景觀生態(tài)學(xué)在大氣污染研究中的應(yīng)用

權(quán)秋梅,王 聰,楊 磊,劉焱序,孫藝銘,王 超

1 西華師范大學(xué),西南野生動植物保護教育部重點實驗室,南充 637002 2 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)國家重點實驗室,北京 100085 3 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室,北京 100875 4 山東省濟寧市梁山縣氣象局,濟寧 272600

快速城市化和工業(yè)化進程中能源開發(fā)、交通運輸及其他人類活動等強度的加劇,一方面強烈影響了城市及周邊的下墊面,另一方面造成了嚴重的大氣污染,城市發(fā)展與人類健康、生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾與日俱增。景觀格局與大氣污染存在密切的聯(lián)系,景觀格局中人工建筑的增加以及綠地面積的減少導(dǎo)致大氣污染物的劇增與擴散,出現(xiàn)城市熱島效應(yīng)、酸雨等嚴重的負面現(xiàn)象,甚至造成生態(tài)災(zāi)難[1- 3]。研究景觀格局演變與大氣污染形成機理的關(guān)系,優(yōu)化景觀配置提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,構(gòu)建生態(tài)安全格局,是當(dāng)前景觀生態(tài)學(xué)在大氣污染與治理應(yīng)用研究中的重要議題[4]。強化大氣污染研究中的景觀生態(tài)學(xué)分析途徑,不但對研究局地和區(qū)域環(huán)境變化具有重要意義,同時有利于提高景觀規(guī)劃水平,為居民創(chuàng)造更適宜的生活環(huán)境,增進人類福祉[5]。

目前,景觀格局與生態(tài)過程耦合研究已在景觀生態(tài)學(xué)各研究方向上取得豐碩成果,但是對景觀格局與大氣污染過程的耦合機理探討依然較為薄弱。景觀生態(tài)學(xué)在大氣污染研究中的應(yīng)用主要圍繞土地利用及景觀格局與大氣污染的關(guān)系,大氣污染物主要針對顆粒物,多以城市景觀為研究對象,地理信息系統(tǒng)和遙感手段是開展景觀格局與大氣污染研究的主要技術(shù)方法,在控制大氣污染進行藍天保衛(wèi)戰(zhàn)的迫切需求下,亟待明晰景觀格局與大氣環(huán)境的定量關(guān)系,提出理想景觀格局模式[2]。此外,辨識大氣污染與景觀格局特征的關(guān)聯(lián)機理,也是對基于景觀生態(tài)學(xué)的大氣污染研究的進一步深化,有助于在學(xué)科理論層面上更深入的探討景觀生態(tài)學(xué)格局與過程耦合研究前沿議題,具有相對明確的學(xué)科貢獻?；诖?本研究擬從景觀與大氣污染物的源匯關(guān)系入手,系統(tǒng)梳理景觀格局與大氣污染的定量關(guān)系,提出大氣污染研究中的景觀生態(tài)學(xué)分析的重點關(guān)注領(lǐng)域,以期從學(xué)科交叉角度推動景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展。

1 基于景觀生態(tài)學(xué)的大氣污染研究

從景觀生態(tài)學(xué)視角出發(fā),下墊面的空間和結(jié)構(gòu)布局構(gòu)成景觀格局,當(dāng)前的研究可以分為景觀組分和景觀配置特征兩個層次：在景觀組分層次上強調(diào)下墊面類型的不同對大氣環(huán)境的影響,主要研究特定景觀類型對大氣污染物影響的物理效應(yīng),目前從人工建筑、綠地組分等出發(fā)進行探究,如分析綠地景觀的滯塵、吸收二氧化硫和氯氣等多種大氣污染物作用,探究景觀類型中植物生理過程的調(diào)節(jié)效應(yīng)；在景觀配置層次上主要研究不同景觀組分的空間組合效應(yīng)對大氣環(huán)境的影響。其中,應(yīng)用土地利用回歸模型分析景觀格局與大氣污染分布的關(guān)系是當(dāng)前研究的重要方法[6]。

1.1 景觀與大氣污染物的源匯關(guān)系

1.1.1大氣污染物來源

大氣污染物是指在人類活動或自然過程中,產(chǎn)生并排放到大氣中對人類和環(huán)境產(chǎn)生負面影響的物質(zhì)。顆粒物(PM)、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)和多環(huán)芳烴(PAH)等是當(dāng)前大氣污染的典型污染物。具體來說,顆粒物(PM)來源主要是揚塵和工業(yè)活動。氮氧化物(NOx)和二氧化硫(SO2)主要來源于工業(yè)燃燒過程、采暖和汽車尾氣排放。多環(huán)芳烴(PAH)主要由煤、石油、有機高分子化合物等有機物不完全燃燒時產(chǎn)生。大氣污染物具有顯著的空間分布特征[7],也呈現(xiàn)出復(fù)雜的時間動態(tài)特征,如隨著區(qū)域不同空間內(nèi)人口(機動車)數(shù)量的增加,大氣污染物的假日效應(yīng)顯著[8],目前對大氣污染物空間異質(zhì)性的機理解釋仍然不足,并且對人為及其他因素影響下的溢出效應(yīng)識別不充分[9- 10]。

1.1.2大氣污染物的景觀源匯

“源”景觀是指那些能夠促進過程發(fā)展的景觀類型,“匯”景觀是指那些能夠阻止或延緩過程發(fā)展的景觀類型[11]。對大氣污染來說,“源”景觀指居民區(qū)、工業(yè)用地、道路等產(chǎn)生或者促進大氣污染的景觀類型。“匯”景觀指可以緩解或者減輕大氣污染的一些景觀類型或生態(tài)系統(tǒng)類型,如城市綠地、樹林、水體等景觀類型,但也存在特殊情況,如農(nóng)田在不同的季節(jié)對PM2.5濃度影響不同[12],植被對PAH的吸收作用也受到季節(jié)因素的影響[13]。在研究景觀格局與生態(tài)過程時,厘定景觀與大氣污染物源匯的關(guān)系,對城市下墊面不同的組分進行合理的景觀規(guī)劃,有助于進行大氣污染的緩解與控制,實現(xiàn)人與生態(tài)環(huán)境的和諧相處。

圖1展示城市下墊面對大氣環(huán)境的影響。景觀組分的影響是通過組分的物理屬性之間的差異改變對大氣環(huán)境中物質(zhì)能量交換過程,當(dāng)前研究多集中于人工建筑、綠地以及水體等城市下墊面與大氣環(huán)境之間相互作用的關(guān)系,人工建筑主要指的是道路、住宅、工廠等地區(qū)。一方面,對大氣環(huán)境排放的大氣污染物主要由人工建筑直接產(chǎn)生,如住宅區(qū)集中供暖、道路交通運輸、工廠生產(chǎn)等排放的大量大氣污染物等；另一方面,當(dāng)人工建筑達到一定數(shù)量,導(dǎo)致城市下墊面顏色較深,在太陽輻射下吸收大量的熱量,并且在城市參差不齊的建筑物中,不斷反射加強能量的吸收[14],產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)。在熱島效應(yīng)的影響下,人類生活、工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸過程中所形成SO2、NOx等大氣污染物會在城市中心區(qū)域上空匯集,加重大氣污染程度,對人類的健康帶來嚴重的危害。

圖1 不同景觀組分層次對大氣環(huán)境影響Fig.1 Effects of different landscape component levels on atmospheric environment

綠地主要指的是居民區(qū)綠地、公共綠色、農(nóng)林等地區(qū)。與人工建筑不同,綠地能夠吸附大氣污染物,并能有效緩解城市熱島效應(yīng),形成“冷島效應(yīng)”[15]。植物的存在對污染物具有一定吸附作用,因此空間規(guī)劃考慮綠地及污染源的空間分布可以顯著提高大氣環(huán)境保護的有效性[16- 18]。合理配置城市景觀中綠地的空間布局可以控制大氣污染擴散,而這種作用往往會受到背景環(huán)境因素影響,對植被下墊面作用的刻畫除植被本身特征外,還需要考慮大氣污染物顆粒大小、到源頭距離以及排放水平、風(fēng)速和濕度等[19- 20]。在主要道路和居民點之間建立植被屏障,成熟的植被可以適度改善道路附近地區(qū)交通運輸產(chǎn)生的大氣污染狀況,減少黑炭和顆粒物大氣污染移動源暴露[21]。有學(xué)者運用建模綜合評估了倫敦的樹木對大氣環(huán)境的影響,行道樹如大比例使用針葉樹和闊葉樹,PM10沉積量將大幅度增加,規(guī)劃者進行可持續(xù)的景觀規(guī)劃設(shè)計,可以提升未來空氣質(zhì)量[22- 23]。水體組分主要指河流、湖泊、池塘等區(qū)域,水體在一定條件下能夠?qū)Υ髿馕廴镜某潭冗M行改善,其存在可形成“冷湖效應(yīng)”,即在相同的太陽輻射下,由于湖泊或河流的存在,反射到空氣中的熱量減少,水面上方的溫度相對其他下墊面溫度低,大氣污染物得以擴散,污染物濃度降低。通過對大氣污染物“源”“匯”景觀的深入探索不僅有助于進一步明晰景觀格局演變的生態(tài)環(huán)境形成機理,也可與景觀規(guī)劃直接對接,形成服務(wù)于生態(tài)環(huán)境治理的景觀優(yōu)化策略。

1.2 景觀格局對大氣污染的影響量化

景觀格局是指景觀組分在空間上的排列,探究景觀格局與大氣污染之間的相關(guān)規(guī)律,辨識影響大氣污染物濃度景觀格局特征,有利于探索大氣污染研究中的景觀生態(tài)學(xué)分析途徑。格局的定量分析是研究格局與過程相互關(guān)系的基礎(chǔ)[24],景觀生態(tài)學(xué)的研究方法一定程度上滿足規(guī)劃定量表達的需求。根據(jù)景觀格局與大氣污染關(guān)系進行合理景觀配置,可以指導(dǎo)景觀規(guī)劃,通過定量模型分析大氣污染變化,解析大氣污染物與景觀格局之間的關(guān)系,是完善景觀格局規(guī)劃的重要基礎(chǔ)。

目前模擬預(yù)測大氣污染的方法包括使用暴露指標變量、空間插值、擴散模型和土地利用回歸(LUR)模型[25],而量化景觀格局對大氣污染的影響多采用LUR模型,該模型采用隨機模擬技術(shù)在GIS系統(tǒng)中將空間屬性變量(如土地覆蓋、交通數(shù)據(jù)、地形等)與大氣污染物濃度進行回歸,這一基于回歸的方法可以對大氣污染物水平進行穩(wěn)定評估,利用GIS繪制大氣污染分布,可預(yù)測識別潛在污染源,并通過相關(guān)政策以及其他的干預(yù)措施緩解大氣污染程度[26]?？偨Y(jié)梳理不同區(qū)域LUR模型對多種典型大氣污染物的模擬效果及建模變量特征(表1),可為景觀規(guī)劃提供科學(xué)指引,促進景觀生態(tài)學(xué)研究結(jié)果在大氣污染防治領(lǐng)域的實踐應(yīng)用,為城市和區(qū)域提供景觀規(guī)劃途徑。

表1 LUR模型應(yīng)用研究對比

續(xù)表研究區(qū)域(國家或地區(qū))Study area研究對象Research indicator預(yù)測變量/景觀指數(shù)Predictive variables/landscape metrics解釋率R2土地利用 Land use中國北京Beijing, China[12]PM2.5街道網(wǎng)絡(luò)、海拔、人口、土地利用,景觀指數(shù):PLAND、 PD、 ED、 SHEI、 CONTAG84.9%(年)80.2%(春)68.4%(夏)62.4%(秋)65.8%(冬)建設(shè)用地、植被覆蓋區(qū)、水體、裸地和農(nóng)田中國武漢Wuhan, China[51]PM2.5,PM10土地利用、位置、氣象、交通量、道路長度、距市中心距離、周圍500m緩沖區(qū)未建面積比例,景觀指數(shù)LSI48.3%—96.9%、36.5%—98.2%城市湖泊濕地中國香港Hong Kong,China[52]PM2.5土地利用、景觀指數(shù):PLAND、LPI、AI、CONNECT89.8%城市用地、混交林、灌叢、農(nóng)田、草地、水體

使用LUR模型的優(yōu)勢是能夠預(yù)測城市空氣質(zhì)量限值的超標情況,評估減輕污染措施的有效性,通過模型所獲得的相關(guān)信息可作為環(huán)境和健康政策的基礎(chǔ),用于預(yù)測特定大氣污染的緩解措施效果[27]。LUR模型已成為預(yù)測城市或國家尺度上無監(jiān)測數(shù)據(jù)區(qū)域大氣污染物濃度的重要方法。具體應(yīng)用中,當(dāng)?shù)亟煌◤姸葦?shù)據(jù)是LUR模型的重要預(yù)測變量[28- 31,35- 38],海拔等地理特征對城市空氣質(zhì)量也有較大影響,將這些因素納入模型能夠顯著提高模型的性能[32-33]。在歐洲大氣污染影響研究 (Escape)中,LUR模型能夠解釋年平均NO2和NOx濃度的空間變化[34]。在對中國PM時空格局探索的回歸結(jié)果表明城市PM與人口規(guī)模、大氣污染物排放量、周邊排放量呈正相關(guān),與降水量和風(fēng)速呈負相關(guān)[35],其中氣候因素中風(fēng)速對其影響最為嚴重[36],但大面積綠色景觀的存在能使PM濃度維持在較低水平。從景觀層面上,景觀的均勻度及破碎度與PM2.5濃度密切相關(guān)[12],將土地利用類型和景觀指標納入LUR模型來估算PM2.5濃度是當(dāng)前研究的新趨勢[37]。

當(dāng)然,LUR模型也存在一定局限性。LUR模型雖然能夠較好地預(yù)測空間的變異性,但是不同研究之間的模型結(jié)構(gòu)存在很大差異。數(shù)據(jù)質(zhì)量和土地利用的差異也導(dǎo)致模型性能的差異,需采用更標準的方法進行數(shù)據(jù)的收集；模型基于土地利用對大氣污染物濃度進行評估,存在空間范圍大、時間分辨率低的特點,通過對LUR模型與氣象變量模型進行耦合,可提高其時間分辨率[6]；LUR模型在進行區(qū)域外推時應(yīng)注意同一模型并不適用于其他區(qū)域[38],其在小尺度上的適用性也需進一步研究；相比只納入土地利用類型,LUR模型在引入景觀格局指數(shù)后,相應(yīng)的預(yù)測精度提高[39],但當(dāng)LUR模型應(yīng)用于不同污染物時,納入景觀格局指數(shù)對模型模擬能力的影響也不盡相同(表1)。LUR模型方法的使用還需要更多區(qū)域性案例,對模型的可移植性及可靠性進行探索[25]。

2 存在問題

縱觀當(dāng)前大氣污染與景觀生態(tài)學(xué)的相關(guān)研究,存在以下問題和不足。首先,就景觀格局的刻畫而言,目前可以利用的指標含義不夠明確,不利于直接篩選與大氣污染擴散相關(guān)的指標；其次,就污染物的空間刻畫而言,目前相應(yīng)的監(jiān)測站點相對缺乏,遙感反演技術(shù)仍需進一步發(fā)展,而大氣污染物自身的擴散范圍過大,易受極端天氣事件影響,不利于開展格局與過程耦合分析；再次,就學(xué)科理論和實踐而言,目前的分析僅針對局部地區(qū),缺乏多地區(qū)、多尺度的綜合分析,以便對指標和模型進行開發(fā)優(yōu)化,便于規(guī)劃決策者做出快速評估。

第一,景觀格局指標的刻畫相對簡略。景觀格局指數(shù)是景觀格局分析的重要手段,然而目前景觀格局指數(shù)只能粗略的對景觀現(xiàn)狀和總體特征進行描述,無法準確描述格局與過程相互作用關(guān)系,需要發(fā)展一系列針對特定生態(tài)過程且具有明確指示意義的景觀格局指數(shù),因此,如何建立具有生態(tài)學(xué)意義的景觀格局指數(shù)和分析方法,如何將景觀格局與大氣污染遷移擴散聯(lián)系起來[23],是利用景觀生態(tài)學(xué)研究大氣污染問題的關(guān)鍵問題。

第二,大氣污染物的空間數(shù)據(jù)缺乏。污染物的空間傳遞在大氣環(huán)境中的傳遞受到多重因素的影響,不同地區(qū)污染物的輸送和擴散特征也不盡相同[53],大氣污染物在擴散中的相互作用及極端氣象事件的影響加大了其與景觀格局耦合分析的難度,此外,目前缺乏足夠的監(jiān)測站點和高空間分辨率的污染物排放指標數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)質(zhì)量限制了在多時空尺度上進行景觀格局與污染擴散過程的耦合分析。

第三,景觀生態(tài)學(xué)科理論與大氣污染防治實踐脫節(jié)。將景觀生態(tài)學(xué)應(yīng)用到大氣污染治理中,使土地資源的效益達到生態(tài)環(huán)境治理和社會經(jīng)濟發(fā)展的最佳結(jié)合,是目前區(qū)域發(fā)展的迫切需求。結(jié)合人口聚集地空氣改善目標,建立土地利用和景觀格局與大氣污染之間的定量關(guān)系,可以指導(dǎo)景觀格局規(guī)劃以達到控制大氣污染的效果。此外,現(xiàn)有景觀生態(tài)學(xué)理論研究成果并未有效應(yīng)用于景觀規(guī)劃實踐中,如景觀生態(tài)學(xué)“基質(zhì)-斑塊-廊道”的經(jīng)典格局理論以及“源匯”景觀格局理論等都是景觀格局分析的基礎(chǔ),但是如何將此理論更好地應(yīng)用到解決實際大氣污染防治問題中,截至目前仍然缺乏好的實例[23]。

3 研究展望

快速城市化和工業(yè)化是我國未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)發(fā)展的必然趨勢,會對大氣環(huán)境造成嚴重威脅。大氣污染與景觀生態(tài)學(xué)的關(guān)聯(lián)研究將成為學(xué)術(shù)界、管理者以及公眾共同關(guān)注的熱點問題。深入研究景觀格局與大氣污染過程的耦合機理,是提升景觀生態(tài)學(xué)規(guī)劃支持作用的關(guān)鍵所在。完善景觀格局指標、加強大氣污染過程的空間表征、促進景觀規(guī)劃實踐是未來應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)研究大氣污染問題的重要發(fā)展方向。

3.1 完善景觀格局指標

景觀格局與生態(tài)過程耦合是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心議題,景觀格局是生態(tài)過程的載體,生態(tài)過程是影響格局的動因和驅(qū)動力,能夠影響景觀的整體動態(tài),對于景觀格局與過程互饋機制的解析是景觀生態(tài)學(xué)研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié),在景觀格局對大氣污染影響研究中需發(fā)展具有物理意義的景觀模型或格局指數(shù)進行評價[54]。城市局地景觀格局(如住宅區(qū)、道路格局等)與區(qū)域尺度間動力、熱力的相互作用顯著影響大氣污染物的遷移、轉(zhuǎn)化、擴散[55],城市的三維格局特征(如建筑群高度)與動力粗糙度存在定量關(guān)系[56],可為數(shù)值模式邊界層物理參數(shù)提供重要依據(jù),因此,篩選、完善與大氣污染擴散模式相關(guān)的景觀格局指標具有重要意義。傳統(tǒng)上刻畫平面景觀格局的景觀指數(shù)并不能反映城市景觀(城市綠化基面、交通基面、城市建筑等)立體化和高層化的三維特征,多尺度、多維景格局分析可以更加全面反映景觀格局特征,并拓展大氣污染過程相關(guān)聯(lián)的景觀格局指數(shù)集[5,57]。總之,景觀格局指標的完善有利于定量解析景觀格局對大氣污染的影響。

3.2 加強大氣污染過程的空間表征

大氣污染物時空格局演變特征是應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)方法探究景觀格局與污染過程的重要基礎(chǔ),因此,亟需加強大氣污染物時空格局的定量表征。深化遙感反演技術(shù)、耦合氣候/氣象模型模擬、優(yōu)化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是提高大氣污染物時空分布數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要手段[58]。傳統(tǒng)遙感方法可以提供實時下墊面信息,為大氣數(shù)值模型提供有效參數(shù)[59],隨著遙感技術(shù)進步,利用全覆蓋的衛(wèi)星影像與污染物之間的定量關(guān)系建立模型,可獲取全覆蓋的大氣污染物分布格局[58]。今后需在大氣環(huán)境遙感的定量化、高性能傳感器的研制、主動式遙感與被動式的一體化、相關(guān)系統(tǒng)的建立以及多時相、多數(shù)據(jù)源(包括非遙感數(shù)據(jù)資料數(shù)據(jù))的信息復(fù)合與綜合分析等方面進一步加強[60]；氣候/氣象模型模擬除依托于復(fù)雜的物理化學(xué)過程模型模擬外,還依賴于監(jiān)測數(shù)據(jù)的輸入及驗證,因此,增加大氣污染相關(guān)監(jiān)測站點,在多個典型地區(qū)進行布點監(jiān)測,并且注意多時段數(shù)據(jù)的獲取,同時補充流動監(jiān)測手段獲取大氣污染物分布現(xiàn)狀格局,將有利于對大氣污染過程的精準刻畫。此外,大氣污染物主要存在于近地表,辨識其三維空間分布特征有利于與三維景觀格局指數(shù)匹配分析,精細刻畫景觀格局與污染物分布特征的定量關(guān)系,可進一步為景觀格局優(yōu)化、通風(fēng)廊道建設(shè)提供科學(xué)支撐[58]。

3.3 強化對景觀規(guī)劃實踐的定量支持

景觀格局的實質(zhì)揭示了景觀規(guī)劃的需求,景觀規(guī)劃通過城市空間的合理布局和綠化建設(shè)優(yōu)化城市功能[61-62]。建立景觀格局優(yōu)化模型,明確不同規(guī)劃方案下大氣污染物狀況,找出合理生態(tài)用地布局以進一步優(yōu)化空間格局[1],是對景觀規(guī)劃實踐的重要支撐；在城市大氣污染對周邊區(qū)域顯著影響的背景下,從景觀生態(tài)學(xué)的“源匯”理論出發(fā),在區(qū)域尺度上辨析“源匯”格局的時空變化是進行區(qū)域景觀規(guī)劃的重要前提[58]；此外,組建跨學(xué)科團隊,多角度識別景觀格局對大氣污染的影響,深入探討不同時空尺度上景觀格局對大氣污染的影響規(guī)律,辨析景觀格局下的大氣污染過程變化及污染物形成、擴散、消減機理,可為景觀規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。