基于InVEST模型的水質(zhì)凈化功能時空分異研究

李 威，趙祖?zhèn)?，呂思思，趙衛(wèi)權(quán),2*

（1.貴州科學院 貴州省山地資源研究所，貴陽 550001；2.貴州師范大學 喀斯特研究院，貴陽 550001）

基于InVEST模型的水質(zhì)凈化功能時空分異研究

李 威1，趙祖?zhèn)?，呂思思1，趙衛(wèi)權(quán)1,2*

（1.貴州科學院 貴州省山地資源研究所，貴陽 550001；2.貴州師范大學 喀斯特研究院，貴陽 550001）

【目的】分析流域水質(zhì)凈化功能時空變化及其影響因素?！痉椒ā炕贗nVEST模型生態(tài)服務(wù)水質(zhì)凈化模塊，模擬北盤江流域2000、2010年和2020年TN、TP輸出空間分布。【結(jié)果】北盤江流域2000、2010年和2020年TN、TP輸出總量變化不大，但在空間分布上差異明顯，TN輸出總量均在8 000 t/a以上，20 a以來總共減少了120.76 t；TP輸出總量均在1 200 t/a以上，20 a來總共減少了5.45 t，表明流域生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)凈化服務(wù)功能有逐漸變好趨勢。TN、TP高輸出區(qū)域主要集中在北盤江流域上游和中游以及城鎮(zhèn)區(qū)周邊，低輸出區(qū)域主要在下游地勢平坦的區(qū)域?！窘Y(jié)論】耕地施肥過程中未被吸收轉(zhuǎn)化的N、P營養(yǎng)物質(zhì)以及城鎮(zhèn)區(qū)的生活生產(chǎn)污水是造成流域水質(zhì)凈化功能惡化的主要因素，也是流域非點源污染的重要來源。

流域；水質(zhì)凈化；InVEST模型；北盤江流域

0 引 言

【研究意義】水資源是地球環(huán)境的重要組成部分，在地表生態(tài)服務(wù)功能中扮演著關(guān)鍵角色，是維持自然生態(tài)要素循環(huán)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵紐帶，影響著一切生命和物質(zhì)的能量流動。自20世紀70年代開始，經(jīng)濟快速發(fā)展導致用地結(jié)構(gòu)變化，城鎮(zhèn)建設(shè)用地迅速擴張、人口數(shù)量高速增長等導致區(qū)域水資源短缺、水污染程度加劇等生態(tài)環(huán)境問題，已成為制約社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和影響人們生命健康的重要因素，制約著人類福祉的發(fā)展方向[1-3]，地表覆被變化是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的直接因素之一，其對流域生態(tài)水文循環(huán)具有營養(yǎng)物吸收和截留凈化作用，其凈化能力的大小一定程度上反映流域水質(zhì)的好壞[4-6]。土地利用格局時空演變破壞了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的平衡，自然植被遭到破壞、水土流失、土壤質(zhì)地變化等迫使區(qū)域植被和土壤對N、P等營養(yǎng)物截留能力（吸收、保持）減弱，大量的生產(chǎn)生活污水排放、農(nóng)田化肥、農(nóng)藥使用造成水污染加劇[7-8]。N、P等營養(yǎng)物一部分被作物吸收利用，一部分隨降雨徑流匯入水體，造成區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量下降，不可避免地導致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的喪失[9]。因此，流域水質(zhì)凈化問題備受關(guān)注，是當前生態(tài)學研究的前沿和難點問題[10-11]。

【研究進展】當前非點源氮磷污染負荷研究主要集中于以下幾個方面[12]：①觀察試驗研究。該方法需要選取小流域建設(shè)徑流場，通過定期監(jiān)測小流域非點源污染物氮磷負荷，一般而言，實測數(shù)據(jù)的非點源污染損失特征更加符合現(xiàn)實，因此污染負荷的估算精度較高，但是該方法進行定期監(jiān)測需要大量時間且費用較高，某些特殊區(qū)域很難進行應(yīng)用[13-14]。②景觀變化對流域水生環(huán)境的影響。許多學者認為流域內(nèi)景觀格局對水文特征和水質(zhì)具有顯著影響[15]，通過研究景觀與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系與最優(yōu)結(jié)構(gòu)，為水資源管理提供決策依據(jù)[16]。③機理模型。機理模型一般用于估算非點源氮磷污染負荷、識別關(guān)鍵源區(qū)、評估污染風險和研究過程機理等，當前有輸出系數(shù)模型、經(jīng)驗性模型和過程機制模型等幾種類型[17]，其中輸出系數(shù)模型來自一種“單位負荷測算”思路，核心是測算每個計算單元（人、畜禽或單位土地面積）的污染物產(chǎn)生量，進而估算研究范圍內(nèi)的非點源污染潛在產(chǎn)生量，因其結(jié)構(gòu)簡單數(shù)據(jù)易獲取得到廣泛應(yīng)用[18]。例如Wang等[19]利用動態(tài)輸出系數(shù)模型模擬中國三峽庫區(qū)的非點源污染，取得了較好的效果?；诮?jīng)驗的模型主要用于估算非點源污染負荷。如Jiang等[20]利用遙感反演法計算中國九龍江河口面源污染的空間分布，Yang[21]利用回歸模型探索景觀特征與氮負荷之間的定量關(guān)系?；谶^程機制的模型主要用于模擬非點源污染物的產(chǎn)生、遷移以及對于環(huán)境的影響，被認為可以有效克服輸出系數(shù)模型和經(jīng)驗性模型的缺陷[22]，如SWAT、SWMM、HSPF、AnnAGNPS、L-THIA、SPLM、IMPULSE等模型[23-26]，機理模型的模型精度一般較為理想。然而，以上的模型也有一些缺陷。輸出系數(shù)模型雖簡單易于操作，但是忽略了非點源污染復雜的遷移過程，并且通用性較差；經(jīng)驗性模型的研究基礎(chǔ)是統(tǒng)計分析，適用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)單一的小流域，但是其同樣不考慮污染物的遷移轉(zhuǎn)化，無法從機理上進行解釋，模型通常不可移植；機理模型對數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)精度要求較高，經(jīng)過規(guī)范率定和驗證能夠獲得較好精度，且利于移植，模型缺陷是參數(shù)眾多，需要深入理解過程機制以及獲取大量數(shù)據(jù)。

生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)凈化方面也開展了一系列研究工作，如Eugene等[27]以密西西比河流域景觀格局和流域水質(zhì)為研究對象，研究顯示流域景觀格局變化引起區(qū)域水質(zhì)凈化發(fā)生變化，引起流域水質(zhì)的動態(tài)響應(yīng)。吳瑞等[28]、MEI等[29]利用InVEST模型分析了官廳水庫流域的水質(zhì)凈化時空變化，研究顯示流域水質(zhì)凈化服務(wù)呈增強趨勢。黃斌斌等[30]對白洋淀流域的研究指出驅(qū)動水質(zhì)凈化能力提升的主要因素源于合理土地利用格局?！厩腥朦c】上述研究在評估成本、數(shù)據(jù)獲取和模型可移植性等方面不同程度上存在一定的局限。西南喀斯特山區(qū)地形地貌復雜，山多地少，工程性缺水嚴重，水資源安全問題一直是政府關(guān)注的重點[31-32]。北盤江流域?qū)俚湫偷目λ固氐孛?，水土流失、石漠化、地下水污染等一系列的環(huán)境問題頻發(fā)[33-34]。InVEST廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估集成，其營養(yǎng)物傳輸率模型（NDR）所需參數(shù)數(shù)據(jù)較容易獲取，機理明晰，適宜用于大尺度面源污染模擬研究，且當前對于氣候、地形復雜的南方山區(qū)研究案例相對較少。因此，開展這一區(qū)域的水質(zhì)凈化研究具有重要的科學意義。當前在流域水質(zhì)方面多數(shù)從水體本身質(zhì)量參數(shù)角度開展研究，流域視角下的水質(zhì)研究和水質(zhì)凈化功能研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，以北盤江流域(貴州段)為研究區(qū)，探討復雜地形下的流域水質(zhì)凈化時空分異規(guī)律及影響因素，為南方喀斯特流域地區(qū)水生態(tài)修復和水資源管理決策提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北盤江流域位于珠江流域上游，介于北緯24°51′—26°45′，東經(jīng)105°50′—106°20′之間（圖1），發(fā)源于云南省宣威市板橋鄉(xiāng)，在貴州境內(nèi)長352 km，地處云貴高原斜坡地帶，是珠江流域生態(tài)屏障的咽喉，與南盤江在黔西南州冊亨縣雙江鎮(zhèn)雙江口相交匯入紅水河。流域面積22 856.51 km2，在貴州境內(nèi)覆蓋畢節(jié)、黔西南、安順3個地州市17個區(qū)縣，多年平均徑流量38.49萬m3，主要有巴朗河、清水河、麻沙河、望漠河、烏都河、大田河、紅辣河等大小支流共計14條。地貌類型以內(nèi)陸喀斯特山地、河谷為主，區(qū)域海拔在223～2 871 m之間，地表崎嶇破碎，自西北部向東南部傾斜，山勢陡峻，高差在400～700 m之間。氣候?qū)賮啛釒駶櫦撅L氣候，年均溫度13.8～19.4 ℃之間，熱量充足，多年平均降水量1 352.8 mm，主要集中在5—9月，雨量充沛，雨熱同季。土壤主要以黃棕壤、黃壤為主，巖成性土壤有石灰土、紫色土等地帶性土壤。流域內(nèi)人類活動區(qū)域空間差異大，水土流失、石漠化等生態(tài)問題嚴重。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 The location of study area

1.2 數(shù)據(jù)與方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)源主要由以下部分組成：①氣象數(shù)據(jù)，來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http://cdc.nmic.cn/），包含研究區(qū)及周邊45個氣象站點2000、2010年和2020年總降水量（圖2）；②DEM數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）；③基于1∶10萬TM影像解譯的2000、2010、2020年土地利用數(shù)據(jù)（圖3），數(shù)據(jù)來源于地理國情監(jiān)測云平臺（http://www.dsac.cn/），將土地利用類型劃分為林地、耕地、建設(shè)用地、草地、水域5大類；④其他數(shù)據(jù)，包括研究區(qū)行政邊界、政府駐地、河流等；所有數(shù)據(jù)利用研究區(qū)矢量邊界對其進行裁剪，均統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為WGS84/Albers Equal Area Conic投影參與空間分析。

1.2.2 研究方法

1）流域劃分

研究區(qū)流域范圍和子流域的劃分主要采用ArcGIS水文分析工具，對流域數(shù)字高程DEM進行填洼，計算流程、流量，描繪分水嶺、計算河網(wǎng)，確定出水口等方式劃分流域和子流域邊界，經(jīng)計算研究區(qū)共劃分為43個子流域，子流域是作為InVEST模型在流域尺度N、P營養(yǎng)物輸出量的統(tǒng)計單元。

2）Aunsplin氣象插值

北盤江流域地形復雜，海拔高差大，長期強烈的流水切割作用使得中下流峽谷分布廣泛，區(qū)域氣候空間差異性大，降水時空分布不均（圖2）。流域降水空間分布對流域水文模擬具有重要意義，傳統(tǒng)的氣象插值方法誤差較大[35-36]。Anusplin氣象插值方法在復雜地表的插值精度優(yōu)于Cokriging、IDW、Kriging等傳統(tǒng)氣象插值方法[37-38]，因此，本研究采用Aunsplin基于普通薄盤和局部薄盤樣條函數(shù)插值理論，引入研究區(qū)地形因子作為協(xié)變量進行降水空間化插值。其原理是通過建立氣象觀測站點的氣象要素與站點經(jīng)度、緯度及協(xié)變量（高程）之間的相關(guān)統(tǒng)計關(guān)系，并通過相應(yīng)模塊模擬計算研究區(qū)所有網(wǎng)格點的氣象要素值，其公式為：

式中：Zi為柵格單元i的因變量；f(xi)為要估算的關(guān)于xi的位置光滑函數(shù)；xi為獨立變量；yi為p緯獨立的協(xié)變量；b為yi的p緯系數(shù)；ei為函數(shù)的隨機誤差。

圖2 2000、2010、2020年北盤江流域降水空間分布Fig.2 The spatial distribution map of precipitation in the study area in 2000,2010,and 2020

圖3 2000、2010、2020年北盤江流域土地利用類型分布Fig.3 The landuse of the study area in 2000,2010,and 2020

3）InVEST模型

InVEST模型由美國斯坦福大學（Stanford University）環(huán)境森林研究所、世界自然基金（World Wide Fund For Nature）和大自然保護協(xié)會（The Nature Conservancy）在2007年共同研發(fā)，是一種基于不同地表狀況下的生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)評估模型。模型中水質(zhì)凈化模塊的主要原理是分析流域范圍內(nèi)的N、P營養(yǎng)物質(zhì)從外界進入地表后再到河流湖庫的空間運輸過程，表征地表不同覆蓋狀況對N、P營養(yǎng)物質(zhì)的截留服務(wù)能力大小以及遷移過程和規(guī)律。模型水質(zhì)凈化營養(yǎng)物輸出量的表達式為：

式中：Xexp,i為流域范圍中每個柵格單元i的營養(yǎng)物輸出量；loadsurf,i為地表營養(yǎng)物的負荷量；NDRsurf,i為地表營養(yǎng)物的傳輸率；loadsubs,i為地下營養(yǎng)物的負荷量；NDRsubs,i為地下營養(yǎng)物的傳輸率；Xexptot為區(qū)域劃分子流域的營養(yǎng)物總輸出量。

1）地表營養(yǎng)物計算式如式（4）—式（10）所示

式中：NDR0,i為下游柵格單元未保留的營養(yǎng)物傳輸率，與柵格單元在地表上的空間位置無關(guān)；ICt為域地形指數(shù)；IC0和k為矯正系數(shù)；eff′i為營養(yǎng)物在地表柵格單元i傳輸?shù)胶恿髦g的最大截留效率；effLULCi為土地利用類型i到達流的最大截留效率；eff′downi為下游柵格單元i上的有效截留效率；si為步長因子；lidown為柵格單元i到流域下游地區(qū)相鄰柵格的路徑距離；lLULCi為土地利用類型柵格單元i的有效截留距離；Dup為上坡區(qū)域的平均斜率梯度（m/m）；A為上坡貢獻面積（m2）；di為區(qū)域坡度最大的柵格下坡方向沿第i個單元的流動路徑距離；Si為第i個單元的斜率梯度。

2）地下營養(yǎng)物傳輸率計算如式（11）所示

式中：i為柵格單元，NDRsubs,i為柵格單元i的地下營養(yǎng)物的傳輸率，effsubs為從地表柵格單元能夠下滲到地下的營養(yǎng)物最大截留效率，lsubs為地下河流的截留長度，即土壤能夠保持營養(yǎng)物最大容量所需的距離，li為柵格單元到地下河流的距離。

模型輸入?yún)?shù)包括研究區(qū)域DEM數(shù)據(jù)（填洼后）、土地利用數(shù)據(jù)、子流域范圍、流域流量累積閾值、營養(yǎng)物徑流代理、氮磷營養(yǎng)物輸出負荷和最大滯留距離、植被滯留效率以及Boresellik參數(shù)。其中營養(yǎng)物徑流代理采用研究區(qū)年總降水量代替，流域流量累積閾值與Boresellik參數(shù)經(jīng)過多次試驗調(diào)試，最終確定流域流量累積閾值取值為500，Boresellik參數(shù)取值2。根據(jù)自然環(huán)境的相似性，氮磷營養(yǎng)物輸出負荷系數(shù)、植被滯留效率參考InVEST模型手冊和相關(guān)學者的研究成果[39-41]，取值見表1。

表1 N、P營養(yǎng)物負荷系數(shù)和截留效率Table 1 N and P output coefficients and retention efficiency

2 結(jié)果與分析

2.1 TN、TP輸出空間分異

InVEST模型水質(zhì)凈化模塊通過模擬流域地表TN、TP輸出量來表征區(qū)域水質(zhì)凈化功能大小和差異，北盤江流域單位面積TN、TP輸出量（子流域、柵格單元）空間分布如圖4和圖5所示，子流域TN、TP單位面積輸出量越大，子流域總輸出量也越大，表明流域水質(zhì)凈化功能越差，水質(zhì)越差。從空間上看，TN、TP單位面積輸出量在各個子流域中時間和空間上的差異較為明顯，單位面積TN輸出量最小值和最大值均分布在2010年，分別為1.51 kg/hm2和5.21 kg/hm2，二者相差3倍以上；而TP輸出量在各個年份之間最大最小值變化不大，單位面積TP輸出量最小值為0.11 kg/hm2，最大值為0.87 kg/hm2，二者差距近8倍，同樣也分布在2010年，表明2010年在子流域尺度上N、P等營養(yǎng)物質(zhì)輸出空間分布差異性明顯，從2000年到2020年TN、TP子流域輸出量動態(tài)年變化程度大的區(qū)域主要分布在普安縣、晴隆縣和關(guān)嶺縣等流域中游地區(qū)，TN輸出量上，高值區(qū)域主要出現(xiàn)在北盤江流域上游的鐘山區(qū)、水城縣南部，西北盤州市區(qū)域、中部晴隆縣、六枝特區(qū)以及關(guān)嶺縣和鎮(zhèn)寧縣周邊區(qū)域，低值區(qū)域出現(xiàn)在普安縣北部、冊亨縣以及望謨縣周邊區(qū)域，TP輸出量上，高值區(qū)域主要分布在鐘山區(qū)、水城縣以南，盤州市以東、六枝特區(qū)、鎮(zhèn)寧縣、關(guān)嶺縣等區(qū)域，低值區(qū)域主要分布在流域下游的冊亨縣、望謨縣等區(qū)域。

圖4 2000、2010、2020年北盤江流域TN輸出量（柵格尺度、流域尺度）空間分布Fig.4 The spatial distribution of TN(raster scale,watershed scale) outputs of study area in 1995,2000 and 2010

圖5 2000、2010、2020年北盤江流域TP輸出量（柵格尺度、流域尺度）空間分布Fig.5 The spatial distribution of TP (raster scale,watershed scale) outputs of study area in 1995,2000 and 2010

2.2 TN、TP輸出時間變化

從時間上看，2000、2010年2020年北盤江流域在TN、TP輸出上存在差異，在流域范圍TN、TP輸出總量上，TN輸出量從2000年8 305.62 t減少到2010年的8 213.17 t，再到2020年的8 184.86 t，20 a間減少了120.76 t，減少了1.45%，變化幅度不大；TP輸出總量從2010年1 225.24 t到2010年1 206.49 t，再到2020年1 219.79 t，總共減少了5.45 t，占比0.44%；流域輸出總量上20 a間變化量不大，二者整體上呈減少趨勢。TN、TP輸出總量越多，北盤江流域水質(zhì)凈化服務(wù)功能越差，因此2020年是流域水質(zhì)凈化服務(wù)功能最好的年份，這與近年來國家和管理部門嚴格實施的生態(tài)保護、農(nóng)田減肥提效、用地合理布局等一系列措施息息相關(guān)。子流域TN、TP營養(yǎng)物的輸出量統(tǒng)計如表2所示，輸出總量上，TN、TP最大值均分布于盤州市所在子流域，2000—2020年TN、TP輸出總量分別為470 t和80 t以上；TN輸出總量變化較大的集中分布自100～400 t范圍，其中TN輸出量100～200 t區(qū)間從2000年的12個子流域增加到2020年27個子流域，200～300 t和300～400 t輸出量范圍總體上分別從14個子流域減少到5個以及6個子流域減少到1個，變化幅度較大，呈高值輸出總量范圍減少，低值輸出總量范圍增加的趨勢；TP輸出總量在子流域之間分布相對均勻，變化幅度不大。流域TN、TP輸出總量越多，生態(tài)系統(tǒng)對水質(zhì)凈化服務(wù)功能就越差，因此，北盤江流域TN水質(zhì)凈化服務(wù)效果在持續(xù)變好，而TP凈化服務(wù)效果有浮動趨勢，總體來看，流域水質(zhì)凈化功能出現(xiàn)穩(wěn)中變好趨勢。

表2 子流域TN、TP營養(yǎng)物輸出量范圍分布Table 2 Distribution of TN and TP nutrient output ranges in Sub-basin

3 討 論

3.1 北盤江流域水質(zhì)凈化影響因素

非點源污染是造成水質(zhì)惡化的主要因素之一，而N、P營養(yǎng)物質(zhì)是污染的重要組成部分，InVEST模型在柵格尺度的TN、TP營養(yǎng)物輸出量表明，北盤江流域水質(zhì)凈化功能空間差異性明顯，流域上游和中游地區(qū)的凈化效果明顯比下游區(qū)域的差，其主要的影響因素有：自然因素，流域地勢北高南低，西高東低，北部和西部區(qū)域山高坡陡，地表切割破碎，海拔均在1 500～2 000 m之間，高差較大，造成區(qū)域土壤貧瘠，地形起伏大，降雨徑流流速快，同等條件下地表下墊面對N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的截留效率比流域下游地勢較為平坦的區(qū)域要低，使得N、P等營養(yǎng)物質(zhì)能夠以較快速度和較大的數(shù)量輸出，迫使上游區(qū)域TN、TP輸出量大，區(qū)域水質(zhì)凈化功能變差，而下游區(qū)域主要以丘陵、河谷地貌為主，海岸在500 m以下，地勢相對上游地區(qū)較為平坦，且主要以林地、草地等土地利用類型為主，徑流流速低，氮磷營養(yǎng)物輸出負荷系數(shù)、植被滯留效率比其他類型的土地利用較高，其對氮磷營養(yǎng)物的吸附、沉淀、轉(zhuǎn)化作用強于上游區(qū)域，很大程度上加強了凈化水質(zhì)的作用，因此，北盤江下游區(qū)域的水質(zhì)凈化功能較高。

人為因素，TN、TP高值區(qū)域大多數(shù)位于城鎮(zhèn)建成區(qū)周邊、耕地區(qū)域以及地形起伏較大的高海拔地區(qū)。2000年以來流域內(nèi)的城市化發(fā)展進入快速擴張時期，依據(jù)2000—2020年研究區(qū)土地利用變化數(shù)量統(tǒng)計，近20年來建設(shè)用地面積增加了309.81 km2，工業(yè)發(fā)展迅速，大量的非建設(shè)用地轉(zhuǎn)換成城鎮(zhèn)建設(shè)用地和工業(yè)用地。城鎮(zhèn)區(qū)和工業(yè)園區(qū)內(nèi)大量的生活生產(chǎn)污水以及工業(yè)廢水的排放，導致TN、TP輸出量變大，林地、草地以及耕地等其他用地在轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地的過程中造成N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的負荷加大，且徑流系數(shù)的值隨著流域內(nèi)不透水面積比例的增加而增大，城鎮(zhèn)用地繼續(xù)增加，整個流域徑流系數(shù)增加[42-43]。在徑流作用下N、P等營養(yǎng)物質(zhì)匯入河流、湖庫，加劇了水質(zhì)凈化功能的風險程度，而耕地N、P等農(nóng)肥的大量施放超過了土壤和種植作物的吸收上限，多余殘留的N、P營養(yǎng)物質(zhì)隨著土壤水分加入到區(qū)域生態(tài)物質(zhì)循環(huán)過程，因此使區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)凈化功能出現(xiàn)較大的空間差異性。

3.2 模擬結(jié)果的準確性及對比

水質(zhì)凈化功能服務(wù)是現(xiàn)階段區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與水資源安全評估的重要組成部分，InVEST模型用N、P營養(yǎng)物質(zhì)的輸出量來表征區(qū)域水質(zhì)凈化功能的強弱，通常情況下，N、P營養(yǎng)物質(zhì)輸出量越大，說明區(qū)域?qū)、P營養(yǎng)物質(zhì)的生態(tài)需求能力和保持能力越差，面源污染就越嚴重，水質(zhì)凈化功能就越差，相反則越好。本研究是針對整個北盤江流域氮磷負荷的大尺度模擬，因為缺乏不同土地利用類型的氮磷排放實測數(shù)據(jù)，因此對于全面系統(tǒng)地評估模型精度具有一定的難度。

韓會慶等[44]基于InVEST對貴州省珠江流域水質(zhì)凈化功能進行模擬，評價單元包括北盤江水系流域，研究表明，2000年和2010年北盤江流域N、P平均輸出量分別為0.41 kg/hm2和0.38 kg/hm2，總體呈下降趨勢，下降率為6.67%，因二者選取的土地利用類型不同，且輸出系數(shù)單位不一致，計算結(jié)果難以進行比較，但是從增減趨勢來看，北盤江流域氮磷污染物輸出量都是呈減少趨勢，從側(cè)面說明本研究方法具有一定的準確性。在未來的研究中，可以通過實測數(shù)據(jù)來矯正土地利用類型的輸出系數(shù)，其次，將小流域的土地類型景觀結(jié)構(gòu)與地形地貌因素考慮進去，從而提高大尺度流域模擬精度。

4 結(jié) 論

1）2000—2020年北盤江流域的水質(zhì)凈化功能總體上差異較小，但是空間差異性明顯，高輸出區(qū)域主要集中在北盤江流域上游和中游等地形起伏較大的地區(qū)以及城鎮(zhèn)區(qū)周邊，低輸出區(qū)域主要分布在北盤江流域下游地勢平坦的區(qū)域。

2）各用地類型中，TN、TP單位面積輸出量最少的是林地，其次是草地，表明林地和草地水質(zhì)凈化功能最好，TN、TP單位面積輸出量多的土地利用類型為耕地，其次是建設(shè)用地。

3）基于InVEST模型的北盤江流域水質(zhì)凈化分析結(jié)果客觀反映了整個區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)凈化功能演化格局，研究過程中由于DEM、土地利用類型的精度以及降水差值過程中存在一定的誤差，在模型參數(shù)選取和調(diào)試過程中如何獲取高精度的數(shù)據(jù)以及評價方法的優(yōu)化與驗證是下一步研究的重要內(nèi)容。

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Attenuation of Pollutants in Beipanjiang River Basin Calculated Using the InVEST Model

LI Wei1,ZHAO Zulun1,LYU Sisi1,ZHAO Weiquan1,2*
(1.Institute of Mountain Resource,Guizhou Academy of Sciences,Guiyang 550001,China;2.Department of Karst Research Institute,Guizhou Normal University,Guiyang 550001,China)

【Background and objective】Most catchments are able to decontaminate exogenous pollutants to some extent to maintain their ecological functions.This capability depends on many biotic and abiotic factors and varies spatiotemporally.Understanding this variation is important to improve catchment management but challenging.This paper proposes a new method to plug this gap.【Method】The model is based on simulating the dynamics of typical pollutants.By taking the Beipanjiang River basin as an example,we simulated the dynamics of total nitrogen (TN)and total phosphorus (TP) based on the measurement at the outlet of the basin in 2000,2010 and 2020 using the InVEST model with the help of GIS,from which we analyzed their spatiotemporal variation and the underlying determinants.【Result】The dynamics of TN and TP in 2000,2010 and 2020 did not differ from each other noticeably,but a significant intra-year difference in spatial distribution of TN was found,where the minimum and maximum TN output per unit area in 2010 were 1.51 kg/hm2and 5.21 kg/hm2,respectively.The average total TN flow rate in the catchments was more than 8 000 T/years,reduced by 120.76 T in the 20 years.The average total TP flow rate in the catchment was more than 1 200/t year,reduced 5.45 T in the 20 years,indicating that the ability of the basin to attenuate nitrogen and phosphorus has been improving over the 20 years.The areas with high TN and TP were in the upper and middle reaches of the basin,as well as in the proximity of urban areas,while those with low TN and TP were the flatten areas at the downstream of the basin.Excessive application of N and P fertilizers in croplands as well as the sewage in urban areas were the source of the pollutants,which are too much for the basin to decontaminate.In addition,changes in climate and land use also alert the capacity of the basin to attenuate the contaminants．

river basin; self-purification; InVEST model; Beipanjiang river

X824；K90

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021471

OSID：

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1672-3317（2022）03-0105-09

2021-10-04

貴州省自然科學基金項目（黔科合基礎(chǔ)[2020]1Y410號，黔科合基礎(chǔ)[2018]1418號）；貴州省科技支撐計劃項目（黔科合支撐[2018]2806號）

李威（1986-），男，貴州遵義人。助理研究員，碩士研究生，主要從事資源環(huán)境遙感與3S技術(shù)應(yīng)用。E-mail:liwei_N70@126.com

趙衛(wèi)權(quán)（1982-），甘肅慶陽人。副研究員，碩士研究生，主要從事資源環(huán)境遙感與GIS應(yīng)用。E-mail:892525771@126.com

責任編輯：白芳芳