梁子湖區(qū)農(nóng)田地表徑流氮磷流失空間分布特征

諶婕妤，王文薈，楊思雨，許峰，黃運(yùn)新

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062)

0 引言

面源污染，是指在不確定的時間和空間里，污染物通過降雨或徑流以廣泛的、分散的形式進(jìn)入地表水或地下水，從而對環(huán)境造成的復(fù)雜的、潛伏周期長的污染.國內(nèi)外研究表明，隨著點(diǎn)源污染治理的推進(jìn)，面源污染成為水體污染的主要來源，尤其是農(nóng)業(yè)面源污染[1].

由地表徑流引起的農(nóng)田氮磷流失是造成農(nóng)業(yè)面源污染和水體富營養(yǎng)化的主要原因之一[2-3].金相燦等對太湖重點(diǎn)污染控制區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田排水中氮和磷的流失量對面源污染的貢獻(xiàn)率分別為61.5%和19.2%[2].

地形和土地利用方式的不同，使得不同種植模式下的土壤氮磷流失特征存在差異[4].土壤侵蝕是地表徑流氮磷流失的重要影響因素[5]，而坡度對土壤侵蝕量和徑流量的變化具有顯著影響，因此在相同的土壤條件和降雨強(qiáng)度下，氮磷的流失量與坡度之間存在密切的相關(guān)關(guān)系[6-7]；同時不同的土地利用方式也會導(dǎo)致污染物的濃度以及徑流系數(shù)的不同，進(jìn)而導(dǎo)致氮磷流失產(chǎn)生差異[8-9].

目前國內(nèi)有關(guān)不同種植模式下地表徑流氮磷流失特征的研究大多是基于某一時段的觀測結(jié)果[10]，或者是對某一區(qū)域單一種植模式下的氮磷輸出負(fù)荷的研究[11].有的雖然詳細(xì)考慮了不同類型的種植模式，但是沒有考慮實(shí)際的空間分布[2].鑒于此，本研究選取梁子湖區(qū)作為研究區(qū)域，根據(jù)實(shí)際地形和土地利用類型，采用流失系數(shù)法和遙感數(shù)據(jù)分析，研究不同種植模式下農(nóng)田氮磷流失空間分布特征，明確氮磷流失高風(fēng)險種植模式和高風(fēng)險區(qū).

1 材料與方法

上圖：鄂州市在湖北省所處位置； 下圖：梁子湖區(qū)在鄂州市所處位置圖1 研究區(qū)域位置圖

1.1 研究區(qū)域概況梁子湖區(qū)，隸屬于鄂州市，地處長江中游南岸，位于湖北省東南部，東與黃石市交界，南與咸寧市為鄰，西與武漢市接壤(圖1).地跨東經(jīng)114°32′～114°43′，北緯30°01′～30°16′.該區(qū)南邊多為低山，北部和西部多為丘陵和湖泊，東邊最高峰為沼山峰，海拔418 m.梁子湖區(qū)屬于典型的亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，冬冷夏熱，四季分明，光照充足，雨量充沛，平均氣溫17 ℃，年平均降水量1 330 mm.

梁子湖是我國重要的自然濕地保護(hù)區(qū)，是湖北省第二大淡水湖，被譽(yù)為鄂東地區(qū)的戰(zhàn)略儲備水源.梁子湖分東梁子湖、西梁子湖和牛山湖三部分，其中東梁子湖在鄂州市梁子湖區(qū)，其水質(zhì)達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ類水的要求，是一般魚類保護(hù)區(qū)，湖內(nèi)有淡水魚70余種，是馳名中外的武昌魚的故鄉(xiāng).

1.2 研究方法本研究采用的遙感數(shù)據(jù)為Landsat 8影像，成像時間為2019年5月22日，整體云量5%以內(nèi)，其中覆蓋研究區(qū)的圖像云量為0，經(jīng)過預(yù)處理后獲取研究區(qū)15 m分辨率的Landsat 8 OLI融合影像.在充分考慮研究區(qū)實(shí)際地表土地利用情況的基礎(chǔ)上，從遙感制圖和地表徑流氮磷流失成因出發(fā)，按水系、水田、旱地、林地、園地、建筑用地和其他利用地7種類型對研究區(qū)域土地利用類型進(jìn)行識別與劃分.根據(jù)NDVI、MNDWI、NDBI等光譜特性以及遙感影像的色調(diào)、形狀、紋理、灰度等特征，結(jié)合研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)以及Google Earth當(dāng)前和歷史影像資料，解譯得到研究區(qū)域土地利用類型空間分布圖.

采用流失系數(shù)法計(jì)算農(nóng)田地表徑流氮磷流失量.以種植模式為單元，根據(jù)Arc GIS軟件提取坡度數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)每種種植模式的面積，再依據(jù)《全國農(nóng)田面源污染排放系數(shù)手冊》[12]中的不同種植模式下的氮磷流失系數(shù)，計(jì)算得出農(nóng)田地表徑流氮磷流失量.其中坡度小于5°劃分為平地、5°～15°為緩坡、大于15°為陡坡.相關(guān)計(jì)算公式如下：

Qij=KijSij/1 000(i=1, 2,…5；j=1, 2…5),

式中：i表示5種不同地形，分別為平地、緩坡地-梯田、緩坡地-非梯田、陡坡地-梯田和陡坡地-非梯田；j表示5種不同土地利用類型，分別為水田、大田、園地、露地蔬菜和林地；Kij為第i種地形和第j種土地利用類型對應(yīng)的氮流失系數(shù)，kg/hm2；Sij為第i種地形和第j種土地利用類型下的面積，hm2；Qij為第i種地形和第j種土地利用類型對應(yīng)的氮流失量，t；QR為某行政區(qū)域內(nèi)各種地形和土地利用類型產(chǎn)生的氮流失量之和，t；Qi為第i種地形下，各種土地利用類型產(chǎn)生的氮流失量之和，t；Qj為第j種土地利用類型下，各種地形條件產(chǎn)生氮流失量之和，t.磷流失量的相關(guān)計(jì)算與氮相同，只需將氮流失系數(shù)換成磷流失系數(shù)即可.

本文中采用流失量與流失強(qiáng)度相結(jié)合的方法來衡量氮、磷流失風(fēng)險，識別氮、磷流失高風(fēng)險區(qū)和高風(fēng)險種植模式.其中，流失強(qiáng)度為單位面積流失量.氮、磷的常規(guī)流失量為常規(guī)施肥情況下氮、磷的年流失量，土壤本底流失量為不施肥情況下農(nóng)田氮、磷的年流失量，則當(dāng)季施肥造成的氮、磷流失量為常規(guī)施肥情況下氮、磷的年流失量減去土壤本底氮、磷的年流失量.

根據(jù)地形、土地利用類型，梁子湖區(qū)農(nóng)田共分為19種種植模式，其名稱與《全國農(nóng)田面源污染排放系數(shù)手冊》中南方地區(qū)的種植模式名稱相對應(yīng)，各模式的流失系數(shù)見表1.

表1 梁子湖區(qū)不同種植模式農(nóng)田氮磷流失系數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 各類土地利用類型面積分布全區(qū)國土面積482.5 km2，其中農(nóng)用地301.25 km2，占全區(qū)面積的62.44%.在所有種植模式中，平地-水田(92.15 km2)和平地-旱地-園地(100.84 km2)的種植面積最廣，分別占全區(qū)農(nóng)用地面積30.59%、33.47%(見表2).

2.2 不同區(qū)域農(nóng)田地表徑流氮磷流失梁子湖區(qū)農(nóng)田地表徑流總氮常規(guī)流失量為525.07 t(表3).將梁子湖區(qū)按行政區(qū)劃分為東溝鎮(zhèn)、梁子鎮(zhèn)、太和鎮(zhèn)、涂家垴鎮(zhèn)和沼山鎮(zhèn)5個鎮(zhèn)(見圖2).總氮常規(guī)流失量表現(xiàn)為涂家垴鎮(zhèn)最多(307.84 t)，占梁子湖區(qū)的58.6%；梁子鎮(zhèn)最少(42.97 t)，僅有8.2%.涂家垴鎮(zhèn)在整個區(qū)域面積較大，且絕大部分是流失系數(shù)較高的園地和平地，所以流失量最大；而梁子鎮(zhèn)在整個區(qū)域面積較小且大部分是水體，只有少量流失系數(shù)較低的水田，所以流失量最小.由圖2可知，東溝鎮(zhèn)、梁子鎮(zhèn)和沼山鎮(zhèn)水田占比較高，分別為89.95%、51.42%、37.98%；太和鎮(zhèn)林地居多，占43.55%；涂家垴鎮(zhèn)園地占比最高，78.79%.綜合全部5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，平地-旱地-園地在19種種植模式中面積最大(約10 084 hm2)，對應(yīng)的流失系

表2 梁子湖區(qū)不同種植模式面積及占農(nóng)用地面積比例

數(shù)也較高(30.65 kg/hm2)，其對應(yīng)的總氮流失量為309.08 t，占全區(qū)的58.86%.從流失總量來看，平地-旱地-園地的總氮流失風(fēng)險最高.

梁子湖區(qū)地表徑流氮的流失量大多來源于農(nóng)田土壤本底的流失量，占常規(guī)流失量76.17%，當(dāng)季施肥造成的肥料氮流失占常規(guī)流失量的23.83%.控制氮肥的投放可以防控當(dāng)季施肥造成的氮流失，也可以減少氮肥在土壤中殘留，從而減少農(nóng)田土壤本底氮流失.用單位面積的流失強(qiáng)度表示流域氮素輸出強(qiáng)度能更好的表達(dá)流域氮素輸出水平.因?yàn)榈剌敵鰪?qiáng)度排除了面積對氮素輸出的影響，而且整個流域的強(qiáng)度是流域內(nèi)各種土地利用強(qiáng)度的復(fù)合，可以利用流域氮素輸出強(qiáng)度與流域土地利用結(jié)構(gòu)分析兩者的關(guān)系[8].梁子湖區(qū)流失強(qiáng)度的均值為19.27 kg/hm2(圖3)，各鎮(zhèn)流失強(qiáng)度大小為涂家垴鎮(zhèn)(26.02 kg/hm2)>梁子鎮(zhèn)(21.71 kg/hm2)>東溝鎮(zhèn)(16.95 kg/hm2)>沼山鎮(zhèn)(15.20 kg/hm2)>太和鎮(zhèn)(9.33 kg/hm2)，涂家垴鎮(zhèn)流失強(qiáng)度最高，和高流失系數(shù)的園地占比較大有關(guān)；梁子鎮(zhèn)氮的總流失量最少，但流失強(qiáng)度僅次于涂家垴鎮(zhèn)，一方面由于梁子鎮(zhèn)農(nóng)用地面積小，另一方面由于該鎮(zhèn)大多為高流失系數(shù)種植模式；太和鎮(zhèn)流失強(qiáng)度最小，與該鎮(zhèn)林地占比較高有關(guān)，林地具有水土保持的作用，流失系數(shù)為0.

梁子湖區(qū)農(nóng)田地表徑流總磷常規(guī)流失量為25.35 t(表3).各鎮(zhèn)農(nóng)田地表徑流總磷的流失量大小排列與總氮相同.總磷常規(guī)流失量表現(xiàn)為涂家垴鎮(zhèn)最多(16.08 t),占梁子湖區(qū)的63.43%；梁子鎮(zhèn)最少(2.71 t)，僅有10.65%.綜合全部5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，平地-旱地-園地在19種種植模式中總磷流失量最大(16.19)，占全區(qū)的63.87%.從流失總量來看，平地-旱地-園地的總磷流失風(fēng)險也最高.

常規(guī)施肥情況下，總磷的流失量為25.35 t，其中農(nóng)田本底流失量占75.30%，當(dāng)季施肥所產(chǎn)生的流失量占24.70%.梁子湖區(qū)地表徑流總磷流失強(qiáng)度為涂家垴鎮(zhèn)(1.36 kg/hm2)>梁子鎮(zhèn)(0.86 kg/hm2)>東溝鎮(zhèn)(0.71 kg/hm2)>沼山鎮(zhèn)(0.66 kg/hm2)>太和鎮(zhèn)(0.42 kg/hm2)，原因與總氮流失強(qiáng)度相同.

2.3 不同坡度下農(nóng)田地表徑流氮磷流失按坡度將梁子湖區(qū)農(nóng)用地歸類，發(fā)現(xiàn)該區(qū)主要以平地和緩坡地為主，分別占農(nóng)用地78.53%、17.94%，陡坡地極少，僅占3.53%(表4).由表5可知，不同坡度下農(nóng)田地表徑流總氮流失量最多為平地(495.86 t)，其次為緩坡地(35.20 t)，陡坡地(1.98 t)最少；總磷流失情況與總氮相似，最多為平地(24.23 t)，其次為緩坡地(1.74 t)，陡坡地(0.16 t)最少.其中平地總氮流失量占全區(qū)93.02%，總磷流失量占92.72%.

表4 梁子湖區(qū)不同坡度農(nóng)用地面積

表5 梁子湖區(qū)不同坡度地表徑流氮磷流失量

平地上總氮、總磷地表徑流流失量最高，主要是因?yàn)榕c緩坡地和陡坡地相比，其面積占比最大，流失系數(shù)也較高.在土壤條件和降雨強(qiáng)度一定時，氮磷的流失量與坡度成正比，但是在長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，往往由于平地土壤深厚，便于耕種，集約化程度高，土壤中養(yǎng)分的積累高于緩坡地和陡坡地，從而為高流失提供了基礎(chǔ).

圖4 梁子湖區(qū)不同坡度地表徑流流失強(qiáng)度

不同坡度下，肥料中氮的流失量占比為緩坡地(30.3%)>陡坡地(25.53%)>平地(23.5%)，磷的流失量占比為緩坡地(30.09%)>陡坡地(29.35%)>平地(23.93%).不同坡度下，氮磷流失強(qiáng)度變化相似，均為平地>緩坡地>陡坡地(圖4).農(nóng)田地表徑流中氮的流失形態(tài)主要為溶解態(tài)，而土壤具有很強(qiáng)的固磷能力，使得磷的流失主要為顆粒態(tài)，總磷的流失量主要由泥沙流失量決定.趙龍山等[13]研究表明產(chǎn)流量會隨著坡度的增加而增加，但由于梁子湖區(qū)陡坡地面積占比少，因此氮磷的流失量相對較低.平地和陡坡地的種植模式主要是水田和園地，水田具有良好的水土保持作用[14]，可攔截平地和坡耕地沖刷的泥沙，因此肥料中磷的流失量較少.

圖5 梁子湖區(qū)5類土地利用方式的面積分布

2.4 不同土地利用方式的農(nóng)田地表徑流氮磷流失按土地利用方式將19種種植模式分為水田、大田、園地、林地和裸露蔬菜五大類，其中水田(35%)、園地(39%)占比較大，林地(13%)和裸露蔬菜(10%)次之，大田最少(3%)(圖5).農(nóng)田地表徑流氮的流失量為園地(319.67 t)>水田(168.36 t)>大田(37.00 t)>裸露蔬菜(8.01 t)，磷的流失量為園地(17.12 t)>水田(7.47 t)>裸露蔬菜(0.78 t)>大田(0.75 t)(表6).水田和園地氮的流失量占該區(qū)氮流失量的31.58%和59.97%，是防控氮流失的重點(diǎn)土地利用方式；園地磷的流失量占該區(qū)磷流失量的65.54%，是防控磷流失的重點(diǎn)土地利用方式.

不同土地利用方式下，總氮的流失強(qiáng)度為大田(35.63 kg/hm2)最高(圖6)，其次為園地(27.35 kg/hm2)、水田(15.83 kg/hm2)，裸露蔬菜最低(2.78 kg/hm2)；總磷的流失強(qiáng)度為園地(1.46 kg/hm2)>大田(0.72 kg/hm2)>水田(0.70 kg/hm2)>裸露蔬菜(0.27 kg/hm2).王艷語等[15]研究發(fā)現(xiàn)，我國化肥施用水平較高，但當(dāng)季肥料利用率比較低，氮肥僅為30%～35%，磷肥只有10%～25%，因此盡管大田的面積占比最小，但流失強(qiáng)度最高.裸露蔬菜施磷量大，積累速度快，連續(xù)施用磷肥擴(kuò)大了土壤中的有效磷庫[16-17]，因此在裸露蔬菜的土壤中通常積累了大量的磷，使得本底流失量遠(yuǎn)高于當(dāng)季肥料流失量.

表6 梁子湖區(qū)4類土地利用方式地表徑流氮磷流失量

圖6 梁子湖區(qū)4類土地利用方式地表徑流氮磷流失強(qiáng)度

3 結(jié)論

1)梁子湖區(qū)地表徑流氮磷流失總量分別為525.07 t和25.35 t，在常規(guī)施肥情況下，農(nóng)田本底氮磷流失量分別占76.17%和75.30%，遠(yuǎn)高于當(dāng)季施肥造成的流失量.

2)涂家垴鎮(zhèn)不論是流失總量還是流失強(qiáng)度均高于其他鎮(zhèn)，是梁子湖區(qū)氮磷流失高風(fēng)險區(qū).19種種植模式中，平地-旱地-園地的總氮、總磷流失量均最高，分別占全區(qū)的58.86%和63.87%，從流失總量來看是梁子湖區(qū)氮磷流失高風(fēng)險種植模式.

3)平地農(nóng)業(yè)集約化程度高，種植模式對應(yīng)的流失系數(shù)也較高，因此氮、磷常規(guī)流失量最大，占全區(qū)的93.02%和92.72%；然而平地當(dāng)季施肥造成的氮、磷流失量僅占常規(guī)流失量的23.50%和23.93%，小于緩坡地(30.30%和30.09%)和陡坡地(25.53%和29.35%).

4)水田和園地總氮的流失量最高，園地總磷的流失量和強(qiáng)度最高，因此水田和園地是控制氮磷流失的重點(diǎn)土地利用類型.