阮姍，李家宇

(1.南京大學 建筑與城市規(guī)劃學院，江蘇 南京 210000； 2.中南大學 建筑與藝術學院，湖南 長沙 410075)

近年來，人工濕地以其強大的生態(tài)功能，在生物多樣性保護、水凈化保護、氣候調(diào)節(jié)、野生資源開發(fā)、沼澤漁業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉、大眾娛樂、生態(tài)環(huán)境科學研究等方面受到了廣泛的關注，并取得了明顯的經(jīng)濟效益[1-3]。據(jù)報道，農(nóng)業(yè)面源污染是地表水污染的主要組成部分，影響了全球30%～50%的地表水體[4-5]。農(nóng)田化肥流失是造成農(nóng)業(yè)面源污染的最直接原因。隨著農(nóng)業(yè)集約化程度的提高和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中化肥、農(nóng)藥的過量使用，化肥流失量急劇增加[6]。大量試驗證明，可持續(xù)人工濕地可通過過濾、吸附、降水、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物降解等過程，與基質(zhì)、植物和微生物形成共生體系，降解徑流中的氮、磷[7]。典型試驗表明，在農(nóng)田和水體之間設置50 m寬的植被緩沖帶，人工濕地可以減少地表水中89%的氮和80%的磷。德斯普蘭濕地對可溶性磷的去除率為52%～99%[8]。

考慮到與城市外部環(huán)境系統(tǒng)、經(jīng)濟發(fā)展和社會文化形態(tài)的協(xié)調(diào)，人工濕地的選址和穩(wěn)定性對于消除農(nóng)業(yè)面源污染來說同樣具有重要作用。人們普遍認為，原始濕地及其鄰近地區(qū)是最佳選擇。此外，土地利用性質(zhì)、地形地貌、土壤性質(zhì)等的多維評價在濕地選址中也起著重要作用[9]。根據(jù)氣候、水文等自然環(huán)境因素，以及施肥率、利用率、污染強度、耕地面積、濕地治理污染閾值等社會經(jīng)濟因素，可以確定區(qū)域范圍內(nèi)合理的人工濕地選址。通過對人工濕地選址適宜性的研究，可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中由施用化肥而造成嚴重面源污染的地區(qū)提供一種凈化模式。但到目前為止，關于合理規(guī)劃人工濕地處理農(nóng)業(yè)面源污染的研究還很少[10]。

GIS是地理空間分析的主要工具，廣泛應用于適宜性評價，以及超市、公園、教育設施等公共服務設施的建設中[11]。近年來，GIS技術還和遙感技術相結(jié)合，被用于濕地公園的生態(tài)系統(tǒng)、景觀豐富度、生物多樣性的動態(tài)監(jiān)測和濕地恢復研究[12]。本研究運用GIS技術，以江蘇省13個地級市為研究對象，探討中等規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中化肥施用引起的農(nóng)業(yè)面源污染的空間分布特征，并從小城鎮(zhèn)的角度，通過場地適宜性和規(guī)劃設計適宜性分析，為濕地公園的規(guī)劃和布局提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

本文所采用的研究數(shù)據(jù)主要包括社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)和自然地理數(shù)據(jù)。社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要來自《江蘇統(tǒng)計年鑒》，及相關研究提供的2017年江蘇省各地級市化肥施用量(包括總量和分類數(shù)據(jù))、耕地面積、城鄉(xiāng)居民收入水平、化肥利用率、產(chǎn)品強度和污染物流量系數(shù)等。自然地理數(shù)據(jù)包括土地利用現(xiàn)狀圖、土地利用規(guī)劃圖和測繪數(shù)據(jù)的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、高程、坡度和土地空間控制數(shù)據(jù)。

1.2 農(nóng)業(yè)面源污染分析

清單分析是生命周期評價方法的一個重要組成部分，是對整個生命周期階段的資源利用、能源利用和環(huán)境排放進行定量分析的過程[13-14]。本研究采用庫存分析法，計算江蘇省13個地級市2017年農(nóng)業(yè)面源污染排放中以氮、磷和復合肥為主的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施肥過程中氮、磷的排放量。具體計算公式：

(1)

(2)

式(1)中：E是農(nóng)業(yè)面源污染物向水體的排放量，特別是總氮(TN)和總磷(TP)的排放量；Ui是單位i污染物的指標統(tǒng)計，主要涉及氮肥、磷肥和復合肥的施用量；ηi是單位i污染物的肥料利用率；ρi是單位i污染物的污染強度系數(shù)；Ci是單位i污染物的排放系數(shù)，由單位和空間確定，反映區(qū)域環(huán)境、降水、水文和各種管理措施對農(nóng)業(yè)面源污染的綜合影響，在江蘇省區(qū)域水平上各因子取相同值。

式(2)中：I是農(nóng)業(yè)面源污染的排放濃度，表征其對水環(huán)境的影響；L是研究區(qū)地表水資源量。

1.3 選址標準

雖然濕地主要通過減少峰值徑流量和控制溶解污染物來凈化污水，但是詳細的選址和設計仍有助于實現(xiàn)輔助效益。人工濕地的選址應綜合考慮地質(zhì)、地貌、水文、污水等自然環(huán)境因素，確定合適的建設面積[3,15]。一般而言，人工濕地的選址應避開自然遺產(chǎn)保護區(qū)、歷史資源保護區(qū)、風景名勝區(qū)和瀕危物種保護區(qū)。

目前，人工濕地用于污水處理的面積從不到200 m2到400 hm2不等。本研究在相關文獻[8,16]的基礎上確定如下選址標準：(1)土地利用現(xiàn)狀。可利用土地面積應大于0.1 km2。(2)區(qū)位條件。坡度在0～5°，絕對高程不超過25 m，距離河流緩沖區(qū)不到1 km。(3)空間結(jié)構(gòu)。不得位于基本農(nóng)田和規(guī)劃建設區(qū)。(4)空間管控。不得位于地質(zhì)災害區(qū)和自然遺產(chǎn)保護區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)業(yè)面源污染空間分布

經(jīng)測算，江蘇省2017年13個地級市農(nóng)業(yè)面源污染TN和TP的空間分布格局與化肥施用的空間分布相似，表明江蘇省農(nóng)業(yè)仍處于粗放型發(fā)展階段，生產(chǎn)規(guī)模是影響污染總量的重要因素。氣候、降水和相關管理措施對污染物排放的空間分布并無顯著影響。農(nóng)業(yè)面源污染排放強度的空間分布特征與化肥施用量和農(nóng)業(yè)面源污染TN和TP的空間分布格局有一定差異，農(nóng)業(yè)發(fā)達、經(jīng)濟發(fā)展水平低的城市，如徐州、宿遷、連云港、淮安等，農(nóng)業(yè)面源污染排放強度較高。

2.2 基于GIS技術的人工濕地選址適宜性分析

以徐州市銅山區(qū)柳新鎮(zhèn)為例，利用GIS技術的空間疊加分析功能，基于1.3節(jié)確定的標準，建立人工濕地選址的區(qū)域尺度模型，篩選適宜選址的地區(qū)，結(jié)果如圖1所示。本研究所使用的土地利用圖、水系圖均取自相關測繪資料，比例尺精度為1∶10 000；地質(zhì)災害圖則取自徐州地面沉降規(guī)劃的測繪資料。

圖1 基于GIS的多要素人工濕地選址評價模型

研究發(fā)現(xiàn)，柳新鎮(zhèn)南部可供人工濕地使用的土地較少，而北部和中部則有大量土地可供區(qū)域性人工濕地使用，這些土地的面積超過0.1 km2。進一步用區(qū)位條件和空間結(jié)構(gòu)進行篩選，發(fā)現(xiàn)北部和中部適宜建設人工濕地，而西部和東部的建設條件較差(圖2)。

圖2 人工濕地選址的適宜性分布

3 小結(jié)

與傳統(tǒng)的污水處理廠相比，人工濕地在建設投資、運行費用和處理效率等方面具有明顯的優(yōu)勢，有利于生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。清單分析可以測量區(qū)域面源污染的總量和強度，通常用于探討面源污染的空間分布特征。地理信息系統(tǒng)技術可以從場地適宜性研究中土地利用的角度確定人工濕地建設的適宜性。本研究綜合運用上述技術，研究了江蘇省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中由施肥引起的農(nóng)業(yè)面源污染的空間分布特征，并以徐州市銅山區(qū)柳新鎮(zhèn)為例，探索了利用GIS技術對人工濕地建設適宜性進行分析的方法。結(jié)果顯示，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用化肥造成的嚴重農(nóng)業(yè)面源污染集中在農(nóng)業(yè)發(fā)達、人均GDP較低的蘇北地區(qū)。以徐州市銅山區(qū)柳新鎮(zhèn)為例，按照確定的選址適宜性標準，發(fā)現(xiàn)當?shù)赜写罅靠晒┤斯竦厥褂玫耐恋?，主要分布在柳新?zhèn)的北部和中部，土地利用條件良好。

但要指出的是，本研究未考慮畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田固體廢棄物、農(nóng)村生活污水等因素，僅對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中化肥施用的單一維度進行了測定。下一步的研究可以從多個維度進行探討，從而更加全面地了解農(nóng)業(yè)面源污染的空間分布。本文的研究區(qū)域位于北溫帶季風氣候區(qū)，氣溫適宜常年濕地作業(yè)。但對于寒冷、炎熱等極端氣候區(qū)來說，如何利用人工濕地來處理農(nóng)業(yè)面源污染，仍然是一個值得探討的問題。此外，如何合理配置人工濕地的基質(zhì)-植物-微生物，提高濕地的凈化效率等，也都還有待于進一步探索。