环境科学研究  2020, Vol. 33 Issue (5): 1206-1213  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2020.05.01

引用本文  

李春华, 叶春, 高尚超, 等. 关于在长江经济带布局以水质改善为目标的流域生态缓冲体系的思考[J]. 环境科学研究, 2020, 33(5): 1206-1213.
LI Chunhua, YE Chun, GAO Shangchao, et al. Layout of Watershed Ecological Buffer System Aiming at Water Quality Improvement in the Yangtze River Economic Belt[J]. Research of Environmental Sciences, 2020, 33(5): 1206-1213.

基金项目

国家水体污染控制与治理科技重大专项(No.2012ZX07101-009);长江干流及典型城市环境保护综合方案与管理平台研究项目(No.2019-LHYJ-10-0211)
National Major Science and Technology Program for Water Pollution Control and Treatment, China (No.2012ZX07101-009); Research Project of Comprehensive Scheme and Management Platform for Environmental Protection of Yangtze River Mainstream and Typical Cities, China (No.2019-LHYJ-10-0211)

责任作者

叶春(1970-), 男, 江西九江人, 研究员, 博士, 主要从事湖泊富营养化治理和生态恢复理论与技术研究, yechbj@163.com.

作者简介

李春华(1977-), 女, 山东潍坊人, 研究员, 博士, 主要从事湖泊生态修复理论与技术研究, 297535203@qq.com

文章历史

收稿日期:2020-01-28
修订日期:2020-02-29
关于在长江经济带布局以水质改善为目标的流域生态缓冲体系的思考
李春华, 叶春, 高尚超, 魏伟伟, 郑烨    
中国环境科学研究院, 湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室, 国家环境保护湖泊污染控制重点实验室, 环境基准与风险评估国家重点实验室, 北京 100012
摘要:生态缓冲带能够有效减缓流域内的人类活动或自然过程对水环境和水生态系统的影响.在长江经济带构建流域生态缓冲体系,对长江生态保护修复具有十分重要的意义.讨论了构建流域生态缓冲体系涉及的生态缓冲带位置选择、缓冲体系所占最低面积比率、宽度划定等一些基本的原则要求;利用卫星遥感影像数据,提取各汇水单元的地形特征、土地利用类型特征、土壤类型、土壤侵蚀强度、水文水系等数据,对长江经济带流域生态缓冲体系进行布局.结果表明:①长江经济带内林草地是主要土地利用类型,占区域总面积的62.46%,但是分布很不均匀,主要集中在西部高地和中下游的丘陵地带,在人口密集、农田密集的区域分布偏少;城镇用地主要集中在长江中下游地区.②土壤类型空间差异显著,浙江省、江苏省、湖南省、江西省及安徽省大部分区域的土壤多是黏性比较大,污染物迁移能力较低;而污染物迁移能力较强的砂质土或者土层较薄的山地草甸土主要分布在四川省北部、西北部.水力侵蚀、风力侵蚀和冻融侵蚀均有分布,且以水力侵蚀为主,建议在中度及以上侵蚀强度区域尽量减少污染源,重点布置缓冲带,增加该区域的缓冲力度.③长江经济带范围内可以利用的中小型湿地、小型河流支浜的面积至少有1.4×104 km2,再结合林草缓冲带,就可以形成一个生态缓冲体系.④在土地利用类型分布结果基础上,叠加土壤侵蚀强度和水系分布,将污染源区、中度及以上侵蚀强度区、水体区作为缓冲对象,建立缓冲体系的重点区域,总面积约14.26×104 km2,占长江经济带总面积的6.95%.对照欧美地区的研究,6.95%的缓冲体系面积占比是偏低的,需要在长江经济带开展深入研究来确定适宜的缓冲体系面积比,推进长江经济带流域生态缓冲体系的构建.
关键词长江经济带    流域生态缓冲体系    生态保护    缓冲带    
Layout of Watershed Ecological Buffer System Aiming at Water Quality Improvement in the Yangtze River Economic Belt
LI Chunhua, YE Chun, GAO Shangchao, WEI Weiwei, ZHENG Ye    
State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control, National Engineering Laboratory for Lake Pollution Control and Ecological Restoration, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
Abstract: Ecological buffer zone can effectively buffer or reduce the impact of human activities or natural processes on the water environment and water ecosystems. In order to protect and restore the Yangtze River enviornment, it is of great significance to construct an ecological buffer system at the watershed level with various buffers as the main body. The concept of watershed ecological buffer system is put forward in the paper, and the principles of setting watershed ecological buffer system from the aspects of the location selection, the minimum area ratio in the whole watershed, and the delimitation of the width of ecological buffer zone, are elaborated. Based on the water environment target of the Yangtze River Economic Belt, using satellite remote sensing image data such as topography characteristics, land use type characteristics, soil type, soil erosion intensity, hydrological system, etc., to study the layout of the ecological buffer system in the Yangtze River Economic Belt. The results show that: (1) In the Yangtze River Economic Belt, forest-grassland is the main land use type, accounting for 62.46% of the total area, but forests and grasslands are distributed unevenly, mainly in the western highlands and the hilly areas of the middle and lower reaches, but in the densely populated and farmland intensive areas, they are relatively low. The urban land is mainly concentrated in the middle and lower reaches of the Yangtze River. (2) The spatial distribution of soil types is significant difference. Most soils in Zhejiang Province, Jiangsu Province, Hunan Province, Jiangxi Province and Anhui Province are relatively cohesive, with low migration ability for pollutants. Sandy soils with strong migration ability of pollutants or the mountain meadow soils with too thin soil layer are mainly distributed in the north and northwest of Sichuan. Hydraulic erosion, wind erosion and freeze-thaw erosion are all found in the Yangtze River Economic Belt, and hydraulic erosion is the dominat type. In areas with moderate and higher erosion, buffer zones should be setup to reduce pollution transfer. (3) This study shows that there are at least 14, 000 km2 of small and medium-sized wetlands and small rivers in the Yangtze River Economic Belt, which can form an organic combined ecological buffer system by combining these buffer elements with the forest and grass buffer zones. (4) The key area of the watershed buffer zone is about 142, 600 km2, accounting for 6.95% of the total area of the Yangtze River Economic Belt, which inludes the buffer zones around lakes and reservoirs, farmland and towns, erodible areas and areas where pollutants are easy to migrate. Compared with the research of European and American countries, 6.95% of the buffer system area is relatively low. It is necessary to carry out in-depth research in the Yangtze River Economic Belt to determine the appropriate buffer system area ratio, and carry out pilot demonstration, improve the coverage of the river basin ecological buffer system in the Yangtze River Economic Belt according to local conditions, and promote the construction of the river basin ecological buffer system in the Yangtze River Economic Belt.
Keywords: Yangtze River Economic Belt    watershed ecological buffer system    ecological protection    buffer zone    

生态缓冲带作为一种保护隔离措施,被广泛应用于水土侵蚀控制、水质保护、城市园林绿化等[1-4],可以有效缓冲或减轻人类活动和自然过程对保护目标的干扰[5-7].我国的生态缓冲带概念始于“九五”期间的湖泊治理工作并逐渐推广应用,已经从最初的模糊概念逐步发展形成了一系列的理论及成套技术,在我国湖泊生态保护修复中发挥了重要作用[8-11].然而,与欧美地区相比,我国的生态缓冲带重视程度还有待提高,主要表现在其类型还不够丰富、覆盖面积比还比较小[12-14].欧美地区的生态缓冲带不仅有农田缓冲带、防风缓冲带、河岸缓冲带、牧场缓冲带,在较大流域内还有流域生态缓冲带,围绕同一个保护目标,多种类型的缓冲带相互联系、共同作用,从而形成一个有效的流域生态缓冲体系[15-16].流域生态缓冲体系可以定义为基于水体功能和环境保护目标,以流域主要水体为保护核心,以污染源—输移过程—受纳水体为路径的水污染物全过程缓冲、阻控的生态保护修复措施在流域的空间布局.这种缓冲体系包括但不限于湖泊水库生态缓冲带、河滨缓冲带、农田周围的植被缓冲带、海绵城市配套的植被缓冲带、湿地生态工程、农田污染生态拦截工程等.

长江经济带覆盖上海市、江苏省、浙江省、安徽省、江西省、湖北省、湖南省、重庆市、四川省、云南省、贵州省等11个省市,人口稠密、经济较为发达,在占全国21.4%的国土面积上,集聚了全国42.7%的人口、41.2%的GDP,长江经济带在区域发展总体格局中具有重要战略地位[17].长江经济带具有面积跨度大、土地利用复杂的特点,不成体系的零散设置的生态缓冲带是远远不足以满足长江大保护的时代需求,需要应用流域缓冲体系的理念,构建长江经济带流域缓冲体系,从流域层面进行规划,才能起到事半功倍的效果.

基于此,该研究以长江经济带为研究区域,分析影响大型流域缓冲体系构建的主要影响因素;利用卫星遥感影像数据,提取各子流域的地形特征、土地利用类型特征、土壤类型、土壤侵蚀强度、水文水系等信息,通过叠加筛选最终确定长江经济带流域缓冲体系的重点区域,以期为长江流域的整体规划、生态保护提供科学依据.

1 流域生态缓冲体系设置原则

流域生态缓冲体系的设置需要根据流域地形地貌特征、植被特征、流域生态目标等,考虑流域生态缓冲体系功效的影响因素,满足位置选择、缓冲带面积与流域面积比、缓冲带宽度等一些基本的原则要求.

1.1 生态缓冲带的位置选择原则

生态缓冲带的位置决定其效果,缓冲带位置的选取要充分考虑缓冲带的主要目的.基于对国内外生态缓冲带研究的总结[18-21],以水质改善为目的的缓冲带位置选择原则如下:①为防止污染物直接进入水体,需在近河流、湖库区设置缓冲带;②缓冲带设置于流域上游比设置于流域下游或接近水体边缘更有效;③在污染源发生点位周围需设置缓冲带;④缓冲带宜设置在暴雨汇流区、洪水泛滥区;⑤高强度土壤侵蚀区需设置缓冲带.

1.2 流域生态缓冲体系的面积占比原则

为了保证生态缓冲带能够充分发挥缓冲、拦截与阻控的生态保护作用,根据整个流域面积,确定合适的流域缓冲带面积占比是十分重要的.美国研究者在23个水体子流域对流域缓冲带面积占流域面积比例(10%、20%、30%、40%、50%)与水体水质进行了相关性研究,结果表明,随着流域缓冲带面积比的增加,水质与缓冲带面积之间呈显著正相关[22].当流域缓冲带占流域面积比增至30%以后,即30%~50%的流域缓冲带面积增加,虽有助于水质改善,但是改善的边际效应快速递减,存在一个拐点.因此,考虑到环境保护与土地利用、经济发展之间的平衡,流域生态缓冲体系占整个流域面积比最好设置在这个拐点范围.该比例关系与流域的开发强度、单位面积的污染产生量也有密切关系.森林或林地覆盖率高的区域,该比例可以采用缓冲带面积与污染流出负荷高的土地利用面积之比.由于我国人口密度高、污染负荷也相对较高,污染越重的区域,理论上而言,需要的流域生态缓冲体系占比可能更高,但是,通过加强缓冲带的生态建设、提高缓冲带环境功能,也可以相应地减少流域生态缓冲体系的面积占比.流域生态缓冲体系面积占整个流域面积的比例是一个非常重要的参数,在长江经济带该比例的取值需要开展深入的研究来确定,这对构建长江经济带生态缓冲体系具有重要指导意义.

1.3 生态缓冲带的宽度划定原则

流域生态缓冲体系是由多个缓冲带单元组成的,每个缓冲带单元应该根据保护目标的功能,各自设置合理宽度,也即流域生态缓冲体系中不同类型的生态缓冲宽度不应该是完全一致的.划定各缓冲带单元宽度的主要原则包括:①水体环境质量要求越高,需要的保护程度就应该越高,因此水体环境质量要求越高的水体应该具有更宽的缓冲带;②污染强度高的区域应该设置更宽的缓冲带;③流域的经济发展水平越高,往往区域开发强度越高,通常对应较高的污染压力和人口密度,因此经济发达区域比欠发达区域需要更宽的生态缓冲带;④在同等或类似经济发展水平下,流域面积越大,最终进入水体的污染负荷量也越大,因此,通常在大流域面积内需划定更宽的缓冲带范围;⑤流域的土壤类型及土壤侵蚀强度直接关系到污染物的迁移扩散速率.应综合考虑土壤类型和土壤侵蚀强度,评估污染物随降雨径流进入水体的通量和强度,来确定生态缓冲带的宽度.一般而言,土壤侵蚀强度越大,需要的缓冲带宽度越大.

2 长江经济带流域缓冲体系构建要素分析

长江经济带横跨我国东、中、西三大区域,区域发展、土地利用以及生态环境等复杂多样,需要对不同区域内水体环境目标、土地利用分布特征、土壤类型与土壤侵蚀程度等要素进行分析,为长江经济带生态缓冲体系构建提供科学依据.

2.1 长江经济带水体环境目标

近年来,长江经济带城镇化和工业化的高速增长也带来了巨大的生态环境压力,湖泊湿地生态功能退化、江湖关系紧张、环境污染加剧、资源约束趋紧已成为阻碍长江经济带高质量发展的重要因素,因此长江经济带各省市纷纷出台日益严格的水环境治理保护政策.据统计,长江经济带各省市设定的2020年县级以上集中式饮用水水源地达标率目标,除了上海市为75%以外,其余省市均在90%以上;对于重要河湖水功能区的达标率,上海市、浙江省目标较低,均为78%;其余省市目标均大于80%(贵州省无数据);对于城市黑臭河道及劣Ⅴ类(GB 3838—2002《地表水环境质量标准》)水体治理目标,根据各省市的“十三五”环境保护规划,除江西省、安徽省、湖北省外(重庆市无数据),均力争在2020年消除城市黑臭水体以及劣Ⅴ类水体;在水质达标方面,各省市的“十三五”环境保护规划均提出了到2020年地表水断面达到或优于Ⅲ类的比例目标,安徽省、江苏省和云南省目标均低于80%,其余省市目标均超过80%,浙江省目标最高,为100%[23].这些目标,一方面表明长江经济带11个省市的水环境治理压力很大,各省市都存在黑臭和劣Ⅴ类水体,治理目标都包含针对点状的重点对象;另一方面也可看出,关注的是水质目标,缺乏区域和小流域层面的整体生态保护修复措施,也缺乏统筹长江经济带上下游省市的协同作战.对于以水质改善为目标的生态保护与修复,设置流域生态缓冲体系是可行的,也是十分重要的解决途径.

2.2 长江经济带土地利用分布特征

土地利用可以反映人为活动与自然环境之间的联系[24],人为活动改变了流域土地利用结构,土地利用类型与污染源类型及源强具有高度相关性[25-26].该研究采用分辨率为1 km的卫星影像数据进行分析,长江经济带(总面积205×104 km2)土地利用类型分布见图 1,各类林草用地(有林地、灌林地、疏林地、其他林地、高覆盖草地、中覆盖草地、低覆盖草地)是主要利用类型,共占62.46%,农用地(旱地和水田)占30.30%,水域面积仅占2.43%,城镇用地占0.86%.

图 1 长江经济带土地利用类型分布 Fig.1 Distribution of land use types in the Yangze River Economic Belt

长江经济带各种土地利用类型存在明显的空间差异性,农用地主要集中在四川省、湖北省、安徽省和江苏省.城镇用地主要集中在各省市的大中城市,尤其是长江中下游区域.林地面积覆盖率较高的有云南省、浙江省,草地和永久性冰川雪地主要集中在四川省西北部.从子流域单元看,林草用地占比较高的依次是雅砻江流域(86.76%)、清江流域(85.68%)、金沙江流域(81.85%),较低的是长江干流区间(38.08%)、嘉陵江流域(53.33%).农用地占比较高的是长江干流区间(47.04%)、嘉陵江流域(44.04%),占比较低的为沱沱河流域(0)和通天河流域(0.001%).湖泊主要分布在长江中下游地区,很多湖泊水库周边环绕有农田和城镇.

长江经济带区域高程(EGM96高程基准)分布见图 2.长江经济带地势西高东低,西北部最高,海拔在6 000 m以上的区域主要集中在四川省西北部,很多地区是永久性冰川雪地;其次是西南部的云贵高原(2 000~4 000 m);长江中下游地区大都在几十米到几百米,浙江省、江西省、湖南省属于多丘陵地带.上游林草用地占比较大,一方面减少了污染负荷的流出,另一方面也有利于涵养水源.林草地占比较大,可以减少缓冲带设置面积.结合土地利用类型分布可知,虽然整个长江经济带中林草用地面积占比超过60%,但是主要集中在西部高地和中下游的丘陵地带,这些地区经济欠发达,环境污染相对较轻;而在人口密集、农田密集的区域林草地分布偏少.分析长江经济带的土地利用类型有助于考虑流域缓冲体系的布局.流域生态缓冲体系设置的重点区域主要在河流湖库水体(保护对象)周边,农田、城镇(重点面源污染防治对象)周边污染流出路径和关键节点,尤其是环绕农田和城镇的湖库周边更是重点区域.根据高程可以从宏观上判断长江流域和各子流域的水流方向,在水流(尤其是降雨漫流)流出的垂直方向和关键节点设置缓冲带.

图 2 长江经济带高程分布 Fig.2 Elevation distribution map of Yangtze River Economic Belt
2.3 长江经济带土壤类型及侵蚀强度分布特征

长江经济带土壤类型分布见图 3,主要土壤类型有37种,包括红壤(占区域总面积的21.4%)、水稻土(占区域总面积的16.3%)、紫色土(占区域总面积的10.5%)、黄壤(占区域总面积的10.0%).由于长江经济带跨度和面积都比较大,各省市的主要土壤类型也有较大差别,如安徽省以水稻土(占省面积的28.0%)、砂姜黑土(占省面积的15.0%)为主;贵州省以黄壤(占省面积的42.0%)、石灰土(占省面积的25.0%)为主;湖北省以黄棕壤(占省面积的33.0%)、水稻土(占省面积的25.0%)为主;湖南省以红壤(占省面积的46.0%)、水稻土(占省面积的23.0%)为主;江苏省以水稻土(占省面积的39.0%)、潮土(占省面积的34.0%)为主;江西省以红壤(占省面积的66.0%)、水稻土(占省面积的23.0%)为主;上海市以水稻土(占全市面积的74.0%)、潮土(占全市面积的20.0%)为主;四川省以紫色土(占省面积的20.0%)、黑毡土(占省面积的15.0%)为主;云南省以红壤(占省面积的31.0%)、赤红壤(占省面积的14.0%)为主;浙江省以红壤(占省面积的46.0%)、水稻土(占省面积的25.0%)为主;重庆市以紫色土(占全市面积的32.0%)、黄壤(占全市面积的28.0%)为主.

图 3 长江经济带土壤类型分布 Fig.3 Distribution of soil types in the Yangtze River Economic Belt

由上述土壤类型空间分布情况可知,浙江省、江苏省、湖南省、江西省及安徽省大部分地区是黏性较大的土壤,污染物迁移能力较低;而污染物迁移能力较强的砂质土或者土层较薄的山地草甸土主要分布在四川省北部、西北部;风化程度较大的紫色土主要分布在四川盆地和云贵高原.

土壤侵蚀强度与土壤类型有一定的相关性[27].由图 4可见,就整个长江经济带来看,水力侵蚀、风力侵蚀和冻融侵蚀均有分布,且以水力侵蚀为主.水力侵蚀较强的区域位于重庆市、四川省,其他大部分区域属于微度、轻度水力侵蚀.风力侵蚀集中在四川北中部山地丘陵区.冻融侵蚀主要分布在四川西部冰川雪山区,以轻度为主. 3种类型的侵蚀面积,按强度分,中度及以上侵蚀面积占总面积的14%,轻度侵蚀占15%,微度侵蚀占71%.

图 4 长江经济带土壤侵蚀强度分布 Fig.4 Distribution of soil erosion intensity in the Yangtze River Economic Belt

设置流域缓冲体系关注的是缓解面源污染流出对水体的影响.污染负荷的流出与土壤类型、土壤侵蚀强度、高程(坡度)分布密切相关,相关关系也比较复杂.美国农业局在《保护缓冲带:缓冲带、廊道和绿色通道设计指南》中总结了污染物迁移与土壤类别、土壤侵蚀强度、坡度的经验曲线,属于多元回归方程.我国也需要开展相关研究工作,才能满足精准治污、科学治污的要求.目前,长江流域林草用地分布比例较高的地区也是易于侵蚀的地区,在上游区域也在实施退耕还林还草工程.建议在中度及以上侵蚀强度区域退耕还林还草,尽量减少侵蚀和污染物流出,如果目前很难减少,如四川盆地的农田区,则需要重点布置缓冲带,增加该区域的缓冲力度.

2.4 长江经济带可利用的缓冲要素

长江经济带水资源比较丰富,具有河网交错的特征,可利用流域内广泛分布的林草地、中小型湿地、小型河流支浜等科学构建生态缓冲体系,也即缓冲要素不局限于污染负荷流出路径上的林草地,还应该充分利用中小型湿地、小型河流支浜等要素,以提高流域缓冲体系的污染物净化能力和抗暴雨冲击负荷的能力,更大限度地发挥缓冲带功能,达到提升长江经济带区域水环境质量的目的.

根据土地利用类型统计结果,长江经济带水面面积共计4.95×104 km2,而可以利用的中小型湿地、小型河流支浜的面积至少有1.4×104 km2,这些缓冲要素结合林草缓冲带,就可以形成一个有机联合的缓冲体系,成为长江主动脉下面无数的毛细血管和保护层.

3 长江经济带流域缓冲体系重点区域布局

在土地利用类型分布基础上叠加土壤侵蚀强度和水系分布,将污染源区、中度及以上侵蚀强度区作为重点防治区域,水体作为重点保护对象,分析构建缓冲体系的重点区域,得到长江经济带流域缓冲体系重点区域布局(见图 5).由图 5可见,长江经济带流域缓冲体系重点区域主要分布在水体周边、集中农田区、集中城镇以及土壤侵蚀度较高区域的水流(尤其是漫流)路径和关键节点,总面积约为14.26×104 km2,占长江经济带总面积的6.95%,该比例明显偏低.除了这些重点区域,在具体实践中还应该详细分析当地的污染源发生区、暴雨汇流区、洪水泛滥区等,因地制宜地提高长江经济带缓冲体系的覆盖度,推进长江经济带流域缓冲体系的构建并有效发挥作用.

图 5 长江经济带流域缓冲体系重点区域布局 Fig.5 Layout of key regions in the watershed buffer system of Yangtze River Economic Belt

长江经济带流域缓冲体系设置建议:以子流域结合行政单元分别进行设计,需要对子流域或者各省市进行详细的土地利用类型调查、污染源溯源分析、可利用缓冲要素勘察,再逐一确定,最终规划构建长江经济带流域生态缓冲体系的布局.为了确保设置方法的规范性,建议基于长江流域特点,统一部署,纳入长江经济带保护“十四五”规划中统筹进行.

4 结论

a) 构建流域生态缓冲体系是长江经济带生态保护修复的重要措施.长江经济带区域跨度较大,自然条件、社会经济发展、生态环境等存在明显的空间异质性,因此充分考虑各区域的特征,开展各种类型的生态缓冲带建设,并从流域层面统筹规划设置长江经济带生态缓冲体系是十分必要的.

b) 构建缓冲体系可利用的缓冲要素包括中小型湿地、小型河流支浜和林草带.根据土地利用类型统计结果,长江经济带可以利用的中小型湿地、小型河流支浜的面积至少有1.4×104 km2,这些缓冲要素结合林草缓冲带,就可以形成一个有机联合的生态缓冲体系.

c) 在利用土地利用类型分布基础上,叠加土壤侵蚀强度和水系分布,可以解析构建缓冲体系的重点区域.长江经济带流域缓冲体系重点区域总面积约14.26×104 km2,占长江经济带总面积的6.95%,对照欧美地区的研究,该值偏低,需要在长江经济带开展深入研究来确定适宜的缓冲体系面积占比,因地制宜地提高长江经济带缓冲体系的覆盖度.

d) 对于长江经济带流域缓冲体系的研究还需深入展开,逐渐丰富其内涵,进行大范围的试点示范研究,推进长江经济带流域缓冲体系尽快落地.另外,构建缓冲体系的同时,还需要积极开展生态缓冲带内的生态保护、修复和建设工作,提高缓冲能力,才能切实发挥缓冲效果.

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