余子賢,錢 瑤,李家兵,李小梅,唐立娜,*

1 福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,福州 350007 2 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所,城市環(huán)境與健康重點實驗室,福建省流域生態(tài)重點實驗室,廈門 361021 3 數(shù)字福建環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)實驗室,福州 350117

隨著點源污染逐步得到有效控制,非點源污染導(dǎo)致水環(huán)境問題日益突出[1]。非點源污染與點源污染相對應(yīng),是指溶解的或固體污染物從非特定的地點,在降水和徑流沖刷作用下,通過徑流過程而匯入受納水體(如河流、湖泊、水庫、海灣等),引起的水體污染[2]。我國學(xué)者對中國五大流域、五大湖泊進行非點源污染的調(diào)查發(fā)現(xiàn)非點源污染已經(jīng)成為我國水質(zhì)惡化、水體富營養(yǎng)化的主要原因[3—6]。城市化進程導(dǎo)致的土地利用變化對小流域的非點源污染有著顯著影響。

非點源污染的研究經(jīng)過幾十年的探索與發(fā)展,當(dāng)下的非點源污染研究主要涵蓋了非點源污染負荷量核算和風(fēng)險識別的指標體系定性評價兩個方面[7]。污染負荷量化研究廣泛結(jié)合了數(shù)學(xué)模型,如通用土壤流失方程(RUSLE)、化學(xué)污染物徑流負荷和流失模型(CREAM)和小流域尺度評價農(nóng)業(yè)非點源污染的模型(AGNPS)等。歷經(jīng)不斷發(fā)展,美國農(nóng)業(yè)部于1994年推出的SWAT模型成為了目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的模型之一[8]。采用定量模型的研究雖然可以估計相對準確的污染物流出,但這些污染負荷參數(shù)由于其空間代表性有限,難以對區(qū)域或流域尺度進行表征且模型本身使用最大的困難是對大量參數(shù)的驗證,盲目的使用模型會直接影響數(shù)值模擬的精度[9—10]。雷能忠等[11]認為使用各種復(fù)雜手段獲取某些地區(qū)精確污染負荷不僅十分困難,也不是污染控制所必須的,為了提高非點源污染的治理成效,識別流域內(nèi)污染關(guān)鍵源區(qū)(CSAs: Critical Source Areas),從而使控制與管理措施更具針對性,已經(jīng)被公認為是減輕非點源污染危害的關(guān)鍵技術(shù)并且得到了廣泛應(yīng)用[12]。目前識別關(guān)鍵的非點源污染區(qū)域的方法主要包括磷指數(shù)法(PI)[13]、潛在非點源污染指數(shù)(PNPI)和潛力指數(shù)法(APPI)三種。此外,還有研究運用修正的通用土壤流失方程(MUSLE)對非點源污染關(guān)鍵區(qū)進行識別[14]。張麗等[15]采用半定量、經(jīng)驗性的流域尺度磷流失分級方案結(jié)合坡度、高程和至河流距離等因素確定了非點源磷輸入關(guān)鍵區(qū)域。

經(jīng)濟社會高速發(fā)展背景下劇烈的城市化過程極大程度的改變了土地利用,土地利用變化可以進一步影響流域的營養(yǎng)物富集程度、水環(huán)境容量和非點源污染的發(fā)生。在“山水林田湖草是共同生命體”的系統(tǒng)思想指導(dǎo)下,要求我們在生態(tài)環(huán)境治理中更加注重統(tǒng)籌兼顧。在對非點源污染進行治理時要尋根尋源,找到問題的關(guān)鍵所在。因此,研究土地利用變化同流域非點源污染的關(guān)系是明確流域非點源污染程度和來源并進行流域污染物控制的關(guān)鍵。

小流域是城市化進程中受土地利用變化影響強烈的區(qū)域,往往是非點源污染發(fā)生的重點風(fēng)險區(qū)域。而半城市化的小流域由于受限于土地利用配置的快速轉(zhuǎn)變以及研究區(qū)域范圍小而導(dǎo)致難以布設(shè)全面的水文觀測站點來獲取龐大的數(shù)據(jù)量進行復(fù)雜模型的參數(shù)調(diào)控和模擬,產(chǎn)生了無法對半城市化小流域區(qū)域進行非點源污染進行詳盡模擬的困難[16—17]。陳利頂?shù)萚18]最先闡明了異質(zhì)景觀中非點源污染的動態(tài)變化,提出以研究“源”“匯”景觀空間分布格局來分析非點源污染形成的影響,基于“源-匯”理論提出了景觀空間負荷對比指數(shù),量化了景觀空間與非點源污染之間的關(guān)系[19]。劉芳等[20]探討了長江上游流域景觀空間格局和非點源污染之間的定量關(guān)系,研究說明景觀空間負荷對比指數(shù)對非點源污染負荷響應(yīng)顯著。王金亮等[21]使用“源-匯”理論對小流域非點源污染風(fēng)險格局進行劃分與評價?！霸?匯”理論可以作為缺資料半城市化小流域開展非點源污染空間風(fēng)險評價的有用方法。

后溪小流域地處典型半城市化區(qū)域,其近十年來經(jīng)歷著廈門島外快速城市化進程下帶來的非點源污染發(fā)生風(fēng)險。小流域上游是廈門市重要飲用水源地石兜-板頭水庫,下游是景觀水體杏林灣水庫[22]并與入海河口相連,可以被視作廈門市經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要的水環(huán)境資源。因此,后溪小流域也是應(yīng)用基于生命共同體理念開展“山水林田湖草沙海城”系統(tǒng)治理的典型區(qū)域。

本文基于采用“源-匯”理論構(gòu)建非點源污染風(fēng)險評價指數(shù),并選取典型半城市影響下的后溪小流域為研究實例開展非點源污染風(fēng)險評價和關(guān)鍵源區(qū)識別。為“十四五”推動生態(tài)文明實現(xiàn)新進步和“山水林田湖草沙海城”系統(tǒng)治理提供可靠依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

后溪流域位于廈門市集美區(qū),流域總面積192.11 km2,地處北緯24°34′02′′—24°45′48″,東經(jīng)117°55′14″—118°06′52″,后溪發(fā)源于戴云山脈與博平嶺山脈交界的老寮倉山西麓,是廈門市第二大河流。地處沿海丘陵地帶,地勢自西北向東南傾斜,地勢起伏較大,呈丘陵和山地、平原的梯狀分布(圖1)。流域?qū)儆谀蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候,全年平均氣溫20.6 ℃左右,多年平均降水量1206 mm,主要集中在4月—10月。主要土壤類型為紅壤、赤紅壤和黃壤。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 The geographical position of research area

至2020年,流域所在地區(qū)城鎮(zhèn)化率已達86.99%,2010—2020年流域范圍內(nèi)土地利用變化率為33.43%。流域水質(zhì)受人為干擾大,總氮(TN)和總磷(TP)存在不同程度的超標[23]。當(dāng)前,流域正面臨著生態(tài)退化、生物多樣性喪失及非點源污染導(dǎo)致水環(huán)境惡化問題。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

研究數(shù)據(jù)需求包括土地利用、地形、水系分布。(1)基于Google Earth遙感影像(分辨率1.19 m),分別生成2010年、2015年和2020年后溪流域土地利用與覆被圖,在使用易康(eCognition 9.0)監(jiān)督分類的預(yù)處理基礎(chǔ)上配合高分辨率影像在ArcGIS中進行目視解意修正,共將土地利用類型劃分為6類,包括林地、草地、耕地、建設(shè)用地、園地和水體。(2)基于DEM(分辨率30 m),以及提取的遙感影像數(shù)字化水系,運用ArcGIS 10.6軟件,基于Agree算法對DEM修正,通過Hydrology模塊提取流域邊界、河道信息、坡度等地形或水文數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來源于國家測繪地理信息局(http://www.sbsm.gov.cn/)。(3)使用Arcgis 10.6中的漁網(wǎng)工具將后溪流域進行網(wǎng)格化的劃分,共將研究區(qū)域以30m×30m的網(wǎng)格尺度劃分為2307個研究單元,以網(wǎng)格中心點計算距河最近距離。各網(wǎng)格的屬性表賦值有土地利用數(shù)據(jù)、平均坡度、平均高程、距河距離和景觀格局指數(shù)等數(shù)據(jù)。

1.3 非點源污染風(fēng)險評價指數(shù)構(gòu)建

本研究采用網(wǎng)格污染指數(shù)評價非點源污染發(fā)生風(fēng)險,基于陳利頂提出“源-匯”理論的指導(dǎo)思想及其發(fā)展的景觀空間負荷對比指數(shù)[19]為參考設(shè)計了以網(wǎng)格為研究單元的網(wǎng)格污染指數(shù),分別計算網(wǎng)格單元非點源氮污染和磷污染的網(wǎng)格單元負荷值,最后得到研究區(qū)網(wǎng)格單元污染指數(shù),以此為依據(jù)對關(guān)鍵源區(qū)進行識別。計算步驟如下：

(1)研究區(qū)網(wǎng)格單元污染物負荷指數(shù)(Grid cell Pollution Load, GPL)

(1)

(2)

GPLNP=GPLN+GPLP

(3)

式中,GPLN、GPLP和GPLNP分別是總氮、總磷、氮磷總體的污染負荷指數(shù)；m是“源”景觀類型數(shù),n是“匯”景觀類型數(shù)；WiN是第i類“源”景觀排放總氮的權(quán)重,WiP第i類“源”景觀排放總磷的權(quán)重、WjN是第j類“匯”景觀吸納或截留總氮的權(quán)重,WjP是第j類“匯”景觀吸納或截留總磷的權(quán)重。Pi是第i類“源”景觀在網(wǎng)格中的面積比例,Pj是第j類“匯”景觀在網(wǎng)格中的面積比例。各類景觀類型的面積比例是基于遙感影像使用易康(eCognition 9.0)監(jiān)督分類并目視解意修正后統(tǒng)計得到的結(jié)果。

(2)地理要素數(shù)據(jù)的標準化處理

由于網(wǎng)格單元非點源污染發(fā)生風(fēng)險不僅受自身氮、磷負荷值的影響,同時還由網(wǎng)格單元的高程(Elevation)、距河距離(Distance)和坡度(Slop)共同決定。故對上述三地理要素進行標準化處理,考慮其產(chǎn)生的影響。

(4)

式中,X指地理要素,包括高程(E),距離(D)和坡度(S)。由于高程和離水系的距離是負向指標,坡度是正向指標,因此坡度計算的分子為X-Xmin。

(3)研究區(qū)網(wǎng)格單元的網(wǎng)格污染指數(shù)(Grid cell Pollution Index, GPI)

(5)

式中,GPI是在GPL的基礎(chǔ)上多考慮了網(wǎng)格單元坡度、高程和離河流水體距離3個地理要素對網(wǎng)格單元非點源污染物排放的影響。

(4)非點源污染發(fā)生風(fēng)險等級劃分

統(tǒng)計后溪流域研究區(qū)共2307個風(fēng)險識別單元中“源”、“匯”景觀類型所占據(jù)該單元的面積比重,根據(jù)歷年不同土地利用類型的氮、磷污染物輸出排放和攔截吸收權(quán)重計算系數(shù)確定污染物負荷,最后結(jié)合地理要素產(chǎn)生的影響計算研究區(qū)網(wǎng)格單元的網(wǎng)格污染指數(shù)(GPI)來識別研究區(qū)非點源污染風(fēng)險的分布情況。通過計算,若GPI值小于0時,表明該研究單元發(fā)生非點源污染風(fēng)險較低,此區(qū)域是以“匯”景觀類型起主導(dǎo)作用的區(qū)域；GPI值大于0時,表明該研究單元存在一定的非點源污染發(fā)生風(fēng)險,則此區(qū)域是以“源”景觀類型起主導(dǎo)作用的區(qū)域。進一步地將不同GPI值在Arcgis中進行重分類操作,GPI對應(yīng)的污染風(fēng)險等級如表1。

表1 非點源污染發(fā)生風(fēng)險等級

1.4 景觀類型排污權(quán)重

不同景觀類型對非點源污染的作用大小不同,為了避免專家打分法導(dǎo)致的主觀性誤差并且更加貼合研究區(qū)的實際情況,本文基于全國污染源普查手冊、統(tǒng)計年鑒等資料來確定污染物輸出權(quán)重。

其中,農(nóng)田污染輸出權(quán)重按照農(nóng)業(yè)污染普查手冊中“地表徑流-南方濕潤平原區(qū)-平地-水田-雙季稻”區(qū)域的標準農(nóng)田流失系數(shù)作為依據(jù)計算得出,總氮流失量(TNL標準)為13.99 kg hm-2a-1,總氮流失量(TPL標準)為1.15 kg hm-2a-1。其中標準農(nóng)田的總施氮量為360.88 kg/hm2,總施磷量為109.19 kg/hm2,降水在1000—1200 mm之間。根據(jù)歷年廈門經(jīng)濟特區(qū)年鑒中區(qū)域?qū)嶋H的總氮施肥量、總磷施肥量和年降水量,確定耕地的氮施肥修正系數(shù)(N修正系數(shù))、磷施肥修正系數(shù)(P修正系數(shù))和降水修正系數(shù)(R修正系數(shù)),從而計算流失量(表2)。計算研究區(qū)歷年耕地總氮流失量(TNL)、總磷(TPL)流失量公式如下：

TNL=TNL標準×N修正系數(shù)×R修正系數(shù)

(6)

TPL=TPL標準×P修正系數(shù)×R修正系數(shù)

(7)

表2 耕地氮磷營養(yǎng)物質(zhì)年流失量

園地氮磷排放量依據(jù)農(nóng)業(yè)污染源普查手冊中監(jiān)測類型為地表徑流、地形為緩坡區(qū)、土地利用方式為旱地、種植模式為園地的標準農(nóng)田的模式,其總氮流失量(TNL標準)為19.95 kg hm-2a-1，總磷流失量(TPL標準)為1.60 kg hm-2a-1,標準農(nóng)田中氮磷施肥量分別為418.33 kg/hm2、193.34 kg/hm2,結(jié)合歷年廈門經(jīng)濟特區(qū)年鑒統(tǒng)中區(qū)域?qū)嶋H的總氮施肥量、總磷施肥量、降水量。確定園地的氮磷施肥修正系數(shù)和降水修正系數(shù)從而計算流失量(表3)。計算研究區(qū)歷年園地總氮流失量(TNL)、總磷(TPL)流失量如下：

TNL=TNL標準×N修正系數(shù)×R修正系數(shù)

(8)

TPL=TPL標準×P修正系數(shù)×R修正系數(shù)

(9)

表3 園地氮磷營養(yǎng)物質(zhì)年流失量

建設(shè)用地包括了城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點的氮、磷輸出系數(shù)參考黃金良等[24]在九龍江流域農(nóng)業(yè)非點源氮磷負荷估算的研究結(jié)果,確定城鎮(zhèn)用地總氮、總磷的流失量為12.09 kg hm-2a-1、1.14 kg hm-2a-1。農(nóng)村居民點總氮、總磷的流失量為17.74 kg hm-2a-1、2.10 kg hm-2a-1。結(jié)合歷年廈門經(jīng)濟特區(qū)年鑒統(tǒng)中城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村居民點占比,確定其修正系數(shù)分別為0.75和0.25。計算研究區(qū)建設(shè)用地總氮(TN)、總磷(TP)流失量如下：

TN=12.09 kg hm-2a-1×0.75+17.74 kg hm-2a-1×0.25=13.50 kg hm-2a-1
TP=1.14 kg hm-2a-1×0.75+2.10 kg hm-2a-1×0.25=1.38 kg hm-2a-1

裸地的總氮(TN)、總磷(TP)流失量參考黃寧等[25]在九龍江流域的研究,確定總氮(RTNR)、總磷(RTPR)流失量分別為8.09 kg hm-2a-1和1.90 kg hm-2a-1。

詹書俠等[26]在中亞熱帶丘陵紅壤區(qū)森林演替典型階段土壤氮磷有效性的研究中發(fā)現(xiàn)不同林地利用類型土壤氮、磷截留值分別在0.15—1.43g/kg 、0.19—0.54 g/kg。后溪流域地處南亞熱帶常綠闊葉林帶,根據(jù)研究結(jié)果確定氮、磷截留系數(shù)分別為1.43 g/kg 、0.54 g/kg。王衛(wèi)霞等[27]對我國南亞熱帶幾種人工生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)氮儲量研究發(fā)現(xiàn)南亞熱帶常綠闊葉林土壤層氮儲存量為16.48 t/hm2,研究區(qū)所處赤紅壤區(qū)的土壤全磷含量為0.28 kg/m2[28]。計算研究區(qū)林地總氮(RTNR)、總磷(RTPR)平均吸收能力分別為：

RTNR=1.43 g/kg×16.48 t/hm2=23.57 kg/hm2

RTPR=0.54 g/kg×0.28 kg/m2×10=1.51 kg/hm2

由于不同河流對氮、磷的凈化功能與溫度、水位、面積等有關(guān)[29],同一河流在不同時期差異較大,難以用統(tǒng)一標準衡量污染物去除量。此處參考許芬等[30]研究中依據(jù)河流與標準農(nóng)田中耕地對氮磷排放的相對關(guān)系從而確定水體對氮、磷吸收權(quán)重分別為0.01和0.03。

綜合上述各景觀類型的污染物流失量,最終得到不同景觀類型對主要污染物氮、磷的污染排放權(quán)重,見表4。

表4 各景觀類型污染物輸出權(quán)重

2 結(jié)果與分析

2.1 后溪流域土地利用變化

通過對遙感影像解譯得到后溪流域研究區(qū)2010年、2015年和2020年的土地利用圖(圖2)。綜合歷年影像的解譯結(jié)果來看,在研究區(qū)的南部主要以“源”景觀集中分布,土地利用類型主要是以建設(shè)用地和耕地為主導(dǎo),而北部地區(qū)以“匯”景觀集中分布,土地利用類型主要為林地,研究區(qū)域的“源”、“匯”景觀出現(xiàn)明顯景觀的異質(zhì)性,總體上呈現(xiàn)出南“源”北“匯”的分布格局。

圖2 后溪流域2010—2020年土地利用Fig.2 Land use in Houxi Basin from 2010 to 2020

圖3 歷年土地利用類型占比Fig.3 Proportion of land use types in past years

統(tǒng)計了歷年土地利用類型面積占比(圖3)。結(jié)果表明,林地在三年中始終為主導(dǎo)的土地利用類型,歷年面積分別為：112.90 km2、106.98 km2、111.92 km2,基本保持不變。建設(shè)用地為次主導(dǎo)類型,呈增加趨勢,其在2010—2015年間增幅明顯,這也是廈門島外城市化擴張最劇烈時期,截止至2020年共增加了16.06 km2,現(xiàn)有建設(shè)用地面積53.19 km2。耕地面積則呈現(xiàn)逐年下降的趨勢,十年中耕地面積共減少了13.64 km2,僅余6.68 km2。裸地、水體和園地的面積變化程度不大。

為了明確十年中土地利用互相轉(zhuǎn)移情況,計算了2010—2020年后溪流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表5)。其中耕地轉(zhuǎn)出面積占比最大,達71.61%,主要向建設(shè)用地和林地發(fā)生轉(zhuǎn)移,共轉(zhuǎn)移6.21 km2和7.30 km2。林地轉(zhuǎn)出面積最大,達25.50 km2,其中向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移10.39 km2。建設(shè)用地為轉(zhuǎn)入面積最大的土地利用類型,十年中共有25.50 km2其他土地利用類型轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。裸地土地利用變化率最高,有95.65%的裸地是由其他土地利用轉(zhuǎn)入。水體和園地變化程度不大。

2.2 后溪流域非點源污染發(fā)生風(fēng)險區(qū)劃

對研究區(qū)的2307個風(fēng)險識別單元進行網(wǎng)格污染指數(shù)(GPI)值計算來識別非點源污染關(guān)鍵源區(qū),對計算結(jié)果重分類后分別得到2010年、2015年和2020年三年的非點源污染發(fā)生風(fēng)險分布圖(圖4)。

“匯”景觀區(qū)始終是面積占比最大的區(qū)域(圖5),現(xiàn)有“匯”景觀區(qū)面積131.54 km2。歷年占比分別為64.89%、64.93%和68.44%,平均GPI值為-0.80,-0.75和-0.74。

關(guān)鍵源區(qū)是非點源污染可能發(fā)生的區(qū)域,現(xiàn)有關(guān)鍵源區(qū)面積共60.65 km2,歷年占比為35.11%、35.07%和31.56%,平均GPI值為0.25、0.27和0.26；由發(fā)生風(fēng)險大小細分關(guān)鍵源區(qū)為以下三個區(qū)域：

低風(fēng)險區(qū)是非點源污染發(fā)生風(fēng)險區(qū)(GPI>0)的主要構(gòu)成部分,是非點源污染發(fā)生風(fēng)險較低的區(qū)域?，F(xiàn)有低風(fēng)險區(qū)面積32.16 km2。歷年占比分別為18.55%、16.65%和16.73%,平均GPI值為0.13,0.13和0.14。

中風(fēng)險區(qū)現(xiàn)有面積為23.16 km2。歷年占比分別為14.04%,15.35%和12.05%,平均GPI值為0.35,0.35和0.36。

表5 2010—2020年后溪流域土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣/km2

圖4 后溪流域歷年非點源污染發(fā)生風(fēng)險Fig.4 Historical risk of non-point source pollution in Houxi Basin

圖5 后溪流域歷年非點源污染發(fā)生風(fēng)險區(qū)面積占比 Fig.5 Percentage of non-point source pollution risk area in Houxi Basin in past years

高風(fēng)險區(qū)是“源”景觀污染負荷顯著大于“匯”景觀消納作用的區(qū)域,存在較大的非點源污染發(fā)生風(fēng)險,在非點源污染發(fā)生風(fēng)險區(qū)占比最少,現(xiàn)有面積5.33 km2。歷年占比分別為2.51%,3.08%和2.78%。平均GPI值為0.58,0.57和0.56。

風(fēng)險區(qū)分布同樣呈現(xiàn)出明顯的空間分異性,北部以林地為主要土地利用類型的典型“匯”景觀構(gòu)成了對非點源污染具有吸納截留作用的“匯”景觀區(qū)域,而南部的非點源污染發(fā)生區(qū)主要是由耕地、建設(shè)用地等非點源污染輸出強烈的“源”景觀構(gòu)成。

計算得到了2010—2020年各風(fēng)險區(qū)面積轉(zhuǎn)移矩陣(表6)。十年中,由非點源污染發(fā)生風(fēng)險區(qū)(GPI>0)向“匯”景觀區(qū)域(GPI<0)轉(zhuǎn)移面積為21.97 km2,占研究區(qū)面積的11.43%。相反,由“匯”景觀區(qū)域共轉(zhuǎn)出15.14 km2土地面積變?yōu)榉屈c源污染發(fā)生風(fēng)險區(qū),占研究區(qū)面積的7.88%。十年中,非點源污染風(fēng)險區(qū)的土地利用轉(zhuǎn)移率均大于50%,高風(fēng)險區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移明顯,共有99.80%的土地面積發(fā)生轉(zhuǎn)移。這表明非點源污染的關(guān)鍵源區(qū)尤其是高風(fēng)險區(qū)是隨土地利用的變化轉(zhuǎn)移呈現(xiàn)出明顯的變化。

表6 2010—2020年后溪流域非點源污染風(fēng)險等級面積轉(zhuǎn)移矩陣/km2

2.3 土地利用對關(guān)鍵源區(qū)貢獻分析

不同風(fēng)險區(qū)的土地利用類型構(gòu)成在時間序列上呈現(xiàn)出明顯變化(圖6)。整體上,林地為“匯”景觀區(qū)域的主導(dǎo)土地利用類型,非點源污染發(fā)生風(fēng)險區(qū)的主導(dǎo)土地利用類型為建設(shè)用地。

圖6 2010—2020年各風(fēng)險區(qū)景觀占比Fig.6 Landscape proportion of each risk area from 2010 to 2020

“匯”景觀區(qū)在2010—2020年均主要由林地構(gòu)成,占比分別為80.62%、76.81%和77.40%,其次由建設(shè)用地構(gòu)成,占比分別為7.53%、8.99%和9.78%。較高的林地占比使得該區(qū)域具有較強的截留和吸納非點源污染物的能力,發(fā)生非點源污染風(fēng)險的概率很低。

低風(fēng)險區(qū)在2010—2020年中主要由建設(shè)用地構(gòu)成,占比分別為42.17%、48.06%和53.44%,其次由林地構(gòu)成,占比分別為27.08%、27.30%和27.71%。低風(fēng)險區(qū)的“源”景觀主要以非點源污染物排放輸出較弱的建設(shè)用地和裸地構(gòu)成,相對應(yīng)的由林地和水體構(gòu)成“匯”景觀占據(jù)較少的面積,這使得該區(qū)域網(wǎng)格單元的GPI值大于0,但又由于該區(qū)域“源”景觀非點源污染物輸出能力有限且受到“匯”景觀對非點源污染吸收和截留作用下的一定中和,具有較低程度非點源污染發(fā)生風(fēng)險。

中風(fēng)險區(qū)在2010年主要由建設(shè)用地和耕地構(gòu)成,占比分別為45.19%和30.95%。在2015年和2020年則以建設(shè)用地為主導(dǎo),占比為67.94%和73.03%。中風(fēng)險區(qū)中“源”景觀的占比進一步擴大,“匯”景觀對污染物吸納截留作用已經(jīng)明顯小于產(chǎn)生的污染物負荷,具有相對于低風(fēng)險區(qū)更高的非點源污染發(fā)生風(fēng)險。

高風(fēng)險區(qū)在2010年由耕地類型為主導(dǎo),占比為70.31%。在2015年和2020年以建設(shè)用地占據(jù)主要類型,占比分別為86.29%和81.70%。典型的“源”景觀耕地和大面積的建設(shè)用地均產(chǎn)生了較高的污染物負荷,而此區(qū)域“匯”景觀占據(jù)的面積很少,幾乎起不到對“源”景觀的制約作用。高風(fēng)險區(qū)是典型的非點源污染極可能發(fā)生區(qū)域且是可能是非點源污染較為嚴重的區(qū)域。

3 討論

(1)非點源污染發(fā)生風(fēng)險區(qū)分布與土地利用分布規(guī)律趨同。北部以林地為主要類型“匯”景觀區(qū)域?qū)?yīng)了絕大部分“匯”景觀區(qū)域。以耕地為典型的“源”景觀,對應(yīng)了非點源污染發(fā)生的高風(fēng)險區(qū)。中低風(fēng)險區(qū)分布在中南部地區(qū)與建設(shè)用地分布相近。這說明景觀類型及其自身的排放和吸納污染物的水平很大程度上決定了所在網(wǎng)格單元發(fā)生非點源污染的風(fēng)險水平。非點源污染發(fā)生風(fēng)險區(qū)中“匯”景觀區(qū)域面積上升,中、低風(fēng)險區(qū)面積減少但其風(fēng)險值均升高。這是由于“匯”景觀占比減少,“源”景觀占比增加導(dǎo)致。后溪歷年非點源污染發(fā)生平均GPI值分別為0.24,0.25和0.27,呈上升趨勢?？梢?風(fēng)險值的大小由各景觀單元自身的污染排放水平以及所處地理環(huán)境共同決定,在2010—2020年間耕地的面積不斷減少以及其污染權(quán)重的不斷下降,這是導(dǎo)致高風(fēng)險區(qū)面積減少及其風(fēng)險值下降的主要原因。在城市化的持續(xù)影響下,建設(shè)用地面積不斷擴張,大量的其他土地利用類型向建設(shè)用地發(fā)生轉(zhuǎn)移,這使得建設(shè)用地在險區(qū)中占比不斷上升,進而導(dǎo)致中、低風(fēng)險區(qū)的平均GPI升高。從時空尺度上分析GPI同景觀占比的變化,可以發(fā)現(xiàn)城市化很大程度上對非點源污染發(fā)生風(fēng)險的關(guān)鍵源區(qū)產(chǎn)生了影響。

(2)景觀類型的分布、占比及自身排污能力決定了區(qū)域非點源污染風(fēng)險的發(fā)生,城市化影響下土地利用結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性勢必要求我們區(qū)分出不同情境來優(yōu)化調(diào)整“源-匯”配置結(jié)構(gòu)對小流域非點源污染進行調(diào)控?；凇霸?匯”理論對非點源污染調(diào)控的思路是控制污染物在景觀單元內(nèi)達到收支平衡或在進入水體之前通過攔截達到平衡,實質(zhì)上就要求我們從源頭和過程兩個角度出發(fā)對源、匯景觀的配置進行考慮。

從整體景觀格局調(diào)控、關(guān)鍵區(qū)景觀組合方式或景觀類型的轉(zhuǎn)換和關(guān)鍵區(qū)單一“源”的局部調(diào)控三個尺度制定出對應(yīng)的高、中和低三種強度的調(diào)控對策,以此滿足流域地區(qū)對調(diào)控強度不同需求。高強度調(diào)控——整體景觀格局調(diào)控：從宏觀尺度上,要讓“源”、“匯”景觀在離河距離、坡度和高程等地理要素方面適宜性分布,從整體上構(gòu)建合理的流域“源-匯”景觀空間的布局模式；中強度調(diào)控——景觀組合方式或景觀類型的轉(zhuǎn)換：從中尺度上,基于“源”、“匯”景觀組合產(chǎn)出非點源污染較少的原理,構(gòu)建“源-匯”景觀合理組合模式即將高污染負荷“源”景觀的周邊相關(guān)景觀轉(zhuǎn)為低污染負荷“源”景觀類型或“匯”景觀類型；低強度調(diào)控——單一“源”景觀的局部調(diào)控：從微觀尺度上,在總體不改變“源”景觀類型的前提下,以增“匯”減“源”為目標,在“源”景觀中增補或鑲嵌若干斑塊的“匯”景觀。

后續(xù)開展政策制定可從上述三種調(diào)控強度入手,探討如何合理地調(diào)整土地利用配置模式從而達到“源”“匯”景觀的收支平衡進而構(gòu)建較低的非點源污染發(fā)生風(fēng)險區(qū),達到控制非點源污染發(fā)生風(fēng)險的目的。

4 結(jié)論

本文在“源”“匯”景觀格局理論指導(dǎo)和考慮研究區(qū)歷史資料及地理要素的前提下構(gòu)建非點源污染風(fēng)險評價指數(shù),并以半城市化的廈門市后溪小流域為例,使用GIS技術(shù)進行非點源污染發(fā)生風(fēng)險的關(guān)鍵區(qū)域識別,同時對風(fēng)險區(qū)構(gòu)成、轉(zhuǎn)移情況進行分析。后溪小流域目前“匯”景觀區(qū)域占流域面積的67.86%,非點源污染發(fā)生風(fēng)險區(qū)占32.14%。風(fēng)險區(qū)非點源污染發(fā)生風(fēng)險值處于低風(fēng)險水平但呈上升趨勢?！皡R”景觀區(qū)域集中分布在研究區(qū)北部,主要以林地為主要構(gòu)成。非點源污染發(fā)生風(fēng)險集中在后溪流域南部,建設(shè)用地是各風(fēng)險區(qū)的主要構(gòu)成,并呈上升趨勢。研究說明城市化的進程會進一步對風(fēng)險區(qū)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,同時對如何進行關(guān)鍵源區(qū)調(diào)控進行了討論,能夠為城市化影響進程下的中小尺度流域的飲用水源地管理規(guī)劃提供借鑒。

雖然對廈門市后溪流域進行了非點源污染風(fēng)險的定性評價,但由于流域內(nèi)降雨、土壤屬性、氣候條件相對統(tǒng)一,因此未對此類均質(zhì)性因素的影響進行考慮。若將此方法應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境狀況的研究區(qū)域,不同地區(qū)的降水、土壤類型等也會對非點源污染的分布產(chǎn)生影響,后續(xù)研究應(yīng)進一步探討除現(xiàn)有因素外多因素對非點源污染風(fēng)險的影響；文中各污染系數(shù)主要參考已有的研究來進行確定,并不一定完全適用于后溪小流域,后續(xù)應(yīng)對研究區(qū)各景觀類型的典型區(qū)域進行詳盡的試驗來確定各景觀單元的詳細數(shù)值來進一步得到更為準確的結(jié)果；其次由于僅對三期的影響進行了解譯,僅能對當(dāng)前的非點源污染風(fēng)險形勢進行估計,提出的調(diào)控政策建議也需要后續(xù)研究可對未來不同的土地利用情境下非點源污染風(fēng)險進行模擬,估算政策有效性并擇優(yōu)進行選擇,從而使得政策調(diào)控能夠先行落地,集中資源對可能潛在的非點源污染進行調(diào)控。