土地利用變化對(duì)長(zhǎng)陽縣非點(diǎn)源污染負(fù)荷的影響研究

汪朝輝，陳蓓青，程學(xué)軍，梁東業(yè)

土地利用變化對(duì)長(zhǎng)陽縣非點(diǎn)源污染負(fù)荷的影響研究

汪朝輝1，2，陳蓓青1，程學(xué)軍1，梁東業(yè)1

（1.長(zhǎng)江科學(xué)院空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010；2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079）

利用輸出系統(tǒng)模型，結(jié)合RS和GIS技術(shù)，對(duì)長(zhǎng)陽縣非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行空間分布模擬和總負(fù)荷的估算。結(jié)果表明：①長(zhǎng)陽縣非點(diǎn)源污染負(fù)荷TN（總氮），TP（總磷）從2000年到2006年呈逐步上升趨勢(shì)，這種變化趨勢(shì)與土地開發(fā)利用關(guān)系密切；在空間分布上，TN，TP由東向西縱深發(fā)展，污染負(fù)荷空間分布更加廣泛；非點(diǎn)源污染負(fù)荷總量增加顯著，2000年到2006年TN負(fù)荷增加幅度達(dá)到55.56%，TP負(fù)荷增加幅度為42.51%。②不同土地利用類型對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷總量的貢獻(xiàn)率存在差異，對(duì)TN貢獻(xiàn)率較大的土地利用類型是耕地、林地、草地；對(duì)TP貢獻(xiàn)率較大的依次是林地、耕地、草地和建設(shè)用地。③不同土地利用類型對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)率也在發(fā)生變化，從2000年到2006年，耕地對(duì)TN的貢獻(xiàn)率的變化最突出，上升了19%，草地貢獻(xiàn)率下降了11%；草地對(duì)TP的貢獻(xiàn)率變化最大，下降了18%，其次是建設(shè)用地，貢獻(xiàn)率上升了5%左右。

非點(diǎn)源污染；輸出系數(shù)模型；RS；GIS；貢獻(xiàn)率；長(zhǎng)陽縣

隨著點(diǎn)源污染逐步得到有效的控制和管理，非點(diǎn)源污染對(duì)水質(zhì)的影響日益凸現(xiàn)。世界上許多國(guó)家和地區(qū)的研究結(jié)果證實(shí)，非點(diǎn)源污染是導(dǎo)致水環(huán)境惡化的主要原因，而非點(diǎn)源污染中又以農(nóng)業(yè)面源污染占有份額最大［1－3］。農(nóng)業(yè)面源污染一直是水環(huán)境研究的難題，它與土地利用方式密切聯(lián)系。土地利用變化導(dǎo)致下墊面水力學(xué)特征、土壤成分等發(fā)生變化，對(duì)非點(diǎn)源污染的輸出有較大影響［4，5］，分析不同土地類型的非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)率是合理估算非點(diǎn)源污染負(fù)荷的關(guān)鍵。

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)陽土家族自治縣，位于湖北省西南部的清江中下游，地勢(shì)西高東低，絕大多數(shù)都是山地，坡耕地和梯田占絕大比重，見表1。其中小于6°的耕地只占4.7%，6°～15°的占26.3%，15°～25°的占40.7%，大于25°的占28.3%。特殊的地理環(huán)境和長(zhǎng)期不合理的開發(fā)利用，導(dǎo)致了嚴(yán)重的水土流失以及非點(diǎn)源污染，解決非點(diǎn)源污染問題對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和流域持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 數(shù)據(jù)獲取與研究方法

表1 長(zhǎng)陽縣土地利用坡度分布Table 1 Distribution on land use gradient of Changyang County

2.1 數(shù)據(jù)獲取

研究中用到的數(shù)據(jù)主要包括長(zhǎng)陽縣土地利用圖和土地利用調(diào)查詳查數(shù)據(jù)、1∶10 000 DEM圖，1∶250 000湖北省行政區(qū)劃圖，Landsat TM遙感影像圖，并通過解譯衛(wèi)星遙感圖獲得長(zhǎng)陽縣土地利用圖。最后利用ArcGIS軟件結(jié)合土地利用圖，對(duì)長(zhǎng)陽縣非點(diǎn)源污染負(fù)荷狀況進(jìn)行分析。

2.2 輸出系數(shù)模型

非點(diǎn)源污染模型形式多樣，根據(jù)模型建立的途徑和所模擬的過程，通?？煞譃榻?jīng)驗(yàn)型模型和物理型模型或過程模型等［6］。物理型模型比經(jīng)驗(yàn)型模型復(fù)雜，它以某一過程或系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)理為基礎(chǔ)，以非點(diǎn)源污染的發(fā)生、遷移轉(zhuǎn)化和影響的具體過程為框架進(jìn)行構(gòu)建。經(jīng)驗(yàn)型模型不涉及污染的具體過程和機(jī)理，僅與模型的輸入與輸出有關(guān)系，多用于非點(diǎn)源污染物負(fù)荷量的估算。英國(guó)學(xué)者Johns等提出的輸出系數(shù)模型，避開了非點(diǎn)源污染發(fā)生的復(fù)雜過程，所需參數(shù)少，操作簡(jiǎn)便，又具有一定的精度，在我國(guó)的非點(diǎn)源污染負(fù)荷研究時(shí)表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)越性［7－9］。本研究選用輸出系數(shù)模型來計(jì)算土地利用對(duì)長(zhǎng)陽縣的非點(diǎn)源負(fù)荷的影響。

模型的一般表達(dá)式為

式中：j為污染物類型；i為流域中的土地利用類型，共n種類型；Lj為污染物j在流域的總負(fù)荷量（kg／a）；Eij為污染物j在流域第i種土地利用類型中的輸出系數(shù)［kg／（km·a）］；Ai為第i種土地利用類型的面積（km2）；P為由降雨輸入的營(yíng)養(yǎng)物數(shù)量（kg）。

該方法雖不能預(yù)測(cè)單場(chǎng)降雨所產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染，但其為大、中型尺度的長(zhǎng)期非點(diǎn)源污染負(fù)荷研究提供了一種新的途徑，因而在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。

在輸出系數(shù)模型中，確定合理的輸出系數(shù)是關(guān)鍵所在［10，11］。影響流域非點(diǎn)源污染物輸出系數(shù)的因素很多，主要包括流域內(nèi)地形地貌、水文、氣候、土地利用、土壤類型和結(jié)構(gòu)、植被、管理措施以及人類活動(dòng)等。參照國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究［12，13］，并結(jié)合長(zhǎng)陽縣相關(guān)研究資料和氣候、水文、土壤、農(nóng)業(yè)耕作特點(diǎn)和人類活動(dòng)特點(diǎn)等因素，確定長(zhǎng)陽縣非點(diǎn)源污染負(fù)荷的土地利用的輸出系數(shù)如表2所示。從表2可以看出，不同土地利用方式的輸出系數(shù)差別非常明顯，其中耕地最大，而林地和草地比較小，這和耕地化肥施用量最多、土質(zhì)松軟，以及草地、耕地對(duì)水土流失具有一定的滯留作用密切相關(guān)。因此，所選輸出系數(shù)有一定的合理性。

表2 土地利用類型輸出系數(shù)表Table 2 Export coefficients of land use on Changyang County

3 結(jié)果與分析

3.1 非點(diǎn)源污染負(fù)荷的空間分布

根據(jù)長(zhǎng)陽縣輸出系數(shù)表和土地利用圖，在GIS軟件的支持下，得出長(zhǎng)陽縣由于土地利用造成非點(diǎn)源污染的TN，TP空間分布圖。

從圖1至圖4可以看出，從2000年到2006年，長(zhǎng)陽縣非點(diǎn)源污染發(fā)生了明顯的變化，其中2000年非點(diǎn)源污染高負(fù)荷區(qū)主要分布在東部地區(qū)，因?yàn)殚L(zhǎng)陽縣地勢(shì)是西高東低，東部集中了絕大部分的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，西部以中高山草地和林地為主，因此西部的非點(diǎn)源負(fù)荷相對(duì)較低。隨著大力發(fā)展高山蔬菜，低山糧林，高山林、畜、藥等工程，非點(diǎn)源污染負(fù)荷逐步向縱深發(fā)展，其中清江以南發(fā)展比清江以北發(fā)展迅猛，非點(diǎn)源污染負(fù)荷也更加迅速地加重了。

圖1 2000年非點(diǎn)源污染負(fù)荷TN空間分布Fig.1 Spatial distribution of NPS pollution load for TN in 2000

圖2 2006年非點(diǎn)源污染負(fù)荷TN空間分布Fig.2 Spatial distribution of NPS pollution load for TN in 2006

圖3 2000年非點(diǎn)源污染負(fù)荷TP空間分布Fig.3 Spatial distribution of NPS pollution load for TP in 2000

圖4 2006年非點(diǎn)源污染負(fù)荷TP空間分布Fig.4 Spatial distribution of NPS pollution load for TP in 2006

3.2 非點(diǎn)源污染負(fù)荷總量分析

長(zhǎng)陽縣由土地利用所造成的非點(diǎn)源污染TN負(fù)荷從2000年的1 787 t增加到2006年的2 781 t，增加幅度達(dá)到55.56%；TP負(fù)荷從2000年的74 t增加到2006年的105 t，增加幅度為42.51%。其中最主要的原因是大量的林地草地由于人為的開發(fā)利用變成高山蔬菜基地、糧林和畜牧、藥材用地，導(dǎo)致了非點(diǎn)源污染負(fù)荷的加重。因此加強(qiáng)非點(diǎn)源污染控制刻不容緩。

3.3 土地利用類型在不同年份對(duì)非點(diǎn)源污染總量

的貢獻(xiàn)率分析

隨著人類的開發(fā)利用和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地利用類型之間在發(fā)生轉(zhuǎn)換，不同土地利用類型面積也在不斷變化，同時(shí)不同的土地利用類型對(duì)TN和TP的輸出系數(shù)不同，因此它們對(duì)整個(gè)研究區(qū)域的TN和TP的貢獻(xiàn)率也會(huì)發(fā)生變化，見圖5。

圖5 不同土地利用類型在不同年份的貢獻(xiàn)率柱狀圖Fig.5 Contribution ratio histogram of different land use in different years

2000和2006數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明：耕地對(duì)TN的貢獻(xiàn)率由43.9%上升到62%，林地的貢獻(xiàn)率由32%下降到21%，建設(shè)用地的貢獻(xiàn)率由5.2%上升到10.03%，草地和未利用地對(duì)TN的貢獻(xiàn)率略有下降。土地利用對(duì)TP的貢獻(xiàn)率也發(fā)生較大的變化。耕地的貢獻(xiàn)率由31.6%上升到35.5%，林地的貢獻(xiàn)率由55.8%下降到36.3%，草地、建設(shè)用地和未利用地的貢獻(xiàn)率分別上升了3.6%，4.9%和1.3%。這與不斷開發(fā)利用林草地，以及建設(shè)用地的不斷擴(kuò)張密切相關(guān)。

3.4 土地利用類型對(duì)不同非點(diǎn)源污染類型的貢獻(xiàn)率

2000年對(duì)TN貢獻(xiàn)率較大的土地利用類型依次是耕地、林地、草地，它們的貢獻(xiàn)率依次是43.9%，

32%，13%，相對(duì)比較而言，建設(shè)用地和未利用地的貢獻(xiàn)率較低。對(duì)TP貢獻(xiàn)率較大的依次是林地、耕地、草地，貢獻(xiàn)率依次是55.8%，31.6%，6.5%；建設(shè)用地和未利用地的貢獻(xiàn)率也相對(duì)較低（圖6）。

圖6 不同土地利用類型對(duì)不同污染類型貢獻(xiàn)率柱狀圖Fig.6 Contribution ratio histogram of different land uses to non point source pollution

2006年對(duì)TN貢獻(xiàn)率較大的土地利用類型是耕地、林地、草地，對(duì)TP貢獻(xiàn)率較大的土地利用類型是林地、耕地、草地、建設(shè)用地。與2000年相比耕地對(duì)TN的貢獻(xiàn)率進(jìn)一步上升，貢獻(xiàn)率達(dá)到62%；對(duì)TP的貢獻(xiàn)率林地下降比較明顯，建設(shè)用地對(duì)TP的貢獻(xiàn)率也得到加強(qiáng)，達(dá)到10.2%。

4 結(jié) 論

（1）長(zhǎng)陽縣由于土地利用所造成的非點(diǎn)源污染負(fù)荷TN，TP從2000年到2006年是逐步上升加重的變化趨勢(shì)，這種變化趨勢(shì)與土地利用開發(fā)加強(qiáng)，大力發(fā)展農(nóng)林畜牧產(chǎn)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)；在空間分布上，TN，TP由東向西縱深發(fā)展，污染負(fù)荷空間分布更加廣泛。

（2）非點(diǎn)源污染負(fù)荷總量增加顯著。其中TN負(fù)荷從2000年到2006年增加幅度達(dá)到55.56%；TP負(fù)荷增加幅度為42.51%。

（3）不同土地利用類型對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷總量的貢獻(xiàn)率存在差異，對(duì)TN貢獻(xiàn)率較大的土地利用類型是耕地、林地、草地；對(duì)TP貢獻(xiàn)率較大的依次是林地、耕地、草地和建設(shè)用地。

（4）隨著土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換，不同土地利用類型對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)率也在發(fā)生變化。從2000年到2006年，耕地對(duì)TN的貢獻(xiàn)率變化最突出，上升了19%，草地貢獻(xiàn)率下降了11%；草地對(duì)TP的貢獻(xiàn)率變化最大，下降了18%，其次是建設(shè)用地，貢獻(xiàn)率上升了5%左右。

（5）下一步研究將逐步考慮化肥施用量、降雨、地形等因素對(duì)非點(diǎn)源污染擴(kuò)散和遷移的影響，以便得到更加準(zhǔn)確的模擬。

［1］ 岳 勇，程紅光，楊勝天.松花江流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算與評(píng)價(jià)［J］.地理科學(xué)，2007，（2）：231－236.（YUE Yong，CHENG Hong-guang，YANG Sheng-tian.Integrated assessment of non-point source pollution in Songhuajiang River Basin［J］.Scientia Geographica Sini-ca，2007，（2）：231－236.（in Chinese））

［2］ 李強(qiáng)坤，李懷恩，胡亞偉.基于單元分析的青銅峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染估算［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2007，23（4）：33－37.（LIQiang-kun，LI Huai-en，HU Ya-wei.Unit-Analysis based assessment of agricultural non-point source pollution in Qingtongxia irrigation area［J］.Journal of Ecology and Rural Environment，2007，23（4）：33－37.（in Chinese））

［3］ 郭紅巖，王曉蓉，朱建國(guó).太湖一級(jí)保護(hù)區(qū)非點(diǎn)源磷污染的定量化研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15（1）：136－140.（GU0 Hong-yan，WANG Xiao-rong，ZHU Jian-guo.Quantification of non-point sources phosphorus pol-lution in key protection area of Taihu Lake［J］.Chinese Journal of applied Ecology，2004，15（1）：136－140.（in Chinese））

［4］ 金 洋，李恒鵬，李金蓮.太湖流域土地利用變化對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷量的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26（4）：1214－1218.（JIN Yang，LIHeng-peng，LI Jin-lian.The impact of non-point pollutant load of land-use changes in Taihu basin［J］.Journal of Agro-En-vironment Science，2007，26（4）：1214－1218.（in Chi-nese））

［5］ 劉瑞民，楊志峰，丁曉雯.土地利用／覆蓋變化對(duì)長(zhǎng)江上游非點(diǎn)源污染影響研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2006，27（12）：2407－2414.（LIU Rui-min，YANG Zhi-feng，DING Xiao-wen.Effect of land use／cover change on pol-lution load of non－point source in upper reach of Yan- gtze River Basin［J］.Environmental Science，2006，27（12）：2407－2414.（in Chinese））

［6］ NING S k，JENG K Y，CHANG N B.Evaluation of non－point source pollution impacts by integrated 3s informa-tion technology and GMLF modeling［J］.Water Science and Technology.2002，（4－6）：225－230.

［7］ 李懷恩，莊詠濤.預(yù)測(cè)非點(diǎn)源營(yíng)養(yǎng)負(fù)荷的輸出系數(shù)法研究進(jìn)展與應(yīng)用［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，19（4）：307－312.（LIHuai-en，ZHUANG Yong-tao.The export coefficientmodeling approach for load prediction of nutrient from nonpoint source and its application［J］.Journal of Xian University of Technology，2003，19（4）：307－312.（in Chinese））

［8］ 蔡 明，李懷恩，莊詠濤.改進(jìn)的輸出系數(shù)法在流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算中的應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)，2004，（7）：40－45.（CAIMing，LIHuai-en，ZHUANG Yong-tao.Application ofmodified export coefficientmethod in polluting load estimation of non-point source pollution［J］.Journal of Hydraulic Engineering.2004，（7）：40－45.（in Chinese））

［9］ 程紅光，岳 勇，楊勝天.黃河流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算與分析［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（3）：384－387.（CHENG Hong-guang，YUEYong，YANG Sheng-tian.An estimation and evaluation of non-point source pollution in the Yellow River Basin［J］.Acta Scientiae Circumstanti-ae，2006，26（3：）384－391.（in Chinese））

［10］史志華，張 斌，丁樹文，等.漢江中下游農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的建立與初步應(yīng)用［J］.遙感學(xué)報(bào)，2002，（5）：382－387.（SHI Zhi-hua，ZHANG Bin，DING Shu-wen.The establishment and application of agricultural non-point source pollution information sys-tem in Hanjiang River watershed［J］.Journal of Remote Sensing，2002，（5）：382－387.（in Chinese））

［11］史志華，蔡崇法，丁樹文.基于GIS的漢江中下游農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22（4）：473－477.（SHI Zhi-hua，CAI Chong-fa，DING Shu-wen.Research on nitrogen and phosphorus load of agricultural nonpoint sources in middle and lower reaches of Hanjiang River besed on GIS［J］.Acta Scientiae Cir-cumstantiae，2002，22（4）：473－477.（in Chinese））

［12］劉 平，程 炯，劉曉南.廣州流溪河流域典型農(nóng)業(yè)集水區(qū)降雨徑流污染物輸出特征分析［J］.生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，24（1）：92－95.（LIU Ping，CHENG Jiong，LIU Xiao-nan.Characteristics of output of non-point source pollution with rainfall runoff in typical agri-culturalwatershed of Liuxi River valley［J］.Journal of E-cology and Rural Environment，2008，24（1）：92－95.（in Chinese））

［13］張秋玲，陳英旭，俞巧鋼.非點(diǎn)源污染模型研究進(jìn)展［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18（8）：1886－1890.（ZHANG Qiu-ling，CHEN Ying-xu，YU Qiao-gan.A re-view on non-point source pollution models［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2007，18（8）：1886－1890.（in Chinese））

（編輯：劉運(yùn)飛）

Im pact of Land Use Change on Non-point Source Pollution Load in Changyang County

WANG Zhao-hui1，2，CHEN Bei-qing1，CHENG Xue-jun1，LIANG Dong-ye1
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.School of Resource and Environmental Science，Wuhan University，Wuhan 430079，China）

Utilizing export coefficientmodel and adopting RS and GIS techniques，the authors estimated the non point source pollution load of Changyang County，and simulated its spatial distribution.The results indicated as fol-lows：The total nitrogen load caused by land use has increased 55.56%，and the total phosphorus load has in-creased 42.51%from year 2000 to 2006.The non point pollution has aggravated year by year.As far as spatial distribution，the non point pollution expanded from eastof Changyang County to thewest.The trend of deterioration was caused by the high strength land use exploitation and city-town outspread.Different land uses had various con-tributions to the total non point source pollution load.The gradation of contribution ratio to TN was from farmland to forest and grassland，and that to TPwas from forest and farmland to grassland and land use for urban construction.The contribution ratio to the total non point source pollution load also has changed from 2000 to 2006.In terms of TN，farmland’s contribution ratio increased by 19%，and that of grassland decreased by 11%.However for TP，grassland’s contribution ratio drop 18%，and that of urban and residential area raised 5%.

non point source pollution；export coefficient model；RS and GIS techniques；contribution ratio； Changyang County

P416.2

A

1001－5485（2010）01－0017－05

2009-07-06

中央級(jí)公益性科研院所專項(xiàng)基金（YWF200808），國(guó)家軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2007GXS3B044）

汪朝輝（1978-），男，湖北隨州人，工程師，碩士，主要從事水資源保護(hù)和生態(tài)環(huán)境研究，“3S”技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用研究，（電話）027-82926895（電子信箱）wangzh＠m(xù)ail.crsri.cn。