景觀生態學在大氣污染研究中的應用

權秋梅,王 聰,楊 磊,劉焱序,孫藝銘,王 超

1 西華師范大學,西南野生動植物保護教育部重點實驗室,南充 637002 2 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 3 北京師范大學地理科學學部,地表過程與資源生態國家重點實驗室,北京 100875 4 山東省濟寧市梁山縣氣象局,濟寧 272600

快速城市化和工業化進程中能源開發、交通運輸及其他人類活動等強度的加劇,一方面強烈影響了城市及周邊的下墊面,另一方面造成了嚴重的大氣污染,城市發展與人類健康、生態環境保護之間的矛盾與日俱增。景觀格局與大氣污染存在密切的聯系,景觀格局中人工建筑的增加以及綠地面積的減少導致大氣污染物的劇增與擴散,出現城市熱島效應、酸雨等嚴重的負面現象,甚至造成生態災難[1- 3]。研究景觀格局演變與大氣污染形成機理的關系,優化景觀配置提高生態環境質量,構建生態安全格局,是當前景觀生態學在大氣污染與治理應用研究中的重要議題[4]。強化大氣污染研究中的景觀生態學分析途徑,不但對研究局地和區域環境變化具有重要意義,同時有利于提高景觀規劃水平,為居民創造更適宜的生活環境,增進人類福祉[5]。

目前,景觀格局與生態過程耦合研究已在景觀生態學各研究方向上取得豐碩成果,但是對景觀格局與大氣污染過程的耦合機理探討依然較為薄弱。景觀生態學在大氣污染研究中的應用主要圍繞土地利用及景觀格局與大氣污染的關系,大氣污染物主要針對顆粒物,多以城市景觀為研究對象,地理信息系統和遙感手段是開展景觀格局與大氣污染研究的主要技術方法,在控制大氣污染進行藍天保衛戰的迫切需求下,亟待明晰景觀格局與大氣環境的定量關系,提出理想景觀格局模式[2]。此外,辨識大氣污染與景觀格局特征的關聯機理,也是對基于景觀生態學的大氣污染研究的進一步深化,有助于在學科理論層面上更深入的探討景觀生態學格局與過程耦合研究前沿議題,具有相對明確的學科貢獻。基于此,本研究擬從景觀與大氣污染物的源匯關系入手,系統梳理景觀格局與大氣污染的定量關系,提出大氣污染研究中的景觀生態學分析的重點關注領域,以期從學科交叉角度推動景觀生態學的發展。

1 基于景觀生態學的大氣污染研究

從景觀生態學視角出發,下墊面的空間和結構布局構成景觀格局,當前的研究可以分為景觀組分和景觀配置特征兩個層次：在景觀組分層次上強調下墊面類型的不同對大氣環境的影響,主要研究特定景觀類型對大氣污染物影響的物理效應,目前從人工建筑、綠地組分等出發進行探究,如分析綠地景觀的滯塵、吸收二氧化硫和氯氣等多種大氣污染物作用,探究景觀類型中植物生理過程的調節效應；在景觀配置層次上主要研究不同景觀組分的空間組合效應對大氣環境的影響。其中,應用土地利用回歸模型分析景觀格局與大氣污染分布的關系是當前研究的重要方法[6]。

1.1 景觀與大氣污染物的源匯關系

1.1.1大氣污染物來源

大氣污染物是指在人類活動或自然過程中,產生并排放到大氣中對人類和環境產生負面影響的物質。顆粒物(PM)、氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)和多環芳烴(PAH)等是當前大氣污染的典型污染物。具體來說,顆粒物(PM)來源主要是揚塵和工業活動。氮氧化物(NOx)和二氧化硫(SO2)主要來源于工業燃燒過程、采暖和汽車尾氣排放。多環芳烴(PAH)主要由煤、石油、有機高分子化合物等有機物不完全燃燒時產生。大氣污染物具有顯著的空間分布特征[7],也呈現出復雜的時間動態特征,如隨著區域不同空間內人口(機動車)數量的增加,大氣污染物的假日效應顯著[8],目前對大氣污染物空間異質性的機理解釋仍然不足,并且對人為及其他因素影響下的溢出效應識別不充分[9- 10]。

1.1.2大氣污染物的景觀源匯

“源”景觀是指那些能夠促進過程發展的景觀類型,“匯”景觀是指那些能夠阻止或延緩過程發展的景觀類型[11]。對大氣污染來說,“源”景觀指居民區、工業用地、道路等產生或者促進大氣污染的景觀類型。“匯”景觀指可以緩解或者減輕大氣污染的一些景觀類型或生態系統類型,如城市綠地、樹林、水體等景觀類型,但也存在特殊情況,如農田在不同的季節對PM2.5濃度影響不同[12],植被對PAH的吸收作用也受到季節因素的影響[13]。在研究景觀格局與生態過程時,厘定景觀與大氣污染物源匯的關系,對城市下墊面不同的組分進行合理的景觀規劃,有助于進行大氣污染的緩解與控制,實現人與生態環境的和諧相處。

圖1展示城市下墊面對大氣環境的影響。景觀組分的影響是通過組分的物理屬性之間的差異改變對大氣環境中物質能量交換過程,當前研究多集中于人工建筑、綠地以及水體等城市下墊面與大氣環境之間相互作用的關系,人工建筑主要指的是道路、住宅、工廠等地區。一方面,對大氣環境排放的大氣污染物主要由人工建筑直接產生,如住宅區集中供暖、道路交通運輸、工廠生產等排放的大量大氣污染物等；另一方面,當人工建筑達到一定數量,導致城市下墊面顏色較深,在太陽輻射下吸收大量的熱量,并且在城市參差不齊的建筑物中,不斷反射加強能量的吸收[14],產生城市熱島效應。在熱島效應的影響下,人類生活、工業生產、交通運輸過程中所形成SO2、NOx等大氣污染物會在城市中心區域上空匯集,加重大氣污染程度,對人類的健康帶來嚴重的危害。

圖1 不同景觀組分層次對大氣環境影響Fig.1 Effects of different landscape component levels on atmospheric environment

綠地主要指的是居民區綠地、公共綠色、農林等地區。與人工建筑不同,綠地能夠吸附大氣污染物,并能有效緩解城市熱島效應,形成“冷島效應”[15]。植物的存在對污染物具有一定吸附作用,因此空間規劃考慮綠地及污染源的空間分布可以顯著提高大氣環境保護的有效性[16- 18]。合理配置城市景觀中綠地的空間布局可以控制大氣污染擴散,而這種作用往往會受到背景環境因素影響,對植被下墊面作用的刻畫除植被本身特征外,還需要考慮大氣污染物顆粒大小、到源頭距離以及排放水平、風速和濕度等[19- 20]。在主要道路和居民點之間建立植被屏障,成熟的植被可以適度改善道路附近地區交通運輸產生的大氣污染狀況,減少黑炭和顆粒物大氣污染移動源暴露[21]。有學者運用建模綜合評估了倫敦的樹木對大氣環境的影響,行道樹如大比例使用針葉樹和闊葉樹,PM10沉積量將大幅度增加,規劃者進行可持續的景觀規劃設計,可以提升未來空氣質量[22- 23]。水體組分主要指河流、湖泊、池塘等區域,水體在一定條件下能夠對大氣污染的程度進行改善,其存在可形成“冷湖效應”,即在相同的太陽輻射下,由于湖泊或河流的存在,反射到空氣中的熱量減少,水面上方的溫度相對其他下墊面溫度低,大氣污染物得以擴散,污染物濃度降低。通過對大氣污染物“源”“匯”景觀的深入探索不僅有助于進一步明晰景觀格局演變的生態環境形成機理,也可與景觀規劃直接對接,形成服務于生態環境治理的景觀優化策略。

1.2 景觀格局對大氣污染的影響量化

景觀格局是指景觀組分在空間上的排列,探究景觀格局與大氣污染之間的相關規律,辨識影響大氣污染物濃度景觀格局特征,有利于探索大氣污染研究中的景觀生態學分析途徑。格局的定量分析是研究格局與過程相互關系的基礎[24],景觀生態學的研究方法一定程度上滿足規劃定量表達的需求。根據景觀格局與大氣污染關系進行合理景觀配置,可以指導景觀規劃,通過定量模型分析大氣污染變化,解析大氣污染物與景觀格局之間的關系,是完善景觀格局規劃的重要基礎。

目前模擬預測大氣污染的方法包括使用暴露指標變量、空間插值、擴散模型和土地利用回歸(LUR)模型[25],而量化景觀格局對大氣污染的影響多采用LUR模型,該模型采用隨機模擬技術在GIS系統中將空間屬性變量(如土地覆蓋、交通數據、地形等)與大氣污染物濃度進行回歸,這一基于回歸的方法可以對大氣污染物水平進行穩定評估,利用GIS繪制大氣污染分布,可預測識別潛在污染源,并通過相關政策以及其他的干預措施緩解大氣污染程度[26]。總結梳理不同區域LUR模型對多種典型大氣污染物的模擬效果及建模變量特征(表1),可為景觀規劃提供科學指引,促進景觀生態學研究結果在大氣污染防治領域的實踐應用,為城市和區域提供景觀規劃途徑。

表1 LUR模型應用研究對比

續表研究區域(國家或地區)Study area研究對象Research indicator預測變量/景觀指數Predictive variables/landscape metrics解釋率R2土地利用 Land use中國北京Beijing, China[12]PM2.5街道網絡、海拔、人口、土地利用,景觀指數:PLAND、 PD、 ED、 SHEI、 CONTAG84.9%(年)80.2%(春)68.4%(夏)62.4%(秋)65.8%(冬)建設用地、植被覆蓋區、水體、裸地和農田中國武漢Wuhan, China[51]PM2.5,PM10土地利用、位置、氣象、交通量、道路長度、距市中心距離、周圍500m緩沖區未建面積比例,景觀指數LSI48.3%—96.9%、36.5%—98.2%城市湖泊濕地中國香港Hong Kong,China[52]PM2.5土地利用、景觀指數:PLAND、LPI、AI、CONNECT89.8%城市用地、混交林、灌叢、農田、草地、水體

使用LUR模型的優勢是能夠預測城市空氣質量限值的超標情況,評估減輕污染措施的有效性,通過模型所獲得的相關信息可作為環境和健康政策的基礎,用于預測特定大氣污染的緩解措施效果[27]。LUR模型已成為預測城市或國家尺度上無監測數據區域大氣污染物濃度的重要方法。具體應用中,當地交通強度數據是LUR模型的重要預測變量[28- 31,35- 38],海拔等地理特征對城市空氣質量也有較大影響,將這些因素納入模型能夠顯著提高模型的性能[32-33]。在歐洲大氣污染影響研究 (Escape)中,LUR模型能夠解釋年平均NO2和NOx濃度的空間變化[34]。在對中國PM時空格局探索的回歸結果表明城市PM與人口規模、大氣污染物排放量、周邊排放量呈正相關,與降水量和風速呈負相關[35],其中氣候因素中風速對其影響最為嚴重[36],但大面積綠色景觀的存在能使PM濃度維持在較低水平。從景觀層面上,景觀的均勻度及破碎度與PM2.5濃度密切相關[12],將土地利用類型和景觀指標納入LUR模型來估算PM2.5濃度是當前研究的新趨勢[37]。

當然,LUR模型也存在一定局限性。LUR模型雖然能夠較好地預測空間的變異性,但是不同研究之間的模型結構存在很大差異。數據質量和土地利用的差異也導致模型性能的差異,需采用更標準的方法進行數據的收集；模型基于土地利用對大氣污染物濃度進行評估,存在空間范圍大、時間分辨率低的特點,通過對LUR模型與氣象變量模型進行耦合,可提高其時間分辨率[6]；LUR模型在進行區域外推時應注意同一模型并不適用于其他區域[38],其在小尺度上的適用性也需進一步研究；相比只納入土地利用類型,LUR模型在引入景觀格局指數后,相應的預測精度提高[39],但當LUR模型應用于不同污染物時,納入景觀格局指數對模型模擬能力的影響也不盡相同(表1)。LUR模型方法的使用還需要更多區域性案例,對模型的可移植性及可靠性進行探索[25]。

2 存在問題

縱觀當前大氣污染與景觀生態學的相關研究,存在以下問題和不足。首先,就景觀格局的刻畫而言,目前可以利用的指標含義不夠明確,不利于直接篩選與大氣污染擴散相關的指標；其次,就污染物的空間刻畫而言,目前相應的監測站點相對缺乏,遙感反演技術仍需進一步發展,而大氣污染物自身的擴散范圍過大,易受極端天氣事件影響,不利于開展格局與過程耦合分析；再次,就學科理論和實踐而言,目前的分析僅針對局部地區,缺乏多地區、多尺度的綜合分析,以便對指標和模型進行開發優化,便于規劃決策者做出快速評估。

第一,景觀格局指標的刻畫相對簡略。景觀格局指數是景觀格局分析的重要手段,然而目前景觀格局指數只能粗略的對景觀現狀和總體特征進行描述,無法準確描述格局與過程相互作用關系,需要發展一系列針對特定生態過程且具有明確指示意義的景觀格局指數,因此,如何建立具有生態學意義的景觀格局指數和分析方法,如何將景觀格局與大氣污染遷移擴散聯系起來[23],是利用景觀生態學研究大氣污染問題的關鍵問題。

第二,大氣污染物的空間數據缺乏。污染物的空間傳遞在大氣環境中的傳遞受到多重因素的影響,不同地區污染物的輸送和擴散特征也不盡相同[53],大氣污染物在擴散中的相互作用及極端氣象事件的影響加大了其與景觀格局耦合分析的難度,此外,目前缺乏足夠的監測站點和高空間分辨率的污染物排放指標數據,數據質量限制了在多時空尺度上進行景觀格局與污染擴散過程的耦合分析。

第三,景觀生態學科理論與大氣污染防治實踐脫節。將景觀生態學應用到大氣污染治理中,使土地資源的效益達到生態環境治理和社會經濟發展的最佳結合,是目前區域發展的迫切需求。結合人口聚集地空氣改善目標,建立土地利用和景觀格局與大氣污染之間的定量關系,可以指導景觀格局規劃以達到控制大氣污染的效果。此外,現有景觀生態學理論研究成果并未有效應用于景觀規劃實踐中,如景觀生態學“基質-斑塊-廊道”的經典格局理論以及“源匯”景觀格局理論等都是景觀格局分析的基礎,但是如何將此理論更好地應用到解決實際大氣污染防治問題中,截至目前仍然缺乏好的實例[23]。

3 研究展望

快速城市化和工業化是我國未來相當長一段時間內發展的必然趨勢,會對大氣環境造成嚴重威脅。大氣污染與景觀生態學的關聯研究將成為學術界、管理者以及公眾共同關注的熱點問題。深入研究景觀格局與大氣污染過程的耦合機理,是提升景觀生態學規劃支持作用的關鍵所在。完善景觀格局指標、加強大氣污染過程的空間表征、促進景觀規劃實踐是未來應用景觀生態學研究大氣污染問題的重要發展方向。

3.1 完善景觀格局指標

景觀格局與生態過程耦合是景觀生態學研究的核心議題,景觀格局是生態過程的載體,生態過程是影響格局的動因和驅動力,能夠影響景觀的整體動態,對于景觀格局與過程互饋機制的解析是景觀生態學研究的關鍵環節,在景觀格局對大氣污染影響研究中需發展具有物理意義的景觀模型或格局指數進行評價[54]。城市局地景觀格局(如住宅區、道路格局等)與區域尺度間動力、熱力的相互作用顯著影響大氣污染物的遷移、轉化、擴散[55],城市的三維格局特征(如建筑群高度)與動力粗糙度存在定量關系[56],可為數值模式邊界層物理參數提供重要依據,因此,篩選、完善與大氣污染擴散模式相關的景觀格局指標具有重要意義。傳統上刻畫平面景觀格局的景觀指數并不能反映城市景觀(城市綠化基面、交通基面、城市建筑等)立體化和高層化的三維特征,多尺度、多維景格局分析可以更加全面反映景觀格局特征,并拓展大氣污染過程相關聯的景觀格局指數集[5,57]。總之,景觀格局指標的完善有利于定量解析景觀格局對大氣污染的影響。

3.2 加強大氣污染過程的空間表征

大氣污染物時空格局演變特征是應用景觀生態學方法探究景觀格局與污染過程的重要基礎,因此,亟需加強大氣污染物時空格局的定量表征。深化遙感反演技術、耦合氣候/氣象模型模擬、優化監測網絡是提高大氣污染物時空分布數據質量的重要手段[58]。傳統遙感方法可以提供實時下墊面信息,為大氣數值模型提供有效參數[59],隨著遙感技術進步,利用全覆蓋的衛星影像與污染物之間的定量關系建立模型,可獲取全覆蓋的大氣污染物分布格局[58]。今后需在大氣環境遙感的定量化、高性能傳感器的研制、主動式遙感與被動式的一體化、相關系統的建立以及多時相、多數據源(包括非遙感數據資料數據)的信息復合與綜合分析等方面進一步加強[60]；氣候/氣象模型模擬除依托于復雜的物理化學過程模型模擬外,還依賴于監測數據的輸入及驗證,因此,增加大氣污染相關監測站點,在多個典型地區進行布點監測,并且注意多時段數據的獲取,同時補充流動監測手段獲取大氣污染物分布現狀格局,將有利于對大氣污染過程的精準刻畫。此外,大氣污染物主要存在于近地表,辨識其三維空間分布特征有利于與三維景觀格局指數匹配分析,精細刻畫景觀格局與污染物分布特征的定量關系,可進一步為景觀格局優化、通風廊道建設提供科學支撐[58]。

3.3 強化對景觀規劃實踐的定量支持

景觀格局的實質揭示了景觀規劃的需求,景觀規劃通過城市空間的合理布局和綠化建設優化城市功能[61-62]。建立景觀格局優化模型,明確不同規劃方案下大氣污染物狀況,找出合理生態用地布局以進一步優化空間格局[1],是對景觀規劃實踐的重要支撐；在城市大氣污染對周邊區域顯著影響的背景下,從景觀生態學的“源匯”理論出發,在區域尺度上辨析“源匯”格局的時空變化是進行區域景觀規劃的重要前提[58]；此外,組建跨學科團隊,多角度識別景觀格局對大氣污染的影響,深入探討不同時空尺度上景觀格局對大氣污染的影響規律,辨析景觀格局下的大氣污染過程變化及污染物形成、擴散、消減機理,可為景觀規劃提供科學依據。