云貴高原區(qū)吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷模擬及其與土地利用的關(guān)系研究

姜甜甜

(1.河北省環(huán)境科學(xué)研究院，河北 石家莊 050037；2.河北正奇環(huán)境科技有限公司，河北 石家莊 050037)

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云貴高原區(qū)吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷模擬及其與土地利用的關(guān)系研究

姜甜甜1,2

(1.河北省環(huán)境科學(xué)研究院，河北 石家莊 050037；2.河北正奇環(huán)境科技有限公司，河北 石家莊 050037)

以云貴高原為研究區(qū)，采用美國土壤流失方程(USLE)為基本理論，將GIS等空間信息技術(shù)作為研究的技術(shù)平臺(tái)，建立了吸附態(tài)氮磷模擬模型，利用土壤屬性數(shù)據(jù)庫獲得氮、磷營養(yǎng)物含量，對云貴地區(qū)進(jìn)行了20年(1989～2008年)平均土壤侵蝕量以及多年平均吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷的模擬和驗(yàn)證，研究分析了區(qū)域吸附態(tài)氮磷負(fù)荷變化與土地利用結(jié)構(gòu)的關(guān)系，結(jié)果表明：吸附態(tài)氮磷負(fù)荷與土壤侵蝕狀況十分相關(guān)，土地利用的變化也對吸附態(tài)氮磷變化起著決定作用。

吸附態(tài)氮、磷；模型驗(yàn)證；土地利用；地理信息系統(tǒng)；空間分析

1　引言

目前我國水土流失在也帶來了許多環(huán)境問題，主要表現(xiàn)是受到外力如強(qiáng)降水等的作用，存在于土壤表層中的大量氮磷營養(yǎng)元素(主要以吸附態(tài)即顆粒態(tài)形式)，隨著流失的水土發(fā)生了遷移，造成了土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的損失形成貧瘠土壤，另外大量營養(yǎng)物質(zhì)隨水土徑流等進(jìn)入水體，造成水體營養(yǎng)物質(zhì)增多形成地表水體的富營養(yǎng)化[1]。氮磷等元素流失不僅受地形、地貌、土壤及降雨等自然地理因素的影響，還受人類活動(dòng)的控制，而土地利用可綜合反映人類活動(dòng)的情況，土地利用類型、結(jié)構(gòu)等對氮磷等遷移轉(zhuǎn)換有極其巨大的作用[2，3]。水土流失造成的氮磷等營養(yǎng)元素?fù)p失量(即吸附態(tài)氮磷量)的定量模擬，以及定量分析小流域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)對吸附態(tài)氮磷負(fù)荷變化的影響，對于水環(huán)境的保護(hù)以及生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性具有重要價(jià)值。

結(jié)合土壤流失方程建立流域吸附態(tài)氮磷模擬模型，以云貴地區(qū)作為研究對象，進(jìn)行了多年(1989～2008年)平均土壤侵蝕量以及多年平均吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷的模擬和驗(yàn)證，并分析了小流域內(nèi)不同土地利用結(jié)構(gòu)對吸附態(tài)氮磷負(fù)荷變化的影響，以期為湖泊富營養(yǎng)化控制及流域最佳管理模式的建立提供依據(jù)。

2　研究方法

2.1研究區(qū)簡介

云貴高原位于中國西南部，地勢西北高東南低，海拔1000～2000 m，高原中山間盆地土壤肥沃，多是村鎮(zhèn)集中地。其為亞熱帶季風(fēng)氣候?qū)賮啛釒駶檯^(qū)，一年中冬干夏濕兩季分明，全年降水在1500～1750 mm之間，受到大氣環(huán)流、緯度和海拔高度作用，氣溫在15～22 ℃之間，四季如春。該區(qū)域?yàn)槿笏档姆炙畮X(元江、西江和長江)，其支流等切割地面地形較破碎。湖泊多為構(gòu)造湖，通過地下水和地表水進(jìn)行補(bǔ)給，換水周期長，包括瀘沽湖、洱海、滇池、撫仙湖和草海等湖泊。云貴高原地區(qū)土地利用詳查資料顯示[4]，土地利用類型以林地為主，其次是分布在丘陵山地及河谷壩區(qū)的耕地，分布在貴州的西部、南部和北部邊緣以及云南東北部的連片牧草地，零散分布在河谷、盆地中的農(nóng)地。

2.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

研究區(qū)1989～2008年35個(gè)站點(diǎn)常年降水量、逐月降水量、常年平均氣溫；研究區(qū) 1∶1000000行政區(qū)劃圖，1∶100000土地利用圖與1∶50000數(shù)字高程圖(DEM)；中科院南京土壤研究所提供土壤屬性數(shù)據(jù)庫中收集研究區(qū)土壤屬性數(shù)據(jù)；水利部提供的土壤侵蝕柵格數(shù)據(jù)(1 km×1 km)中收集研究區(qū)數(shù)據(jù)。

2.3土壤侵蝕量模擬

通用土壤流失方程(USLE) 由WISCHMEIER等[5]提出，是模擬土壤侵蝕最為常用的方法。其模型表達(dá)式為：

A=R×K×LS×C×P

(1)

(1)式中，A為年土壤侵蝕量，單位t/(hm2·a)；R為降水侵蝕力因子，單位MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤侵蝕因子，單位t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L為坡長因子，單位m；S為坡度因子，單位%；C為植被與經(jīng)營管理因子(無量綱)；P為水土保持因子(無量綱)。

2.4 吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷模擬模型

吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷的模擬計(jì)算是根據(jù)HAITH等提出的“規(guī)劃”模型[6]，該表達(dá)式為：

LSkt=a×CSkt×Xkt×TSkt×Sd

(2)

(2)式中，a為單位換算常數(shù)；LSkt為顆粒態(tài)氮、磷污染物負(fù)荷，單位kg/km2；CSkt為土壤固態(tài)氮、磷污染物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，單位mg/kg；X為土壤流失量，單位t/km2；TSkt為污染物富集比(無量綱)；Sd為流域泥沙輸移比(無量綱)。

泥沙輸移比(Sd)的精準(zhǔn)計(jì)算還處于探索階段，美國農(nóng)業(yè)部在許多研究基礎(chǔ)上構(gòu)建了泥沙輸移比曲線圖，曲線假定在很小的流域面積內(nèi)泥沙輸移比可視為1，隨流域面積的增大泥沙輸移比遞減。由于云貴高原具有較大面積，運(yùn)用估計(jì)方法確定研究中選用0.25為泥沙輸移比。研究顯示氮、磷的污染物富集比(TSkt)通常在1～4范圍內(nèi)[7]，常在2附近變動(dòng)，污染物富集比選用2。

3　結(jié)果與分析

3.1云貴高原地區(qū)土壤侵蝕量模擬結(jié)果與分析

3.1.1模型驗(yàn)證

運(yùn)用ArcGIS里水文分析對云貴高原地區(qū)地表水流有關(guān)的物理特性進(jìn)行研究，以便劃分流域邊界，河道閾值面積越小，河網(wǎng)越密流域的數(shù)目越大，從計(jì)算效率和該區(qū)的實(shí)際出發(fā)，該研究區(qū)域劃分為342個(gè)小流域。

結(jié)合土壤侵蝕強(qiáng)度分級標(biāo)準(zhǔn)和土壤侵蝕柵格數(shù)據(jù)(水利部)，進(jìn)行研究區(qū)遙感影像解譯的土壤侵蝕調(diào)查數(shù)據(jù)土壤侵蝕量的估算[8]。之后運(yùn)用GIS對遙感解譯估算的1995年土壤侵蝕量和模型估算的土壤侵蝕量，以云貴高原地區(qū)小流域邊界進(jìn)行區(qū)域計(jì)算，獲得兩組侵蝕量數(shù)據(jù)(342個(gè)小流域)。運(yùn)用SPSS中相關(guān)分析得到如下結(jié)果(表1)，在342個(gè)小流域中，遙感調(diào)查侵蝕量與模型模擬侵蝕量的相關(guān)系數(shù)為0.681，檢驗(yàn)概率(Sig.)均為0，總體顯著相關(guān)。將遙感調(diào)查侵蝕量和模型模擬侵蝕量數(shù)據(jù)均進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換，通過回歸分析顯示，遙感調(diào)查與模型模擬侵蝕量的R值為0.681，檢驗(yàn)概率(Sig.)均為0，具有顯著線性相關(guān)關(guān)系。計(jì)算結(jié)果顯示，遙感調(diào)查(實(shí)際情況)與模型估測結(jié)果呈現(xiàn)顯著相關(guān)，研究中模型對于研究區(qū)域有良好的模擬估測效果。

表1　 相關(guān)分析

注：**表示顯著性水平0.01時(shí)研究對象存在顯著相關(guān)關(guān)系

3.1.2土壤侵蝕量模擬結(jié)果分析

運(yùn)用驗(yàn)證后的云貴高原湖區(qū)土壤侵蝕模型，進(jìn)行柵格計(jì)算，模擬云貴高原20年的(1989～2009年)的土壤侵蝕量(圖1)。計(jì)算的結(jié)果土壤侵蝕量為年平均值。

由圖1看出，云貴地區(qū)在區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn)、氣候特點(diǎn)與地貌分異等情況影響下，整體上講土壤侵蝕結(jié)構(gòu)在空間上呈現(xiàn)不平衡性。該地區(qū)土壤侵蝕量為70169.6萬t，土壤侵蝕量分別從南部、西北部向中部下降，其中南部土壤侵蝕最為嚴(yán)重，最高的流域土壤侵蝕量為2283.14萬t，云貴高原地區(qū)土壤流交換趨勢以及流動(dòng)方向通過土壤侵蝕的宏觀結(jié)構(gòu)特征顯現(xiàn)出來。南部地區(qū)是云貴地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)烈發(fā)生地區(qū)。該地區(qū)土地利用以林地耕地為主，地勢相對較高，受到地形和降雨的影響，使得水土流失較為嚴(yán)重。另外居住于山地的農(nóng)民，人均可耕地少，無灌溉設(shè)施，土地為其主要經(jīng)濟(jì)來源[9]。為解決基本溫飽問題，人們規(guī)模砍伐森林，陡坡墾殖，盲目對土地進(jìn)行開發(fā)，引起地表覆蓋植被的巨大破壞，使山地脆弱的生態(tài)系統(tǒng)失去平衡，導(dǎo)致整體生態(tài)功能受損，人為加速了水土流失。劇烈的土壤侵蝕多發(fā)在這些山地坡地，水土流失導(dǎo)致這些地區(qū)經(jīng)常成為河泥沙的主要源地。

圖1　1989～2008年云貴高原土壤侵蝕量分布

3.1.3逐步回歸法分析模型各因子貢獻(xiàn)大小

逐步回歸分析是在許多影響因素中，根據(jù)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)(probabilityofFtoenter<0.05,probabilityofFtoremove>0.10)，篩選理清主要因素及其影響水平，排除不主要因素，以便構(gòu)建相對合理的多元回歸方程。分析中的回歸系數(shù)用于回歸方程式的構(gòu)建，各因素影響水平程度則是通過標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)進(jìn)行表述(表2)。研究中通過逐步回歸法研究土壤侵蝕量的五大因子，尋找哪個(gè)因子對土壤侵蝕量影響最大。

若干回歸模型是基于被解釋變量和每個(gè)解釋變量構(gòu)建的，其中首選模型是選擇擬合優(yōu)度最大的回歸方程，之后逐個(gè)增加其他解釋變量，如果回歸方程參數(shù)統(tǒng)計(jì)值依然顯著，擬合優(yōu)度提高是由于新增加的解釋變量，則在回歸模型中保留新增解釋變量，否則反之。

通過擬合度、殘差分析、相關(guān)系數(shù)表分析，可以看出對于云貴地區(qū)，地形因子LS對土壤侵蝕的影響最大，說明海拔越高地區(qū)，土壤侵蝕就越嚴(yán)重，地形因素是主要影響因素。逐步回歸法計(jì)算得到、優(yōu)化的土壤侵蝕模擬回歸方程為：

y=-34.21+28.01x1+179.69x2。

3.2云貴高原地區(qū)吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷模擬結(jié)果分析

3.2.1模型驗(yàn)證

基于研究條件限制精準(zhǔn)驗(yàn)證十分困難。研究的驗(yàn)證方法運(yùn)用空間形態(tài)對比法[10]。將模型模擬的1989～2008年階段云貴高原土壤侵蝕量(圖1)、吸附態(tài)氮負(fù)荷和吸附態(tài)磷負(fù)荷(圖2)進(jìn)行對比，在空間上，土壤侵蝕嚴(yán)重的地區(qū)，吸附態(tài)氮磷流失狀況也較為嚴(yán)重，土壤侵蝕水平較弱的地區(qū)，吸附態(tài)氮磷流失程度也較低，三者呈現(xiàn)極大相似性。

表2　回歸系數(shù)

圖21989～2008年階段吸附態(tài)N量和吸附態(tài)P量(t)

3.2.2吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷模擬結(jié)果分析

吸附態(tài)氮磷年負(fù)荷反映多年平均值。按小流域劃分別對氮、磷污染物負(fù)荷量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到1989～2008年階段吸附態(tài)氮磷空間分布狀況(圖2)，從中可以看出如下基本特征。

(1)云貴地區(qū)吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷分別為821.16t和381.85 t，流失較嚴(yán)重的地區(qū)主要分布在云貴西北部和中南部，氮磷流失最大值為30.52 t和13.78 t，其余流域相對較輕，流失較嚴(yán)重的地區(qū)土地利用多為有林地和耕地，但該地區(qū)坡度較大相對整體區(qū)域偏大，土壤固態(tài)氮磷含量較高，造成吸附態(tài)氮磷負(fù)荷較高。說明吸附態(tài)氮磷負(fù)荷除了受到土壤侵蝕程度的影響以外，地形與土壤中氮磷背景含量也對其起著決定性影響作用。

(2) 在空間上，從南部、西北部向中部、東部吸附態(tài)氮磷負(fù)荷呈減小趨勢；南部地區(qū)附態(tài)氮磷負(fù)荷高于西北部，與土壤侵蝕變化趨勢一致。云貴地區(qū)地形以山地為主，坡度較大，降雨也較強(qiáng)，加劇了南部、西北部山地丘陵區(qū)下蜀土侵蝕搬運(yùn)，水土流失的加劇，使得吸附態(tài)氮磷流失加劇。中部海拔降低，降雨減少，吸附態(tài)氮磷的水土流失較弱。

3.3不同土地利用類型的氮磷負(fù)荷模擬結(jié)果分析

利用云貴地區(qū)小流域吸附態(tài)氮磷空間分布圖，分不同土地利用類型分別進(jìn)行吸附態(tài)氮磷污染負(fù)荷估算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3可知，土壤侵蝕以低覆蓋草地和灌木林最為嚴(yán)重，主要是因?yàn)椴莸胤植荚诤０屋^高的地區(qū)，水土保持措施不好；其次是旱地、疏林地，主要在坡度較大的山地和丘陵分布，海拔高，受到降雨侵蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤侵蝕較為嚴(yán)重。吸附態(tài)氮磷負(fù)荷排序?yàn)椋旱透采w草地>灌木林>旱地>疏林地>有林地>水田>農(nóng)村居民點(diǎn)。吸附態(tài)氮磷在低覆蓋草地隨水土流失最為嚴(yán)重，主要分布在海拔較高的地區(qū)，水土保持措施不好，降雨侵蝕劇烈，土壤侵蝕程度嚴(yán)重。灌木林、疏林地和有林地等土地利用類型，分布區(qū)域地勢相對較高，受到地形和降雨的影響，使得水土流失較為嚴(yán)重，而且居住于山地的農(nóng)民人均可耕地少，為解決基本溫飽問題，盲目對土地進(jìn)行開發(fā)，引起地表覆蓋植被的巨大破壞，導(dǎo)致整體生態(tài)功能受損，人為加速了水土流失。該區(qū)域常成為河泥沙及其攜帶氮磷元素流失的主要源地，而低海拔相對平緩區(qū)域的水域則通常成為泥沙及其攜帶氮磷元素的匯集地，營養(yǎng)元素等大量匯集極易造成水體富營養(yǎng)化等污染狀況。

表3　不同土地利用類型的土壤侵蝕和氮磷負(fù)荷

4　結(jié)論

以云貴高原地區(qū)作為研究對象，結(jié)合GIS技術(shù)、土壤流失方程和規(guī)劃模型，對20年間(1989～2008年)多年平均土壤侵蝕量進(jìn)行了模擬和驗(yàn)證，結(jié)果表明：模型對于研究區(qū)域有良好的模擬估測效果，土壤侵蝕量分別從南部、西北部向中部下降，其中南部土壤侵蝕最為嚴(yán)重。之后進(jìn)一步運(yùn)用模型，對20年(1989～2008年)云貴高原地區(qū)因水土流失引發(fā)的吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算和空間分析，在空間上，吸附態(tài)氮磷流失較嚴(yán)重的地區(qū)主要分布在南部地區(qū)，從南部、西北部向中部呈減小趨勢，南部地區(qū)坡度較大地勢較高降雨侵蝕強(qiáng)度大，土壤固態(tài)氮磷含量較高，造成吸附態(tài)氮磷負(fù)荷較高。灌木林、疏林地和有林地等土地利用類型分布區(qū)域，受到地形和降雨的影響，使得水土流失較為嚴(yán)重，盲目對土地進(jìn)行開發(fā)導(dǎo)致整體生態(tài)功能受損，人為加速了水土流失，該區(qū)域常成為河泥沙及其攜帶氮磷元素流失的主要源地，而低海拔相對平緩區(qū)域的水域則通常成為泥沙及其攜帶氮磷元素的匯集地，極易導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化等污染狀況。所以吸附態(tài)氮磷負(fù)荷不僅與土壤侵蝕極為相關(guān)，地形、氣候與土壤中氮磷背景含量也起著決定作用，土地利用類型對吸附態(tài)氮磷負(fù)荷也有極大影響作用。

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The Relationships Between Land Use and the Load Simulation of Absorbed Nitrogen and Phosphorus in Yunnan-Guizhou Plateau, China

Jiang Tiantian1,2

(1.HebeiProvincialAcademyofEnvironmentalSciences,Shijiazhuang,Hebei050037,China；2.HebeiZhengQiEnvironmentalTechnologyCo.,Ltd.,Shijiazhuang,Hebei050037,China)

Based on the principle of Universal Soil Loss Equation (USLE), a model was developed for estimating the annual mean soil erosion amount from 1989 to 2008 in Yunnan and Guizhou. USLE was used as the basic theoretical basis and GIS was used as the technology platform for the establishment of erosion models and the estimate result was verified. The validated absorbed nitrogen and phosphorus estimating model was used to simulate the annual mean absorbed nitrogen and phosphorus loads. Then a methodology was developed to assess the relationships between the absorbed nitrogen and phosphorus loads and land use structure. The results indicated that: the adsorbed nitrogen and phosphorus loads were related to the loss of soil erosion. And change of land use also played a decisive role in the change of adsorbed nitrogen and phosphorus.

absorbed nitrogen and phosphorus; model validation; land use; geographic information system;spatial analysis

2016-05-16

姜甜甜(1983—)，女，博士，主要從事流域水環(huán)境污染防治與規(guī)劃工作。

U412.1+4

A

1674-9944(2016)16-0153-04