土壤類別、土壤侵蝕強度、坡度的經(jīng)驗曲線,屬于多元回歸方程. 我國也需要開展相關(guān)研究工作,才能滿足精準(zhǔn)治污、科學(xué)治污的要求. 目前,長江流域林草用地分布比例較高的地區(qū)也是易于侵蝕的地區(qū),在上游區(qū)域也在實施退耕還林還草工程. 建議在中度及以上侵蝕強度區(qū)域退耕還林還草,盡量減少侵蝕和污染物流出,如果目前很難減少,如四川盆地的農(nóng)田區(qū),則需要重點布置緩沖帶,增加該區(qū)域的緩沖力度.
圖4 長江經(jīng)濟(jì)帶土壤侵蝕強度分布Fig.4 Distribution of soil erosion intensity in the Yangtze River Economic Belt
長江經(jīng)濟(jì)帶水資源比較豐富,具有河網(wǎng)交錯的特征,可利用流域內(nèi)廣泛分布的林草地、中小型濕地、小型河流支浜等科學(xué)構(gòu)建生態(tài)緩沖體系,也即緩沖要素不局限于污染負(fù)荷流出路徑上的林草地,還應(yīng)該充分利用中小型濕地、小型河流支浜等要素,以提高流域緩沖體系的污染物凈化能力和抗暴雨沖擊負(fù)荷的能力,更大限度地發(fā)揮緩沖帶功能,達(dá)到提升長江經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的目的.
根據(jù)土地利用類型統(tǒng)計結(jié)果,長江經(jīng)濟(jì)帶水面面積共計4.95×104km2,而可以利用的中小型濕地、小型河流支浜的面積至少有1.4×104km2,這些緩沖要素結(jié)合林草緩沖帶,就可以形成一個有機(jī)聯(lián)合的緩沖體系,成為長江主動脈下面無數(shù)的毛細(xì)血管和保護(hù)層.
在土地利用類型分布基礎(chǔ)上疊加土壤侵蝕強度和水系分布,將污染源區(qū)、中度及以上侵蝕強度區(qū)作為重點防治區(qū)域,水體作為重點保護(hù)對象,分析構(gòu)建緩沖體系的重點區(qū)域,得到長江經(jīng)濟(jì)帶流域緩沖體系重點區(qū)域布局(見圖5). 由圖5可見,長江經(jīng)濟(jì)帶流域緩沖體系重點區(qū)域主要分布在水體周邊、集中農(nóng)田區(qū)、集中城鎮(zhèn)以及土壤侵蝕度較高區(qū)域的水流(尤其是漫流)路徑和關(guān)鍵節(jié)點,總面積約為14.26×104km2,占長江經(jīng)濟(jì)帶總面積的6.95%,該比例明顯偏低. 除了這些重點區(qū)域,在具體實踐中還應(yīng)該詳細(xì)分析當(dāng)?shù)氐奈廴驹窗l(fā)生區(qū)、暴雨匯流區(qū)、洪水泛濫區(qū)等,因地制宜地提高長江經(jīng)濟(jì)帶緩沖體系的覆蓋度,推進(jìn)長江經(jīng)濟(jì)帶流域緩沖體系的構(gòu)建并有效發(fā)揮作用.
圖5 長江經(jīng)濟(jì)帶流域緩沖體系重點區(qū)域布局Fig.5 Layout of key regions in the watershed buffer system of Yangtze River Economic Belt
長江經(jīng)濟(jì)帶流域緩沖體系設(shè)置建議:以子流域結(jié)合行政單元分別進(jìn)行設(shè)計,需要對子流域或者各省市進(jìn)行詳細(xì)的土地利用類型調(diào)查、污染源溯源分析、可利用緩沖要素勘察,再逐一確定,最終規(guī)劃構(gòu)建長江經(jīng)濟(jì)帶流域生態(tài)緩沖體系的布局. 為了確保設(shè)置方法的規(guī)范性,建議基于長江流域特點,統(tǒng)一部署,納入長江經(jīng)濟(jì)帶保護(hù)“十四五”規(guī)劃中統(tǒng)籌進(jìn)行.
a) 構(gòu)建流域生態(tài)緩沖體系是長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)保護(hù)修復(fù)的重要措施. 長江經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域跨度較大,自然條件、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境等存在明顯的空間異質(zhì)性,因此充分考慮各區(qū)域的特征,開展各種類型的生態(tài)緩沖帶建設(shè),并從流域?qū)用娼y(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)置長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)緩沖體系是十分必要的.
b) 構(gòu)建緩沖體系可利用的緩沖要素包括中小型濕地、小型河流支浜和林草帶. 根據(jù)土地利用類型統(tǒng)計結(jié)果,長江經(jīng)濟(jì)帶可以利用的中小型濕地、小型河流支浜的面積至少有1.4×104km2,這些緩沖要素結(jié)合林草緩沖帶,就可以形成一個有機(jī)聯(lián)合的生態(tài)緩沖體系.
c) 在利用土地利用類型分布基礎(chǔ)上,疊加土壤侵蝕強度和水系分布,可以解析構(gòu)建緩沖體系的重點區(qū)域. 長江經(jīng)濟(jì)帶流域緩沖體系重點區(qū)域總面積約14.26×104km2,占長江經(jīng)濟(jì)帶總面積的6.95%,對照歐美地區(qū)的研究,該值偏低,需要在長江經(jīng)濟(jì)帶開展深入研究來確定適宜的緩沖體系面積占比,因地制宜地提高長江經(jīng)濟(jì)帶緩沖體系的覆蓋度.
d) 對于長江經(jīng)濟(jì)帶流域緩沖體系的研究還需深入展開,逐漸豐富其內(nèi)涵,進(jìn)行大范圍的試點示范研究,推進(jìn)長江經(jīng)濟(jì)帶流域緩沖體系盡快落地. 另外,構(gòu)建緩沖體系的同時,還需要積極開展生態(tài)緩沖帶內(nèi)的生態(tài)保護(hù)、修復(fù)和建設(shè)工作,提高緩沖能力,才能切實發(fā)揮緩沖效果.