文文， 角媛梅， 查智琴， 蘇藝， 沈瑞琪， 張洪森

(云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

隨著農(nóng)藥和化肥的大量使用，非點源污染問題日漸突出，尤其是農(nóng)業(yè)非點源氮和磷污染問題[1-2].中國非點源污染對水污染總量的貢獻(xiàn)大約為氮的81%，磷的93%[3].在近三十年的非點源污染研究中，越來越多的學(xué)者關(guān)注氮和磷污染的輸出規(guī)律[4]，因此研究氮和磷的截留和由此導(dǎo)致的水體富營養(yǎng)已經(jīng)成為當(dāng)前環(huán)境學(xué)的焦點.

目前關(guān)于截留的研究主要集中在森林生態(tài)系統(tǒng)對降水的截留[5-6]、植被層截留的模擬分析[7-8]以及影響氮和磷截留的因素[9-11]等幾方面.其中，對氮和磷截留的研究主要集中在旱地和水田等土地利用類型[12-13]，河濱和海岸等過渡區(qū)域[14-15]，水塘和溝渠等濕地結(jié)構(gòu)[16-17]幾方面，并且認(rèn)為景觀格局會影響污染物的發(fā)生、遷移和轉(zhuǎn)化[18].

第37屆世界遺產(chǎn)大會將云南紅河梯田列入《世界遺產(chǎn)名錄》.隨著梯田旅游熱地掀起，遺產(chǎn)區(qū)的土地利用類型發(fā)生變化，建設(shè)用地規(guī)模逐漸擴(kuò)大，部分耕地由梯田向旱地轉(zhuǎn)變，人類活動不斷地改變著紅河梯田原有的景觀格局[19].本文從景觀類型及其空間格局和“源”“匯”景觀角度[20]入手，研究氮和磷的時空截留和“盈”“虧”不平衡導(dǎo)致的水體富營養(yǎng)化，預(yù)期為紅河梯田的持續(xù)利用和有效保護(hù)提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省紅河哈尼族彝族自治州哈尼梯田文化景觀遺產(chǎn)輻射區(qū)，如圖1所示，分別是隸屬于紅河縣寶華鄉(xiāng)和樂育鄉(xiāng)的A區(qū)域(龍甲梯田)和B區(qū)域(妥色梯田)，地理位置在23°16′09.02″-23°16′19.38″N，102°21′15.77″-102°21′27.01″E之間，海拔在1 770～1 899 m之間.兩者同屬亞熱帶季風(fēng)氣候，濕潤多雨，年均溫13.7～18.0 ℃，年降水量1 300～1 485.3 mm，適宜種植水稻和玉米等農(nóng)作物.A區(qū)域面積為1.5 km2，B區(qū)域面積為0.54 km2，其中A區(qū)域耕地面積較大,有梯田2.81 hm2，旱地3.78 hm2，B區(qū)域植被覆蓋率高，有林地3.00 hm2,耕地4.66 hm2.兩者具有相似的地理成分，主要區(qū)別是構(gòu)成景觀格局的景觀類型不同.A區(qū)域具有森林、村寨和梯田三種景觀類型在垂直方向上構(gòu)成的“林-寨-田”景觀格局，受村寨內(nèi)人類活動的影響較大，B區(qū)域具有森林和梯田兩種景觀類型在垂直方向上構(gòu)成的“林-田”景觀格局，適宜開展對比性研究.

圖1 研究區(qū)梯田濕地景觀采樣點分布圖

1.2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

以紅河縣10 m 精度數(shù)字高程模型(DEM)和ArcGIS軟件水文分析模塊，綜合考慮地形因素和水文條件，提取A區(qū)域和B區(qū)域的邊界線并結(jié)合實地情況，根據(jù)水流情況對研究區(qū)自上而下依次選擇采樣點，其中包括：森林水源點、森林出口水、村寨出水口、高海拔梯田、低海拔梯田和溝渠出水口.同時根據(jù)梯田水平面積的大小進(jìn)行梯田水平樣帶選點.于2017年旱季典型月(12月)和2018年雨季典型月(6月)共采集18個水樣，其中L1、L2和L3為A區(qū)域的采樣點，T1、T2、T3、T4、T5和T6為B區(qū)域采樣點，每個采樣點都采集兩次.用筆式酸度計現(xiàn)場測定水樣的pH值與溫度，將采集水樣盛裝于500 mL聚乙烯瓶中，并立即密封低溫保存.為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，當(dāng)天就采用德國WTW便攜式分光光度計(pHotoFlex)進(jìn)行氮(TN)和磷(TP)濃度的測量，采樣點分布如圖1，基本情況見表1.

表1 研究區(qū)梯田濕地水體采樣點基本情況

1.2.2 梯田截留評價方法

根據(jù)公式(1)計算濕地對水體中TN和TP的截留量.

n=c1-c2

(1)

式(1)中，n為某類景觀對TN和TP截留量，c1為水體中TN和TP的輸入值，c2為水體中TN和TP的輸出值，單位mg·L-1.當(dāng)n為正值時，該類景觀為“匯”景觀，表現(xiàn)為截留，輸出為“虧損”狀態(tài);n為負(fù)值時，則該類景觀為“源”景觀，表現(xiàn)為增加，輸出為“盈余”狀態(tài).

1.2.3 水體富營養(yǎng)化評價方法

選用對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式[21]進(jìn)行水體富營養(yǎng)化評價,計算公式如下:

EIj=10.77×(lnxj)1.1826

(2)

(3)

參考國外富營養(yǎng)化指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合我國實際情況,湖泊/地表水體富營養(yǎng)化狀態(tài)采用表2所示的5級分級標(biāo)準(zhǔn)[22].

表2 富營養(yǎng)化評價標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果分析

2.1 不同景觀格局中TN與TP截留及盈虧分析

根據(jù)表1中TN和TP的濃度和公式(1)得出不同景觀格局中水體TN和TP的截留量(見表3).

在“林-寨-田”景觀格局中，景觀類型隨海拔降低依次為森林區(qū)、村寨區(qū)和梯田區(qū).從表3中可以看出，森林區(qū)TN的截留量為0 mg·L-1，既無截留也沒有增加，TP為負(fù)值，說明森林區(qū)為低負(fù)荷“源”景觀，表現(xiàn)為增加，輸出為“盈余”狀態(tài).原因是雨季降水增加使得大量表層土隨徑流發(fā)生遷移和轉(zhuǎn)化；村寨區(qū)雨季TN和TP的截留量為正值，則雨季時村寨區(qū)為“匯”景觀，表現(xiàn)為截留，輸出為“虧損”狀態(tài)，旱季恰好相反.原因是雨季時的農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的生活污水相對于旱季時少，且雨季降水多于旱季，加強(qiáng)了地表的沖刷和稀釋作用；梯田區(qū)旱季TN的截留量(0.2 mg·L-1)大于雨季TN的截留量(0 mg·L-1)，TP截留量在雨季和旱季都為正值，表明梯田區(qū)為“匯”景觀，表現(xiàn)為截留，輸出為“虧損”狀態(tài)，且旱季的截留(0.28 mg·L-1)較雨季(0.08 mg·L-1)更加明顯.整體上看，“林-寨-田”景觀格局中梯田對氮和磷的截留較村寨和森林更加顯著，在海拔上呈現(xiàn)梯田區(qū)(0.18 mg·L-1)>村寨區(qū)(-0.08 mg·L-1)>森林區(qū)(-0.19 mg·L-1)的特征.“林-寨-田”景觀格局對TN的截留量為0 mg·L-1，對TP的截留量為-0.09 mg·L-1，表明該景觀格局中磷元素含量高.

在“林-田”景觀格局中，景觀類型隨著海拔降低依次為森林區(qū)和梯田區(qū).從表3中可以看出，雨季時森林區(qū)和梯田區(qū)TN截留量都為負(fù)值，則表明雨季時森林和梯田都為“源”景觀，表現(xiàn)為增加，輸出為“盈余”狀態(tài)，原因是雨季時人為干擾加強(qiáng)，如化肥和農(nóng)藥的使用等；旱季時森林區(qū)的TN截留量為1.55 mg·L-1顯著大于0，表現(xiàn)為截留，原因是旱季降水減少，森林區(qū)的地表徑流流量減少，TN和TP濃度增大；梯田區(qū)雨季和旱季TP的截留量和旱季時TN的截留量都為正值，表明梯田截留表現(xiàn)為“匯”景觀，輸出為“虧損”狀態(tài)，且旱季(0.17 mg·L-1)的截留大于雨季(-0.01 mg·L-1).在整體上看，“林-田”景觀格局中梯田對氮和磷的截留較森林更顯著，在海拔上表現(xiàn)為梯田區(qū)(0.08 mg·L-1)>森林區(qū)(-0.275 mg·L-1)的特征.“林-田”景觀格局對TN的截留量為-0.31 mg·L-1，對TP的截留量為0.115 mg·L-1，表明該景觀格局中氮元素含量高.

總截留量上，“林-寨-田”景觀格局中雨季的總截留量(-0.05 mg·L-1)大于旱季的總截留量(-0.13 mg·L-1)，則雨季時對氮和磷的截留大于旱季；“林-田”景觀格局中雨季的總截留量(-2.11 mg·L-1)小于旱季的總截留量為(1.72 mg·L-1)則旱季時對氮和磷的截留大于雨季.整體上，“林-寨-田”景觀格局對氮和磷的平均總截留量(-0.09 mg·L-1)大于“林-田”景觀格局(-0.185 mg·L-1).

表3 不同景觀格局水體中TN和TP的截留量

2.2 不同景觀格局中水體富營養(yǎng)化分析

根據(jù)公式(2)和(3)計算，得出不同景觀格局中水體富營養(yǎng)化水平(圖2a)和基于TN和TP的EI指數(shù)(表4)，根據(jù)采樣點測定數(shù)據(jù)統(tǒng)計了具有代表性的水質(zhì)參數(shù)(圖2b).

從圖2a中可以看出，兩種景觀格局的EI值標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，表明水體富營養(yǎng)化程度與景觀格局密切相關(guān).均值上，“林-寨-田”景觀格局的營養(yǎng)化水平為中富營養(yǎng)化(II級)，“林-田”景觀格局的營養(yǎng)化水平為富營養(yǎng)化(III級)，表明“林-寨-田”景觀格局的地表水質(zhì)較好.原因是“林-寨-田”景觀格局的截留更明顯，氮和磷在遷移和轉(zhuǎn)化過程中被截留，不易形成水體富營養(yǎng)化.時間上，兩種景觀格局的富營養(yǎng)化水平也存在顯著差異.“林-寨-田”景觀格局中雨季的富營養(yǎng)化水平為富營養(yǎng)(III級)高于旱季的中富營養(yǎng)(II級)，原因是“林-寨-田”景觀格局中物質(zhì)的遷移和轉(zhuǎn)化受到村寨的影響，雨季時降水增加，村寨內(nèi)的生活垃圾和污水隨地表徑流匯入梯田，導(dǎo)致雨季TN和TP含量升高；“林-田”景觀格局旱季的富營養(yǎng)化水平為極富營養(yǎng)(V級)高于雨季富營養(yǎng)(III級)，原因是“林-田”格局受降水影響大，旱季降水減少會影響地表水的有效供給，導(dǎo)致水體更新周期慢，TN和TP含量較雨季高.從圖2b中可以看出，水體的pH、溫度和電導(dǎo)率都呈現(xiàn)雨季大于旱季的特征，進(jìn)一步表明紅河梯田的水質(zhì)受季節(jié)調(diào)控.

圖2 不同景觀格局水體富營養(yǎng)化水平及相關(guān)水質(zhì)參數(shù)

從表4中可以得出，“林-寨-田”景觀格局的富營養(yǎng)化水平表現(xiàn)為梯田區(qū)(62.025)>村寨區(qū)(62.02)>森林區(qū)(58.49)的特征，“林-田”景觀格局的水體富營養(yǎng)化水平表現(xiàn)為梯田區(qū)(66.19)>森林區(qū)(0.00)的特征，梯田的富營養(yǎng)化水平都較高(IV級).結(jié)合梯田具有良好的截留和較高的富營養(yǎng)化水平，表明梯田既是“匯”景觀又是“源”景觀，該結(jié)論與查智琴等[23]得出的一致.

表4 不同景觀格局下景觀類型水體富營養(yǎng)化水平

3 討論與建議

針對“林-寨-田”景觀格局中磷元素含量較高，且雨季更易形成水體富營養(yǎng)化的特點，建議控制磷元素向梯田生態(tài)系統(tǒng)的投入和輸出.具體為在村寨區(qū)安置專門的生活垃圾堆放點和生活污水排放池，并定期進(jìn)行管理，從源頭上減少總磷匯入梯田區(qū)；其次在梯田區(qū)進(jìn)行耕作時，應(yīng)控制磷肥的使用，適量的施肥是減少總磷的關(guān)鍵；最后應(yīng)該選擇合理的農(nóng)田管理措施,有效控制梯田磷的排放[12]，如對梯田的出水口定期進(jìn)行閉合輪換、控制磷元素的投入和輸出有利于減少農(nóng)業(yè)非點源磷污染對水體富營養(yǎng)化的影響[18].

針對“林-田”景觀格局中氮元素含量較高，且旱季更易形成水體富營養(yǎng)化的特點，建議控制氮肥的使用和構(gòu)建“溝渠-水塘-梯田”的復(fù)合濕地結(jié)構(gòu).尹澄清等[23]及李玉鳳等[17]發(fā)現(xiàn),我國農(nóng)村廣泛分布的多塘系統(tǒng)除具備灌溉、飲用和發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖等多種功能外,還對減輕N和P等農(nóng)業(yè)非點源污染負(fù)荷有非常顯著的功效,一般可去除90%以上的過境營養(yǎng)物質(zhì).因此在人為干擾較少的“林-田”景觀格局中增加多塘系統(tǒng)，能有效地減少進(jìn)入梯田的污染物.其次，水塘還具有調(diào)蓄功能，在旱季降水減少的情況中，能對梯田區(qū)地表水進(jìn)行有效補給，縮短水體的更新周期，從而降低了水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險.

紅河梯田是文化與自然巧妙結(jié)合的產(chǎn)物，也是人類持續(xù)利用和有效保護(hù)濕地水環(huán)境的典型代表.因此為了紅河梯田的保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)在維持其“四素同構(gòu)”的格局基礎(chǔ)上[24]，強(qiáng)化當(dāng)?shù)鼐用窈屯鈦碛慰偷沫h(huán)保意識，規(guī)范不文明行為，對梯田區(qū)構(gòu)建門檻機(jī)制，限制游客的數(shù)量，以減少外來污染源的進(jìn)入.

4 結(jié) 語

從景觀類型及其空間格局角度分析了紅河梯田對氮和磷的截留及水體富營養(yǎng)化，發(fā)現(xiàn)景觀格局影響氮和磷的遷移和轉(zhuǎn)化過程.總結(jié)如下：

(1)不同景觀格局中水體TN和TP截留和盈虧評價：“林-寨-田”景觀格局中氮和磷的截留，時間上呈現(xiàn)雨季大于旱季，空間上呈現(xiàn)梯田>村寨>森林的特征；“林-田”景觀格局中對氮和磷的截留，時間上呈現(xiàn)旱季大于雨季，空間上呈現(xiàn)梯田>森林的特征；整體上，“林-寨-田”景觀格局對氮和磷的截留較“林-田”景觀格局明顯，梯田表現(xiàn)為“匯”景觀，輸出為“虧損”狀態(tài)，表明梯田截留明顯.

(2)不同景觀格局中水體富營養(yǎng)化評價：“林-寨-田”景觀格局中水體富營養(yǎng)化水平，時間上呈現(xiàn)雨季大于旱季，空間上呈現(xiàn)梯田>村寨>森林的特征；“林-田”景觀格局中水體富營養(yǎng)化水平，時間上呈現(xiàn)旱季大于雨季，空間上呈現(xiàn)梯田>森林的特征；整體上，“林-寨-田”景觀格局中的水體富營養(yǎng)化水平較“林-田”景觀格局低，梯田表現(xiàn)為“源”景觀，輸出為“盈余”狀態(tài)，水體富營養(yǎng)化水平為IV級，表明梯田已局部富營養(yǎng)化.

(3)為了紅河梯田的有效保護(hù)，建議對景觀格局進(jìn)行優(yōu)化.“林-寨-田”景觀格局應(yīng)關(guān)注村寨的污染物處理，控制總磷的輸入和輸出；“林-田”景觀格局應(yīng)減少氮肥的使用，構(gòu)建“溝渠-水塘-梯田”濕地結(jié)構(gòu)；在維持其“四素同構(gòu)”的基礎(chǔ)上，規(guī)范居民和游客行為，減少污染物排放量.