農(nóng)業(yè)小流域土地利用格局變化對氮素輸出的影響

賈海燕 徐建鋒 李海燕 胡玉法

摘要：流域土地利用格局對農(nóng)業(yè)非點源污染氮素輸出具有重要的影響。以丹江口庫區(qū)胡家山小流域為研究對象，分析2008～2016年土地利用類型變化對流域總氮輸出的影響，以期為丹江口庫區(qū)生態(tài)清潔小流域建設(shè)提供參考。結(jié)果表明：2008～2016年，流域出口處總氮年平均濃度從5.13±4.2 mg/L降低為2.06±0.62mg/L;總氮輸出負荷由49 025 kg/a降低至21 578 kg/a，總氮輸出負荷減少56.0%。對比分析流域生態(tài)治理工程實施情況，發(fā)現(xiàn)坡改梯、退耕還林等水土保持治理與植被恢復(fù)措施在有效控制水土流失的同時，還在減少流域氮素輸出中發(fā)揮了重要作用。經(jīng)相關(guān)分析，流域內(nèi)林地、耕地、居民地的空間分布格局對流域氮素輸出均有影響，其中100 m河岸帶范圍為流域總氮負荷輸出的主要區(qū)域。有效控制胡家山小流域100 m河岸帶尺度的氮素流失，可顯著降低流域總氮輸出負荷。

關(guān)鍵詞：土地利用格局; 總氮負荷; AnnAGNPS模型; 回歸模型; 胡家山小流域

中圖法分類號：X52文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.005

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，面源污染逐漸成為水環(huán)境的重要影響內(nèi)容，是水質(zhì)控制和水環(huán)境管理的關(guān)鍵[1]。氮素流失是許多河流水質(zhì)下降的重要原因[2]，因氮污染來源復(fù)雜、轉(zhuǎn)化傳輸途徑多樣，成為面源污染控制的重要指標[3]。小流域是河流的源頭，其徑流攜帶的養(yǎng)分會造成河流水質(zhì)惡化或富營養(yǎng)化，因此以小流域為單元，控制氮素污染輸出逐漸成為管理研究的重點[4]。然而，氮素流失不僅受地形、地貌、土壤、降雨等因素的影響，也受人類活動的控制，大量研究表明氮素污染輸出與土地利用密切相關(guān)[5]，小流域土地利用結(jié)構(gòu)可綜合反映流域自然特征和農(nóng)業(yè)活動影響，因此定量分析小流域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)變化對氮素流失的控制效果，對提高流域管理模式具有十分重要的意義。

丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程的水源地，為了保護水庫水質(zhì)，國家從2007年開始實施了丹江口庫區(qū)及上游水污染和水土保護項目[6]。近10 a來，各項治理措施通過改變小流域土地利用結(jié)構(gòu)的方式逐步呈現(xiàn)，尤其是退耕還林、坡改梯、植被恢復(fù)等生態(tài)防護工程[7]。同時，土地種植模式也有所改變，出現(xiàn)了集約化種植方式等。胡家山小流域是丹江口庫區(qū)流域綜合整治和清潔小流域建設(shè)的示范小流域，多年來一直開展連續(xù)治理與科學(xué)觀測。本次研究選擇胡家山小流域，通過對小流域氮素輸出濃度的連續(xù)定點觀測，定量分析2008～2016年以來土地利用結(jié)構(gòu)變化對總氮輸出的影響研究，以期為丹江口庫區(qū)流域結(jié)構(gòu)調(diào)整、面源污染控制和生態(tài)清潔流域建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)域與研究方法

1.1研究區(qū)概況

胡家山小流域位于湖北省丹江口市漢江以北習(xí)家店鎮(zhèn)和嵩坪鎮(zhèn)（111°12′22″E～111°15′20.5″E，32°44′17.8″N～32°49′15.6″N），面積23.96 km?屬于漢江二級小支流，從北向南匯入丹江口水庫，其地理位置如圖1所示。胡家山小流域多年平均氣溫16.1℃，無霜期250 d，相對濕度一般為75%，蒸發(fā)量1 600 mm左右，年均降雨量797.6 mm，多年最大降雨量1 360.6 mm，多年最小降雨量503.5 mm，降雨主要集中在汛期，5～10月占全年降雨量的84.5%，降雨強度大、集中、徑流匯集時間短。土地利用類型以林地、旱地和居民地為主，主要經(jīng)濟作物是油菜、小麥、玉米等。其流域資源利用和耕作制度，在鄂西北地區(qū)具有典型代表性。

1.2子流域劃分與水質(zhì)監(jiān)測

以2008年和2013年的中國資源二號衛(wèi)星（全色波段，分辨率為3m）和1∶10 000地形圖為基礎(chǔ)分析數(shù)據(jù)，在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，參照《全國土地分類》方法，結(jié)合流域?qū)嶋H情況將流域土地利用類型分為耕地、林地、水體、荒草地、居民地等5類。根據(jù)胡家山小流域地理條件、水文和土地利用特征，利用ArcGIS的水文分析模塊，將流域分成15個子流域。因胡家山小流域治理工程于2008年基本全部完成，之后土地利用結(jié)構(gòu)無調(diào)整，據(jù)此基于流域DEM，運用ArcGIS的空間分析模塊，提取、分析各子流域的土地利用結(jié)構(gòu)。計算得到2008年和2013年子流域內(nèi)各類土地利用類型面積（見圖2），分別代表工程治理前和工程治理后的土地利用結(jié)構(gòu)。

丹江口庫區(qū)5～10月為豐水期;11，12月至次年1～4月為枯水期，2008～2016年胡家山小流域日降雨量小于10 mm的小雨占全年次降雨比例變幅為60.3%～92.5%。胡家山小流域2008，2013年和2016年次降雨數(shù)據(jù)見圖3，2008年年降雨量為587.0 mm，2013年為524.6 mm，2016年為730.3 mm。

在每一個子流域出口處設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測點，表征每個監(jiān)測斷面上游的集水區(qū)域，出口監(jiān)測反映匯流的最終產(chǎn)出[8]。從2008年開始監(jiān)測，每個監(jiān)測斷面每月采集水樣2次，每次每點取樣1 000 mL，用聚乙烯塑料瓶密封帶回野外實驗室，在24 h內(nèi)對樣品進行分析，總氮濃度采用過硫酸鉀-紫外分光光度法測定[9]。

1.3數(shù)據(jù)分析

AnnAGNPS是USDA-ARS 與自然資源保護局（NRCS）共同研發(fā)的一個流域評價工具，它是針對農(nóng)業(yè)流域?qū)芾泶胧┑捻憫?yīng)而設(shè)計的基于連續(xù)事件的分布式模型[10]。本次利用AnnAGNPS對流域內(nèi)地表徑流、氮素、泥沙量的輸出負荷進行模擬。研究中采用一致性指數(shù)（d）、絕對誤差（e）、相對誤差（f）3個指標衡量模型總體率定效果，以評估AnnANGPS模型的適用性。計算公式如下

d=1-ni=1（|Oi-Si|）ni=1（|Oi-O|+|Si-S|）?2（1）

e=ni=1|Oi-Si|n（2）

f=ni=1|Oi-Si|Sin×100%（3）

式中，Oi為實測值，Si為模擬值，O為實測平均值，S為模擬平均值，n為實測值或模擬值的個數(shù)。

根據(jù)AnnAGNPS模型模擬結(jié)果，運用SPSS軟件分析不同土地利用和氮元素的相關(guān)性，觀察回歸分析中影響因子（Impact Factor， IF）回歸系數(shù)的變化趨勢[11];ArcGIS10.0主要用于制圖和對各集水區(qū)數(shù)據(jù)輸出[12]。

空間滯后回歸分析主要用來量化分析各土地利用對總氮的影響程度[13]。空間滯后模型是回歸模型的擴展。該模型考慮了空間單元上的因變量觀測值依賴于其相鄰區(qū)域的觀測值的情形?？臻g滯后模型的一般形式，即一階空間回歸（SAR）混合模型，如下所示

yi=ρnj=1Wijyi+Qq=1Xiqβq+εi（4）

式中，誤差項εi是獨立同分布的，Wij是空間權(quán)重矩陣Wn×n的第（i，j）個元素，用矩陣形式表示，模型可以寫成

y=ρWy+Xβ+ε（5）

ε～N（0，σ?2I）（6）

式中，X是Q解釋變量的n組觀測值形成的n×Q矩陣，W是按行標準化的空間權(quán)重矩陣，Wy為空間滯后變量，參數(shù)ρ反映了空間鄰接單元對于因變量的解釋程度，β則反映了解釋變量X對于因變量y變化的影響。

2結(jié)果與分析

2.1流域水土保持措施實施情況與土地利用變化

胡家山小流域?qū)佟暗ぶ巍币黄诠こ趟帘３中×饔?，涉及?xí)家店鎮(zhèn)五龍池、板橋、朱家院、行陡坡和蒿坪鎮(zhèn)王家?guī)X5個行政村。2008年實施流域綜合治理前，流域內(nèi)輕度以上水土流失面積19.86 km?水環(huán)境主要問題為坡耕地種植面積較大，其中大于5°的坡耕地603.27 hm?2（9 049畝），且耕地以種糧為主，施肥強度大，污染嚴重。截止2008年，流域水土保持綜合治理基本完成，主要實施的工程措施包括坡改梯、退耕還林、生態(tài)修復(fù)等措施;針對農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖，開展了廁所改造和沼氣池建設(shè)等，工程措施具體分布見圖4和表1。

胡家山小流域2008年與2013年土地利用分布見圖2。2008年流域林地、耕地和居民地分別占流域總面積49.8%，46.0%和2.1%。2013年林地、耕地和居民地分別占流域總面積53.3%，42.2%和2.3%。自2008年流域?qū)嵤┧帘３志C合治理后，流域耕地面積減少3.8%，林地面積增加3.7%，居民地用地增加0.2%。15個子流域土地利用格局變化見表2，其中耕地明顯減少，林地占比增加的子流域主要分布在1，2，3，4，5，8子流域，多位于胡家山小流域北部。

2.2總氮輸出濃度特征

2008～2016年胡家山小流域出口處總氮濃度枯、豐水期變化如圖5所示。2008～2016年，流域出口處總氮年平均濃度從5.13±4.2 mg/L降低為2.06±0.62 mg/L。較2008年工程建成初期相比，各子流域總氮濃度值削減率變幅在22.48%～81.95%，其中位于上游的1，2，3，4，5，6號子流域總氮輸出濃度下降幅度較大，該區(qū)域水土流失較為普遍，對照流域生態(tài)措施實施情況，工程措施以退耕還經(jīng)濟林、自然封育和荒山補植等措施為主，可見植被修復(fù)措施對于流域上游總氮輸出的控制效果較為明顯（見圖6）。流域中部生態(tài)修復(fù)措施仍以退耕還經(jīng)濟林、自然封育和荒山補植措施為主， 4，5，11和14號子流域林地總面積由3.76 km?2增加至3.94 km?耕地面積由2.84 km?2減少至2.65 km?各子流域的總氮輸出濃度下降幅度仍相對較高。與之相比，流域下游7，8，9，12，13號子流域總氮輸出濃度的減少幅度相對較低，為22.48%～42.56%，其中12和13號子流域2016年年均總氮輸出濃度仍維持在4.0 mg/L以上。該區(qū)域采取的生態(tài)修復(fù)措施以坡改梯、植物護埂、塘堰改造、沼氣池等措施為主，已實施的措施不僅包括了水土流失治理措施，也包括居民生活污水與養(yǎng)殖廢棄物的處置措施[14];從土地利用結(jié)構(gòu)分析，流域下游是農(nóng)業(yè)活動較為頻繁的區(qū)域，耕地與居民地較為集中，目前以減少水土流失為主的生態(tài)治理工程已全部覆蓋，但總氮輸出濃度仍相對較高。下游子流域的農(nóng)村居民活動較為突出，農(nóng)村污水的收集有限，可能是總氮輸出濃度的主要影響因素。

2.3流域土地利用格局與總氮濃度相關(guān)分析

將流域水體水質(zhì)總氮濃度作為因變量，流域和100 m岸邊帶范圍耕地、林地、居民地等面積、高程等主要影響因子作為自變量進行空間回歸分析，結(jié)果見表3。R?2值反映的是該模型在各子流域?qū)σ蜃兞靠偟獫舛鹊慕忉屇芰?。在枯水期，R?2值最大的是在整個流域尺度，其解釋能力為86%。在豐水期，100 m岸邊帶范圍模型的解釋能力大于流域尺度，其R?2值為88%，說明在豐水期，100 m范圍的土地利用對河流總氮濃度的影響大于流域范圍。

根據(jù)模型分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，土地利用、地形等都是影響河流總氮濃度的主要原因。在土地利用類型與總氮輸出濃度的相關(guān)性研究中，耕地一直是河流總氮的主要來源，耕地所占比例越高，其對河流水體中總氮的影響越大[15-16]。本次相關(guān)性分析結(jié)果同樣表現(xiàn)為耕地與河流總氮輸出呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性[17]。林地對氮濃度起到消減作用，在豐水期可以減少降雨徑流對土壤的侵蝕程度，降低進入河流的氮濃度。除外，居民地與總氮濃度也密切相關(guān)。盡管居民地在各子流域所占比例較低，但因多距離河道較近，作為模型第二解釋變量，其對河流中總氮濃度的影響不可忽視。

2.4流域總氮負荷輸出時空分布

徑流模擬的結(jié)果優(yōu)劣直接影響到后續(xù)污染物輸出模擬的準確性。研究中利用研究區(qū)五龍池集水區(qū)卡口站觀測數(shù)據(jù)，以2008年6次降雨徑流過程所觀測的徑流量和總氮輸出量作為模型率定與驗證依據(jù)。其中，2008年6月8日、7月19日和8月23日的3次降雨徑流觀測數(shù)據(jù)用于模型校準率定，2008年8月25日、9月5日和9月11日的3次降雨徑流觀測數(shù)據(jù)用于模型驗證。模擬結(jié)果一致性指數(shù)（d）、絕對誤差（e）、相對誤差（f）計算結(jié)果如表4所示。驗證結(jié)果表明徑流量和總氮模擬結(jié)果較好，一致性指數(shù)較大。

利用AnnAGNPS模型模擬流域輸出負荷分布見圖7。2008年胡家山小流域總氮輸出總負荷為49 025 kg/a，單位輸出負荷為21.8 kg/（hm?2·a），其中2，5，11號子流域貢獻了總負荷的40%以上。2013年胡家山小流域總氮輸出負荷為29 598 kg/a，單位輸出負荷為13.2 kg/（hm?2·a）。2016年流域總氮輸出負荷降低為21 578 kg/a，單位輸出負荷為9.6 kg/（hm?2·a）?？傮w而言，流域總氮輸出負荷在逐漸減少，坡改梯、退耕還林等生態(tài)修復(fù)措施實施對削減流域總氮負荷輸出具有明顯的作用。

在100 m河岸帶尺度上，2008年總氮輸出負荷為21 436 kg/a，占同期流域總輸出負荷的43.7%，2013年100 m河岸帶尺度總氮輸出負荷減少為12 639kg/a，而2016年為8 533 kg/a，與2008年同尺度相比，2016年100 m河岸帶總氮輸出負荷降低了60.2%，其中以耕地和居民地為主要土地利用類型的子流域，總氮輸出負荷占子流域總輸出負荷的50%以上，說明100m河岸帶范圍為流域總氮負荷輸出的主要區(qū)域。有效控制胡家山小流域100 m河岸帶尺度的氮素流失，可顯著降低流域總氮輸出負荷[18]。

3結(jié)論與建議

胡家山小流域?qū)佟暗ぶ巍币黄诠こ讨攸c治理的首批水土保持小流域，截止2008年該流域內(nèi)相關(guān)水土保持措施基本全部實施完成。根據(jù)流域水質(zhì)系列觀測，2008～2016年，流域出口處總氮年平均濃度從5.13±4.2 mg/L降低為2.06±0.62 mg/L;總氮輸出負荷由49 025.3 kg/a降低至21 578.5 kg/a。較2008年工程建成初期相比，各子流域總氮濃度值削減率變幅在22.48%～81.95%，其中位于上游的子流域總氮輸出濃度下降幅度較大，以退耕還經(jīng)濟林、自然封育和荒山補植等為主的水土保持措施，對流域上游總氮輸出的控制效果較為明顯;與之相比，流域下游各子流域總氮輸出濃度的減少幅度相對較低，為22.48%～42.56%，其中12和13號子流域在水土流失治理措施全部覆蓋的情況下，總氮輸出濃度仍相對較高，2016年年均總氮輸出濃度仍維持在4.0 mg/L以上。經(jīng)相關(guān)分析，流域內(nèi)林地、耕地、居民地的空間分布格局對流域氮素輸出均有影響，其中100 m河岸帶范圍為流域總氮負荷輸出的主要區(qū)域。有效控制胡家山小流域100 m河岸帶尺度的氮素流失，可顯著降低流域總氮輸出負荷。盡管居民地在流域所占比例較低，但因距離河道較近，其對河流總氮輸出的影響不可忽視。

丹江口庫區(qū)及上游水污染和水土保護項目從2007年開始實施，經(jīng)過近10 a的相關(guān)治理已在逐步發(fā)揮作用。通過對丹江口庫區(qū)典型小流域生態(tài)修復(fù)治理措施對流域總氮輸出的控制效果分析，可以看到水土流失治理和面源污染控制的效果均十分明顯。目前胡家山小流域總氮的輸出濃度仍維持在2.0 mg/L左右，與丹江口水源地水質(zhì)管理目標相比仍有一定差距。建議從綠色農(nóng)業(yè)、農(nóng)村生活污水分散處置等方面，進一步探討削減丹江口庫區(qū)小流域氮素輸出技術(shù)措施。

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引用本文：賈海燕，徐建鋒，李海燕，胡玉法.農(nóng)業(yè)小流域土地利用格局變化對氮素輸出的影響——以丹江口庫區(qū)胡家山小流域為例[J].人民長江，2019，50（2）：24-29.

Effects of land use pattern change on nitrogen export of Hujiashan Watershed in Danjiangkou Reservoir Area

JIA Haiyan?XU Jianfeng?LI Haiyan?HU Yufa?3

（1.Changjiang Water Resources Protection Research Institute， Wuhan 430051， China;2. Danjiangkou Water Affairs Bureau， Danjiangkoui 442700， China;3. Bureau of Soil and Water Conversation， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430010， China）

Abstract： Land use pattern has important effects on nitrogen output from agricultural non-point source pollution. Taking Hujiashan watershed in Danjiangkou reservoir area as the research object， this paper analyzed the influence of land use pattern change on the total nitrogen output of the basin from 2008 to 2016 to provide reference for the construction of ecological clean watershed in Danjiangkou reservoir area. The results showed that the annual average TN concentration at the outlet of Hujiashan watershed declined from 5.13±4.2mg/L to 2.06±0.62mg/L during 2008～2016; TN output load of the watershed decreased from 49025kg/a to 21578kg/a， reduced by 56%. By comparing and analyzing the implementation of watershed ecological control project in Hujiashan watershed， it showed that the soil and water conservation and vegetation restoration measures， such as conversion of slope-to-terrace and returning farmland to forest， played an important role in effectively controlling soil and water loss and reducing nitrogen output in watershed. Correlation analysis showed that the spatial distribution pattern of forest land， farmland and residential land all had impacts on nitrogen output in the watershed， and ?100m riparian zone was the main area of total nitrogen output in the watershed. Effective control of nitrogen loss in 100m riparian zone of the watershed can significantly reduce total nitrogen output load of the whole watershed.

Key words：land use pattern; total nitrogen load; AnnAGNPS model; regression mode; Hujiashan watershed