城市非点源污染控制的景观生态学途径

城市非点源污染是伴随城市快速发展而出现的新问题.城市土地利用的特殊性、不透水层面积的增加,使城市非点源污染不同于农业非点源污染,而控制难度更大.治理城市非点源污染的常用方法是最佳管理措施(BestManagementPractices,BMPs),主要采取一些局部修复措施在地表径流迁移过程中控制污染物.但城市土地利用格局的改变对非点源污染的影响十分显著,结合局部的BMPs和区域的景观规划是控制城市非点源污染的一个理想途径.城市非点源污染控制的景观生态学途径首先需要了解城市景观格局对非点源污染源、污染物迁移过程和受纳水体的影响,明确非点源污染与景观格局的关系,判定造成非点源污染的主要原因和关键环节.在此基础上,根据城市非点源污染控制要求,针对性地重新组合原有景观格局或引入新的景观要素以构建新的景观格局,并将BMPs融入规划之中,将景观规划与管理有机结合,增强城市景观异质性,实现对城市非点源污染的有效控制.     

流域单元景观格局与农业非点源污染的关系

农业非点源污染日益成为影响地表环境的主要污染方式之一,正确理解景观格局和农业非点源污染过程的关系是进一步认识农业非点源污染发生机制的关键。本文应用去趋势典范对应分析方法（DCCA）对石头口门水库控制流域13个流域单元的景观格局与农业非点源污染关系进行定量分析。结果表明:DCCA排序前2轴分别与森林比率、植被指数、景观聚集度指数、多样性指数和耕地及居民建设用地比率显著相关,累计解释了景观格局与农业非点源污染关系的92%,证明此方法对研究目标具有较高显示度。各流域单元农业非点源污染养分径流输出特征沿景观因子梯度具有明显空间变异。     

基于“源-汇”生态过程的长江上游农业非点源污染

景观空间格局是农业非点源污染的主要影响因素之一,关于二者的相互关系缺乏定量研究.针对长江上游的农业非点源污染问题,应用基于"源-汇"生态过程理论提出的景观空间负荷对比指数,选取9个典型的行政单元,探讨了长江上游流域景观空间格局和非点源污染之间的定量关系.结果表明,景观空间负荷对比指数对非点源污染负荷有显著的响应关系,说明景观空间负荷对比指数可作为非点源污染空间风险评价的有用方法之一.在此基础上,进一步分析了长江上游典型行政单元景观空间负荷对比指数时空演变规律.探讨了指数演变时空差异原因,认为该指数主要受到区域景观的坡度、与污染出口相对距离、高程、土地利用类型比重和农业与农村经济政策的影响.最后提出了长江上游非点源污染空间风险控制与管理的对策.     

基于“源-汇”理论的流域非点源污染控制景观格局调控框架——以厦门市马銮湾流域为例

基于“源-汇”理论对景观格局进行调控与优化是一种较为经济、有效的流域非点源污染控制新方法,目前尚处在探索阶段.在景观生态学及相关理论与前人已有研究的基础上,以流域整体为对象,从2个层次构建基于“源-汇”理论的流域非点源污染控制景观格局调控框架: 1)流域层次:在分析流域“源-汇”景观合理的基本组合与空间布局方式的基础上,建立了流域景观格局整体调控与优化方法;2)景观斑块类型层次:将关键“源”景观作为重点调控与优化对象,建立了包含景观单位面积污染负荷、景观坡度、起传输作用的狭长“源”景观、临河“源”景观单位岸线长度污染负荷等4项关键“源”景观识别准则,并遵循镶嵌“汇”景观、局部增补带型“汇”景观、提高原有“汇”景观消纳污染物的能力等3项调控与优化原则,针对农村地区与城区不同的关键“源”景观类型,制定了9类调控与优化方法.最后将该框架应用到厦门市马銮湾流域,基于GIS平台及研究区遥感图像与数字高程模型,制定了马銮湾流域景观格局整体调控与优化模式及3个片区关键“源”景观调控与优化方案.     

基于“源-汇”理论的资江下游地区非点源污染风险区划

开展非点源污染风险评估及区划研究对流域生态环境保护、土地利用结构调整和优化具有重要意义。以2010、2018年两期资江下游地区土地利用覆盖数据为基础,基于“源-汇”景观格局理论识别“源”、“汇”景观,综合考虑非点源污染发生和迁移因子的前提下,借助景观空间负荷对比指数(LCI)、非点源污染负荷指数(NPPRI),分析非点源污染风险的时空变化特征;通过识别非点源污染风险中的关键因子,对资江下游非点源污染区划进行分析。结果表明: 研究区非点源污染发生风险总体较低,“汇”景观为主的子流域占61.2%;非点源污染风险呈现西南低,东北平原区以及资江干流、志溪河、桃花江沿岸偏高的空间特征;2010—2018年,非点源污染风险呈现升高趋势,农村居民点、耕地的扩张及林地缩减对非点源污染发生风险分别具有正向与负向的响应关系;LCI、坡度、距离是影响非点源污染风险指数变化的关键因子。在此基础上,将资江下游地区划分为4个控制区,即近河道污染治理区、低坡地污染控制区、生态恢复-风险防控区、生态优先保护区。     

基于“源-汇”景观的典型半城市化小流域非点源污染风险评价

小流域的水质恶化主要由点源污染和非点源污染引起，随着点源污染控制水平达到一定程度后，非点源污染已成为首要污染源。当前对非点源污染的管控仍存在难监测和难治理的问题，明晰非点源污染发生风险以及背后的原因是亟需解决的问题，因此开展非点源污染风险分析和评价具有重要意义。采用高分辨率影像解译了2010年、2015年和2020年三期厦门市后溪流域土地利用数据；基于"源-汇"景观格局方法计算研究区网格单元的网格污染指数（GPI）；结合土地利用变化数据分析非点源污染风险的时空变异，对风险区成因进行了分析。研究结果表明：当前，"汇"景观占流域面积的67.86%，非点源污染发生风险分布呈现北低南高；十年中，非点源污染风险呈现上升趋势，目前非点源污染发生风险处于低风险水平（GPI=0.27）。通过分析风险区的土地利用构成发现耕地面积的缩减（减少67.08%）和建设用地面积扩张（增加43.02%）是污染风险发生变动的主要原因。计算了风险区转移矩阵，发现非点源污染发生风险区呈现出中高风险区向低风险区和"汇"景观区域转移的趋势。基于"源-汇"景观格局理论计算的网格污染指数（GPI）可以有效地对流域非点源污染风险值进行表征，是评价和分析流域非点源污染发生风险的可用方法。     

土地利用变化情景下浑河-太子河流域的非点源污染模拟

近年来非点源污染已经成为水污染的主要来源,对非点源污染发生机理和控制方法的研究有着重要的科学和现实意义.为了研究不同土地利用方式对非点源污染的影响,本文基于土地利用变化模型CLUE-S模拟了城市规划、历史趋势和生态保护3个预案下浑河-太子河流域土地利用未来变化.应用SWAT模型对非点源污染进行了模拟研究,并结合实测数据对模拟结果进行了评价.结合两个模型研究了3个土地利用预案下非点源污染对土地利用和景观格局变化的响应.结果表明: SWAT模型在浑河-太子河流域模拟精度较高,该模型在研究区具有适用性.城市规划和历史趋势预案下非点源污染负荷不断增加,城市规划方案下最高,生态保护预案下非点源污染负荷呈不断下降趋势.不同土地利用和景观格局对非点源污染有一定的影响,科学合理的生态建设能够有效减少非点源污染负荷.研究结果可以为流域的非点源污染研究提供案例,为非点源污染防治和最佳管理措施的制定提供科学依据,为相关政策制定提供参考.     

基于“源-汇”景观的饮用水源地非点源污染风险遥感识别与评价

非点源污染因分布广泛、产生过程复杂、防治困难,近年成为影响饮用水源地水环境的重要污染源。以海南三亚赤田水库为例,开展了基于"源-汇"景观的非点源污染风险遥感识别与评价分析。首先,采用高分辨率遥感影像分类提取水源地不同类型景观分布信息;结合"源-汇"对污染的促进\\阻碍作用,在考虑影响污染物迁移的"河道距离"因子、坡度因子情况下,利用非点源污染风险指数的计算实现对区域非点源污染风险的快速识别;并基于洛伦兹曲线分析水源地景观空间分布对非点源污染的影响。结果表明:一方面,流域非点源污染风险总体较低,"汇"景观占主导作用的子流域占整个区域的76.50%;污染风险呈现东高西低的特点,极高风险区主要分布于以居住用地、建设用地等"源"景观类型为主的流域东南部区域,占整体区域面积的1.28%,而西部以林地为主污染风险小;另一方面,基于坡度因子的"源""汇"景观污染负荷之比值大于1,"源"景观在低坡度区域分布范围广,景观布局较合理;基于"河道距离"因子的"源""汇"景观污染负荷之比值为2.30,"源"景观在距河道近的区域分布范围大,对污染影响大,近河道区域需进一步调整景观格局以降低对非点源污染的影响。基于遥感与"源-汇"景观指数计算是一种快速、客观、有效的饮用水源地的非点源污染风险识别与评价方法。     

基于“源-汇”生态过程的景观格局识别方法——景观空间负荷对比指数

正确理解景观格局与生态过程的关系是进一步深化景观生态学研究的关键,但是由于景观格局和生态过程涉及到不同的研究尺度,并且随着尺度的变化而变化,加上面状生态过程监测数据无法直接获得,导致很难定量描述景观格局与生态过程之间的关系。本文以非点源污染作为研究的典型生态过程,通过分析不同景观类型及其空间分布格局在非点源污染形成过程中的地位和作用,借用洛伦兹曲线的理论,从距离、相对高度和坡度三个方面建立了不受尺度限制的景观格局评价模型——景观空间负荷对比指数。该指数可以较好地将具有面状特性的景观格局与点状监测数据有机地结合在一起,使定量研究流域景观格局与生态过程的关系成为可能。该评价模型的特点有以下几个：①不受空间尺度的限制,具有跨尺度的功能;②适宜于环境背景(降雨和土壤等)相似的地区;③景观空间负荷对比指数具有相对比较意义,其值越大,表示该类景观空间格局对流域出口监测点的贡献越大,反之越小;④景观空间负荷对比指数不能用来预测流域出口监测点非点源污染或水土流失的值,但是可以通过比较计算不同流域景观空间负荷对比指数,来判断流域发生养分(水土)流失的危险性。     

异质景观中非点源污染动态变化比较研究

通过在河北省遵化地区于水库的上游选取景观特征差异明显的4个典型流域,对地表水体采样分析,研究了非点源污染N（水溶性N）含量的季节动态变化特征以及与流域形状、景观空间分布格局的相互关系。结果表明：（1）平水（偏干,下同）年份不同季节地表水中非点源污染N含量高于干旱年份,反映出平水年份地表和地下径流对非点源污染的形成起到了较大作用。（2）干旱年份地表水中非点源污染N含量季节变化比较平稳,且空间变异较小,而平水年份地表水体中非点源污染N含量季节变化较大,表现出两种不同变化形式。（3）流域形状和景观类型的相对重要性与非点源污染N之间没有明显的相关关系,而“源”“汇”景观类型的空间分布格局在非点源污染的形成中起着重要作用。     

流域水质管理系统构建的理论、方法和实践

随着工农业的发展及乡村都市化 ,淡水资源的短缺成为全球性的问题。淡水资源的短缺 ,一方面是对淡水需求量增加 ,供不应求。另一方面是水体水质恶化 ,水资源退化。保护淡水资源是一项持久性的艰巨任务 ,其中水资源管理工具评价预测各种管理措施对水资源的影响 ,是必不可缺少的。工业和生活废水对水体的点源污染问题 ,早在2 0世纪 2 0年代就被意识到 ,并开展了一些水资源的保护和管理研究工作。自 192 5第一个水质数学模型Ｓｔｒｅｅｔｅｒ Ｐｈｅｌｐｓ[1] 用于模拟水环境中ＢＯＤ和ＤＯ的动态变化研究以来 ,出现了许多水质模型并用于河流、…     

淹水条件下秸秆还田的面源污染物释放特征

通过模拟淹水实验,研究秸秆覆盖与秸秆深埋2种还田行为中N、P、COD等面源污染物的直接释放特征。结果表明,淹水条件下,上覆水TN浓度表现为淹水后一直持续下降,TP表现为急促上升后再持续下降,而COD则为缓慢上升后再下降。秸秆对TN的释放强度要高于TP;除了TP在淹水初期释放速率有所提高外,TN与COD的释放速率持续下降。秸秆覆盖时的面源污染物浓度高于秸秆翻埋;相同还田方式中,秸秆还田量越大,面源污染物浓度越高。从面源污染控制角度出发,淹水条件下秸秆TN防治的最佳时间为淹水初期,TP、COD为淹水后1—3周;最友好的还田方式为秸秆翻埋。试验结论为合理界定秸秆还田的负面效应,遏制秸秆还田造成的面源污染提供了依据。     

Nitrogen Loss Estimation Worksheet (NLEW): an agricultural nitrogen loading reduction tracking tool

The Neuse River Basin in North Carolina was regulated in 1998, requiring that all pollution sources (point and nonpoint) reduce nitrogen (N) loading into the Neuse Estuary by 30%. Point source N reductions have already been reduced by approximately 35%. The diffuse nature of nonpoint source pollution, and its spatial and temporal variability, makes it a more difficult problem to treat. Agriculture is believed to contribute over 50% of the total N load to the river. In order to reduce these N inputs, best management practices (BMPs) are necessary to control the delivery of N from agricultural activities to water resources and to prevent impacts to the physical and biological integrity of surface and ground water. To provide greater flexibility to the agricultural community beyond standard BMPs (nutrient management, riparian buffers, and water-control structures), an agricultural N accounting tool, called Nitrogen Loss Estimation Worksheet (NLEW), was developed to track N reductions due to BMP implementation. NLEW uses a modified N-balance equation that accounts for some N inputs as well as N reductions from nutrient management and other BMPs. It works at both the field- and county-level scales. The tool has been used by counties to determine different N reduction strategies to achieve the 30% targeted reduction.     

水旱轮作系统作物养分管理策略

水旱轮作系统是我国主要的作物生产系统之一,主要分布在长江流域.作物和土壤季节间的干湿交替变化是这一系统的显著特征,这也引起了土壤物理、化学和生物学特性在不同作物季节间的交替变化,构成独特的农田生态系统.该系统面临的主要问题包括：生产力下降或徘徊不前,灌溉水日益短缺,养分管理不合理,资源利用效率低和环境污染等.本文在综述水旱轮作系统特征和存在问题的基础上,进一步提出通过养分资源综合管理策略解决该系统养分投入、作物生产和环境风险之间的矛盾.该策略的核心内容是：从整个轮作系统角度出发调控养分,综合应用各种养分资源（化肥、有机肥及环境养分）,使养分供应匹配作物需求,并根据不同养分资源特点采取相应的管理技术,使养分管理与节水、高产栽培等农作技术相结合.     

基于模型的农业非点源污染最佳管理措施效率评估研究进展

随着点源污染的逐步控制,农业非点源污染已成为世界范围内关注的热点,由于其特有的时空异质性特点导致对其进行有效控制较为困难,最佳管理措施(BMPs,Best Management Practices)是实现流域农业非点源污染控制的有效手段,对拟实施的BMPs效率进行评估是实施流域非点源污染BMPs配置的前提。通过模型模拟的方法可对拟采用的不同措施的削减效率及经济成本进行评估以获取最具成本-效益的BMPs空间配置方案,为措施有效选择提供依据。通过对多种模型在工程型和管理型BMPs评估方面的研究进行论述表明,通常概念化模型多用于对污染源控制类措施进行评估,而机制类模型则可用于对不同时空尺度下的过程控制类BMPs进行评估;措施效率发挥的时间滞后性及模型模拟不确定性是模型模拟过程中需要重点考虑的问题,可通过增加野外监测点数量、监测频率、优化监测点位置并选择合适的评估指标以降低模型评估BMPs过程中滞后效应的影响;此外BMPs实施时间与空间位置的不匹配、时空尺度异质性、污染物形态及生态系统服务功能转换风险均需在BMPs评估过程中加以考虑。模型模拟是BMPs效率评估(包括非点源污染关键源区的时空识别)、污染物迁移转化以及成本效益分析的有效工具,同时对于流域非点源污染管理控制及BMPs实施利益相关者有效参与问题的分析也具有重要意义。     

珠三角典型稻田生态沟渠型人工湿地的非点源污染削减功能

为了评价珠江三角洲地区农业非点源污染控制技术的开发与削减功能,本研究以珠海市斗门区上洲村典型稻田系统为例,提出了一种适应当地实际情况的生态沟渠型人工湿地构建技术,并进行了示范工程建设和防治效果评价。结果表明:该生态沟渠利用农田既有的排灌系统,经过适当改建而成;在满足原有排灌功能的前提下,对稻田排水径流中固体悬浮物(SS)、总磷(TP)、总氮(TN)、化学需氧量(CODCr)、铵态氮(NH4+-N)、生化需氧量(BOD5)的去除效率分别达到71.7%、63.4%、49.9%、26.6%、14.5%和11.6%;对营养型和颗粒态污染物质净化作用效果较好,对有机型污染物净化作用有限;其中对SS和TP的作用最为明显。该技术和工程成本效益良好,既减轻了稻田排水对附近水体的污染负荷,又增加了农田的景观效果。在珠三角及类似的经济发达而人地关系紧张的地区具有一定的推广价值。     

Ecological and economic analysis of lake eutrophication by nonpoint pollution

Abstract The hypothesis that economic damage due to nonpoint pollution exceeds costs of mitigation can be tested by ecologists, economists, and resource managers working at the spatial scale of watersheds for periods of years to decades. We present a framework for combining ecological and economic information to compare management scenarios for nonpoint pollution. Eutrophication of lakes caused by nonpoint phosphorus pollution, a common environmental problem, is the focus of our approach. Economic advantages of mitigating nonpoint pollution increase as the uncertainty of ecological predictions decreases. Uncertainty is measured by the prediction variance of nonpoint pollution models. A major source of variance in nonpoint pollution predictions is the effect of land use change on phosphorus transport. This variance is often large because calibration data sets do not have sufficiently wide ranges of land use variables. Ecological predictions and the resulting economic assessments could be improved by comparative studies of watersheds with contrasting land uses, and by viewing nonpoint pollution management as a large-scale experiment.     

再生(污)水灌溉生态风险与可持续利用

作为一个农业大国,水资源贫乏及地域分布不均匀造成了我国严重的农业用水危机。为缓解我国农业用水危机,污水灌溉及再生水灌溉已成为解决农业灌溉水源不足的一项重要措施。在总结污水灌溉及再生水灌溉生态风险的基础上,针对国内研究现状,分析了我国再生水灌溉利用的可行性。研究发现,再生水灌溉的污染风险远小于污水灌溉,且再生水灌溉还具有回用成本低、减少农作物生产成本等经济效益,以及减少污染物向水环境中排放、改善土壤质量等环境效益。与污水灌溉相比再生水在农业灌溉上具有较大的应用前景,应加大其推广与应用的力度。最后,根据国内外的研究现状,提出了一些再生水灌溉可持续管理措施及其安全利用的相关建议。     

植被过滤带的研究和应用进展

水资源的人为污染日趋严重.植被过滤带被认为是降低水体污染、特别是非点源污染的最佳措施之一.植被过滤带是位于污染源和水体之间的带状植被区域,其可以使地表径流中的污染物被沉降、过滤、稀释、下渗和吸收.本文综述了植被过滤带的发展历史、结构、污染控制机理和在实际应用当中的设计、经营管理及效益等方面的研究进展.我国对植被过滤带的研究还处于初始阶段,试验或应用结果都很少,因此,需要扩展和加深这方面的研究,取得相关的试验数据,以使这一生态技术更有效地在我国推广和应用.