遼河保護區(qū)退耕封育措施消減污染物入河量估算

高艷妮，楊彩云，馮朝陽，楊春艷，孫倩瑩

1.國家環(huán)境保護區(qū)域生態(tài)過程與功能評估重點實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 2.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學(xué)研究院 3.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院

土地利用是河流生態(tài)系統(tǒng)健康和穩(wěn)定的重要影響因素之一[1]，其決定了河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[2-4]，與河流水循環(huán)過程[5]、物質(zhì)循環(huán)過程[6]、水環(huán)境質(zhì)量[7]等密切相關(guān)。當(dāng)前，隨著人類活動的增強和農(nóng)業(yè)的發(fā)展，河流兩岸農(nóng)田、農(nóng)村建設(shè)用地等引起的農(nóng)業(yè)面源污染已成為許多發(fā)達國家水環(huán)境惡化的主要原因之一，也是我國水體污染的一個主要來源[8]。

遼河保護區(qū)劃定之前，農(nóng)田是河流兩岸的主要土地利用類型。據(jù)統(tǒng)計，2007年遼河保護區(qū)旱地和水田面積分別占保護區(qū)總面積的38.13%和3.68%[9]，2009年分別占34.10%和3.00%[10]。由于這一時期干流兩岸點源污染得到了有效控制，農(nóng)業(yè)面源污染成為遼河主要污染治理對象之一[11]，其主要污染形式是農(nóng)業(yè)種植污染[12]。有研究表明[12]，在遼河流域農(nóng)田全部種植的情況下，遼河干流面源污染物COD入河量可達9.6萬ta。若遼河干流約413 km2河灘地全部退耕還河，將直接減少農(nóng)業(yè)面源污染物COD產(chǎn)生量約0.81萬ta，減少NH3-N產(chǎn)生量約0.16萬ta[11]。為恢復(fù)河流自然生境，遏制農(nóng)業(yè)面源污染對河流水質(zhì)的影響，進而提升河流水環(huán)境質(zhì)量，遼河保護區(qū)劃定后對河流兩岸采取了農(nóng)田撂荒和退耕還林還草等措施[13-14]。

為定量分析遼河保護區(qū)劃定以來，退耕封育措施對農(nóng)田面積、農(nóng)田類型以及由此引起的農(nóng)田地表徑流污染物入河量的影響，筆者利用高清遙感影像，并結(jié)合地面勘察等手段，獲取2010—2018年遼河保護區(qū)農(nóng)田空間分布圖，分析了不同農(nóng)田類型的時空動態(tài)變化，進而利用源強系數(shù)法估算了各年農(nóng)田地表徑流污染物入河量及退耕封育措施實施以來累積消減的入河量，以期為遼河保護區(qū)生態(tài)保護修復(fù)成效評估提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

遼河保護區(qū)于2010年劃定，是我國首個河流保護區(qū)，主要保護對象為遼河干流水體、河流濕地和珍稀野生動植物。遼河保護區(qū)位于遼寧省境內(nèi)，起始于東西遼河交匯處的鐵嶺市福德店，途經(jīng)沈陽市、鞍山市，終止于盤錦市入海口，共涉及14個縣(區(qū))，全長為538 km，面積為1 869.2 km2。遼河保護區(qū)所屬氣候類型為暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為4～9 ℃，平均降水量為450～650 mm，且主要集中在6—9月；地貌類型以平原為主，地勢平坦，灘地開闊，河道迂回曲折；生物多樣性較為豐富，2016—2017年共監(jiān)測到約234種植物，約483種動物[15]；主要土壤類型為草甸土、潮土和沼澤土。

1.2 研究方法

1.2.1農(nóng)田地表徑流污染物入河量估算

采用源強系數(shù)法估算農(nóng)田地表徑流污染物入河量，計算公式如下：

(1)

式中：W為農(nóng)田地表徑流污染物入河量，t/a。aij、Sij、Pij、Cij、Fij分別為第i類農(nóng)田第j個柵格的坡度、土壤類型、降水量、農(nóng)田類型、化肥施用量的修正系數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表1。E為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田地表徑流的源強系數(shù)，t/(hm2·a)；標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田是指平原地貌，種植作物為小麥，土壤類型為壤土，化肥施用量為0.38～0.53 t/(hm2·a)，年降水量為400～800 mm的農(nóng)田;其COD的源強系數(shù)為0.15 t/(hm2·a)，NH3-N為0.03 t/(hm2·a)[16-17]。λr為入河系數(shù)，取值為0.1[18]。

表1 農(nóng)田地表徑流污染物排放量修正系數(shù)

遼河保護區(qū)主要農(nóng)作物類型為玉米和水稻，玉米施肥量為1.05～1.65 t/(hm2·a)，水稻為0.75～1.20 t/(hm2·a)[19]，因此，遼河保護區(qū)化肥施用量的修正系數(shù)取1.3。

1.2.2累積消減農(nóng)田地表徑流污染物入河量估算

為了評價退耕封育措施實施以來遼河保護區(qū)累積消減農(nóng)田地表徑流污染物入河量，將2010年污染物入河量與2011—2018年各年入河量分別相減，再計算其累積值。公式如下：

(2)

式中：Wsum為2011—2018年遼河保護區(qū)累積消減農(nóng)田地表徑流污染物入河量，t；W2010為2010年農(nóng)田地表徑流污染物入河量，t/a；Wk為第k年農(nóng)田地表徑流污染物入河量，t/a。

1.3 數(shù)據(jù)來源與處理

1.3.1農(nóng)田類型

基于2 m×2 m分辨率的Google Earth高清影像，采用面向?qū)ο蠓诸惡腿藱C交互解譯的方法獲取2010—2018年遼河保護區(qū)農(nóng)田空間分布圖，包括旱地、水田、水澆地3種類型。對于影像難以判斷的區(qū)域，綜合利用《全國第二次土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)(2009年)》和野外實地勘查數(shù)據(jù)進行驗證和修改。

1.3.2坡度

利用30 m×30 m DEM數(shù)據(jù)(來源于地理空間數(shù)據(jù)云)計算遼河保護區(qū)河流兩岸坡度。

1.3.3土壤類型

利用遼河保護區(qū)上游至下游18個采樣點的土壤顆粒組成數(shù)據(jù)，對照國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)[20]，判別各采樣點土壤類型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合1∶100萬土壤類型圖(來源于中國科學(xué)院南京土壤研究所)，獲取遼河保護區(qū)土壤類型空間數(shù)據(jù)。

1.3.4降水量

選取2010—2018年遼河保護區(qū)及周邊地區(qū)17個站點的年降水量數(shù)據(jù)(來源于中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心，http://data.cma.cn)，以30 m×30 m DEM數(shù)據(jù)為協(xié)變量，利用AUSPLIN軟件[21]進行空間插值，函數(shù)選取三次樣條函數(shù)，再利用遼河保護區(qū)邊界進行裁剪后，獲得遼河保護區(qū)2010—2018年年降水量空間數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 退耕封育措施下遼河保護區(qū)農(nóng)田變化特征

2010—2018年遼河保護區(qū)不同農(nóng)田類型面積動態(tài)變化見圖1。從圖1可以看出，2010年遼河保護區(qū)各類農(nóng)田面積為627.13 km2，約占遼河保護區(qū)總面積的33.55%；此后，隨著退耕封育措施的實施，農(nóng)田面積急劇減少，2011年面積僅為155.63 km2，相比2010年，約減少75.18%；2012—2018年農(nóng)田面積為111.42～170.35 km2，平均面積為137.84 km2，雖然存在年際間波動，但是整體與2011年相差不大。本研究獲取的2010年遼河保護區(qū)農(nóng)田面積占比略低于以往研究估算的2007年(41.99%)[9]和2009年面積占比(37.10%)[10]；2011年面積占比又較明顯低于以往研究估算的2011年面積占比(13.71%～17.30%)[10,19]。其原因一方面可能是所用遙感影像存在差別，另一方面可能是影像獲取月份有所不同。

圖1 2010—2018年遼河保護區(qū)不同農(nóng)田類型面積動態(tài)變化Fig.1 Dynamic change of cropland in Liaohe Conservation Area from 2010 to 2018

由圖1可見，旱地始終是遼河保護區(qū)主要農(nóng)田類型，但是退耕封育措施的實施使旱地面積大為減少。2010年旱地面積約為554.26 km2，占農(nóng)田面積的88.38%；2011—2018年旱地面積為58.21～92.24 km2，平均面積僅為76.06 km2，相比2010年減少84.78%。與2010年相比，水田面積變化較小，其在2010—2013年為65.61～73.26 km2，平均面積為69.45 km2，呈先略有減少再有所增加的趨勢；2014—2018年則有所下降，面積為44.16～51.69 km2，平均面積為48.69 km2，與2010—2013年相比，減少了29.89%。水澆地面積較小，2010—2018年為3.67～6.15 km2，總體上呈減少趨勢，2018年相比2010年減少了40.37%。

從空間分布特征來看，2010年，除遼河口國家級自然保護區(qū)外，遼河保護區(qū)河流兩岸分布著大量農(nóng)田，在鐵嶺、沈陽和鞍山市域內(nèi)幾乎均為旱地，在盤錦市域內(nèi)則旱地和水田面積大致相當(dāng)(圖2)。2011年，河流兩岸農(nóng)田開始呈現(xiàn)撂荒狀態(tài)，但也有零星農(nóng)田分布，在鐵嶺、沈陽市域內(nèi)仍然以旱地為主，而在鞍山和盤錦則主要為水田，這一格局持續(xù)到2018年沒有明顯變化。

圖2 2010年和2018年遼河保護區(qū)農(nóng)田空間分布Fig.2 Spatial distribution of cropland in Liaohe Conservation Area in 2010 and 2018

2.2 退耕封育措施對農(nóng)田地表徑流污染物入河量的影響

基于源強系數(shù)法估算遼河保護區(qū)不同農(nóng)田類型地表徑流污染物入河量，結(jié)果見表2和圖3。從表2和圖3可以看出，2010年遼河保護區(qū)農(nóng)田面源污染物COD入河量為1 864.79 t/a，NH3-N入河量為372.96 t/a；其中，旱地貢獻率為83.97%，水田為15.37%，水澆地為0.67%。2011年，遼河保護區(qū)農(nóng)田面源污染物COD和NH3-N入河量大幅消減，其中，COD入河量減至419.55 t/a，NH3-N減至83.91 t/a；水田為主要貢獻源，貢獻率為54.19%，旱地貢獻率為43.59%，水澆地為2.22%。2011—2018年，農(nóng)田面源污染物COD和NH3-N入河量呈先略有增高，后波動減少的變化趨勢，其中，COD入河量為312.33～548.12 t/a，NH3-N入河量為62.47～109.62 t/a；水田貢獻率為45.19%～57.10%，旱地為40.79%～52.93%，水澆地為1.81%～2.60%。

表2 遼河保護區(qū)不同農(nóng)田類型地表徑流污染物入河量

圖3 2010—2018年實際降水條件下遼河保護區(qū)農(nóng)田地表徑流污染物入河量動態(tài)變化Fig.3 Temporal variation of pollutants inflow from cropland surface runoff in Liaohe Conservation Area under the condition of actual precipitation in 2010-2018

除2010年外，遼河保護區(qū)農(nóng)田地表徑流污染物入河量與農(nóng)田面積的相關(guān)系數(shù)(R2)為0.83，與降水量的相關(guān)系數(shù)為0.49，表明遼河保護區(qū)農(nóng)田地表徑流污染物入河量除受農(nóng)田面積變化的影響外，還與降水量顯著相關(guān)。因此，進一步估算了2010—2018年平均降水條件下遼河保護區(qū)農(nóng)田地表徑流污染物入河量，結(jié)果見表2和圖4。從表2和圖4可以看出，平均降水條件下，2010年遼河保護區(qū)農(nóng)田面源污染物引起的COD和NH3-N入河量分別為1 649.37和329.87 t/a，相較實際降水條件有所減少；旱地貢獻率為84.34%，水田為15.00%，水澆地為0.66%。2011—2018年COD和NH3-N入河量的變化趨勢與實際降水條件下沒有顯著區(qū)別。其中，COD入河量為331.77～506.70 t/a，NH3-N入河量為66.35～101.34 t/a；水田貢獻率為46.37%～57.47%，旱地為40.38%～51.67%，水澆地為1.82%～2.61%。

圖4 2010—2018年平均降水條件下遼河保護區(qū)農(nóng)田地表徑流污染物入河量動態(tài)變化Fig.4 Temporal variation of pollutants inflow from cropland surface runoff in Liaohe Conservation Area under the condition of average precipitation in 2010-2018

將2010年農(nóng)田地表徑流污染物入河量與2011—2018年各年相應(yīng)數(shù)值分別相減，再將各差值進行加和后可以看出，在實際降水條件下，2011—2018年遼河保護區(qū)因退耕封育措施的實施累積消減COD和NH3-N入河量分別為11 734.49和2 346.90 t(圖3)；平均降水條件下，累積消減COD和NH3-N入河量分別為9 955.03和1 991.01 t(圖4)，相比實際降水條件下，二者均減少了15.16%。

2.3 源強系數(shù)法估算農(nóng)田地表徑流污染物入河量的不確定性分析

源強系數(shù)法屬于估算面源污染的經(jīng)驗方法，是根據(jù)研究區(qū)的坡度、土壤類型、降水量、農(nóng)田類型、化肥施用量等因子對標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的源強系數(shù)進行修正后獲得。該方法操作簡單，可以較好地反映研究區(qū)面源污染的時空動態(tài)變化，在缺少監(jiān)測數(shù)據(jù)的條件下得到了廣泛的應(yīng)用[22]。有研究指出，基于典型地塊監(jiān)測法計算的COD和NH3-N入河量與基于源強系數(shù)法估算的結(jié)果差距不大[18]。但由于大多數(shù)因子的修正系數(shù)有一個取值范圍，因此，為了評估修正系數(shù)取值對估算的遼河保護區(qū)農(nóng)田地表徑流污染物入河量的影響，對各因子的修正系數(shù)分別取相應(yīng)級別的最小值和最大值進行再次估算。結(jié)果表明：基于最小值估算的2011—2018年退耕封育措施累積消減COD入河量為8 954.69 t，累積消減NH3-N入河量為1 790.94 t；基于最大值估算的累積消減COD入河量為16 692.78 t，累積消減NH3-N入河量為3 338.56 t。最大值估算的結(jié)果約相當(dāng)于最小值的1.86倍，相當(dāng)于本研究估算結(jié)果的1.42倍。此外，源強系數(shù)法在估算過程中忽略了農(nóng)田與河流的距離，也會給研究結(jié)果帶來不確定性。

3 結(jié)論

(1)利用高清遙感影像獲取的2010—2018年遼河保護區(qū)農(nóng)田空間分布圖顯示，2010年遼河保護區(qū)河流兩岸分布著大量農(nóng)田，面積約為627.13 km2，約占遼河保護區(qū)總面積的33.55%。隨著退耕封育政策的實施，2011年農(nóng)田面積大量減少，只零星分布于河流兩岸，面積僅占保護區(qū)總面積的8.33%。2012—2018年農(nóng)田面積雖然存在著年際波動，但與2011年差距較小。旱地是遼河保護區(qū)主要農(nóng)田類型，其在2010年占農(nóng)田總面積的88.38%，在2011—2018年僅略高于水田面積。

(2)基于源強系數(shù)法的估算結(jié)果表明，在實際降水條件下，2010年遼河保護區(qū)農(nóng)田面源污染物COD入河量為1 864.79 t/a，NH3-N入河量為372.96 t/a，旱地貢獻率為83.97%。2011年，COD和NH3-N入河量分別消減到419.55和83.91 t/a，水田貢獻率超過了旱地，貢獻率為54.19%。2011—2018年，遼河保護區(qū)累積消減農(nóng)田地表徑流COD和NH3-N入河量分別為11 734.49和2 346.90 t，高于平均降水條件下的累積消減量，約高15.16%。

(3)為了評估源強系數(shù)法估算結(jié)果的不確定性，對各因子修正系數(shù)分別取最大值和最小值進行污染物入河量再次估算，結(jié)果顯示取最大值估算的污染物累積消減入河量約為最小值的1.86倍，約為本研究結(jié)果的1.42倍。