許爾琪

土地利用對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物影響的研究進(jìn)展*

許爾琪

(中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100101)

日益嚴(yán)重的水質(zhì)污染威脅到人類健康與生存, 水體富營(yíng)養(yǎng)化是其中一大治理難題。流域土地利用深刻影響水體中的營(yíng)養(yǎng)物, 定量刻畫兩者關(guān)系, 可有效指導(dǎo)土地利用優(yōu)化以改善水體質(zhì)量。在國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上, 本文梳理了樣地實(shí)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)理模型等4類研究土地利用和水體營(yíng)養(yǎng)物關(guān)系的方法, 并分析了不同方法應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)。以往研究多側(cè)重土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu), 對(duì)強(qiáng)度和空間分布的量化及其與水體營(yíng)養(yǎng)物關(guān)系的模型構(gòu)建等研究尚顯不足, 多從單一或部分信息進(jìn)行松散研究, 導(dǎo)致不同研究中土地利用對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物的解釋能力差異顯著。本文著重綜述土地利用類型、強(qiáng)度差異和空間分布等3個(gè)方面對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物影響的研究進(jìn)展, 并闡述關(guān)于兩者定量關(guān)系尺度效應(yīng)的爭(zhēng)議和不確定性。目前主要存在問題包括現(xiàn)有研究土地利用和水體營(yíng)養(yǎng)物的關(guān)系手段不足、土地利用多組分信息和水體營(yíng)養(yǎng)物關(guān)系規(guī)律不清和尺度效應(yīng)不確定性等3方面。因此, 本文以水體污染物的產(chǎn)生、遷移、轉(zhuǎn)化等的生態(tài)水文過程為線索, 提出土地利用多信息空間綜合表達(dá)和量化研究框架作為核心突破口。應(yīng)用該框架, 未來圍繞融合過程機(jī)理與經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的模型開發(fā)、富營(yíng)養(yǎng)化過程關(guān)聯(lián)的土地利用多信息綜合量化和多尺度結(jié)構(gòu)的構(gòu)建等3個(gè)方面開展研究, 旨在為豐富土地利用對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物影響研究提供一定的參考價(jià)值。

土地利用; 水體營(yíng)養(yǎng)物; 量化手段; 強(qiáng)度信息; 空間分布; 尺度效應(yīng)

由于自然環(huán)境改變和不合理人類活動(dòng)導(dǎo)致的水體富營(yíng)養(yǎng)化, 是當(dāng)今世界水污染治理的一大難題[1]。尤其是隨著工業(yè)點(diǎn)源污染控制水平的提高, 點(diǎn)源污染已基本得到有效控制, 而非點(diǎn)源污染則成為當(dāng)今包括河流、湖泊、水庫(kù)等水體富營(yíng)養(yǎng)化的主體[2]。相對(duì)于點(diǎn)源污染, 非點(diǎn)源污染具有隨機(jī)性、廣泛性、滯后性和模糊性的特征[3], 使得水體富營(yíng)養(yǎng)的調(diào)控和管理更具挑戰(zhàn)性, 亟須從區(qū)域尺度對(duì)水質(zhì)污染進(jìn)行宏觀規(guī)劃和設(shè)計(jì)[4]。流域陸地表面的營(yíng)養(yǎng)物隨徑流匯入水體, 進(jìn)而引起富營(yíng)養(yǎng)化, 該過程受到降雨、地表徑流、下墊面特征和人類活動(dòng)等因素的綜合影響[5]。土地利用作為人類活動(dòng)的綜合表征, 與水體中營(yíng)養(yǎng)物產(chǎn)生、遷移、轉(zhuǎn)化等相關(guān)的產(chǎn)匯流過程[6]和生物化學(xué)過程[7]密切相關(guān), 定量刻畫兩者的關(guān)系, 厘定土地利用對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)物的影響, 才能有效控制水質(zhì)污染。

由于土地利用與水體營(yíng)養(yǎng)物關(guān)系密切[8], 關(guān)于兩者關(guān)系的研究國(guó)內(nèi)外已有較多成果。不同土地利用類型決定營(yíng)養(yǎng)物輸出的高低, 農(nóng)地利用和城鎮(zhèn)利用往往是水體營(yíng)養(yǎng)物的輸出來源[9-10], 而林地又能夠有助于營(yíng)養(yǎng)物的控制[11]; 利用強(qiáng)度的差異將導(dǎo)致同一土地利用類型污染物輸出的顯著差別, 如建設(shè)用地密度[12]、種植和畜禽養(yǎng)殖強(qiáng)度[13-14]等的增加, 都會(huì)使這些用地作為污染物輸出的源強(qiáng)增加; 土地利用空間分布特征也與水體營(yíng)養(yǎng)物的產(chǎn)生、遷移轉(zhuǎn)化及攔截調(diào)控過程密切相關(guān)[15], 土地利用所處的坡度差異刻畫了營(yíng)養(yǎng)物輸出風(fēng)險(xiǎn)的高低[16], 土地利用與河道和監(jiān)測(cè)斷面距離的遠(yuǎn)近模擬了營(yíng)養(yǎng)物輸出在坡面匯流及河道匯流的衰減過程, 土地利用位置鄰接關(guān)系的空間識(shí)別反映了特定位置上林地對(duì)地表徑流營(yíng)養(yǎng)物的削減作用[17]。

由于土地利用自身的異質(zhì)性, 使得土地利用和水質(zhì)污染之間的關(guān)系更為復(fù)雜, 若無(wú)法充分表達(dá)土地利用多組分信息的差異, 則容易導(dǎo)致研究結(jié)果產(chǎn)生不確定性。目前國(guó)內(nèi)外研究?jī)烧哧P(guān)系側(cè)重刻畫土地利用的數(shù)量結(jié)構(gòu), 缺乏對(duì)其空間分布、管理與強(qiáng)度的理解和量化, 使得不同研究中單純采用土地利用數(shù)量比例對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物解釋程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)有較大的差異性, 這樣的不確定性影響了對(duì)兩者關(guān)系的深入認(rèn)識(shí)[15]。因此, 本文旨在介紹和闡述研究土地利用對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物影響的技術(shù)手段, 重點(diǎn)闡述土地利用多組分信息量化及其與水體營(yíng)養(yǎng)物關(guān)系的研究進(jìn)展, 剖析目前研究的問題和不足, 探討未來的主要研究方向。

1 土地利用對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物影響的研究方法

1.1 樣地實(shí)驗(yàn)

樣地尺度的實(shí)地取樣監(jiān)測(cè)和人工降雨模擬, 是早期研究和考察土地利用污染物輸出差異的主要手段, 通過對(duì)典型樣區(qū)定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 獲取不同土地利用類型的污染物輸出特征, 探討土地利用對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)物的影響, 直到現(xiàn)在仍是研究?jī)烧哧P(guān)系的基礎(chǔ)手段[18]。Uttormark等[19]通過對(duì)不同土地利用類型的單位面積年均污染物濃度的比較, 指出城市用地流出徑流的污染物濃度最大, 而林地最小; Haith[20]研究了土地利用類型對(duì)紐約河流水質(zhì)的影響, 并建立了兩者之間簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型; Omernik等[21]收集了遍布美國(guó)的928個(gè)流域的水體營(yíng)養(yǎng)物污染的情況, 研究了不同土地利用類型的水體營(yíng)養(yǎng)水平。

在國(guó)內(nèi), 不同學(xué)者也采用樣地設(shè)置和小區(qū)實(shí)驗(yàn)的手段, 進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累, 并研究土地利用和營(yíng)養(yǎng)物輸出關(guān)系。楊金玲等[22]運(yùn)用實(shí)地跟蹤定位監(jiān)測(cè)方法, 監(jiān)測(cè)安徽宣城梅村流域不同土地利用結(jié)構(gòu)的農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)地表徑流水的氮含量, 探討其與流域土地利用的定量關(guān)系; 梁濤等[23-24]利用人工降雨模擬器模擬暴雨, 研究西苕溪流域和官?gòu)d水庫(kù)周邊不同土地利用方式上氮、磷隨暴雨徑流及徑流沉積物的遷移過程, 并估算了總氮、總磷的流失速率; 余進(jìn)祥等[25]定點(diǎn)監(jiān)測(cè)鄱陽(yáng)湖流域水田、水旱輪作、旱地、菜地、桔園、臍橙園和茶園等不同農(nóng)業(yè)利用方式, 分析其氮、磷輸出特征和年輸出負(fù)荷; 汪慶兵等[26]通過在毛竹林地設(shè)置徑流小區(qū), 定期采集徑流水樣測(cè)試, 分析了浙北安吉賦石水庫(kù)集水區(qū)毛竹林地表徑流氮、磷的流失特征; 陳成龍等[27]利用田間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了三峽庫(kù)區(qū)典型農(nóng)業(yè)小流域不同土地利用類型與坡面地表徑流氮磷濃度的相互關(guān)系。

1.2 統(tǒng)計(jì)分析

遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的發(fā)展, 推動(dòng)了大范圍土地利用特征的獲取, 研究趨向于流域出口水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和遙感識(shí)別的土地利用信息, 并運(yùn)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析方法定量研究流域尺度上土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)、變化特征對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物的影響及其貢獻(xiàn)程度。Detenbeck等[28]結(jié)合航測(cè)影像和GIS技術(shù), 研究美國(guó)明尼阿波利斯-圣保羅郊區(qū)農(nóng)用地和林地面積百分比對(duì)水域水質(zhì)的影響; Johnson等[29]通過美國(guó)密西根中部62個(gè)流域支流研究, 建立了不同土地類型面積比例和坡度與水質(zhì)指標(biāo)之間的多元回歸模型, 發(fā)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)影響最大的是土地利用指標(biāo); Ahearn等[30]研究了美國(guó)加州西部?jī)?nèi)華達(dá)山區(qū)土地利用和覆被類型對(duì)水質(zhì)的影響, 并得出1999—2001年間土地利用變化與水體中硝態(tài)氮和總懸浮顆粒物含量具有相關(guān)性; Broussard等[31]研究認(rèn)為過去百年美國(guó)的流域土地利用變化與硝態(tài)氮濃度存在顯著的相關(guān)性。

國(guó)內(nèi)學(xué)者建立不同流域土地利用類型面積比例與營(yíng)養(yǎng)物濃度的定量關(guān)系[32], 應(yīng)用GIS技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法, 定量刻畫區(qū)域范圍內(nèi)流域土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)與徑流營(yíng)養(yǎng)物濃度水平的關(guān)系[33]。李俊然等[34]以子流域?yàn)閱卧? 研究了薊運(yùn)河于橋水庫(kù)流域內(nèi)不同土地利用結(jié)構(gòu)與非點(diǎn)源污染之間的相關(guān)關(guān)系; 于興修等[35]運(yùn)用GIS技術(shù)和水質(zhì)指數(shù)法分析西苕溪流域的土地利用變化對(duì)氮素徑流流失過程的影響, 指出土地利用變化是引起養(yǎng)分流失加劇、繼而導(dǎo)致水質(zhì)變化的主要原因; 岳雋等[36]探討了深圳市境內(nèi)5條河流水質(zhì)的時(shí)空變化與相應(yīng)流域內(nèi)耕地、園地和建設(shè)用地?cái)?shù)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系及其相互影響; 吳東等[32]應(yīng)用逐步回歸模型, 分析了三峽庫(kù)區(qū)蘭陵溪小流域退耕還林后土地利用結(jié)構(gòu)變化對(duì)氮素輸出的控制效應(yīng)。

1.3 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

隨著樣地尺度定位監(jiān)測(cè)和流域尺度統(tǒng)計(jì)分析等方法的長(zhǎng)期應(yīng)用和參數(shù)積累, 經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型被提出并廣泛應(yīng)用, 通過文獻(xiàn)檢索和參數(shù)篩選, 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷靡远炕恋乩门c水體營(yíng)養(yǎng)物的關(guān)系, 估算不同污染源類型的污染負(fù)荷。經(jīng)驗(yàn)性模型以輸出系數(shù)模型為代表, 其以土地利用輸出系數(shù)為基礎(chǔ), 建立流域土地利用類型與水體營(yíng)養(yǎng)物輸出量的關(guān)系, 核算不同來源的污染負(fù)荷。自Reckhow等[37]首次較完整地以不同土地利用類型輸出系數(shù)為基礎(chǔ)建立了水體營(yíng)養(yǎng)物輸出系數(shù)模型以來, 因輸出系數(shù)模型避開了污染發(fā)生的復(fù)雜過程, 所需參數(shù)少, 又具有一定的精度和適用性, 眾多學(xué)者針對(duì)輸出系數(shù)模型的核心——輸出系數(shù)進(jìn)行參數(shù)率定和積累, 模型得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[38-39]。

同時(shí), 輸出系數(shù)模型對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物相關(guān)生態(tài)水文過程處理較為簡(jiǎn)單, 容易忽略部分關(guān)鍵信息, 因此, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)模型進(jìn)行了逐步的修正、擴(kuò)展和應(yīng)用。Johnes[40]在模型中加入了牲畜、人口等因素的影響; Worrall等[41]針對(duì)污染物的水文過程, 進(jìn)一步考慮了土地利用變化對(duì)污染物輸出系數(shù)的滯后效應(yīng); Endreny等[42]則認(rèn)為徑流速率存在著空間分布模式, 主要受徑流過程中負(fù)荷大小和過濾作用的影響, 建立了基于GIS的貢獻(xiàn)消散區(qū)-輸出系數(shù)模型; Khadam等[43]提出了侵蝕級(jí)的輸出系數(shù)模型, 引進(jìn)了沉積排放參數(shù)來代替水文的變化性; 任瑋等[44]引入降雨、地形因子對(duì)輸出系數(shù)模型進(jìn)行改進(jìn); 龐樹江等[45]提出了綜合考慮產(chǎn)污強(qiáng)度、降雨徑流、土壤水分下滲和流域下墊面植被景觀截留等作用的氮輸出系數(shù)模型。

1.4 機(jī)理模型

機(jī)理模型遠(yuǎn)比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷?fù)雜, 大多依據(jù)水文學(xué)原理, 以水體污染物的發(fā)生、遷移和轉(zhuǎn)化的具體過程為框架, 通常包括產(chǎn)流、匯流、污染物轉(zhuǎn)化和水質(zhì)等子模型, 涉及參數(shù)較多, 具有不同的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和模型算法, 有許多學(xué)者對(duì)一系列模型進(jìn)行了介紹和比較[46-47], 機(jī)理性模型的發(fā)展從20世紀(jì)70年代初的提出到現(xiàn)在走向綜合, 主要有: 連續(xù)模擬土壤和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從農(nóng)耕地上流失的ANSWERS模型[48], 綜合模擬水文、侵蝕、沉積和化學(xué)傳輸?shù)冗^程的子流域農(nóng)耕地非點(diǎn)源污染AGNPS模型[49]及其擴(kuò)展的AnnAGNPS模型[50-53], 預(yù)報(bào)侵蝕產(chǎn)沙和農(nóng)業(yè)面源污染相結(jié)合的EPIC模型[54], 美國(guó)農(nóng)業(yè)部開發(fā)的適用于較大流域尺度的面源污染負(fù)荷計(jì)算SWAT模型[55]等。這些模型及其修正版本被廣泛應(yīng)用, 為水體富營(yíng)養(yǎng)化的研究和控制提供有利工具, 水質(zhì)污染模型呈現(xiàn)出向集成系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。

機(jī)理模型偏重水質(zhì)污染物產(chǎn)生至最終污染輸出全過程的刻畫, 盡管對(duì)土地利用數(shù)據(jù)要求相對(duì)簡(jiǎn)單, 如SWAT或者AGNPS等機(jī)理模型運(yùn)轉(zhuǎn)所需的土地利用數(shù)據(jù)只是土地利用類型、結(jié)構(gòu)及其變化即可, 但這一數(shù)據(jù)卻是模型運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù), 土地利用方式對(duì)模型運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果有顯著性影響。Romanowicz等[56]研究指出SWAT模型對(duì)土地利用這一基礎(chǔ)性的輸入數(shù)據(jù)非常敏感。國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于機(jī)理模型, 以流域土地利用類型、結(jié)構(gòu)及變化為模型基本參數(shù), 結(jié)合流域地形、土壤、水文氣象數(shù)據(jù)、河流情況與參數(shù)數(shù)據(jù)以及流域管理措施數(shù)據(jù)等, 定量研究不同尺度流域的營(yíng)養(yǎng)物負(fù)荷量及其比重, 通過歷史土地利用變化以及未來土地利用情景設(shè)計(jì), 探討不同土地利用結(jié)構(gòu)及其時(shí)空變化對(duì)流域營(yíng)養(yǎng)物輸出的影響, 如SWAT模型被秦耀民等[57]、劉博等[58]和馬放等[59]應(yīng)用于黑河流域、北京沙河水庫(kù)流域和阿什河流域等地區(qū), 探討土地利用與非點(diǎn)源污染的關(guān)系。

2 土地利用對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物影響研究進(jìn)展

2.1 土地利用類型對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物的影響

20世紀(jì)60年代以來, 發(fā)達(dá)國(guó)家由控制點(diǎn)源污染轉(zhuǎn)向非點(diǎn)源污染的研究與治理, 70年代國(guó)外學(xué)者開始關(guān)注人類土地利用活動(dòng)對(duì)水庫(kù)、湖泊、河流等水質(zhì)的影響。國(guó)內(nèi)學(xué)界開展土地利用對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化影響研究相對(duì)滯后于國(guó)外, 真正意義上的研究始于20世紀(jì)80年代初的湖泊、水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查和河流水質(zhì)規(guī)劃[60], 通過典型樣區(qū)試驗(yàn)建立土地利用類型與水體營(yíng)養(yǎng)物的簡(jiǎn)單關(guān)系, 進(jìn)而粗略估算匯水區(qū)域水質(zhì)污染物的輸出總量。這一階段的研究數(shù)量少, 監(jiān)測(cè)手段相對(duì)簡(jiǎn)單, 屬于對(duì)土地利用類型與水體營(yíng)養(yǎng)物之間關(guān)系的探索階段。

基于樣地?cái)?shù)據(jù)和輸出系數(shù)模型, 相關(guān)學(xué)者研究不同土地利用方式的水體營(yíng)養(yǎng)物輸出差異。如Frink[61]詳細(xì)匯總了以往美國(guó)所有研究獲得的不同土地利用方式下總氮、總磷輸出系數(shù); Zobrist等[62]估計(jì)了瑞士24年間不同土地利用類別下可溶性活性磷、硝酸鹽、總氮、氯化物、鉀等的輸出系數(shù)。早期的大量研究就不同土地利用類型對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物的影響有了基本的定性判斷。一般認(rèn)為, 建設(shè)用地導(dǎo)致地表非滲透表面的增加, 從而改變徑流過程, 引起水質(zhì)污染[63], 并且, 城市化導(dǎo)致徑流增加, 引起水體包括需氧量、懸浮物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及病原菌和藻類等的增加, 造成水質(zhì)污染[64]; 而農(nóng)地利用輸出的污染物是水體營(yíng)養(yǎng)物的重要組成部分, 農(nóng)用地與水體富營(yíng)養(yǎng)化有顯著相關(guān)關(guān)系[65], 如水體中的硝酸鹽濃度與農(nóng)用地密切相關(guān)[66]; 至于林地則認(rèn)為能夠截留和過濾水體中的污染物和濃度[67], 有效改善水體質(zhì)量。

2.2 土地利用強(qiáng)度對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物的影響

當(dāng)前大多數(shù)學(xué)者將視角集中在土地利用類型、結(jié)構(gòu)與水質(zhì)污染關(guān)系上, 采用上文提及的多種手段, 分析兩者的關(guān)系。隨著研究的深入, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始認(rèn)識(shí)到土地利用強(qiáng)度的影響, 認(rèn)為單單討論土地利用結(jié)構(gòu)不同而忽視其強(qiáng)度差異, 將影響土地利用對(duì)水體污染解釋的程度[68-69]。實(shí)際上, 即便是子流域具有相似的土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)和比例, 土地利用強(qiáng)度的差異將導(dǎo)致流域水質(zhì)參與的顯著差別[12]。然而, 在目前研究中土地利用強(qiáng)度的量化和測(cè)度卻并不多見[70]。

目前, 少數(shù)研究中根據(jù)土地利用強(qiáng)度的差異對(duì)土地利用類型進(jìn)行細(xì)分, 如Zhang[71]將建設(shè)用地分為高密度和低密度居民用地, Su等[72]根據(jù)人口密度、GDP和建設(shè)用地斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)等指標(biāo)將建設(shè)用地分為3個(gè)利用強(qiáng)度類型, Palmer-Felgate等[73]、Jarvie等[74]將耕地和牧草地分為不同的種植和畜禽養(yǎng)殖強(qiáng)度, Carey等[75]對(duì)建設(shè)用地、耕地和牧草地細(xì)分成不同強(qiáng)度的土地利用類型。上述研究一定程度考慮了土地利用強(qiáng)度的影響, 分析不同強(qiáng)度的土地利用類型比例與水體營(yíng)養(yǎng)物參數(shù)的關(guān)系。

同時(shí), 部分研究中也開始引入與土地利用強(qiáng)度相關(guān)的指標(biāo), 來討論其與水體污染的關(guān)系, 如化肥施用強(qiáng)度[76]、畜禽養(yǎng)殖密度[77]、畜產(chǎn)品產(chǎn)量[78]、人口密度[79]、非滲透水面比例[80]和城鎮(zhèn)化階段[81]等, 研究結(jié)果表明, 刻畫土地利用的強(qiáng)度差異有助于提高其對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的理解。

2.3 土地利用空間分布對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物的影響

土地利用空間分布格局的差異在早期研究中很少被考慮和量化[82], 實(shí)際上, 最終造成水體污染不但與污染物來源相關(guān), 更大程度上取決于水質(zhì)污染物的空間分布與遷移過程[83], 草地[84]和河岸林[85]對(duì)遷移的水質(zhì)污染物都有截留效應(yīng)。釋放污染和滯留、吸納污染的土地利用類型的空間組合與分布, 以及污染物遷移路徑的長(zhǎng)短, 都會(huì)影響受納水體的被污染強(qiáng)度。O’Neill等[86]指出土地利用空間上的格局分布對(duì)河道生態(tài)與環(huán)境存在一定的影響; Verburg等[87]研究表明空間交互作用和鄰近特征是土地利用的重要驅(qū)動(dòng)力; Zhang等[88]認(rèn)為水體營(yíng)養(yǎng)物的控制需要合理優(yōu)化土地利用的空間格局, 在空間規(guī)劃植被緩沖帶以控制水體營(yíng)養(yǎng)物時(shí), 也需要考慮土地利用的空間分布特征[89-90]。因此, 研究水體營(yíng)養(yǎng)物與土地利用的關(guān)系, 必須考慮土地利用的空間分布與組合。

土地利用單元距離污染受納水體的遠(yuǎn)近或所處位置的地形(坡度)對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)物的遷移轉(zhuǎn)化有重要的影響。Ingram等[91]指出溶解態(tài)磷等遷移量隨地表坡度及降雨動(dòng)能的增大而增大, 在坡長(zhǎng)為33~100 m條件下, 溶解態(tài)磷的遷移量隨坡長(zhǎng)增大而增大; Castillo等[92]發(fā)現(xiàn)地表徑流中的硝酸氮和可溶性磷與流域出水口的土地利用存在顯著關(guān)系; Schilling等[93]通過研究1996—1998年流域地表徑流中氮素含量變化與流域匯水區(qū)處農(nóng)田面積比例的變化, 發(fā)現(xiàn)兩者有比較明顯的相關(guān)性; Lewis等[94]指出水中氮濃度的空間異質(zhì)性受遷移路徑的影響; 陳利頂?shù)萚95]基于土地利用方式對(duì)非點(diǎn)源污染“源-匯”的影響, 提出景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)量化土地利用單元相對(duì)于流域出口(監(jiān)測(cè)點(diǎn))的“距離”、“相對(duì)高度”和“坡度”等空間特征, 相關(guān)研究表明距離、坡度和相對(duì)高度等指數(shù)對(duì)非點(diǎn)源污染有顯著的影響[96-98]。

匯入水體的營(yíng)養(yǎng)物從產(chǎn)生到流至水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的坡面匯流和河道內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化等過程中, 污染物是伴隨著徑流的產(chǎn)生與匯集過程向流域出口斷面遷移, 會(huì)出現(xiàn)土壤和植被的截留、向地下水的滲透、生化反應(yīng)、泥沙吸附和河流降解等, 使得污染物不可能全部到達(dá)流域出口斷面, 即存在流域損失。流域上產(chǎn)生的污染物輸出要大于到達(dá)流域出口斷面的污染輸出, 相關(guān)研究采用不同的函數(shù)來模擬營(yíng)養(yǎng)物隨距離變化發(fā)生的損失。線性函數(shù)[99]、反距離函數(shù)[100]、指數(shù)衰減函數(shù)[101]或綜合上述多種函數(shù)[102], 被用以刻畫污染物隨土地利用類型與污染受納水體距離變化的衰減規(guī)律。對(duì)于以營(yíng)養(yǎng)物輸出為主的土地利用類型, 距離用以刻畫營(yíng)養(yǎng)物從上述土地利用輸出后的衰減程度, 相反地, 林地等能夠減少水體營(yíng)養(yǎng)物水平的類型, 則是表征對(duì)徑流中營(yíng)養(yǎng)物的攔截程度, 距離越近則越能夠保護(hù)水體[100]。

另一方面, 多數(shù)研究中都是獨(dú)立考慮單一類型的土地利用特征, 土地利用單元與河道及水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的距離都是被“獨(dú)立”考慮的。實(shí)際上, 在營(yíng)養(yǎng)物隨徑流的遷移轉(zhuǎn)化過程中, 不同土地利用之間的相對(duì)位置也會(huì)對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物濃度產(chǎn)生影響。例如, 如果在耕地產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)物隨坡面匯流到河道的過程中, 流經(jīng)林地, 理論上我們定義上述這部分耕地為“被攔截”的耕地, “被攔截”的耕地對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)物的影響會(huì)減小, 在這些污染物輸出源流經(jīng)路徑上的林地可以發(fā)揮更好的攔截和過濾作用。為了刻畫上述土地利用的位置鄰接關(guān)系, Baker等[68]以耕地、草地和城鄉(xiāng)用地為污染物輸出源, 林地作為攔截, 提取每一土地利用類型與林地的空間位置鄰接關(guān)系。此后, 土地利用的位置鄰近關(guān)系逐漸受到重視并被加以刻畫, 用以分析其對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物的影響, 指導(dǎo)土地利用空間格局的優(yōu)化調(diào)整, 以有效控制水體富營(yíng)養(yǎng)化[68,103]。

此外, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者引用景觀格局指數(shù)方法來表征土地利用的空間組合, 探討土地利用空間格局及其特征與水體營(yíng)養(yǎng)物的相關(guān)關(guān)系。從景觀尺度, Uuemaa等[104]研究不同尺度下景觀格局指數(shù)與流域營(yíng)養(yǎng)物流失的關(guān)系; Alberti等[105]研究普吉流域城市化進(jìn)程中土地利用空間格局等指標(biāo)與流域生物質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)系; Xiao等[106]研究美國(guó)3個(gè)州礦產(chǎn)廢棄物分布流域的景觀格局和水質(zhì)污染的關(guān)系。從綴塊的水平上, 即不同土地利用單元的水平上, 不同學(xué)者也探討了土地利用空間組合特征與水質(zhì)污染的關(guān)系[107-108]。

2.4 土地利用對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物影響的尺度效應(yīng)研究

土地利用單元與河道的距離究竟在多大程度上影響著水質(zhì)污染, 是具有一定的距離閾值[109-110], 還是在流域內(nèi)[111-113]均產(chǎn)生影響？Sliva等[111]發(fā)現(xiàn)流域尺度內(nèi)土地利用對(duì)水質(zhì)參數(shù)的解釋能力優(yōu)于100 m緩沖區(qū)的解釋能力; 類似還有學(xué)者研究指出土地利用對(duì)水質(zhì)的影響是在全流域范圍內(nèi)起作用的[114-115]。也有學(xué)者持相反的觀點(diǎn), 如Storey等[109]研究表明, 在600 m范圍內(nèi)林地能夠更為顯著地改變徑流的物理、化學(xué)和生物特征, 恢復(fù)因林地轉(zhuǎn)化為牧場(chǎng)而受污染的水質(zhì)質(zhì)量; Johnson等[29]和Tran等[110]也發(fā)現(xiàn)在河岸帶一定距離范圍內(nèi)的景觀對(duì)于水質(zhì)的解釋能力大于流域尺度。針對(duì)水質(zhì)污染與土地利用的關(guān)系, 在全流域和一定范圍緩沖區(qū)的差異性進(jìn)行了大量探討, 但結(jié)果迥異, 至今仍無(wú)統(tǒng)一定論。縱觀這些研究, 除了研究區(qū)域自然背景的差異影響結(jié)果外[111], 在緩沖區(qū)的設(shè)置上往往按照經(jīng)驗(yàn)性的判斷, 主觀選擇一定閾值進(jìn)行緩沖區(qū)設(shè)置來完成尺度效應(yīng)的對(duì)比分析[116], 也可能是造成研究結(jié)果迥異的原因之一。

這樣的爭(zhēng)論和不確定性可能歸結(jié)于不同流域特征的差異性[111], 在以往研究中, 有的研究區(qū)可能全流域具有類似的土地利用空間特征, 即不存在等級(jí)結(jié)構(gòu), 那么全流域的土地利用信息都可能對(duì)水質(zhì)污染起作用[111-113]。相反, 有的研究區(qū)土地利用特征存在明顯的空間差異[109-110], 即使具有相同的土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu), 土地利用在強(qiáng)度和空間分布上都有可能存在顯著差異, 從而導(dǎo)致兩者關(guān)系存在尺度效應(yīng)。隨著與污染物受納水體距離的增加, 土地利用本身呈現(xiàn)不同的空間分布特征[117-118], 如耕地和城鎮(zhèn)用地多集中分布在河道附近[68], 隨著距離的增加, 上述兩類用地面積迅速減少。同時(shí), 營(yíng)養(yǎng)物卻隨匯流過程而逐漸衰減[100], 且衰減規(guī)律的復(fù)雜性導(dǎo)致了土地利用與水體營(yíng)養(yǎng)物關(guān)系隨著距離變化的非線性特征[102]。這些因素皆對(duì)土地利用與水質(zhì)參數(shù)的定量關(guān)系有重要的影響, 導(dǎo)致其隨著研究尺度的變化而發(fā)生變化, 因此, 進(jìn)行兩者關(guān)系的研究需要考慮其多尺度效應(yīng)和特征閾值[10,119]。已有學(xué)者指出, 采用可變范圍的緩沖區(qū)設(shè)置[120]或許能夠更好地解釋兩者的關(guān)系。

3 問題與展望

3.1 存在問題

1)研究手段各有缺點(diǎn), 難以全面刻畫土地利用與水體營(yíng)養(yǎng)物關(guān)系。樣地實(shí)驗(yàn)作為研究的基礎(chǔ)手段, 僅能獲取局部的點(diǎn)位信息, 無(wú)法解釋流域尺度的特征; 統(tǒng)計(jì)分析方法能夠分析土地利用對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物的影響, 但其解釋能力不足, 得到的兩者關(guān)系僅為統(tǒng)計(jì)特征, 而無(wú)法充分反映因果關(guān)系和相應(yīng)的機(jī)理過程; 統(tǒng)計(jì)模型簡(jiǎn)單實(shí)用性強(qiáng), 但影響水體營(yíng)養(yǎng)物的因素區(qū)域差異明顯, 應(yīng)用統(tǒng)一模型容易忽略個(gè)別關(guān)鍵區(qū)域參數(shù), 導(dǎo)致不確定性的增加; 機(jī)理模型全面刻畫水體營(yíng)養(yǎng)物相關(guān)的整個(gè)生態(tài)水文過程, 但對(duì)輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)校正有嚴(yán)格的要求, 現(xiàn)實(shí)往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

2)水體營(yíng)養(yǎng)物的生態(tài)水文過程與土地利用多組分信息的關(guān)聯(lián)機(jī)制不清。水體中營(yíng)養(yǎng)物從產(chǎn)生、遷移、轉(zhuǎn)化到匯入流域出水口的生態(tài)水文過程復(fù)雜, 目前現(xiàn)有的表征土地利用指標(biāo)多從不同側(cè)面對(duì)上述過程進(jìn)行刻畫, 但其指示意義并不明確, 得到的關(guān)于土地利用信息與水體營(yíng)養(yǎng)物的關(guān)系結(jié)果尚需進(jìn)一步解釋。統(tǒng)計(jì)分析能夠獲知土地利用空間異質(zhì)性對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物的影響程度, 但具體的土地利用空間分布特征如何影響最終的水體營(yíng)養(yǎng)物特征, 卻難以進(jìn)行解釋。并且, 土地利用多組分信息及綜合表達(dá)目前尚缺乏有效的手段和考慮, 也就難以充分揭示土地利用對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響。

3)土地利用和水體營(yíng)養(yǎng)物關(guān)系尺度效應(yīng)的不確定性。不同研究中, 有的全流域具有相似的土地利用特征, 即不存在等級(jí)結(jié)構(gòu), 那么全流域的土地利用信息都可能對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物起作用; 相反, 有的研究區(qū)土地利用存在明顯空間差異, 由于污染物從輸出到監(jiān)測(cè)斷面存在衰減和損失, 使得在一定范圍內(nèi)緩沖區(qū)的土地利用單元對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物的影響更大。當(dāng)前多數(shù)研究在緩沖區(qū)的設(shè)置上基本是憑主觀選擇一定的閾值, 不同的緩沖區(qū)設(shè)置閾值不盡相同, 沒有準(zhǔn)確量化流域土地利用的特征尺度, 可能是造成研究結(jié)果迥異的原因之一。

3.2 量化土地利用多組分信息的研究框架

考慮到上述問題, 本文認(rèn)為需要在目前研究方法的基礎(chǔ)上, 以土地利用多組分信息為研究視角和突破口, 刻畫與水質(zhì)污染密切相關(guān)的因素, 定量探討和挖掘兩者的關(guān)系。若流域單元內(nèi)的土地利用類型數(shù)量比例相近, 但水體營(yíng)養(yǎng)物狀況顯著不同, 則需要考慮土地利用其他方面的信息。即便是同一類型的土地利用, 單位耕地面積的化肥施用量、單位草地面積的載畜量、單位城鄉(xiāng)居住用地面積的人口承載量等的差異, 都使得耕地、草地和城鄉(xiāng)居住用地利用強(qiáng)度有所不同。坡度的不同, 又將導(dǎo)致坡面的產(chǎn)流以及沖刷帶走營(yíng)養(yǎng)物量的差異, 地勢(shì)平坦、坡度小區(qū)域營(yíng)養(yǎng)物的輸出功能較小, 而隨著坡度的增大, 坡面沖刷量增大, 營(yíng)養(yǎng)物產(chǎn)出的風(fēng)險(xiǎn)增加。土地利用與河道和監(jiān)測(cè)斷面距離的遠(yuǎn)近將影響營(yíng)養(yǎng)物輸出在坡面匯流及河道匯流的衰減過程, 距離越小, 土地利用對(duì)監(jiān)測(cè)斷面水體營(yíng)養(yǎng)物濃度的影響越大。土地利用位置鄰接關(guān)系的空間識(shí)別反映了特定位置上林地對(duì)地表徑流營(yíng)養(yǎng)物的削減作用, 植被緩沖帶的空間設(shè)置將顯著影響水體營(yíng)養(yǎng)物的控制。土地利用各組分信息與地表徑流營(yíng)養(yǎng)物隨徑流產(chǎn)生、遷移及轉(zhuǎn)化過程密切相關(guān), 然而, 目前的研究中, 相關(guān)信息多是被單獨(dú)或者部分進(jìn)行量化, 進(jìn)行松散研究。實(shí)際上, 這些信息隱含在每個(gè)土地利用單元上, 為了全面刻畫土地利用特征, 揭示其與水體營(yíng)養(yǎng)物的關(guān)系, 需要將多組分信息進(jìn)行耦合, 構(gòu)建一個(gè)有機(jī)聯(lián)系、統(tǒng)一表達(dá)的土地利用多組分信息空間。

綜合以往的案例研究, 本文設(shè)計(jì)了從現(xiàn)實(shí)流域空間到計(jì)算機(jī)數(shù)字空間的土地利用信息表達(dá)和量化示意圖(圖1), 其中, 不僅有土地利用類型差異的信息, 還重點(diǎn)考慮了土地利用強(qiáng)度、所處坡度、與河道及監(jiān)測(cè)斷面的距離和土地利用位置鄰接關(guān)系等信息。應(yīng)用遙感和GIS技術(shù), 并結(jié)合地面監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)查和數(shù)理模型模擬等多種手段, 可嘗試對(duì)各土地利用信息進(jìn)行一一提取, 構(gòu)建土地利用多維信息空間。同時(shí), 基于樣地定位實(shí)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析和模型模擬等多種方法, 提取關(guān)鍵參數(shù), 并定量刻畫土地利用各信息對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物的影響程度和相互作用。目前常用的輸出系數(shù)模型和機(jī)理模型各有優(yōu)缺點(diǎn), 因此, 以提出的土地利用多維信息空間作為突破口, 可對(duì)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)理模型進(jìn)行修正與開發(fā), 全面挖掘土地利用與水體營(yíng)養(yǎng)物的關(guān)系。

圖1 土地利用多信息空間表達(dá)和量化的示意圖

3.3 研究展望

1)開發(fā)機(jī)理過程刻畫與經(jīng)驗(yàn)關(guān)系識(shí)別相結(jié)合的模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜋C(jī)理模型各有優(yōu)缺點(diǎn), 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头椒ㄒ酝恋乩幂敵鱿禂?shù)為基礎(chǔ), 但容易忽略重要的生態(tài)水文要素; 機(jī)理模型過程充分考慮了影響水體中營(yíng)養(yǎng)物的各個(gè)因素, 但數(shù)據(jù)量要求大, 參數(shù)過多又帶來更多的不確定性。因此, 采用一個(gè)折中的辦法, 即以較小的數(shù)據(jù)量, 基于本文提出的土地利用多組分信息量化框架, 刻畫影響水體營(yíng)養(yǎng)物的關(guān)鍵要素, 量化污染物的輸移、徑流過程和生物化學(xué)過程的耦合過程, 通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析, 構(gòu)建兩者的關(guān)系, 以探討土地利用對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物的影響。

2)綜合表達(dá)和量化與水體富營(yíng)養(yǎng)化過程相關(guān)聯(lián)的土地利用多信息指標(biāo)。依據(jù)土地利用多組分信息空間研究框架, 以流域水體營(yíng)養(yǎng)物產(chǎn)生、遷移和轉(zhuǎn)化的生態(tài)水文過程為主導(dǎo), 篩選與此密切相關(guān)的土地利用結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、所處坡度、與河道及監(jiān)測(cè)斷面的距離和土地利用位置鄰接關(guān)系等信息進(jìn)行刻畫。并且, 通過樣地實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)學(xué)模型和參數(shù)擬合等技術(shù)手段, 進(jìn)行兩者內(nèi)在關(guān)聯(lián)的探討, 明確土地利用指標(biāo)的指示意義, 厘定土地利用不同信息對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物的影響, 增加土地利用對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物輸出的解釋能力。

3)構(gòu)建土地利用和水體營(yíng)養(yǎng)物關(guān)系的多尺度結(jié)構(gòu)特征。任何流域的土地利用都存在一定的等級(jí)結(jié)構(gòu)和空間分布特征, 在不同的等級(jí)尺度之間, 生態(tài)學(xué)的規(guī)律和作用將出現(xiàn)顯著的差異。因此, 需要通過多尺度的采樣和比較, 尋找土地利用和水體營(yíng)養(yǎng)物關(guān)系的特征尺度和閾值, 構(gòu)建兩者關(guān)系的多尺度結(jié)構(gòu)框架, 識(shí)別不同等級(jí)結(jié)構(gòu)內(nèi)的關(guān)鍵影響因素, 并進(jìn)一步研發(fā)尺度轉(zhuǎn)換和綜合集成方法。從而, 有效指導(dǎo)設(shè)置合理的植被緩沖區(qū)和河岸帶, 輔助土地利用管理和優(yōu)化調(diào)控, 控制流域水體富營(yíng)養(yǎng)化。

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Research progress in the impact of land use on water nutrients*

XU Erqi

(Key Laboratory of Terrestrial Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)

Increasingly severe water pollution is a threat to human health and survival, and eutrophication is one of the main challenges faced by pollution governance. Because land use is closely related to water nutrients, quantifying the relationship would be an effective way to support the optimization of land use to improve water quality. Based on international and domestic researches, this study reviewed four methods, e.g., plot experiments, statistical analysis, empirical models, and mechanism models, for studying the effects of land use on water nutrients. The advantages and disadvantages of the application of each method were examined. Until now, studies have been conducted mainly to characterize the quantitative structures of land use. However, there is a limitation in the quantification of the intensity and spatial distribution of land use, and a model of the relationship between land use information and water nutrients is lacking. Research progress has found that multiple land use information was loosely studied from an individual or a partial perspective. This easily led to a significant difference in the explanatory power of land use on water nutrients in different case studies. Thus, research progress was particularly summarized on how three aspects of land use information (land use type, use intensity, and spatial distribution) influence water nutrients. The controversy and uncertainty about the scale effect of the quantitative relationship between land use and water eutrophication have been discussed. The main shortcomings of recent studies were concluded, which included the inadequate capability of approaches for correlating land use to water nutrients, unclear mechanism underlying multiple land use information related to water nutrients, and uncertainty about the abovementioned scale effect. To resolve these issues, this study proposed a breakthrough framework of comprehensive expression and quantification of multiple land use information space that was based on the ecohydrological processes affecting the export, migration, and transformation of water nutrients. Using this proposed multiple land use information space, future studies could focus on integrating process mechanism and empirical statistical methods, comprehensively quantifying multiple land use indicators related to eutrophication, and constructing multiscale structures of land use affecting water nutrients. This study can provide a guide for deep investigation of the relationship between land use and water nutrients.

Land use; Water nutrient; Quantification approach; Intensity information; Spatial distribution; Scale effect

X171

2096-6237(2019)12-1880-12

10.13930/j.cnki.cjea.190110

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41601095)和中國(guó)科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA19040305)資助

許爾琪, 主要從事土地利用及空間格局、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究。E-mail: xueq@igsnrr.ac.cn

2019-02-17

2019-07-05

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41601095) and the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA19040305).

, XU Erqi, E-mail: xueq@igsnrr.ac.cn

Feb. 17, 2019;

Jul. 5, 2019

許爾琪. 土地利用對(duì)水體營(yíng)養(yǎng)物影響的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(12): 1880-1891

XU E Q. Research progress in the impact of land use on water nutrients[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(12): 1880-1891