面向湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康維護(hù)的生態(tài)管控分區(qū)研究
——以紅楓湖流域?yàn)槔?/h1>
2021-04-25 05:17:50楊大方
生態(tài)學(xué)報(bào) 2021年7期
蔣 嘯,周 旭,肖 楊,羅 雪,楊大方
貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽 550025
在全球水生態(tài)危機(jī)頻發(fā)的背景下,湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康理論作為銜接湖泊科學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文學(xué)的關(guān)鍵紐帶,為湖泊流域管理提供科學(xué)依據(jù)[1-4]。20世紀(jì)80年代,Schaeffer和Rapport認(rèn)為健康的生態(tài)系統(tǒng)具有維持其組織結(jié)構(gòu)、自我調(diào)節(jié)和對脅迫的恢復(fù)能力,可為人類提供良好的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[5-6]。迄今,國內(nèi)外湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康方面的研究成果豐碩,研究重點(diǎn)已由理論概念轉(zhuǎn)向評價指標(biāo)體系及評價方法[7],但目前多數(shù)研究在評價后并未提出具有可行性的管控方案。
生態(tài)管控分區(qū)是地學(xué)分區(qū)面向生態(tài)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。國際水環(huán)境治理實(shí)踐表明生態(tài)管控分區(qū)是當(dāng)前水環(huán)境管理的趨勢之一[8-9]。在辨析流域生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間分布差異的基礎(chǔ)上劃定生態(tài)管控分區(qū),是協(xié)調(diào)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)關(guān)系的需要,為引導(dǎo)流域空間的合理發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。生態(tài)管控分區(qū)有助于實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)系統(tǒng)健康這一終極目標(biāo),是我國生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容[10],符合國家水污染控制與治理重大專項(xiàng)提出的“分區(qū)、分類、分級、分期”的水環(huán)境治理和管理的理念。隨著遙感與地理信息系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展,從地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征出發(fā)的定量、半定量分區(qū)方法規(guī)避分區(qū)的主觀判斷問題而被廣泛應(yīng)用[11-13]。趙海霞等從水生態(tài)健康維護(hù)的視角構(gòu)建水生態(tài)敏感性和水生態(tài)壓力分區(qū)指標(biāo)體系,劃定巢湖環(huán)湖空間開發(fā)管制分區(qū)[14]。謝花林等從生態(tài)敏感性、生態(tài)服務(wù)功能重要性辨析空間差異,劃定生態(tài)空間[15]。目前,以湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康維護(hù)為導(dǎo)向的研究正逐步開展,而針對貴州高原湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康維護(hù)的生態(tài)管控分區(qū)卻鮮少涉及。
紅楓湖屬于高原喀斯特深水湖泊,流域生態(tài)系統(tǒng)脆弱,加之當(dāng)前貴安新區(qū)高強(qiáng)度的城鎮(zhèn)化建設(shè)與農(nóng)業(yè)開發(fā)活動,其湖泊水環(huán)境形勢嚴(yán)峻,相繼出現(xiàn)湖泊面積萎縮、邊坡硬質(zhì)化、水質(zhì)退化、面源污染等生態(tài)環(huán)境問題[16]。紅楓湖還是貴陽市重要飲用水源地之一,湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況及飲用水安全已引起當(dāng)?shù)毓芾聿块T和學(xué)者的高度重視?？偨Y(jié)10年來紅楓湖水污染治理經(jīng)驗(yàn)表明,由于夸大受損生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力,重污染控制、輕生態(tài)修復(fù),全湖無分區(qū)對待,導(dǎo)致其生態(tài)治理和修復(fù)效果有限[17]。因此,明確以湖泊生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)為目標(biāo)生態(tài)管控分區(qū),從全流域的視角關(guān)聯(lián)水陸生態(tài)系統(tǒng),有助于科學(xué)合理的開發(fā)湖泊資源、協(xié)調(diào)湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能,對維護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康,實(shí)現(xiàn)生態(tài)社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
1 研究區(qū)概況
紅楓湖流域位于貴陽市至貴安新區(qū)的水陸連通帶及建成區(qū)與農(nóng)耕區(qū)交錯帶(106°19′—106°28′E、26°26′—26°35′N),如圖1所示。流域面積約1596.0 km2,近五年,湖泊面積縮減至32.2 km2,庫容降至4.1億m3。流域高原喀斯特地貌特征凸顯[18],景觀破碎,易受人類活動的干擾和破壞,生態(tài)系統(tǒng)自然恢復(fù)速度緩慢且難度較大。紅楓湖主要入湖支流包括羊昌河、麻線河、后六河、麥翁河。20世紀(jì)90年代,紅楓湖由于過度開發(fā),曾爆發(fā)大面積的藍(lán)、綠藻水華事件,湖泊生態(tài)系統(tǒng)受損嚴(yán)重[17]。為維護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康,扼制水華事件再次爆發(fā),貴陽市先后實(shí)施兩個水污染治理五年規(guī)劃(2008—2012,2013—2017),積極推進(jìn)“一湖一策”治理,使紅楓湖水質(zhì)得到有效提升。
圖1 研究區(qū)地理位置
2 數(shù)據(jù)來源與方法
2.1 數(shù)據(jù)來源
紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)數(shù)據(jù)主要來源于野外實(shí)地調(diào)研、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)收集、遙感數(shù)據(jù)解譯。水質(zhì)、生物指標(biāo)數(shù)據(jù)來自2017年逐月開展的7個湖區(qū)監(jiān)測點(diǎn)、4個入湖監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)地采樣數(shù)據(jù)。生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能評價指標(biāo)數(shù)據(jù)主要通過DEM數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、NPP數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、遙感影像等計(jì)算獲取。其中DEM數(shù)據(jù)、2017年Landsat8 OLI遙感影像下載于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn),氣象數(shù)據(jù)下載于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://www.data.cma.cn),NPP數(shù)據(jù)采用美國蒙大拿大學(xué)(NTSG)提供的2000—2017年MOD17A3數(shù)據(jù),中國土壤數(shù)據(jù)集(HWSDv1.1)下載于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.casnw.net/portal/),2017年土地利用類型數(shù)據(jù)通過Landsat8 OLI影像目視解譯所得。為更詳細(xì)的表達(dá)空間差異性,提高分區(qū)結(jié)果的可靠性,以200 m×200 m的格網(wǎng)為單元進(jìn)行單要素和多要素的綜合評價。
2.2 湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法
水利部印發(fā)的《湖泊健康評估指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法(試點(diǎn)工作)1.0版》(后簡稱為《標(biāo)準(zhǔn)》)是當(dāng)前較為全面反映湖泊健康的評價體系,而被廣泛應(yīng)用,且實(shí)踐證明該指標(biāo)體系能夠科學(xué)合理的表征我國湖泊生態(tài)及功能特點(diǎn)[19-20]。本文參考《標(biāo)準(zhǔn)》提出的湖泊健康評價體系再結(jié)合紅楓湖的生態(tài)狀況,新增換水周期、湖泊補(bǔ)給系數(shù)、重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)程度指標(biāo)共計(jì)16個指標(biāo),涵蓋水文水資源、物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、生物、社會服務(wù)5個方面,指標(biāo)體系及指標(biāo)評分結(jié)果如表1所示,用于診斷紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。鑒于《標(biāo)準(zhǔn)》里已對各指標(biāo)的計(jì)算方法及其評價依據(jù)、指標(biāo)權(quán)重作詳盡的描述,故嚴(yán)格參照《標(biāo)準(zhǔn)》對各指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算、賦分量化,根據(jù)綜合分值評估湖泊健康狀況。湖泊健康分為理想狀況、健康、亞健康、不健康、病態(tài)5個等級,湖泊健康評估分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。
表1 紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評估指標(biāo)體系及指標(biāo)評分結(jié)果
表2 湖泊健康評估分級標(biāo)準(zhǔn)
2.3 生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能評價方法
現(xiàn)階段以流域?yàn)榭刂茊卧纳鷳B(tài)管控中更多的強(qiáng)調(diào)分區(qū)內(nèi)部的生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能的空間差異,維護(hù)流域生態(tài)系統(tǒng)健康的同時,兼顧生態(tài)社會的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》[22]并結(jié)合紅楓湖流域自然生態(tài)現(xiàn)狀,對生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行評價,具體評價方法如表3所示。根據(jù)2017年開展的野外實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),紅楓湖流域農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)象嚴(yán)峻,應(yīng)將農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)鍵指標(biāo)總磷、總氮納入考慮。采用土壤保持服務(wù)能力指數(shù)計(jì)算土壤保持功能[22],采用生境多樣性評價方法評價生物多樣性保護(hù)功能[22],參考趙同謙等的方法評估水源涵養(yǎng)功能[26-27],采用生態(tài)彈性度指數(shù)評價生態(tài)恢復(fù)功能[13]。
表3 生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能評價方法
將單指標(biāo)生態(tài)敏感性和單指標(biāo)生態(tài)服務(wù)功能評價結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,劃分為低、較低、中、較高、高5個等級,采用析取算法得到綜合生態(tài)敏感性和綜合生態(tài)服務(wù)功能空間分布,并將其劃分為低、較低、中、高4個等級,計(jì)算公式如下[29]：
ELsen=Max(TN,TP,W,Si)
ELser=Max(Spro,Sbio,Q,E)
式中,ELsen表示綜合生態(tài)敏感性用地指數(shù),ELser表示綜合生態(tài)服務(wù)功能用地指數(shù)。
2.4 基于SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)管控分區(qū)
由于無法比較單指標(biāo)生態(tài)敏感性和單指標(biāo)生態(tài)服務(wù)功能對綜合敏感性及綜合生態(tài)服務(wù)功能的貢獻(xiàn)比,因此不涉及權(quán)重差異。為保證分區(qū)的客觀性、準(zhǔn)確性,選用SOFM自組織特征映射模型(Self-Organizing Feature Maps,SOFM)進(jìn)行空間聚類。SOFM是一種將高維度數(shù)據(jù)集映射到低維度并按數(shù)據(jù)間相似關(guān)系進(jìn)行聚類的網(wǎng)絡(luò)模型。SOFM模型與傳統(tǒng)分類方法相比,能在保持?jǐn)?shù)據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的前提下進(jìn)行聚類[11-12,30]。本文運(yùn)用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱構(gòu)建SOFM網(wǎng)絡(luò)模型,將標(biāo)準(zhǔn)化的生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能指標(biāo)作為輸入層進(jìn)行訓(xùn)練,最大循環(huán)次數(shù)為1000次,分類類別依次設(shè)置為3、4、5,依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)空間分異規(guī)律、空間連續(xù)性、區(qū)域管理可行性優(yōu)選分區(qū)方案,滿足區(qū)內(nèi)相似和區(qū)際差異要求,確保分區(qū)界線清晰和完整。
3 結(jié)果與分析
3.1 紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價
紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果如圖2所示,各單指標(biāo)評分如表1。經(jīng)過加權(quán)計(jì)算,水文水資源評分約73.8分,屬健康狀態(tài),最低生態(tài)水位滿足狀況堪憂。物理結(jié)構(gòu)評分僅有37.0分,屬不健康狀態(tài),現(xiàn)狀湖泊面積與建庫初期湖泊面積相比萎縮率高達(dá)44.0%,其中降雨徑流補(bǔ)給減少、圍湖造田、河道淤積是造成湖泊面積萎縮、河湖聯(lián)通性較低的重要原因。水質(zhì)評分約60.0分,存在亞健康風(fēng)險(xiǎn),其飲用水源地水質(zhì)基本達(dá)標(biāo),水體處于中營養(yǎng)化狀態(tài),但以后六河為代表的入湖支流水質(zhì)超標(biāo),重金屬潛在污染風(fēng)險(xiǎn)較高[21]。生物評分約70.1分,屬健康狀態(tài),浮游植物、浮游動物、魚類、水生植物覆蓋度評分較均衡,僅無脊椎生物完整性評分較低。從社會服務(wù)指標(biāo)看,紅楓湖評分高于83.0分,水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率較高,公眾對紅楓湖的社會服務(wù)基本能達(dá)到滿意程度,水資源開發(fā)利用強(qiáng)度較大。綜合水文水資源、物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、生物、社會服務(wù)指標(biāo)得到紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評分為68.4分,屬于健康狀態(tài),存在亞健康風(fēng)險(xiǎn),其中物理結(jié)構(gòu)成為威脅紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的主要因子。
圖2 紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價雷達(dá)圖
3.2 紅楓湖流域生態(tài)敏感性評價
紅楓湖流域生態(tài)敏感性單指標(biāo)評價結(jié)果如圖3所示。地表徑流輸入是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中總氮的重要來源,其挾帶的陸源氮營養(yǎng)導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)中氮營養(yǎng)的時空分布差異[31]。紅楓湖流域總氮敏感性空間分布差異明顯,高、較高敏感區(qū)集中分布于麥翁河及羊昌河上游,中敏區(qū)零星遍布全流域,較低、低敏區(qū)則主要分布于東南部麻線河和北部飲用水源地周圍。
圖3 單指標(biāo)生態(tài)敏感性空間分布圖
湖泊生態(tài)系統(tǒng)是磷元素的主要滯留區(qū)域,磷是水質(zhì)惡化、湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因子[31]。紅楓湖流域總磷敏感性較低,低、較低、中度敏感區(qū)面積累積比例達(dá)80.0%,低敏區(qū)集中于飲用水源地周圍,高敏區(qū)極少僅占流域面積的3.5%,分布于羊昌河北部支流。
石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,地表水資源分布不均,調(diào)蓄能力較弱,且農(nóng)藥殘留物直接滲入地下造成水污染,因此,石漠化敏感性是喀斯特地區(qū)開展湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康維護(hù)不容忽視的環(huán)境特征。經(jīng)過多年治理,紅楓湖流域石漠化生態(tài)恢復(fù)效果較好,流域以石漠化不敏感區(qū)為主,其次為較低敏感區(qū),較低敏感區(qū)零星分布于麥翁河、羊昌河、麻線河上游陡坡地區(qū),敏感區(qū)分布極少,不足流域面積的2.2%。
水體污染敏感性反映湖泊水體受外界污染的風(fēng)險(xiǎn)程度,一般認(rèn)為水體污染敏感性主要與湖濱帶土地利用類型及距離有關(guān)[14]。水體污染高敏感區(qū)分主要分布于紅楓湖東南部麻線河中游及下游地區(qū),低敏感區(qū)則主要位于麥翁河沿岸。
紅楓湖流域綜合生態(tài)敏感性面積占比較均勻(圖4),高敏感區(qū)集中分布于流域西南部羊昌河流域,即紅楓湖上游,該區(qū)域廣布旱地、水田,化肥農(nóng)藥施用量較高；中敏感區(qū)除大面積分布于麥翁河流域外,零星散布于其他流域；較低敏感區(qū)成為中敏感區(qū)和低敏感區(qū)的過渡帶；低敏感區(qū)則主要分布于流域北部飲用水源地周圍及流域東南部麻線河上游?？梢?經(jīng)過長期水污染治理,飲用水源地周圍植被覆蓋度較高,人類活動對水環(huán)境的負(fù)向作用基本遏制,但該區(qū)域?yàn)l臨水體,仍是湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康維護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域。
圖4 綜合生態(tài)敏感性空間分布圖
3.3 紅楓湖流域生態(tài)服務(wù)功能評價
紅楓湖流域生態(tài)服務(wù)功能單指標(biāo)評價結(jié)果如圖5所示。土壤保持功能與湖泊水環(huán)境污染密切相關(guān),土壤侵蝕不僅增加水體渾濁度,還是面源污染的重要載體。紅楓湖流域土壤保持功能空間分布整體呈破碎狀,分布特征不明顯。從面積統(tǒng)計(jì)看,中值區(qū)、較高值區(qū)分布相當(dāng),各占紅楓湖流域面積的30.3%左右。流域地勢南高北低、西高東低,以森林為主的高植被覆蓋區(qū)集中于流域南部,土壤保持功能較高,而流域北部人類活動頻繁,土壤保持功能較低。
圖5 單指標(biāo)生態(tài)服務(wù)功能空間分布圖
良好的水源涵養(yǎng)功能是湖泊生態(tài)系統(tǒng)水源補(bǔ)給的重要保障。紅楓湖流域水源涵養(yǎng)功能表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性和過渡性。流域以低值區(qū)為主,連片集中分布于流域西部,占流域面積的46.3%,其次為較低值區(qū),零星遍布全流域。高值區(qū)、較高值區(qū)集中分布于流域南部羊昌河、麻線河、后六河上游及流域北部湖區(qū)入口,占流域面積的14.1%。中值區(qū)、較高值區(qū)、高值區(qū)空間分布則呈現(xiàn)出明顯的過渡性。
生物多樣性變化一定程度上能夠反映湖泊生態(tài)系統(tǒng)中水文變化程度,對水資源的調(diào)度具有參考意義[32]。生物多樣性保護(hù)功能空間分布南北差異明顯,低值區(qū)集中分布于流域北部,高值區(qū)、較高值區(qū)則集中分布于流域東南部麻線河上游,流域西南部羊昌河、麥翁河上游地形起伏度較大地帶,較低值區(qū)則主要分布于流域中部準(zhǔn)保護(hù)區(qū)以內(nèi),該區(qū)域海拔相對較低,地勢平坦,為人類活動的集中區(qū)域,中值區(qū)則散落分布于支流沿岸。
生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)功能以中值區(qū)和較高值區(qū)為主,占流域面積的66.8%,遍布整個流域,高值區(qū)集中于流域北部湖區(qū)周圍,零星散落于流域南部,較低值區(qū)主要分布于流域中部及西南部。
紅楓湖流域綜合生態(tài)服務(wù)功能以低值區(qū)為主(圖6),約占流域面積的56.3%,成片分布于流域西南部,該區(qū)域地勢起伏較大,斑塊破碎；較低值區(qū)面積僅占5.5%；中值區(qū)及高值區(qū)交叉分布于流域東南部,該區(qū)域海拔較高,林草地密集分布,受人類活動擾動較小。對比生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能空間分布可知,流域西部呈現(xiàn)出明顯的高敏低服務(wù)功能特征,該區(qū)域地勢相對平緩,農(nóng)業(yè)種植活動及城鎮(zhèn)開發(fā)活動的擾動,一定程度上限制了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的供給。
圖6 綜合生態(tài)服務(wù)功能空間分布圖
3.4 生態(tài)管控分區(qū)
利用SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能共8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行空間聚類,當(dāng)SOFM聚類為4類時,空間自相關(guān)Morans指數(shù)為0.59,Z值遠(yuǎn)高于0.01顯著性水平，臨界值為2.58,表現(xiàn)出明顯的全局自相關(guān)性,說明聚類結(jié)果滿足區(qū)內(nèi)相似和區(qū)際差異要求,能夠反映生態(tài)空間差異特征。根據(jù)流域生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能差異、發(fā)展和資源利用需求,結(jié)合空間聚類結(jié)果、野外實(shí)地調(diào)研情況和及空間區(qū)劃原則將紅楓湖流域劃為優(yōu)先控制區(qū)、重點(diǎn)控制區(qū)、緩沖控制區(qū)、一般控制區(qū),如圖7所示。
圖7 紅楓湖流域生態(tài)空間管控區(qū)劃示意圖
優(yōu)先控制區(qū)占流域面積的15.8%,主要分布于紅楓湖飲用水源地一、二級保護(hù)區(qū)內(nèi),該區(qū)域表現(xiàn)為低生態(tài)敏感性和低生態(tài)服務(wù)功能,與2008—2012年、2013—2017年實(shí)施的污水治理專項(xiàng)相關(guān),該區(qū)域居民點(diǎn)已搬離,工業(yè)企業(yè)已逐步關(guān)停或搬離,但歷史遺留的重金屬污染仍然嚴(yán)峻。因?yàn)l臨湖泊水體,該區(qū)域是湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康維護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域,應(yīng)實(shí)施封閉管理,退田造湖,控制周邊建設(shè)與生產(chǎn)活動對湖泊岸線的侵占,增加環(huán)湖監(jiān)測頻次,保證湖泊水質(zhì)水量,加強(qiáng)歷史遺留污染治理,推進(jìn)生態(tài)修復(fù)工程,核查現(xiàn)有截污治污設(shè)施,落實(shí)環(huán)湖截污管道的閉合運(yùn)用,進(jìn)一步完善環(huán)湖截污系統(tǒng)。
重點(diǎn)控制區(qū)占流域面積的6.5%,集中分布于優(yōu)先控制區(qū)外圍及支流沿岸,是修復(fù)和維護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)中水文水資源和物理結(jié)構(gòu)指標(biāo)的重點(diǎn)區(qū)域。一方面應(yīng)對底泥淤積厚度較大的支流河段進(jìn)行清淤,發(fā)揮河湖聯(lián)通的優(yōu)勢,引水入湖保證水質(zhì)水量,緩解湖面萎縮；另一方面該區(qū)域水體污染敏感性較高,應(yīng)加強(qiáng)湖濱(河岸)帶的維護(hù),引導(dǎo)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整,強(qiáng)化湖濱(河岸)帶植物、大型水生植物對陸域污染物的阻隔作用,實(shí)施嚴(yán)格的環(huán)境準(zhǔn)入條件和污染排放標(biāo)準(zhǔn),在提升支流水質(zhì)的基礎(chǔ)上開展生態(tài)修復(fù)。
緩沖控制區(qū)占流域面積的26.4%,主要分布于紅楓湖流域上游高海拔地區(qū),該區(qū)域生態(tài)敏感性較低而生態(tài)服務(wù)功能較高,水源涵養(yǎng)能力較高、物種豐富、受損后恢復(fù)力較強(qiáng),受人類擾動較低,是流域的天然生態(tài)安全屏障,應(yīng)加強(qiáng)該地區(qū)水源涵養(yǎng)林的保護(hù)。
一般控制區(qū)占流域面積的51.3%,遍布流域上游,生態(tài)敏感性較高而生態(tài)服務(wù)功能較低。農(nóng)業(yè)用地是該區(qū)域的主要土地利用類型,粗放型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使該區(qū)域總氮和總磷敏感性較高,人類擾動強(qiáng)烈,其水源涵養(yǎng)功能、生態(tài)恢復(fù)功能較低。一般控制區(qū)應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染治理,引導(dǎo)粗放型種植方式向集約型轉(zhuǎn)變,完善各行政村的污水收集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)生活污水的源頭控制,積極推進(jìn)生態(tài)修復(fù)工程,構(gòu)筑流域生態(tài)安全屏障,推進(jìn)資源有序利用和保護(hù)性開發(fā)。
4 討論與結(jié)論
4.1 討論
湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價側(cè)重于水域環(huán)境,同時生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也是揭示生態(tài)系統(tǒng)健康的重要指標(biāo)[33],更多的側(cè)重于陸域環(huán)境。流域是水域、陸域高度關(guān)聯(lián)和互饋的有機(jī)整體,高原湖泊流域中水域與陸域的物質(zhì)和能量交換強(qiáng)烈,水域?qū)﹃懹颦h(huán)境變化響應(yīng)敏感。紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)診斷為健康(評分為68.4),屬防治結(jié)合型湖泊,發(fā)展與保護(hù)矛盾突出。生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能空間差異顯著,表明陸域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理,生態(tài)敏感性較高、高的區(qū)域易引發(fā)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的惡化,而生態(tài)服務(wù)功能較高、高的區(qū)域有助于平衡水陸物質(zhì)和能量交換、益于生物多樣性保護(hù)、具備較強(qiáng)的受損恢復(fù)能力。同時,湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康是流域生命力的重要體現(xiàn),生態(tài)服務(wù)功能依賴于健康的湖泊生態(tài)系統(tǒng)。本研究中,以湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果為導(dǎo)向,生態(tài)敏感性和生態(tài)服務(wù)功能為基礎(chǔ)的生態(tài)管控分區(qū)的重點(diǎn)任務(wù)是調(diào)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)方式,消除現(xiàn)存及歷史遺留污染源,逐步修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)。
地學(xué)分區(qū)思想已被廣泛用于水環(huán)境管理的各方面,包括水功能分區(qū)、水環(huán)境功能分區(qū)、水生態(tài)地理分區(qū)、生態(tài)分區(qū)等,因其區(qū)劃依據(jù)和目標(biāo)的不同,各分區(qū)優(yōu)缺點(diǎn)凸顯。本文在借鑒已有研究成果的基礎(chǔ)上,以生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能空間差異進(jìn)行SOFM聚類分區(qū),其分區(qū)結(jié)果體現(xiàn)湖泊型流域以湖泊為核心的圈層結(jié)構(gòu)特征,由湖泊水體向外依次為優(yōu)先控制區(qū)、重點(diǎn)控制區(qū)、緩沖控制區(qū)或一般控制區(qū),管控級別遵循優(yōu)先控制區(qū)>重點(diǎn)控制區(qū)>緩沖控制區(qū)>一般控制區(qū)?？臻g尺度方面,陸域與湖泊生態(tài)系統(tǒng)關(guān)聯(lián),生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能差異是水文水資源、湖濱帶結(jié)構(gòu)、湖泊面積、魚類、大型水生植物、富營養(yǎng)狀態(tài)、生物量等的重要決定因子[34]。本文生態(tài)管控分區(qū)響應(yīng)水污染治理與重大專項(xiàng)提出的“分區(qū)、分類、分級”的科學(xué)問題,在國土空間規(guī)劃體系中為上層規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù),是尋求湖泊型流域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的空間管控途徑探索,為生態(tài)文明建設(shè)提供案例支撐。
本研究是湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果的應(yīng)用初探,參考《標(biāo)準(zhǔn)》改進(jìn)后的評價體系完整的、系統(tǒng)的識別紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康問題。然而,由于長時序監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取困難,本文僅對紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀作評價,今后還需完善生態(tài)管控分區(qū)對湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康變化的影響。此外,水循環(huán)是連接水域、陸域各項(xiàng)生態(tài)過程的紐帶,學(xué)界普遍認(rèn)同流域?qū)用娴慕y(tǒng)籌管理更有利于水環(huán)境質(zhì)量提升,但由于水陸耦合機(jī)制研究尚不成熟,本文未能充分闡述水陸關(guān)聯(lián)。后續(xù)須著重收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過模型機(jī)理識別水域生態(tài)系統(tǒng)對陸域生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng),依托水陸耦合機(jī)理統(tǒng)籌流域綜合管理。
4.2 結(jié)論
(1)紅楓湖生態(tài)系統(tǒng)健康評分為68.4分,屬健康狀態(tài)。水文水資源、物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、生物、社會服務(wù)準(zhǔn)則層中,物理結(jié)構(gòu)(評分37.0分)成為威脅湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的主導(dǎo)因子,湖泊萎縮嚴(yán)重,河湖連通狀況較差,湖濱帶植被蓋度較小,人類活動擾動程度較高；水質(zhì)指標(biāo)中(評分為60.0分),重金屬潛在污染風(fēng)險(xiǎn)較高,是水質(zhì)提升的關(guān)鍵。
(2)紅楓湖流域生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能空間分布差異明顯,生態(tài)環(huán)境脆弱,生態(tài)服務(wù)功能較低。生態(tài)敏感性高值區(qū)主要分布于流域上游,飲用水源地因持續(xù)開展水污染治理,生態(tài)本底較好,生態(tài)敏感性較低。生態(tài)服務(wù)功能高值區(qū)主要分布于流域南部,羊昌河、麻線河支流沿岸人口密集區(qū)域。
(3)紅楓湖流域生態(tài)管控分區(qū)劃為優(yōu)先控制區(qū)、重點(diǎn)控制區(qū)、緩沖控制區(qū)、一般控制區(qū)。面積比例為一般控制區(qū)51.3%>緩沖控制區(qū)26.4%>優(yōu)先控制區(qū)15.8%>重點(diǎn)控制區(qū)6.5%,管控力度遵循優(yōu)先控制區(qū)>重點(diǎn)控制區(qū)>緩沖控制區(qū)>一般控制區(qū)。紅楓湖流域?qū)俜乐谓Y(jié)合型流域,發(fā)展與保護(hù)矛盾突出,生態(tài)管控分區(qū)的重點(diǎn)任務(wù)是調(diào)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)方式,逐步修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)。
猜你喜歡
上海實(shí)施“分區(qū)封控”環(huán)球時報(bào)(2022-03-29)2022-03-29 17:14:11 基于OMI的船舶排放控制區(qū)SO2減排效益分析海洋通報(bào)(2020年5期)2021-01-14 09:27:06 你相信嗎?湖泊也可以“生死輪回”少兒美術(shù)(快樂歷史地理)(2019年4期)2019-08-27 00:51:40 浪莎 分區(qū)而治知識經(jīng)濟(jì)·中國直銷(2018年7期)2018-07-27 02:49:52 “害羞”的湖泊閱讀(低年級)(2018年4期)2018-05-14 17:39:57 管好高速建筑控制區(qū)中國公路(2017年18期)2018-01-23 03:00:42 阿什河流域非點(diǎn)源污染優(yōu)先控制區(qū)識別水利科技與經(jīng)濟(jì)(2017年6期)2017-04-28 08:30:16 奇異的湖泊小學(xué)閱讀指南·低年級版(2017年2期)2017-03-23 13:07:24 山東日照劃定大氣污染物排放控制區(qū)汽車縱橫(2017年3期)2017-03-18 23:19:33 基于SAGA聚類分析的無功電壓控制分區(qū)電測與儀表(2015年8期)2015-04-09 11:50:16
蔣 嘯,周 旭,肖 楊,羅 雪,楊大方
貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽 550025
在全球水生態(tài)危機(jī)頻發(fā)的背景下,湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康理論作為銜接湖泊科學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文學(xué)的關(guān)鍵紐帶,為湖泊流域管理提供科學(xué)依據(jù)[1-4]。20世紀(jì)80年代,Schaeffer和Rapport認(rèn)為健康的生態(tài)系統(tǒng)具有維持其組織結(jié)構(gòu)、自我調(diào)節(jié)和對脅迫的恢復(fù)能力,可為人類提供良好的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[5-6]。迄今,國內(nèi)外湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康方面的研究成果豐碩,研究重點(diǎn)已由理論概念轉(zhuǎn)向評價指標(biāo)體系及評價方法[7],但目前多數(shù)研究在評價后并未提出具有可行性的管控方案。
生態(tài)管控分區(qū)是地學(xué)分區(qū)面向生態(tài)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。國際水環(huán)境治理實(shí)踐表明生態(tài)管控分區(qū)是當(dāng)前水環(huán)境管理的趨勢之一[8-9]。在辨析流域生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間分布差異的基礎(chǔ)上劃定生態(tài)管控分區(qū),是協(xié)調(diào)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)關(guān)系的需要,為引導(dǎo)流域空間的合理發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。生態(tài)管控分區(qū)有助于實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)系統(tǒng)健康這一終極目標(biāo),是我國生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容[10],符合國家水污染控制與治理重大專項(xiàng)提出的“分區(qū)、分類、分級、分期”的水環(huán)境治理和管理的理念。隨著遙感與地理信息系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展,從地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征出發(fā)的定量、半定量分區(qū)方法規(guī)避分區(qū)的主觀判斷問題而被廣泛應(yīng)用[11-13]。趙海霞等從水生態(tài)健康維護(hù)的視角構(gòu)建水生態(tài)敏感性和水生態(tài)壓力分區(qū)指標(biāo)體系,劃定巢湖環(huán)湖空間開發(fā)管制分區(qū)[14]。謝花林等從生態(tài)敏感性、生態(tài)服務(wù)功能重要性辨析空間差異,劃定生態(tài)空間[15]。目前,以湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康維護(hù)為導(dǎo)向的研究正逐步開展,而針對貴州高原湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康維護(hù)的生態(tài)管控分區(qū)卻鮮少涉及。
紅楓湖屬于高原喀斯特深水湖泊,流域生態(tài)系統(tǒng)脆弱,加之當(dāng)前貴安新區(qū)高強(qiáng)度的城鎮(zhèn)化建設(shè)與農(nóng)業(yè)開發(fā)活動,其湖泊水環(huán)境形勢嚴(yán)峻,相繼出現(xiàn)湖泊面積萎縮、邊坡硬質(zhì)化、水質(zhì)退化、面源污染等生態(tài)環(huán)境問題[16]。紅楓湖還是貴陽市重要飲用水源地之一,湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況及飲用水安全已引起當(dāng)?shù)毓芾聿块T和學(xué)者的高度重視?？偨Y(jié)10年來紅楓湖水污染治理經(jīng)驗(yàn)表明,由于夸大受損生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力,重污染控制、輕生態(tài)修復(fù),全湖無分區(qū)對待,導(dǎo)致其生態(tài)治理和修復(fù)效果有限[17]。因此,明確以湖泊生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)為目標(biāo)生態(tài)管控分區(qū),從全流域的視角關(guān)聯(lián)水陸生態(tài)系統(tǒng),有助于科學(xué)合理的開發(fā)湖泊資源、協(xié)調(diào)湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能,對維護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康,實(shí)現(xiàn)生態(tài)社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
1 研究區(qū)概況
紅楓湖流域位于貴陽市至貴安新區(qū)的水陸連通帶及建成區(qū)與農(nóng)耕區(qū)交錯帶(106°19′—106°28′E、26°26′—26°35′N),如圖1所示。流域面積約1596.0 km2,近五年,湖泊面積縮減至32.2 km2,庫容降至4.1億m3。流域高原喀斯特地貌特征凸顯[18],景觀破碎,易受人類活動的干擾和破壞,生態(tài)系統(tǒng)自然恢復(fù)速度緩慢且難度較大。紅楓湖主要入湖支流包括羊昌河、麻線河、后六河、麥翁河。20世紀(jì)90年代,紅楓湖由于過度開發(fā),曾爆發(fā)大面積的藍(lán)、綠藻水華事件,湖泊生態(tài)系統(tǒng)受損嚴(yán)重[17]。為維護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康,扼制水華事件再次爆發(fā),貴陽市先后實(shí)施兩個水污染治理五年規(guī)劃(2008—2012,2013—2017),積極推進(jìn)“一湖一策”治理,使紅楓湖水質(zhì)得到有效提升。
圖1 研究區(qū)地理位置
2 數(shù)據(jù)來源與方法
2.1 數(shù)據(jù)來源
紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)數(shù)據(jù)主要來源于野外實(shí)地調(diào)研、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)收集、遙感數(shù)據(jù)解譯。水質(zhì)、生物指標(biāo)數(shù)據(jù)來自2017年逐月開展的7個湖區(qū)監(jiān)測點(diǎn)、4個入湖監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)地采樣數(shù)據(jù)。生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能評價指標(biāo)數(shù)據(jù)主要通過DEM數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、NPP數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、遙感影像等計(jì)算獲取。其中DEM數(shù)據(jù)、2017年Landsat8 OLI遙感影像下載于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn),氣象數(shù)據(jù)下載于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://www.data.cma.cn),NPP數(shù)據(jù)采用美國蒙大拿大學(xué)(NTSG)提供的2000—2017年MOD17A3數(shù)據(jù),中國土壤數(shù)據(jù)集(HWSDv1.1)下載于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.casnw.net/portal/),2017年土地利用類型數(shù)據(jù)通過Landsat8 OLI影像目視解譯所得。為更詳細(xì)的表達(dá)空間差異性,提高分區(qū)結(jié)果的可靠性,以200 m×200 m的格網(wǎng)為單元進(jìn)行單要素和多要素的綜合評價。
2.2 湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法
水利部印發(fā)的《湖泊健康評估指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與方法(試點(diǎn)工作)1.0版》(后簡稱為《標(biāo)準(zhǔn)》)是當(dāng)前較為全面反映湖泊健康的評價體系,而被廣泛應(yīng)用,且實(shí)踐證明該指標(biāo)體系能夠科學(xué)合理的表征我國湖泊生態(tài)及功能特點(diǎn)[19-20]。本文參考《標(biāo)準(zhǔn)》提出的湖泊健康評價體系再結(jié)合紅楓湖的生態(tài)狀況,新增換水周期、湖泊補(bǔ)給系數(shù)、重金屬潛在風(fēng)險(xiǎn)程度指標(biāo)共計(jì)16個指標(biāo),涵蓋水文水資源、物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、生物、社會服務(wù)5個方面,指標(biāo)體系及指標(biāo)評分結(jié)果如表1所示,用于診斷紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。鑒于《標(biāo)準(zhǔn)》里已對各指標(biāo)的計(jì)算方法及其評價依據(jù)、指標(biāo)權(quán)重作詳盡的描述,故嚴(yán)格參照《標(biāo)準(zhǔn)》對各指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算、賦分量化,根據(jù)綜合分值評估湖泊健康狀況。湖泊健康分為理想狀況、健康、亞健康、不健康、病態(tài)5個等級,湖泊健康評估分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。
表1 紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評估指標(biāo)體系及指標(biāo)評分結(jié)果
表2 湖泊健康評估分級標(biāo)準(zhǔn)
2.3 生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能評價方法
現(xiàn)階段以流域?yàn)榭刂茊卧纳鷳B(tài)管控中更多的強(qiáng)調(diào)分區(qū)內(nèi)部的生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能的空間差異,維護(hù)流域生態(tài)系統(tǒng)健康的同時,兼顧生態(tài)社會的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》[22]并結(jié)合紅楓湖流域自然生態(tài)現(xiàn)狀,對生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行評價,具體評價方法如表3所示。根據(jù)2017年開展的野外實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),紅楓湖流域農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)象嚴(yán)峻,應(yīng)將農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)鍵指標(biāo)總磷、總氮納入考慮。采用土壤保持服務(wù)能力指數(shù)計(jì)算土壤保持功能[22],采用生境多樣性評價方法評價生物多樣性保護(hù)功能[22],參考趙同謙等的方法評估水源涵養(yǎng)功能[26-27],采用生態(tài)彈性度指數(shù)評價生態(tài)恢復(fù)功能[13]。
表3 生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能評價方法
將單指標(biāo)生態(tài)敏感性和單指標(biāo)生態(tài)服務(wù)功能評價結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,劃分為低、較低、中、較高、高5個等級,采用析取算法得到綜合生態(tài)敏感性和綜合生態(tài)服務(wù)功能空間分布,并將其劃分為低、較低、中、高4個等級,計(jì)算公式如下[29]：
ELsen=Max(TN,TP,W,Si)
ELser=Max(Spro,Sbio,Q,E)
式中,ELsen表示綜合生態(tài)敏感性用地指數(shù),ELser表示綜合生態(tài)服務(wù)功能用地指數(shù)。
2.4 基于SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)管控分區(qū)
由于無法比較單指標(biāo)生態(tài)敏感性和單指標(biāo)生態(tài)服務(wù)功能對綜合敏感性及綜合生態(tài)服務(wù)功能的貢獻(xiàn)比,因此不涉及權(quán)重差異。為保證分區(qū)的客觀性、準(zhǔn)確性,選用SOFM自組織特征映射模型(Self-Organizing Feature Maps,SOFM)進(jìn)行空間聚類。SOFM是一種將高維度數(shù)據(jù)集映射到低維度并按數(shù)據(jù)間相似關(guān)系進(jìn)行聚類的網(wǎng)絡(luò)模型。SOFM模型與傳統(tǒng)分類方法相比,能在保持?jǐn)?shù)據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的前提下進(jìn)行聚類[11-12,30]。本文運(yùn)用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱構(gòu)建SOFM網(wǎng)絡(luò)模型,將標(biāo)準(zhǔn)化的生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能指標(biāo)作為輸入層進(jìn)行訓(xùn)練,最大循環(huán)次數(shù)為1000次,分類類別依次設(shè)置為3、4、5,依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)空間分異規(guī)律、空間連續(xù)性、區(qū)域管理可行性優(yōu)選分區(qū)方案,滿足區(qū)內(nèi)相似和區(qū)際差異要求,確保分區(qū)界線清晰和完整。
3 結(jié)果與分析
3.1 紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價
紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果如圖2所示,各單指標(biāo)評分如表1。經(jīng)過加權(quán)計(jì)算,水文水資源評分約73.8分,屬健康狀態(tài),最低生態(tài)水位滿足狀況堪憂。物理結(jié)構(gòu)評分僅有37.0分,屬不健康狀態(tài),現(xiàn)狀湖泊面積與建庫初期湖泊面積相比萎縮率高達(dá)44.0%,其中降雨徑流補(bǔ)給減少、圍湖造田、河道淤積是造成湖泊面積萎縮、河湖聯(lián)通性較低的重要原因。水質(zhì)評分約60.0分,存在亞健康風(fēng)險(xiǎn),其飲用水源地水質(zhì)基本達(dá)標(biāo),水體處于中營養(yǎng)化狀態(tài),但以后六河為代表的入湖支流水質(zhì)超標(biāo),重金屬潛在污染風(fēng)險(xiǎn)較高[21]。生物評分約70.1分,屬健康狀態(tài),浮游植物、浮游動物、魚類、水生植物覆蓋度評分較均衡,僅無脊椎生物完整性評分較低。從社會服務(wù)指標(biāo)看,紅楓湖評分高于83.0分,水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率較高,公眾對紅楓湖的社會服務(wù)基本能達(dá)到滿意程度,水資源開發(fā)利用強(qiáng)度較大。綜合水文水資源、物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、生物、社會服務(wù)指標(biāo)得到紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評分為68.4分,屬于健康狀態(tài),存在亞健康風(fēng)險(xiǎn),其中物理結(jié)構(gòu)成為威脅紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的主要因子。
圖2 紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價雷達(dá)圖
3.2 紅楓湖流域生態(tài)敏感性評價
紅楓湖流域生態(tài)敏感性單指標(biāo)評價結(jié)果如圖3所示。地表徑流輸入是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中總氮的重要來源,其挾帶的陸源氮營養(yǎng)導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)中氮營養(yǎng)的時空分布差異[31]。紅楓湖流域總氮敏感性空間分布差異明顯,高、較高敏感區(qū)集中分布于麥翁河及羊昌河上游,中敏區(qū)零星遍布全流域,較低、低敏區(qū)則主要分布于東南部麻線河和北部飲用水源地周圍。
圖3 單指標(biāo)生態(tài)敏感性空間分布圖
湖泊生態(tài)系統(tǒng)是磷元素的主要滯留區(qū)域,磷是水質(zhì)惡化、湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因子[31]。紅楓湖流域總磷敏感性較低,低、較低、中度敏感區(qū)面積累積比例達(dá)80.0%,低敏區(qū)集中于飲用水源地周圍,高敏區(qū)極少僅占流域面積的3.5%,分布于羊昌河北部支流。
石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,地表水資源分布不均,調(diào)蓄能力較弱,且農(nóng)藥殘留物直接滲入地下造成水污染,因此,石漠化敏感性是喀斯特地區(qū)開展湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康維護(hù)不容忽視的環(huán)境特征。經(jīng)過多年治理,紅楓湖流域石漠化生態(tài)恢復(fù)效果較好,流域以石漠化不敏感區(qū)為主,其次為較低敏感區(qū),較低敏感區(qū)零星分布于麥翁河、羊昌河、麻線河上游陡坡地區(qū),敏感區(qū)分布極少,不足流域面積的2.2%。
水體污染敏感性反映湖泊水體受外界污染的風(fēng)險(xiǎn)程度,一般認(rèn)為水體污染敏感性主要與湖濱帶土地利用類型及距離有關(guān)[14]。水體污染高敏感區(qū)分主要分布于紅楓湖東南部麻線河中游及下游地區(qū),低敏感區(qū)則主要位于麥翁河沿岸。
紅楓湖流域綜合生態(tài)敏感性面積占比較均勻(圖4),高敏感區(qū)集中分布于流域西南部羊昌河流域,即紅楓湖上游,該區(qū)域廣布旱地、水田,化肥農(nóng)藥施用量較高；中敏感區(qū)除大面積分布于麥翁河流域外,零星散布于其他流域；較低敏感區(qū)成為中敏感區(qū)和低敏感區(qū)的過渡帶；低敏感區(qū)則主要分布于流域北部飲用水源地周圍及流域東南部麻線河上游?？梢?經(jīng)過長期水污染治理,飲用水源地周圍植被覆蓋度較高,人類活動對水環(huán)境的負(fù)向作用基本遏制,但該區(qū)域?yàn)l臨水體,仍是湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康維護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域。
圖4 綜合生態(tài)敏感性空間分布圖
3.3 紅楓湖流域生態(tài)服務(wù)功能評價
紅楓湖流域生態(tài)服務(wù)功能單指標(biāo)評價結(jié)果如圖5所示。土壤保持功能與湖泊水環(huán)境污染密切相關(guān),土壤侵蝕不僅增加水體渾濁度,還是面源污染的重要載體。紅楓湖流域土壤保持功能空間分布整體呈破碎狀,分布特征不明顯。從面積統(tǒng)計(jì)看,中值區(qū)、較高值區(qū)分布相當(dāng),各占紅楓湖流域面積的30.3%左右。流域地勢南高北低、西高東低,以森林為主的高植被覆蓋區(qū)集中于流域南部,土壤保持功能較高,而流域北部人類活動頻繁,土壤保持功能較低。
圖5 單指標(biāo)生態(tài)服務(wù)功能空間分布圖
良好的水源涵養(yǎng)功能是湖泊生態(tài)系統(tǒng)水源補(bǔ)給的重要保障。紅楓湖流域水源涵養(yǎng)功能表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性和過渡性。流域以低值區(qū)為主,連片集中分布于流域西部,占流域面積的46.3%,其次為較低值區(qū),零星遍布全流域。高值區(qū)、較高值區(qū)集中分布于流域南部羊昌河、麻線河、后六河上游及流域北部湖區(qū)入口,占流域面積的14.1%。中值區(qū)、較高值區(qū)、高值區(qū)空間分布則呈現(xiàn)出明顯的過渡性。
生物多樣性變化一定程度上能夠反映湖泊生態(tài)系統(tǒng)中水文變化程度,對水資源的調(diào)度具有參考意義[32]。生物多樣性保護(hù)功能空間分布南北差異明顯,低值區(qū)集中分布于流域北部,高值區(qū)、較高值區(qū)則集中分布于流域東南部麻線河上游,流域西南部羊昌河、麥翁河上游地形起伏度較大地帶,較低值區(qū)則主要分布于流域中部準(zhǔn)保護(hù)區(qū)以內(nèi),該區(qū)域海拔相對較低,地勢平坦,為人類活動的集中區(qū)域,中值區(qū)則散落分布于支流沿岸。
生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)功能以中值區(qū)和較高值區(qū)為主,占流域面積的66.8%,遍布整個流域,高值區(qū)集中于流域北部湖區(qū)周圍,零星散落于流域南部,較低值區(qū)主要分布于流域中部及西南部。
紅楓湖流域綜合生態(tài)服務(wù)功能以低值區(qū)為主(圖6),約占流域面積的56.3%,成片分布于流域西南部,該區(qū)域地勢起伏較大,斑塊破碎；較低值區(qū)面積僅占5.5%；中值區(qū)及高值區(qū)交叉分布于流域東南部,該區(qū)域海拔較高,林草地密集分布,受人類活動擾動較小。對比生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能空間分布可知,流域西部呈現(xiàn)出明顯的高敏低服務(wù)功能特征,該區(qū)域地勢相對平緩,農(nóng)業(yè)種植活動及城鎮(zhèn)開發(fā)活動的擾動,一定程度上限制了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的供給。
圖6 綜合生態(tài)服務(wù)功能空間分布圖
3.4 生態(tài)管控分區(qū)
利用SOFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能共8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行空間聚類,當(dāng)SOFM聚類為4類時,空間自相關(guān)Morans指數(shù)為0.59,Z值遠(yuǎn)高于0.01顯著性水平，臨界值為2.58,表現(xiàn)出明顯的全局自相關(guān)性,說明聚類結(jié)果滿足區(qū)內(nèi)相似和區(qū)際差異要求,能夠反映生態(tài)空間差異特征。根據(jù)流域生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能差異、發(fā)展和資源利用需求,結(jié)合空間聚類結(jié)果、野外實(shí)地調(diào)研情況和及空間區(qū)劃原則將紅楓湖流域劃為優(yōu)先控制區(qū)、重點(diǎn)控制區(qū)、緩沖控制區(qū)、一般控制區(qū),如圖7所示。
圖7 紅楓湖流域生態(tài)空間管控區(qū)劃示意圖
優(yōu)先控制區(qū)占流域面積的15.8%,主要分布于紅楓湖飲用水源地一、二級保護(hù)區(qū)內(nèi),該區(qū)域表現(xiàn)為低生態(tài)敏感性和低生態(tài)服務(wù)功能,與2008—2012年、2013—2017年實(shí)施的污水治理專項(xiàng)相關(guān),該區(qū)域居民點(diǎn)已搬離,工業(yè)企業(yè)已逐步關(guān)停或搬離,但歷史遺留的重金屬污染仍然嚴(yán)峻。因?yàn)l臨湖泊水體,該區(qū)域是湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康維護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域,應(yīng)實(shí)施封閉管理,退田造湖,控制周邊建設(shè)與生產(chǎn)活動對湖泊岸線的侵占,增加環(huán)湖監(jiān)測頻次,保證湖泊水質(zhì)水量,加強(qiáng)歷史遺留污染治理,推進(jìn)生態(tài)修復(fù)工程,核查現(xiàn)有截污治污設(shè)施,落實(shí)環(huán)湖截污管道的閉合運(yùn)用,進(jìn)一步完善環(huán)湖截污系統(tǒng)。
重點(diǎn)控制區(qū)占流域面積的6.5%,集中分布于優(yōu)先控制區(qū)外圍及支流沿岸,是修復(fù)和維護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)中水文水資源和物理結(jié)構(gòu)指標(biāo)的重點(diǎn)區(qū)域。一方面應(yīng)對底泥淤積厚度較大的支流河段進(jìn)行清淤,發(fā)揮河湖聯(lián)通的優(yōu)勢,引水入湖保證水質(zhì)水量,緩解湖面萎縮；另一方面該區(qū)域水體污染敏感性較高,應(yīng)加強(qiáng)湖濱(河岸)帶的維護(hù),引導(dǎo)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整,強(qiáng)化湖濱(河岸)帶植物、大型水生植物對陸域污染物的阻隔作用,實(shí)施嚴(yán)格的環(huán)境準(zhǔn)入條件和污染排放標(biāo)準(zhǔn),在提升支流水質(zhì)的基礎(chǔ)上開展生態(tài)修復(fù)。
緩沖控制區(qū)占流域面積的26.4%,主要分布于紅楓湖流域上游高海拔地區(qū),該區(qū)域生態(tài)敏感性較低而生態(tài)服務(wù)功能較高,水源涵養(yǎng)能力較高、物種豐富、受損后恢復(fù)力較強(qiáng),受人類擾動較低,是流域的天然生態(tài)安全屏障,應(yīng)加強(qiáng)該地區(qū)水源涵養(yǎng)林的保護(hù)。
一般控制區(qū)占流域面積的51.3%,遍布流域上游,生態(tài)敏感性較高而生態(tài)服務(wù)功能較低。農(nóng)業(yè)用地是該區(qū)域的主要土地利用類型,粗放型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使該區(qū)域總氮和總磷敏感性較高,人類擾動強(qiáng)烈,其水源涵養(yǎng)功能、生態(tài)恢復(fù)功能較低。一般控制區(qū)應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染治理,引導(dǎo)粗放型種植方式向集約型轉(zhuǎn)變,完善各行政村的污水收集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)生活污水的源頭控制,積極推進(jìn)生態(tài)修復(fù)工程,構(gòu)筑流域生態(tài)安全屏障,推進(jìn)資源有序利用和保護(hù)性開發(fā)。
4 討論與結(jié)論
4.1 討論
湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價側(cè)重于水域環(huán)境,同時生態(tài)敏感性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也是揭示生態(tài)系統(tǒng)健康的重要指標(biāo)[33],更多的側(cè)重于陸域環(huán)境。流域是水域、陸域高度關(guān)聯(lián)和互饋的有機(jī)整體,高原湖泊流域中水域與陸域的物質(zhì)和能量交換強(qiáng)烈,水域?qū)﹃懹颦h(huán)境變化響應(yīng)敏感。紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)診斷為健康(評分為68.4),屬防治結(jié)合型湖泊,發(fā)展與保護(hù)矛盾突出。生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能空間差異顯著,表明陸域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理,生態(tài)敏感性較高、高的區(qū)域易引發(fā)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的惡化,而生態(tài)服務(wù)功能較高、高的區(qū)域有助于平衡水陸物質(zhì)和能量交換、益于生物多樣性保護(hù)、具備較強(qiáng)的受損恢復(fù)能力。同時,湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康是流域生命力的重要體現(xiàn),生態(tài)服務(wù)功能依賴于健康的湖泊生態(tài)系統(tǒng)。本研究中,以湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果為導(dǎo)向,生態(tài)敏感性和生態(tài)服務(wù)功能為基礎(chǔ)的生態(tài)管控分區(qū)的重點(diǎn)任務(wù)是調(diào)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)方式,消除現(xiàn)存及歷史遺留污染源,逐步修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)。
地學(xué)分區(qū)思想已被廣泛用于水環(huán)境管理的各方面,包括水功能分區(qū)、水環(huán)境功能分區(qū)、水生態(tài)地理分區(qū)、生態(tài)分區(qū)等,因其區(qū)劃依據(jù)和目標(biāo)的不同,各分區(qū)優(yōu)缺點(diǎn)凸顯。本文在借鑒已有研究成果的基礎(chǔ)上,以生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能空間差異進(jìn)行SOFM聚類分區(qū),其分區(qū)結(jié)果體現(xiàn)湖泊型流域以湖泊為核心的圈層結(jié)構(gòu)特征,由湖泊水體向外依次為優(yōu)先控制區(qū)、重點(diǎn)控制區(qū)、緩沖控制區(qū)或一般控制區(qū),管控級別遵循優(yōu)先控制區(qū)>重點(diǎn)控制區(qū)>緩沖控制區(qū)>一般控制區(qū)?？臻g尺度方面,陸域與湖泊生態(tài)系統(tǒng)關(guān)聯(lián),生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能差異是水文水資源、湖濱帶結(jié)構(gòu)、湖泊面積、魚類、大型水生植物、富營養(yǎng)狀態(tài)、生物量等的重要決定因子[34]。本文生態(tài)管控分區(qū)響應(yīng)水污染治理與重大專項(xiàng)提出的“分區(qū)、分類、分級”的科學(xué)問題,在國土空間規(guī)劃體系中為上層規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù),是尋求湖泊型流域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的空間管控途徑探索,為生態(tài)文明建設(shè)提供案例支撐。
本研究是湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果的應(yīng)用初探,參考《標(biāo)準(zhǔn)》改進(jìn)后的評價體系完整的、系統(tǒng)的識別紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康問題。然而,由于長時序監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取困難,本文僅對紅楓湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀作評價,今后還需完善生態(tài)管控分區(qū)對湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康變化的影響。此外,水循環(huán)是連接水域、陸域各項(xiàng)生態(tài)過程的紐帶,學(xué)界普遍認(rèn)同流域?qū)用娴慕y(tǒng)籌管理更有利于水環(huán)境質(zhì)量提升,但由于水陸耦合機(jī)制研究尚不成熟,本文未能充分闡述水陸關(guān)聯(lián)。后續(xù)須著重收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過模型機(jī)理識別水域生態(tài)系統(tǒng)對陸域生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng),依托水陸耦合機(jī)理統(tǒng)籌流域綜合管理。
4.2 結(jié)論
(1)紅楓湖生態(tài)系統(tǒng)健康評分為68.4分,屬健康狀態(tài)。水文水資源、物理結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、生物、社會服務(wù)準(zhǔn)則層中,物理結(jié)構(gòu)(評分37.0分)成為威脅湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的主導(dǎo)因子,湖泊萎縮嚴(yán)重,河湖連通狀況較差,湖濱帶植被蓋度較小,人類活動擾動程度較高；水質(zhì)指標(biāo)中(評分為60.0分),重金屬潛在污染風(fēng)險(xiǎn)較高,是水質(zhì)提升的關(guān)鍵。
(2)紅楓湖流域生態(tài)敏感性及生態(tài)服務(wù)功能空間分布差異明顯,生態(tài)環(huán)境脆弱,生態(tài)服務(wù)功能較低。生態(tài)敏感性高值區(qū)主要分布于流域上游,飲用水源地因持續(xù)開展水污染治理,生態(tài)本底較好,生態(tài)敏感性較低。生態(tài)服務(wù)功能高值區(qū)主要分布于流域南部,羊昌河、麻線河支流沿岸人口密集區(qū)域。
(3)紅楓湖流域生態(tài)管控分區(qū)劃為優(yōu)先控制區(qū)、重點(diǎn)控制區(qū)、緩沖控制區(qū)、一般控制區(qū)。面積比例為一般控制區(qū)51.3%>緩沖控制區(qū)26.4%>優(yōu)先控制區(qū)15.8%>重點(diǎn)控制區(qū)6.5%,管控力度遵循優(yōu)先控制區(qū)>重點(diǎn)控制區(qū)>緩沖控制區(qū)>一般控制區(qū)。紅楓湖流域?qū)俜乐谓Y(jié)合型流域,發(fā)展與保護(hù)矛盾突出,生態(tài)管控分區(qū)的重點(diǎn)任務(wù)是調(diào)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)方式,逐步修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)。
猜你喜歡
環(huán)球時報(bào)(2022-03-29)2022-03-29 17:14:11
海洋通報(bào)(2020年5期)2021-01-14 09:27:06
少兒美術(shù)(快樂歷史地理)(2019年4期)2019-08-27 00:51:40
知識經(jīng)濟(jì)·中國直銷(2018年7期)2018-07-27 02:49:52
閱讀(低年級)(2018年4期)2018-05-14 17:39:57
中國公路(2017年18期)2018-01-23 03:00:42
水利科技與經(jīng)濟(jì)(2017年6期)2017-04-28 08:30:16
小學(xué)閱讀指南·低年級版(2017年2期)2017-03-23 13:07:24
汽車縱橫(2017年3期)2017-03-18 23:19:33
電測與儀表(2015年8期)2015-04-09 11:50:16
