基于GIS分析土壤侵蝕過程中氮磷流失分布
——以定西市安定區(qū)為例

陶鴻斌，汪文飛

(蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

隨著點源污染源的有效控制，非點源污染已經(jīng)成為了水環(huán)境的主要污染源[1，2]。土壤侵蝕作為非點源污染主要途徑之一，由土壤侵蝕帶來的泥沙本身就是一種非點源污染物，而且泥沙(特別是細(xì)顆粒泥沙)是有機物、金屬、銨離子、磷酸鹽以及其他有毒性物質(zhì)的主要攜帶者[3]；所以，土壤侵蝕會給受納水體水質(zhì)帶來不良的影響。從2010年我國第一次全國污染源普查公報可知，農(nóng)業(yè)源(不含農(nóng)村生活源)總氮、總磷分別占排放總量57.2%和 67.3%，由此可以看出氮磷肥料污染形勢嚴(yán)峻[4]。因此研究侵蝕過程中氮磷流失對面源污染遷移具有重要意義。本文利用通用土壤侵蝕侵蝕公式(USLE)、遙感數(shù)據(jù)、DEM、(GIS)技術(shù)及不同土地利用氮磷的實測數(shù)據(jù)的利用，確定了定西市安定區(qū)土壤侵蝕氮磷流失的分布。分析了氮磷流失分布圖與各土壤侵蝕的關(guān)系，并對土壤侵蝕氮磷流失地區(qū)提出了相應(yīng)的防治措施。

2 概況

2.1 研究區(qū)域的概況

黃土高原是世界上土壤侵蝕最強烈的地區(qū)之一，嚴(yán)重的土壤侵蝕不僅制約了經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展，而且還影響著生態(tài)環(huán)境[5]。定西市安定區(qū)屬于隴中黃土高原丘陵溝壑區(qū)。境內(nèi)溝壑縱橫，延綿起伏，地勢由西南向東北傾斜；南高北低，西南為山地，山地下部為小型內(nèi)官盆地；北部為丘陵，丘陵之間為河流切割而成的溝谷接地。由于地貌特征導(dǎo)致黃土層深厚松散使，并且降雨主要集中在夏季使得該地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重，其主要的侵蝕類型為水蝕，并伴隨著重力侵蝕。

2.2 研究數(shù)據(jù)來源

研究需要的基本數(shù)據(jù)有DEM，土壤類型、土地利用、降雨量；數(shù)據(jù)來源見表1。其中土地利用圖是使用安定區(qū)遙感數(shù)據(jù)分析而得。

表1 數(shù)據(jù)來源

3 研究方法

3.1 土壤侵蝕因子的分析

近年來，我國學(xué)者對土壤侵蝕過程展開了一系類的研究，這些研究大多采用了GIS和USLE模型相結(jié)合的方式，在土壤侵蝕分析過程中的取得了較好的效果[6]。本文以定西市安定區(qū)為研究區(qū)通過實地野外調(diào)查和采集樣品土壤樣品的分析，利用USLE、GIS技術(shù)手段和實測數(shù)據(jù)，對安定區(qū)的土壤侵蝕過程中的氮磷污染流失進(jìn)行分析。通用土壤侵蝕公式如下：

A=R·K·S·L·C·P

(1)

式(1)中：A為土壤流失量，單位為：t/ha·a；R為降雨侵蝕力因子，單位為：MJ·mm/(ha·h·a)，K為土壤可蝕性因子，單位為：t·ha·h/(ha·MJ·mm)；L為坡長因子；S為坡度因子；C植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。

3.1.1 降雨因子

降雨侵蝕因子R是指單位降雨侵蝕指標(biāo)。R反映降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，是一個區(qū)域土壤侵蝕降雨宏觀特征的重要指標(biāo)。土壤侵蝕量的大小與當(dāng)?shù)氐慕涤陾l件，土壤結(jié)構(gòu)等因素有密切關(guān)系，其中降雨時引起土壤侵蝕的第一要素，是主導(dǎo)因子，降雨特征影響水土流失的面積和強度。本文采用Renard[7]等分析美國 155 個實驗站點的數(shù)據(jù)，提出了降雨量和R因子之間的回歸方程，回歸方程模型為：

(2)

式(2)中：R因子單位為(MJ·mm)/(hm2·h·年)；Pa為年降雨量。根據(jù)公式計算出研究區(qū)R值，將R值以常數(shù)的形式帶到方程中運算。

經(jīng)調(diào)查可以知；安定區(qū)近3年平均降雨量為380 mm，故R因子值為687.7(MJ·mm)/(hm2·h·年)。

3.1.2 K因子

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database version 1.1 )(HWSD)得到安定區(qū)土壤類型圖，通過ArcGIS提取安定區(qū)的土壤中的砂粒、粉粒、粘粒、有機碳的含量，采用Williams，在EPIC模型中提出K的估算公式，計算不同的土壤類型的K值[8]。

(3)

式(3)中：SAN、SIL、CLA、C分別為土壤中砂粒、粉粒、粘粒和有機碳含量所占百分比(%)，SNI=1-SAN/100。該式以K值大小表示土壤抗蝕性能的強弱，K值越大，抗蝕性能越弱，反之則強。利用GIS格柵計算器、公式(3)和土壤類型圖得到安定區(qū)因子(表2)。

表2 不同土壤類型的SAN、SIL、CLA、C與K值

3.1.3 LS因子

USLE系列模型中，是用坡度、坡長做為地形因子，其中L表示坡長，S表示坡度。其中坡度對土壤侵蝕影響很大，是小流域影響土壤侵蝕的最重要因素。坡長L是污染源距離附近河流湖泊等水體的距離，坡長越大，產(chǎn)生徑流就越大，攜帶的土壤侵蝕量越大。本研究結(jié)合安定區(qū)DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS空間分析功能中的水文分析獲得到安定區(qū)坡長S因子圖，然后對DEM數(shù)據(jù)的填洼獲得無洼地的DEM，對其分析獲得坡長因子L圖。

3.1.4 CP因子

C是植被覆蓋和經(jīng)營管理因子，反映植被覆蓋對水土流失的影響大小，是其它條件相同時，經(jīng)過植被管理的土地和普通標(biāo)準(zhǔn)土地發(fā)生水土流失量的比值；P是水土保持措施因子，是在保證其它條件相同時實行水土保持措施；一般來說，P值越小，經(jīng)營管理的水土保持效果越好，水土侵蝕作用越小。研究根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010-2017)一級分類體系，針對研究區(qū)的地理特點將土地分為耕地、林草地、建設(shè)用地和難利用地四種類型。

本研究采用了劉寶元[9]等在《土壤侵蝕預(yù)報模型》中所確定的相應(yīng)CP因子值?；谕恋乩妙愋蛨D，利用DEM數(shù)據(jù)和ArcGIS的空間分析得到安定區(qū)的CP因子的空間分布(表3)。

表3 土壤CP因子的確定

3.2 不同用地類型氮磷實測數(shù)據(jù)

在定西市安定區(qū)每種用地類型采樣，利用型號為JN-QYF土壤養(yǎng)分儀多次測量求平均值確定不同用地類型的總磷、總氮量(表4)。

表4 氮磷污染負(fù)荷

4 研究結(jié)果

4.1 安定區(qū)土壤侵蝕分布圖

通過前面的計算生成了定西市安定區(qū)土壤侵蝕計算所必需的各因素因子數(shù)據(jù)，利用土壤侵蝕公式和GIS中的格柵計算器而得安定區(qū)土壤侵蝕分布圖(圖1)。

4.2 安定區(qū)土壤侵蝕產(chǎn)生的氮磷量的分布圖情況

結(jié)合GIS、總氮磷量和土壤侵蝕分布圖，獲得安定區(qū)土壤侵蝕過程中氮磷流失量分布圖(圖2、圖3)。

4 結(jié)論

通過對土壤侵蝕和總氮磷流失分布、土壤侵蝕因子的對比，得到以下結(jié)論。

(1)定西市安定區(qū)氮磷流失的主要分布地區(qū)與土壤侵蝕分布強弱有關(guān)，強的土壤侵蝕主要分布在研究區(qū)域的坡長較大的區(qū)域；弱的土壤侵蝕主要分布在坡度0～8°的區(qū)域內(nèi)。

(2)從圖中可以看出土壤侵蝕過程中總磷的最高年流失量為29825.3 kg/hm2·年，總磷的最高年流失量為21871.6 kg/hm2·年。

(3)通過對影響水土流失的因子，如降雨侵蝕侵蝕因子，土地管理因子等六個影響因子進(jìn)行分析，得到安定區(qū)的土壤侵蝕狀況：安定區(qū)全區(qū)整體上都存在土壤侵蝕的問題，其中東北部的土壤侵蝕更為嚴(yán)重。整體上土壤侵蝕狀況由南向北，由西向東呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

圖1 土壤侵蝕分布

圖2 總氮流失分布

(4)安定區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險評價及關(guān)鍵源區(qū)的識別。

結(jié)合安定區(qū)行政區(qū)域和氮、磷污染流失分布情況，將石峽灣鄉(xiāng)北部，新集鄉(xiāng)中部，香泉鎮(zhèn)北部三個區(qū)域定為安定區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染的污染控制區(qū)。

圖3 總磷流失分布

5 結(jié)語

石峽灣鄉(xiāng)北部，新集鄉(xiāng)中部，香泉鎮(zhèn)北部這3個區(qū)域的氮、磷污染嚴(yán)重，將這三個區(qū)域定為重污染區(qū)，作為安定區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)鍵源區(qū)，應(yīng)該優(yōu)先進(jìn)行環(huán)境污染管理。這些區(qū)域主要為農(nóng)業(yè)用地和建設(shè)用地，受人類活動影響較大，加之該區(qū)域的地形坡度較大，植被覆蓋度較低，針對人類活動和地形地貌特點，提出以下建議。

(1)生物措施：退耕還林還草等。安定區(qū)東北部區(qū)域土地坡度較大，土地種植效益較差，減少人為因素對生態(tài)環(huán)境的影響，減低對該區(qū)域有計劃、分步驟地進(jìn)行退耕，因地制宜還林還草，恢復(fù)植被覆蓋。

(2)工程措施：修建梯田等。安定區(qū)北部地處安定區(qū)北部高丘陵溝壑區(qū)，修建梯田可以有效地減緩?fù)寥狼治g強度，保持土壤養(yǎng)分，在一定程度上也可以起到保持土壤水分的作用，對土壤侵蝕性污染有積極重要的作用和意義。