粤北南岭大宝山矿流域山水林田湖草修复阻力与优先级分析

张世文,卜中原,沈 强,杨邵文,胡青青,周 妍, 罗明

1 安徽理工大学地球与环境学院,淮南 232001 2 自然资源部土地整治重点实验室,北京 100035 3 安徽理工大学测绘学院, 淮南 232001 4 自然资源部国土整治中心,北京 100035

生态系统的稳定不仅是社会经济可持续发展的前提,也是人类赖以生存的基础。长期以来自然资源的过度开发,对我国生态系统的平衡状态造成了巨大破坏,部分关系国家发展前景的核心地区的生态系统已经出现了不同程度的退化[1-7]。粤北南岭是国家生态文明建设和生态环境保护的重要规划和试点区,生态退化将影响“粤港澳大湾区”和“一带一路”等国家区域战略目标的实现。山水林田湖草是一个生命共同体,具有相互联系、相互依存、相互制约的特点,单要素治理往往顾此失彼,不仅达不到很好效果,还会导致生态系统稳定性的破坏。因此,生态系统的保护和修复需要综合治理[8],需要将过去单一的要素保护转变为以多要素构成的生命系统共治共管、统一保护和修复。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of study area

国家高度重视对“山水林田湖草”的综合治理和整体修复。2016年10月,由财政部、国土资源部、环境保护部联合发表的《关于推进山水林田湖生态保护修复工作的通知》中,明确要求全国各地开展山水林田湖生态修复,并在2017年8月,中央全面深化改革领导小组第三十七次会议上又将“草”纳入,自此构成“山水林田湖草”的生命共同体[9-11]。遵循物质与能量的源汇理念,按流域尺度,揭示其内部的物质运移与转换以及对整个流域的影响,分析其修复阻力和优先级,可为修复项目在时空尺度上落地提供科学依据,从而达到科学治理的目的。目前该领域的研究尚存一定的不足。研究方向上局限于风险源的归类识别,较少考虑由于风险源所表现出的内外空间分布差异,包括对于植被覆盖、地形地貌、水质环境等多种因素间的综合作用[12-16]。研究手段上直接将小尺度区域的方法应用到大尺度区域,很难达到满意的效果,降低了研究方法的实践价值。

综合考虑当前研究进展和不足,以粤北南岭大宝山矿流域为研究区,基于遥感和GIS软件,选取代表山水林田综合质量和治理可行性的地质灾害、植被覆盖状况等8种指标作为阻力面分级指标。利用最小累积阻力模型(minimal cumulative resistance,MCR)构建阻力面,并根据阻力大小进行修复优先级分区,分区提出修复重点和对策。研究结果可以为阻力识别、项目立项优选、山水林田湖草生态共治提供技术支持和理论依据。

1 研究区概况与数据获取

1.1 研究区概况

大宝山矿流域属于广东粤北南岭山区山水林田湖草生态保护修复试点中矿山及土壤生态修复的重点区域。大宝山矿位于研究区西北部,是以铁、铜、硫、钼为主的大型多金属矿山,历史上私挖乱采活动频繁,且老旧矿山较多,部分矿产资源开发利用至今仍然保持着粗放开发方式,技术设施落后,地表裸露严重,严重影响了矿区及其周边的生态环境。研究区地形总体呈现北高南低,以丘陵为主,流经矿区的水域流向大致由北向南,沿地势从东南部流出(图1)。

1.2 阻力评价指标体系建立与数据获取

基于山水林田湖草全要素系统理论,分析研究区生态问题和矿业开采情况,选取研究区水质、地表植被、重金属污染等主要的生态阻力因素,建立了涵盖生态修复5个要素类型、5个阻力类型和8个指标的生态阻力评价体系(表1)。

基于ArcGIS和ENVI软件完成数据统计与分析。数据栅格大小全部为30 m,实地采样调查于2017、2018年完成,测试方法按《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)和《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)执行。综合遥感影像、矿区复垦、实地调查采样等材料,获取研究区用地类型分布、土地损毁程度、工程难易程度、地表水质、土壤重金属含量。综合考虑空间预测精度和不确定性,基于经验贝叶斯方法获取土壤重金属综合污染指数和地表水综合污染指数的空间分布格局。

2 研究方法

2.1 土壤可蚀性

土壤可蚀性是指土壤对侵蚀的敏感性,是反映地质灾害程度的重要指标,是土壤对侵蚀抵抗力的倒数,一般用K表示[17-19]。采用Williams等人建立的EPIC(erosion productivity impact calculator)公式进行计算[20-21]。

(1)

式中,san、sil、cla和c分别代表土壤中砂粒、粉粒、黏粒、有机碳的含量(%),snl= 1-san/100。

表1 研究区生态阻力评价指标

2.2 植被覆盖度

为消除部分辐射误差,利用多光谱遥感影像提取归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)[22-24]。

(2)

式中,NIR为红外光谱反射值,R为红光反射值。

利用归一化植被指数,采用像元二分模型估算植被覆盖度(vegetation fraction coverage, VFC)[25-27]。

(3)

(4)

(5)

式中,NDVIsoil、NDVIveg分别表示裸地或无植被覆盖和完全植被覆盖的NDVI值,VFCmax、VFCmin分别表示在一定置信范围内的最大值与最小值。

2.3 土壤重金属综合污染指数

参考《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)和《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2006)[28-29],采用内梅罗法计算土壤重金属综合污染指数。

(6)

式中,PImean和PImax分别是平均单项污染指数和最大单项污染指数。

2.4 地表水综合污染指数

按照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[30],进行各单项组分评价,对各项指标分别按地表水单项组分评分值赋值Fi,并带入公式计算综合评价分值F。单项组分评分值赋值分为五级(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ),对应的Fi值分别为0、1、3、6和10。

(7)

(8)

2.5 生态阻力模型的建立

在一定流域内的生态环境问题中,对区域生态环境安全造成威胁的景观称之为“风险源”。针对风险源,研究区的各指标因素之间存在着不同程度的连接,多个连接共同产生影响,进而产生生态风险,而这些由连接产生的生态风险是需要通过克服阻力实现的。本文以流域内的大宝山矿区为风险源。

最小累积阻力模型(MCR)是耗费距离模型的衍生应用,最初用来反映物种从源到目的地运动过程中所需耗费的最小代价[31-32]。后来被广泛应用于生态领域,如物种保护、景观格局分析等方面。该模型考虑源、空间距离和阻力基面3方面因素,表达式为：

(9)

式中,MCR为最小累积阻力；f是一未知负函数,为最小累积阻力与生态适宜性的负相关关系；min为某景观单元对不同源取累积阻力最小值；Dij为从源j到景观单元i的空间距离；Ri为景观单元i对运动过程的阻力系数。f函数是未知的,但Dij·Ri的累积值,被认为是从源到空间某一点路径的相对易达性的衡量,其中从所有源到某点阻力的最小值被用来衡量该点的易达性。采用Jenks自然断点法,划分阻力级别(表2)。

3 结果与分析

3.1 不同指标阻力分级

基于ArcGIS和ENVI软件,按照表2,构建各指标的阻力系数分级图,并计算研究区综合阻力系数值(图2)。

由图2可以看出,除地表水综合污染指数外,其他评价指标阻力系数空间分布格局具有一定的相似性,均表现出西北部高于东南部。研究区土壤可蚀性值变化范围不大,位于0.25—0.32之间。土壤可蚀性阻力系数三级以下占总面积的77.32%,五级以上分布较少,仅占总面积的6.28%。研究区近75%的区域植被覆盖度达到了70%以上,研究区西北部和东南部植被覆盖度普遍低于50%。植被覆盖度以一级为主,占总面积比为64.97%,三级和五级分别集中在研究区东南部和西北部,其占比率依次为7.92%和7.56%。矿区由于长期开采,造成矿区土壤重金属严重超标,矿区土壤重金属综合污染指数阻力系数为五级,占总面积的6.91%,周边受其影响阻力系数为四级,其余区域阻力系数均在三级以下,合占总面积的81.20%；研究区地势北高南低,矿区排放的污染物经雨水冲刷渗入土壤并流入河流,大部分地区土壤pH明显低于韶关平均值(5.8),研究区西部土壤pH和南部地表水综合污染指数较低,阻力系数均以四级和五级为主,其中五级分别占总面积的7.39%和32.52%。土地损毁程度四级主要集中在研究区西北部矿区,占研究区总面积的9.61%,矿区周边受到开采和排污影响,损毁系数分别为二级和三级,均占总面积的12.49%；从坡度阻力和工程难易程度来看,其一级分布区域较为相似,主要集中在研究区东南部和东北部,坡度阻力五级和工程难易程度三级分布较少,依次占总面积的9.49%和3.75%。研究区综合阻力系数处于9—32之间,西北部高,东南部低。

表2 阻力分级

图2 阻力系数分级图Fig.2 Map of classification of resistance coefficient

3.2 不同评价指标阻力面特征

利用最小累积阻力模型计算出单项指标的生态阻力值。其中生态阻力值越高,区域生态环境的稳定性越高,安全水平越高,生态修复阻力越小(图3)。

图3 生态阻力面Fig.3 Ecological resistance surface

由图3可知,不同评价指标阻力值均呈现出东南部大,西北部小的空间格局。研究区土壤可蚀性阻力值位于0—33589,矿区及周边地区较低。土壤可蚀性反映了土壤受侵蚀的速度和能力,土壤可蚀性越低,生态阻力值越大。研究区地表水综合污染指数阻力值位于0—40361,表现为上游阻力值低,下游阻力值高。地表水综合污染指数阻力主要取决于高程和距离矿山的远近,水分汇聚到地势较低的地区,不容易产生分流,风险源的扩散能力降低,阻力值增大。研究区植被覆盖度阻力值位于0—13960,呈现矿区内及其下游河流沿岸相对较低,其他区域较高的空间格局。植被覆盖度反映了生态修改和质量工作的质量情况和环境的恶化程度,植被覆盖度越高,生态阻力值越大,生态修复阻力越小。大宝山矿有近70年的开创历史,且位于研究区上游,大量污染物渗透到土壤、水体、大气中并迁移到研究区中下游的其他地区,造成了一系列重金属污染和土壤酸化等问题[33-34]。土壤重金属综合污染指数阻力值位于0—19049,pH阻力值位于0—23523,重金属污染指数越低,阻力值越大,研究区pH明显低于区域自然背景值[35],pH越高,阻力越大。研究区土地损毁程度阻力值位于0—14054,与矿业开采区域的空间分布格局一致,常年采矿形成大面积的尾矿库和排土场,破坏了流域范围内的地质环境,土地损毁程度越小,生态阻力越大,修复阻力越小。研究区工程难易程度阻力值位于0—13878,呈现矿区内及上游河流沿岸相对较低,其他区域较高的空间格局,工程难易程度越低,生态阻力越大。研究区坡度阻力值位于0—15792,研究区主要以丘陵为主,地表起伏大,西北部坡度阻力值低,东南部坡度阻力值高。坡度越低,生态阻力值越大。

4 优先级分区分析

图4 修复优先级分区Fig.4 Repair priority partition

根据景观生态学中的源-汇理论,综合分析由于矿业生产活动造成生态环境问题,叠加各单项生态阻力值,计算综合阻力值。依据研究区不同区域格局优化所针对的生态过程决定生态系统功能发挥的作用不同,并利用Jenks自然断点法将研究区进行修复实施的优先级分区(图4)。

整个流域共分成4个区。由图4可知,Ⅰ—Ⅳ区分别占整个研究区面积的27.36%、33.63%、25.05%、13.96%。Ⅰ区位于在研究区的西北部矿区,为整个流域的风险源,由于采矿活动导致植被覆盖度下降,地表破坏,土地损毁和污染严重。植被覆盖度、重金属含量、土地损毁是其主导阻力因素。Ⅱ—Ⅳ区位于流域中下游,依次远离大宝山矿区。矿山生产,特别是早期的私挖乱采活动导致大量污水排放和矿渣侵渗,污染了下游的水质和土壤,造成了区域重金属超标、土壤酸化、土地破坏等问题,致使研究区生态系统服务功能遭到破坏、生态坏境退化。Ⅱ—Ⅳ区的主要影响因素是重金属含量和水质。

阻力值越低,生态修复越具有紧迫性和优先性。研究区修复优先性依次为Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区>Ⅳ区。这也与广东省山水林田湖草生态保护修复试点项目强调“源头控制,末端治理”的理念相一致。广东省山水林田湖草生态保护修复试点框架下的首选落地项目应为Ⅰ区。

5 分区治理重点与对策

基于阻力面分析和修复优先级分区,分区提出治理重点与对策。

(1)Ⅰ区为矿区集中区,也是流域的源头,植被覆盖度低、重金属含量高、土地损毁严重是其主导的修复障碍,治水、降低重金属含量和恢复植被是生态修复的核心内容。①治水。采用清污分流措施(设置截洪沟、排洪隧洞、排洪竖井等)、拦水渠技术,从根本上治理酸性与重金属超标矿水外排的问题。②提高pH,降低重金属有效态含量。采取生物或化学措施对矿区土地进行基质改良,如施加化学肥料(150—400 kg/hm2)、石灰(10—20 t/hm2)、有机肥(10—30 t/hm2)等材料,培肥地力,中和土壤酸度,降低土壤重金属的生物有效性,以保证一个良好的植被重建效果。③恢复植被。选择耐贫瘠、耐干旱的重金属耐性植物种类：如泡桐、桉树、苎麻、类芦、高羊茅和狗牙根等,在群落结构配置上以草灌植物为主,适当客土移植耐性较强的乔木。乔木、灌木和草本的配置面积比例分别是10%—20%、20%—30%、50%—70%。为了提高植物的成活率,植物采用营养袋繁殖,将营养袋直接放置到植穴或种植带中,草种采用撒播、条播或点播法,然后盖一层稻草保证种子顺利萌发。

(2)Ⅱ区核心制约因素为水质,阻力值在该区域较小,其次是酸碱度和土壤重金属污染。①河流治理。建设矿区外排水处理厂,实现污染减排的目的；继续加大实施拦泥库清淤工程力度,增强拦泥库的废水调节能力,同时加大河道清理和河堤工程建设等。②治土。根据污染程度对矿区周边耕地进行分类污染治理。对于污染严重的农田,宜采用植物稳定技术。如能源作物麻疯树+土壤改良(0.5%石灰石和2%粉煤灰)组合。对于污染程度中等的农田土壤,适宜采用植物提取技术进行修复,即通过种植重金属超富集植物(东南景天、籽粒苋),将土壤中的重金属含量逐步降低。可采用东南景天+低累积玉米套种+土壤改良(0.2%石灰石)或刈割处理籽粒苋模式,来恢复土壤的农业使用用途。

(3)Ⅲ、Ⅳ区为轻度污染农田区,核心在于治土。采用植物阻隔技术进行修复。低积累玉米、低积累水稻、豆角、花生等作物均适合在适当的改良基础上(轻度污染旱地为白云石,轻度污染水田为粉煤灰),作为植物阻隔技术的实施材料,在逐步改善土壤条件的同时,又可为农民带来经济收益。

6 讨论与结论

6.1 讨论

山水林田湖草生态保护修复强调综合治理和整体修复,随着试点工作逐步开展,试点过程中科学研究已成为山水林田湖草生态保护修复工作的瓶颈,项目立项和不同阶段实施片区的确定具有很大盲目性,导致区域核心生态问题把脉不准,项目落地时空不合理,治理缺乏针对性等问题。本文结合相关研究成果,提出了大尺度区域优先级分区治理的模式,具有一定的理论和现实意义,可以为修复项目在时空尺度上落地和科学治理提供科学依据。

早在2001年,陈述彭院士就提出了“统一规划,分类指导,分区推进,严格监督”的生态环境的指导思想和基本原则[36]。为改变单要素治理的弊端,更好的助力于山水林田湖草生态环境治理,需要考虑由于风险源所表现出的内外空间分布差异,针对不同区域分析多种因素间的综合作用。本文结合研究区自然条件和矿业开采的历史遗留问题,系统分析了由于风险源所引起的一系列生态修复阻力因素。评价指标体系符合吴浓娣和余新晓等人提出的全面分析、系统治理的思想体系,遵循山水林田湖草全要素系统理论的要求[37-38]。所提出的分区治理思路与王英等人的研究成果相似,进一步论证了优先级分区治理模式的合理性[39]。制定的分区治理重点与对策,符合研究区实际情况,与《广东粤北南岭山区山水林田湖草生态保护修复试点实施方案》相契合。山水林田湖草生态环境修复是一项长期工程,需要全方位的考虑,因此在后续的研究过程中应针对不同优先级区域进行更为深入的专题研究,以便更加科学地制定出修复方案。

6.2 结论

以粤北南岭大宝山矿流域为研究区,采用最小累积阻力模型,构建区域生态阻力面,根据生态阻力对研究区进行修复优先级分析,并提出分区治理对策。

(1)不同评价指标阻力值均呈现出东南部大,西北部小的空间格局。长期的矿业开采活动污染了矿区流域水质和土壤,造成了区域重金属富集、土壤酸化、土地破坏等问题,并且距离矿区越近的区域生态修复的优先性越高。

(2)阻力值越低,生态修复越具有紧迫性和优先性。研究区共分为4个优先级区,研究区修复优先性依次为Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区>Ⅳ区。

(3)Ⅰ区重点在于治水,降低pH,降低重金属有效态含量,提高植被覆盖度,主要措施包括清污分流、土壤改良和植被恢复；Ⅱ区重点在于河流治理与治土,主要措施包括建立污水处理厂、植物稳定和植物提取；Ⅲ区、Ⅳ区核心在治土,主要措施为植物阻隔。