快速城市化下广州市天河区水塘的生态环境质量评价

王瑾, 程炯, 李铖

快速城市化下广州市天河区水塘的生态环境质量评价

王瑾, 程炯*, 李铖

广东省生态环境技术研究所, 广东省农业环境综合治理重点实验室, 广州 510650

快速城市化对城市及其周边的水体景观和生态环境产生了一定影响, 尤其是在城乡结合部, 水体景观的消失和水环境问题日益严重。在快速城市化的影响下, 水塘逐渐消失或者被填埋, 同时其生态环境质量也受到了严重的影响。以广州市天河区为例, 根据研究区水塘的生态现状, 从水塘结构、水体质量、沉积物污染状况和水塘景观视觉4个维度构建评价指标体系, 运用层次分析法和综合指数法对天河区水塘的生态环境质量状况进行评价。结果表明: (1)水塘结构结果表明, 研究区域内大多数水塘易受到外围环境的干扰, 且其自我恢复能力较弱。(2)水塘水质高低与城市化程度呈现负相关。(3)水塘沉积物危害程度随城市化程度自Ⅰ至Ⅳ呈现降低趋势。(4)水塘的综合生态环境质量与城市化程度呈现负相关, 即城市化程度越强, 水塘生态环境质量越差。天河区郊区受城市化影响较小, 水塘的综合生态环境质量较好。

水塘; 生态环境质量; 综合指数法; 天河区

1 前言

根据塘保护组织(Pond Conservation Group)对水塘的定义, 水塘是一个面积在几平方米到几公顷之间, 一年中连续四个月都有水的区域, 有年内和年际间的干湿交替, 根据其形成原因有自然塘和人工塘之分[1]。水塘不仅是一种重要的地表水资源, 而且在生物多样性方面也异常丰富[2]。它能够为水生生物提供栖息地, 还具有一定的生态服务功能, 例如蓄水功能、营养储存功能、水文调节功能、野生动植物保护和研究功能等[3]。

大量的研究证明, 水塘在生态系统生物多样性、生态功能和生态服务方面有着重要的意义[4–8]。在有着众多水塘景观的欧洲国家, 越来越多的学者逐渐意识到水塘在欧洲景观中的独特生态价值和历史文化价值[9]。为此还成立了欧洲塘保护网络(EPCN, European Pond Conservation Network), 并针对水塘保护方面的科学研究项目和计划进行定期的学术交流, 主要关注水塘的保护和管理、塘的类型、水塘在景观中的功能和服务以及水塘的生物多样性等方面。

水塘既是地表养分污染的关键汇区, 又是调节城市小气候的关键源区, 在城市中起着极其重要的生态作用[10]。但是, 随着快速城市化发展, 水塘依旧面临着人类活动带来的各种各样的威胁[11–12], 水塘的数量大幅度减少, 水塘的生态功能也受到极大的破坏。尤其在城市化最直接、最敏感的区域——城乡结合部, 水塘的流失和水环境问题日益突出。如何保护和管理剧烈人类活动下的塘成为国内外学者研究的热点。目前关于水塘的研究主要是针对村塘的格局及其动态变迁[13–17]、塘的保护和管理、自然池塘的生物多样性监测、生境评价等方面[18–21], 对水塘的生态环境质量评价关注很少[22]。基于此, 本文选择具有代表性的区域——广州市天河区城乡结合部, 对快速城市化背景下水塘生态环境质量进行评价, 以期为水塘的保护和管理以及水环境治理提供政策依据。

2 材料与方法

2.1研究区域

研究区为广州市天河区, 该区位于广州市城市中心区(113°16′15″—113°26′30″E, 23°6′00″—23°14′45″N) (图1)。东到吉山狮山、前进深涌一带, 与萝岗区、黄埔区相连; 南到珠江, 与海珠区隔江相望; 西到广州大道与越秀区相接; 北到筲箕窝, 与白云区相邻。研究区下辖21个行政街道, 行政区域总面积约137.4 km2, 占广州市总面积的1.8%; 常住人口144.7× 104人, 地区生产总值(GDP)2394.8×108元, 连续6年位居全市各区(市)之首[23]。

研究区内水塘共130个, 面积约为1.86 km2。按功能划分, 主要类型为养殖塘、景观塘、风水塘和灌溉塘[24]。其中, 灌溉塘5个, 主要分布在凤凰街道和龙洞街道; 养殖塘10个, 主要分布在凤凰街道和新塘街道; 其余均为景观塘和风水塘, 上述两者较为均匀的分布在研究区域内。

2.2研究方法

2.2.1 数据来源及处理

基于2010年12月20日获取的Spot5遥感数据,运用Erdas9.3对影像进行辐射校正、几何校正、影像融合、影像裁剪和图像增强等处理, 最后运用eCognition(易康)软件通过面向对象分类和目视解译相结合方法, 对城市水体景观进行识别和提取。面向对象的分类精度为94.85%, kappa系数达到了0.92。

天河区南北总长约为15000 m, 基于人口数、建成区面积和工业总产值数据, 分别选取3000 m、3500 m、4000 m、4500 m、5000 m作为缓冲半径进行梯度带划分, 梯度带划分结果表明, 当缓冲半径为3500 m时, 最能体现天河区由南向北人口数、建成区面积和工业总产值梯度下降的趋势。

因此, 以珠江为起点, 由南向北以距离3500 m为缓冲半径, 将天河区划分为4个梯度带, 分别是0—3500 m(Ⅰ)、3500—7000 m(Ⅱ)、7000—10500 m (Ⅲ)和10500—14000 m(Ⅳ)。其中, 第Ⅰ梯度带辖石牌街道、棠下街道、车陂街道和天河南街等10个街道; 第Ⅱ梯度带下辖五山街道、长兴街道和沙河街道等7个街道; 第Ⅲ梯度带下辖元岗街道、龙洞街道等3个街道; 第Ⅳ梯度带下辖凤凰街道。不同梯度带的人口数、建成区面积和工业生产总值按照从大到小均呈现: Ⅰ＞ Ⅱ＞ Ⅲ＞Ⅳ, 代表着不同程度的城市化水平(强: Ⅰ, 中: Ⅱ, 低: Ⅲ和Ⅳ)。本研究于2013年12月—2014年1月期间分别对4个城市化梯度上选取的16个水塘(Ⅰ: 6个, Ⅱ: 2个, Ⅲ: 4个,Ⅳ: 4个)的水质和底泥进行采样, 并且详细记录每一个水塘的地理位置、水体颜色、气味和水面污染状况等信息, 从而进行生态环境综合评价。

图1 天河区水塘采样点分布(a)和城市化梯度划分(b)Fig. 1 Sampling distribution of ponds (a) and the urbanization gradient in Tianhe District(b)

2.2.2 综合生态环境质量评价指标体系及关键数据获取

考虑到城市化对水塘的影响以及数据可获取性, 本研究从水塘结构、水体质量、沉积物环境和水塘景观视觉评价4个方面建立水体生态环境质量评价指标体系(表1), 综合分析天河区水塘的生态环境质量。其中, 使用层次分析法对因子层的权重进行赋值。

水塘结构的量化景观指数是定量分析景观的数据组成及其空间格局的常用且有效方法, 可分为斑块水平、类型水平和景观水平[25–31]。本研究在景观水平上选取斑块总面积(TA)和平均斑块形状指数(MSI)来表征水塘的面积和形状复杂程度。TA和MSI越大, 代表水塘面积越大, 形状越复杂。计算采样水塘的面积和形状指数并进行0—1标准化, 并对这两个指标进行等权重赋值, 相加之后得出最后的结构指数。

表1 天河区水塘生态环境质量评价指标体系Tab. 1 Indicators for the comprehensive environment quality assessment of ponds in Tianhe District

水塘水质评价测定的水质指标有: 总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH-N)、化学需氧量(COD), 其中,总氮(TN)经过硫酸钾氧化, 用紫外分光光度法进行测定; 总磷(TP)经过硫酸钾消解, 用钼锑抗分光光度法进行测定; 氨氮(NH-N)用钠氏试剂光度法进行测定; 化学需氧量(COD)的测定用重铬酸钾法。参照国家环境保护总局发布的《地表水环境质量标准(GB3838—2002)》, 对水质进行综合评价(表2)。本文中的水塘为一般景观要求水域及农业用水区, 参照V类水标准。最后采用综合营养状态指数法[32]对水塘水质进行综合评价。

水塘底泥质量评价在对16个水塘进行水质采样同时进行沉积物采集。使用手提式底泥采集器采集水塘底部0—10 cm表层沉积物, 重量为1 kg,并将样品中的沙砾、枯枝落叶和垃圾等杂物剔除,密封装在深褐色玻璃瓶中, 带回实验室进行分析。所测指标为锌(Zn)、铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)和砷(As)等八项指标。其中, 分别使用火焰原子吸收分光光度法(GB/T17138—1997, GB/ T17139—1997, HJ491—2009; Zn、Cu、Cr和Ni)、石墨炉原子吸收分光光度法(GB/T17141—1997; Cd和Pb)和氢化物发生原子荧光法(NY/T1121.10—2006; As和Hg)对元素进行化学测定。由于5个水塘底质硬化和淤泥被清理, 其底泥无法获取, 本研究采样线性插值法对缺失数据进行补充(R2=0.52, p＜0.05)。最后, 采用潜在生态危害指数法[33]对水塘底泥污染程度进行综合评价。

水塘景观视觉评价分析景观视觉评价就是指通过人对视觉的感受, 来对外界景物进行审美与评价的过程。本研究中以照片作为评价媒介, 通过打分的形式对研究区水塘景观的美学质量进行评价。为了尽可能减少人为的误差, 选择晴天对采样水塘景观进行拍摄, 总共拍摄了160张照片, 每个水塘都有将近10张照片, 包含水塘的全景和近景照。最后总共选择75张照片进行评价, 每个水塘3～5张。将所有照片以幻灯片的形式进行播放, 评价者根据自己的第一印象分别从视觉方面、美学方面和功能方面对幻灯片中的水塘景观视觉评价的各个要素进行打分。采用极好、好、一般、差和极差五个等级来评价, 并分别赋值为: 极好—5分、好—4分、一般—3分、差—2分、极差—1分。最后根据回收的问卷统计分数, 求平均值, 得出每个水塘的视觉评价得分。通过对问卷进行收集和整理, 得出最后的水塘景观视觉美学质量评分表。根据评价总分为35分计算, 按照极好(≥31.5分)、好(28—31.5分)、一般(21—28分)和差(＜21分), 来对水塘整体视觉质量进行分析。

2.2.3 综合生态环境质量评价

综合生态环境质量状况用综合指数EQIm来表示, 具体计算公式如下:

其中, EQIm表示单个水塘的生态环境质量指数, Qmn表示第m个水塘的第n个指标, Wn表示第n个指标的权重值。依据EQIm天河区水塘综合生态环境质量可分为5个等级, 见表3。

表2 地表水环境标准基本项目标准限值(部分节选)Tab. 2 Limits of standards for surface water environment (excerpt) 单位: mg·L-1

表3 天河区水塘生态环境质量评价分级标准Tab. 3 Standards of classification for the comprehensive ecological environment quality of ponds in Tianhe District

考虑到量纲不一致性对评价结果的影响, 在计算综合环境质量指数之前, 首先对水塘结构、水体质量、沉积物污染状况和水塘景观视觉评价结果分别进行0—1标准化。

对于正向指标(水塘结构、水塘景观视觉评价)的公式为:

对于逆向指标(水体质量、沉积物污染状况)的公式为:

其中, Qmn表示第m个水塘的第n个指标; Imn、Imin和Imax分别代表单个水塘单个指标的实际值、在所有水塘中该指标中的最小值和最大值。

3 结果与分析

3.1水塘结构分析

水塘结构指数结果详见图2, 7号水塘结构指数最大, 斑块形状复杂, 说明它抗干扰和自我恢复能力较强。而1号、3号、9—13号、15—16号水塘结构指数较小, 越容易受到外围环境中各种干扰的影响, 自我恢复能力较弱。

图2 各采样水塘结构指数Fig. 2 The structure index in each sample pond

3.2水塘水体质量分析

基于水质指标监测结果(表4), 按照地表水环境质量标准(GB3838—2002)和综合营养状态指数法(TLI), 16个采样水塘可划分为不同的营养化等级(表5)。综合营养状态指数值越小, 表征水塘水质越好, 受污染程度越低。结果显示(表5), 除了13号和16号水塘属于轻度富营养化, 其余的14个水塘都属于重度富营养化。11号水塘水质最差, 其综合营养状态指数(114.73)以及TN(81)、TP(7.78)和NH4+-N(59.5)浓度均最高。16号水塘水质最好, 其综合营养状态指数为55.06。10号塘和16号塘为风水塘和景观塘,富营养化水平普遍较差, 主要表现为: 水面呈现绿色, 有油膜且透明度较低(图3); 浮游藻类大量繁殖,形成“水华”现象(图4)。究其原因, 一方面是由于水塘周围多用砖石铺砌, 另一方面塘周围排污口较多,生活垃圾和生活污水大量排放, 破坏了原有水生生态系统正常循环过程和生物多样性, 降低了水体自我净化能力。

3.3水塘沉积物污染状况评价分析

表6显示, 各采样水塘底泥重金属含量的危害程度由高到低依次为: 11号＞8号＞4号＞1号＞6号＞14号＞7号＞15号＞10号＞9号＞16号。其中, 11号、8号、4号、1号和6号水塘底泥污染较严重, 潜在生态危害指数值均大于600, 11号水塘甚至高达为1659.1,重金属污染水平达到很强生态危害程度。7号和14号水塘底泥重金属污染程度属于强等生态危害, 潜在生态危害指数值为300—600。10号和15号底泥重金属污染程度属于中等生态危害, 潜在生态危害指数值为150—300。而9号和16号水塘底泥重金属污染程度最低, 属于轻微生态危害, 潜在生态危害指数值小于150。总体来看, 11个所采样塘中, 80%的沉积物危害程度属于轻微生态危害以上范畴。

表4 水塘水质指标浓度值Tab. 4 The concentrations of water quality indicators of ponds

表5 水塘水质分类及综合富营养状况Tab. 5 Water quality classification and comprehensive nutritional status of ponds

3.4水塘景观视觉评价分析

按水塘的主要功能来说, 主要有风水塘、景观塘、养殖塘、灌溉塘和山塘等类型。在研究区内风水塘和景观塘分布广泛, 本研究所选取的风水塘和景观塘大多邻近居民区或处于公园内, 与居民生产生活息息相关, 具有代表性。景观塘就是指以景观功能为主的观赏塘; 风水塘是岭南特色, 往往处于祠堂前与主要道路之间, 水体四周护岸一般硬质化,多为半月形、长方形等规则形状的塘[34]。

图3 11号水塘Fig. 3 The 11th pond

图4 “水华”现象Fig. 4 Water blooms

表6 各水塘沉积物中重金属的含量和潜在生态危害指数Tab. 6 The contents of trace metals in the sediments of ponds and their potential ecological risk index

表7 天河区水塘景观视觉美学得分Tab. 7 Scores of the visual aesthetic scores of ponds

表7显示, 4号水塘景观视觉得分最高(图5), 该水塘位于黄村街道内, 是一座景观塘, 水塘面积比较大, 形状也较规整, 周围还有不少娱乐设施, 水塘周围的植被类型也比较丰富, 总体上给人感觉很美。而得分最差的是9号水塘(图6), 该水塘位于凤凰街道的柯木塱背坪村内, 是一座山塘, 以前作为该村村民灌溉用水和生活用水的水源, 现如今成为无人管理的纳污池, 水面上漂浮着很多生活垃圾,如塑料袋、矿泉水瓶、木棍和泡沫等, “水华”现象严重。水塘周边分布有居民区, 菜地和垃圾堆, 第一眼给人感觉就是“脏、乱、差”, 与4号水塘形成鲜明的对比。根据水塘整体视觉质量评价等级来看, 等级为“好”的水塘只有1个; 等级为“一般”的水塘有4个; 等级为“差”的水塘有11个。总体来说, 这些水塘景观视觉评价质量并不高, 还需加大力度对水塘景观进行管理和改善。

图5 城中村内景观塘Fig. 5 A pond in urban fringe

图6 9号水塘Fig. 6 The 9th pond

3.5综合生态环境质量评价与分析

天河区16个采样水塘的4个分指标和综合生态环境质量指数见表8。表8显示, 这16个水塘的生态环境质量指数变化幅度比较大, 可分为5个等级。其中, 13号和16号水塘的生态环境质量状况良好,综合指数分别为0.9008和0.9087。13号水塘为风水塘, 长期以来水体遭受污染, 富营养化程度高, 水质为Ⅳ类, 部分指标超过Ⅴ类。在水塘采样之前, 该水塘进行过生态修复, 所以水塘生态环境质量有了很大改善。16号水塘为风水塘, 周围有水泥护堤, 植被类型较丰富, 水塘与居民区有一定的距离, 周围居民对该水塘进行了一定的保护和管理, 受城市化影响较弱, 使得该水塘的综合生态环境质量良好。7号和15号水塘的生态环境质量状况较好。由于自身结构的原因, 7号水塘结构指数最高, 使得该水塘的与外界交换能力较强, 受干扰能力和自我恢复能力较强。而且与居民区有一定的距离, 周围土地利用类型主要是以林地为主, 受人为活动干扰程度较低,所以其生态环境质量状况呈现较好的状态。3号、6号和14号水塘的生态环境质量状况一般。这3个水塘都是位于城中村内, 其中, 3号和14号属于风水塘, 6号为景观塘。水塘景观受破坏程度较低, 但是来自外界的压力还是比较大, 水塘系统本身的功能在逐渐退化, 自我调节能力较弱, 生态环境状况呈现一般的状态。1号、4号、5号、9号、10号和12号水塘的生态环境质量状况较差。这些水塘形状基本上都是呈正方形或者长方形等比较规整的形状, 水塘周围都排列着密密麻麻的排污口, 部分居民反映,一到夏天, 水塘发臭, 人都不敢靠近, 环境非常恶劣。2号、8号和11号水塘的生态环境质量状况极差, 尤其是2号水塘。这三个水塘的共同特点为水体质量差、沉积物污染状况严重, 在视觉评价方面,得分较低, 水面有油膜, 而且漂浮着大量的生活垃圾, 并且被居民区所包围, 建筑垃圾和生活污水直接排入水塘之中, 且无人管理和维护。

表8 天河区16个水塘综合生态环境质量Tab. 8 Comprehensive ecological environment quality of 16 ponds in Tianhe District

图7 Ⅰ号梯度带(A)、Ⅱ号梯度带(B)、Ⅲ号梯度带(C)和Ⅳ号梯度带(D)内水塘综合生态环境质量指数示意图Fig. 7 The picture of Comprehensive index of eco-environment quality in zone Ⅰ(A), zone Ⅱ(B), zone Ⅲ(C) and zone Ⅳ(D)

从空间角度出发, 对各采样水塘综合生态环境质量进行分析, 以探索其规律, 由图7可知, 综合生态环境指数得分在Ⅰ号区域内呈现“W”形, 各水塘的综合生态环境状况处于较差和极差的状态, 由于在该区域内, 受人为活动的影响极大, 土地利用类型以居住用地和商业用地居多, 水塘周围分布着密集的居民楼, 使得水塘的面积减少, 形状则趋于规整化, 且水塘周围的排污口星罗密布, 居民区内的生活污水和垃圾则直接排入水塘中, 造成水塘的生态功能退化, 生态环境质量恶劣, 对周围的人居环境有很大的影响。

在Ⅱ号区域内只有两个水塘, 周围土地利用类型以林地、居住用地和菜地为主, 受人为活动和地表径流的影响, 8号水塘生态环境质量状况较差, 然而由于7号水塘受干扰能力和自我恢复能力较强,故而呈现较好的状态。

在Ⅲ号区域内, 各水塘的综合生态环境质量状况也呈现“W”形。在该梯度内, 主要是城中村居多,各水塘的面积比较小, 形状比较规整, 自我恢复能力有所限制, 人为活动干扰程度比较严重, 外界压力较大, 造成该区域内水塘整体生态环境质量呈现极差的状态。

在Ⅳ号区域内, 水塘生态环境质量在这个区域内开始转好, 由城市中心区过渡到城郊地区, 水塘多为风水塘, 且和居民区有一定的距离, 四周和菜地相邻, 受人为活动的影响较弱, 使得该区域内水塘的生态环境质量呈现较好的状态, 同时也是在四个区域内是最好的。

4 结论

水塘的综合生态环境质量评价结果表明, 在城市化梯度下, 不同梯度带内由于受人为活动影响的强弱而导致水塘生态环境质量呈现不同的状态。

(1) 根据水塘结构计算结果得知, 所采样水塘中大多数水塘结构指数较小, 容易受到外界环境的干扰, 且自我修复能力较弱。

(2) 根据水塘水质结果分析, 所有水塘均呈现富营养化的状态, 水体受污染严重, 水塘水体质量高低与城市化程度呈现负相关。

(3) 根据潜在生态危害指数的计算结果得知,在所采样塘中, 80%的水塘沉积物危害程度属于轻微生态危害以上范畴, 水塘沉积物危害程度自Ⅰ至Ⅳ呈现降低趋势。

(4) 水塘的综合生态环境质量评价结果表明,水塘的综合生态环境质量与城市化程度呈现负相关。位于天河区郊区的第Ⅳ梯度带内水塘的综合生态环境质量比其余三个梯度带内的要好, 其主要是因为城市化程度较低, 受人类干扰活动较弱, 水塘的综合生态环境质量较好。

总体来看, 天河区水塘生态环境质量比较差。针对此, 本研究提出治理对策和建议: 首先政府部门应该加强立法, 合理规划, 不能以追求经济效益为目的, 而忽视生态环境建设。政府应制定水塘保护管理条例, 防止随意占用填埋等现象; 充分运用现有的技术对水塘进行生态修复, 提高水塘自我修复和纳污能力, 充分发挥其在城市生态系统中调节气温、改善气候与人居环境、防洪排水等作用。

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Ecological environment quality assessment of ponds in rapid urbanization area in Tianhe District, Guangzhou City

WANG Jin, CHENG Jiong*, LI Cheng
Guangdong Institute of Eco-environmental Technology,Guangdong Key Laboratory of Agricultural Environment Pollution Integrated Control,Guangzhou510650,China

Rapid urbanization has affected urban water landscape in terms of the number and ecological environment quality, especially at the urban fringe. Many water landscapes disappeared and the water environmental issues have become a serious problem. With rapid urbanization, ponds are gradually disappeared or landfill, and the water environment quality is also deteriorating. Taking Tianhe District in Guangzhou City as a case study, according to the ecological status of pond in Tianhe, this paper selected four indicators, including pond structures, water quality, pond sediment and landscape visual, to build the evaluation index system, and to evaluate the comprehensive ecological environment quality of ponds by AHP and the comprehensive index methods. The results are as follows. (1) Majority of the ponds’ structures were susceptible to interference from the surrounding environment with weak self-purification capacity. (2) The water quality of ponds was significantly negative with the urbanization degree. (3) The harmful levels of ponds' sediments reduced with urbanization levels decreasing from Ⅰ to Ⅳ. (4) The comprehensive ecological environment quality of ponds negatively correlated with the degree of urbanization, which indicated that the higher urbanization was, the more deteriorated the ponds’ comprehensive ecological environment quality was. In the suburbs of Tianhe District with less urbanized, the comprehensive ecological environment quality of ponds was better.

pond; ecological environment quality; comprehensive index method; Tianhe District

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.05.025

X822

A

1008-8873(2016)05-183-11

王瑾, 程炯, 李铖. 快速城市化下广州市天河区水塘的生态环境质量评价 [J]. 生态科学, 2016, 35(5): 183-193.

WANG Jin, CHENG Jiong, LI Cheng. Ecological environment quality assessment of ponds in rapid urbanization area in Tianhe District, Guangzhou City [J]. Ecological Science, 2016, 35(5): 183-193.

2015-12-27;

2016-06-14

广东省科技攻关项目(2013B030200004); 广东省科技创新平台项目(2015B070701017); 广东省教育部产学研结合项目(2012B091000152)

王瑾(1989—), 女, 湖南衡阳人, 硕士研究生, 主要从事景观生态、区域环境生态遥感与GIS应用研究, E-mail: jinwang@soil.gd.cn

*通信作者: 程炯, 男, 博士, 研究员, 主要研究方向环境生态, E-mail: chengjiong@soil.gd.cn