《云贵高原典型陆地生态系统研究（二）典型流域、水生态过程与面源污染控制》

内容简介

云贵高原典型陆地生态系统中，滇池流域、两湖一库流域、金沙江流域、牛栏江流域、小江流域生态系统是生态破坏比较严重或环境污染问题突出的典型流域生态系统，其流域面源污染不仅造成了当地环境质量下降，而且也影响着长江、珠江中下游水环境安全。本书首先提出流域生态系统结构的新框架，并分析了流域系统结构成分特征及成分之间的相互关系；探讨了不同土地利用类型降雨径流水作用下污染物产生特征，径流水、污染物和影响因子间的相互作用；利用流域出口监测资料，评价了流域面源污染物输出特征和动态规律；讨论了农村户用复合多功能污水处理、生态沟道污水处理和坡式湿地污水处理三级系统的结构、功能、施工工艺和污水的处理效果；介绍了针对农村设计的新型堆沤肥系统、玻璃钢沼气池系统、蚯蚓分解池系统处置农村固体废弃物，实现循环利用的技术模式；总结了削减农田氮磷的有机水稻种植模式、缓控释肥、精准化施肥、生物菌肥施用技术和控制坡耕地土壤侵蚀的植物篱种植技术模式

本书可供生态学、环境科学、环境工程、农学、水土保持科技人员和管理者参考。

前  言

  云贵高原区域生态系统包括许多典型陆地生态系统,如典型森林、罐丛、流域生态系统、典型山地退化生态系统、典型石漠化退化生态系统、典型城市生态系统等。这些生态系统构成了陆地生态系统的主体，为云贵高原地区、长江和珠江中下游提供着生态系统服务。它们中的一些生态系统，由于环境污染或生态退化，在提供一定生态系统服务的同时，对周围或下游生态系统产生了负面影响，导致这些生态系统环境恶化，制约了社会经济的可持续发展。在云贵高原腹地的滇池流域生态系统、两湖一库流域生态系统、牛栏江流域生态系统、小江流域生态系统、金沙江流域生态系统就是这种生态系统的典型。

这些流域生态系统有一个共同特征，就是流域内分布着比较多的农村人口，农业生产方式与我国东部和中部比相对落后，生产生活中的污水大部分没有经过处理而直接排放到流域沟道河道，固体废弃物没有良好的收集和处置体系，大部分村庄对固体废弃物都是按传统方式堆肥、随意堆放倾倒等。在流域生态系统内，为了发展农业获得更多的农产品，增加群众收入，农田施肥用药水平都比较高。流域的山地部分，坡地耕种还比较普遍，导致了严重的水土流失。因此，在这些流域内，从村落、农田、坡耕地产生了大量的面源污染物，对流域内的湖泊、长江、珠江中下游水体构成了面源污染。例如，滇池、两湖一库的水体在一年的大部分时间都在IV类到V类之间，严重影响了昆明和贵阳两个大城市的用水安全。这些流域产生的面源污染物向中下游输送，使长江、珠江水系也发生着严重的污染。尽管在过去的10年里，国家通过973、国家支撑计划、国家水专项等重点科技项目，对全国包括云贵高原地区典型流域农业农村面源污染治理技术进行了系统研究，各级政府对所管辖地区的流域也开展了面源污染治理，但全国和云贵高原地区的关键湖泊和流域水质并没有根本好转，农业农村面源污染治理技术本身也存在不少的问题。

从国内外看，农业农村面源污染治理技术主要存在的问题是：（1）各种科技项目已经开发了不少的农业农村面源污染治理技术，各单项技术在治理中效果常常也很好，但是这些治理技术没有按流域单元和水生态过程进行各种技术的综合集成、整体治理、形成多级控制体系。江河湖泊上游是由有限个微流域构成的多级系统，污染物通过流域的水生态过程产生、输送，并在流域出口排放，导致水体污染。如果按流域单元治理，可根据水生态过程设计污染物产生、输送、排放及污染部位的治理措施，连续多级控制，并通过出口径流和污染物监测，准确评估治理效果，调整治理技术和配置。（2）在农村，面源污染治理是要削减氮磷使用，而发展高效农业需要增加肥料使用。已开发的治理措施没有达到环境治理目标和农业发展目标的协调。如何在流域内建立一种减少化肥使用的高效农业，是解决这一矛盾的关键所在。（3）治理措施没有很好的按生态系统物质循环原理设计。生态系统物质循环是输入和输出平衡。如果按物质循环原理设计治理措施，可使面源污染物（当被充分利用就变成资源）在流域内充分循环，大量削减输出流域的量。例如，可以设计能使固体废弃物在“村落-农田”循环起来的设施，发展循环农业，使固体废弃物充分利用，减少化肥使用，实现固体废弃物和农田高氮磷排灌水污染的有效控制等。

为了解决这些问题，在王震洪教授主持和指导下，申请并获得了面源污染治理专项“两湖一库农业农村面源污染治理技术及新农村建设示范”（2009筑科农合同字3-0342号）的资助。该项目基于面源污染物在流域内通过水流作用从村落、农田、坡耕地、园地产生，通过沟渠、小型河道向湖泊排放，导致水体污染，富营养化加剧的规律，选择“两湖一库”汇水区的一个微流域为研究单元，设计了费用低、适合农村推广应用的村落生活污水多级处理技术、村落固体废弃物循环处理技术、农田氮磷削减施肥技术、植物篱治理坡耕地水土流失生态工程技术，并组合在该流域中进行试验研究和示范，并评估各单项治理技术效果，在微流域出口监测评估流域尺度上面源污染负荷。本书首先根据国内外研究资料，提出一个新的流域生态系统研究体系，并对系统结构成分、生态问题和相互关系进行分析，然后对流域水生态过程和面源污染治理的各单项技术进行试验研究和总结，形成理论和技术体系，为农业农村面源污染治理提供技术支撑。

全书共分8章，第一章，流域生态系统分析，由王震洪教授撰写；第二章，流域内网间带不同土地利用类型地表径流-壤中流面源污染特征，由张梦娇、许昌敏、王震洪编写；第三章，流域出口面源污染物输出负荷及动态分析,由阴晓路、王震洪编写；第四章，流域内农村生活污水多级处理技术及面源污染控制效应，由吴永贵编写；第五章，流域内农村固体废弃物循环处理技术及面源污染控制效应，由刘鸿雁编写；第六章，流域内农田氮磷削减施肥技术及面源污染控制效应，由张崇玉编写；第七章，流域内植物篱控制坡耕地土壤侵蚀模式及面源污染控制效应，由周运超编写。书稿分章节完成后，由王震洪教授统稿。

                                           编者

                                    2011年10月13日

第一章        流域生态系统分析

摘要流域作为地貌学和水文学的研究单元，具有明确的物质界限和范围。在流域尺度上定义生态系统，一方面使生态系统具有客观的研究尺度, 另一方面使流域单元蕴涵着了丰富的生态学规律。流域的最大特点是水文和伴随的物质输送过程,因此流域生态系统的研究核心是流域系统结构与水生态过程的关系及规律。本节讨论了流域作为生态系统研究尺度的意义，定义了流域生态系统的结构和水生态过程的概念，讨论了流域生态系统的形态和量化指标，分析了流域系统各结构成分的特征及相互关系。认为流域生态系统由形态上具有显著差异的河网、网间带和湖泊构成。河网由沟道和河道构成，网间带由表面特征和生态功能具有显著差异但表面均匀的土地类型构成，包括林地、荒山荒坡、草地、坡耕地、农田、人居环境，湖泊包括人工坝塘、水库、天然湖泊和湿地。河网是连接网间带和湖泊的径流和物质输送通道，形态结构、功能与网间带和湖泊特征有关。湖泊大小、水位和功能受网间带和河网的调控。河网的侵蚀、湖泊的沉积也调节着网间带的形态结构，三个结构成分之内和之间发生着一系列的生态作用和过程，其中水生态过程是流域最典型的生态系统过程，流域生态系统各结构成分之间相互作用必须依赖于水生态过程。流域各结构成分之内的生态过程如生物量、生产力、多样性，土壤侵蚀、面源污染物产生、输送对其他两个结构成分的影响一般要通过水生态过程。山区河道中的阶梯-深潭系统对维持河道稳定和河道生物多样性具有重要意义。河道系统组成和物质成分反映了河道上游网间带特性。河道下游的冲淤过程与上游网间带的生态过程有关，并影响着三角洲和河道的演化。从伦理学的角度，河道具有生命的意义。河道演变中，受网间带面积、气候、地质、地貌的影响，形成了不同的类型。山区河道和平原河道在形态特征、水生态过程、生态效应方面具有显著的差异。沟道作为河道的上游部分，具有与河道不同的特征。沟道侵蚀使网间带面积减小，营养物质向河道、湖泊输送，对河道、湖泊产生了淤积作用，改变着河道、湖泊生态环境和生态过程。网间带的生态格局和过程调控着河网、湖泊水体环境质量。网间带中坡耕地、人居环境系统、农田是面源污染的主要来源。网间带的个体、种群、群落、生态系统的格局和过程都会在形态、结构、功能上影响沟道、河道和湖泊，沟道、河道和湖泊在形态、结构、功能的变化也会反作用于网间带的个体、种群、群落、生态系统的格局和过程，因此，河网、网间带和湖泊是一个有机的整体，构成有固定界限的流域生态系统。

关键词流域生态系统，网间带，河网，沟道，河道，湖泊，面源污染，水生态过程，阶梯-深潭系统

1.1  流域作为生态系统研究尺度的意义

流域(watershed)是指地球陆地上一个闭合的汇水区域。流域在空间上可由形态和结构具有差异的河网、网间带和湖泊构成(图1-1)。河网是连结上游网间带与下游湖泊之间的物质输送通道，由沟道、河道构成；网间带是流域内沟道和河道之间的部分，包括不同的土地利用类型如林地、坡耕地、农田、荒山荒坡、人居环境；湖泊是流域中储存径流的水体，包括坝塘、水库、湖泊和湿地。河网、网间带和湖泊内和之间发生着一系列的生态过程，其中水生态过程是流域最典型的生态系统过程。水生态过程是指由于水在循环过程中与环境的作用而导致流域中的河网、网间带和湖泊发生的一系列变化过程。这些过程主要是在流域尺度上水的下落、流动、渗透过程中导致河网、网间带和湖泊发生的形态、结构和功能的变化。

在构造运动形成的原始地形上，降水和径流的塑造作用形成了流域。流域是水生态过程的产物和发生水生态过程的场所。不同地区流域的河网、网间带、湖泊特征是不同的。这些不同导致了流域水生态过程的差异。例如，长江中下游河网地区流域，河道较密、坡降小、河道形态受人类影响较大，网间带平缓、地下水位高、土地利用类型主要是农田，河道水位高、流速慢、营养盐丰富。而在长江上游的云贵高原地区，流域的这些特征刚好相反，即河道较稀疏、坡降大、河道形态受人类影响小，网间带起伏大、地下水位低、土地利用类型主要是林地、灌丛，河道中水位低，很多是季节性河流，水流速度快。

在流域中，水既是一个塑造流域的媒介，也是连结河网、网间带、湖泊的媒介。液体水还是生态系统中生命元素得以无限循环的介质，人类赖以生存和社会经济发展的重要资源。水资源的开发、利用和管理已成为各国普遍重视的课题。水资源的形成、时空变化、容量、人口承载力等问题的研究，以及正确制定水资源发展战略，协调各国水资源利用，都常常在流域尺度上开展。水在流域中的流动将网间带的污染物输送到河道、湖泊中，从流域上游输送到下游，导致流域一系列水污染问题。流域中污染物的积累、迁移、转化，不论在生物个体水平，还是在流域水平都与水有关。流域内河网和湖泊富营养化问题、网间带水土流失问题、河网和湖泊冲淤问题都与水在流域中的流动有关。因此，流域尺度上水生态过程的知识对保护和合理利用水资源，解决流域污染问题具有重要意义。

现代生态学发展表明，生态学不断向宏观和微观两个方向拓展。宏观的最大尺度是从全球研究环境变化的生态学问题，是各种生态学过程的整合——全球生态学；微观方面是利用分子生物学技术探讨生态学过程的分子机制——分子生态学。在宏观和微观的两极之间，存在着一系列中间地带的生态学，如个体生态学、种群生态学、群落生态学、生态系统生态学、景观生态学等。生态系统生态学以具有非生物成分、生产者、消费者、分解者及相互关系为研究对象的生态学，生态系统生态学的发展使生态学领域达到了一个新的高度。生态学家在生态系统生态学这一中尺度上改革生态系统成分论（非生物成分、生产者、消费者、分解者成分），发展了景观生态学的变斑块论（斑块、廊道、基底），将生态系统成分作为斑块中的元素，研究生态问题。但是，不论是生态系统生态学还是景观生态学，在研究格局和过程时，尺度问题一直困扰着生态学家。生态系统生态学和景观生态学在尺度上弹性比较大，特别是生态系统，尺度可从局域尺度到区域尺度，而且常常没有一个自然的分界线，一般都是根据研究的便利主观上进行确定。如果把流域作为生态系统的研究尺度，那么生态系统就有了客观的自然分界线和尺度，即地球陆地一个闭合的汇水区域。以这一尺度为单元的生态系统生态学研究被生态学家确定为流域生态学，并把流域系统确定为高地、滨岸带和水体构成的系统（吴刚和蔡庆华，1998; 邓红兵等，1998; 尚宗波等, 2001）。笔者将流域系统确定为河网、网间带和湖泊构成的系统。这样确定的理由主要是：（1）尽管湖泊和河网的主体都是水体，但湖泊和河网的环境条件、动力学过程具有很大差异，它们具有显著差异的生态特征。（2）在流域中，很容易区分主要起物质输送作用的河网、起物质储存作物的湖泊和起物质输出作用的网间带，使流域结构和功能的研究具有客观明确的界限。（3）用河网、网间带和湖泊作为流域的要素，能使流域生态学的概念和地貌学、水文学上的概念通用，并为流域尺度上的生态学带来丰富的信息和方法论基础。

以流域为尺度，关注水生态过程为核心的河网、网间带和湖泊之间关系及调控的流域生态系统研究（可称为水生态过程论，有别于生态系统成分论、景观生态斑块论），具有的生态学意义是：（1）流域具有客观自然的研究尺度（非人为划定），使研究具有很好的可操作性。因为生态系统生态学理论认为，只要由非生物成分、生产者、消费者、分解者构成的相互作用体系，如小到一个池塘，大到整个地球范围都可以是生态系统，使生态系统的研究工作在许多问题上由于尺度问题被困扰，用流域限定生态系统范围使生态系统具有了客观物质界限，并清晰化。（2）水资源、水环境和面源污染问题是目前备受关注的生态环境问题，这些问题都与流域尺度上河网、网间带和湖泊之间的水生态过程相关，通过流域尺度上的水生态过程研究，可以优化生态系统过程，实现流域水资源保护和水环境改善。（3）生态学家普遍认为，生态学缺乏普适原理，在一个等级尺度上研究获得的生态学规律，常常不能被利用来建立另外等级生态学的理论体系。由于流域在形态和结构上具有自相似性，把不同等级生态学中的格局和过程布置在不同尺度流域上进行研究，并与水生态过程联系，有可能使小流域尺度上的研究结果和规律，外推到大流域尺度上，提高生态学理论的普适性。

图1-1.pdf