农林复合流域非点源污染调控的景观生态学研究现状

摘要：农业生产活动产生的非点源污染已成为三峡库区等农林复合流域较为严重的生态环境问题。景观生态学强调景观格局对生态过程中物质流、能量流的控制和影响。本研究以三峡库区农林复合流域为研究对象，从斑块类型水平、景观水平，综述非点源污染调控的景观生态学途径研究进展：第一阶段为景观生态调查。了解流域景观格局特征，判定造成非点源污染的主要原因和关键环节，明晰非点源污染产生的“源”斑块及其生态过程，确定景观格局与非点源污染的反馈关系；第二阶段为景观生态规划。斑块水平上，选取最佳管理措施（BMPs），评定应用效果；景观水平上，增加新的景观要素，调整“源”、“汇”景观斑块类型，评估景观水平调控效果；第三阶段景观生态管理。从斑块和景观两种水平进行小流域景观生态建设，逐步实施BMPs，实现景观生态规划与管理的有机结合，增强景观异质性，有效控制非点源污染强度，达到小流域的可持续发展。

关键词：农林复合流域；景观生态学；非点源污染；调控

中图分类号：Q149 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）11-2723-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.11.043

A Landscape Ecological Approach for the Control of Non-point Source Pollution Exported from Agroforestry Watershed

TIAN Yao-wu1，2，HUANG Zhi-lin2，XIAO Wen-fa2，ZENG Li-Xiong2，XIANG Yong3

（1. College of Forestry， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471003， Henan， China； 2. State Forestry Administration Key Laboratory of Forest Ecology and Environment/ Institute of Forest Ecology， Environment and Protection， Chinese Academy of Forestry， Beijing 100091， China；3. Forestry Bureau of Zigui County， Yichang 443600， Hubei， China）

Abstract：Non-point source （NPS） water pollution generated by agricultural production is considered as a major environmental issue in China. Landscape ecology emphasizes the regulation and effect of landscape pattern on material flow， energy flow through ecological processes. In this study， landscape ecological approach for non-point source pollution control was discussed on patch class-level and landscape-level under the Three Gorges Reservoir agroforestry watershed conditions. The first was landscape ecological investigation. It was understanding the characteristics of watershed landscape pattern， realizing the main reason 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 was landscape ecological planning. BMPs were selected and assessed on patch-level. New landscape elements was added. The “source”and “sink” landscape patches were adjusted and assessed on landscape-level. The third was landscape ecological management. It included constructing watershed landscape on patch- and landscape-level， gradually implementing BMPs， combining landscape planning and management， enhancing landscape heterogeneity， controlling non-point source pollution intensity effectively， and achieving the sustainable development of small watershed.

Key words： agroforestry watershed； landscape ecology； non-point source pollution； regulation

非点源污染（Non-point Source Pollution，NSP）是指溶解态或固态污染物从非特定的地点，在降水或融雪冲刷作用下，通过径流过程而汇入河流、湖泊、水库、海湾等受纳水体并引起水体的富营养化或其他形式的污染[1]。农业NSP是最为主要的非点源污染，包括土壤侵蚀、农业生产活动中化肥与农药的过量使用、公路径流、畜禽养殖和农业与农村废弃物等，污染物主要包括泥沙、氮、磷、有机物质等。三峡库区农林复合流域平均坡度较大，茶、作物等生产活动发达，由于农业生产活动已产生了较为严重非点源污染，引起了较为严重的水土流失、水體富营养化等生态环境问题[1，2]。

景观生态学强调景观空间格局对生态过程的控制和影响，景观格局的改变会带来景观功能、物质流和能量流的变化[3]。景观生态规划、景观生态设计和景观生态管理构成了景观生态建设[4，5]。景观生态学的发展带动着景观生态规划的发展。针对三峡库区农林流域的非点源污染现状，结合景观生态学的基本原理，提出三峡库区特定地理条件下，基于景观生态学原理的非点源污染调控途径、调控方法、实施步骤，以期为三峡库区农林复合型小流域的社会经济可持续发展提供理论基础。

1 景观生态学途径的基本思路

三峡库区农林流域非点源污染调控是应用景观生态学原理和方法及其他相关学科的知识，通过研究景观格局与生态过程以及人类活动与景观的相互作用，在景观生态分析、综合与评价的基础上，合理规划流域景观空间结构及功能，使斑块、廊道及基质等景观要素空间布局结构合理，能量流、信息流、物质流及价值流有组织、有秩序地流动，使景观不仅符合生态学原理，也符合社会经济的发展。基本过程分为3个阶段（图1）。第一阶段为景观生态调查。首先了解流域景观格局特征，判定造成非点源污染的主要原因和关键环节，明晰非点源污染的“源”斑块，量化景观格局与非点源污染的反馈关系；第二阶段为景观生态规划。斑块水平上，“源”斑块的最佳管理措施的效果评价；景观水平上，新景观要素的评价，“源”、“汇”景观元素调整的效果评估；第三阶段景观生态管理，最佳管理措施BMPs的实施步骤，后期小流域的景观生态管理。将景观规划与管理有机结合，增强景观异质性，有效控制非点源污染强度，实现复合小流域的可持续发展。

2 景观生态调查

景观生态调查包括两部分内容，一是流域景观格局分析，二是非点源污染现状分析。

景观格局分析上，可以借助遥感、地理信息系统手段，以及一些专业景观格局分析软件，如FRAGSTATS。一般要从斑块、景观两种水平上进行景观格局分析。斑块水平有单个斑块面积、形状、边界特征，斑块的平均面积、平均形状指数、面积和形状指数标准，单位面积的斑块数目、边界密度（单位面积的斑块边界数量）、斑块镶嵌体形状指数、平均最近邻体指数等。景观水平上有景观多样性指数、景观优势度指数、景观均匀度指数、景观形状指数、正方像元指数、景观聚集度指数、分维数等[6，7]。

非点源污染现状分析也要从斑块、景观水平进行。农业流域尺度管理模型可用来模拟径流、泥沙、氮磷、有机碳等非点源污染迁移、转化过程，部分基于过程的模型可以确认“源”“汇”斑块类型及其非点源污染物产生的动态变化。常用的物理过程模型，如SMODERP，EUROSEM，EROSION 3D[8]， SHETRAN等，通常在10～100 km2较小尺度流域范围内使用，研究地区通常被划分为规则的离散单元面积。在102～104 km2中等尺度面积范围内，常使用关联物理过程和起源于经验模型计算法则的概念模型，概念模型可长期连续预测径流、土壤流失、沉积输移和其他水文过程。目前常用的NSP模型主要有ANSWERS[9]、CREAMS[10]、WEPP、AGNPS[11]、SWAT以及AnnAGNPS[12]。使用与GIS紧密耦合的数学模型来评估农业流域泥沙与养分输出，许多文献已进行了开拓性的研究和探索等。在应用模型模拟方法进行NSP研究中，选择正确的模型和计算法则是十分必要的。模型及计算法则的选择主要受模拟目的、面积尺度、资料可获取性决定。通过上述的景观格局分析和非点源污染过程评价，明确非点源污染过程与景观格局的关系，判定非点源污染产生的主要原因和关键环节。

黄志霖等[2，13]借助FRAGSTATS软件和AnnAGNPS模型，以三峡库区秭归县25个典型农林小流域作为研究对象，斑块类型水平上选取斑块面积比例指数，景观水平上选取斑块丰富度密度、双对数回归分维数、Shannon多样性指数、聚集度等5类景观指数，基于遥感和GIS技术，应用AnnAGNPS 模型模拟各流域径流和泥沙输出，FRAGSTATS软件计算流域景观格局指数，从景观水平探讨景观格局特征对径流、泥沙等污染物输出的影响。流域径流量与农坡地、农梯地、农林梯地、居民地等斑块面积比例指数以及聚集度等景观指数显著正相关，林地、灌木地斑块面积比例指数与径流量显著负相关；农坡地、农林梯地、居民地等斑块面积比例指数、聚集度指数等与泥沙输出量显著正相关，而林地、灌木地斑块面积比例指数、Shannon多样性指数等与泥沙显著负相关。景观指数（因子）与径流和泥沙输出复相关系数为0.856和0.962（均高度相关），复相关系数均大于相对应的单因子相关系数。景观水平上，流域景观格局对径流和泥沙输出影响均显著，景观空间格局是景观功能多样性的反馈，该研究结果是景观格局影响径流、泥沙输出等生态过程的又一例证。

3 景观生态规划

斑块水平上，敏感斑块、污染“源”斑块可实施成熟的、经济简便的最佳管理措施（BMPs）。实施后达不到水质、泥沙输出要求时，结合原有布局调整引入新的景观要素，切断非点源污染物迁移途径，对“源”、“汇”景观元素进行调整，缩小污染影响范围，降低或去除污染物，达到控制非点源污染的目的。

泥沙、氮磷等非点源污染物产生的“源”斑块多为农业斑块，农业斑块具有特殊的经济产业属性。对农业斑块采先要采用恰当的BMPs。BMPs是美国20世纪70年代提出的[14]，BMPs可以是一个也可是多个符合流域实际条件措施的组合，其主要目的是防治和削减径流污染物进入受纳水体，使水质符合水质目标的实际措施，并要求在经济和技术上能切实可行[14，15]。USEPA 把BMPs 定义为“任何能够减少或预防水资源污染的方法、措施或操作程序，包括工程、非工程措施的操作和维护程序[16]”。常用的BMPs有：根据作物和土壤类型选择化肥品种，按所需肥料的最佳使用数量和时间平衡施肥，不同作物品种轮种、套种，以减少养分流失；发展无公害农业，通过微生物、生物和化学系统的最佳整合控制病虫害，以减少农药的使用；改进传统的耕作方式，使用免耕、残留作物不予耕犁、选择适当的耕作时间，防止耕作造成土壤冲蚀；科学用水，控制灌溉速度、时间和用水量，在确保作物得到所需水分的同时又不造成土壤冲蚀。

BMPs实践上，李德荣等[17]研究了红壤坡地果园不同水土保持措施对磷素流失的影响；许其功等[18]探索了耕作措施对三峡库区土壤侵蚀和养分流失的影响；李琪等[19]评价了妫水河流域农耕区NPS磷污染危险性并对关键源区进行了识别；Santhi等[20]使用SWAT模型评估水质管理措施对Texas流域的影响；黄志霖等[13]选取三峡库区典型流域，利用已校准的连续非点源污染模型AnnAGNPS，评价作物种植、化肥施用水平和保护性耕作措施、保护性工程措施、退耕还林措施等3组农业管理措施对农业NSP输出的削减效果。模拟结果表明，作物种植类型对泥沙削减的效果差异不显著，对磷输出削减的效果差异显著；化肥施用量对总氮和总磷输出影响极显著；保护性耕作措施可以显著削减泥沙输出，增加养分输出；保护性工程措施能削减泥沙输出，对养分输出削减的效果不显著；退耕还林措施对泥沙和养分输出削减效果均显著，坡度>10°农田实施退耕还林措施后，流域泥沙输出<5 t/hm2，氮、磷等养分输出量可降低至容许范围。

斑块尺度内，BMPs不能达到非点源污染物输出要求时，必须对农业流域景观格局进行调整，从景观水平上增加高异质性斑块、或增加连通性较高的廊道，进一步对敏感斑块非点源污染物进行处理。景观水平上重要一项是增加“汇”斑块数量和面积。研究表明，当离散的林地、草地“汇”斑块数量达到一定比例时，可以大大地提高降水入渗，减缓径流速率，促进污染物吸收。

易扬等[21]采用2002年和2008年两期Spot5遥感影像，评估了退耕还林工程实施前后黄土高原典型农林复合流域景观格局的动态变化：农耕地斑块面积大幅度下降，逐渐破碎化，28.95%的耕地转化为幼林地和果园斑块。幼林地增长率为89.64%，果园增长率为185.66%。景观格局更为丰富，空间异质性提高，各斑块景观分布逐渐向均匀化方向发展，退耕还林生态工程实施与经济效益的影响处于主导地位，当地产业、生产方式和经济发展方向都发生了变化，驱动了生态景观格局的良性发展。流域尺度上的景观规划还要以河流、湖泊等受纳水体为中心，重新布局或引入新的景观斑块优化景观格局，在水体周围结合BMPs，构建一定宽度的植被缓冲带，将泥沙、氮磷等污染物隔离于水体之外。现阶段国外已有成功的实践，即利用植被缓冲带以及半自然或人工湿地阻截、吸附、沉淀、降解污染物。三峡库区秭归县兰陵溪多条流域已实施了自然排水沟渠的硬化处理，结合植被过滤带，很大程度上减少了地表径流对沟渠的冲刷侵蚀。

4 景观生态管理

完成景观生态调查、规划后，要全面实施景观生态建设。首先是斑块水平上，以景观斑块为评价单元，采用遥感、地理信息系统以及流域尺度过程模型，结合实地采样测试，分析流域景观斑块内在的资源质量以及与相邻景观斑块相斥性或相容性，确定景观斑块对非点源污染适宜性和限制性，划分景观斑块的敏感性等级。全力推行切实可行的BMPs。BMPs目标是在不降低作物产量与收益的基础上，通过科学的管理措施，最大限度地减少养分及其他有害元素流失造成的水环境污染。对大多数流域，产生大量土壤侵蚀的面积在整个流域中只占一小部分，受流域投入资金的限制，BMPs的实施应先从最敏感的区域开始[15]，而且组合BMPs比单一措施有效。其次是景观水平上，结合流域泥沙氮、磷等非点源污染物迁移过程的景观格局分析，运用水土保持和其他管理措施，或引入新的景观元素或重新布局景观结构，形成最大削减非点源污染物的良性景观格局[22]。在土壤扰动时段内，流域管理措施是用来阻止或降低土壤侵蚀量，进而保护水质的一种（组）方案。这种管理措施不但包括在土壤湿度较大时不进行耕作等相对简单的耕作措施，而且也包括复杂水流汇集、分离重金属等复杂的工程措施。通过采取持续农业管理措施和BMPs[14，15]可有效地使农业NSP不同程度的降低。

以三峡库区为例，结合该区农林流域有关研究成果和流域农户分散经营的实际情况，本区域内BMPs首先从作物和化肥施用管理入手，推广较易实行的植被过滤带，条件成熟后，全流域逐步实施坡改梯等高种植，利用国家小流域治理专项资金实施退耕还林，提高林草生态系统经济效益，在农地和经济作物地段实施林草过滤带等工程措施，逐步加大NSP的调控，利用生物措施和工程措施解决流域与水资源有关的环境问题，实现农业小流域可持续发展。

5 小结

在非点源控制规划设计过程中，将各种最佳管理措施应用于污染“源”景观斑块，同时增加与“源”斑块高度异质的斑块类型，结合实际调整廊道连通性，达到减小暴雨径流速率，拦截、贮存、转化径流所携带的污染物。从景观角度研究非点源污染物产生、迁移、转化生态过程；从斑块、景观两种角度进行非点源污染削减的景观多功能设计。建设生态斑塊、生态廊道，实现在非点源污染物迁移过程中逐步削减，将景观生态规划与最佳管理措施相结合的景观生态学途径。

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