漢江中下游土壤侵蝕及顆粒態非點源磷負荷研究

沈 虹,張萬順,彭 虹

（1.北京大學城市與環境學院,地表過程分析與模擬教育部重點實驗室,北京100871;2.武漢大學資源與環境科學學院,武漢430079;3.武漢大學水利水電學院,武漢430072;4.北京大學深圳研究生院,城市人居環境科學與技術重點實驗室,廣東深圳 518055）

非點源污染研究最早始于20世紀60年代美國和日本所開展的土地利用與湖泊富營養化關系調查。而后,隨著計算機、3S技術的發展,以及野外實驗、室內分析、水質監測等方法的改進完善,描述地表水文過程、土壤侵蝕過程、污染物遷移轉化過程等的數學模型隨之出現[1],各種不同類型的非點源模型相繼問世并得到廣泛應用[2-3]。非點源污染研究也從統計分析向半機理及機理過程轉變[4],研究尺度從小流域擴展到中大型流域甚至國家尺度。相對于國外,國內研究起步雖晚但發展迅速,已有的研究案例覆蓋了不同尺度、不同類型的非點源,主要的研究關注點包括河網水系的分維影響[5]、負荷的模擬估算及空間分布特征[6]、污染物的遷移轉化[7]等。因此,建立定量化模型仍是當前非點源污染研究的重點。

根據負荷產生和遷移過程,非點源負荷可以分為溶解態和顆粒態兩種類型[8]。溶解態負荷主要是指水溶性污染物,顆粒態負荷則是指在侵蝕性降雨作用下,被沖刷剝蝕吸附在土壤及泥沙中的污染物,它伴隨著泥沙遷移進入河道,最后在河流中解析形成的水體污染[9]。水土流失、土地利用及水肥管理方式是顆粒態非點源負荷形成的重要原因,它不僅攜帶了大量地表肥沃的土壤,同時還帶走了大量累積在地表的磷污染物質[10-11]。因此,有必要對土壤流失與顆粒態負荷的定量關系進行深入研究。目前常用的研究方法是GIS與USLE結合,已廣泛應用于黑河[12]、九龍江[13-14]、巢湖[15]等流域。

漢江作為長江的重要支流,其中下游水質狀況對于保障沿岸飲水及工農業生產安全具有重要的意義。然而,近年來隨著漢江中下游水質的惡化,非點源污染已成為流域水體污染的主要影響因素之一。目前關于漢江中下游水土流失以及顆粒態非點源磷負荷的研究較少[16-17],研究范圍也主要集中在流域沿岸,多以行政意義界定流域邊界,忽視了污染負荷在遷移轉化過程中所依賴的自然地理要素,且方法以綜合層次判別分析和經驗方法為主,缺少定量的模型化研究。因此,本研究基于GIS平臺,采用USLE和負荷輸出經驗方程對漢江中下游土壤侵蝕和顆粒態非點源負荷進行了定量估算。按照自然地理要素和時空過程一致性原則,以柵格作為基本計算單元,以子流域作為基本的匯總和模擬單元,分別研究了影響土壤侵蝕的五大因素,通過空間疊加方法得到了流域土壤侵蝕狀況,并在此基礎上估算了非點源負荷及其空間分布特征,以期為流域水土保持和顆粒態非點源防控提供理論依據。

1 流域概況及環境數據

1.1 流域概況

本研究采用的流域范圍以自然邊界為準,利用DEM基于集水區生成,地跨湖北、河南兩省(30°-34°N,100°-114°E),上起丹江口,下至漢江入長江河口,全長616 km,總流域面積6.078 4萬km2,涉及湖北省的26個縣、市、區和河南省的13個縣、市。流域內擁有河南南陽盆地和湖北江漢平原兩大農業區,孕育了唐白河、南河、北河、小清河、蠻河、竹皮河、漢北河等河流水系。近年來漢江中下游先后5次發生富營養化現象,水質狀況日益堪憂,非點源磷污染成為其重要原因之一。

1.2 基礎數據及預處理

本研究中所有的基礎數據(表1)均被納入到統一的坐標系統下:Albers等面積圓錐投影,并轉化為100 m×100 mGrid格式。為了體現流域內地理要素的空間異質性,在ArcSWAT中對凹陷填充后的DEM進行了再分割。經過反復對比分析發現,當集水區面積閾值等于30 000 hm2時,生成的水系與實際情況具有最大相似性,此時共劃分31個子流域,得到流域總面積為6.0784萬km2(圖1);同時,在DEM 的基礎上進行坡度、坡向分析,將坡度分為五組0～7.5°,7.5°～12.5°,12.5°～ 17.5°,17.5°～ 22.5°,22.5°～ 90°,合并破碎多邊形得到坡度圖。將坡向按東北、東、東南、南、西南、西、西北、北8個方向進行分組得到坡向圖。解譯流域2007年Landsat TM影像,經過幾何校正、影像拼接、直方圖匹配、顏色糾正等,得到疏林地、有林地、水田、旱地、建設用地、水域和未利用地7類土地利用類型;土壤數據來源于1∶400萬中國土壤分布圖、中國土壤數據庫、湖北省和河南省土種志,包括土壤的空間分布、質地組成、有機質含量、TP背景值等,制作土壤磷元素含量和其他氣象要素等相關專題圖。

表1 基礎數據及說明

圖1 漢江中下游子流域分布圖

2 研究方法

以柵格為非點源的基本計算單元,以子流域為非點源負荷匯總的基本單元,基于GIS、RS技術,采用ULSE方程和負荷輸出經驗方程對顆粒態非點源負荷量進行估算。

2.1 土壤侵蝕模數估算

USLE(universe soil loss equation)是一種經驗統計模型,它由Wischmeier于20世紀60年代提出。模型的基本思想是侵蝕模數大小取決于引起侵蝕的力與土壤抵抗降雨沖刷的能力的組合,計算結果表述為降雨引起的單位面積土壤流失量[18]。目前,將USLE與GIS/RS結合已經成為土壤侵蝕研究的重要方法[19-20]。

式中:A——年均土壤侵蝕量[t/(hm2?a)];α——單位轉換系數,為224.2;R——降雨侵蝕力因子[(MJ?mm)/(hm2?h?a)];K代表土壤可蝕性因子[(t?hm2?h)/(hm2?MJ?mm)];LS——坡度坡長因子,無量綱;C——經營管理因子,無量綱;P——水土保持措施因子,無量綱。

2.1.1 降雨侵蝕力因子R 降雨侵蝕力旨在評價降雨引起土壤侵蝕的潛在能力,它與降雨量、降雨歷時、降雨強度、雨滴大小等因素有關[21]。利用研究區1961-2006年月平均降雨量和年平均降雨量資料,根據Wischmeier經驗公式估算R[22],表達式為

式中:Pi——月均降雨量(mm);P——年均降雨量(mm)。

2.1.2 土壤可蝕性因子K 土壤可蝕性因子K是土壤侵蝕性的量度,它反映了不同類型土壤抵抗侵蝕能力的高低,與土壤質地和有機質含量密切相關。目前K估算主要基于小區實驗展開,常用的經驗估算辦法是Williams等人提出的土壤質地、有機質含量測定方法。本研究在采集漢江中下游土壤資料、圖件、土壤類型空間分布等資料的基礎上,通過查表和參考眾多文獻研究[23-25],確定了研究區土壤可蝕性因子K值。

表2 漢江中下游土壤可蝕性因子K值

2.1.3 坡長坡度因子LS 坡度坡長因子代表地形因素變化對土壤侵蝕的影響。坡度、坡長與侵蝕作用力呈現正向關系,當坡度和坡長因子越陡或越長時,徑流速度將越大,相應的,在坡面匯集的徑流所引起的侵蝕作用力也將增強。本研究引用王寧等[26]關于地形因子LS的估算方法,得到坡長坡度因子LS的計算表達式如下:

式中:LS——坡度坡長因子,無量綱;l——坡長(m);θ——坡度(°);m——坡長指數,其值與坡度相關。

2.1.4 經營管理因子C 經營管理因子C是指在相同土壤、坡度和降雨條件下,某種特定土地覆被的土壤流失量與耕作后連續休閑地的土壤流失量比值,可以反映地表覆蓋、土地利用以及一般管理措施對土壤侵蝕速度的影響。由于經營管理因子的影響因素非常多,通常采用簡化處理,僅考慮最主要影響因素植被覆蓋度與經營管理因子C的作用關系[27-28]。資料研究證實,NDVI與植被覆蓋具有良好的線性關系[29]。因此本研究將遙感解譯的NDVI作為橋梁,利用NDVI推導出植被蓋度(公式4),進而建立植被蓋度與經營管理因子的經驗公式(公式5)。其值介于0～1,當植被蓋度為0時,土地裸露,最易造成土壤侵蝕,因此經營管理因子 C最大;當C≥78.3%時,植被蓋度較高,可以阻擋降雨動能造成的侵蝕,近似認為此時經營管理最完善,經營管理因子C賦值為0。

式中:NDVI(Normalized difference vegetation index)——植被歸一化指數,無量綱;lc——植被蓋度,無量綱;C——經營管理因子,無量綱。

2.1.5 水土保持因子P 水土保持因子P指采取水土保持措施后的土壤流失量與順坡種植時的土地流失量比值,反映了水土保持措施對于土壤侵蝕的控制作用,數值介于0～1。目前,水土保持因子P的求取方法有基于坡度分級賦值和基于不同土地利用賦值等方式。

考慮到研究區的特點,本研究采用土地利用賦值方法。在查閱流域水保措施資料及參考大量文獻的基礎上[30-31],確定研究區水土保持因子P值。水土保持因子P值越大表明水保措施越差,土壤潛在侵蝕的可能性越大,例如未利用地通常為裸地,可近似認為未采取任何水保措施,因此水土保持因子P值為1;而對于水域,由于不會產生水土流失,因此可視為擁有完善的水保措施,賦值為0。

表3 漢江中下游水土保持因子P值

2.2 顆粒態氮磷負荷估算

參照相關研究確定顆粒態非點源負荷的經驗輸出模型為[7,13-15,17,21,32]:

式中:Wxp——顆粒態非點源磷負荷[kg/(hm2?a)];α——單位換算常數,無量綱;Cp——顆粒態磷負荷濃度,來源于中國科學院南京土壤研究所提供的中國土壤數據庫、湖北省和河南省土種志;A——土壤流失量[t/(km2?a)];η——富集系數,無量綱 ;Sd——流域土壤侵蝕遷移到河道的運移比,無量綱。

(1)土壤磷濃度計算。土壤中磷含量是土壤流失的直接補給,它反映了土壤流失的潛在能力。本研究中采用的土壤磷濃度來源于中國土壤數據庫、湖北省和河南省土種志(表4)。

表4 土壤中顆粒態非點源磷負荷輸出濃度 %

(2)富集比。侵蝕形成的泥沙具有富集養分元素的特性,同雨前表土養分含量相比,侵蝕形成的泥沙養分含量較高,這種現象被稱為泥沙富集作用[33],一般用某養分在侵蝕泥沙中的含量與其在被侵蝕土壤中的含量之比表示。本研究在參閱同類研究的基礎上[12,17,33],確定研究區富集比為2。

(3)遷移比Sd。顆粒態非點源磷負荷伴隨土壤侵蝕、遷移的過程中會出現損耗,只有真正進入河道中的污染負荷才會對流域水質造成影響,并且距離河道的遠近直接影響著運移損耗。根據長江水利委員會對長江流域長期定位的研究結果:長江流域的Sd值大約為0.1～0.4[17],據此確定研究區內平均泥沙輸移比為0.28,最大值0.4,最小值0.1。利用Arc-GIS空間分析工具計算每個柵格單元到最近河道的距離,按照距離倒數賦值輸移比,得到 Sd空間分布圖。

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕估算及驗證

2007年研究區土壤的平均侵蝕模數為867.55 t/(km2?a),最高侵蝕模數為子流域 21,高達5 158.75 t/(km2?a),分布在神農架林區。最低侵蝕模數為子流域28,低至111.42 t/(km2?a),分布在竹皮河流域附近。按照1997年水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》將研究區土壤侵蝕劃分為八級,得到侵蝕程度分類圖(附圖1)。總體上,漢江中下游流域屬于輕度侵蝕區,但依然有5.69%的區域侵蝕模數大于2 500 t/(km2?a),其中,中度侵蝕1.8%,強度侵蝕1.21%,極強度侵蝕1.32%,劇烈侵蝕1.37%,土壤侵蝕的主要分布區以中低山和丘陵地帶為主,而土壤侵蝕的最嚴重區域則以中高山農耕地為主,如神農架林區、房縣、保康、谷城部分區域及嵩縣、內鄉等地帶,這與文獻[16]的研究結論較為一致。

3.2 非點源負荷空間分布

研究區顆粒態非點源磷負荷為8 496.79 t/a,對比2002年史志華等人[17]在該流域的計算結果8 893.4 t/a,顆粒態非點源磷負荷的總量有所減少,但空間分布具有一致性,支流唐白河、南河、蠻河等非點源磷負荷的入匯量較高。從子流域單位負荷的角度分析,子流域21,16,15,12,22,2,24顆粒態磷單位負荷較高(附圖2),其中最高為子流域21,單位負荷高達8.42 kg/(hm2?a)。具體來說,這些子流域主要分布在三片區域,一是神農架林區、房縣、保康、谷城、南漳西北部一帶,平均顆粒態磷單位負荷為4.1 kg/(hm2?a);二是嵩縣、內鄉一帶,平均顆粒態磷單位負荷量為3.0 kg/(hm2?a);三是鐘祥東北部,平均顆粒態磷單位負荷為1.45 kg/(hm2?a)。在神農架、房縣、保康一帶雖然有林地面積大,但海拔高,坡度大,平均坡度在22.5°以上,且在經濟發展的帶動下,將坡地改成耕地種植高山玉米、蔬菜等現象較普遍,因此土壤流失最為嚴重,隨水土流失攜帶的顆粒態非點源負荷亦最高。在嵩縣、內鄉一帶,其北部平均坡度達22.5°以上,坡耕地亦是造成土壤流失和非點源負荷的最重要原因;而在南部,作為南陽盆地的一部分,磷肥的大量施用是顆粒態負荷增高的重要原因之一。在鐘祥東北部,山地丘陵是最主要的地貌類型,土地利用方式多為旱地、疏林地、未利用地等,植被覆蓋度較低,導致坡長坡度因子LS、經營管理因子C、水土保持措施因子P較高,因此土壤流失產生的非點源負荷量高,此外,分布在該地區的石灰土,土壤T P含量較高也是部分原因。自鐘祥以下的漢江下游河段,顆粒態非點源磷負荷均較低,平均單位磷負荷為0.3 kg/(hm2?a),見圖2。

表5 漢江中下游土壤侵蝕模數分級表

圖2 子流域顆粒態非點源單位負荷量和總量關系

表6 各支流非點源磷負荷的匯入情況

在實際負荷遷移轉化過程中,顆粒態負荷不是直接通過子流域匯入干流,而是由支流攜帶進入主干河道,因此將子流域按照主要支流進行匯總分析有利于指導支流的非點源防控工作。在本研究中,將31個子流域按構成分組為9個主要支流和直接入江10種情形,分別為北河、南河、小清河、唐白河、蠻河、雙河、利河、竹皮河、漢北河和直接入江。從支流入匯的非點源負荷分析(表6),研究區內顆粒態非點源磷負荷主要來源于支流入匯,直接入江的顆粒態非點源磷負荷僅占16.87%。唐白河由于流域面積大,同時又流經“中州糧倉”南陽盆地,農業磷肥廣泛施用使得流失的土壤中含有大量的顆粒態非點源磷負荷,因而成為最大的顆粒態非點源磷負荷貢獻者,總量達到3 079.26 t,貢獻率達36.24%;南河因流經神農架、保康、房縣等土壤流失最嚴重區,顆粒態非點源磷負荷較高,達到2 454.45 t,貢獻率為28.89%,居第二位。這里山地綿延、地勢陡峻,且坡地耕作,植被漸被破環,侵蝕流失的負荷量大;蠻河流經南漳區域,磷負荷量也較高,位居第三。北河、漢北河、利河的顆粒態非點源磷負荷貢獻率居中,為2.75%～3.72%。小清河、雙河、竹皮河因面積小,單位負荷量低,因而對顆粒態氮磷負荷總量的貢獻率低,磷的貢獻率均小于等于1.23%。

4 結論

(1)漢江中下游2007年土壤的平均侵蝕模數為867.55 t/(km2?a),總體上屬于輕度侵蝕,但依然有5.69%的區域侵蝕模數大于2 500 t/(km2?a)。流域內由于土壤流失引起的顆粒態非點源磷負荷流失量達8 496.79 t/a,其中南河、唐白河、蠻河等支流的非點源單位負荷量和總負荷量均較高,最高單位負荷量可達8.42 kg/(hm2?a),與水土流失區嚴重區基本一致。該區域主要分布在神農架林區、房縣、保康等山地丘陵以及南陽盆地等農業發達地區,與坡耕地耕作、農田化肥施用緊密相關,是今后水土流失和非點源防控的關鍵區,因此在防控非點源工作中,要從顆粒態負荷產生的源頭做起,一是要加大森林覆蓋,二是要嚴禁坡地耕作,防控和減少水土流失。

(2)由于部分河口泥沙等相關數據較難獲取,因此本研究中無法利用實測數據對估算的顆粒態負荷量進行驗證。同時,在本研究中以負荷的經驗輸出公式代替了負荷復雜的遷移轉化機理,在一定程度上會影響估算的精度,因此有待在今后的工作中進一步改進和完善。

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