非點(diǎn)源污染輸出對(duì)土地利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)變化響應(yīng)的案例研究

李瀟然,李陽(yáng)兵,3,*,邵景安

1 重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 重慶 401331 2 三峽庫(kù)區(qū)地表過(guò)程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 401331 3 貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550001

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非點(diǎn)源污染輸出對(duì)土地利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)變化響應(yīng)的案例研究

李瀟然1,2,李陽(yáng)兵1,2,3,*,邵景安1,2

1 重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 重慶 401331 2 三峽庫(kù)區(qū)地表過(guò)程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 401331 3 貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550001

為研究三峽庫(kù)區(qū)(重慶段)自2006年10月蓄水(156m)以來(lái),非點(diǎn)源污染輸出對(duì)土地利用及社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景變化響應(yīng)的時(shí)空分異特征,綜合考慮庫(kù)區(qū)典型土地利用變化模式及社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景,選取三峽庫(kù)區(qū)腹地奉節(jié)縣、忠縣、庫(kù)尾江津區(qū)及主城沙坪壩區(qū)為研究對(duì)象,使用動(dòng)態(tài)輸出系數(shù)模型法,以2007年、2010年和2013年3期遙感影像為數(shù)據(jù)源,分析了研究區(qū)2007年到2013年非點(diǎn)源污染TN、TP負(fù)荷量隨土地利用類型改變及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而產(chǎn)生的時(shí)空變化特征。研究表明,6年間,研究區(qū)污染物TN從2007年的12126.9t上升到2013年的12692.3t,TP從2007年的394.6t上升到2013年的407.2t。就各典型區(qū)縣而言,城市發(fā)展新區(qū)江津區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷呈上升趨勢(shì),TN、TP負(fù)荷量漲幅分別達(dá)到了28.6%和24.1%；而庫(kù)尾城市快速擴(kuò)展的沙坪壩區(qū)則呈現(xiàn)下降趨勢(shì),非點(diǎn)源污染TN、TP負(fù)荷量分別下降了48.8%和68.9%；仍保持傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的奉節(jié)縣和忠縣變化不大。

輸出系數(shù)模型；非點(diǎn)源污染；土地利用變化；三峽庫(kù)區(qū)

三峽庫(kù)區(qū)的生態(tài)安全與水環(huán)境問(wèn)題一直受到國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注[1- 2]。自2006年蓄水到156m后,水深加大,流速減小,污染物擴(kuò)散能力降低,三峽庫(kù)區(qū)水環(huán)境問(wèn)題變得突出[3],更是影響著整個(gè)長(zhǎng)江中下游乃至半個(gè)中國(guó)的飲水安全問(wèn)題。因此,了解流域污染物的輸出變化對(duì)水環(huán)境保護(hù)與治理至關(guān)重要。隨著點(diǎn)源污染的有效控制,非點(diǎn)源污染成為庫(kù)區(qū)主要的污染源。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用SWAT模型[4]、AGNPS模型[5]、ANSWERS模型[6]、HSPF模型[7]等模擬小流域污染物的輸出,并探討了庫(kù)區(qū)大尺度范圍內(nèi)土地利用變化對(duì)非點(diǎn)源輸出的影響[8]。這些研究為闡明庫(kù)區(qū)非點(diǎn)源污染規(guī)律提供了很好的案例,但是這類機(jī)理模型對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)要求條件高,參數(shù)眾多,率定困難,很難推廣。介于此,全面揭示三峽庫(kù)區(qū)非點(diǎn)源污染特征的研究仍很薄弱。

三峽庫(kù)區(qū)(重慶段)涉及到22個(gè)區(qū)、縣,其社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件和發(fā)展模式差異很大,體現(xiàn)在土地利用變化上呈較強(qiáng)的區(qū)域性,如城市擴(kuò)張型[9]、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整[10]和生態(tài)建設(shè)[11]等。基于上述認(rèn)識(shí),為了全面了解三峽庫(kù)區(qū)非點(diǎn)源污染對(duì)土地利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景變化的響應(yīng),以全面揭示三峽庫(kù)區(qū)非點(diǎn)源污染輸出的變化規(guī)律,本文綜合考慮庫(kù)區(qū)典型土地利用變化模式及社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景,選取江津區(qū)、奉節(jié)縣和忠縣作為研究區(qū),同時(shí)考慮主城沙坪壩區(qū)特殊性質(zhì),也將其納入研究對(duì)象。考慮到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的類型及其累積濃度的特征在同一土地利用類型上也可能呈現(xiàn)出不同的特征[12],采用動(dòng)態(tài)輸出系數(shù)模型,結(jié)合GIS與RS技術(shù),對(duì)比分析三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)2007年、2010年和2013年4個(gè)研究區(qū)因不同社會(huì)經(jīng)濟(jì)和土地利用變化產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染總氮(TN)、總磷(TP)的時(shí)空演變規(guī)律,揭示其時(shí)空差異的原因,旨在探討三峽水庫(kù)2006年156m蓄水以來(lái)庫(kù)區(qū)非點(diǎn)源污染的變化,為三峽庫(kù)區(qū)非點(diǎn)源污染的有效治理以及水環(huán)境保護(hù)方案的制定等提供合理依據(jù)。

1 研究思路

在三峽大壩建設(shè)后,持續(xù)的經(jīng)濟(jì)與城鄉(xiāng)發(fā)展、環(huán)境管理等使三峽庫(kù)區(qū)土地利用發(fā)生了明顯變化[13],但因土地利用變化驅(qū)動(dòng)力局部的差異,尤其是考慮近年來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)建設(shè)和快速發(fā)展的道路網(wǎng)絡(luò),對(duì)庫(kù)區(qū)原本交通阻隔地區(qū)的土地利用和景觀格局變化的驅(qū)動(dòng),庫(kù)區(qū)土地利用/覆被變化具有高度的時(shí)空異質(zhì)性,可分為3種土地利用變化類型：耕地-城鎮(zhèn)型、林灌-耕地型及復(fù)合型[14]；建設(shè)用地變化具有與地區(qū)間經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差異大致相一致的特點(diǎn)[15]。建設(shè)占用耕地,主要集中于重慶主城區(qū)[16]；而有些區(qū)縣,農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是耕地減少的主要原因[17]。

2013年重慶市綜合考慮經(jīng)濟(jì)、資源、人口、社會(huì)、環(huán)境、文化等因素,將全市功能區(qū)域劃分為都市功能核心區(qū)、都市功能拓展區(qū)、城市發(fā)展新區(qū)、渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)和渝東南生態(tài)保護(hù)發(fā)展區(qū)5個(gè)功能區(qū)域。三峽庫(kù)區(qū)(重慶段)包括22個(gè)區(qū)縣,分別位于都市功能核心區(qū)、都市功能拓展區(qū)、城市發(fā)展新區(qū)、渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)4個(gè)功能區(qū)內(nèi),本研究選取庫(kù)區(qū)重慶段位于上述4個(gè)功能區(qū)的典型區(qū)縣,即位于腹地的奉節(jié)縣、忠縣,庫(kù)尾江津區(qū)及主城沙坪壩區(qū)等4個(gè)典型地點(diǎn)作為研究區(qū)域(圖1)。其中,江津區(qū)被定位為全市未來(lái)工業(yè)化城鎮(zhèn)化的主戰(zhàn)場(chǎng),集聚新增產(chǎn)業(yè)和人口的重要區(qū)域,全市重要的制造業(yè)基地,屬于城市發(fā)展新區(qū)；而忠縣和奉節(jié)縣的任務(wù)則是實(shí)現(xiàn)生態(tài)涵養(yǎng),突出發(fā)展理念和發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變,堅(jiān)持三峽發(fā)展連片、貧困區(qū)扶貧開(kāi)發(fā)并舉,作為長(zhǎng)江流域重要的生態(tài)屏障被定位為渝東北生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)；位于重慶市內(nèi)環(huán)高速公路以內(nèi)的沙坪壩區(qū)東南部丘陵臺(tái)地區(qū)集中體現(xiàn)了政治、經(jīng)濟(jì)、文化、金融、服務(wù)中心等功能,屬于都市功能核心區(qū),除此之外的大部分沙坪壩區(qū)屬于都市功能拓展區(qū),未來(lái)幾年的發(fā)展,沙坪壩區(qū)內(nèi)幾乎所有的待開(kāi)發(fā)用地集中于此,是重要的新增城市人口集聚區(qū),是全市內(nèi)陸開(kāi)放高地建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)。

因此,本文所選擇的4個(gè)典型研究區(qū)能夠全面代表三峽庫(kù)區(qū),其土地利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)變化所引起的非點(diǎn)源污染物輸出的變化,能夠闡明三峽庫(kù)區(qū)近年來(lái)非點(diǎn)源污染物輸出時(shí)空差異規(guī)律。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 The location of the study area

2 4個(gè)典型研究區(qū)概況

由圖2可以看出,沙坪壩區(qū)作為都市功能核心區(qū)和都市功能拓展區(qū),傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐漸退出,第一產(chǎn)業(yè)占該區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值的比例在4個(gè)研究區(qū)最低,但其農(nóng)業(yè)發(fā)展模式主要是都市農(nóng)業(yè),單位面積平均化肥施用量呈波動(dòng)型,仍為4個(gè)研究區(qū)最高,尤其是2010年的化肥施用量明顯偏高；江津區(qū)作為城市發(fā)展新區(qū)農(nóng)業(yè)逐步向現(xiàn)代規(guī)模農(nóng)業(yè)發(fā)展,農(nóng)業(yè)高產(chǎn)值背后是高投入,其平均化肥施用量呈現(xiàn)上升型。忠縣和奉節(jié)縣作為生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)則發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè),2個(gè)縣的農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值逐年上升,平均化肥施用量沒(méi)有明顯變化；奉節(jié)縣大力發(fā)展優(yōu)勢(shì)果蔬業(yè),建立優(yōu)質(zhì)臍橙生產(chǎn)基地；而忠縣則種植柑橘,發(fā)展傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)[10],其第一產(chǎn)業(yè)比重也呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢(shì)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料來(lái)源于研究區(qū)各區(qū)縣的統(tǒng)計(jì)年鑒。

圖2 研究區(qū)主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Fig.2 The relevant economic indexes in the study area

3 數(shù)據(jù)處理與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

研究區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于2007年、2010年的Landsat- 5(TM)影像及2013年的Landsat- 8(OLI_TIRS)遙感影像,選取波段3(R)、2(G)、1(B)合成影像,通過(guò)Erdas遙感影像處理軟件作幾何校正,并在ArcGIS10.2軟件中進(jìn)行人機(jī)交互解譯,得到研究區(qū)3期土地利用類型圖(圖3)。通過(guò)實(shí)地調(diào)查,解譯精度接近90%,并使用GIS軟件Hydrology水文分析功能,對(duì)各區(qū)縣做小流域提取,分別得到沙坪壩區(qū)梁灘河流域、江津區(qū)筍溪河流域、忠縣甘井河流域以及奉節(jié)縣梅溪河流域。

3.2 非點(diǎn)源污染輸出系數(shù)模型

輸出系數(shù)模型于20世紀(jì)70年代初在北美地區(qū)首先提出,是利用污染物的輸出系數(shù)來(lái)估算流域內(nèi)輸出的非點(diǎn)源負(fù)荷,其特點(diǎn)是能夠用土地利用等資料,是一種集總式簡(jiǎn)便的非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算方法[18]。模型的一般表達(dá)式為：

式中,j為污染物類型；i為流域內(nèi)的土地利用類型,共n種；Lj為污染物j在流域的總負(fù)荷量(t/a)；Eij為污染物j在流域內(nèi)第i種土地利用類型中的輸出系數(shù)(t km-2a-1)；Ai為第i種土地利用類型的面積(km2)。

圖3 研究區(qū)土地利用圖(2007、2010和2013年)Fig.3 Land use map in the study area (2007, 2010 and 2013)

3.3 輸出系數(shù)的確定

本研究主要考慮耕地、林地、草地、建設(shè)用地和未利用土地等五種土地利用方式對(duì)三峽庫(kù)區(qū)非點(diǎn)源污染的影響。輸出系數(shù)的選取,在參考相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[19- 20],考慮到研究區(qū)農(nóng)業(yè)化肥施用的時(shí)空差異較大,在計(jì)算中,各區(qū)縣各年耕地類型的輸出系數(shù),按照如下公式進(jìn)行修正：

表1 研究區(qū)化肥施用量程度

表2 研究區(qū)耕地類型非點(diǎn)源污染物輸出系數(shù)的取值

其他用地類型輸出系數(shù)隨時(shí)空變化很小,在本研究的時(shí)間范圍內(nèi)可視為不變[21](表3)。其中,所用化肥施用量數(shù)據(jù)源來(lái)自重慶市歷年統(tǒng)計(jì)年鑒。根據(jù)表2、表3中所列出的輸出系數(shù),運(yùn)用輸出系數(shù)模型,對(duì)研究區(qū)非點(diǎn)源TN、TP污染負(fù)荷進(jìn)行定量計(jì)算及空間分布模擬,對(duì)研究區(qū)的非點(diǎn)源污染負(fù)荷強(qiáng)度的時(shí)空分布特征展開(kāi)分析。

表3 研究區(qū)其他用地類型非點(diǎn)源污染物輸出系數(shù)的取值

4 結(jié)果與分析

4.1 研究區(qū)土地利用變化特征

從圖3和表4可以看出,6年間研究區(qū)土地利用變化空間差異較大,各區(qū)變化存在各自的特點(diǎn),表現(xiàn)出不同的土地利用變化特征。其中,位于主城核心區(qū)的沙坪壩區(qū),這6年耕地減少61.09%,而林地和建設(shè)用地逐年增加,增長(zhǎng)率分別為104.89%和44.24%,且建設(shè)用地占全區(qū)面積的29.97%?？梢钥闯?該區(qū)朝著森林城市的方向在不斷發(fā)展,其土地利用變化特征主要表現(xiàn)為快速城市擴(kuò)張型；位于主城邊緣區(qū)的江津區(qū),除建設(shè)用地耕地面積為播種面積增加41.64%外,其他土地利用變化并不明顯,其主要原因在于江津區(qū)位于渝西南,四面高山環(huán)抱,境內(nèi)丘陵起伏,僅林地占全區(qū)面積的48.42%,雖城鎮(zhèn)面積擴(kuò)張很快,但城市化率不高,建設(shè)用地面積僅占2.33%,其土地利用變化特征主要變現(xiàn)為城市點(diǎn)狀擴(kuò)張；忠縣位于長(zhǎng)江上游,境內(nèi)低山起伏,是典型的丘陵地貌,6年間,耕地面積增加了15.30%,是四個(gè)區(qū)耕地面積增加最多的區(qū)縣,建設(shè)用地面積增長(zhǎng)率也達(dá)到了160.11%,但占地只達(dá)到1.33%,可以看出,忠縣的土地利用變化特征主要變現(xiàn)為農(nóng)業(yè)發(fā)展型；奉節(jié)縣位于三峽庫(kù)區(qū)腹地,以山地為主要地貌類型,該縣林地占地面積達(dá)46.74%,而建設(shè)用地面積僅占0.56%,土地利用變化特征變現(xiàn)為典型的水土涵養(yǎng)型。

表4 研究區(qū)土地利用面積

4.2 非點(diǎn)源TN污染負(fù)荷量變化特征

根據(jù)輸出系數(shù)模型,分別計(jì)算各區(qū)縣各土地利用類型所產(chǎn)生的非點(diǎn)源TN/TP污染總量數(shù)據(jù)(表5),并計(jì)算得出各土地利用類型對(duì)TN的貢獻(xiàn)率(圖4)。從總量上看,江津區(qū)從2007年的3905.24t上升到2013年的5020.34t,為上升最快的區(qū)縣,該區(qū)2013年糧食種植面積減少0.2萬(wàn)畝,而經(jīng)濟(jì)作物種植面積增加3.3萬(wàn)畝,其中柑橘增產(chǎn)9.5%,這些數(shù)據(jù)都驗(yàn)證了江津區(qū)非點(diǎn)源污染物總量上升的原因。而沙坪壩區(qū)耕地對(duì)TN的貢獻(xiàn)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),從2007年的1003.78t下降到2013年的514.11t,為下降最快的區(qū)縣,上文中關(guān)于沙坪壩耕地面積的減少、林地面積增加已經(jīng)充分說(shuō)明這一原因。奉節(jié)縣和忠縣農(nóng)業(yè)近幾年雖也在發(fā)展,但兩縣大力發(fā)展庫(kù)區(qū)特色農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和減排增匯[22],故污染物總量變化不大。

從圖4可以看出,從2007年到2013年,耕地地類對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷TN貢獻(xiàn)率最高,其中江津區(qū)和忠縣的耕地貢獻(xiàn)率均達(dá)80%以上,主要是因?yàn)檫@兩個(gè)區(qū)縣耕地占地比例較高,化肥投入高,2013年耕地分別占46.26%和51.54%。在變化趨勢(shì)上,江津區(qū)耕地貢獻(xiàn)率有增大的趨勢(shì)。研究區(qū)中變化最小的是奉節(jié)縣,可以看出,6年間,各地類對(duì)TN的貢獻(xiàn)率變化均小于1%,這與奉節(jié)縣生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)的定位有極大的關(guān)系。

表5 研究區(qū)非點(diǎn)源TN/TP污染負(fù)荷量變化

4.3 非點(diǎn)源TP污染負(fù)荷量變化特征

通過(guò)計(jì)算,各區(qū)縣由土地利用所造成的非點(diǎn)源污染TP從2007年到2013年負(fù)荷量的變化如表5所示,計(jì)算各區(qū)縣各土地利用類型對(duì)TP的貢獻(xiàn)率得到圖5?？梢钥闯?TP負(fù)荷與TN負(fù)荷變化趨勢(shì)相似。其中,沙坪壩區(qū)在這6年間耕地面積減少了61.1%,而TP總負(fù)荷量減少了68.9%,可見(jiàn),在五大地類中,耕地與非點(diǎn)源污染負(fù)荷量TP的密切程度最高。

從圖5中可以看出,在5種用地類型中,最高負(fù)荷強(qiáng)度區(qū)仍為耕地。其中2013年忠縣耕地對(duì)TP的貢獻(xiàn)率已達(dá)到了87.37%,為4個(gè)區(qū)縣中貢獻(xiàn)率最高的區(qū)縣。忠縣三峽柑橘產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目是三峽庫(kù)區(qū)重點(diǎn)農(nóng)業(yè)招商引資項(xiàng)目,被列為全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)示范區(qū),忠縣柑橘產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,也進(jìn)一步加大了農(nóng)藥化肥的使用,增加了耕地對(duì)污染物的貢獻(xiàn)率。沙坪壩區(qū)TP負(fù)荷量下降較明顯,而江津區(qū)6年間漲幅也達(dá)24.12%,其他2個(gè)區(qū)縣總量變化不明顯。

圖5 研究區(qū)非點(diǎn)源污染TP負(fù)荷比例柱狀圖Fig.5 Proportion histogram of NPS in the study area(TP)

4.4 基于流域的非點(diǎn)源污染負(fù)荷時(shí)空分布特征

根據(jù)研究區(qū)輸出系數(shù)表和土地利用圖,在ArcGIS軟件支持下得研究區(qū)非點(diǎn)源TN、TP負(fù)荷強(qiáng)度空間分布圖,將各區(qū)縣小流域提取出來(lái)與負(fù)荷強(qiáng)度圖進(jìn)行疊加(圖6)?？梢钥闯?由于土地利用的不同,各研究區(qū)內(nèi)非點(diǎn)源負(fù)荷有所差別。其中,梁灘河流域負(fù)荷高值區(qū)范圍明顯縮小,但高值增大,局部污染加?。还S溪河流域污染負(fù)荷呈現(xiàn)出先降低后增高的趨勢(shì),高值區(qū)分布變化不大；甘井河流域總體負(fù)荷明顯降低,但負(fù)荷高值區(qū)面積未見(jiàn)減小；而奉節(jié)縣梅溪河流域出入河口出污染負(fù)荷有所增大外,其他各處變化不明顯。同一時(shí)期內(nèi),高負(fù)荷區(qū)主要分布在江津區(qū)和忠縣,其原因主要在于這2個(gè)區(qū)縣農(nóng)業(yè)活動(dòng)比較集中,耕地為主要土地利用類型。

就江津區(qū)而言,南部山區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷有減輕的趨勢(shì),高負(fù)荷區(qū)主要分布在沿江丘陵地區(qū)；忠縣非點(diǎn)源污染負(fù)荷強(qiáng)度在2010年有所降低,這跟當(dāng)年忠縣耕地面積及農(nóng)業(yè)化肥施用量的減少有關(guān),2013年又恢復(fù)增長(zhǎng),非點(diǎn)源污染主要集中在北部平行嶺谷區(qū),且有向此處集聚的趨勢(shì)；位于腹地的奉節(jié)縣,總體變化較小,但非點(diǎn)源污染負(fù)荷有向長(zhǎng)江沿岸聚集的趨勢(shì)；沙坪壩區(qū)變化較大,2007年高負(fù)荷區(qū)主要分布在梁灘河流域,2010年非點(diǎn)源污染范圍明顯降低,但污染負(fù)荷強(qiáng)度增加,到2013年非點(diǎn)源污染高值區(qū)逐漸消退,縮減到北部小部分地區(qū)為非點(diǎn)源污染負(fù)荷高值區(qū),且TN、TP變化趨勢(shì)相似。可見(jiàn),污染高強(qiáng)度區(qū)主要集中在農(nóng)事活動(dòng)發(fā)達(dá)地區(qū), 而負(fù)荷強(qiáng)度低值區(qū)主要集中在農(nóng)事活動(dòng)較少的廣大源區(qū)。

圖6 研究區(qū)非點(diǎn)源負(fù)荷強(qiáng)度空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of NPS pollution load in the study area

5 討論

5.1 土地利用變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)非點(diǎn)源污染時(shí)空變化的影響

6年間,研究區(qū)不同社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景和發(fā)展定位,導(dǎo)致了研究區(qū)土地利用及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不同變化,而不同的土地利用變化類型則造成了不同的非點(diǎn)源污染的時(shí)空變化類型。本文系統(tǒng)模擬分析了位于三峽庫(kù)區(qū)不同地理位置的4個(gè)區(qū)縣非點(diǎn)源污染TN、TP負(fù)荷分布及時(shí)空變化情況,其變化趨勢(shì)各不相同。其中,沙坪壩區(qū)更加注重經(jīng)濟(jì)發(fā)展,農(nóng)耕用地多轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地、林地等,但剩余農(nóng)耕地因化肥施用量的增加,其非點(diǎn)源污染形成小范圍的高負(fù)荷區(qū),主要集中在其西南方向平行嶺谷地區(qū)；江津區(qū)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展也伴隨著其化肥施用量濃度的不斷增加,導(dǎo)致非點(diǎn)源污染物高負(fù)荷區(qū)的局部集聚；奉節(jié)縣注重水土涵養(yǎng),大力發(fā)展第三產(chǎn)業(yè),減輕農(nóng)業(yè)對(duì)環(huán)境的污染及破壞；而忠縣第一產(chǎn)業(yè)所占地區(qū)生產(chǎn)總值的比例也在下降,非點(diǎn)源污染物的總量也均在減少,但從上文得出,該區(qū)出現(xiàn)局部的非點(diǎn)源污染高值區(qū),需重點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

有研究發(fā)現(xiàn)[23],得益于面源污染管控措施,從農(nóng)業(yè)面源污染上看三峽庫(kù)區(qū)重慶段水資源安全等級(jí)從很不安全上升到安全,而本文發(fā)現(xiàn),由于庫(kù)區(qū)不同區(qū)縣的土地利用模式存在差異,土地利用變化和農(nóng)業(yè)活動(dòng)強(qiáng)度的變化引起的非點(diǎn)源污染有升有降。因此,進(jìn)一步的研究應(yīng)加強(qiáng)結(jié)合庫(kù)區(qū)各區(qū)縣的功能定位等社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景來(lái)探討庫(kù)區(qū)非點(diǎn)源的時(shí)空變化。從這一點(diǎn)來(lái)看,本文選擇的4個(gè)研究區(qū)所代表三峽庫(kù)區(qū)4種非點(diǎn)源污染時(shí)空變化典型模式,對(duì)庫(kù)區(qū)水環(huán)境保護(hù)有一定的借鑒意義。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,數(shù)據(jù)來(lái)自重慶市水體斷面監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)報(bào)表(表6)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,2007年到2010年奉節(jié)縣污染物負(fù)荷增加,江津區(qū)、沙坪壩區(qū)污染物負(fù)荷減小,忠縣污染物負(fù)荷TN增加、TP減少。與模擬結(jié)果相比,除沙坪壩區(qū)西溪橋斷面TN和忠縣TN外,其他各污染負(fù)荷變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合,說(shuō)明本文對(duì)輸出系數(shù)的修正具有一定的合理性。

表6 重慶市水體斷面監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)報(bào)表(部分)

5.2 基于非點(diǎn)源污染的庫(kù)區(qū)水環(huán)境保護(hù)

2012年中國(guó)生態(tài)足跡報(bào)告[24]顯示,灰水足跡中有近60%來(lái)自農(nóng)業(yè)生產(chǎn),說(shuō)明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)是水環(huán)境污染的主要來(lái)源。在三峽庫(kù)區(qū),耕地對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的貢獻(xiàn)率最大,主要集中在坡度較大的區(qū)域[25],而農(nóng)業(yè)面源對(duì)水體NH3-N 、TN影響最為顯著[26]。因此,盡管研究區(qū)4個(gè)地點(diǎn)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式不同,但都應(yīng)大力重視其對(duì)水環(huán)境的影響。庫(kù)尾主城沙坪壩區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),該區(qū)的面源污染防控重點(diǎn)應(yīng)放在西部丘陵谷地和低山槽谷,合理控制化肥施用量；庫(kù)尾江津區(qū)受現(xiàn)代規(guī)模化農(nóng)業(yè)等影響,化肥施用量逐年增加,因此該區(qū)應(yīng)在控制徑流產(chǎn)污的同時(shí),加強(qiáng)低海拔平壩丘陵區(qū)的生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)；腹地忠縣的農(nóng)業(yè)區(qū)主要分布在平行嶺谷,2010年平均化肥施用量雖有減少,但從圖5中可以看出,污染高負(fù)荷區(qū)在向沿江地區(qū)聚攏,此處產(chǎn)污潛力大,是該區(qū)防控的重中之重；腹地奉節(jié)縣,是水環(huán)境保護(hù)的極高敏感區(qū)[27],該區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染防控治理力度應(yīng)繼續(xù)加大,嚴(yán)格控制化肥、農(nóng)藥施用量,加強(qiáng)養(yǎng)分優(yōu)化和循環(huán)利用,在發(fā)展的同時(shí)控制非點(diǎn)源污染負(fù)荷量的上升。

本文重點(diǎn)考慮土地利用變化及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的影響,且考慮到自2009年以來(lái),為提高流域水環(huán)境質(zhì)量,沙坪壩區(qū)梁灘河流域全面取締畜禽養(yǎng)殖,故本文未將畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村非點(diǎn)源污染等考慮進(jìn)來(lái)。這也是本文的不足之處,在以后的研究中,將選取三峽庫(kù)區(qū)其他典型流域,結(jié)合畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)村非點(diǎn)源污染等因素,更為全面的對(duì)庫(kù)區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行量算。

6 結(jié)論

(1)江津區(qū)因其自身城市發(fā)展定位決定了它非點(diǎn)源污染負(fù)荷TN、TP在這6年呈現(xiàn)上升并逐步加重的變化趨勢(shì)；奉節(jié)縣和忠縣的城市發(fā)展定位為水土涵養(yǎng)區(qū),非點(diǎn)源污染負(fù)荷變化不大；而沙坪壩區(qū)因其城市的快速發(fā)展,建設(shè)用地面積和農(nóng)耕地化肥施用量的增加,所產(chǎn)生的非點(diǎn)源污染負(fù)荷有所增加。

(2)各區(qū)縣非點(diǎn)源污染負(fù)荷總量變化存在差異。其中,沙坪壩區(qū)TN總量從2007年到2013年下降48.8%,TP負(fù)荷下降68.9%；江津區(qū)TN總量從2007年到2013年上升了28.6%,TP總量上升了24.1%；忠縣TN、TP總量分別下降1.54%和3.05%；而奉節(jié)縣非點(diǎn)源污染負(fù)荷總量變化均小于1%,TN、TP總量分別上升0.01%和0.53%。

(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,表現(xiàn)為耕地對(duì)TN和TP負(fù)荷量影響最大,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他土地利用類型,其次是林地、草地、建設(shè)用地和未利用土地。4個(gè)區(qū)縣自身負(fù)荷量較大區(qū)域分別分布在：沙坪壩區(qū)中部到北部地區(qū)；江津區(qū)長(zhǎng)江沿岸、西北部地區(qū)；忠縣西北、東北及東南地區(qū)大部；奉節(jié)縣沿長(zhǎng)江兩岸及北部零星地區(qū)。

(4)本文選擇的4個(gè)研究區(qū)所代表三峽庫(kù)區(qū)4種非點(diǎn)源污染時(shí)空變化典型模式,對(duì)庫(kù)區(qū)水環(huán)境保護(hù)有一定的借鑒意義。

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A study on the response of non-point source pollution to the variation of land use and social economy

LI Xiaoran1,2, LI Yangbing1,2,3,*, SHAO Jing′an1,2

1CollegeofGeographyandTourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing401331,China2ChongqingKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandEnvironmentalRemoteSensinginThreeGorgesReservoirArea,Chongqing401331,China3CollegeofGeographyandEnvironmentalScience,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550001,China

The challenges associated with the ecological security and aquatic environment of the Three Gorges Reservoir Area are of domestic and international concern. This study aimed to examine the spatial variation characteristics of non-point source pollution output effected by changes in land use and the socio-economic background in the Chongqing section of this reservoir area, since the 156 m water level impoundment in 2006. The following four sites of the Three Gorges Reservoir Area were selected on the basis of typical land use variation model and socio-economic background: Fengjie and Zhongxian counties in the hinterland, Jiangjin district located at the end of the reservoir Area, and Shapingba district in the main urban area. The effects of land-use changes and the social-economic development between 2007 and 2013 on spatial variation of non-point source pollutants such as total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) were analyzed. The land-use types were analyzed using remote-sensing images of 2007, 2010, and 2013. The dynamic export coefficient model was used, and the output coefficient of farmland was amended by varying the amount of fertilizer applied. The results show that during the study period (2007—2013), the output of TN increased from 12126.6 t in 2007 to 12692.3 t in 2013, and the output of TP increased from 394.6 t in 2007 to 407.2t in 2013. Non-point source pollution in Jiangjin district continually increased, and the TN and TP output increased by 28.6% and 24.1%, respectively; the increase could be because of the increasing urbanization in this district. The non-point source pollution declined in Shapingba district over the study period, with rapid expansion of the city, and the TN and TP output decreased by 48.8% and 68.9%, respectively. However, non-point source pollution in Fengjiexian and Zhongxian counties showed little variation across the study period, which could be attributable to the maintenance of traditional agricultural practices. Collectively, these results suggest that different land-use types contribute differently to the total amount of non-point source pollutants: for example, farmland has the biggest impact on the TN and TP load, followed by woodland, grassland, construction land, and unused land.

export coefficient model, non-point source pollution, land use change, the Three Gorges Reservoir Area

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2012ZX07104-003)；重慶市地理學(xué)重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目(2011)

2015- 01- 06;

日期:2016- 01- 15

10.5846/stxb201501060034

*通訊作者Corresponding author.E-mail: li-yapin@sohu.com

李瀟然,李陽(yáng)兵,邵景安.非點(diǎn)源污染輸出對(duì)土地利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)變化響應(yīng)的案例研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(19):6050- 6061.

Li X R, Li Y B, Shao J A.A study on the response of non-point source pollution to the variation of land use and social economy.Acta Ecologica Sinica,2016,36(19):6050- 6061.