基于GIS的福建農(nóng)田氮磷地表徑流流失與污染風(fēng)險評估*

康智明, 張榮霞, 葉玉珍, 吳仁燁, 王松良**

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基于GIS的福建農(nóng)田氮磷地表徑流流失與污染風(fēng)險評估*

康智明1,2, 張榮霞1, 葉玉珍3, 吳仁燁1, 王松良1**

(1. 福建農(nóng)林大學(xué)作物科學(xué)學(xué)院/福建省農(nóng)業(yè)生態(tài)過程與安全監(jiān)控重點實驗室 福州 350002; 2. 福建省金梭欏生態(tài)文明研究所 福州 350002; 3. 福建省明溪縣城郊農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站 明溪 365200)

為了掌握福建省農(nóng)田氮磷地表徑流流失特征, 以福建省的9個地級市為研究邊界, 通過對其轄區(qū)1985—2016年間農(nóng)田氮、磷化肥施用量的調(diào)查, 計算農(nóng)田化肥氮磷的地表徑流流失量, 并在耦合農(nóng)田化肥地表徑流流失量、降雨和河網(wǎng)密度3個因素的基礎(chǔ)上, 分析福建省各地級行政區(qū)域農(nóng)田化肥氮磷的污染風(fēng)險等級, 應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GIS)分析其氮、磷污染的空間分布。結(jié)果表明: 32年間福建省化肥施用量由4.911×105t增加到1.239×106t, 年均增長3.03%; 漳州市氮肥和磷肥的施用強度最大, 分別達880.40 kg×hm-2和429.21 kg×hm-2; 氮磷地表流失量較高的區(qū)域主要集中在漳州市, 其氮、磷地表流失強度分別達8.71 kg×hm-2和1.99 kg×hm-2。從氮、磷污染風(fēng)險等級看, 南平市氮、磷肥的流失風(fēng)險值均最高, 分別達63.19%和63.37%, 屬于高氮磷污染風(fēng)險區(qū)域; 廈門市氮、磷肥的流失風(fēng)險值均最低, 分別為0.53%和0.53%, 屬于低污染風(fēng)險區(qū)域; 其他市處于兩者之間。可見, 漳州市農(nóng)業(yè)發(fā)展中應(yīng)注重氮、磷肥的減量化; 南平市則注重對農(nóng)田氮、磷地表徑流流失的風(fēng)險防范; 全省應(yīng)加大力度發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè), 以助力福建省生態(tài)文明先行示范區(qū)、生態(tài)文明試驗區(qū)的建設(shè)。

福建; 氮磷化肥施用量; 農(nóng)業(yè)面源污染; 氮磷地表徑流; 氮磷污染風(fēng)險

氮磷污染問題可以分為點源污染和面源污染, 其中面源污染具有隨機性強、成因復(fù)雜、潛伏周期長等特點[1-2]。同時, 由于農(nóng)業(yè)活動具有廣泛性和普遍性, 使其成為面源污染重要的構(gòu)成因素。近幾年來, 隨著我國城鎮(zhèn)化的快速擴張, 人均耕地面積逐漸減少, 單位土地資源面積超強度利用, 以致施用化肥成為糧食增產(chǎn)的重要保障措施。據(jù)統(tǒng)計, 2013年全球化肥施用總量達1.67億t; 同年我國農(nóng)業(yè)化肥施用總量達0.59億t, 約占全球化肥使用總量的35.33%[3]; 我國單位面積化肥施用量超過世界平均水平3倍多[4]。目前, 農(nóng)業(yè)面源污染主要由施肥不當(dāng)或過量施肥所引起, 對中國農(nóng)業(yè)面源污染的評估和治理迫在眉睫。

有研究表明, 當(dāng)農(nóng)田含有過多氮、磷元素時, 在降雨過程中這些營養(yǎng)元素容易隨地表徑流進入受納水體(江、河、湖、海), 或隨地下淋溶進入土壤, 從而引起水體富營養(yǎng)化和土壤污染等農(nóng)業(yè)面源污染問題[5-7]。由于受山地地形影響, 地表徑流成為我國南方地區(qū)氮磷流失的主要途徑。因此有效控制地表徑流成為遏制農(nóng)田氮、磷流失的重要途徑[8-10]。在2016年中央“一號文件”中明確提出進一步加大農(nóng)業(yè)面源污染防治力度和實施化肥農(nóng)藥零增長行動。因此, 通過對農(nóng)田化肥施用情況的調(diào)研和對地表徑流氮磷流失的估算與評價, 將有助于有效防范農(nóng)田面源污染風(fēng)險。目前, 有關(guān)地表徑流氮磷流失的研究主要集中于微觀尺度的研究, 如呂玉娟等[11]基于花生地和橘園地的監(jiān)測數(shù)據(jù), 分析了紅壤丘陵崗地區(qū)坡地地表徑流氮磷流失特征; 陳穎等[12]通過田間實測方法, 研究了海河流域水稻田氮磷元素地表徑流流失特征; 向速林等[13]通過在贛江下游水稻田示范基地設(shè)置監(jiān)測點, 研究了常規(guī)施肥條件下水稻田生態(tài)系統(tǒng)地表徑流中氮磷養(yǎng)分的流失特征。然而, 對于地表徑流氮磷流失在中宏觀尺度上的研究較少, 尤其是在省級區(qū)域?qū)用娴难芯可絮r見報道。同時, 福建省作為我國極具特色的亞熱帶紅壤丘陵型農(nóng)業(yè)基地之一, 也是我國單位土地面積化肥施用量最高的區(qū)域之一, 存在嚴(yán)峻的農(nóng)業(yè)面源污染問題, 江河水體富營養(yǎng)事件頻發(fā)[14]。因此, 本文以福建省9個地級市為研究邊界, 通過調(diào)查和分析1985—2016年農(nóng)田氮磷肥施用量和地表徑流流失特征, 并在耦合氮磷肥地表徑流流失量、降雨和河網(wǎng)密度等3種因素的基礎(chǔ)上, 分析其農(nóng)田化肥氮磷的污染風(fēng)險等級, 同時利用地理信息系統(tǒng)(GIS)分析, 直觀展示氮磷污染區(qū)域的空間分布特征。本文通過對福建省開展農(nóng)業(yè)氮磷地表徑流流失估算和風(fēng)險區(qū)域識別研究, 可為福建省農(nóng)業(yè)面源污染治理和管控提供數(shù)據(jù)支撐, 從而助力福建省生態(tài)文明先行示范區(qū)和生態(tài)文明試驗區(qū)的建設(shè)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

福建省位于我國東南沿海, 屬于南方山地丘陵區(qū), 九成陸地面積為丘陵地帶, 被稱為“八山一水一分田”。屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候, 熱量豐富, 平均降雨量1 400~2 000 mm, 是中國雨量最豐富的省份之一?，F(xiàn)有9個地級市, 分別為福州市、莆田市、泉州市、廈門市、漳州市、龍巖市、三明市、南平市和寧德市(圖1)。全省共有閩江、九龍江、晉江、交溪、木蘭溪、汀江等主要河流。

1.2 數(shù)據(jù)資料

本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料包括福建省9個地級市農(nóng)作物播種面積、化肥施用總量、流失系數(shù)以及確定流失系數(shù)所需的相關(guān)數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)及來源見表1。

1.3 研究方法

1.3.1 化肥施用量與施用強度的估算方法

本研究從福建省統(tǒng)計年鑒中獲得1985—2016年福建省農(nóng)田化肥的施用數(shù)據(jù), 并分析其時間動態(tài)變化規(guī)律。同時, 從中選取數(shù)據(jù)相對完善、年份最近的2015年數(shù)據(jù)進行化肥施用的空間分布特征分析。

圖1 研究區(qū)域與河網(wǎng)地理位置

表1 研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的類型及其來源

農(nóng)田氮磷肥總施用量由單一元素肥料和復(fù)合肥料相加而成, 即:

農(nóng)田總施氮(磷)量=氮(磷)肥施用量+復(fù)合肥

施用量×15% (1)

式中, 復(fù)合肥采用通用型(N∶P∶K=15∶15∶15)計算[3]。

化肥施用強度由單位耕地面積的年化肥施用量(kg×hm-2×a-1)計算[3]而得。

1.3.2 地表流失量與流失率的計算方法

本研究以農(nóng)業(yè)部出版的《全國農(nóng)業(yè)面源污染流失系數(shù)手冊》中的農(nóng)田地表徑流流失系數(shù)為基礎(chǔ), 對福建省9個地級市的農(nóng)田氮磷流失系數(shù)進行查算。同時, 參考孫鋮等[3]構(gòu)建的方法, 利用下列公式將各個模式升高尺度, 獲得各市級行政區(qū)的氮磷流失系數(shù)():

式中:β為某一田塊下某農(nóng)作物種植面積占市級行政區(qū)農(nóng)作物總播種面積的比例, %;μ為該田塊的氮磷流失系數(shù)。

其中《全國農(nóng)業(yè)面源污染流失系數(shù)手冊》定義流失系數(shù)公式為:

式中: RL為常規(guī)處理下, 即正常施肥狀態(tài)下氮/磷肥流失量; CK為對照處理氮/磷肥流失量; FA為氮/磷肥的施用量。

研究區(qū)域氮(磷)肥流失量計算公式為:

氮(磷)肥流失量=流失系數(shù)×氮(磷)肥總施用量(4)

1.3.3 面源污染風(fēng)險評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

利用孫鋮等[3]構(gòu)建的評價指標(biāo)體系, 綜合考慮影響農(nóng)業(yè)面源污染的主要因子, 即沖刷過程、污染過程和河道過程。其中, 沖刷過程主要影響因子為降雨量, 污染過程主要影響因子為氮磷流失量, 河道過程主要影響因子為河網(wǎng)密度。降雨數(shù)據(jù)為統(tǒng)計年鑒中各地級市的年平均降雨量, 氮磷流失量為公式(4)計算所得, 河網(wǎng)密度則以河網(wǎng)長度除以行政區(qū)面積而得。最終得到相應(yīng)的污染風(fēng)險方案等級, 如表2所示。

為了簡化過程, 本研究將各影響因子賦予相同的權(quán)重, 即:

氮/磷流失風(fēng)險值=降雨值×1/3+氮/磷流失量×1/3+河網(wǎng)密度×1/3 (5)

式中: 降雨值、氮/磷流失量和河網(wǎng)密度為歸一化處理值[3]。

表2 農(nóng)田氮磷污染風(fēng)險分級方案

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)域化肥施用的時空分布特征

2.1.1 化肥施用的時間變化特征

福建省9地市施肥總量的時間變化趨勢如圖2所示。1985—2016年32年內(nèi), 福建省施肥總量總體呈上升趨勢, 由1985年的4.911×105t增加到2016年的1.239×106t。其中, 1985—1999年全省施肥總量逐年快速增長, 1999年達到最高點, 為1.243×106t, 約占當(dāng)年全國化肥施用總量的3.01%; 此后, 2000年至2001年, 福建省化肥施用總量有微小下降趨勢,2001年達到最低值(1.174×104t), 這可能與2000年以來, 福建省開始致力“生態(tài)省”建設(shè), 政府主動引導(dǎo)農(nóng)民減少化肥用量有關(guān)。但是2002—2016年, 福建省的化肥施用量逐年有回升趨勢。對于各類化肥施用來說, 氮肥、磷肥、鉀肥和復(fù)合肥所占比例的均值分別為43.55%、14.23%、19.43%和22.78%?？梢钥闯? 氮肥施用量最高, 磷肥施用量最低, 而復(fù)合肥施用量呈逐步上升趨勢。自1985年起, 福建省糧食產(chǎn)量逐漸上升, 在1997年達最大值, 為9.618×106t; 隨后全省糧食產(chǎn)量趨于穩(wěn)定, 2016年達6.509×106t。值得注意的是, 2000年糧食產(chǎn)量下降的同時, 福建省蔬菜產(chǎn)量快速提高, 由1.161×107t上升到2016年的1.833×107t, 17年間產(chǎn)量增長6.723×106t。由此可以得出, 增加化肥施用可在一定程度上促進糧食和蔬菜的增產(chǎn)。

圖2 1985—2016年福建省化肥施用量及糧食、蔬菜產(chǎn)量變化

2.1.2 化肥施用的空間分布特征

各市級行政區(qū)的氮磷施用狀況如圖3所示。對于氮肥施用強度來說, 福建省東南沿海地區(qū)的施用強度大于西北山區(qū)。其中, 漳州市氮肥施用強度最大, 達880.40 kg×hm-2; 其次是泉州市、南平市、莆田市、寧德市、龍巖市、三明市和福州市, 分別為610.43 kg×hm-2、448.01 kg×hm-2、390.52 kg×hm-2、319.00 kg×hm-2、295.45 kg×hm-2、270.24 kg×hm-2和253.17 kg×hm-2; 而廈門市氮肥施用強度最小, 僅有224.70 kg×hm-2。對于磷肥施用強度來說, 福建省東南沿海地區(qū)的施用強度依然大于西北山區(qū), 但與氮肥施用強度分布的地級市有明顯差異。其中, 漳州市磷肥施用強度最大, 達429.21 kg×hm-2; 其次是南平市、泉州市、莆田市、廈門市、三明市、龍巖市和寧德市, 分別為206.46 kg×hm-2、177.99 kg×hm-2、144.52 kg×hm-2、136.85 kg×hm-2、136.07 kg×hm-2、133.46 kg×hm-2和114.63 kg×hm-2; 福州市磷肥施用強度最小, 僅有109.01 kg×hm-2。

對氮、磷肥施用強度進行聚類分析發(fā)現(xiàn), 當(dāng)歐式距離等于10時, 福建省9個地級市被劃分為3大類, 其中漳州市單獨一類, 莆田市、南平市和泉州市歸一類, 其他5個地級市歸一類。通過施肥強度數(shù)據(jù)對比, 漳州市屬于高氮、高磷肥施用強度地區(qū), 這與該地區(qū)歷來農(nóng)業(yè)的集約發(fā)展現(xiàn)實相關(guān)。

圖3 2015年福建省農(nóng)田氮磷肥施用強度空間分布

2.2 農(nóng)田化肥氮磷流失特征

福建省農(nóng)田化肥氮磷地表徑流流失(以下簡稱“氮磷流失”)量的空間分布如圖4所示。總體來說, 福建省氮磷流失主要集中于漳州市、泉州市和南平市。其中, 漳州市的氮肥流失量最大, 達1.571×106kg; 其次是泉州市、南平市、三明市、龍巖市、寧德市、福州市和莆田市, 分別為8.920×105kg、8.480×105kg、5.580×105kg、5.200×105kg、4.780×105kg、4.110×105kg和3.070×105kg; 而廈門市氮肥流失量最小, 僅有4.700×104kg?？傮w而言, 福建省氮肥流失量處于3.070×105~1.571×106kg。同時, 漳州市磷肥流失量也最大, 達3.590×105kg; 其次是南平市、泉州市、三明市、龍巖市、福州市、寧德市和莆田市, 分別為1.980×105kg、1.520×105kg、1.370×105kg、1.200×105kg、9.200×104kg、8.400×104kg和5.700×104kg; 而廈門市磷肥流失量最小, 僅有1.600×104kg。總體而言, 福建省磷肥流失量處于5.700×104~3.590×105kg。

圖4 2015年福建省農(nóng)田氮磷地表徑流流失量的空間分布

福建省平均氮肥流失強度為4.39 kg×hm-2, 其中, 漳州市、泉州市和南平市屬氮肥流失強度較高地區(qū), 分別達8.71 kg×hm-2、6.83 kg×hm-2和5.41 kg×hm-2, 高于全省平均水平; 其次是莆田市、寧德市、龍巖市、三明市和福州市, 分別為3.93 kg×hm-2、3.47 kg×hm-2、3.17 kg×hm-2、2.86 kg×hm-2和2.74 kg×hm-2; 廈門市氮肥流失強度最小, 僅有2.42 kg×hm-2(圖5)。

福建省平均磷肥流失強度為0.95 kg×hm-2, 其中, 漳州市、南平市和泉州市屬于磷肥流失強度較高地區(qū),分別達1.99 kg×hm-2、1.26 kg×hm-2和1.16 kg×hm-2, 高于平均水平; 其次是廈門市、莆田市、龍巖市和三明市, 分別為0.80 kg×hm-2、0.73 kg×hm-2、0.73 kg×hm-2和0.70 kg×hm-2; 寧德市和福州市氮肥流失強度最小, 均為0.61 kg×hm-2(圖5)。由此可見, 漳州市是福建省氮磷流失強度最大的地級市。

對氮、磷流失量和流失強度進行聚類分析發(fā)現(xiàn), 當(dāng)歐式距離等于5時, 福建省9個地級市被劃分為4大類, 其中漳州市單獨歸一類, 廈門市單獨歸一類, 南平市和泉州市歸一類, 其他5個地級市歸一類。通過數(shù)據(jù)對比, 可見漳州市屬于高氮、磷肥流失地區(qū), 這與該地區(qū)高施肥量有關(guān)。而廈門市屬于低氮、磷肥流失地區(qū), 這可能與其城市化水平較高、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值比例較低有關(guān)。

圖6 2015年福建省農(nóng)田氮磷地表徑流流失污染風(fēng)險值

2.3 農(nóng)田面源污染風(fēng)險評估

福建省氮磷地表流失污染風(fēng)險值的空間分布如圖6所示?？傮w來說, 福建省大部分地區(qū)處于氮磷地表流失中度污染風(fēng)險水平。其中, 南平市的氮肥流失污染風(fēng)險值最大, 達63.19%, 屬較高風(fēng)險水平;其次是寧德市、三明市、龍巖市、漳州市和泉州市, 分別為57.22%、53.34%、51.38%、46.73%和45.49%, 均屬于中度風(fēng)險水平; 福州市氮肥流失風(fēng)險值為34.35%,屬于較低風(fēng)險水平; 然而莆田市和廈門市氮肥流失污染風(fēng)險值分別為18.59%和0.53%, 屬于低風(fēng)險水平。同時, 南平市的磷肥流失污染風(fēng)險值也最大, 達63.37%, 屬于較高風(fēng)險水平; 其次是寧德市、三明市、龍巖市、漳州市和泉州市, 分別為54.48%、53.92%、51.20%、46.73%和40.25%, 均屬于中度風(fēng)險水平; 福州市磷肥流失風(fēng)險值為33.80%, 屬于較低風(fēng)險水平, 然而莆田市和廈門市氮肥流失污染風(fēng)險值分別為16.93%和0.53%, 屬于低風(fēng)險水平。值得注意的是, 原本較高氮磷地表流失強度區(qū)域, 例如南平市, 其氮肥流失強度為5.41 kg·hm-2(圖5), 但其氮肥污染風(fēng)險卻達最高水平(圖6), 這很有可能與南平市境內(nèi)河網(wǎng)密度較大有關(guān)。

進一步將氮、磷地表流失污染風(fēng)險指標(biāo)進行聚類分析(圖7), 在歐式距離為5.0時, 福建省9個地級市可劃分為3大區(qū)域(表3), 可見這些地區(qū)的氮磷地表流失風(fēng)險等級差異明顯。

中度偏高污染風(fēng)險區(qū): 該區(qū)域包含三明市、龍巖市、寧德市和南平市4個地級市, 其中氮、磷地表流失風(fēng)險值均達0.56左右, 屬中度偏高風(fēng)險水平。中度偏低污染風(fēng)險區(qū): 該區(qū)域包含泉州市、漳州市和福州市3個地級市, 其中氮、磷地表流失風(fēng)險值分別為0.42和0.40左右, 屬中度偏低風(fēng)險水平。低度污染風(fēng)險區(qū): 該區(qū)域包含廈門市和莆田市2個地級市, 其中氮、磷地表流失風(fēng)險值分別為0.10和0.09左右, 屬低度風(fēng)險水平。

圖7 福建省氮磷地表流失風(fēng)險等級聚類分析

表3 福建省三大區(qū)域的氮磷地表流失風(fēng)險值

3 討論與結(jié)論

目前, 農(nóng)業(yè)面源污染是導(dǎo)致地表水富營養(yǎng)化、地下水硝酸鹽及其污染物超標(biāo)的主要原因, 對區(qū)域性水資源安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[17-18]。其中, 由于長期過量施肥或施肥不當(dāng)所引發(fā)的水體氮磷營養(yǎng)元素富集問題最為突出[19]。王丹等[20]研究發(fā)現(xiàn), 過量施用化學(xué)氮肥是太湖流域辛莊鎮(zhèn)環(huán)境氮負(fù)荷的主要原因; 程磊磊等[21]和耿飆等[22]對洱海流域水質(zhì)富營養(yǎng)化的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn), 過度施用化肥和少施有機肥是其主要污染來源; 林施泉等[23]研究發(fā)現(xiàn), 福建省木蘭溪流域下游木蘭坡段水體處于富營養(yǎng)化, 受人為影響較大?？梢? 過度施肥(化學(xué)肥料)是引起氮磷元素流失富集污染的重要因素之一。本研究發(fā)現(xiàn), 近30年來, 福建省化肥施用量呈先下降后上升的趨勢。其中, 1999—2001年, 全省化肥施用總量由1.243×104t減少到1.174×104t, 隨后, 全省化肥施用總量有所增加, 在2014年施肥總量達1.226×104t, 與同期全省蔬菜產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的趨勢一致, 推測是蔬菜產(chǎn)業(yè)拉動了農(nóng)地化肥施用量的上升。反過來, 化肥集約施用也一定程度促進了蔬菜產(chǎn)量和產(chǎn)值的提高。然而, 2015—2016年福建省化肥施用總量雖有略增, 但增幅較小, 2016年全年化肥施用量比2015年增幅僅為0.04%, 這與2015年全國開始實施《到2020年化肥使用量零增長行動方案》等實施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的生態(tài)文明建設(shè)大政方針有直接關(guān)系。由此, 可以預(yù)見, 隨著福建省強化實施“化肥零增長”行動, 其化肥施用量有望明顯降低。

除了化肥施用總量外, 化肥施用強度是直觀體現(xiàn)一個地區(qū)化肥施用狀況的重要指標(biāo), 也值得關(guān)注[3]。本研究發(fā)現(xiàn), 福建省東南沿海地區(qū)的氮磷肥施用強度大于西北山區(qū), 尤其是地處福建省農(nóng)業(yè)重鎮(zhèn)的閩南地區(qū)漳州市的氮磷肥施用強度最大, 分別為880.40 kg×hm-2和429.21 kg×hm-2, 這與徐福祥[24]、張瑜[25]的研究結(jié)果一致。同時, 一個地區(qū)氮磷肥的流失量與該地區(qū)氮磷肥施用總量、流失系數(shù)有著直接關(guān)系[3]。本研究發(fā)現(xiàn), 福建省東南沿海地區(qū)的氮磷肥流失量大于西北山區(qū), 其中漳州市的氮磷肥流失量最大, 分別達1.571×106kg和3.590×105kg。經(jīng)過筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn), 漳州市是福建省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大市, 在2016年全市農(nóng)作物播種面積達2.65×106hm2, 化肥施用量高達4.03×108kg, 農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值達388.39億元[26-27], 可見該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強度大, 農(nóng)業(yè)化肥施用量大, 以致氮磷肥施用強度和流失數(shù)量偏高。因此, 如何引導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民科學(xué)合理地施用化肥和提高化肥利用率是接下來研究的重點和難點。

降雨量、流失量和河網(wǎng)密度是引起氮磷地表徑流流失的主要因素[3]。宋太平等[28]對淮河流域農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷時空分布特征進行研究, 發(fā)現(xiàn)淮河流域西北部地區(qū)負(fù)荷強度高于東南部, 并揭示化肥的施用是其氮素污染的主要來源。本研究發(fā)現(xiàn), 地處閩北山區(qū)的南平市是高氮磷肥污染風(fēng)險區(qū)域, 地處閩南平原的廈門市為低氮磷肥污染風(fēng)險區(qū)域, 其他市處于兩者之間。

本研究結(jié)果表明, 漳州地區(qū)在促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展過程中要注重化肥的減量化, 南平市則重點防范農(nóng)田氮磷地表徑流流失的風(fēng)險防范。本研究進一步利用聚類分析, 將福建省9個地級市根據(jù)氮磷污染程度劃分為3大區(qū)域, 分別為中度偏高污染風(fēng)險區(qū)、中度偏低污染風(fēng)險區(qū)和低度污染風(fēng)險區(qū)。其中, 中度偏高污染風(fēng)險區(qū)大部分地區(qū)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主, 并且降雨量大、河網(wǎng)密集, 稍不注意容易引起地表徑流流失; 而低度污染風(fēng)險區(qū)包含廈門市和莆田市, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動較少, 河網(wǎng)較稀疏, 這些區(qū)域相對不容易引起地表徑流流失。為了使得風(fēng)險評估結(jié)果更接近于實際風(fēng)險值, 在將來的研究中需要進一步研究各個地區(qū)內(nèi)在的實際情況和評價體系, 尤其是對不同影響因素間的差異性賦值, 從而獲得更加貼近實際情況的風(fēng)險區(qū)域劃分?？傊? 本研究結(jié)果將有助于實現(xiàn)對福建省農(nóng)田面源污染的風(fēng)險防范, 可為福建省生態(tài)文明先行示范區(qū)、生態(tài)文明試驗區(qū)的建設(shè)提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

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GIS-based pollution risk assessment of nitrogen and phosphorus loss in surface runoff in farmlands in Fujian Province*

KANG Zhiming1,2, ZHANG Rongxia1, YE Yuzhen3, WU Renye1, WANG Songliang1**

(1. College of Crop Science, Fujian Agriculture and Forestry University / Fujian Provincial Key Laboratory of Agroecological Processing and Safety Monitoring, Fuzhou 350002, China; 2. Fujian Thoreau Institute of Ecological Civilization, Fuzhou 350002, China; 3. Agricultural Technology Extension Station of Chengjiao Town, Mingxi County, Mingxi 365200, China)

Nitrogen and phosphorus loss in surface runoff from farmlands has been the main cause of water eutrophication. Fujian Province is one of the regions with the highest intensity of fertilizer application per unit area of land in China. The subtropical monsoon climate zone and hilly region with heavy summer and autumn rains on steep hill-slope farmlands in Fujian increase the risk potential for pollution. Thus to analyze current conditions and characteristics of nitrogen and phosphorus loss in surface runoff from farmland in Fujian Province, we selected nine prefectural level cities in Fujian Province as the study areas to estimate the loss of nitrogen and phosphorus in surface runoff in farmlands based on investigated data of fertilizer use in the cities for the period from 1985 to 2016. By integrating the three factors of pollution risk (fertilizer loss, rainfall and drainage intensity), we evaluated nitrogen and phosphorus pollution risk from farmland fertilizer to determine critical areas of primary concern. We used the ArcGIS platform to make thematic maps for visualizing the spatial distribution of contaminated areas by nitrogen and phosphorus. The results showed that fertilizer application in Fujian Province increased during the 30-year period from 4.911×105t to 1.239×106t, with an annual average rate of increase of 3.03%. The amount of fertilizer use in Fujian Province was highest (1.243×106t) in 1999, accounting for 3.01% of total fertilizer use in China. The intensities of nitrogenous and phosphate fertilizer use in Zhangzhou City were largest, with respective values of 880.40 kg×hm-2and 429.21 kg×hm-2. The high nitrogen and phosphorus surface runoff were concentrated in Zhangzhou City, which were respectively 1.571×106t and 3.590×105t, with nitrogen and phosphorus loss intensities of 8.71 kg×hm-2and 1.99 kg×hm-2. However, pollution risk values of nitrogen and phosphate fertilizer were highest in Nanping City, reaching respectively 63.19% and 63.37% — a high risk of nitrogen and phosphorus pollution. Xiamen City had the lowest risk values, respectively 0.53% and 0.53%. The others were in between and in the following decreasing order: Ningde City (57.22% and 54.48%) > Sanming City (53.34% and 53.34%) > Longyan City (51.38% and 51.20%) > Zhangzhou City (46.73% and 46.73%) > Quanzhou City (45.49% and 40.25%) > Fuzhou City (34.35% and 33.80%) > Putian City (18.59% and 16.93%). By using cluster analysis, these nine cities were divided into three groups — heavy to moderate pollution risk (Sanming City, Longyan City, Ningde City and Nanping City), moderate to light pollution risk (Quanzhou City, Zhangzhou City and Fuzhou City) and low pollution risk (Xiamen City and Putian City). We concluded that Zhangzhou City needed to emphasize on reducing nitrogen and phosphorus fertilizer use in agriculture. Nanping City needed to hammer at risk control of nitrogen and phosphorus loss in farmlands. The others cities needed to strengthen the development of ecological agriculture to facilitate the construction of Fujian Experimented Region of Ecological Civilization and the promotion and optimization of control measures of nitrogen and phosphorus loss in surface runoff.

Fujian Province; Nitrogen and phosphorus fertilizers application rates; Non-point source pollution; Nitrogen and phosphorus surface runoff; Nitrogen and phosphorus pollution risk

, E-mail: wsoloedu07@126.com

Jan. 25, 2018;

Jul. 20, 2018

X820.4

A

1671-3990(2018)12-1887-11

10.13930/j.cnki.cjea.180118

* 福建省社科規(guī)劃項目(FJ2018B070)、福建農(nóng)林大學(xué)國際科技合作與交流項目(KXb16017A)和福建農(nóng)林大學(xué)科技創(chuàng)新專項基金項目(KFA17163A)資助

王松良, 主要研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)管理。E-mail: wsoloedu07@126.com

康智明, 主要研究方向為農(nóng)田面源污染評價、重金屬污染評價。E-mail: kangzhiming56@163.com

2018-01-25

2018-07-20

* This work was supported by the Social Science Planning Project of Fujian Province (FJ2018B070), the International Sci-tech Collaboration & Communication Project of Fujian Agriculture and Forestry University (KXb16017A) and the Sci-tech Innovation Fund Project of Fujian Agriculture and Forestry University (KFA17163A).

康智明, 張榮霞, 葉玉珍, 吳仁燁, 王松良. 基于GIS的福建農(nóng)田氮磷地表徑流流失與污染風(fēng)險評估[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(12): 1887-1897

KANG Z M, ZHANG R X, YE Y Z, WU R Y, WANG S L. GIS-based pollution risk assessment of nitrogen and phosphorus loss in surface runoff in farmlands in Fujian Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(12): 1887-1897