張世文,卜中原,沈 強,楊邵文,胡青青,周 妍, 羅明

1 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,淮南 232001 2 自然資源部土地整治重點實驗室,北京 100035 3 安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院, 淮南 232001 4 自然資源部國土整治中心,北京 100035

生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定不僅是社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的前提,也是人類賴以生存的基礎(chǔ)。長期以來自然資源的過度開發(fā),對我國生態(tài)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)造成了巨大破壞,部分關(guān)系國家發(fā)展前景的核心地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的退化[1-7]?；洷蹦蠋X是國家生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護的重要規(guī)劃和試點區(qū),生態(tài)退化將影響“粵港澳大灣區(qū)”和“一帶一路”等國家區(qū)域戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)。山水林田湖草是一個生命共同體,具有相互聯(lián)系、相互依存、相互制約的特點,單要素治理往往顧此失彼,不僅達不到很好效果,還會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的破壞。因此,生態(tài)系統(tǒng)的保護和修復(fù)需要綜合治理[8],需要將過去單一的要素保護轉(zhuǎn)變?yōu)橐远嘁貥?gòu)成的生命系統(tǒng)共治共管、統(tǒng)一保護和修復(fù)。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of study area

國家高度重視對“山水林田湖草”的綜合治理和整體修復(fù)。2016年10月,由財政部、國土資源部、環(huán)境保護部聯(lián)合發(fā)表的《關(guān)于推進山水林田湖生態(tài)保護修復(fù)工作的通知》中,明確要求全國各地開展山水林田湖生態(tài)修復(fù),并在2017年8月,中央全面深化改革領(lǐng)導(dǎo)小組第三十七次會議上又將“草”納入,自此構(gòu)成“山水林田湖草”的生命共同體[9-11]。遵循物質(zhì)與能量的源匯理念,按流域尺度,揭示其內(nèi)部的物質(zhì)運移與轉(zhuǎn)換以及對整個流域的影響,分析其修復(fù)阻力和優(yōu)先級,可為修復(fù)項目在時空尺度上落地提供科學(xué)依據(jù),從而達到科學(xué)治理的目的。目前該領(lǐng)域的研究尚存一定的不足。研究方向上局限于風(fēng)險源的歸類識別,較少考慮由于風(fēng)險源所表現(xiàn)出的內(nèi)外空間分布差異,包括對于植被覆蓋、地形地貌、水質(zhì)環(huán)境等多種因素間的綜合作用[12-16]。研究手段上直接將小尺度區(qū)域的方法應(yīng)用到大尺度區(qū)域,很難達到滿意的效果,降低了研究方法的實踐價值。

綜合考慮當(dāng)前研究進展和不足,以粵北南嶺大寶山礦流域為研究區(qū),基于遙感和GIS軟件,選取代表山水林田綜合質(zhì)量和治理可行性的地質(zhì)災(zāi)害、植被覆蓋狀況等8種指標(biāo)作為阻力面分級指標(biāo)。利用最小累積阻力模型(minimal cumulative resistance,MCR)構(gòu)建阻力面,并根據(jù)阻力大小進行修復(fù)優(yōu)先級分區(qū),分區(qū)提出修復(fù)重點和對策。研究結(jié)果可以為阻力識別、項目立項優(yōu)選、山水林田湖草生態(tài)共治提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)概況

大寶山礦流域?qū)儆趶V東粵北南嶺山區(qū)山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)試點中礦山及土壤生態(tài)修復(fù)的重點區(qū)域。大寶山礦位于研究區(qū)西北部,是以鐵、銅、硫、鉬為主的大型多金屬礦山,歷史上私挖亂采活動頻繁,且老舊礦山較多,部分礦產(chǎn)資源開發(fā)利用至今仍然保持著粗放開發(fā)方式,技術(shù)設(shè)施落后,地表裸露嚴(yán)重,嚴(yán)重影響了礦區(qū)及其周邊的生態(tài)環(huán)境。研究區(qū)地形總體呈現(xiàn)北高南低,以丘陵為主,流經(jīng)礦區(qū)的水域流向大致由北向南,沿地勢從東南部流出(圖1)。

1.2 阻力評價指標(biāo)體系建立與數(shù)據(jù)獲取

基于山水林田湖草全要素系統(tǒng)理論,分析研究區(qū)生態(tài)問題和礦業(yè)開采情況,選取研究區(qū)水質(zhì)、地表植被、重金屬污染等主要的生態(tài)阻力因素,建立了涵蓋生態(tài)修復(fù)5個要素類型、5個阻力類型和8個指標(biāo)的生態(tài)阻力評價體系(表1)。

基于ArcGIS和ENVI軟件完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。數(shù)據(jù)柵格大小全部為30 m,實地采樣調(diào)查于2017、2018年完成,測試方法按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)和《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)執(zhí)行。綜合遙感影像、礦區(qū)復(fù)墾、實地調(diào)查采樣等材料,獲取研究區(qū)用地類型分布、土地?fù)p毀程度、工程難易程度、地表水質(zhì)、土壤重金屬含量。綜合考慮空間預(yù)測精度和不確定性,基于經(jīng)驗貝葉斯方法獲取土壤重金屬綜合污染指數(shù)和地表水綜合污染指數(shù)的空間分布格局。

2 研究方法

2.1 土壤可蝕性

土壤可蝕性是指土壤對侵蝕的敏感性,是反映地質(zhì)災(zāi)害程度的重要指標(biāo),是土壤對侵蝕抵抗力的倒數(shù),一般用K表示[17-19]。采用Williams等人建立的EPIC(erosion productivity impact calculator)公式進行計算[20-21]。

(1)

式中,san、sil、cla和c分別代表土壤中砂粒、粉粒、黏粒、有機碳的含量(%),snl= 1-san/100。

表1 研究區(qū)生態(tài)阻力評價指標(biāo)

2.2 植被覆蓋度

為消除部分輻射誤差,利用多光譜遙感影像提取歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index, NDVI)[22-24]。

(2)

式中,NIR為紅外光譜反射值,R為紅光反射值。

利用歸一化植被指數(shù),采用像元二分模型估算植被覆蓋度(vegetation fraction coverage, VFC)[25-27]。

(3)

(4)

(5)

式中,NDVIsoil、NDVIveg分別表示裸地或無植被覆蓋和完全植被覆蓋的NDVI值,VFCmax、VFCmin分別表示在一定置信范圍內(nèi)的最大值與最小值。

2.3 土壤重金屬綜合污染指數(shù)

參考《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)和《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2006)[28-29],采用內(nèi)梅羅法計算土壤重金屬綜合污染指數(shù)。

(6)

式中,PImean和PImax分別是平均單項污染指數(shù)和最大單項污染指數(shù)。

2.4 地表水綜合污染指數(shù)

按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[30],進行各單項組分評價,對各項指標(biāo)分別按地表水單項組分評分值賦值Fi,并帶入公式計算綜合評價分值F。單項組分評分值賦值分為五級(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ),對應(yīng)的Fi值分別為0、1、3、6和10。

(7)

(8)

2.5 生態(tài)阻力模型的建立

在一定流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境問題中,對區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全造成威脅的景觀稱之為“風(fēng)險源”。針對風(fēng)險源,研究區(qū)的各指標(biāo)因素之間存在著不同程度的連接,多個連接共同產(chǎn)生影響,進而產(chǎn)生生態(tài)風(fēng)險,而這些由連接產(chǎn)生的生態(tài)風(fēng)險是需要通過克服阻力實現(xiàn)的。本文以流域內(nèi)的大寶山礦區(qū)為風(fēng)險源。

最小累積阻力模型(MCR)是耗費距離模型的衍生應(yīng)用,最初用來反映物種從源到目的地運動過程中所需耗費的最小代價[31-32]。后來被廣泛應(yīng)用于生態(tài)領(lǐng)域,如物種保護、景觀格局分析等方面。該模型考慮源、空間距離和阻力基面3方面因素,表達式為：

(9)

式中,MCR為最小累積阻力；f是一未知負(fù)函數(shù),為最小累積阻力與生態(tài)適宜性的負(fù)相關(guān)關(guān)系；min為某景觀單元對不同源取累積阻力最小值；Dij為從源j到景觀單元i的空間距離；Ri為景觀單元i對運動過程的阻力系數(shù)。f函數(shù)是未知的,但Dij·Ri的累積值,被認(rèn)為是從源到空間某一點路徑的相對易達性的衡量,其中從所有源到某點阻力的最小值被用來衡量該點的易達性。采用Jenks自然斷點法,劃分阻力級別(表2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同指標(biāo)阻力分級

基于ArcGIS和ENVI軟件,按照表2,構(gòu)建各指標(biāo)的阻力系數(shù)分級圖,并計算研究區(qū)綜合阻力系數(shù)值(圖2)。

由圖2可以看出,除地表水綜合污染指數(shù)外,其他評價指標(biāo)阻力系數(shù)空間分布格局具有一定的相似性,均表現(xiàn)出西北部高于東南部。研究區(qū)土壤可蝕性值變化范圍不大,位于0.25—0.32之間。土壤可蝕性阻力系數(shù)三級以下占總面積的77.32%,五級以上分布較少,僅占總面積的6.28%。研究區(qū)近75%的區(qū)域植被覆蓋度達到了70%以上,研究區(qū)西北部和東南部植被覆蓋度普遍低于50%。植被覆蓋度以一級為主,占總面積比為64.97%,三級和五級分別集中在研究區(qū)東南部和西北部,其占比率依次為7.92%和7.56%。礦區(qū)由于長期開采,造成礦區(qū)土壤重金屬嚴(yán)重超標(biāo),礦區(qū)土壤重金屬綜合污染指數(shù)阻力系數(shù)為五級,占總面積的6.91%,周邊受其影響阻力系數(shù)為四級,其余區(qū)域阻力系數(shù)均在三級以下,合占總面積的81.20%；研究區(qū)地勢北高南低,礦區(qū)排放的污染物經(jīng)雨水沖刷滲入土壤并流入河流,大部分地區(qū)土壤pH明顯低于韶關(guān)平均值(5.8),研究區(qū)西部土壤pH和南部地表水綜合污染指數(shù)較低,阻力系數(shù)均以四級和五級為主,其中五級分別占總面積的7.39%和32.52%。土地?fù)p毀程度四級主要集中在研究區(qū)西北部礦區(qū),占研究區(qū)總面積的9.61%,礦區(qū)周邊受到開采和排污影響,損毀系數(shù)分別為二級和三級,均占總面積的12.49%；從坡度阻力和工程難易程度來看,其一級分布區(qū)域較為相似,主要集中在研究區(qū)東南部和東北部,坡度阻力五級和工程難易程度三級分布較少,依次占總面積的9.49%和3.75%。研究區(qū)綜合阻力系數(shù)處于9—32之間,西北部高,東南部低。

表2 阻力分級

圖2 阻力系數(shù)分級圖Fig.2 Map of classification of resistance coefficient

3.2 不同評價指標(biāo)阻力面特征

利用最小累積阻力模型計算出單項指標(biāo)的生態(tài)阻力值。其中生態(tài)阻力值越高,區(qū)域生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性越高,安全水平越高,生態(tài)修復(fù)阻力越小(圖3)。

圖3 生態(tài)阻力面Fig.3 Ecological resistance surface

由圖3可知,不同評價指標(biāo)阻力值均呈現(xiàn)出東南部大,西北部小的空間格局。研究區(qū)土壤可蝕性阻力值位于0—33589,礦區(qū)及周邊地區(qū)較低。土壤可蝕性反映了土壤受侵蝕的速度和能力,土壤可蝕性越低,生態(tài)阻力值越大。研究區(qū)地表水綜合污染指數(shù)阻力值位于0—40361,表現(xiàn)為上游阻力值低,下游阻力值高。地表水綜合污染指數(shù)阻力主要取決于高程和距離礦山的遠(yuǎn)近,水分匯聚到地勢較低的地區(qū),不容易產(chǎn)生分流,風(fēng)險源的擴散能力降低,阻力值增大。研究區(qū)植被覆蓋度阻力值位于0—13960,呈現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)及其下游河流沿岸相對較低,其他區(qū)域較高的空間格局。植被覆蓋度反映了生態(tài)修改和質(zhì)量工作的質(zhì)量情況和環(huán)境的惡化程度,植被覆蓋度越高,生態(tài)阻力值越大,生態(tài)修復(fù)阻力越小。大寶山礦有近70年的開創(chuàng)歷史,且位于研究區(qū)上游,大量污染物滲透到土壤、水體、大氣中并遷移到研究區(qū)中下游的其他地區(qū),造成了一系列重金屬污染和土壤酸化等問題[33-34]。土壤重金屬綜合污染指數(shù)阻力值位于0—19049,pH阻力值位于0—23523,重金屬污染指數(shù)越低,阻力值越大,研究區(qū)pH明顯低于區(qū)域自然背景值[35],pH越高,阻力越大。研究區(qū)土地?fù)p毀程度阻力值位于0—14054,與礦業(yè)開采區(qū)域的空間分布格局一致,常年采礦形成大面積的尾礦庫和排土場,破壞了流域范圍內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境,土地?fù)p毀程度越小,生態(tài)阻力越大,修復(fù)阻力越小。研究區(qū)工程難易程度阻力值位于0—13878,呈現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)及上游河流沿岸相對較低,其他區(qū)域較高的空間格局,工程難易程度越低,生態(tài)阻力越大。研究區(qū)坡度阻力值位于0—15792,研究區(qū)主要以丘陵為主,地表起伏大,西北部坡度阻力值低,東南部坡度阻力值高。坡度越低,生態(tài)阻力值越大。

4 優(yōu)先級分區(qū)分析

圖4 修復(fù)優(yōu)先級分區(qū)Fig.4 Repair priority partition

根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)中的源-匯理論,綜合分析由于礦業(yè)生產(chǎn)活動造成生態(tài)環(huán)境問題,疊加各單項生態(tài)阻力值,計算綜合阻力值。依據(jù)研究區(qū)不同區(qū)域格局優(yōu)化所針對的生態(tài)過程決定生態(tài)系統(tǒng)功能發(fā)揮的作用不同,并利用Jenks自然斷點法將研究區(qū)進行修復(fù)實施的優(yōu)先級分區(qū)(圖4)。

整個流域共分成4個區(qū)。由圖4可知,Ⅰ—Ⅳ區(qū)分別占整個研究區(qū)面積的27.36%、33.63%、25.05%、13.96%。Ⅰ區(qū)位于在研究區(qū)的西北部礦區(qū),為整個流域的風(fēng)險源,由于采礦活動導(dǎo)致植被覆蓋度下降,地表破壞,土地?fù)p毀和污染嚴(yán)重。植被覆蓋度、重金屬含量、土地?fù)p毀是其主導(dǎo)阻力因素。Ⅱ—Ⅳ區(qū)位于流域中下游,依次遠(yuǎn)離大寶山礦區(qū)。礦山生產(chǎn),特別是早期的私挖亂采活動導(dǎo)致大量污水排放和礦渣侵滲,污染了下游的水質(zhì)和土壤,造成了區(qū)域重金屬超標(biāo)、土壤酸化、土地破壞等問題,致使研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能遭到破壞、生態(tài)壞境退化。Ⅱ—Ⅳ區(qū)的主要影響因素是重金屬含量和水質(zhì)。

阻力值越低,生態(tài)修復(fù)越具有緊迫性和優(yōu)先性。研究區(qū)修復(fù)優(yōu)先性依次為Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅳ區(qū)。這也與廣東省山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)試點項目強調(diào)“源頭控制,末端治理”的理念相一致。廣東省山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)試點框架下的首選落地項目應(yīng)為Ⅰ區(qū)。

5 分區(qū)治理重點與對策

基于阻力面分析和修復(fù)優(yōu)先級分區(qū),分區(qū)提出治理重點與對策。

(1)Ⅰ區(qū)為礦區(qū)集中區(qū),也是流域的源頭,植被覆蓋度低、重金屬含量高、土地?fù)p毀嚴(yán)重是其主導(dǎo)的修復(fù)障礙,治水、降低重金屬含量和恢復(fù)植被是生態(tài)修復(fù)的核心內(nèi)容。①治水。采用清污分流措施(設(shè)置截洪溝、排洪隧洞、排洪豎井等)、攔水渠技術(shù),從根本上治理酸性與重金屬超標(biāo)礦水外排的問題。②提高pH,降低重金屬有效態(tài)含量。采取生物或化學(xué)措施對礦區(qū)土地進行基質(zhì)改良,如施加化學(xué)肥料(150—400 kg/hm2)、石灰(10—20 t/hm2)、有機肥(10—30 t/hm2)等材料,培肥地力,中和土壤酸度,降低土壤重金屬的生物有效性,以保證一個良好的植被重建效果。③恢復(fù)植被。選擇耐貧瘠、耐干旱的重金屬耐性植物種類：如泡桐、桉樹、苧麻、類蘆、高羊茅和狗牙根等,在群落結(jié)構(gòu)配置上以草灌植物為主,適當(dāng)客土移植耐性較強的喬木。喬木、灌木和草本的配置面積比例分別是10%—20%、20%—30%、50%—70%。為了提高植物的成活率,植物采用營養(yǎng)袋繁殖,將營養(yǎng)袋直接放置到植穴或種植帶中,草種采用撒播、條播或點播法,然后蓋一層稻草保證種子順利萌發(fā)。

(2)Ⅱ區(qū)核心制約因素為水質(zhì),阻力值在該區(qū)域較小,其次是酸堿度和土壤重金屬污染。①河流治理。建設(shè)礦區(qū)外排水處理廠,實現(xiàn)污染減排的目的；繼續(xù)加大實施攔泥庫清淤工程力度,增強攔泥庫的廢水調(diào)節(jié)能力,同時加大河道清理和河堤工程建設(shè)等。②治土。根據(jù)污染程度對礦區(qū)周邊耕地進行分類污染治理。對于污染嚴(yán)重的農(nóng)田,宜采用植物穩(wěn)定技術(shù)。如能源作物麻瘋樹+土壤改良(0.5%石灰石和2%粉煤灰)組合。對于污染程度中等的農(nóng)田土壤,適宜采用植物提取技術(shù)進行修復(fù),即通過種植重金屬超富集植物(東南景天、籽粒莧),將土壤中的重金屬含量逐步降低?？刹捎脰|南景天+低累積玉米套種+土壤改良(0.2%石灰石)或刈割處理籽粒莧模式,來恢復(fù)土壤的農(nóng)業(yè)使用用途。

(3)Ⅲ、Ⅳ區(qū)為輕度污染農(nóng)田區(qū),核心在于治土。采用植物阻隔技術(shù)進行修復(fù)。低積累玉米、低積累水稻、豆角、花生等作物均適合在適當(dāng)?shù)母牧蓟A(chǔ)上(輕度污染旱地為白云石,輕度污染水田為粉煤灰),作為植物阻隔技術(shù)的實施材料,在逐步改善土壤條件的同時,又可為農(nóng)民帶來經(jīng)濟收益。

6 討論與結(jié)論

6.1 討論

山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)強調(diào)綜合治理和整體修復(fù),隨著試點工作逐步開展,試點過程中科學(xué)研究已成為山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)工作的瓶頸,項目立項和不同階段實施片區(qū)的確定具有很大盲目性,導(dǎo)致區(qū)域核心生態(tài)問題把脈不準(zhǔn),項目落地時空不合理,治理缺乏針對性等問題。本文結(jié)合相關(guān)研究成果,提出了大尺度區(qū)域優(yōu)先級分區(qū)治理的模式,具有一定的理論和現(xiàn)實意義,可以為修復(fù)項目在時空尺度上落地和科學(xué)治理提供科學(xué)依據(jù)。

早在2001年,陳述彭院士就提出了“統(tǒng)一規(guī)劃,分類指導(dǎo),分區(qū)推進,嚴(yán)格監(jiān)督”的生態(tài)環(huán)境的指導(dǎo)思想和基本原則[36]。為改變單要素治理的弊端,更好的助力于山水林田湖草生態(tài)環(huán)境治理,需要考慮由于風(fēng)險源所表現(xiàn)出的內(nèi)外空間分布差異,針對不同區(qū)域分析多種因素間的綜合作用。本文結(jié)合研究區(qū)自然條件和礦業(yè)開采的歷史遺留問題,系統(tǒng)分析了由于風(fēng)險源所引起的一系列生態(tài)修復(fù)阻力因素。評價指標(biāo)體系符合吳濃娣和余新曉等人提出的全面分析、系統(tǒng)治理的思想體系,遵循山水林田湖草全要素系統(tǒng)理論的要求[37-38]。所提出的分區(qū)治理思路與王英等人的研究成果相似,進一步論證了優(yōu)先級分區(qū)治理模式的合理性[39]。制定的分區(qū)治理重點與對策,符合研究區(qū)實際情況,與《廣東粵北南嶺山區(qū)山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)試點實施方案》相契合。山水林田湖草生態(tài)環(huán)境修復(fù)是一項長期工程,需要全方位的考慮,因此在后續(xù)的研究過程中應(yīng)針對不同優(yōu)先級區(qū)域進行更為深入的專題研究,以便更加科學(xué)地制定出修復(fù)方案。

6.2 結(jié)論

以粵北南嶺大寶山礦流域為研究區(qū),采用最小累積阻力模型,構(gòu)建區(qū)域生態(tài)阻力面,根據(jù)生態(tài)阻力對研究區(qū)進行修復(fù)優(yōu)先級分析,并提出分區(qū)治理對策。

(1)不同評價指標(biāo)阻力值均呈現(xiàn)出東南部大,西北部小的空間格局。長期的礦業(yè)開采活動污染了礦區(qū)流域水質(zhì)和土壤,造成了區(qū)域重金屬富集、土壤酸化、土地破壞等問題,并且距離礦區(qū)越近的區(qū)域生態(tài)修復(fù)的優(yōu)先性越高。

(2)阻力值越低,生態(tài)修復(fù)越具有緊迫性和優(yōu)先性。研究區(qū)共分為4個優(yōu)先級區(qū),研究區(qū)修復(fù)優(yōu)先性依次為Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū)>Ⅳ區(qū)。

(3)Ⅰ區(qū)重點在于治水,降低pH,降低重金屬有效態(tài)含量,提高植被覆蓋度,主要措施包括清污分流、土壤改良和植被恢復(fù)；Ⅱ區(qū)重點在于河流治理與治土,主要措施包括建立污水處理廠、植物穩(wěn)定和植物提??；Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)核心在治土,主要措施為植物阻隔。