基于流域面源污染過程的“源-匯”景觀格局分析研究進(jìn)展*

王金亮,譚少軍,李夢冰,倪九派**,周丙娟

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院 南昌 330045;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點實驗室 南昌 330045;3.西南大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 重慶 400716)

面源污染是導(dǎo)致水體環(huán)境污染的重要因素,不僅威脅水生態(tài)系統(tǒng)安全,同時也會影響人類健康生活和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展,在全球范圍內(nèi)已經(jīng)越來越成為突出的環(huán)境問題[1-2],因此,有效控制面源污染已成為許多國家和地區(qū)水環(huán)境治理的關(guān)鍵。從景觀生態(tài)學(xué)視角看,面源污染物在異質(zhì)斑塊間的遷移行為受到不同“源-匯”斑塊的影響和控制,不同“源-匯”景觀的數(shù)量比例和空間格局,均對地表水環(huán)境產(chǎn)生影響[3-4]。因此,在很難控制總體污染物潛力的前提下,優(yōu)化流域景觀結(jié)構(gòu)與空間配置是減少面源污染對水體危害的最重要途徑之一[5-6]。

面源污染與地表景觀格局的耦合關(guān)系與調(diào)控機(jī)理一直是國內(nèi)外關(guān)注的科學(xué)問題,也是景觀生態(tài)學(xué)所關(guān)注的熱點方向以及重難點之一[7-9],大量研究表明,在影響面源污染的諸多因子中,流域景觀的空間特征影響并制約著面源污染的發(fā)生發(fā)展過程[10-12],并且大量景觀格局指數(shù)被創(chuàng)建用來表征流域景觀格局對面源污染過程的影響[13-15]。然而常規(guī)景觀指數(shù)的理論基礎(chǔ)基本上可歸結(jié)為景觀格局分析中經(jīng)典的“斑塊-廊道-基質(zhì)”范式,而這無法很好地耦合特定的生態(tài)過程[16-17],因此需要新的理論范式加以補(bǔ)充和完善。其中,“源-匯”景觀理論被推薦為耦合景觀格局與生態(tài)過程的有效途徑,該理論將景觀單元根據(jù)功能不同分為“源”景觀和“匯”景觀,并通過生態(tài)過程這一“流”動路徑,構(gòu)建“源”與“匯”的聯(lián)系,將生態(tài)過程融入到景觀格局分析中,逐漸形成源-流-匯景觀格局分析范式[18]。由此,“源-匯”景觀理論的提出,為解讀景觀格局與生態(tài)過程關(guān)系研究中的難點和困境提供了一個新的思路,也適用于面源污染過程研究[19-20],用以解釋不同尺度流域景觀格局與面源污染過程的源匯關(guān)系。盡管如此,由于地表景觀的空間異質(zhì)性,以及地表過程的尺度效應(yīng),流域景觀格局與面源污染過程的源匯關(guān)系還有許多地方值得深入探究,需要進(jìn)一步開展流域“源-匯”景觀識別及其演變的面源污染響應(yīng)機(jī)理研究。因此,本文通過系統(tǒng)梳理基于面源污染過程的“源-匯”景觀識別及其空間格局分析,以及氮磷面源污染物對“源-匯”景觀的響應(yīng)機(jī)制,提出現(xiàn)有研究可能存在的問題和發(fā)展趨勢,從而為流域“源-匯”景觀格局與面源污染過程的耦合關(guān)系研究提供借鑒和參考。

1 基于面源污染過程的“源-匯”景觀識別

1.1 “源-匯”景觀的理解

“源-匯”景觀這一概念性名詞的提出是基于傳統(tǒng)景觀格局指數(shù)無法很好地指示生態(tài)學(xué)意義的研究背景,將“源” “匯”的概念引入景觀生態(tài)學(xué)研究中,并從景觀生態(tài)功能角度,將景觀類型從“源” “匯”角度進(jìn)行再分類,進(jìn)而提出一整套理論研究,形成了“源-匯”景觀理論。該理論認(rèn)為,“源”景觀是指那些可以促進(jìn)生態(tài)過程發(fā)展與正向演變的景觀類型,而“匯”景觀是指那些可以阻止或延緩生態(tài)過程發(fā)展與正向演變的景觀類型[21]。在面源污染過程中,“源-匯”景觀單元類型的判別需要依據(jù)面源污染過程中的養(yǎng)分流失而定,重點在于判斷該景觀類型在面源污染過程中起到正向推動作用還是負(fù)向阻滯作用,如果景觀單元對面源污染過程的正向推動作用大于負(fù)向阻滯作用,則該景觀單元被歸為“源”景觀單元,反之則為“匯”景觀單元,而且“源-匯”景觀單元之間可以相互轉(zhuǎn)換,如圖1 所示。從物質(zhì)和能量平衡角度來看,在面源污染過程中,“源”景觀單元上的氮磷等養(yǎng)分輸出大于輸入,即有物質(zhì)能量流出該景觀單元而補(bǔ)充到周邊的景觀單元中;相反,“匯”景觀單元上的氮磷等養(yǎng)分往往是輸入大于輸出,將多余的物質(zhì)能量在該景觀單元上富集。

1.2 “源-匯”景觀的判別

由于“源-匯”景觀是基于景觀的總體屬性特征和總體功能特征而分類的,因此在判別景觀類型的“源”“匯”歸屬上,現(xiàn)有研究主要以定性為主,主要依據(jù)主觀經(jīng)驗知識劃分“源-匯”景觀類型[22-23]。對于面源污染過程來說,多數(shù)研究對“源-匯”景觀的判定停留在傳統(tǒng)景觀格局的意義上。一般認(rèn)為農(nóng)田、居民點、果園等均是“源”景觀類型,因為這些景觀類型較多的養(yǎng)分流失和面源污染物輸出導(dǎo)致該地區(qū)面源污染加劇和湖泊水體的富營養(yǎng)化;林地、草地、濕地等屬于“匯”景觀類型,因為這些景觀通過有效攔截和吸納水土流失物質(zhì)和面源污染物,減緩了流域面源污染發(fā)生風(fēng)險。然而,地表景觀僅僅是下墊面在一定時間內(nèi)的一種靜態(tài)表現(xiàn),這種表現(xiàn)相對于面源污染的形成來說并不能完全反映出格局對過程的響應(yīng),在宏觀尺度上也無法直接識別并判斷景觀類型對面源污染形成過程的影響程度。

為了避免主觀經(jīng)驗所帶來的不確定性,已有相關(guān)研究提出需要定量判別“源-匯”景觀。許申來等[23]認(rèn)為“源-匯”景觀的判定人為因素較強(qiáng),缺乏客觀的定量標(biāo)準(zhǔn),且提出不同時刻該流域的侵蝕力和景觀阻力的大小是判斷該時刻某一點是景觀“源”或景觀“匯”的關(guān)鍵;也有研究通過對比模型模擬結(jié)果進(jìn)行“源-匯”景觀歸類,例如Yang 等[24]利用泥沙輸移分布模型模擬土壤侵蝕率,通過比較不同土地利用的土壤侵蝕率來判定流域景觀類型的源匯歸屬;Wu 等[25]利用泥沙輸移分布模型模擬吸附態(tài)有機(jī)碳、基于輸出系數(shù)模型模擬溶解態(tài)有機(jī)碳,然后通過比較不同土地利用類型的吸附態(tài)有機(jī)碳、溶解態(tài)有機(jī)碳和總有機(jī)碳大小來判定流域景觀類型的源匯歸屬。盡管如此,以上定量判別“源-匯”景觀的方法仍然是基于地表景觀的“斑塊-廊道-基質(zhì)”模式,無法體現(xiàn)“源-匯”景觀內(nèi)部的時空異質(zhì)性。為此,相關(guān)研究從影響面源污染過程的外部環(huán)境因子作用機(jī)理來識別影響生態(tài)過程的“源-匯”景觀格局,例如,Wang 等[26]認(rèn)為利用靜態(tài)的鑲嵌景觀類型進(jìn)行“源” “匯”分類,無法很好地指示動態(tài)面源污染過程,因此,將影響面源污染的主要景觀因子指標(biāo)劃分為景觀阻力系數(shù)指標(biāo)(植被覆蓋度、地表粗糙度和曼寧糙率系數(shù))和景觀動力系數(shù)指標(biāo)(年均降雨量、坡度、土壤可蝕性和徑流曲線數(shù)),并構(gòu)建了景觀阻/動力成本模型,然后依據(jù)景觀單元的景觀阻/動力成本大小進(jìn)行“源-匯”景觀單元的識別,若該景觀單元的景觀動力成本大于景觀阻力成本,則屬于“源”景觀單元,反之,則為“匯”景觀單元,如圖2 所示。由此可見,該研究突破了傳統(tǒng)景觀格局模式-“斑塊-廊道-基質(zhì)”的束縛,在柵格單元尺度上量化了源匯景觀單元。

圖2 基于景觀阻/動力的“源-匯”景觀單元識別Fig.2 Identification of “source-sink” landscape units based on landscape resistance and dynamic

2 基于面源污染過程的“源-匯”景觀格局分析

“源-匯”景觀概念的提出,其目的在于探討具有生態(tài)學(xué)意義的景觀格局分析方法,從看似無序的景觀格局中,發(fā)現(xiàn)潛在的生態(tài)學(xué)規(guī)律,確定產(chǎn)生和控制景觀格局的主控因子及其形成機(jī)制,探討區(qū)域景觀格局優(yōu)化的途徑和方法[27-28]。針對面源污染過程,“源-匯”景觀空間格局的分析是“源-匯”景觀理論的核心研究內(nèi)容,且主要涉及3 個方面的內(nèi)容,分別是空間尺度的選擇、“源-匯”景觀格局指數(shù)的構(gòu)建和“源-匯”景觀的貢獻(xiàn)權(quán)重量化。

2.1 “源-匯”景觀的空間尺度選擇

面源污染的養(yǎng)分流失是與空間和時間相關(guān)的過程,而景觀格局動態(tài)及其“源-匯”效應(yīng)也會受尺度的影響,一方面不同尺度景觀類型及其空間配置格局對面源污染過程的“源-匯”動態(tài)有重要影響;另一方面各景觀要素存在顯著的交互作用和尺度效應(yīng),其作用程度和貢獻(xiàn)程度隨時空變化而不斷發(fā)生消長。因此,尺度問題的存在導(dǎo)致“源-匯”景觀和過程發(fā)生轉(zhuǎn)換的不確定性,進(jìn)而增加定量識別和有效描述“源-匯”景觀格局特征及其對面源污染過程影響的難度。

綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)分析,針對面源污染過程,“源-匯”景觀格局分析的空間尺度主要包括流域或子流域尺度、水文響應(yīng)單元或分室單元尺度、景觀單元/像元尺度等,且以流域或子流域為空間尺度單元的居多?！霸?匯”景觀理論的提出是以景觀空間負(fù)荷比指數(shù)的建立為基礎(chǔ),該指數(shù)是計算整個流域所有景觀斑塊的累計效應(yīng),反映整個流域的“源-匯”景觀空間布局,即一個流域或子流域為一個指數(shù)值;更為重要的是,該指數(shù)不受到尺度變化的影響,具有跨尺度的功能,一般適合于流域或集水區(qū)范圍[22,29],因此該指數(shù)被應(yīng)用于不同空間尺度的大小流域中。然而,已有研究指出景觀空間負(fù)荷比指數(shù)僅能反映流域“源-匯”景觀格局影響面源污染過程的整體情況,只能適用于環(huán)境背景相似的流域,不能夠反映更小空間尺度的空間異質(zhì)性[13,26]。

因此,需要針對流域內(nèi)部更小的單元進(jìn)行“源-匯”景觀格局的分析,如水文響應(yīng)單元[30-31]、分室單元[27]等,即利用流域空間離散化技術(shù),綜合疊加土地利用單元、土壤類型分布單元和坡度單元等對流域進(jìn)行離散化分割,在每一個離散化單元內(nèi)包含有唯一的土地覆蓋、土壤和管理措施。例如,Wang 等[32]利用AnnAGNPS 模型,以分室單元為統(tǒng)計單元,應(yīng)用景觀空間負(fù)荷比指數(shù),模擬了三峽庫區(qū)小流域的“源-匯”景觀對氮磷面源污染的影響;Zhou 等[33]以水文響應(yīng)單元為空間尺度,創(chuàng)建了“源-匯”水文響應(yīng)單元景觀格局指數(shù)和地形-水文響應(yīng)單元綜合景觀指數(shù);Zhang等[34]構(gòu)建了具有唯一土地利用類型和土壤類型的水文響應(yīng)單元,并構(gòu)建了基于此的景觀負(fù)荷比指數(shù)。

2.2 “源-匯”景觀指數(shù)的構(gòu)建

對“源-匯”景觀格局的分析,更多研究是發(fā)展景觀指數(shù)對面源污染過程的表征,其中應(yīng)用最為廣泛的是景觀空間負(fù)荷比指數(shù)(location-weighted landscape contrast index,LWLCI)。該指數(shù)的建立是在考慮各類“源-匯”景觀對面源污染養(yǎng)分流失過程影響的基礎(chǔ)上,從景觀單元相對于流域出口的相對距離、相對高度和坡度等方面,提出衡量景觀空間分布格局的綜合方法[22,29]。該指數(shù)是指促進(jìn)面源污染過程的地表景觀類型在空間上某一個方向的面積累計曲線積分值與阻滯面源污染過程的地表景觀類型在空間上某一方向的面積累計曲線積分值的比值。該指標(biāo)計算首先分別按照相對距離、相對高程和坡度進(jìn)行等級劃分(例如100 等分),并統(tǒng)計各等級“源-匯”景觀面積,再按照從小到大的順序計算各等級景觀累計面積比例,然后以相對距離、相對高程和坡度等級為橫坐標(biāo),景觀累計面積比例為縱坐標(biāo)繪制并計算洛倫茲曲線的積分(圖3);其次,確定所有“源-匯”景觀對面源污染的貢獻(xiàn)權(quán)重,然后再計算各“源-匯”景觀類型分別占整個流域的面積比例;最后,計算景觀空間負(fù)荷比指數(shù),具體表達(dá)式見表1。

表1 “源-匯”景觀指數(shù)及其參數(shù)意義Table 1 “Source-sink” landscape indices and meaning of their parameters

圖3 “源-匯”景觀空間分布示意圖[29]Fig.3 Sketch map of spatial distribution of source and sink landscape[29]

在具體應(yīng)用時,先對流域及其子流域的“源-匯”景觀進(jìn)行分類,然后計算每個流域或子流域的景觀空間負(fù)荷比指數(shù),最后同流域出水口或監(jiān)測點的氮、磷等污染物監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析,以此反映流域景觀格局與面源污染過程的耦合關(guān)系。相關(guān)研究表明,景觀空間負(fù)荷比指數(shù)相對于其他景觀面積結(jié)構(gòu)指數(shù),能夠更有效地表征氮磷等面源污染物的流失量。例如孫然好等[35]針對海河流域計算了總氮濃度與景觀空間負(fù)荷比指數(shù)、源匯景觀面積比例的相關(guān)性,并發(fā)現(xiàn)“源-匯”景觀格局指數(shù)(LWLI)與總氮的相關(guān)系數(shù)要高于簡單的景觀面積比例。由此,景觀空間負(fù)荷比指數(shù)(LWLCI)的提出創(chuàng)造性地解決了如何將空間性的景觀格局與以點為中心的監(jiān)測數(shù)據(jù)聯(lián)系起來的景觀生態(tài)學(xué)問題,并試圖將景觀空間格局和面源污染過程耦合在一起。

然而,景觀空間負(fù)荷比指數(shù)存在一定的缺陷,主要表現(xiàn)在沒有考慮影響?zhàn)B分流失過程形成的其他因子,如養(yǎng)分投入、降雨、土壤、植被覆蓋等。因此該評價模型更適合于環(huán)境背景比較相似的流域或地區(qū)。為了更好地對比多流域、多區(qū)域的“源-匯”景觀空間差異,相關(guān)研究對景觀空間負(fù)荷比指數(shù)進(jìn)行了改進(jìn),或創(chuàng)建了其他“源-匯”景觀格局指數(shù)。Wang 等[26]提出將面源污染過程的相關(guān)影響因子耦合,構(gòu)建景觀阻/動力評價指標(biāo),并借鑒最小累計耗費距離模型評價景觀阻/動力成本,以此作為“源-匯”景觀的貢獻(xiàn)權(quán)重,構(gòu)建了新的源匯景觀格局指數(shù),具體表達(dá)式見表1。Zhou 等[33]認(rèn)為只考慮土地利用單元作為景觀單元來劃分“源”景觀和“匯”景觀,就會缺少對坡度和土壤類型的影響,因此提出以水文響應(yīng)單元為景觀單元,相對于某一坡度建立“源-匯”水文響應(yīng)單元景觀格局指數(shù),具體表達(dá)式見表1。如果研究區(qū)域小到只有 “源”或 “匯”景觀存在時,景觀空間負(fù)荷比指數(shù)值將是無窮大或無窮小,因此Jiang 等[36-37]提出利用柵格尺度最短表面距離代替高程和距離,構(gòu)建了修正的網(wǎng)格景觀空間負(fù)荷比指數(shù),具體表達(dá)式見表1。Wan 等[38]利用輸出系數(shù)模型計算蘋果(Malus pumila)園地、耕地和建設(shè)用地的輸出系數(shù),構(gòu)建了總污染負(fù)荷的源強(qiáng)度;同時,利用景觀指數(shù)及其權(quán)重建立景觀組合指數(shù)構(gòu)建了景觀匯強(qiáng)度;然后利用總污染負(fù)荷源強(qiáng)度和景觀匯強(qiáng)度構(gòu)建景觀源匯對比指數(shù),具體表達(dá)式見表1。

2.3 “源-匯”景觀的貢獻(xiàn)權(quán)重量化

構(gòu)建“源-匯”景觀格局指數(shù),最主要的是要量化“源-匯”景觀對面源污染的貢獻(xiàn)權(quán)重,而“源-匯”景觀對面源污染的貢獻(xiàn)差異是“源” “匯”景觀的最大特點[39],因為“源-匯”景觀之間的貢獻(xiàn)必然存在差異,即使是同一類“源”或“匯”景觀類型,也需要進(jìn)一步考慮它們對面源污染過程的貢獻(xiàn)差異。因此,針對“源-匯”景觀對面源污染的貢獻(xiàn),需要設(shè)置相應(yīng)的權(quán)重大小。Chen 等[22]提出選擇一種標(biāo)準(zhǔn)的“源” “匯”景觀類型,其權(quán)重賦值為1,然后通過比較,可以對其他景觀類型賦予一定的權(quán)重,例如將居民區(qū)作為標(biāo)準(zhǔn)的“源”景觀類型,其他地類根據(jù)對養(yǎng)分流失的潛在貢獻(xiàn)進(jìn)行權(quán)重賦值,其中大豆(Glycine max)田為0.5、棉花(Gossypiumspp.)田和水稻(Oryza sativa)田均為0.8。相關(guān)研究采用了土壤侵蝕通用方程中的植被覆蓋與管理因子(C值)對不同“源-匯”景觀類型的貢獻(xiàn)權(quán)重進(jìn)行賦值[40-41]。例如孫然好等[35]借鑒C值對海河流域總氮流失中的“源-匯”景觀貢獻(xiàn)權(quán)重賦值,其中居民地為1.0、水田為0.8、旱地為0.6、林地為0.8、草地為0.6。也有相關(guān)研究利用不同地類的污染物輸出系數(shù)進(jìn)行設(shè)置,例如Wan 等[38]利用輸出系數(shù)模型確定蘋果園地、建設(shè)用地和耕地農(nóng)業(yè)面源污染源強(qiáng)度;Liu 等[42]利用統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)確定農(nóng)業(yè)和農(nóng)村人口的污染物輸出系數(shù),以此作為不同“源-匯”景觀的貢獻(xiàn)權(quán)重。

多數(shù)研究的“源-匯”景觀貢獻(xiàn)權(quán)重是對不同“源-匯”景觀類型進(jìn)行簡單賦值,而這無法體現(xiàn)面積較大的“源-匯”景觀斑塊內(nèi)部的貢獻(xiàn)差異。同時,多數(shù)研究也較少考慮面源污染過程受地表景觀要素的疊加影響。地表景觀由諸多景觀要素組成,存在空間異質(zhì)性,不同景觀單元由于土地利用、地形地貌、土壤條件、降雨徑流等景觀要素的空間差異,對面源污染的貢獻(xiàn)差異也很大[26]。盡管如此,也有相關(guān)研究對源匯景觀輸出污染物權(quán)重的設(shè)置考慮了較多景觀要素,例如王金亮等[30]以水文響應(yīng)單元為源匯景觀單元,考慮了景觀類型、土壤可蝕性和坡度,綜合評價源匯景觀單元權(quán)重。Zhang 等[43]認(rèn)為“源-匯”景觀輸出污染物權(quán)重確定需要考慮土地利用類型、坡度、降雨、有效距離、植被指數(shù)、土壤類型、化學(xué)肥料投入和土壤有效含水量的校正系數(shù)等景觀要素。

3 “源-匯”景觀對面源污染的影響

面源污染的發(fā)生過程實質(zhì)上是面源污染物通過徑流等路徑匯集累積的過程,從“源-匯”景觀的角度去識別景觀對面源污染物的影響,主要是利用景觀空間負(fù)荷比指數(shù)及其他“源-匯”景觀指數(shù)反映“源-匯”景觀及其格局特征,并建立指數(shù)與流域出水口或監(jiān)測斷面的面源污染物指標(biāo)的統(tǒng)計關(guān)系。

3.1 “源-匯”景觀對氮磷等傳統(tǒng)面源污染物的指示

傳統(tǒng)面源污染物主要為氮和磷,也是“源-匯”景觀格局研究中所針對的主要面源污染物。在“源-匯”景觀對氮磷面源污染物的影響研究中,涉及到的傳統(tǒng)水質(zhì)指標(biāo)為總氮(TN)、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷(TP)、正磷酸鹽等。多數(shù)研究表明,反映“源-匯”景觀格局的景觀空間負(fù)荷比指數(shù)同氮、磷相關(guān)指標(biāo)存在一定的相關(guān)性[44];李崇巍等[27]研究發(fā)現(xiàn)“源-匯”景觀空間格局的改變引發(fā)了于橋庫全流域TP 污染負(fù)荷的明顯上升;王瑛等[45]對太湖的入湖港口小流域景觀空間特征與水質(zhì)關(guān)系進(jìn)行了探討,發(fā)現(xiàn)景觀空間負(fù)荷比指數(shù)的降低對氨氮濃度影響較大;Yu 等[46]統(tǒng)計分析結(jié)果表明4 種景觀空間負(fù)荷比指數(shù)與硝態(tài)氮和TN 的關(guān)系為顯著正相關(guān)性,而與氨態(tài)氮和TP的相關(guān)性較弱。由此可見,該指數(shù)能夠?qū)Ⅻc狀的定量觀測數(shù)據(jù)與面狀的景觀格局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)合起來,很好地表征不同空間尺度的景觀格局與氮磷面源污染過程之間的關(guān)系,受空間尺度影響較小。然而,已有研究指出景觀空間負(fù)荷比指數(shù)只適合于環(huán)境背景整體差異不大的地區(qū),對于地理環(huán)境差異大的不同流域,該指數(shù)并不能夠很好地指示面源污染物的空間分布,例如孫然好等[35]研究結(jié)果表明海河流域不同地理單元景觀空間負(fù)荷比指數(shù)與TN 的相關(guān)性存在差異,這主要與不同區(qū)域的地理特征和土地利用格局有關(guān)系。景觀空間負(fù)荷比指數(shù)作為一種比重結(jié)果,可以通過比較來判定其所在區(qū)域景觀格局對面源污染過程的潛在影響或者風(fēng)險程度,但不能計算具體污染數(shù)值。針對景觀空間負(fù)荷比指數(shù)在大尺度區(qū)域的不可對比性,Wang 等[26]、Tan 等[47]利用植被覆蓋度、地表粗糙度、曼寧糙率系數(shù)構(gòu)建景觀阻力系數(shù),利用年降雨量、坡度、土壤可蝕性和徑流曲線系數(shù)構(gòu)建景觀動力系數(shù),然后利用耗費距離工具計算景觀阻力和動力成本,進(jìn)而作為“源-匯”景觀的權(quán)重貢獻(xiàn),從而構(gòu)建了新的源匯景觀格局指數(shù),并應(yīng)用在三峽庫區(qū)中,結(jié)果表明不同流域該指數(shù)與水質(zhì)指標(biāo)(化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、TN、TP)的相關(guān)系數(shù)均通過t分布的顯著性檢驗。

在時間尺度上,相關(guān)研究針對不同水文時期,分析探討流域景觀格局對氮磷面源污染過程的影響,表明氮、磷兩種面源污染物對“源-匯”景觀格局在不同水文時期的響應(yīng)規(guī)律存在區(qū)域差異。例如張亞娟等[40]在于橋水庫流域的研究發(fā)現(xiàn),從平水期到豐水期,景觀空間負(fù)荷比指數(shù)與磷污染的相關(guān)性增加,而與氮污染相關(guān)性降低;劉鵬等[41]在普者黑流域的研究發(fā)現(xiàn)枯水期和豐水期景觀空間負(fù)荷比指數(shù)與水體TN 的相關(guān)性不明顯,而對氮、磷輸出的解釋能力在平水期相較于傳統(tǒng)景觀格局指數(shù)則更強(qiáng)。這主要是由于兩者的研究區(qū)域地理特征差異較大,普者黑流域?qū)儆诳λ固貛r溶地貌,地表水系支離破碎,地表水與地下水交互頻繁,導(dǎo)致“源-匯”景觀格局指數(shù)(LWLI)與氮磷濃度的相關(guān)性不及于橋水庫流域高。

3.2 “源-匯”景觀對新型面源污染物的指示

相比于氮磷等傳統(tǒng)面源污染物的大量研究,“源-匯”景觀對諸如持久性有機(jī)污染物、環(huán)境持久性藥物、微塑料等新型面源污染物的指示研究較少。例如Wu 等[25]探討了半城市化流域不同“源-匯”景觀結(jié)構(gòu)對非點源有機(jī)碳流失的貢獻(xiàn),認(rèn)為景觀格局對大多數(shù)子流域的吸附態(tài)有機(jī)碳損失總體上是不利的,而對整個流域的溶解態(tài)有機(jī)碳和總有機(jī)碳損失是有利的,這些損失形態(tài)的差異很大程度上歸因于不同源匯結(jié)構(gòu),其中沿河網(wǎng)分布的稻田和農(nóng)村居民點的水流長度是影響有機(jī)碳源匯空間配置的最不利因素。李敏等[48]探討了城郊流域“源-匯”景觀格局特征對水體抗生素的影響,通過相關(guān)分析和冗余分析發(fā)現(xiàn)源匯景觀負(fù)荷比指數(shù)與水體抗生素濃度呈正相關(guān)關(guān)系。針對新型面源污染物的研究相對較少的原因是目前現(xiàn)有例行環(huán)境監(jiān)測仍以化學(xué)需氧量、生化需氧量、TP、TN 等總量型指標(biāo)為主,對新型污染物產(chǎn)生風(fēng)險的排放源不明確,而且新型面源污染物種類繁多,其環(huán)境賦存介質(zhì)未知,因此無法用常規(guī)監(jiān)測手段去定量解析新型面源污染物來源,及其與地表景觀的源匯關(guān)系。

4 問題與展望

4.1 問題討論

4.1.1 現(xiàn)有“源-匯”景觀指數(shù)的不具可比性問題

對于“源-匯”景觀格局與面源污染的耦合關(guān)系,大多數(shù)研究是將一個流域劃分為多個子流域,以此解釋流域內(nèi)部不同子流域的面源污染物流失對景觀源匯屬性變化的響應(yīng)規(guī)律。在同一個流域內(nèi),環(huán)境背景是相似的,不同子流域“源-匯”景觀指數(shù)具有可比性,該指數(shù)越大,則該子流域景觀格局對子流域出口貢獻(xiàn)應(yīng)該越大;相反,貢獻(xiàn)越小。然而,現(xiàn)有研究對于跨流域源匯景觀格局與面源污染過程耦合研究相對較少,因為對于環(huán)境背景差異較大的不同流域,“源-匯”景觀指數(shù)則不具有可比性,而這主要是由于不同流域之間的土地利用、地形地貌、土壤條件、降雨徑流、社會經(jīng)濟(jì)活動等影響因子的時空差異,對養(yǎng)分流失的影響很大,進(jìn)而導(dǎo)致“源-匯”景觀對面源污染物流失貢獻(xiàn)的時空分異。因此,如何構(gòu)建跨流域且具有可比性的“源-匯”景觀指數(shù),以此增加指數(shù)的表征可信度,是值得深入探討的問題。

4.1.2 影響面源污染的關(guān)鍵景觀因子耦合問題

流域不同影響因子對面源污染的作用存在差別,表現(xiàn)為自然生態(tài)因子是面源污染發(fā)生和發(fā)展的潛在固有條件,人為干擾因子則是催化劑。一方面,多數(shù)研究基于獨立同分布假設(shè)的經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)對面源污染影響因子的識別結(jié)果,所選取面源污染影響因子的指標(biāo)數(shù)目往往較少,能夠識別出的關(guān)鍵因子數(shù)目更少,較少的影響因子意味著很難全面理解面源污染過程的影響機(jī)制,因此無法給出防控流域面源污染的具體指導(dǎo)意見。另一方面,面源污染作為一個自然與社會交叉的綜合問題,所涉及影響因子數(shù)量眾多,會影響到地表“源-匯”景觀格局對污染物流失的貢獻(xiàn)關(guān)系,而且指標(biāo)數(shù)量的增多容易造成分析的維數(shù)災(zāi)難。因此,在解析流域“源-匯”景觀格局與面源污染過程的耦合關(guān)系中,需要有效識別面源污染過程的關(guān)鍵影響因子及其作用方式。但是如何從“源-匯”景觀理論角度耦合關(guān)鍵景觀因子對非點源污染的作用機(jī)理,并以此構(gòu)建“源-匯”景觀指數(shù)來量化“源-匯”景觀格局對非點源污染的貢獻(xiàn)的相關(guān)探究較少。

4.1.3 “源-匯”景觀格局優(yōu)化及其應(yīng)用不足問題

景觀生態(tài)學(xué)研究的核心在于景觀格局與生態(tài)過程的相互作用及其尺度效應(yīng),目的在于通過改變和優(yōu)化景觀空間格局來維持景觀功能、物質(zhì)流和能量流的安全,而“源-匯”景觀格局分析的目的也在于通過分析“源”“匯”景觀在空間上的配置格局是否合理與平衡,進(jìn)而探討有利于調(diào)控面源污染過程的途徑和方法。例如,基于相對距離的景觀空間負(fù)荷比指數(shù)過大,表明更多的“源”景觀的分布接近出水口或水體,污染風(fēng)險會更高,因此需要根據(jù)到流域水體距離,由近到遠(yuǎn)依次設(shè)置“匯”景觀、低負(fù)荷“源”景觀、高負(fù)荷“源”景觀,并且在“源”景觀中鑲嵌“匯”景觀。盡管當(dāng)前基于“源-匯”理論進(jìn)行以非點源污染控制為目標(biāo)的景觀格局調(diào)控與優(yōu)化思路已得到普遍認(rèn)可,但是基于面源污染過程的“源-匯”景觀格局優(yōu)化配置實踐研究相對較少,僅局限于由最佳管理措施(BMPs)延伸的微觀尺度景觀調(diào)控,以及流域尺度的“源-匯”景觀格局調(diào)控框架的建立,相關(guān)調(diào)控理論的研究與案例實踐仍處在探索階段。

4.2 研究展望

流域景觀及其空間格局與面源污染過程之間存在必然聯(lián)系,但兩者之間的耦合關(guān)系異常復(fù)雜。借助“源-匯”景觀理論方法可以改變該領(lǐng)域研究多局限于傳統(tǒng)景觀指數(shù)與污染物監(jiān)測指標(biāo)的統(tǒng)計性分析,可以在不同空間尺度上對土地利用及其景觀格局進(jìn)行“源”“匯”的識別,構(gòu)建“源-匯”景觀指數(shù),并建立與河流斷面、流域出水口、監(jiān)測點等指示氮、磷等指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系,定量判斷區(qū)域、流域和坡面的“源-匯”景觀格局對面源污染過程的影響。

為此,當(dāng)前和未來在以下幾個方面需要得到加強(qiáng)和深入研究: 1)由于地表景觀的諸多因子使得不同尺度空間景觀存在空間異質(zhì)性,而面源污染過程中的污染物遷移與能量流動必然會受到這些景觀因子的綜合影響,因此需要識別影響面源污染的關(guān)鍵因子,才能更好地去判別影響面源污染過程的“源-匯”景觀歸屬及其影響面源污染的權(quán)重貢獻(xiàn),以此構(gòu)建具有可比性的“源-匯”景觀指數(shù),以便適合于跨流域的研究。2)構(gòu)建或改進(jìn)的指數(shù)能否有效反映不同空間尺度景觀格局對生態(tài)過程的影響,需要結(jié)合對氮磷等污染物負(fù)荷相關(guān)的監(jiān)測與模型模擬進(jìn)行驗證并修正,以方便對比環(huán)境背景差異大的區(qū)域或流域景觀格局與面源污染過程的耦合關(guān)系。3)構(gòu)建的“源-匯”景觀指數(shù)需要更好地應(yīng)用到不同流域以及區(qū)域尺度的景觀格局優(yōu)化與景觀生態(tài)規(guī)劃中,真正發(fā)揮景觀指數(shù)的實踐效用和功能。4)擴(kuò)大“源-匯”景觀理論在地表景觀影響新型面源污染物研究的應(yīng)用領(lǐng)域,從“源-匯”景觀角度去揭示更多面源污染物的流失過程機(jī)理。