土地覆被變化對流域非點(diǎn)源污染的影響研究——以黑河流域?yàn)槔?

胥彥玲,王蘇艦,李懷恩

(1.北京市科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所,北京100120;2.西安理工大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710048)

土地利用是人與土地相互作用下由不同的利用方式和利用強(qiáng)度組成的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)[1],反映了人類與自然界相互影響與交互作用最直接和最密切的關(guān)系。土地利用以及由此導(dǎo)致的土地覆蓋的變化通過影響流域氣候、水文、土壤養(yǎng)分遷移以及土壤侵蝕的產(chǎn)生,從而通過非點(diǎn)源污染途徑對流域水環(huán)境產(chǎn)生了不同程度的影響。在我國,繼點(diǎn)源污染后,來自農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染已成為最重要的環(huán)境污染源,幾乎所有非點(diǎn)源污染來源都和土地利用/土地覆蓋變化緊密聯(lián)系。深入認(rèn)識(shí)和研究土地利用/土地覆蓋變化對流域水環(huán)境的影響過程,對維持流域生態(tài)平衡,采取合理的土地管理方式,保護(hù)水源具有重要意義。

以黑河流域?yàn)槔?在探討SWAT 模型(美國農(nóng)業(yè)管理模型)在陜西黑河流域適用性[2]的基礎(chǔ)上,通過對不同土地利用情境下產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染進(jìn)行分析,最后闡述土地利用變化對流域非點(diǎn)源污染的影響。

1 流域概況

陜西黑河為渭河右岸的較大支流,位于東經(jīng)107°43′-108°24′,北緯 33°42′-34°13′,屬黃河二級支流,發(fā)源于秦嶺太白山北麓之茫谷,由西南流向東北,至周至縣馬召鎮(zhèn)附近的武家莊出峪后由東北的石馬村入渭河。黑河流域黒峪口以上流域面積(研究區(qū))1 481 km2,包括8個(gè)行政鄉(xiāng)4個(gè)行政村。該區(qū)屬溫暖帶半干旱、半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,冬夏溫差大,多年平均氣溫13.2℃。受地形地貌、大氣環(huán)流、太陽輻射等綜合因素的制約,該區(qū)降水、蒸發(fā)等氣象因素在時(shí)空分布上有差異。流域徑流主要由降雨形成,徑流年季變化較大,年內(nèi)分配亦不均勻。區(qū)內(nèi)地貌類型大體可分為:低山陡坡型,海拔600～1 000m;中山陡坡型,海拔1 000～3 500m;高山陡坡型,海拔3 500 m以上。從秦嶺梁往北,高度遞減,植被覆蓋率亦成遞減趨勢。在中、深山區(qū),植被覆蓋度低,生態(tài)環(huán)境良好。該區(qū)域的土壤類型以褐土、棕壤、暗棕壤及高山草甸土為主。根據(jù)黑河流域2000年土地利用統(tǒng)計(jì),黑河流域以林業(yè)用地所占比例最高,其次為未利用地,再次是耕地。

2 土地利用 /覆被情景設(shè)定

情景建立的依據(jù)是理論和實(shí)際。黑河流域主要的土地利用類型為耕地、林地、未利用地、居民及工礦用地4種,由于黑河是整個(gè)引水工程的主要水源,而且黑河水庫存在著潛在富營養(yǎng)化危險(xiǎn)。因此,為了了解土地覆被對流域水質(zhì)的影響,首先從理論上假設(shè)流域全部為森林覆被的情景。其次,從實(shí)際情況出發(fā),根據(jù)目前當(dāng)?shù)氐恼甙l(fā)展(全面禁伐、水源涵養(yǎng)林保護(hù)工程等的實(shí)施),假設(shè)土地利用逐漸改善,25°以上的坡地全部還林,以及在一個(gè)未來幾年內(nèi)達(dá)到的最佳的土地覆被狀況時(shí)的情景。最佳土地覆被情景應(yīng)該是,流域范圍內(nèi)除了少數(shù)居民點(diǎn)、水域以外,允許15°坡度以下有少量的適宜農(nóng)耕的耕地,其余適合森林生長的土地都是森林植被,不存在未利用地。最后,考慮到未來土地管理不善,假設(shè)土地利用可能會(huì)惡化的情況。要模擬的5種情景如下:

情景1:黑河流域位于秦嶺山區(qū),山高坡陡,水源區(qū)耕地面積3 484.9 hm2,占該區(qū)土地總面積的2.24%,其中大于15°的坡耕地高達(dá) 87.71%,假設(shè)未來響應(yīng)國家水源保護(hù)政策,將山區(qū)人口搬離,全部退耕還林,流域土地利用只有林地。

情景2:土地覆蓋為最佳狀態(tài),即在2000年土地利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,≥15°的坡地全部還林,15°以下的坡地中未利用地和工礦用地全部還林,15°以下的耕地不變(即林地占97.247%,15°以下耕地面積2.753%)。

情景3:響應(yīng)國家退耕還林政策以及水源保護(hù)政策,在2000年土地利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,逐漸將＞25°的坡地全部還林,25°以下的坡地不變。

情景4:為了與其它情景進(jìn)行對比,將情景4設(shè)置為2000年土地覆蓋狀況。

情景5:黑河流域環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查表明,其相鄰流域紅草河的土地利用情況比黑河流域差?？紤]到與黑河流域的自然地理情況相似,當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)方式和生活習(xí)慣基本相同,如黑河流域得不到有效保護(hù),那么黑河流域?qū)⒂锌赡茏兂杉t草河的情況,因此,情景5假設(shè)黑河流域土地利用情況惡化為紅草河的狀況[3],林地、耕地、未利用地、居民及工礦用地分別占71.009%,11.10%,17.136%,0.753%。

3 5種土地利用情景模型的模擬結(jié)果與分析

3.1 徑流的模擬結(jié)果與分析

根據(jù)上述5個(gè)情景,分別模擬黑河流域1991-2000年共10 a的降雨徑流關(guān)系,全年徑流總量的模擬結(jié)果見表1[4-5]。

表1 5種情景下地表徑流的模擬結(jié)果 mm

從表1可以看出,徑流深的大小排序?yàn)榍榫?＞情景4＞情景3＞情景2＞情景1,且情景 3、情景4和情景 5的徑流量變化幅度較大。由此表明:(1)隨著流域林地面積的增加(即環(huán)境得到極大的確良改善),流域徑流深減少;(2)由于流域地形坡度較大,因此,通過采取對15°以上坡地的還林措施(即有效治理),會(huì)極大地削減地表徑流深的產(chǎn)生。

3.2 泥沙的模擬結(jié)果與分析

通過對5種情景1991-2000年10 a泥沙的模型模擬,其結(jié)果見表2。

表2 5種情景下泥沙的模擬結(jié)果 103 t

表2可以看出產(chǎn)沙量的大小排序?yàn)榍榫?＞情景4＞情景3＞情景2＞情景1。由此表明:與地表徑流深的特征相似,隨著森林植被的增加,水土流失量減少,從而使得流域產(chǎn)沙量也減少,即森林具有極大的減沙效應(yīng)。

3.3 水質(zhì)模擬結(jié)果與分析

在徑流與產(chǎn)沙分析的基礎(chǔ)上,通過對5種情景1991-2000年10 a的水質(zhì)運(yùn)用SWAT 2000模型進(jìn)行模擬,其結(jié)果見表3和圖1。

分析表3和圖1可以得出:(1)當(dāng)流域全部為林地時(shí),總氮的多年平均負(fù)荷量為99 001 kg,單位負(fù)荷為0.67 kg/(hm2?a),總磷的負(fù)荷量為17 145 kg,單位負(fù)荷為0.11 kg/(hm2?a),這與文獻(xiàn)[3]中的計(jì)算結(jié)果在同一數(shù)量級上,且相差不大。

Sogzini[6]等人對美國各類型土地的氮磷輸出給定了一個(gè)范圍,美國的林地總磷輸出為0.02～0.67 kg/(hm2?a),而模型模擬值為0.11 kg/(hm2?a),美國林地總氮輸出為1～6.3 kg/(hm2?a),模型輸出為0.67 kg/(hm2?a),由于國情的不一致,我國的數(shù)據(jù)和美國的情況有所差異,但可以用他們的數(shù)據(jù)做一個(gè)參照[7]?？紤]到該小流域山高坡陡,土壤貧瘠、降雨量不大等特殊情況,所以用上述數(shù)據(jù)對比,基本可推斷模型模擬值有效,從而再一次驗(yàn)證了SWAT模型在該流域的適用性。(2)隨著水源保護(hù)政策實(shí)施力度的不斷加大,植被覆蓋度率增大,極大地降低了流域的產(chǎn)水、產(chǎn)沙量,從而使得溶解態(tài)氮磷、有機(jī)態(tài)氮磷均有減少,對于溶解態(tài)氮磷以及有機(jī)態(tài)氮磷而言,水質(zhì)負(fù)荷的排序?yàn)榍榫?＞情景4＞情景3＞情景2＞情景1。(3)從1991-2000年 10 a平均總氮、總磷負(fù)荷來看,現(xiàn)狀土地利用下(即情景4)總氮與總磷的負(fù)荷量分別為173.334 t和38.653 t,與現(xiàn)狀土地利用相比,土地利用變化所導(dǎo)致的非點(diǎn)源污染的變化見表4。(4)就情景2而言,由于＞15°的坡地退耕還林,耕地只存在于15°以下的坡地內(nèi),同一流域內(nèi),空間變化不大,因此可簡單認(rèn)為情景2中耕地和林地均存在于均一空間單元內(nèi),結(jié)合情景1林地的單位負(fù)荷(氮的負(fù)荷為0.67 kg/(hm2?a),磷的單位負(fù)荷0.11 kg/(hm2?a),可計(jì)算出15°以下耕地的單位負(fù)荷,氮為8.85 kg/(hm2?a),磷為4.2 kg/(hm2?a)。馬立柵[7]在太湖流域測定的旱地總氮輸出數(shù)據(jù)為13.27 kg/(hm2?a),旱地的總磷,Sozogni的數(shù)據(jù)是0.2～4.6 kg/(hm2?a)[6],由于本研究流域位于西北地區(qū)秦嶺深山區(qū),土壤貧瘠,因此,與文獻(xiàn)[6]和[8]中旱地值對比,可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果有效,從而為土地利用優(yōu)化模型提供了計(jì)算參數(shù)值。

表3 5種土地利用情景下水質(zhì)的模擬結(jié)果 kg/a

圖1 不同土地利用情景對水環(huán)境中氮、磷的影響

表4 土地利用變化導(dǎo)致的非點(diǎn)源污染的變化

表4可看出:從氮/磷污染的控制效益來看,情景1＞情景2＞情景3,而情景5則對水環(huán)境具有惡化的作用。由此表明,隨著對植被的破壞,即土地惡化,會(huì)導(dǎo)致流域非點(diǎn)源污染的急劇增加;反之,隨著全面禁伐、水源涵養(yǎng)林保護(hù)工程等的實(shí)施,流域水環(huán)境會(huì)得到極大的改善,特別是對15°以上坡耕地的有效治理后。

4 結(jié)論

(1)土地利用、覆被變化會(huì)對流域非點(diǎn)源污染產(chǎn)生極大的影響。林地具有較強(qiáng)的減水、減沙效應(yīng),從而極大地削減了流域非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生。

(2)加強(qiáng)土地管理,促進(jìn)土地的合理利用,特別是15°以上坡耕地的合理利用,將是有效控制流域非點(diǎn)源污染,保護(hù)流域水質(zhì)的有效措施。

(3)理論聯(lián)系實(shí)際,為了有效改善流域水環(huán)境,控制非點(diǎn)源污染,未來黑河流域土地利用最佳狀況是:響應(yīng)國家水源保護(hù)政策,流域人口逐漸搬離,15°以上的坡地全部還林,在滿足飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)情況下,允許15°以下坡度中有少量適宜農(nóng)耕的耕地,無未利用地,且植被覆蓋較好。此時(shí),流域氮的年總負(fù)荷為13.25 kg,磷的年總負(fù)荷為3.29 kg,對流域水質(zhì)不會(huì)造成污染。

[1] 郝芳華,陳利群,劉昌明,等.土地利用變化對產(chǎn)流和產(chǎn)沙的影響分析[J].水土保持學(xué)報(bào),2004,18(3):6-8.

[2] 胥彥玲,秦耀民,李懷恩,等.SWA T模型在陜西黑河流域非點(diǎn)源污染模擬中的應(yīng)用[J].水土保持通報(bào),2009,29(4):114-117.

[3] 《黑河引水工程水源保護(hù)研究》課題組.黑河引水工程水資源保護(hù)研究技術(shù)總報(bào)告[R].西安:陜西省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計(jì)院、西安理工大學(xué),1998.

[4] 于興修,楊桂山,梁濤.西苕溪流域土地利用對氮素徑流流失過程的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),2002,21(5):424-427.

[5] JeffsW C,Konrad D M,Konrad JC,et al.Po llution from land runoff[J].J.Environment Science&Techno logy,1980,14(2):148-153.

[6] 焦鋒,秦伯強(qiáng),黃文鈺.小流域水環(huán)境管理:以宜興湖滏鎮(zhèn)為例[J].中國環(huán)境科學(xué),2003,23(2):220-224.

[7] 馬立珊,汪祖強(qiáng),張水銘,等.蘇南太湖水系農(nóng)業(yè)面源污染及其控制對策研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),1997,17(1):39-47.

[8] 李秀彬.全球環(huán)境變化研究的核心領(lǐng)域:土地利用/土地覆被變化的國際研究動(dòng)向[J].地理學(xué)報(bào),1996,51(6):553-557.