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    基于GIS的南四湖沿岸農(nóng)業(yè)面源氮磷負(fù)荷估算研究

    2012-05-07 11:07:26成杰民
    水土保持研究 2012年3期
    關(guān)鍵詞:南四湖面源氮磷

    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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