不同景观空间格局对养分去除功能的影响

不同景观空间格局对养分去除功能的影响

景观形态的分析一直是景观生态学的研究热点。人们设计了许多景观指数来定量地描述景观的总体结构,同时也研究了不同景观格局对大尺度景观过程的影响。但到目前为止,这类研究还主要局限于以生物多样性保护为核心的野生动物生境分析,或不同森林采伐格局对生态恢复过程的影响。关于湿地净化功能的研究方面,除个别文章略有提到外,很少有人关注景观格局对其净化过程的影响。湿地景观的养分截留功能已经引起世界众人的关注[20,21,22,23,24,25,26],我国也开始重视这方面的研究。本项研究的主要目的在于探讨如何有效地运用河口湿地来削减氮磷入海通量,防止近海水体富营养化。通过研究不同景观空间要素的组合对养分去除效果的影响,可以为合理利用自然湿地提供科学依据。1学习方法1.1湿地养分去除的空间模拟模型研究区位于拥有世界第二大苇田(总面积约10×104hm2)的辽河三角洲,在121°35′~122°55′E,40°40′~41°25′N之间。本区属于温带季风气候区,自然植被以芦苇(Phragmitesaustralis)、香蒲(Typhaspp.)、翅硷蓬(Suaedaheteroptera)等为主,但由于人工干预,自然芦苇湿地已所剩无几,大部分为半自然状态的苇田。人为管理活动主要是春季灌溉(分3次,每次15~20天,中间间隔20天)和冬季收割。灌溉水源主要来自辽河及其支流,特别是受造纸厂污水严重污染的绕阳河。而冬季收割的芦苇又作为原料运往造纸厂,也将吸收的营养物质和有害物运出系统,因此30多年来还没有发现累积问题。此外,实验研究表明,污水灌溉在目前条件下还不足以造成对芦苇生长的危害,反而由于富含营养物质,有利于提高芦苇的产量和质量。因此,辽河三角洲苇田湿地这种人为管理体制为研究和解决辽东湾的富营养化问题提供了理想条件。1997年到1998年,作者在辽河三角洲苇田污水灌溉实验研究的基础上,将生态过程模型与GIS分析功能相结合,建立了湿地净化的空间模拟模型。实验数据主要来自每年春季3次灌期采集的水样,其中灌渠采样点分别位于距泵站0、500、2000和6000m处,苇田采样点则位于苇田湿地深处,通过Lysimeter过滤系统分田面水和40、60、80cm地下水分别采集。所有样品在野外简单处理后带回实验室用标准方法测定其中总氮和活性磷的含量,因为这两项是引起辽东湾近海富营养化的主要因子。所建立的空间模型主要由两部分组成:一是灌渠子模型,二是苇田子模型。灌渠部分采用的是以实验数据为基础的非线性回归模型,即:式中C(x,y)为灌渠上距泵站一定距离(dist.)处某点的氮磷浓度(mg/l)。A、B的值与输入点上的氮磷浓度呈线性相关:式中C1~C4的值从实验数据中回归获得,对于氮和磷,有不同的常数值系列。inload为泵站处养分输入浓度(mg/l)。苇田部分的实验由于湿地面积大(约10km2),通行困难,不可能进行大规模的布点采样,因此受到很大限制,所得数据不足以建立一个预测性较强的回归模型,最终采纳了Mander和Mauring所建立的线性回归模型。该模型是根据全球40多处湿地净化实验数据建立的,且实验点80%以上位于温带地区,植被以芦苇和香蒲为主,与辽河三角洲自然条件相似。其公式如下:式中Y为去除率,X为输入负荷,二者单位皆为g/m2·d(氮)或mg/m2·d(磷)。X的值可以根据日水量负荷(m3/d)、苇田面积(m2)和输入点上的养分浓度(mg/l)得到:上述过程模型与泵站、灌渠和苇田的分布图相结合,借助GIS的分析功能,就建立了辽河三角洲湿地养分去除功能的空间模型。该模型的主体部分是在Arc/Info的Grid模块中运行的,程序由作者用Arc宏语言(即AML,ArcMacroLanguage)编写,栅格数据的分辨率为30m。给定泵站处水和养分的输入负荷,以及灌渠和苇田的分布状况,就可以利用该模型计算出苇田和灌渠任意一点上的养分浓度。总的养分去除量可以由各点上的去除量相加获得。将模拟结果与实验结果(养分浓度值)进行相关分析验证表明,当样本数n=12时,总氮的相关系数大于0.83,活性磷大于0.90,均超过0.7的显著性标准。根据该模型的计算结果所得出的一个重要结论,就是灌渠和苇田净化率之间存在一个很好的互补关系,即当灌渠部分的养分去除率高时,苇田部分的去除率相对较低,反之亦然。因此泵站处的养分输入浓度对总的去除率影响不大,系统对总氮的去除率大约在66%左右,对活性磷的去除率大约是90%。此外,灌渠部分对总氮的去除率与苇田部分大致相当但略低,但对活性磷的去除率却比苇田部分高得多。在养分去除模型中,主要考虑了3个方面的因素:一是泵站处的养分含量,二是苇田面积,三是灌渠上任意一点到泵站的距离。既然泵站处的养分含量对总的养分去除率影响不大,那么灌渠、苇田和泵站的空间组合对养分去除功能有何影响呢?做出下面的臆测:假如灌渠密度增加,灌渠部分所去除的养分总量也会增加,最终导致整个养分去除量的增加;如果苇田面积减少,灌渠和苇田所去除的养分量都会随之减少,因此总的养分去除量会降低;不同的苇田空间分布应该对养分去除量有一定影响,但很难预测哪种分布格局养分去除效果更好;泵站与苇田间的相对位置也应对养分去除总量产生一定影响。下面将设计一系列的灌渠、苇田和泵站分布状况,以便模拟验证上述假设正确与否。1.2灌期及灌期对人工养分输入的影响为了简化分析过程,设计了一些不同空间配置的实验测试图,来模拟苇田的氮磷去除过程。以位于辽河三角洲西北部的胜利灌区为例,假设:泵站处的养分输入浓度始终保持总氮7.33mg/l,活性磷0.14mg/l;灌期为4-20~5-20,即辽河三角洲苇田的第二个灌期;在该灌溉期内,每天输入系统的水和养分负荷保持稳定。在改变某个因子的分布状况时,将保持其它组分或因子相对稳定,以便进行比较。这样就产生了4个系列的测试图:灌渠密度、苇田面积大小、苇田缩减格局和泵站位置。下面将就每个系列的具体情况分别加以描述,并进行模拟分析。1.2.1灌渠密度控制假如苇田的面积维持现状不变,而灌渠的密度将依据情况发生变化:①无灌渠;②1/4现灌渠密度(4.40m/hm2);③1/2现灌渠密度(8.68m/hm2);④现灌渠密度(17.34m/hm2);⑤2倍于现灌渠密度(34.67m/hm2)。灌渠密度的控制是在GIS中进行的,在现有灌渠的基础上,针对不同的密度目标,对灌渠进行人为增减,直至满意为止。上述灌渠密度值的范围(0~35m/hm2)涵盖了辽河三角洲苇田灌区的基本情况,因此具有代表性。或许新增灌渠或删除掉的灌渠位置带有一定的主观性,但对模拟结果之间的相对高低比较当不会造成太大的影响。另外,在增减过程中,也注意了保持灌渠系统在整个苇田中分布的均匀性,以保证模拟结果的可靠性。1.2.2合理安排灌溉及控制养分假如灌渠分布位置维持现状不变,但苇田面积发生变化。给出从现状面积到3/4、1/2、1/4面积的缩减系列,缩减大体上是朝着泵站方向进行的,灌渠也随着减下去的面积被减掉了,因为我们认为只有苇田中的灌渠才参与净化过程。一旦苇田转化成稻田或旱地,受造纸厂严重污染的河水将不再允许灌溉使用,因其中可能含有其它有害成分。辽河三角洲的苇田近年来一直在受到周围农田和其它人为活动的蚕食,尤其在离海较远的胜利灌区,面积减小更为严重,所以我们只探讨苇田缩减对养分去除效果的影响。在苇田面积缩减系列中,对灌溉负荷将有2种选择:保持泵站处水的总输入量维持现状不变,从而当苇田面积减小时,增加灌区内单位面积上的水分和养分负荷;保持现有单位面积上的水分和养分负荷不变,因此当苇田面积减小时,必须同时减少泵站处灌溉水的总输入量。1.2.3不同地区的合成田减假如苇田面积减小到现状面积的一半,但苇田的分布状况成为下列情况之一(图1)。本实验系列的思路是根据Collinge和Forman的研究思想设计的,他们曾提出过4种不同的土地转化方案:集中式、两开式、破碎式和穿孔式。在辽河三角洲地区,由于苇田常常被转化为稻田或其它土地利用方式,因此造成了不同的苇田和灌渠分布格局。原则上讲,我们设计的苇田缩减格局应与当地的实际土地利用转化情况相符才有意义。在辽河三角洲地区,“集中式”和“破碎式”的缩减比“两开式”和“穿孔式”的缩减更经常出现,但作为理论探讨,不妨把后两种情况也考虑在内,以研究其对湿地养分去除功能的影响。图1所示的4种苇田缩减格局在苇田和非苇田的分布位置上也带有一定的主观性,但不应影响模拟结果的总趋势。同苇田面积减小系列一样,只保留那些能参与苇田灌溉的灌渠,其余的全部删除。1.2.4选择多方向的泵站与灌田间的相对位置组合保持苇田和灌渠的分布状况不变,灌溉水量和养分负荷也维持现状水平,对泵站的位置重新安排。泵站位置的选择也同样带有主观性。一种是现状,即泵站位于灌区边界上,另一种相似,只是位于灌区的另一端。其它泵站都随机分布于灌区内部。但这种泵站与灌区之间的相对位置变化情况与辽河三角洲11个苇田灌区的基本情况还是比较一致的,研究结果也可为将来在滩涂新增苇田里设置泵站提供参考依据。将上述各系列的数字化实验图,结合前面谈到的输入负荷情况,运行空间模型,就得到各系列的养分去除模拟结果。2研究结果2.1灌渠密度对氮磷等污染物的净化效率图2给出了不同灌渠密度条件下,苇田和灌渠系统的养分去除模拟结果。从图2中可以发现,不同灌渠密度对湿地养分去除功能有如下几个方面的影响:①总的来说,增加灌渠密度的确能提高氮磷去除总量,但这种影响不是很大。5种试验模型间的最大差距不超过10%。给灌渠密度加倍所带来的去除效率增加值不超过4%。因此,通过多挖灌渠来提高氮磷等污染物的净化效率不会有太大意义。②当灌渠密度增加时,灌渠和苇田对氮磷的去除量都有所增加。唯一的例外是无灌渠的情况,这时所有的氮磷去除任务都由苇田来完成,因为苇田和灌渠之间在污染物的去除上有一个互补效应,当没有灌渠时,苇田去除的部分将大大增加。③灌渠密度增加时,灌渠部分所提高的养分去除率比苇田部分高,这主要是由于更多的灌渠投入了养分去除过程所致。④对于总去除率与灌渠密度之间的关系而言,氮(RN=0.840,n=5)比磷(RP=0.811,n=5)稍高。虽然此系列的研究结果与本文开始所设想的“多灌渠、多去除量”一致,但与灌渠密度的增加幅度相比,由此带来的总的去除效果提高情况并不特别明显。2.2说的提出和讨论图3给出了泵站处水分和养分输入负荷保持现状时,不同苇田面积大小情况下养分去除的模拟结果。在这种情况下,单位面积上的养分和水分负荷将随着苇田面积的减小而成倍地增加。图3表明,当泵站处养分输入量维持现状不变时,不同面积大小的苇田对养分去除能力的影响有如下几个方面:①当苇田面积减小时,湿地对总氮和活性磷的去除总量均有所增加。这一点有些出乎我们的意料,但仔细分析,会发现这一结果是合理的,本文将在讨论部分对此进行详细论述。②当苇田面积减小时,灌渠部分对总氮的去除量略有增加,对活性磷是减少的。而苇田部分的去除量总是随着面积的减少而增大。②就苇田面积与总去除率之间的关系而言,磷比氮更为密切(RP=-0.991,RN=-0.938,n=4)。上述模拟结果与当初想象的截然相反。其原因可从计算氮磷去除量的方法上找到,更详细的情况将在讨论部分加以论述。2.3面积和面积之间的分离图4给出了泵站处水分输入量随苇田面积减小时,不同面积苇田的养分去除量;图5给出了相对去除率随面积大小的改变。在这种情况下,单位面积上的养分和水分输入量基本与目前保持一致。这一选择还是比较合理的,因为即使苇田对养分的输入负荷没有上限,它可接纳的水量还是有一定限度的。对比图4和图5,当泵站处水和养分的输入总量随面积的减小而减小,从而保持单位面积上的养分负荷稳定时,不难得出如下结论:①随着苇田面积的减小,系统对氮和磷的总削减量也迅速减小。这一点还是比较容易理解的,因为泵站处的总输入量几乎成比例地随面积的减小而减少,而总的去除量是超不过总输入量的。这一结果与本文开始部分对面积减小所做的预测一致。②就灌渠和苇田的绝对去除量而言,由于总输入负荷、灌渠长度等的缩减,因此去除量也随之明显减少。③然而就相对去除率而言,小面积的苇田比大面积的苇田有更好的去除效果。这与保持泵站处总输入量稳定时所得出的结论是一致的。④对于总氮来说,随着苇田面积的减小,灌渠和苇田部分的相对养分去除率都有所增加,因此总去除率是随面积减小而增加的。⑤对于活性磷来说,随着苇田面积的减小,灌渠部分的去除率也随之减小,但苇田部分的去除率则有所增加。二者互补之后,总的效果是随着苇田面积的减小,磷的去除率增加。⑥总去除率与苇田面积大小之间有着非常密切的负相关关系(RN=-0.983,RP=-0.980,n=4)。但四分之一现状面积与现状面积之间的相对去除率相差并不特别大,对于氮来说,仅约5%,磷则不超过2.5%。这组模拟结果与当初预想的“小面积、小去除”比较符合,但这种符合只是表面的,相对去除率还是“小面积,大去除”。由于苇田单位面积上可接纳的养分和水分负荷还可提高,苇田的养分去除功能是有相当潜力的。苇田面积缩小系列的模拟结果与佛罗里达州湿地养分去除实验项目的研究结果非常一致,即小面积湿地具有更好的效果。2.4不同说的土地转化模式及存在的问题图6给出了不同苇田缩减格局条件下,氮磷养分去除的模拟结果。这些格局包括集中式、穿孔式、破碎式、两开式。苇田部分的面积都是现有面积的一半,单位面积上的养分输入负荷保持与现在负荷一致。当然也可以使泵站处的总输入量与现在保持一致,但模拟结果之间的相对趋势应无多大区别,因此这里只提供一种选择的系列模拟结果。由图6可见,假如现有苇田面积以不同的形式削减一半,而单位面积上的养分输入负荷保持现状不变,那么:①就总的养分去除量而言,不同苇田面积缩减格局之间的效果对比如下:集中式>穿孔式>破碎式>两开式。因此,集中式的土地转化格局最有利于保持较高的养分去除效率,两开式最差。②穿孔式与破碎式相比,穿孔式缩减条件下灌渠部分的养分去除率更高些,破碎式缩减条件下苇田部分的去除率相对较高。两者在总去除率上差别不大。苇田分布格局直接影响到灌渠的分布状况,进而影响到模型输出结果。为方便苇田管理和收割,破碎式的土地转化模式较穿孔式好一些,但如果考虑到生物多样性保护等其它方面,二者都不可取。③在集中式缩减模式下,苇田部分的养分去除率最高。这一结论对我们非常有利,因为利用污水灌溉苇田的目的就是使更多的养分进入苇田。④就养分的相对去除率而言,不同苇田分布格局之间的差别对于总氮不超过5%,对于活性磷不超过3%。因此,苇田分布格局对养分去除率的影响能力与其它系列因子的水平相当。根据辽河三角洲地区的土地开发规划,集中式和破碎式的土地转化模式是比较容易出现的。我们更赞成前一种开发模式,以便保持较高的湿地养分去除效率。2.5全厂灌渠部分养分去除率图7给出了不同泵站位置条件下,湿地的养分去除情况模拟结果。从图7可以得出有关泵站位置对苇田去除率影响的如下结论:①泵站位置对灌渠和苇田养分去除率的影响都很大,但作用相反。由于两者去除率之间的互补效应,因此总的去除率变化不大。一般来说,当泵站位置靠近苇田边缘时,总去除率更高些,但变动幅度不超过4%,与其它研究系列的水平相当。②当泵站位置远离苇田的几何中心时,灌渠部分的养分去除量较大;反之,当泵站位置靠近苇田几何中心时,苇田部分的养分去除率较高。这一研究系列的结果与本文开始所说的“泵站位置对养分去除有影响”相符,但更进一步指明了影响的幅度和趋势。3自然地形和生态对于一个问题的预测本项研究的模拟结果与当初所预想的有一定出入,尤其是灌渠密度和苇田面积两个系列。不否认在产生这些测试图时包含了许多主观因素,模型本身也含有许多假设,而实际情况比这里所提到的各种情况要复杂得多。但仍有理由相信模拟结果所揭示的不同系列内的相对趋势,因为模型已经包括了与养分去除有关的最重要的因子(面积、距离、输入负荷等),并通过线性(苇田)和非线性(灌渠)回归将一些不确定因素,如反硝化过程、沉淀累积过程、植物吸收、时间、温度等,也纳入了模型之中。通过对模型模拟过程本身的回顾,可以找出对上述模拟结果的解释,以及为什么这些结果会与我们当初的预测不符。预测的不一定是正确的,因为它不是建立在实验基础之上的。理论上讲,可以通过减小苇田面积、提高输入负荷来提高养分的去除效率。虽然至今还没有发现湿地对养分输入浓度的上限,但苇田本身对灌溉水深是有一定限度的。假如春季灌水太深,或者淹水时间太长,会对芦苇的质量和产量造成一定影响。根据在辽河三角洲地区对芦苇灌溉进行的研究,春季3个灌期对芦苇进行灌溉的最佳深度分别为5、10、15cm/d。以每天5cm的灌水深度为上限,则本项研究的样地(即11号灌区)只需3628.8hm2即可完成对目前输入水量(1814400m3/d)的养分去除任务。每个灌区所需要的最小面积取决于目前的泵站抽水能力,抽水能力越强,所需要的面积越大。另一方面,也可以运用当前的大面积苇田来接纳更多的水分和养分。根据前面的计算,现有苇田的养分去除能力至少可以提高4倍,而不至于影响芦苇的生长。因此,灌溉水量成为一个主要的限制因子,而春季正是辽河流域的枯水期,也是污染物浓度较高的时期。这一结论也给解决海滩上虾蟹田的污染问题提供了借鉴。虽然滩涂翅硷蓬(Suaedaheteroptera)群落的养分去除功能可能不同于芦苇群落,我们尽可以假设其净化率低