巢湖流域非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷負(fù)荷的空間差異及關(guān)鍵影響因子研究

王趙飛，林 晨，許金朵，金平華，熊俊峰，4，閔 敏，4，馬榮華

（1.東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院，流域生態(tài)與地理環(huán)境監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013；2.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，中國(guó)科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；3.江蘇省土地勘測(cè)規(guī)劃院，南京 210017；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

安徽是我國(guó)的農(nóng)業(yè)大省，巢湖流域以農(nóng)業(yè)為主，面源污染因其分散、隨機(jī)、廣泛的特點(diǎn)而較難治理，因此成為主要的污染來(lái)源。人類高強(qiáng)度的開(kāi)發(fā)導(dǎo)致含有氮磷元素的污染物大量排放，致使流域面源污染日益加劇。大量研究顯示面源污染已成為引起水環(huán)境惡化的主要原因[1-5]。一方面，為控制面源污染、改善水質(zhì)，需估算面源污染負(fù)荷量；另一方面，不同土地利用類型對(duì)土壤、植被、徑流及化學(xué)物質(zhì)的輸入、輸出等均有影響[6]，是影響面源污染的主要因素。不同用地類型所產(chǎn)生的面源污染差異較大，土地利用變化的面源污染效應(yīng)已成為國(guó)際社會(huì)和學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注和研究的熱點(diǎn)[7-8]。因此，探討土地利用類型與面源污染的內(nèi)在關(guān)系及影響機(jī)理對(duì)控制面源污染具有重要意義。

土壤侵蝕模型分為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型、物理過(guò)程模型與分布式模型。20世紀(jì)90年代以后，GIS和RS的發(fā)展及其在土壤侵蝕模型中的廣泛應(yīng)用，不僅方便預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)土壤侵蝕，更將土壤侵蝕模型由傳統(tǒng)的集總式發(fā)展到分布式高度[9]。修正通用土壤流失方程（Revised universal soil loss equation）以其數(shù)據(jù)獲取便利、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度較高等優(yōu)點(diǎn)而成為經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型。李瀟然等[10]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)非點(diǎn)源輸出與土地利用之間的相關(guān)性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明土地利用類型差異對(duì)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的貢獻(xiàn)率存在差異，表現(xiàn)為耕地對(duì)總磷負(fù)荷影響最大，且遠(yuǎn)大于其他土地利用類型。Foy等[11]對(duì)北愛(ài)爾蘭地區(qū)主要流域展開(kāi)研究，結(jié)果表明磷濃度與耕地面積、畜牧業(yè)的發(fā)展呈正相關(guān)。榮琨等[12]對(duì)福建省內(nèi)水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域——晉江西溪流域的非點(diǎn)源污染情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明園地在西溪流域中非點(diǎn)源污染最為嚴(yán)重，需重點(diǎn)治理。耿潤(rùn)哲等[13]對(duì)北京市密云水庫(kù)流域開(kāi)展研究，探討了土地利用格局的演變對(duì)非點(diǎn)源污染的影響，研究結(jié)果顯示，耕地、林地面積比例、形狀指數(shù)和斑塊密度是影響研究區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷輸出的主要因子。臧玉珠等[14]對(duì)江蘇沿海地區(qū)2000—2010年吸附態(tài)磷負(fù)荷量進(jìn)行估算，分析了不同土地利用背景下顆粒態(tài)磷負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化特征，結(jié)果表明林地水土流失嚴(yán)重，顆粒態(tài)磷負(fù)荷強(qiáng)度較大，而旱地和水田主要分布在地勢(shì)平坦的平原地帶，水土流失較弱，相應(yīng)的顆粒態(tài)磷負(fù)荷強(qiáng)度也較小。以往對(duì)整個(gè)流域或者二級(jí)流域以及僅分縣級(jí)行政區(qū)的土地利用類型對(duì)面源污染響應(yīng)機(jī)制的研究較多，而將二級(jí)流域結(jié)合縣級(jí)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)的研究較少。對(duì)一些范圍較大的流域而言，自然地理?xiàng)l件差異大、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡、政府政策實(shí)施不統(tǒng)一，籠統(tǒng)對(duì)整個(gè)或僅簡(jiǎn)單劃分后的流域進(jìn)行各地類及其面源污染的研究容易以偏概全，不能客觀反映現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。因此，深入探討巢湖二級(jí)流域不同縣級(jí)行政區(qū)內(nèi)各用地類型與面源污染的內(nèi)在關(guān)系與影響機(jī)理對(duì)小范圍內(nèi)面源污染的治理具有較強(qiáng)的針對(duì)性和現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，細(xì)化到縣級(jí)行政區(qū)的研究也有利于當(dāng)?shù)卣块T對(duì)面源污染政策的制定與實(shí)施。

本文以巢湖流域結(jié)合縣級(jí)行政區(qū)劃的7個(gè)二級(jí)流域?yàn)檠芯繀^(qū)，綜合利用衛(wèi)星遙感、GIS空間分析、野外樣點(diǎn)采集、模型模擬等技術(shù)手段，在星地協(xié)同條件下構(gòu)建了集傳統(tǒng)的修正通用土壤流失方程（RUSLE）、泥沙輸移比、土壤磷含量等因子為一體的泥沙輸移分布模型SEDD（Sediment delivery distributed model），定量估算2015年研究區(qū)中不同縣級(jí)行政區(qū)劃內(nèi)的不同土地利用類型的面源污染負(fù)荷，結(jié)合自然成因與經(jīng)濟(jì)成因分析不同用地類型下的面源污染程度，并作了比較，為流域面源污染治理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

巢湖流域位于安徽省中部江淮丘陵之間，長(zhǎng)江流域下游左岸，流域面積13 486 km2，地跨合肥、安慶、六安、蕪湖、馬鞍山5地市。巢湖流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨。年平均氣溫15～16℃，多年平均降水量約1100 mm，局部地區(qū)5—9月降水量可占全年降水量的65%左右[15]。巢湖流域地勢(shì)西高東低、南高北低、中部低洼，西北部為丘陵崗地，西南部是大別山區(qū)，東部為東北-西南走向的弧形山脈。山區(qū)海拔高度一般在400～500 m，最高可達(dá)1539 m；沖積平原地區(qū)海拔在幾米至十幾米之間。土壤類型包括水稻土、黃褐土、紫色土、棕壤、石灰土等。2013年巢湖流域平均土壤侵蝕模數(shù)為149.44 t·km-2·a-1，微度侵蝕區(qū)域在巢湖沿岸以及河流中下游的沖積平原地區(qū)，輕度、中度、強(qiáng)度、極度、劇烈侵蝕區(qū)域主要分布在低山丘陵和山區(qū)[16]。馬尾松林較其他類型林地土壤流失量大，而巢湖流域森林類型以馬尾松、杉木等構(gòu)成的針葉林為主，水保效果較為有限[17]。巢湖居于流域中心，是我國(guó)著名的五大淡水湖之一，裕溪河作為唯一的出水通道在流域東端裕溪口注入長(zhǎng)江。巢湖流域被譽(yù)為“天然的地質(zhì)博物館”，由于特殊的地質(zhì)構(gòu)造，巢湖地處富磷地質(zhì)區(qū)，天然的磷背景值很高[18]。從“九五”開(kāi)始，國(guó)家就把巢湖列為全國(guó)“三河三湖”治理重點(diǎn)。其中，農(nóng)業(yè)面源污染未能有效防控，導(dǎo)致部分入湖河流污染較為嚴(yán)重。2017年第一季度，巢湖湖體總磷濃度和富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)指數(shù)同比均呈上升趨勢(shì)，巢湖流域水環(huán)境保護(hù)形勢(shì)嚴(yán)峻。

1.2 子研究區(qū)劃分

根據(jù)國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)提供的巢湖流域的7個(gè)二級(jí)流域，包括裕溪河流域、杭埠河流域、南淝河流域、烔煬河流域、白石天河流域、柘皋河流域、派河流域，再結(jié)合安徽省縣級(jí)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)作為子研究區(qū)，具體如圖1所示。

1.3 主要數(shù)據(jù)源

泥沙輸移分布模型中各因子的數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1。

1.4 模型與方法

磷素通過(guò)附著于泥沙等顆粒物的表面（或內(nèi)部）或與顆粒體中一些成分發(fā)生黏合作用形成顆粒態(tài)磷而被土壤固定。降雨沖刷侵蝕表層土壤，顆粒態(tài)磷隨地表徑流遷移而流失。因此，流失的水土是顆粒態(tài)磷遷移的重要載體，所以研究的重點(diǎn)即土壤侵蝕過(guò)程，本文采用RUSLE模型估算得到土壤侵蝕量。但土壤在向流域出口輸移過(guò)程中，因?yàn)橹参锔岛蜌埐绲淖钃跻约安豢杀苊獾某练e會(huì)產(chǎn)生輸移損失，所以坡面產(chǎn)生的土壤侵蝕量與泥沙產(chǎn)生量并不相等，而只有輸移到河道的泥沙才會(huì)造成一系列水環(huán)境問(wèn)題。因此，引入“泥沙輸移比”來(lái)表征流域的產(chǎn)沙強(qiáng)度，它是反映侵蝕產(chǎn)沙輸移能力的指標(biāo)[19-22]。以修正通用土壤流失方程（RUSLE）為基礎(chǔ)，引入土壤磷含量和泥沙輸移比兩個(gè)因子，構(gòu)建SEDD模型[23-25]，該模型已在國(guó)內(nèi)外多個(gè)流域開(kāi)展應(yīng)用[24，26-29]，如公式（1）所示：

圖1 研究區(qū)示意圖Figure 1 Location of study area

表1 研究區(qū)數(shù)據(jù)來(lái)源Table 1 Data sources of study area

式中：Par（P）為單位面積單位時(shí)間內(nèi)的顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)，kg·hm-2·a-1；A為年土壤侵蝕量，t·hm-2·a-1；Psed為土壤中的顆粒態(tài)磷含量，g·kg-1，團(tuán)隊(duì)于2015年分4個(gè)季度在巢湖流域內(nèi)均勻布置70個(gè)樣點(diǎn)，采集土壤樣品，獲得土壤磷含量，經(jīng)過(guò)ArcGIS插值分析并取均值得到土壤磷含量柵格圖，由于顆粒態(tài)磷的輸出占流域磷總輸出比重較大[30-36]，因此本文采用土壤磷含量代替顆粒態(tài)磷含量代入模型計(jì)算；SDR為泥沙輸移比，%，指一定的時(shí)段內(nèi)通過(guò)河流或溝道某一斷面的實(shí)測(cè)輸沙量與該斷面以上流域土壤侵蝕量之比[19]。

A通過(guò)RUSLE計(jì)算得出，如公式（2）所示：

式中：R為降雨侵蝕因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；K為土壤可蝕性因子，t·hm-2·h·hm-2·MJ-1·mm-1；LS為坡長(zhǎng)坡度因子；C為植被與經(jīng)營(yíng)管理因子；P為水土保持措施因子。

式中，R選用Wischmeier的經(jīng)典算法進(jìn)行計(jì)算[37]，該公式綜合考慮年降水總量以及降水的年內(nèi)分布：

式中：pi為月降雨量，mm；pa為年降雨量，mm。

K的計(jì)算方法采用Williams等[38]在EPIC模型中提出的估算公式：

式中：fcsand為粗砂土質(zhì)土壤侵蝕因子；fcl-si為黏壤土土壤侵蝕因子；forgc為土壤有機(jī)質(zhì)因子；fhisand為高沙質(zhì)土壤侵蝕因子。

式中：ms為砂粒（直徑為0.05～2.00 mm的顆粒）含量，%；msilt為粉粒（直徑為0.002～0.05 mm的顆粒）含量，%；mc為黏粒（直徑小于0.002 mm的顆粒）含量，%；ρorgc為有機(jī)碳含量，%。

LS采用下式進(jìn)行計(jì)算[39]：

式中：θ為坡度；λ為坡長(zhǎng)。

C指在相同條件（土壤、坡度和降水等）下，有特定植被覆蓋或管理措施的土壤流失量與實(shí)施清耕、無(wú)覆蓋休閑地的土壤流失量之比。C因子定量表示植被覆蓋和管理措施對(duì)抵抗土壤侵蝕的重要影響[40]。根據(jù)蔡崇法等[41]的方法，C可以表達(dá)為：

式中：f為植被覆蓋度。本文采用2015年4個(gè)季度的Landsat8遙感影像獲取巢湖流域4個(gè)季度的NDVI值[42]，并計(jì)算平均值作為2015年的NDVI。

P指特定水土保持措施下的土壤流失量與相應(yīng)未實(shí)施水土保持措施的順坡耕作地塊的土壤流失量之比值[43]，本文參考該地區(qū)相關(guān)研究結(jié)果進(jìn)行賦值[44]，如表2所示。

表2 P因子值Table 2 P factor values

SDRi為泥沙輸移比（%），可通過(guò)下式計(jì)算[45]：

式中：K為阻力截留系數(shù)；α為流經(jīng)坡面任一點(diǎn)i處單位等高線長(zhǎng)度的匯流面積；β為該點(diǎn)處的坡度。

1.5 模型驗(yàn)證

由于巢湖流域顆粒態(tài)磷負(fù)荷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較難獲得，本文采用巢湖7個(gè)主要入湖口的入湖徑流量與在這幾個(gè)湖口采樣得到的水體顆粒態(tài)磷濃度估算巢湖流域顆粒態(tài)磷負(fù)荷，將之與模型計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行模擬驗(yàn)證。入湖徑流量來(lái)自于南京地湖所對(duì)巢湖7個(gè)入湖口的定點(diǎn)流量監(jiān)測(cè)，水體顆粒態(tài)磷濃度為2015年每月在入湖口采集水樣并取均值得到，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表3。杭埠河流域和裕溪河流域面積較大，相對(duì)誤差在15%左右，其他流域均在10%左右，表明模型模擬效果較好。

表3 二級(jí)流域顆粒態(tài)磷輸出實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比Table 3 Comparison of measured and simulated values of particulate phosphorus output in sub-basins

2 結(jié)果與討論

2.1 土地利用類型分析

2015年巢湖流域的土地利用類型主要分為5類，以耕地為主，占流域總面積的60.12%，林地和建設(shè)用地分別占17.87%、12.79%，其余用地類型均在10%以下，如圖2和圖3所示。

杭埠河流域林地占總林地面積的60.18%，主要位于舒城縣、岳西縣、霍山縣；耕地面積占該流域總面積的55.58%，主要位于舒城縣、六安市、肥西縣；建設(shè)用地占總建設(shè)用地面積的16.91%，主要位于肥西縣。

裕溪河流域耕地面積占總耕地面積的42.66%，主要位于無(wú)為縣；林地占總林地面積的31.28%，主要位于巢湖市、廬江縣、含山縣；建設(shè)用地占總建設(shè)用地面積的23.15%，主要位于無(wú)為縣、廬江縣、巢湖市。

南淝河流域建設(shè)用地占總建設(shè)用地面積的35.00%，主要位于合肥市、肥東縣；耕地面積占該流域總面積的57.56%。

派河流域耕地面積和建設(shè)用地面積分別占該流域總面積的59.01%和31.90%。

白石天河流域、烔煬河流域、柘皋河流域耕地面積分別占各自總面積的81.12%、70.94%、69.12%。

2.2 顆粒態(tài)磷負(fù)荷情況分析

圖2 巢湖流域土地利用示意圖Figure 2 Land use of Chaohu Basin

圖3 巢湖流域不同用地類型所占比例Figure 3 Land use proportion of Chaohu Basin

巢湖流域2015年顆粒態(tài)磷負(fù)荷總量4 324.33 t，其中杭埠河流域最高，達(dá)2 331.11 t，裕溪河流域次之，為1 437.76 t。巢湖流域顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)平均值為0.308 t·km-2·a-1，空間分布如圖4。7個(gè)二級(jí)流域平均顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)如圖5。杭埠河流域顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)最高，達(dá)到 0.542 t·km-2·a-1，高于巢湖流域平均值；其次是裕溪河流域，為 0.280 t·km-2·a-1。裕溪河流域在巢湖流域中所占面積最大，達(dá)到36.63%，其次為杭埠河流域，占30.65%。但由于杭埠河流域顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)較大，所以對(duì)巢湖流域顆粒態(tài)磷的貢獻(xiàn)最大。顆粒態(tài)磷的輸移與地形地貌、土壤特性、產(chǎn)流匯流過(guò)程等密切相關(guān)，而這些因素均表現(xiàn)出顯著的流域特征[46]。細(xì)分二級(jí)流域后探討顆粒態(tài)磷的污染，便于分析磷的來(lái)源和輸送過(guò)程的空間變化。首先，杭埠河流域平均坡度較高，降水充沛，導(dǎo)致該流域水土流失嚴(yán)重；其次，建于杭埠河上游舒城縣的龍河口水庫(kù)大壩改變了磷循環(huán)路徑和釋放機(jī)制，顆粒態(tài)磷從河口變成上游水庫(kù)的持續(xù)累積污染，推高河口水域污染相對(duì)程度[47]，使龍河口水庫(kù)附近的顆粒態(tài)磷流失加重；再次，大別山東麓、舒城廖葉灣等處發(fā)現(xiàn)含磷層位與含磷地層[48]，這也增加了該流域的磷背景值。杭埠河流域內(nèi)顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)岳西縣、霍山縣、舒城縣較高，岳西縣高達(dá) 1.843 t·km-2·a-1，肥西縣、廬江縣、六安市較低，均低于0.3 t·km-2·a-1。顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)較低的地區(qū)有南淝河流域合肥市、派河流域肥西縣，低至 0.104 t·km-2·a-1，負(fù)荷模數(shù)較低地區(qū)普遍地勢(shì)平坦、坡度較緩，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高。

2.3 不同土地利用類型的顆粒態(tài)磷負(fù)荷

2.3.1 巢湖流域顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)

圖4 巢湖流域顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)空間分布圖Figure 4 Spatial distribution of particle phosphorus loading modulus in Chaohu Basin

圖5 二級(jí)流域平均顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)Figure 5 Average particle phosphorus loading modulus within different sub-basins

巢湖流域顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)由大到小分別為林地（0.759 t·km-2·a-1）、耕地（0.256 t·km-2·a-1）、草地（0.179 t·km-2·a-1）、建設(shè)用地（0.138 t·km-2·a-1）、水體（0）。其中，林地顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)遠(yuǎn)高于巢湖流域平均值0.308 t·km-2·a-1，其他用地類型均低于平均值。二級(jí)流域內(nèi)不同用地類型顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)如表4所示。林地顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)在不同流域間差異較大，杭埠河流域內(nèi)高達(dá) 1.026 t·km-2·a-1，派河流域內(nèi)低至0.059 t·km-2·a-1。并且在杭埠河流域，各地類顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)差異明顯。

2.3.2 二級(jí)流域內(nèi)各縣（市）不同土地利用類型的顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)

二級(jí)流域內(nèi)各縣（市）不同土地利用類型下的顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)如表4所示。

杭埠河流域內(nèi)霍山縣和岳西縣3種地類顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)較大，最大的為岳西縣的耕地，高達(dá)3.046 t·km-2·a-1，且兩縣耕地均高于林地及建設(shè)用地。舒城縣、廬江縣、六安市林地顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)也稍高，且高于三地的耕地和建設(shè)用地。肥西縣情況較好，負(fù)荷模數(shù)較低，耕地高于林地，林地和建設(shè)用地負(fù)荷相差無(wú)幾。

表4 二級(jí)流域及各縣（市）3種地類顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)Table 4 Particulate phosphorus loading modulus of three types of land use within sub-basins and counties

裕溪河流域顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)最高的為廬江縣的林地，達(dá)到0.508 t·km-2·a-1，其次是和縣的耕地，為0.399 t·km-2·a-1。廬江縣、巢湖市、無(wú)為縣、含山縣林地均高于耕地，而和縣耕地高于林地。

烔煬河流域肥東縣、巢湖市其各自的顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)耕地與林地近似相等，建設(shè)用地在兩地3種地類中都較小。

柘皋河流域巢湖市和白石天河流域廬江縣均屬于林地負(fù)荷高于耕地的類型，廬江縣林地為0.363 t·km-2·a-1，高于巢湖市林地0.282 t·km-2·a-1，兩地耕地及建設(shè)用地分別為0.16 t·km-2·a-1和0.13 t·km-2·a-1。

南淝河流域合肥市、長(zhǎng)豐縣及派河流域肥西縣顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)均較低，情況較好。最高的為長(zhǎng)豐縣的耕地0.129 t·km-2·a-1，三地都屬于耕地稍高于建設(shè)用地，林地最低的類型。而南淝河流域肥東縣的林地負(fù)荷模數(shù)在該兩個(gè)流域中最高，達(dá)到0.234 t·km-2·a-1，且高于耕地。

2.4 不同土地利用類型顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)空間差異分析

不同縣（市）之間因地方政策、經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度不同，各地類面源污染程度存在差異。因此，將二級(jí)流域與縣級(jí)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)結(jié)合，綜合考慮地理位置、資源條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素，分析不同土地利用背景下的顆粒態(tài)磷負(fù)荷。首先，根據(jù)不同地類的顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)由高到低排序分為4種模式，如表5所示。

2.4.1 坡度、降水、磷礦分布等自然地理?xiàng)l件是造成模式一和模式三的重要原因

巢湖流域坡度分級(jí)、降水分布如圖6和圖7所示，杭埠河流域、裕溪河流域、白石天河流域、柘皋河流域林地平均坡度高，巢湖流域西南部的杭埠河流域雨量充沛，夏季多暴雨，降雨量充足。雨水沖刷陡峭山體導(dǎo)致林地水土流失嚴(yán)重，產(chǎn)沙增加，磷與泥沙親和力強(qiáng)，磷循環(huán)的主要通道是河流，主要載體是泥沙[49]，該自然條件給磷輸送提供契機(jī)，這是造成模式一的重要原因。杭埠河流域肥西縣林地坡度較低，為5.7°，遠(yuǎn)小于該流域其他縣（市），地勢(shì)平緩，水土流失不明顯，減少了顆粒態(tài)磷流失。杭埠河流域除肥西縣外其他縣坡度較高，林地顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)均較高，整個(gè)流域高達(dá)1.026 t·km-2·a-1。杭埠河流域岳西縣、霍山縣耕地坡度較高，平均值分別為6.4°、8.6°。有學(xué)者指出，坡度在8°～25°的地區(qū)土地開(kāi)墾率較高，人類活動(dòng)頻繁，是水土流失的主要區(qū)域[50-51]。一旦為發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)行耕地陡坡開(kāi)荒，人為改變土地利用結(jié)構(gòu)則導(dǎo)致耕地水土流失嚴(yán)重，加之農(nóng)藥化肥等耕地常見(jiàn)污染源侵害，簡(jiǎn)單粗放的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)模式和不合理的資源利用方式使得兩地的耕地顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)比林地大，這是造成模式三的主要原因。其余縣（市）耕地及建設(shè)用地坡度都較低，水土流失較林地弱。

大別山區(qū)、肥東雙山組存在含磷地層，有磷礦分布，采礦過(guò)程導(dǎo)致富磷地質(zhì)巖層大規(guī)模出露，并通過(guò)風(fēng)化、暴雨沖刷等污染周邊地區(qū)[52]。有研究指出，地勢(shì)起伏比較大的山區(qū)，風(fēng)化后的產(chǎn)物在外力的作用下容易被剝蝕而使其基巖裸露，從而使風(fēng)化速度加快，雙山組磷流失情況嚴(yán)重，流失量大[53]。杭埠河流域舒城縣林地顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)達(dá)到1.11 t·km-2·a-1。南淝河流域肥東縣林地顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)為0.23 t·km-2·a-1，高于該流域其他縣（市）的各個(gè)地類，這是造成模式一的又一原因。

屬于生態(tài)交錯(cuò)帶的大別山北坡生態(tài)環(huán)境極其脆弱，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，水土流失比較嚴(yán)重[54]，這也是杭埠河流域舒城縣形成模式一的重要原因之一。

2.4.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素是造成模式二和模式四的重要原因

二級(jí)流域中除杭埠河流域、裕溪河流域平均坡度較高，分別為6.87°和4.14°，其他流域坡度較小，均在1.24°～3.30°之間，而這兩個(gè)流域除岳西縣、霍山縣、舒城縣、巢湖市較高外，其他縣（市）均較低。因此，為排除地形對(duì)經(jīng)濟(jì)的干擾，計(jì)算得到除上述4個(gè)縣（市）外其他縣（市）的人均GDP與顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.872，呈高度負(fù)相關(guān)，如圖8。南淝河流域合肥市、長(zhǎng)豐縣，派河流域肥西縣顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)均較低。這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，環(huán)境綜合治理實(shí)力較經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)強(qiáng)，人口素質(zhì)較高，環(huán)境保護(hù)意識(shí)較強(qiáng)，耕地和建設(shè)用地顆粒態(tài)磷流失也遠(yuǎn)低于其他經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)。地勢(shì)平緩，林地又能在一定程度上起到水土保持作用，使得這些地區(qū)的林地負(fù)荷較低，這是造成模式四的重要原因。

圖6 巢湖流域坡度圖Figure 6 Slope map of Chaohu Basin

圖7 巢湖流域降水分布圖Figure 7 Precipitation distribution of Chaohu Basin

表5 4種模式在二級(jí)流域內(nèi)對(duì)應(yīng)的縣（市）Table 5 Four modes correspond to counties within sub-basins

巢湖流域中部和北部為沖擊平原和崗沖地，地勢(shì)平坦，土壤肥沃，有利于耕地開(kāi)墾及糧食生產(chǎn)，農(nóng)田化肥及農(nóng)藥不合理施用、污水灌溉、地膜污染、秸稈遺棄等都導(dǎo)致耕地土壤磷含量上升[55-58]，高于其他地類。烔煬河流域巢湖市和肥東縣耕地顆粒態(tài)磷流失較高，而林地稍低于耕地，這與兩地林地坡度稍高，且與磷礦少量分布也有關(guān)系，這是形成模式四的另一原因。

和縣經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，耕地面積占83.96%，顆粒態(tài)磷流失較嚴(yán)重。2016年安徽省統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)表明，巢湖流域所在縣每縣平均每年農(nóng)用塑料薄膜使用量為1503 t，和縣使用量達(dá)到2338 t；每縣平均每年農(nóng)藥使用量為833 t，和縣使用量達(dá)到963 t，在巢湖流域內(nèi)屬于較高水平。另外，農(nóng)戶生活垃圾和生活污水缺少集中化處理，使得農(nóng)村居民點(diǎn)等建設(shè)用地的面源污染較嚴(yán)重[59]。林地坡度僅3.9°，相對(duì)于耕地來(lái)說(shuō)，林地落葉層可減少雨水對(duì)土壤的沖刷，對(duì)水土保持具有一定作用，水土流失較輕，林地面源污染小，這是造成模式四的又一原因。

裕溪河流域巢湖市自然資源豐富，輕工、化肥、磚瓦等廠礦企業(yè)眾多，建設(shè)用地面積比例高于流域內(nèi)其他縣（市）。城市不透水面積的增加，使地表徑流污染物的濃度提高，也間接增加了徑流量，使得面源污染輸出量增加。同時(shí)，該市畜禽養(yǎng)殖規(guī)模較大，有研究表明，巢湖市天河街道的畜禽糞便土地負(fù)荷警報(bào)值高達(dá)2，遠(yuǎn)高于全國(guó)警報(bào)值0.49，即畜禽糞便已對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成了較大威脅[60]。這解釋了該市建設(shè)用地顆粒態(tài)磷負(fù)荷較耕地高，即模式二的成因。

由于數(shù)據(jù)獲取困難，本文僅利用模型估算得到面源顆粒態(tài)磷載荷，對(duì)顆粒態(tài)磷在流域上的輸移缺少定量的描述與估算。因此，有待進(jìn)一步深入研究從而更好地揭示巢湖流域非點(diǎn)源污染的影響機(jī)理。

3 結(jié)論

（1）巢湖流域顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)均值為0.308 t·km-2·a-1。杭埠河流域高達(dá) 0.542 t·km-2·a-1，其他流域都在均值以下，派河流域最低，為0.104 t·km-2·a-1。

（2）巢湖流域西南部顆粒態(tài)磷負(fù)荷較大，高值區(qū)主要集中于岳西縣、霍山縣、舒城縣，其中，岳西縣顆粒態(tài)磷負(fù)荷均值高達(dá)1.843 t·km-2·a-1；巢湖流域西北部顆粒態(tài)磷負(fù)荷較小，低值區(qū)包括合肥市、肥西縣、長(zhǎng)豐縣，合肥市低至0.103 t·km-2·a-1。

（3）巢湖流域顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)林地＞耕地＞建設(shè)用地，受坡度和降水影響較大。降雨量充足，雨水沖刷坡度較大的山體導(dǎo)致林地水土流失嚴(yán)重、產(chǎn)沙增加；磷礦的分布增加了磷背景值。

圖8 各縣（市）人均GDP與顆粒態(tài)磷負(fù)荷模數(shù)的關(guān)系Figure 8 Relationship between per capita GDP and particulate phosphorus loading modulus in counties

致謝：感謝國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)-國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)-湖泊—流域科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//lake.geoda?ta.cn）提供數(shù)據(jù)支撐。感謝國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“華東區(qū)2015年30米分辨率土地覆被數(shù)據(jù)生產(chǎn)（2016YFC0500201-05）”提供的土地利用數(shù)據(jù)支持。