雄安新區(qū)上游白洋淀流域水質(zhì)凈化提升目標(biāo)下的生態(tài)恢復(fù)格局優(yōu)化

黃斌斌,李若男,*,李睿達(dá),鄭 華,王效科

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

農(nóng)業(yè)擴(kuò)張帶來的面源污染使得水污染情況日益嚴(yán)重,水環(huán)境安全面臨挑戰(zhàn)[1-2]。退耕還林還草等生態(tài)恢復(fù)工程通過對(duì)區(qū)域景觀格局的改變,影響流域生態(tài)過程,進(jìn)而影響水質(zhì)凈化服務(wù)[3-4]。通過制定并實(shí)施合理的退耕原則,從污染物輸入及污染物遷移轉(zhuǎn)化能力等方面提升流域水質(zhì)凈化服務(wù)和效率對(duì)生態(tài)恢復(fù)工程管理和區(qū)域生態(tài)質(zhì)量提升具有重要意義。

水質(zhì)凈化服務(wù)受景觀類型影響,森林、灌叢和草地具有較強(qiáng)的水質(zhì)凈化服務(wù)功能,而農(nóng)田和城鎮(zhèn)的水質(zhì)凈化服務(wù)功能較弱[5]。在景觀格局水平上,斑塊面積、形狀和破碎程度都會(huì)對(duì)水質(zhì)凈化服務(wù)產(chǎn)生影響[5-6]。平均斑塊面積的減少,斑塊形狀的規(guī)則化以及景觀破碎程度的增加都會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)凈化服務(wù)的下降[7-8]。其中退耕還林還草政策在眾多研究和實(shí)踐過程中被證明是提高水質(zhì)凈化服務(wù)的一種重要手段而被持續(xù)推廣和廣泛應(yīng)用[9-11]。然而不合理的退耕會(huì)造成水質(zhì)凈化效率下降,無法保證生態(tài)系統(tǒng)數(shù)量、質(zhì)量及功能的同步提升。

傳統(tǒng)退耕方式以坡耕地退耕為主,此類退耕方式的特點(diǎn)是零散化、破碎化、且退耕區(qū)域多集中在流域上游山區(qū)[11-12]。其優(yōu)點(diǎn)是能夠有效提高土壤固持能力,防止水土流失,減少泥沙進(jìn)入河流[13]。而針對(duì)水質(zhì)凈化服務(wù)提升,坡耕地退耕是否仍為最佳退耕模式仍有待商榷。與此同時(shí),已有眾多研究表明河岸帶在污染物防控方面起重要作用[14-15]。劉怡娜等人通過研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江流域河岸帶1000m范圍內(nèi)的景觀變化解釋了79%的水質(zhì)凈化服務(wù)空間變異[16]。Zheng等人研究指出通過保護(hù)和恢復(fù)河岸帶自然植被可以有效減少生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡作用,使絕大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)[17]。這些研究表明河岸帶退耕是一種行之有效的退耕方式。

基于此,本研究以雄安新區(qū)所在的白洋淀流域?yàn)槔?以1980年為基準(zhǔn),識(shí)別不同的退耕規(guī)則下流域景觀格局變化,并與2015年實(shí)際退耕格局進(jìn)行對(duì)比；采用InVEST模型中水質(zhì)凈化模塊評(píng)估不同情境下流域水質(zhì)凈化服務(wù)功能；分析不同情境下水質(zhì)凈化服務(wù)的效率、差異及其驅(qū)動(dòng)因素,為提升流域水質(zhì)凈化服務(wù)和優(yōu)化生態(tài)恢復(fù)格局提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

雄安新區(qū)上游的白洋淀流域,屬于海河流域大清河水系[18],年降水量在550mm左右,是典型的溫帶大陸性氣候,屬半干旱半濕潤氣候區(qū)。區(qū)域內(nèi)超過80%的降水集中分布在6月至9月[19]。白洋淀流域由大清河山區(qū)和大清河淀西平原兩個(gè)子流域組成,面積占比分別為53%和47%。其中大清河山區(qū)植被類型主要以森林和灌叢為主,農(nóng)田面積較少,而大清河淀西平原植被類型主要以農(nóng)田為主[20]。多年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的面源污染使得流域內(nèi)水質(zhì)惡化,隨著區(qū)域人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及雄安新區(qū)的規(guī)劃使得當(dāng)?shù)厣詈蜕a(chǎn)用水需求不斷增加,對(duì)流域水質(zhì)安全提出了新的挑戰(zhàn)。為改善流域水環(huán)境現(xiàn)狀,提升生態(tài)質(zhì)量,自2000年以來“退耕還林還草”等生態(tài)工程陸續(xù)實(shí)施,用于緩解農(nóng)業(yè)帶來的面源污染及生態(tài)環(huán)境惡化[18]。

圖1 白洋淀流域1980年和2015年土地利用及地理位置Fig.1 Land use in 1980/2015 and location of Baiyangdian basin

1.2 研究方法

1.2.1水質(zhì)凈化服務(wù)計(jì)算方法

本研究利用InVEST模型的NDR模塊來表征水質(zhì)凈化服務(wù)。由于NDR模塊運(yùn)行依賴于water yield產(chǎn)水模塊輸出的產(chǎn)水量作為輸入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)其運(yùn)行,因此研究中需首先運(yùn)行water yield模塊進(jìn)行產(chǎn)水量計(jì)算,然后再運(yùn)行NDR模塊。

(1) 產(chǎn)水量計(jì)算

產(chǎn)水量計(jì)算通過InVEST模型的water yield年產(chǎn)水量模塊進(jìn)行[21],該模塊基于水量平衡方程研究,認(rèn)為水資源供給量為年降水量與年實(shí)際蒸散發(fā)之差[22](公式1)：

R=PRE-AET

(1)

式中,R為年水資源供給量(mm),PRE為年降水量(mm),AET為年實(shí)際蒸散發(fā)量(mm)。AET的計(jì)算利用基于budyko水熱平衡假設(shè)的zhang模型進(jìn)行計(jì)算[23](公式2)：

(2)

式中,PET為年潛在蒸散發(fā)(mm),w為經(jīng)驗(yàn)參數(shù),可通過公式3進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中,Z為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),與流域的氣候和水文特征有關(guān)；AWC為植被可獲得體積水含量(mm),主要與植被類型和土壤屬性有關(guān)。Z和AWC的取值參考InVEST官方的指導(dǎo)手冊(cè)(http://releases.naturalcapitalproject.org/invest-userguide/latest/reservoirhydropowerproduction.html)。

(2) 水質(zhì)凈化服務(wù)計(jì)算

水質(zhì)凈化服務(wù)通過InVEST模型的營養(yǎng)物質(zhì)傳輸模塊NDR進(jìn)行計(jì)算,NDR模塊基于柵格數(shù)據(jù)在年尺度上運(yùn)行,通過簡(jiǎn)化的水文和生物物理過程來估算植被和土壤對(duì)凈化非點(diǎn)源污染的貢獻(xiàn)[24]。該模型可以用來計(jì)算營養(yǎng)物質(zhì)的輸入,持留和輸出量,同時(shí)依賴water yield模塊的年產(chǎn)水量作為驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。此外該模塊還需要高程、土地利用和生物物理參數(shù)表作為輸入數(shù)據(jù)。本文以水質(zhì)凈化率作為衡量指標(biāo)來評(píng)估水質(zhì)凈化服務(wù)。主要計(jì)算理論過程可簡(jiǎn)化為公式4所示：

(4)

式中,WPR為水質(zhì)凈化率,用來表征水質(zhì)凈化能力的強(qiáng)弱；Nexport為氮輸出量；Nload為氮輸入量,主要與土地利用類型和管理措施有關(guān)。模型中相關(guān)的參數(shù)設(shè)置參考國內(nèi)外已出版的相關(guān)文獻(xiàn)[5,16,21]。

1.2.2土地利用變化情景設(shè)置

退耕還林還草政策是提升水質(zhì)凈化能力的一種重要舉措,為分析不同退耕空間規(guī)則提升水質(zhì)凈化效率的表現(xiàn),本研究設(shè)置了三類退耕情景。(1)坡耕地退耕：包括25°以上坡耕地退耕以及15°以上坡耕地退耕。其中25°以上坡耕地退耕作為退耕的依據(jù)之一在生態(tài)恢復(fù)工程中被廣泛采納,在一些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要以及生態(tài)敏感和脆弱區(qū)域執(zhí)行15°以上坡耕地退耕；(2)河岸帶退耕：依次設(shè)置河岸帶周邊100m,200m和300m等不同緩沖區(qū)退耕情景。此情景的設(shè)置基于對(duì)河岸帶生態(tài)對(duì)流域水質(zhì)的重要性和永定河河岸帶的治理效果[14-15,25]；(3)真實(shí)情景：包括歷史情景(S1980)和現(xiàn)狀情景(S2015),用來進(jìn)行對(duì)照以及分析實(shí)際土地利用變化對(duì)水質(zhì)凈化的影響。退耕情景設(shè)置以1980年土地利用為基礎(chǔ),根據(jù)退耕規(guī)則進(jìn)行不同情景的劃分,相關(guān)具體信息如表1所示。

表1 退耕情景設(shè)置

2 數(shù)據(jù)來源

本研究所使用的數(shù)據(jù)種類較多,包括土地利用/覆蓋數(shù)據(jù),氣象數(shù)據(jù),潛在蒸散發(fā),土壤數(shù)據(jù)和DEM高程數(shù)據(jù)等。具體的數(shù)據(jù)來源與處理情況如表2所示：

3 結(jié)果與分析

3.1 真實(shí)狀況下土地利用/覆被和水質(zhì)凈化服務(wù)變化

從2015年白洋淀流域土地利用占比來看,農(nóng)田面積比例最大,達(dá)40.51%(1.27萬km2)(圖2)。森林、灌叢和草地的面積占比分別為15.48%(0.48萬km2),23.45%(0.73萬km2)和8.73%(0.27萬km2)(圖2)。濕地和裸地的面積最小,面積比例分別為1.18%和0.18%(圖2)。與1980年相比,2015年白洋淀流域森林和灌叢面積比例顯著提高,分別提高了50.86%(1632.39 km2)和101.16%(3688.04 km2)(圖2)。草地、濕地和農(nóng)田面積比例顯著減少,分別減少了64.94%(5058.35 km2)、53.64%(426.21 km2)和8.49%(1174.88 km2)(圖2)。通過分析土地利用/覆被轉(zhuǎn)移可以發(fā)現(xiàn)主要原因是草地和農(nóng)田向森林和灌叢進(jìn)行轉(zhuǎn)化,共有1439.78 km2和370.06 km2的草地和農(nóng)田化為森林以及3501.40 km2和633.05 km2的草地和農(nóng)田轉(zhuǎn)化灌叢(圖2)。

表2 數(shù)據(jù)來源及處理說明

圖2 1980—2015年土地利用變化圖Fig.2 Land use/land cover change between 1980 and 2015

2015年,白洋淀流域平均水質(zhì)凈化率為82.81%,其中森林的水質(zhì)凈化率最高,達(dá)91%,其次是灌叢和草地,水質(zhì)凈化率分別為87.80%和82.28%(表3)。與1980年相比,平均水質(zhì)凈化率增加了1.97%。其中森林和灌叢的水質(zhì)凈化率有所提升,而草地的水質(zhì)凈化率有所降低(表3)。從不同單項(xiàng)土地利用/覆被轉(zhuǎn)移對(duì)水質(zhì)凈化服務(wù)的影響來看,總體上其他土地利用/覆被類型轉(zhuǎn)化為濕地的水質(zhì)凈化率提升程度最大,而濕地轉(zhuǎn)化為其他土地利用/覆被類型的水質(zhì)凈化率下降最大。其中裸地轉(zhuǎn)化為濕地的水質(zhì)凈化率提升幅度最大,達(dá)94.50%；而濕地轉(zhuǎn)化為裸地的水質(zhì)凈化率下降幅度最大,達(dá)69.73%(表3)。

3.2 不同退耕情景下的退耕面積及效率變化

從退耕面積來看,河岸帶退耕(S3-S4-S5)面積大于坡耕地退耕 (S1-S2)。其中河岸帶300m緩沖帶退耕相關(guān)情景(S5)下的農(nóng)田面積減少最大(7.19%),林灌草面積增加最大(6.80%)；25°以上農(nóng)田退耕情景(S1)下農(nóng)田面積減小最少(0.21%),林灌草面積增加最小(0.31%)(圖3)。與實(shí)際退耕情景相比(S2015),河岸帶退耕相關(guān)情景(S3-S4-S5)的林灌草面積增幅均高于實(shí)際情景,農(nóng)田面積降幅均低于實(shí)際情景(圖3)。

表3 1980—2015年土地利用轉(zhuǎn)化對(duì)平均水質(zhì)凈化率的影響/%

圖3 不同情景下與退耕有關(guān)的土地利用/覆被類型面積變化Fig.3 Area change in land use/cover type related to conversion of farmland under different scenarios

退耕效率上,河岸帶退耕(S3-S4-S5)中單位面積退耕對(duì)水質(zhì)凈化的提升效率明顯高于坡耕地退耕相關(guān)情景(S1-S2)(圖4)。但河岸帶退耕相關(guān)情景(S3-S4-S5)中單位面積退耕的水質(zhì)凈化提升效率隨著退耕緩沖區(qū)范圍距離的增加明顯減弱(圖4)。相反,坡耕地退耕相關(guān)情景(S1-S2)中單位面積退耕的水質(zhì)凈化提升效率隨著退耕坡度的降低略有增加。相同退耕條件下還林情景的單位面積退耕對(duì)水質(zhì)凈化的提升效率高于還灌情景,還草情景的單位面積退耕對(duì)水質(zhì)凈化的提升效率最低(圖4)。與實(shí)際情景相比(S2015),河岸帶緩沖區(qū)退耕還林的單位面積退耕的水質(zhì)凈化提升效率均高于實(shí)際情景(S2015),但還草的單位面積退耕的水質(zhì)凈化提升效率均低于實(shí)際情景(S2015)。坡耕地退耕相關(guān)情景的單位面積退耕的水質(zhì)凈化提升率均低于實(shí)際情景(S2015)。

圖4 單位面積農(nóng)田退耕引起的水質(zhì)凈化率變化Fig.4 Changes in water purification rate caused by farmland conversion in per unit area

3.3 不同情景的水質(zhì)凈化率及格局變化

與1980年水質(zhì)凈化率相比,模擬的所有退耕情景的平均水質(zhì)凈化率均有不同程度的提升。其中河岸帶退耕相關(guān)情景的平均水質(zhì)凈化率提升幅度高于坡耕地退耕相關(guān)情景(圖5)。河岸帶300m緩沖區(qū)范圍內(nèi)退耕情景(S5)下的平均水質(zhì)凈化率增加最多,而25°以上坡耕地退耕(S1)的平均水質(zhì)凈化率增加最少(圖5)。相同退耕條件下的不同植被恢復(fù)對(duì)水質(zhì)凈化率的影響不同,還林情景的水質(zhì)凈化率增加高于還灌和還草情景(圖5)。

圖5 不同情景下的水質(zhì)凈化率Fig.5 Water purification rate in different scenarios

空間上,與1980年相比,2015年的流域平均水質(zhì)凈化率增加的區(qū)域在上游山區(qū)和下游平原都有分布,而且在上游山區(qū)水質(zhì)凈化率增加的區(qū)域明顯多于下游區(qū)域(圖6)。坡耕地退耕相關(guān)情景的水質(zhì)凈化率并沒有呈現(xiàn)出大的變化,而河岸帶退耕相關(guān)情景則顯示在河岸帶周邊水質(zhì)凈化率呈現(xiàn)出較大的增加,而且這種變化隨河岸帶退耕范圍的增加更加明顯(圖6)。此外,在相同退耕規(guī)則下,相較于還灌和還草,還林引起了更大面積的水質(zhì)凈化率的提升(圖6)。

圖6 不同情景的水質(zhì)凈化率空間分布Fig.6 Spatial pattern of water purification rate under different scenarios

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

與1980年相比,2015年白洋淀流域水質(zhì)凈化率明顯提升,驅(qū)動(dòng)水質(zhì)凈化能力提升的主要因素的退耕還林還草(表3)。2015年新增的森林和灌叢主要由農(nóng)田轉(zhuǎn)化而來,相較于農(nóng)田,森林和灌叢的氮輸入量大大降低,同時(shí)氮持留率明顯上升,更有利于減少含氮離子發(fā)生位移的可能[5,16](表3)。與模擬情景相比,盡管當(dāng)前退耕策略能較好提高流域整體的水質(zhì)凈化效果,但是以農(nóng)田面積大幅下降作為代價(jià),就退耕的效率而言并不是最優(yōu)的選擇。

情景模擬結(jié)果表明,與坡耕地退耕相比,河岸帶退耕對(duì)流域的平均水質(zhì)凈化能力提升的貢獻(xiàn)更大,單位面積農(nóng)田退耕的水質(zhì)凈化提升效率也更高。相比坡耕地退耕等其他方案,河岸帶是污染物進(jìn)入水體的最后一道屏障。河岸帶退耕能充分利用植被的水質(zhì)凈化能力,阻擋上游匯集而來的營養(yǎng)物質(zhì),防止其進(jìn)入水體,最大程度發(fā)揮植被的水質(zhì)凈化能力[28-29]。盡管隨河岸帶緩沖距離的延長(zhǎng)單位面積農(nóng)田退耕對(duì)水質(zhì)凈化的提升速率在減弱,但是流域平均水質(zhì)凈化率仍呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)(圖4)。這種現(xiàn)象暗示盡管河岸帶退耕效率隨緩沖距離增加在下降,但仍能促進(jìn)流域尺度的水質(zhì)凈化服務(wù)提升。相同退耕規(guī)則下,不同植被恢復(fù)類型對(duì)水質(zhì)凈化的提升也存在明顯差異,其中還林的導(dǎo)致的流域平均水質(zhì)凈化率增加明顯高于還灌,還草(圖4),這主要不同植被類型對(duì)氮素的吸收以及截留能力的差異有關(guān)[30-31]?？偟膩砜?河岸帶300m緩沖區(qū)范圍退耕還林情景下的流域平均水質(zhì)凈化率高于實(shí)際情景(S2015),同時(shí)農(nóng)田面積減少也遠(yuǎn)低于實(shí)際情景(S2015)。相較其他情景,300m河岸帶緩沖區(qū)范圍退耕還林能在提升水質(zhì)凈化能力的同時(shí)最大程度減少農(nóng)田面積的下降。

根據(jù)雄安新區(qū)發(fā)展規(guī)劃,該區(qū)域未來還將持續(xù)吸納100萬左右的人口,在遠(yuǎn)期將承載200萬至250萬左右的人口[32]。楊瑞祥等人基于《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》分析后發(fā)現(xiàn)新區(qū)在可預(yù)見的未來(-2035年),總需水量將達(dá)到9.80億m3。其中包括3.40億m3的生活需水量,0.70、0.71和4.99億m3的工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水,供需水之間仍存在較大的缺口[33]。人口增加對(duì)用水需求的提升不僅對(duì)水質(zhì)提出了更高要求,同時(shí)也對(duì)保障農(nóng)田面積和保證糧食安全提出了挑戰(zhàn),因此優(yōu)化退耕策略對(duì)于實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)至關(guān)重要。此外,河岸帶植被恢復(fù)有利于防止“引黃入冀補(bǔ)淀”和“南水北調(diào)”等引水工程遭受農(nóng)業(yè)面源污染導(dǎo)致水質(zhì)等級(jí)下降,河岸帶自然植被恢復(fù)還有利于提高水源涵養(yǎng)能力減少引水下滲而導(dǎo)致的水分運(yùn)輸途中損耗,提高引水效率,緩解可利用水資源供需不足的緊張局面。

4.2 結(jié)論

從空間上優(yōu)化退耕規(guī)則是提高水質(zhì)凈化效率是一種重要途徑。通過本研究可以發(fā)現(xiàn)：(1)就水質(zhì)凈化服務(wù)而言,與坡耕地相比,河岸帶退耕的水質(zhì)凈化效率更高；(2)河岸帶退耕的水質(zhì)凈化單位面積效率隨著緩沖區(qū)距離的增加而降低,但總體上仍然高于坡耕地退耕；(3)相同退耕規(guī)則下,退耕還林的平均水質(zhì)凈化率高于還灌,還草；(4)就白洋淀流域而言,300m河岸帶緩沖區(qū)退耕還林情景下的流域平均水質(zhì)凈化率增加高于實(shí)際退耕情景(2015年),同時(shí)農(nóng)田面積減少也遠(yuǎn)低于實(shí)際退耕情景,是一種更好退耕策略。