基于GIS的南四湖沿岸農(nóng)業(yè)面源氮磷負(fù)荷估算研究

成杰民，宋 濤，李 彥

（1.山東師范大學(xué) 人口·資源與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南250014；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料研究所，濟(jì)南250014）

由于農(nóng)業(yè)面源污染具有來(lái)源分散、多樣、其地理邊界和位置難以識(shí)別和確定等特點(diǎn)，加之面源污染影響因子復(fù)雜多樣、形成機(jī)理尚不明確，給其定量研究帶來(lái)很大困難［1］。根據(jù)土壤流失量定量研究面源污染中氮磷的發(fā)生量是目前常用的方法［2］。該方法是通過(guò)計(jì)算土壤流失量、原土壤表層養(yǎng)分含量和流失土壤的養(yǎng)分富集比，得到氮和磷等面源污染物的流失量［3］。近年來(lái)，越來(lái)越多的模型與地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)相結(jié)合，推動(dòng)了對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的研究［4－7］。通用土壤流失方程（ULSE）是美國(guó) Wischmeier和Smith［8］于1960年根據(jù)近萬(wàn)個(gè)徑流小區(qū)試驗(yàn)資料建立的經(jīng)驗(yàn)公式，是最早將坡度、坡長(zhǎng)、氣候因子（降雨）、植被因子、土壤可蝕性等引入土壤侵蝕預(yù)報(bào)的一個(gè)簡(jiǎn)潔模型。通用土壤流失方程（ULSE）中運(yùn)用GIS的柵格數(shù)據(jù)分析與計(jì)算功能，按照土地利用、土壤類型、植被分布、地形地貌和降雨強(qiáng)度計(jì)算面源污染物的發(fā)生量，解決了面源污染空間分布不均的問(wèn)題，有效提高了估算效率、準(zhǔn)確性和結(jié)果的顯示度，在全世界得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)已將USLE廣泛應(yīng)用于水土流失、環(huán)境評(píng)價(jià)等方面的研究［9－11］。近年來(lái)，GIS和RS技術(shù)的應(yīng)用，保證了源信息的采集、處理和應(yīng)用［12］，使得模型模擬更加方便快捷。

近幾年，南水北調(diào)輸水沿線點(diǎn)源污染得到良好控制，農(nóng)業(yè)面源污染成為制約東線調(diào)水的重要因素。南四湖作為南水北調(diào)東線工程的重要通道和調(diào)蓄區(qū)，其水質(zhì)的優(yōu)劣直接關(guān)系南水北調(diào)工程的成敗。而南四湖來(lái)自集水水域內(nèi)的地表徑流等面源排放所帶入的營(yíng)養(yǎng)物占入湖總量的70%以上［13］，嚴(yán)重影響南四湖水環(huán)境質(zhì)量。因此，開展南四湖沿岸農(nóng)業(yè)面源污染調(diào)查研究，明確沿湖農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮磷的產(chǎn)生量、流失量是加強(qiáng)南四湖農(nóng)業(yè)面源污染防控及綜合治理前提。

本文以濟(jì)寧市沿南四湖縣區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)為主要研究范圍，對(duì)沿湖5km，河流水系上延至10km，兩側(cè)2km的研究區(qū)開展調(diào)查研究。根據(jù)降雨徑流和土壤侵蝕量，運(yùn)用遙感（RS）影像和地理信息系統(tǒng)（GIS），確定USLE各參數(shù)，運(yùn)用土壤通用流失方程（USLE）對(duì)南四湖沿岸土壤流失，氮磷流失模數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算分析，為沿岸農(nóng)業(yè)氮磷流失的消減與控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南四湖位于山東省西南部（116°34′—17°21′E，34°27′—35°20′N）。屬于淮河流域泗水河水系，是典型的平原淺水湖。最大水面面積約為1 266km2，是我國(guó)北方最大的淡水湖。承受東、西、北三面，魯、蘇、豫、皖4省32個(gè)縣市區(qū)的來(lái)水，直接入湖河流53條，流域總面積達(dá)31 400km2。

南四湖流域?qū)儆谂瘻貛?、半濕?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，夏季濕熱、冬季干冷，季風(fēng)變化顯著，地帶性植被為闊葉落葉林。主要成土母質(zhì)為酸性巖風(fēng)化物和石灰?guī)r風(fēng)化物，形成地帶性土壤為棕壤和褐土，非地帶性土壤有砂漿黑土、潮土和水稻土。其中沿湖土壤主要為潮土和水稻土。南四湖農(nóng)業(yè)種植作物230多種，主要糧食作物有小麥、水稻、谷子、高粱、豆類及薯類等，經(jīng)濟(jì)作物有棉花、花生、芝麻、蔬菜、煙草等。

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，南四湖流域工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)用水逐年增加，入湖水量逐年減少的同時(shí)，污染排放不斷增加。南四湖整體水質(zhì)已經(jīng)由80年代的輕污染型轉(zhuǎn)變到現(xiàn)在的中污染—重污染型，屬于藍(lán)藻—隱藻型的中富—富營(yíng)養(yǎng)湖泊，局部富營(yíng)養(yǎng)化湖泊［13］。

南四湖絕大部分處在濟(jì)寧市管轄，包括濟(jì)寧市的2縣1區(qū)，共23個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道辦事處（表1）。研究區(qū)耕地面積67 572hm2，人口約116.37萬(wàn)人，其中農(nóng)業(yè)人口占87%，非農(nóng)業(yè)人口占13%。本文以濟(jì)寧市沿湖縣區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)為主要研究對(duì)象，沿湖5km，河流水系上延至10km，兩側(cè)2km的區(qū)域開展調(diào)查研究。

表1 濟(jì)寧市主要沿湖行政區(qū)

2 研究方法

2.1 USLE模型

采用通用土壤流失方程（USLE）［8］，其基本形式為：

式中：A——單位面積土壤流失量［kg／（m2·a）］；R——降雨侵蝕因子；K——土壤可蝕性因子；L——坡長(zhǎng)因子；S——坡度因子；C——植被因子；P——水土保持因子；系數(shù)0.224是將美國(guó)所用英制單位換算為國(guó)際通用單位。

2.2 USLE各參數(shù)確定

在確定各因子前，需搜集沿岸區(qū)域相關(guān)的資料，包括：沿岸地形圖、降水?dāng)?shù)據(jù)、植被分布、土壤分布及理化性質(zhì)（機(jī)械組成、養(yǎng)分含量等），以及人類活動(dòng)對(duì)土地的利用、農(nóng)業(yè)施肥現(xiàn)狀、種植輪作模式等。運(yùn)用ArcGIS 9.2和ERDAS 9.2軟件進(jìn)行分析處理。

2.2.1 降雨侵蝕參數(shù)R 降雨是土壤侵蝕發(fā)生的基本動(dòng)力，降雨侵蝕力因子R是評(píng)價(jià)降雨對(duì)土壤侵蝕能力的一個(gè)動(dòng)力指標(biāo)。其公式為：

式中：R——降雨侵蝕力［（m·t·cm）／（hm2·h）］；E——一次降雨的總動(dòng)能［（m·t）／hm2］；I30——一次降雨過(guò)程中連續(xù)30min最大降雨強(qiáng)度（cm／h）。

上述公式在計(jì)算降雨動(dòng)能和最大雨強(qiáng)時(shí)需要詳細(xì)的降雨過(guò)程資料，因目前我國(guó)難以獲得詳細(xì)的單次降雨過(guò)程及詳細(xì)雨強(qiáng)，因此本文采用卜兆宏［14］的年降雨侵蝕力經(jīng)驗(yàn)公式，利用容易獲得的常規(guī)降雨資料月雨量與年雨量因子計(jì)算R。

式中：Pi——月平均降雨量（mm）；P——年平均降雨量（mm）。

考慮年內(nèi)各月降雨量的差異，根據(jù)2000—2007年山東省統(tǒng)計(jì)年鑒對(duì)濟(jì)寧地區(qū)的降雨量統(tǒng)計(jì)，求多年平均降雨量，最終確定R值為171.73（m·t·cm）／（hm2·h）。

2.2.2 土壤可侵蝕性K 根據(jù)土壤的機(jī)械組成和有機(jī)質(zhì)含量確定K 值［15］。根據(jù)實(shí)際調(diào)查，以國(guó)家1∶100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)的沿岸土壤矢量圖為基礎(chǔ)，確定南四湖沿岸土壤主要為褐土、潮土和水稻土3種類型，結(jié)合采樣分析和濟(jì)寧地區(qū)土壤普查資料并參考有關(guān)文獻(xiàn)［16－17］的研究成果，得出3種土壤的K 值分別為：0.278，0.269，0.431。

2.2.3 坡度因子S和坡長(zhǎng)因子L 坡度因子S和坡長(zhǎng)因子L都屬于基于DEM的地形因子。其計(jì)算方法有兩種：一是將根據(jù)地塊平均坡度、坡長(zhǎng)的計(jì)算值帶入地塊包含的柵格單元獲得［18］；二是直接基于單元的坡度和坡向值進(jìn)行計(jì)算［19］。由于南四湖沿岸地形平坦，起伏不大，沿岸坡度遠(yuǎn)小于1%。因此參考公式：

式中：L——坡長(zhǎng)（m）；θ——坡度角；m——常數(shù)，當(dāng)坡度≥5%、3.5%～4.5%、1%～3%和＜1%時(shí)，m分別為0.5，0.4，0.3和0.2［3］。查閱 M.J.柯克比的通用土壤流失方程式中地形因子LS的圖表，確定沿岸的LS統(tǒng)一取0.1。

2.2.4 耕作管理因子C與水土保持因子P 耕作管理因子C與水土保持因子P通常根據(jù)研究區(qū)域地表實(shí)際情況查表獲得。完全沒(méi)有植被保護(hù)的裸露地面C值為1，植被良好的森林地區(qū)C值接近0。一般無(wú)任何水土保持措施的土壤P值為1，其它情況P值在0～1之間。由于C值反映植被條件的差異，P值反映人為耕作方式差異，兩者都反映的是地表景觀狀況，具有較高相似性，在一定程度上反映了人為干擾程度的大小，因此將C值和P值結(jié)合，統(tǒng)一為景觀控制因子CP。

采用非監(jiān)督分類1SODATA（Iterative Self－Organizing Data Analysis Technique）算法，對(duì)南四湖遙感影像分類解譯，完全按照像元的光譜特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類。經(jīng)過(guò)初始分類、專題判別、分類合并、色彩確定、分類后處理、色彩重定義、柵格矢量轉(zhuǎn)換、統(tǒng)計(jì)分析，形成景觀類型的柵格圖。參考王曉輝對(duì)巢湖非點(diǎn)源NP污染排放負(fù)荷估算及控制研究［20］，確定南四湖沿岸耕地的景觀控制因子CP值（表2）。

表2 南四湖沿岸景觀控制因子CP值

2.3 土壤流失量

在確定通用流失方程各因子數(shù)值的基礎(chǔ)上，將各因子轉(zhuǎn)化為柵格圖并以GIS為平臺(tái)通過(guò)空間分析的“柵格計(jì)算器”對(duì)各柵格圖形進(jìn)行疊加分析，得到南四湖沿岸土壤流失模數(shù)的空間分布圖。由計(jì)算結(jié)果可知，沿岸土壤流失量A為0～497.39t／（km2·a），平均土壤流失量（土壤侵蝕模數(shù)）為352.7t／（km2·a）。

3 結(jié)果與分析

3.1 南四湖沿岸農(nóng)業(yè)面源污染氮磷流失量

將土壤流失模數(shù)、土壤表層氮或磷的含量和富集比相乘，可以近似獲得面源污染物氮或磷的發(fā)生模數(shù)，進(jìn)而得到研究區(qū)域的氮磷流失量。土壤表層氮磷含量（表3）數(shù)據(jù)來(lái)源于濟(jì)寧市土壤志；富集因子通過(guò)土壤機(jī)械組成計(jì)算［21］獲得。據(jù)研究，氮磷的富集比一般為1～4，絕大多數(shù)在2左右，在缺乏準(zhǔn)確的研究數(shù)據(jù)的情況下，將南四湖沿岸土壤富集比定為2。

表3 研究區(qū)主要土壤氮磷百分比含量 %

在土壤流失A柵格圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合沿岸土壤氮磷養(yǎng)分含量，進(jìn)行柵格計(jì)算，確定沿岸農(nóng)業(yè)面源污染中農(nóng)田氮磷發(fā)生模數(shù)的空間分布圖（圖1）。

南四湖沿岸農(nóng)業(yè)面源污染氮的流失模數(shù)為0～0.91t／（km2·a），均值為0.606t／（km2·a）。磷的流失模數(shù)為0～0.54t／（km2·a），均值為0.392t／（km2·a）。用ArcGIS軟件的空間分析“區(qū)類統(tǒng)計(jì)”命令，按照南四湖沿岸不同的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為區(qū)類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，整理確定USLE模型下南四湖沿岸的氮磷流失情況（圖2）。

圖1 南四湖沿岸氮磷的流失模數(shù)

圖2 USLE模型計(jì)算的氮磷流失量

由USLE模型計(jì)算的氮磷流失量可知（圖2），氮和磷的流失量密切相關(guān)，都主要集中在湖西區(qū)域，以喻屯、王魯和唐口的流失量居于前列，最高的喻屯氮磷流失量達(dá)439.9t／a和271t／a；湖東區(qū)域，石橋、馬坡、歡城和韓莊的氮磷流失量居于前列，最高的石橋氮和磷流失分別為174t／a和120.6t／a。

南四湖沿岸氮磷流失量主要集中在湖西區(qū)域，這是由于南四湖西岸耕地比重較大，景觀類型比較一致。尤其是喻屯、王魯、唐口、石橋鎮(zhèn)等區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展較其他區(qū)域滯后，農(nóng)田耕地面積大，種植業(yè)所占比重高，多以小麥—水稻輪做的種植模式為主，農(nóng)業(yè)活動(dòng)相對(duì)頻繁，化肥施用量大。不論是農(nóng)業(yè)廢水、畜禽養(yǎng)殖廢棄物還是生活污水，幾乎沒(méi)有進(jìn)行收集處理，使得這些區(qū)域氮磷的流失量明顯高于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

3.2 USLE模型計(jì)算的氮磷流失量與實(shí)際調(diào)查計(jì)算值比較

通過(guò)USLE模型計(jì)算的氮磷流失（以下簡(jiǎn)稱模型計(jì)算氮或磷流失量）與實(shí)地調(diào)查、模擬試驗(yàn)［22］、結(jié)合前人研究中確定的農(nóng)田氮磷流失量（以下簡(jiǎn)稱實(shí)際調(diào)查氮或磷流失量）進(jìn)行比較（圖3—4）。

圖3 實(shí)際調(diào)查農(nóng)田氮流失量和模型計(jì)算值比較

圖4 實(shí)際調(diào)查農(nóng)田磷流失量和模型計(jì)算值比較

結(jié)果表明：農(nóng)田實(shí)際調(diào)查的氮和磷的流失量與模型計(jì)算值趨勢(shì)較為一致，兩者呈極顯著線性正相關(guān)，其中氮的流失量Y模型＝0.8902 X實(shí)際－2.8955，R2＝0.9152（p＜0.01），磷的流失量Y模型＝2.7815 X實(shí)際－3.649 7，R2＝0.8376（p＜0.01），說(shuō)明誤差具有一致性。除南陽(yáng)鎮(zhèn)外，氮的模型計(jì)算流失量略低于實(shí)際調(diào)查流失量，相對(duì)相差為－12.49±30.43%。而磷的模型計(jì)算流失量除南陽(yáng)鎮(zhèn)外，其他各鎮(zhèn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際調(diào)查流失量，相對(duì)相差為113.53±169.85%，高樓、張樓兩鎮(zhèn)相對(duì)相差高達(dá)400%。

究其原因：沿岸土壤氮主要來(lái)自化學(xué)肥料的施用，農(nóng)田氮的流失遠(yuǎn)高于畜禽養(yǎng)殖和生活排污的氮流失，是氮的主要流失形式［22］。面源磷的流失主要來(lái)自畜禽養(yǎng)殖，其次才是農(nóng)田磷流失［22］。而USLE模型是將坡度、坡長(zhǎng)、氣候因子（降雨）、植被因子、土壤可蝕性等引入土壤侵蝕預(yù)報(bào)的一個(gè)簡(jiǎn)潔模型。通過(guò)USLE模型計(jì)算僅考慮顆粒態(tài)氮磷流失量，因此對(duì)以農(nóng)田流失為主的氮流失計(jì)算較為準(zhǔn)確，對(duì)畜禽養(yǎng)殖和生活污水排放為主的磷流失計(jì)算誤差較大。且模型分析中既有對(duì)遙感影像的解譯，又有對(duì)USLE各參數(shù)的評(píng)估，這些都會(huì)在一定程度上影響模型的計(jì)算精度。

4 結(jié)論

USLE模型計(jì)算的氮磷流失量主要集中在湖西區(qū)域，以喻屯鎮(zhèn)、王魯鎮(zhèn)和唐口鎮(zhèn)的流失量居于前列，最高的喻屯鎮(zhèn)氮磷流失量分別達(dá)439.9t／a和271 t／a；湖東區(qū)域，石橋鎮(zhèn)、馬坡鎮(zhèn)、歡城鎮(zhèn)和韓莊鎮(zhèn)的氮磷流失量居于前列，最高的石橋鎮(zhèn)氮和磷流失分別為174t／a和120.6t／a。農(nóng)田實(shí)際調(diào)查的氮和磷的流失量與模型計(jì)算值趨勢(shì)較一致，兩者呈極顯著線性正相關(guān)（p＜0.01），說(shuō)明誤差具有一致性。氮的模型計(jì)算流失量略低于實(shí)際調(diào)查流失量，而磷的模型計(jì)算流失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際調(diào)查流失量。主要是因?yàn)槟纤暮匕掇r(nóng)田氮的流失是氮的主要流失形式，遠(yuǎn)高于畜禽養(yǎng)殖和生活排污的氮流失。而磷的流失主要來(lái)自畜禽養(yǎng)殖，其次才是農(nóng)田磷流失。雖然模型計(jì)算存在一定的誤差，但是通過(guò)模型的空間模擬，能明確反映出南四湖沿岸農(nóng)業(yè)面源污染的氮磷流失空間特征、空間分異規(guī)律，為沿岸氮磷流失的防控提供了明確的目標(biāo)和方向。

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