松花江三湖流域土地利用变化的生态环境效应研究

松花江三湖流域土地利用变化的生态环境效应研究

土地使用的变化可能会导致许多自然现象和生态过程的变化，如土壤养分和水分的变化、地表径流的变化、生物多样性的分布、生物碳和化合物循环。因此，研究土地利用变化及其对生态环境的影响对了解生态环境乃至世界环境的变化具有重要意义。三湖流域位于长白山。这里是吉林省重要的水资源和森林资源基地，也是对长白动植物资源的保护重要地区。随着资源的开发和土地利用的变化，生态环境的质量下降，恶化，生态平衡受到损害。三湖流域土地利用变化对生态环境的影响对恢复和重建区域生态环境具有重要意义。促进区域经济可持续健康发展。1湖的形成,成为地域单元松花江横贯吉林省的中部,自20世纪40年代以来,在其干流中上游先后建成了丰满、红石、白山三座水电站,形成松花、红石、白山三大人工湖.三湖的形成,改变了这一地区原有的自然生态系统,成为一个特殊的地域单元.1.1流域地表径流及植被分布现状松花江三湖流域的地理位置为北纬41°40′~43°48′,东经125°41′~128°48′,流域集水总面积43370.8km2.该流域地处长白山余脉,群山环抱,地势东南高、西北低,地貌多为中(高)山、低(丘)山、岗(台)川类,其面积比例大致为七山二岗一川.本区山地以花岗岩和玄武岩广泛出露为主要地质特征.该流域属于温带大陆性季风气候,其基本特点是四季分明,年、日温差大,春季少雨多风,夏季温暖多雨,秋季晴爽天气好,冬季漫长而严寒.然而,湖区由于受水面宽、山多林密等条件影响,使其气候兼具湖泊、谷地和森林气候的复合特征.“三湖”水源主要来自松花江上游及大气降水.流域多年平均降水量767mm,湖面蒸发量1000mm左右.汇入该流域的地表径流,包括三个水库控制的全部上游水系,如头道松花江、二道松花江、辉发河、拉法河等,长2km以上的河流共152条.其中主要支流14条,平均流量447m3/s.在正常情况下,三湖的总库容为178.8亿m3,地表水资源量占全省地表水总量的38.2%.流域内森林植被属于长白山植物区系,从植物的垂直分布上看,属于针阔混交林带,树种以柞为主,尚有杨、桦、椴、柳等,也有少量红松、樟子松、胡桃楸、水曲柳等.林地面积31729km2,占流域总面积的73.1%,森林覆盖率为59.1%,大部分是天然次生林的幼龄林,少部分为人工林和天然成、过熟林.草地资源丰富,面积1039.0km2,占流域总面积的2.4%左右.流域主要土壤类型有暗棕壤、白浆土、草甸土、针叶森林土等,其中以暗棕壤和白浆土面积最大.1.2湖城市物水资源整合现状该流域辖7个市、县,共246个乡镇,1624个村,总户数152万户,人口665.21万人.三湖流域的经济开发具有一定的基础,形成了具有多功能、多效益的流域经济.丰满、红石、白山三座发电厂总装机容量245万kW,是我国大型水利枢纽之一,发电量占东北电网水力发电量的一半,担负着供电、调峰、调相、事故备用等重要任务,是吉林省乃至东北地区的重要水能基地.三湖除发电外,还发挥了防洪、农田灌溉、城市与工业用水、航运、养鱼、旅游等多种功能,取得了较高的社会经济效益.松花湖的形成大大提高了下游堤防的防洪标准,保证了吉林、哈尔滨两大城市及沿江城乡的安全;湖区既可保证吉林市热电、冶金、化工、造纸等大耗水工业和吉林、长春两市几百万人口供水的需要,同时又是湖下“松花江”两岸52.6km2农田的灌溉水源;河道的流量可保持在100m3/s左右,湖上还开辟了定期航班和旅游点,目前旅游点已达18处,游人每年可达80~90万人;湖上渔业较发达,可养殖面积达5.0万公顷,渔业产量最高可达1500t/a.2流域地表及植被现状随着人口的增加和科技的进步,人类对土地资源的利用更具有能动性和调控力,使得土地利用变化导致许多生态过程的变化,引起生态环境恶化.通过对三湖流域的土地利用类型和现状进行卫星图片解译和实地调查,流域的土地利用现状见表1.从表1可见,三湖流域总面积43370.8km2,其中湖面及各入湖河流水面面积571.50km2,耕地面积(包括旱地和水田)8951.75km2,林地31728.5km2,草地1039.0km2,城镇居民及交通用地792.25km2,荒山裸地287.75km2.三湖流域昔日里素有“八山一水半分田”的景象,而目前这种现象已不复存在.20世纪70年代耕地面积占总面积的10.3%,而目前约占20.6%;70年代林地面积占总面积的82.1%,目前占73.1%;70年代荒山地占总面积的5.6%,而目前仅占0.7%;水面在70年代占总面积的9.3%,而目前仅占1.3%.由此可见,耕地增加了1倍,而林地、荒山、水面都大大减少.人与水争地、人与林争地现象日益突出,由此而带来的对生态环境的影响也不断加重.3土地使用的变化对生态环境的影响人们在经济利益的驱动下,常常无节制地开发利用自然资源,结果导致自然资源被破坏,生态环境质量下降.3.1腾、枝条落叶蓄积水三湖流域林业用地面积大,森林覆盖率高,对涵养水源和保护流域内水库有很大作用.三湖的存在及其综合作用的发挥有赖于四周的水源涵养林,林存则湖存,林亡则湖亡.该区年平均降水量为767mm,每年落入松花湖区林地的水量为16.7亿m3,占全区27.4亿m3的61%左右.这16.7亿m3的降水由森林调节控制,控制方式有树冠截流、植物蒸腾、枯枝落叶蓄水和森林土壤涵养.据测算,松花湖区树冠全年截持水量为3亿m3左右,森林蒸腾量为6.12亿m3,枯枝落叶层吸水量共达2.1亿m3;森林土壤深度按1m计算,全湖区森林土壤非毛细管孔隙含水量为2.31亿m3.由此可见,通过树冠截留、枯枝落叶层吸收、叶面蒸腾和非毛细管孔隙可调节控制13.53亿m3的降水,占松花湖区森林内降水的79.9%.因此,森林有巨大的涵养水源作用.但是近年来,流域内农业人口不断增加,城镇规模逐渐扩大,大量采伐和开荒导致流域内森林覆盖率迅速下降.流域内林业生产单位的森林采伐量不断增加,松花湖区年木材消耗量达67万m3,占生长量的1/2,相当于计划采伐量的2倍,甚至山顶、陡坡、水系源头区的森林也遭采伐.再加上乡镇工矿和旅游业的迅速发展,农业垦植、陡坡开地种参、林地放牧等各类活动的加剧,多方占用林地的现象非常严重,致使湖区内林地面积不断减少.松花湖区60年代初森林覆盖率为63%,到80年代下降到59.1%,90年代已降到51.4%.森林面积的减少,使森林涵养水分的能力降低,易使松花湖的水量随着降雨量的变化而产生较大的波动,不利于区内水量保持均衡.3.2流域水土流失现状由于流域内自然资源的不合理开发利用,使林地面积不断缩小,造成水土流失非常严重.特别是开垦的农田和参地太多,使泥沙随降雨径流直接入湖,已占入湖泥沙量的50%以上.目前流域内水土流失面积为166271hm2,占总面积的15.3%;其中坡耕地面积53813hm2,占水土流失面积的32.3%.不同土地利用类型中土壤流失量对比见图1.从流域目前的土地利用现状可知,流域属于吉林省中、东部低山丘陵区,带有这一地区普遍的特性,开垦历史悠久,已达百年以上,垦殖指数在20%左右;另外,坡耕地较多,这部分坡耕地耕作粗放,缺少水土保持措施,土壤侵蚀严重.流域内坡度在16°以上的严重侵蚀陡坡占全区耕地面积的17%左右,加之降雨量大,故有很大的侵蚀危险性.水土流失增加了土壤流失量,当然这些地区天然次生林较多,植被覆盖率亦较高,就目前水土流失情况看,尚属中度的面蚀和沟蚀,仅局部地方侵蚀较严重.如辽源地区,根据辽源水土保持站观测,7°的坡耕地土壤流失量为3300t/(km2·a),12°的坡耕地流失量为4550t/(km2·a).吉林市所属各县明显的土壤侵蚀地区占总面积的42.5%,遭受侵蚀的耕地面积占总耕地面积的23.2%.同时,水土流失带来大量泥沙进入湖区内,这不仅影响了水库的库容,而且将缩短水库的使用寿命.丰满发电厂建厂时,设计泥沙入库量为每年145万t,可运行1000年;而20世纪80中期以后,每年淤积到松花湖内的泥沙达525万t,是建厂设计允许值的3.6倍;进入90年代,泥沙入库量有增无减,每年高达700万t,按现在入库量理论递增数推算,再过100多年则将淤死死库容,届时形不成落差,将无法发电.3.3污水废水来源及污染源从三湖的水质监测情况看,松花湖的水质污染较重.通过对松花湖多年监测数据的分析,湖水中主要污染指标是高锰酸盐指数、总磷、非离子氨、NO2-N、NO3-N及重金属Pb.以松花湖1997年监测数据与1989年监测数据进行比较(见表2),可以看出松花湖水质的变化情况.按GHZB1-1999《地面水环境质量标准》进行评价,沙石浒断面和大丰满断面水质1989年与1997年均为Ⅲ类,主要污染物由高锰酸盐指数变为总磷;辉发河口断面水质1989年与1997年均为Ⅳ类,主要污染物由高锰酸盐指数变为总磷;桦树林子断面和小荒地断面水质1989年为Ⅲ类,1997年降低到Ⅳ类水质,主要污染物也是由高锰酸盐指数变为总磷.由此可见,入湖河流水质较差,而且影响湖区水质恶化的主要污染物已逐渐转向总磷.松花湖的水质污染主要来自区内大、中型工业企业、乡镇企业的污水,城镇、乡村的生活污水及农业活动带来的污染.(1)点污染源.桦甸、磐石、东丰、柳河、梅河口、辉南及蛟河等7个县、市的工业废水、生活污水通过松花江干流白山至丰满段、木箕河、辉发河、漂河、拉法河等5条河流汇入松花湖,这7个市县的企事业单位排放的废水总量80年代为4864万t/a,其中工业废水量达3763万t/a,约占总量的77.4%,主要污染物为CODcr;90年代以来,流域内各市县采取了不同的处理设施或排放方式,大大减轻了对松花湖入湖废水的排放,使流域内废水排放总量在90年代减少为3290.4万t/a,其中工业废水2512.6万t/a,约占总量的76.4%,说明点源污染正在得到初步的控制.(2)非点源污染.湖泊非点源污染的产生主要源于水土流失和农业对化肥、农药的使用,具有范围广、污染负荷量大、难以监测和不易控制等特点.随着环境治理力度的不断加大,点源污染得到了较为有效的控制,非点源污染正逐渐成为湖泊水质污染的首要原因.湖区坡耕地水土流失带走大量泥沙和土壤养分,每年流失全氮3414.75t,全磷1020.46t,钾8561.31t,有机质64914t.坡耕地平均流失全氮10.007t/km2,全磷2.990t/km2,全钾25.089t/km2,有机质190.230t/km2.这些营养物质通过152条大小河流输入松花湖,也对湖水造成污染.化肥、农药的使用逐年增加,对湖水造成严重污染.60年代湖区耕地化肥施用量为30~45kg/hm2,70年代为150~225kg/hm2,80年代为375~450kg/hm2,而1993年高达682.5kg/hm2;其中,作为商品粮主要基地的辉南县、磐石市、梅河口市的平均化肥施用量已达812.7kg/hm2,873kg/hm2和1017kg/hm2,远远超过了世界的平均使用量94.5kg/hm2.根据农业长期定位实验的结果,化肥平均利用率仅在27%~30%之间,氮肥流失率超过60%(1993年,辉发河流域6个市县的氮肥使用量达174345t(实物量)),在损失的60%中,除去地表物质的截留和基本植物的吸收利用,将有20%左右汇入河流.按此方法计算,仅辉发河1993年接收的氮肥为20912t.按化肥的含氮量40%计,流入湖内的氮约为8300t.农药的利用率在10%左右,除了向大气的挥发外,大部分洒落土壤或以其他方式进入土壤,因此在土壤流失过程中就会有大量农药入湖,仅蛟河、桦甸两市每年就有近千吨农药流失进入松花湖.3.4鱼类数量减少三湖流域动、植物资源丰富,但是由于砍伐森林等人为活动的破坏干扰和保护管理不力,盗伐珍贵树种、偷猎保护动物、肆意乱捕滥猎乱采现象时有发生,使野生生物种群数量大为减少,有些大型珍贵动物濒临绝迹,再也不见昔日那种“棒打獐子、瓢舀鱼、野鸡飞到饭锅里”的景象.例如,三湖流域鱼类约有56种,常见的有48种,由于水质污染及过量捕捞,使一些鱼类绝迹退化,大白鱼在20世纪70年代有三尺多长,80年代一尺长,而90年代仅半尺长.4水土保持措施松花江三湖流域处于长白山生态的核心地段,三湖水域和森林保护不好,将直接破坏长白山生态结构,吉林省的经济发展也将受到影响.随着人口的增加及经济的发展,土地利用模式不断变化,而土地利用的变化又导致生态环境的恶化,使区域人类生存环境和经济可持续发展受到影响.对现有的耕地,坡度在5°~15°的,采取培堤埂、修梯田、种植物带等水土保持措施;坡度在15°以上的,应限期停耕还林.在湖、河岸的侧蚀较重的区段,要修建丁字坝、防护堤等;在临湖侵蚀区应严禁新修旅游设施,对已建成的要清理整顿;迎湖面严禁建采石场,现有的要停止作业,采取措施弥补植被、土壤的破坏.控制森林的采伐量,重视采伐后的造林工作.同时在流域内,重点抓好对个体冶金企业的控制,