阿什河流域氮磷輸出負(fù)荷及其與下墊面特征的關(guān)系研究

高曉曦，左德鵬，馬廣文，徐宗學(xué)，李佩君

(1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院 城市水循環(huán)與海綿城市技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875;2.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站 國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012)

水是人類賴以生存的自然資源，水質(zhì)好壞對(duì)人類生產(chǎn)生活至關(guān)重要。隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)水資源的需求日益增加，而工業(yè)廢水、生活污水亂排亂放，農(nóng)藥化肥肆意使用，使不同地區(qū)水資源及水生態(tài)環(huán)境均遭受到不同程度的污染和破壞，環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，其中水環(huán)境問(wèn)題尤其突出。

為解決這一問(wèn)題，世界上許多國(guó)家最初都在點(diǎn)源污染防治上投入了大量人力和物力。但把水環(huán)境安全僅僅寄托在點(diǎn)源污染防治上，并不能從根本上解決問(wèn)題[1,2]。越來(lái)越多國(guó)家逐漸開(kāi)始關(guān)心非點(diǎn)源污染在水環(huán)境污染方面所扮演的角色。美國(guó)環(huán)保局2003年調(diào)查結(jié)果顯示，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染是美國(guó)河流和湖泊污染的最大污染源，是造成40%河流和湖泊水體水質(zhì)變差、地下水體污染和濕地退化的主要原因[3]；歐洲國(guó)家農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染也是造成水體，尤其是地下水污染和地表水磷富集的主要原因，其中由農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源排放所造成污染占地表水污染總負(fù)荷的24%～71%[4]；我國(guó)大量研究結(jié)果同樣表明[5,6]，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染在非點(diǎn)源污染中占決定性作用。土壤中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在降水沖刷和泥沙攜帶作用下進(jìn)入河道，造成水生態(tài)環(huán)境惡化[7,8]。農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染形成過(guò)程隨機(jī)性大、影響因子復(fù)雜多樣，其分布范圍廣、潛伏周期長(zhǎng)等特點(diǎn)導(dǎo)致研究和控制非點(diǎn)源污染難度較大[5,9]。

阿什河是松花江干流南岸支流，位于黑龍江省南部。近些年來(lái)，隨著該地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)和糧食產(chǎn)量不斷增加，流域水體污染愈發(fā)嚴(yán)重，已經(jīng)被《松花江流域水污染防治“十二五”規(guī)劃》列為“哈爾濱市污染最為嚴(yán)重的河流”[10]。隨著阿什河流域點(diǎn)源污染治理的穩(wěn)步推進(jìn)，非點(diǎn)源污染所引發(fā)的問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)。阿什河流域是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地之一，化肥農(nóng)藥用量高，施用方式不合理，造成河水污染負(fù)荷較高。流域面臨的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)壓力和非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)，使得開(kāi)展非點(diǎn)源污染研究迫在眉睫。

基于以上背景，本研究通過(guò)在阿什河流域構(gòu)建SWAT模型，在水文相應(yīng)單元尺度上分析了該地區(qū)的總磷、總氮的空間分布特征，重點(diǎn)分析了不同土地利用類型、不同土壤類型、不同坡度等下墊面特征上氮磷輸出負(fù)荷的變化規(guī)律，以期為阿什河流域非點(diǎn)源污染控制和土地管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

阿什河位于黑龍江省哈爾濱市轄區(qū)內(nèi)(126°40′E～127°43′E，45°05′N～45°50′N)，屬于松花江上游右岸一級(jí)支流。阿什河發(fā)源于尚志蜜蜂山，流經(jīng)尚志、五常、阿城和哈爾濱等區(qū)縣，于哈爾濱市東郊注入松花江[11]。流域面積3 545 km2，河流全長(zhǎng)257 km。流域內(nèi)地形起伏不大，上游以山地為主，中下游主要是平原和丘陵。阿什河流域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，具體表現(xiàn)為春季干燥多風(fēng)，夏季降水集中，秋季降溫迅速，冬季干旱漫長(zhǎng)[12]。流域年內(nèi)降水量分布不均，多年平均降水量565 mm，但6-9月降水占全年降水量的77%左右[13]。阿什河屬山溪性河流，主要以降水補(bǔ)給為主，融雪和地下水補(bǔ)給為輔。流域內(nèi)徑流流量與地勢(shì)高程呈正相關(guān)，上游地勢(shì)高，降水量量大，徑流量相應(yīng)較大；而下游地勢(shì)較低，降雨較少，使得徑流量也相對(duì)較少[14]。阿什河流域是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，流域內(nèi)主要農(nóng)作物有水稻、玉米和大豆，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大量施用化肥、農(nóng)藥所造成的非點(diǎn)源污染，導(dǎo)致阿什河阿城以下河段水質(zhì)污染嚴(yán)重[15]。研究區(qū)地理位置如圖1所示。

圖1 阿什河流域位置示意圖Fig.1 The location of the Ashi River basin

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括地理空間數(shù)據(jù)云提供的90 m DEM高程數(shù)據(jù)、中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的1∶10萬(wàn)土地利用柵格數(shù)據(jù)、1∶100萬(wàn)土壤矢量數(shù)據(jù)集以及1∶25萬(wàn)河網(wǎng)圖，采用的這些基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量檢查，數(shù)據(jù)質(zhì)量較為可靠，且這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)已被廣泛應(yīng)用于水文模型建模中[16-18]，具有一定的代表性。采用SWAT模型中國(guó)大氣同化驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集(CMADS V1.0)以及中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)氣象資料作為模型的氣象驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)。水文資料及水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別來(lái)源于水利部阿城水文站和哈爾濱市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，時(shí)間序列長(zhǎng)度為2010-2015年。研究區(qū)農(nóng)業(yè)用地的化肥、農(nóng)藥施用量是根據(jù)哈爾濱統(tǒng)計(jì)年鑒以及根據(jù)實(shí)際情況折算得到。由于阿什河產(chǎn)沙量較低，該流域沒(méi)有進(jìn)行泥沙監(jiān)測(cè)；選取的水質(zhì)指標(biāo)總氮總磷只有8個(gè)月的例行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間為1月、2月及5-10月。

2.2 研究方法

2.2.1 SWAT模型介紹

SWAT模型是由美國(guó)農(nóng)業(yè)研究部農(nóng)業(yè)研究中心開(kāi)發(fā)、具有很強(qiáng)物理機(jī)制的分布式水文模型。模型根據(jù)流域高程將流域劃分為若干子流域，每一個(gè)子流域根據(jù)土地利用、土壤、坡度的不同進(jìn)一步劃分為不同的水文響應(yīng)單元(HRU)。模型可用于模擬地表水和地下水水質(zhì)水量、預(yù)測(cè)土地管理措施對(duì)不同土壤類型、土地利用方式和管理?xiàng)l件的大面積復(fù)雜流域的水文、泥沙和農(nóng)業(yè)污染物的影響[19]。

SWAT模型的水文模擬主要是基于水量平衡，其水文循環(huán)基于的水量平衡方程為[20]：

(1)

式中:SWt為土壤最終含水量；SW0為土壤初始含水量；t為時(shí)間；Rd為第i天降水量；Qsurf為第i天地表徑流；Ea為第i天蒸發(fā)量；Wseep為第i天土壤剖面底層的滲透量和測(cè)流量；Qgw為第i天的地下水出流量。

SWAT模型采用修正的MULSE方程來(lái)模擬土壤侵蝕過(guò)程。修正的MULSE方程用徑流因子代替降水動(dòng)能，可清楚地分離和輸送泥沙的能量，并可用于單次暴雨事件。具體公式[20]為：

Y=11.8(Qpr)0.56KUSLECUSLEPUSLELSUSLECFRG

(2)

式中：Y為土壤侵蝕量，t；Q為地表徑流，mm；pr為洪峰徑流，m3/s；KUSLE為土壤侵蝕因子；CUSLE為植被覆蓋和作物管理因子；PUSLE為保持措施因子；LSUSLE為地形因子；CFRG為粗碎快土壤成分計(jì)算因子。

土壤中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物隨地表徑流和泥沙輸移進(jìn)入河道，而附著在泥沙上的營(yíng)養(yǎng)物隨泥沙進(jìn)入地表徑流的量為[21]：

(3)

式中：N0為隨泥沙進(jìn)入地表徑流的營(yíng)養(yǎng)物量；C0為地表10 mm土層中有機(jī)物濃度；Y為模擬步長(zhǎng)內(nèi)的泥沙產(chǎn)量；An為HRU面積；εN營(yíng)養(yǎng)物富集系數(shù)。

而隨地表徑流進(jìn)入主河道的營(yíng)養(yǎng)物量表示為[21]：

(4)

2.2.2 適用性評(píng)價(jià)

SWAT涉及的目標(biāo)函數(shù)類型一共有9種，本文采用目前國(guó)內(nèi)外常用的兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)—決定系數(shù)(R2)和納什效率系數(shù)[22](ENS)作為參數(shù)優(yōu)化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其表達(dá)式如下所示：

(5)

(6)

其中R2表征模擬值和實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)的一致性，R2越接近于1，表示兩者的擬合程度越高；ENS表示實(shí)測(cè)值和模擬值的偏離程度，ENS越接近于1表示偏離程度越小。當(dāng)ENS≤0.36時(shí)，認(rèn)為模擬效果不好；當(dāng)0.36≤ENS<0.75時(shí)表示模擬效果令人滿意；當(dāng)ENS≥0.75時(shí)，認(rèn)為模擬效果好[23]。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型構(gòu)建

阿什河流域上游地形起伏較大，主要為山區(qū)，下游為適合農(nóng)業(yè)耕種及居住的平原地帶。由于平原區(qū)地形起伏不大，直接采用D8算法容易使得柵格水流流向一致而生成不合理的平行偽河道[24]。為了減少這種誤差，采用Burn in算法導(dǎo)入流域?qū)嶋H數(shù)字水系圖加以修正?；诎⑹埠恿饔?0 m分辨率DEM高程數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)置集水區(qū)閾值2 500 hm2，將流域劃分為89個(gè)子流域。通過(guò)對(duì)研究區(qū)土地利用類型進(jìn)行重分類和編碼，將研究區(qū)劃分為包括森林(FRSD)、灌叢(RNGB)、草地(PAST)、水田(RICE)等10種土地利用類型，詳細(xì)的研究區(qū)土地利用見(jiàn)圖5(a)?；谥袊?guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)，查詢和計(jì)算研究區(qū)內(nèi)各類土壤的相關(guān)屬性參數(shù)，研究區(qū)具體的土壤類型可見(jiàn)圖5(b)。根據(jù)劃分得到各子流域內(nèi)土地利用、土壤類型及坡度范圍，最終將研究區(qū)劃分為1 255個(gè)水文響應(yīng)單元(HRUs)。

3.2 模型適用性分析

基于SWAT模型，根據(jù)阿什河流域地理信息數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行研究區(qū)模型構(gòu)建，使用SUFI-2算法對(duì)模型水量和水質(zhì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行率定。阿什河含沙量較少，該流域并沒(méi)有進(jìn)行泥沙方面的監(jiān)測(cè)，考慮到一部分磷的流失主要是與泥沙的輸移有關(guān)，因此在實(shí)際總磷參數(shù)的率定過(guò)程中，將泥沙參數(shù)和總磷參數(shù)統(tǒng)一率定。率定的總體原則是先進(jìn)行水量參數(shù)的率定，然后再分別對(duì)總氮和總磷進(jìn)行率定。本研究選取2008-2009年作為模型預(yù)熱期，以降低初始條件的影響，尤其是初始土壤水的影響，但其模擬結(jié)果不參與模型評(píng)價(jià)，將2010-2013年作為率定期，2014、2015作為驗(yàn)證期。阿城站月徑流、總氮、總磷在率定期和驗(yàn)證期的模擬效果如圖2所示。模型適用性評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果如表1所示。

從圖2可知，在率定期和驗(yàn)證期，月徑流模擬效果總體較總氮、總磷要好，月徑流納什效率系數(shù)(ENS)在率定期和驗(yàn)證期分別為0.70和0.67，確定系數(shù)(R2)則分別為0.62和0.60，擬合效果較好?？偭椎哪M值和實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)較為吻合，其中在2012年份出現(xiàn)一定的偏差，但月總磷納什效率(ENS)在率定期和驗(yàn)證期分別為0.49和0.46，確定系數(shù)(R2)分別為0.47和0.45，擬合效果符合模擬的精度要求，因此可以根據(jù)校準(zhǔn)好的模型進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

圖2 阿什河流域徑流、總氮、總磷模擬值與實(shí)測(cè)值擬合圖Fig.2 Fitting results of simulated and measured values of runoff, TN and TP in the Ashi River basin

表1 阿什河流域月徑流模擬效果評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Evaluation index of monthly runoff, TN and TP simulation in the Ashi River basin

3.3 總氮總磷流失負(fù)荷空間分布

基于模型輸出結(jié)果，在水文響應(yīng)單元尺度上統(tǒng)計(jì)每一個(gè)水文響應(yīng)單元在2010-2015年總氮總磷輸出負(fù)荷大小，最終得到的阿什河流域多年總氮總磷年平均負(fù)荷空間分布如圖3和圖4所示。根據(jù)阿什河流域水體重污染現(xiàn)狀，從空間分布上針對(duì)性的分析總氮總磷的輸出規(guī)律。

圖3 總氮負(fù)荷空間分布圖Fig.3 The spatial distribution of TN load

由圖3和圖4可知，阿什河流域總氮總磷負(fù)荷空間分布都主要集中在下游的平原區(qū)以及上游的河岸兩側(cè)，總氮負(fù)荷最大可達(dá)到180.91 kg/hm2，總磷負(fù)荷最大的為4.59 kg/hm2。氮磷輸出負(fù)荷較小的區(qū)域則主要分布在上游的林區(qū)，非點(diǎn)源污染空間變化差異較大。氮磷的空間分布特征與流域地形及植被覆蓋類型有很大關(guān)系，在上游地形起伏較大、地表覆蓋主要為林地的山區(qū)，總氮總磷負(fù)荷均比較小，只有在河流附近的農(nóng)田區(qū)域氮磷負(fù)荷相對(duì)較高；在流域下游、適宜居住和耕種的平原區(qū)，總氮總磷負(fù)荷相對(duì)上游普遍偏高。而在下游，氮磷輸出負(fù)荷高的區(qū)域集中在地表覆蓋類型為水田的區(qū)域，尤其對(duì)于總磷；不同的是，土壤類型為草甸黑土的區(qū)域，總氮的污染負(fù)荷比總磷高。

阿什河流域作為我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，種植面積大、耕種強(qiáng)度高，使得該流域很容易產(chǎn)生農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染[25]。化肥施用強(qiáng)度高，而農(nóng)作物實(shí)際吸收較少，多余的營(yíng)養(yǎng)物則在降水的溶解和沖刷下進(jìn)入河道，造成河流水質(zhì)下降和富營(yíng)養(yǎng)化?？紤]到研究區(qū)不同區(qū)域所受的人類活動(dòng)影響不同以及研究區(qū)本身所固有的自然特征變化，因此分析下墊面特征與氮磷輸出負(fù)荷變化規(guī)律顯得十分必要。

3.4 氮磷流失負(fù)荷與下墊面特征的關(guān)系

選取土地利用類型、土壤類型和坡度3個(gè)反映下墊面特征的要素來(lái)分別分析其與氮磷輸出負(fù)荷間的關(guān)系。從圖5可以看出，阿什河流域下墊面特征變化較為復(fù)雜。從土地利用類型上來(lái)看[圖5(a)]，阿什河流域土地利用類型主要以耕地和林地為主。耕地主要分布在中下游，耕地面積占整個(gè)流域面積的46.42%，其中水田和旱地分別占全流域的6.58%和38.05%。林地次之，主要分布在流域上游，其面積約占全流域的44.59%，落葉闊葉林和灌叢則分別占流域面積的38.15%和1.02%。而草地、水體、聚落、荒漠所占面積較小，分別占流域面積的1.99%、0.98%、3.28%、0.17%。從空間分布上來(lái)看，水田主要以帶狀分布在中下游河岸兩側(cè)，在流域中游和河口附近分布有少量面積的建設(shè)用地。從土壤類型上來(lái)看[圖5(b)]，流域的土壤類型主要有3種，分別是暗棕壤、黑土、草甸土，各占流域面積的37.51%、29.79%、21.87%，其余類型土壤則分布較少，從空間分布上看，暗棕壤主要分布在流域上游，黑土分布在流域下游，而草甸土則沿河道兩側(cè)分布，從上游延伸至下游。從土壤坡度上來(lái)看[圖5(c)]，研究區(qū)主要坡度在9.42°以下，9.42°～ 17.98°(緩坡)以及大于17.98°(陡坡)主要分布在流域上游。流域整體上呈現(xiàn)上游陡峭，中下游平緩。

圖5 研究區(qū)土地利用、土壤類型、坡度分布Fig.5 The distribution of land use, soil type and slope in Ashi River Basin

3.4.1 氮磷流失負(fù)荷與土地利用類型的關(guān)系

對(duì)研究區(qū)主要土地利用上的氮磷單位輸出負(fù)荷及輸出占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。從不同土地利用氮磷輸出負(fù)荷方面來(lái)看，農(nóng)業(yè)用地的總氮輸出負(fù)荷最大，為50.383 kg/hm2，其次為林地、草地、灌叢和水體，分別為11.69、4.87、2.47和0.005 kg/hm2；對(duì)于磷來(lái)說(shuō)，輸出負(fù)荷最高的土地利用是農(nóng)業(yè)用地和草地，分別為0.951和0.920 kg/hm2，其次為灌叢、濕地和森林，分別占0.483、0.370、0.265 kg/hm2。由此可見(jiàn)，耕地是造成非點(diǎn)源污染的主要土地類型，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所施用的化肥、農(nóng)藥、殺蟲劑等污染物經(jīng)遷移進(jìn)入河道，造成河流水質(zhì)的下降。不同的是，草地總磷的輸出負(fù)荷接近于農(nóng)業(yè)用地，可能是畜牧業(yè)的發(fā)展有關(guān)，動(dòng)物牲畜的糞便以及牧草施肥都會(huì)對(duì)草地的磷負(fù)荷產(chǎn)生影響。從不同土地利用類型氮磷輸出總量占比來(lái)看，不同土地利用總氮總磷輸出占比次序相似，輸出占比最高的是農(nóng)業(yè)用地、其次為林地、草地和濕地。林地雖然輸出負(fù)荷比較低，但其所占流域面積很大，枯枝敗葉以及動(dòng)物尸體等經(jīng)微生物分解的有機(jī)物都會(huì)成為氮磷營(yíng)養(yǎng)物的來(lái)源。

圖6 不同土地利用總氮總磷輸出負(fù)荷及總量占比Fig.6 The yield of TN and TP and proportion of different land use

3.4.2 氮磷流失負(fù)荷與土壤類型的關(guān)系

對(duì)研究區(qū)的不同土壤類型上的氮磷輸出負(fù)荷及占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。從不同土壤類型氮磷輸出負(fù)荷來(lái)看，總氮輸出負(fù)荷最大的為城區(qū)，達(dá)131.25 kg/hm2，其后為水稻土、黑土和草甸土，分別為65.22、39.81、39.18 kg/hm2，比較小的土類為沼澤土、暗棕壤、白漿土，依次是20.81、18.06和14.45 kg/hm2。對(duì)于總磷，不同土壤類型的輸出負(fù)荷排序與總氮相似，最大的為城區(qū)，其后分別是水稻土、黑土、草甸土、白漿土、沼澤土以及暗棕壤，各輸出負(fù)荷分別為1.34、0.87、0.83、0.76、0.50、0.46、0.37 kg/hm2。城區(qū)污染負(fù)荷大的原因可能與降水對(duì)城市地表的沖刷有關(guān)。城區(qū)地面含有許多污染物質(zhì)，諸如城市垃圾、動(dòng)物糞便、施工場(chǎng)地堆積物、空氣沉降物等，同時(shí)城區(qū)地表相對(duì)于自然地表，不透水率增加而糙率減少，極易在降水的作用下引發(fā)污染物的沖刷和遷移而進(jìn)入地表水體，最終對(duì)水體水質(zhì)產(chǎn)生很大的影響[26,27]。不同土壤的氮磷輸出負(fù)荷不同，除人工施加化肥等因素影響外，土壤的物理化學(xué)性質(zhì)也不可忽略。研究區(qū)水稻土質(zhì)地為黏土，表層土壤成碎塊狀結(jié)構(gòu)，緊實(shí)，透水不良，有機(jī)質(zhì)分解慢，養(yǎng)分不易釋放，再加上其本身養(yǎng)分就比較充足，使得土壤固持能力有限，所以損失較為嚴(yán)重。研究區(qū)黑土土壤表層為黏土，雖呈團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu)，但土質(zhì)較松，相比水稻土，淋溶作用更明顯。而草甸土與二者相比，腐蝕質(zhì)層較厚，表層雖為黏土，但土質(zhì)疏松，多根系，淋溶量以及土壤的吸附和吸收作用更強(qiáng)。不同土地利用磷負(fù)荷差異不同于氮負(fù)荷的原因可能與磷本身的物理性質(zhì)有關(guān)。磷肥進(jìn)入土壤后，較難溶解，且溶解的磷容易被土壤顆粒吸附而形成比較穩(wěn)定的物質(zhì)，不易被釋放和移動(dòng)[28]。從不同土壤類型氮磷輸出占比來(lái)看，最高的依次均為黑土、草甸土和暗棕壤，三者累計(jì)占氮磷總輸出分別為89.8%、90.3%。

圖7 不同土壤類型總氮總磷輸出負(fù)荷及總量占比Fig.7 The yield of TN and TP and proportion of different soil type

3.4.3 氮磷失負(fù)荷與不同坡度的關(guān)系

采用自然斷點(diǎn)法，將研究區(qū)坡度分為4個(gè)等級(jí)，并對(duì)研究區(qū)不同坡度等級(jí)的氮磷輸出負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。從不同坡度等級(jí)氮磷輸出負(fù)荷大小來(lái)看，氮磷輸出負(fù)荷隨坡度的增加大致呈遞減趨勢(shì)，對(duì)于總氮，4個(gè)坡度等級(jí)總氮輸出負(fù)荷分別為42.86、22.86、17.95、15.40 kg/hm2，對(duì)于總磷，分別為0.91、0.47、0.27、0.28 kg/hm2。原因是研究區(qū)耕地主要分布于坡度較低的平原區(qū)，耕地因農(nóng)業(yè)耕作化肥施用量高，故單位負(fù)荷輸出高。當(dāng)坡度增加到一定程度，不宜種植業(yè)的發(fā)展，土壤中氮磷將由地表覆蓋和自身土壤條件決定。坡度的增加使得地表所受的雨水條件將發(fā)生變化，坡度越高，流速越快，侵蝕作用也相應(yīng)增加。因?yàn)榱滓妆煌寥拦潭?，而氮素容易被淋洗而被徑流攜帶損失，所以氮素主要以徑流流失為主，而磷容易吸附到泥沙上，隨泥沙遷移而流失。張夢(mèng)等[29]研究表明坡度較小時(shí)，磷素流失途徑以徑流流失為主，隨著坡度的增加，磷素的流失途徑以泥沙流失為主。這可能是坡度在18.74～33.07和大于33.07磷元素負(fù)荷量表現(xiàn)不同于氮負(fù)荷的主要原因。從不同坡度等級(jí)氮磷輸出占比來(lái)看，占比最高的主要分布在坡度范圍是7.16～18.76和0～7.16區(qū)域內(nèi)，0～18.76坡度范圍氮磷輸出占總量的百分比依次是72.83%、78.15%，要占到全流域總流失量的絕大部分。

圖8 不同坡度范圍總氮總磷輸出負(fù)荷及總量占比Fig.8 The yield of TN and TP and proportion of different slope

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)本研究使用SWAT模型分析了阿什河流域氮磷輸出負(fù)荷與下墊面特征的關(guān)系，結(jié)果表明，率定期徑流的決定系數(shù)和納什效率系數(shù)分別為0.62、0.70,驗(yàn)證期分別為0.60、0.67；總氮的率定期決定系數(shù)和納什效率系數(shù)分別為0.50、0.67，驗(yàn)證期為0.49、0.75；總磷決定系數(shù)和納什效率系數(shù)分別為0.46、0.49，驗(yàn)證期分別為0.45、0.47。除總磷部分年份模擬有一定偏差外，總體模擬結(jié)果較好，模型適用于流域非點(diǎn)源污染模擬。

(2)在空間尺度上，流域內(nèi)總氮總磷輸出負(fù)荷空間分布較為相似。總氮總磷單位輸出負(fù)荷較高的區(qū)域分布在流域中下游主河道附近。在進(jìn)行流域非點(diǎn)源污染的治理時(shí)，可首先對(duì)這部分敏感區(qū)域進(jìn)行集中治理，可在一定程度上降低治理難度和提高治理成效。

(3)流域內(nèi)不同土地利用氮輸出負(fù)荷最高的是農(nóng)業(yè)用地、其次為森林、草地等，而對(duì)于磷輸出負(fù)荷，最大也為農(nóng)業(yè)用地，之后則依次為草地、灌叢、濕地等；不同土壤類型單位輸出負(fù)荷最高的是城區(qū)，然后為水稻土、黑土、草甸土等，不同土壤類型總磷輸出負(fù)荷排序與總氮類似；研究區(qū)不同坡度范圍的氮磷輸出負(fù)荷隨坡度的增加而呈下降趨勢(shì)。

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