云蒙湖流域非點源磷污染時空變化研究

孟曉云，于興修，泮雪芹

（1.臨沂大學 資源環(huán)境學院，山東 臨沂276000；2.臨沂大學 水土保持與環(huán)境保育研究所 山東省水土保持與環(huán)境保育重點實驗室，山東 臨沂276000）

磷是影響水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因子［1－3］；國內(nèi)外大量研究表明，要防止水體富營養(yǎng)化，關(guān)鍵是對磷來源進行控制［4－5］。隨著點源污染的有效控制，非點源污染成為水體污染的主要因素之一［6－7］，而非點源磷污染的發(fā)生受自然因素（如降雨、地形、地貌）和人為因素（植被覆蓋、農(nóng)藥化肥的使用、農(nóng)田灌溉）的共同影響與制約［8］，由于短期內(nèi)自然因素變化不大，因而，可以通過改變土地利用方式達到控制非點源污染的目的［9］。

流域是介于地塊和區(qū)域尺度之間的過渡單元［10］，從流域尺度進行非點源污染研究可以加深對非點源污染的機理研究，同時為以后的污染控制和流域綜合治理提供依據(jù)［11］。云蒙湖流域地處山東省中南部沂蒙山區(qū)腹地，位于東經(jīng)117°45′—118°23′，北緯35°27′—36°20′，流域控制面積1 693 k m2。該流域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L氣候，年均降水量822.2 mm，季節(jié)差異大，主要集中于6—9月份。流域內(nèi)土壤以棕壤與褐土為主，土層瘠薄，農(nóng)業(yè)用地方式以坡耕地和梯田為主，果園分布廣泛。流域下游的云蒙湖是臨沂市生活用水的重要水源地，由于土地利用方式不合理和管理不當，致使水土流失和水體污染未能從根本上得到控制，大量研究表明，土地利用結(jié)構(gòu)與水量／水質(zhì)間存在顯著相關(guān)性［7］，因而定量分析土地利用結(jié)構(gòu)對水質(zhì)時空變化的影響及識別關(guān)鍵源區(qū)具有十分重要的現(xiàn)實意義［12］。

目前，云蒙湖流域非點源污染資料缺乏，短期內(nèi)難以開展大量精細實驗，而具有一定精度的輸出系數(shù)模型所需參數(shù)少，操作簡便，可滿足大中尺度流域的非點源污染負荷研究［13］。本研究應(yīng)用輸出系數(shù)模型，在GIS和RS支持下，分析近25 a來土地利用變化對非點源磷污染負荷時空變化的影響，為云蒙湖流域的非點源污染治理和控制提供科學依據(jù)。

1 模型與方法

1.1 輸出系數(shù)模型

20世紀70年代初期，Johns等人提出了輸出系數(shù)模型，該模型主要用來估算土地利用和湖泊富營養(yǎng)之間的關(guān)系［14］。該模型避開了非點源污染發(fā)生的復(fù)雜過程，為大中型流域的長期非點源污染研究提供了一種新的途徑。輸出系數(shù)模型的一般表達式為：

式中：j——污染物類型；i——流域中的土地利用類型，共m種；Eij——污染物j在流域第i種土地利用類型中的輸出系數(shù)［kg／（h m2·a）］；（1）當Ai為第i種土地利用類型的面積（h m2）時，Lj為污染物j在流域的總負荷量（kg／a）；（2）當Ai為第i種土地利用類型占流域面積比例（%）時，Lj為污染物j在流域的單位面積負荷量（kg／a），即負荷強度；P——由降雨輸入的營養(yǎng)物數(shù)量（kg），不考慮。在輸出系數(shù)模型中，關(guān)鍵是確定輸出系數(shù)值，影響輸出系數(shù)模型的因素眾多，主要包括流域內(nèi)的地形地貌、土地利用類型、土壤、氣候、植被等。參考國內(nèi)外相關(guān)研究，結(jié)合云蒙湖流域的相關(guān)資料，Eij通過降雨量、徑流系數(shù)和磷的徑流流失濃度確定，其求算見式（2）：

式中：H——徑流深度（mm）；Vij——污染物在j流域第i種土地利用類型的徑流流失濃度（mg／L），R——降雨量；?——徑流系數(shù)。

1.2 實驗設(shè)置及樣品分析

模擬降雨試驗于2011年6—8月在雙河峪小流域進行。該流域地處云蒙湖畔，是典型農(nóng)業(yè)小流域，海拔高度170～500 m，耕地土層≤50 c m，在耕地、林地、草地3種具有良好代表性的土地利用類型上建立徑流小區(qū)（表1）且不施任何肥料。

表1 各徑流小區(qū)背景信息

降雨裝置采用中國科學院水土保持研究所研制的BX－1型野外人工模擬降雨器，降雨高度3 m，有效面積為3 m×5 m，降雨強度設(shè)置為80 mm／h（云蒙湖流域氣象資料顯示，77～82 mm／h為出現(xiàn)頻率最高的降雨強度范圍），降雨歷時設(shè)定為產(chǎn)流后30 min，每種土地利用類型各做3次降雨試驗，采集的徑流樣品經(jīng)酸化后立即放入冰箱冷藏保存?？偭祝═P）的測定方法：取水沙混合樣10 ml搖勻，經(jīng)堿性過硫酸鉀高溫（120℃）消解后用鉬銻抗分光光度法測定。各土地利用類型徑流系數(shù)通過對每次降雨的徑流總量和降雨量進行監(jiān)測得到。磷素輸出計算不包括水域。

1.3 輸出系數(shù)估算

根據(jù)降雨量、徑流系數(shù)和測定的TP濃度，結(jié)合輸出系數(shù)模型式（1）和（2），得到耕地、林地、草地的輸出系數(shù)，結(jié)果見表2；居民用地輸出系數(shù)通過查閱文獻［15］獲得，取值為0.24 kg／（h m2·a）。

表2 根據(jù)實驗估算的TP輸出系數(shù) kg／（hm2·a）

輸出系數(shù)與土地利用方式、化肥的施用量和土壤性質(zhì)等有關(guān)。由于短期內(nèi)土壤性質(zhì)變化不大，所以不同年份同一土地利用類型下徑流中的磷濃度主要取決于化肥的施用量［16］。因而可根據(jù)施肥量的變化對實驗估算的磷輸出系數(shù)進行修正，從而求出其它年份不同土地利用類型的磷輸出系數(shù)。徐文佳等［17］的研究表明：地表徑流引起磷肥的流失率占施肥量的5%，草地和林地一般不施肥，因而，居民用地、林地和草地均不作修正。根據(jù)實地問卷調(diào)查資料和云蒙湖流域相應(yīng)年份的統(tǒng)計年鑒，流域內(nèi)耕地施用化肥量（折純量）見表3。修正后，1986年、1995年和2010年的磷素輸出系數(shù)分別為0.87，1.12，1.37 kg／（hm2·a）。

表3 1986－2010年云蒙湖流域化肥（磷折純量）施用狀況 kg／h m2

2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究使用的數(shù)據(jù)包括：（1）1986年、1995和2010年3期Landsat T M影像資料，運用RS和GIS技術(shù)從遙感影像中提取土地利用類型信息；根據(jù)《全國土地分類（試行）》的分類體系和云蒙湖流域土地用途、利用方式和覆蓋特征等，結(jié)合野外勘查，將土地利用劃分為：耕地、林地、草地、居民用地、水域（不考慮）。（2）1∶10萬地形圖，將地形圖進行掃描、數(shù)字化，利用Arc GIS 9.0的3D分析模塊生成數(shù)字高程模型（DEM），運用Hydrology功能模塊，結(jié)合地形、河網(wǎng)、土壤提取云蒙湖流域邊界及88個子流域；（3）人地系統(tǒng)主題數(shù)據(jù)庫提供的1971—2000年近30 a的1 k m2平均降雨量柵格數(shù)據(jù)及人工降雨數(shù)據(jù)；（4）根據(jù)流域邊界提取流域內(nèi)降雨量柵格數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)。最后利用Arc GIS 9.0結(jié)合降雨量柵格數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、流域分布圖和輸出系數(shù)模型，分析流域非點源污染的時空變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 TP負荷總量分析

根據(jù)輸出系數(shù)和土地利用現(xiàn)狀圖，利用Arc GIS 9.0可得到云蒙湖流域1986、1995和2010年3期TP空間分布圖（附圖1）。從附圖1可見，TP高負荷區(qū)主要分布于流域的河谷低平地帶，該區(qū)域集中了大部分農(nóng)業(yè)耕作區(qū)；地勢較高的山脊地帶主要以林地和草地為主，負荷量相對較低。從時間變化來看，1986年TP負荷相對較低，1995年負荷有一定程度增加，到2010年整個流域TP負荷進一步增加，且呈惡化趨勢。

云蒙湖流域由土地利用方式所造成的TP負荷1986年為100.98 t，1995年為123.57 t，至2010則上升為144.36 t。25 a間，非點源污染負荷TP增加明顯，這種變化趨勢與土地利用結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，耕地雖有少量減少，但隨著化肥施用量的增加，非點源磷污染負荷加重。

3.2 各土地利用類型TP負荷分析

隨著人類的開發(fā)利用及土地利用方式的轉(zhuǎn)變，耕地TP負荷量由1986年的90.75 t、1995年的112.88 t，增加到2010年的132.83 t，TP增加了42.08 t，耕地的非點源污染負荷量增加幅度大；林地、草地面積變化較小，其非點源污染總量變化較??；居民用地的非點源污染增加幅度也較大，但由于居民用地面積較小，其非點源污染決定值較小。

由于土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換及耕地化肥施用量的增加，不同土地利用類型對TP負荷的貢獻率（某地類負荷量與相應(yīng)年份負荷總量的比值）也發(fā)生了變化。耕地對TP貢獻率最大，從1985年的89.50%、1995年的91.35%增加到2010年的92.02%；林地、草地對TP的貢獻率呈減小趨勢，林地對TP的貢獻率1986年為3.16%、1995年為2.42%，到2010年則為2.35%，草地對TP貢獻率1986年為5.92%、1995年為5.05%、2010年3.66%；居民用地對TP的貢獻率較?。ū?）。因而，耕地是影響非點源磷污染的主要原因。

3.3 各子流域非點源磷污染時空變化

由于各子流域面積大小不一，難以用負荷量進行衡量，因而，采用負荷強度（單位面積負荷量）進行時空分析。利用Arc GIS 9.0將非點源污染負荷分布圖和子流域分布圖進行疊合統(tǒng)計分析，得到88個子流域單位面積非點源磷污染負荷強度分布圖（圖1）。

表4 不同年份各地類TP負荷及其貢獻率

從圖1中可以看出，磷污染負荷強度的空間分布發(fā)生了明顯變化，1986年TP負荷強度較大的子流域主要分布于流域東部；由于耕地面積和施肥量的增加幅度不同，流域西部污染負荷強度增加幅度較流域東部大（如子流域14、16、24），因而，1995年污染負荷較大的子流域向流域西部擴展；到2010年各子流域磷負荷強度進一步增加，TP負荷強度最大的子流域為26、35、37，其 耕地面 積比例分 別高達 81.77%，86.37%，88.60%。

從時間變化過程看，各子流域TP負荷強度逐年加大，但由于土地利用結(jié)構(gòu)及其變化狀況的差異，各子流域TP產(chǎn)出負荷增加的程度不同?？傮w來看，耕地面積比例高的子流域，產(chǎn)出負荷增加的程度大，如子流域11，35，36，37，其耕地面積比例都在75%以上；子流域18，32，44變化幅度較小，主要是因為這3個子流域以水體為主（水體不考慮），其面積比例都在40%以上；由于居民用地的擴展，耕地面積減小，子流域21，22的TP負荷量略有減小。

圖1 不同年份88個子流域磷污染負荷強度分布

4 結(jié)論

流域是研究及治理非點源污染的最佳空間單元。在以往單一尺度流域相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，利用基于觀測數(shù)據(jù)的輸出系數(shù)模型，對流域—子流域的非點源污染負荷進行動態(tài)模擬，可以揭示不同空間單元非點源污染負荷的變化過程，快速識別高風險非點源污染子流域，這為大尺度流域和資料缺乏地區(qū)非點源污染變化機理研究提供了新思路，同時也可為有針對性地采取治理措施提供科學依據(jù)。對云蒙湖流域1986—2010年非點源污磷污染的時空變化研究表明：

（1）近25 a間，云蒙湖流域由土地利用所造成的非點源磷污染負荷量明顯增加；這種變化趨勢與土地利用類型的變化密切相關(guān)。TP高負荷區(qū)主要分布于流域的河谷低平地帶，主要是由于該區(qū)集中了大部分農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，化肥施用量高。

（2）由于經(jīng)濟的發(fā)展，各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換，不同土地利用類型對TP負荷量及TP的貢獻率也發(fā)生了變化。耕地面積呈略減小趨勢，但由于耕地化肥施用量的增加，其TP負荷量和貢獻率均呈增加趨勢；林地、草地面積變化較小，其TP負荷量變化不明顯，但貢獻率呈減小趨勢；居民用地增加幅度大，但面積總體較小，其TP負荷量和貢獻率都較小，對流域水質(zhì)影響較小。

（3）從子流域看，各子流域TP污染負荷強度呈增加趨勢，但增加的程度不同，耕地面積比例高的子流域，TP負荷強度增加的程度大；TP污染負荷強度較大的子流域1986年主要分布于流域東部，1995年向流域西部擴展，到2010年各子流域磷負荷強度進一步增加。

［1］ Lai D Y F，Lam K C.Phosphorus sorption by sediments in a subtropical constructed wetland receiving stor m water runoff［J］.Ecological Engineering，2009，35（5）：735-743.

［2］ 馬騫，于興修，劉前進，等.沂蒙山區(qū)不同覆被棕壤理化特征對徑流溶解態(tài)氮磷輸出的影響［J］.環(huán)境科學學報，2011，31（7）：1526-1536.

［3］ 方芳，李哲，田光，等.三峽小江回水區(qū)磷素賦存形態(tài)季節(jié)變化特征及其來源分析［J］.環(huán)境科學，2009，30（12）：3488-3493.

［4］ Jiao P J，Xu D，Wang S L，et al.Phosphorus loss by surface r unoff fro m agricultural field plots with different cropping systems［J］.Nutrient Cycling in Agroecosystems，2011，90（1）：23-32.

［5］ 郎海鷗，王文杰，王維，等.基于土地利用變化的小江流域非點源污染特征［J］.環(huán)境科學研究，2010，23（9）：1158-1166.

［6］ 黃紅艷，高揚，曹杰君，等.上海市都市農(nóng)業(yè)區(qū)域地下水磷素非點源污染特征研究［J］.水土保持學報，2010，24（1）：101-113.

［7］ 李恒鵬，劉曉玫，黃文鈺.太湖流域浙西區(qū)不同土地利用類型的面源污染產(chǎn)出［J］.地理學報，2004，59 （3）：401-408.

［8］ 王秀娟，劉瑞民，何孟常.松遼流域非點源污染TN時空變化特征研究［J］.水土保持研究，2009，16（4）：192-202.

［9］ 張亞麗，李懷恩.土地利用關(guān)系法在非點源污染負荷預(yù)測中的應(yīng)用［J］.中國農(nóng)學通報，2009，25（17）：270-273.

［10］ 張淑榮，陳利頂，傅伯杰.于橋水庫流域農(nóng)業(yè)非點源磷污染控制區(qū)劃研究［J］.地理科學，2004，24（2）：232-237.

［11］ 韓鳳朋，鄭紀勇，王云強，等.黃河支流非點源污染物（N、P）排放量的估算［J］.環(huán)境科學學報，2006，26（11）：1893-1899.

［12］ 周慧平，高超，朱曉東.關(guān)鍵源區(qū)識別：農(nóng)業(yè)非點源污染控制方法［J］.生態(tài)學報，2005，25（12）：3368-3374.

［13］ Johnes P J.Evaluation and management of the i mpact of land use change on the nitr ogen and phosphor us load delivered to surface waters：the export coefficient mod-eling approach［J］.Jour nal of Hydrology，1996，183（3／4）：323-349.

［14］ Reckhow K H，Simpson J J.A procedure using modeling and error analysis f or prediction of lake phosphorus concentration fro m land use infor mation［J］.Canadian Jour nal of Fisheries and Aquatic Sciences，1980，37（9）：1439-1448.

［15］ 劉瑞民，楊志峰，曉雯，等.土地利用／覆蓋變化對長江上游非點源污染影響研究［J］.環(huán)境科學，2006，27（2）：2407-2414.

［16］ 孟曉云，于興修，泮雪芹.云蒙湖流域土地利用變化對非點源氮污染負荷的影響［J］.環(huán)境科學，2012，33（6）：13-18.

［17］ 徐文佳，李天宏，賈振邦，等.十堰市非點源污染狀況及其區(qū)域分布特征［J］.北京大學學報：自然科學版，2010，46（4）：667-673.