土地覆被變化對流域非點源污染的影響研究——以黑河流域為例*

胥彥玲,王蘇艦,李懷恩

(1.北京市科學技術情報研究所,北京100120;2.西安理工大學西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室,西安710048)

土地利用是人與土地相互作用下由不同的利用方式和利用強度組成的動態(tài)系統(tǒng)[1],反映了人類與自然界相互影響與交互作用最直接和最密切的關系。土地利用以及由此導致的土地覆蓋的變化通過影響流域氣候、水文、土壤養(yǎng)分遷移以及土壤侵蝕的產生,從而通過非點源污染途徑對流域水環(huán)境產生了不同程度的影響。在我國,繼點源污染后,來自農業(yè)非點源污染已成為最重要的環(huán)境污染源,幾乎所有非點源污染來源都和土地利用/土地覆蓋變化緊密聯(lián)系。深入認識和研究土地利用/土地覆蓋變化對流域水環(huán)境的影響過程,對維持流域生態(tài)平衡,采取合理的土地管理方式,保護水源具有重要意義。

以黑河流域為例,在探討SWAT 模型(美國農業(yè)管理模型)在陜西黑河流域適用性[2]的基礎上,通過對不同土地利用情境下產生的非點源污染進行分析,最后闡述土地利用變化對流域非點源污染的影響。

1 流域概況

陜西黑河為渭河右岸的較大支流,位于東經107°43′-108°24′,北緯 33°42′-34°13′,屬黃河二級支流,發(fā)源于秦嶺太白山北麓之茫谷,由西南流向東北,至周至縣馬召鎮(zhèn)附近的武家莊出峪后由東北的石馬村入渭河。黑河流域黒峪口以上流域面積(研究區(qū))1 481 km2,包括8個行政鄉(xiāng)4個行政村。該區(qū)屬溫暖帶半干旱、半濕潤大陸性季風氣候區(qū),四季分明,冬夏溫差大,多年平均氣溫13.2℃。受地形地貌、大氣環(huán)流、太陽輻射等綜合因素的制約,該區(qū)降水、蒸發(fā)等氣象因素在時空分布上有差異。流域徑流主要由降雨形成,徑流年季變化較大,年內分配亦不均勻。區(qū)內地貌類型大體可分為:低山陡坡型,海拔600～1 000m;中山陡坡型,海拔1 000～3 500m;高山陡坡型,海拔3 500 m以上。從秦嶺梁往北,高度遞減,植被覆蓋率亦成遞減趨勢。在中、深山區(qū),植被覆蓋度低,生態(tài)環(huán)境良好。該區(qū)域的土壤類型以褐土、棕壤、暗棕壤及高山草甸土為主。根據黑河流域2000年土地利用統(tǒng)計,黑河流域以林業(yè)用地所占比例最高,其次為未利用地,再次是耕地。

2 土地利用 /覆被情景設定

情景建立的依據是理論和實際。黑河流域主要的土地利用類型為耕地、林地、未利用地、居民及工礦用地4種,由于黑河是整個引水工程的主要水源,而且黑河水庫存在著潛在富營養(yǎng)化危險。因此,為了了解土地覆被對流域水質的影響,首先從理論上假設流域全部為森林覆被的情景。其次,從實際情況出發(fā),根據目前當地的政策發(fā)展(全面禁伐、水源涵養(yǎng)林保護工程等的實施),假設土地利用逐漸改善,25°以上的坡地全部還林,以及在一個未來幾年內達到的最佳的土地覆被狀況時的情景。最佳土地覆被情景應該是,流域范圍內除了少數居民點、水域以外,允許15°坡度以下有少量的適宜農耕的耕地,其余適合森林生長的土地都是森林植被,不存在未利用地。最后,考慮到未來土地管理不善,假設土地利用可能會惡化的情況。要模擬的5種情景如下:

情景1:黑河流域位于秦嶺山區(qū),山高坡陡,水源區(qū)耕地面積3 484.9 hm2,占該區(qū)土地總面積的2.24%,其中大于15°的坡耕地高達 87.71%,假設未來響應國家水源保護政策,將山區(qū)人口搬離,全部退耕還林,流域土地利用只有林地。

情景2:土地覆蓋為最佳狀態(tài),即在2000年土地利用現(xiàn)狀的基礎上,≥15°的坡地全部還林,15°以下的坡地中未利用地和工礦用地全部還林,15°以下的耕地不變(即林地占97.247%,15°以下耕地面積2.753%)。

情景3:響應國家退耕還林政策以及水源保護政策,在2000年土地利用現(xiàn)狀的基礎上,逐漸將＞25°的坡地全部還林,25°以下的坡地不變。

情景4:為了與其它情景進行對比,將情景4設置為2000年土地覆蓋狀況。

情景5:黑河流域環(huán)境現(xiàn)狀調查表明,其相鄰流域紅草河的土地利用情況比黑河流域差。考慮到與黑河流域的自然地理情況相似,當地的生產方式和生活習慣基本相同,如黑河流域得不到有效保護,那么黑河流域將有可能變成紅草河的情況,因此,情景5假設黑河流域土地利用情況惡化為紅草河的狀況[3],林地、耕地、未利用地、居民及工礦用地分別占71.009%,11.10%,17.136%,0.753%。

3 5種土地利用情景模型的模擬結果與分析

3.1 徑流的模擬結果與分析

根據上述5個情景,分別模擬黑河流域1991-2000年共10 a的降雨徑流關系,全年徑流總量的模擬結果見表1[4-5]。

表1 5種情景下地表徑流的模擬結果 mm

從表1可以看出,徑流深的大小排序為情景5＞情景4＞情景3＞情景2＞情景1,且情景 3、情景4和情景 5的徑流量變化幅度較大。由此表明:(1)隨著流域林地面積的增加(即環(huán)境得到極大的確良改善),流域徑流深減少;(2)由于流域地形坡度較大,因此,通過采取對15°以上坡地的還林措施(即有效治理),會極大地削減地表徑流深的產生。

3.2 泥沙的模擬結果與分析

通過對5種情景1991-2000年10 a泥沙的模型模擬,其結果見表2。

表2 5種情景下泥沙的模擬結果 103 t

表2可以看出產沙量的大小排序為情景5＞情景4＞情景3＞情景2＞情景1。由此表明:與地表徑流深的特征相似,隨著森林植被的增加,水土流失量減少,從而使得流域產沙量也減少,即森林具有極大的減沙效應。

3.3 水質模擬結果與分析

在徑流與產沙分析的基礎上,通過對5種情景1991-2000年10 a的水質運用SWAT 2000模型進行模擬,其結果見表3和圖1。

分析表3和圖1可以得出:(1)當流域全部為林地時,總氮的多年平均負荷量為99 001 kg,單位負荷為0.67 kg/(hm2?a),總磷的負荷量為17 145 kg,單位負荷為0.11 kg/(hm2?a),這與文獻[3]中的計算結果在同一數量級上,且相差不大。

Sogzini[6]等人對美國各類型土地的氮磷輸出給定了一個范圍,美國的林地總磷輸出為0.02～0.67 kg/(hm2?a),而模型模擬值為0.11 kg/(hm2?a),美國林地總氮輸出為1～6.3 kg/(hm2?a),模型輸出為0.67 kg/(hm2?a),由于國情的不一致,我國的數據和美國的情況有所差異,但可以用他們的數據做一個參照[7]。考慮到該小流域山高坡陡,土壤貧瘠、降雨量不大等特殊情況,所以用上述數據對比,基本可推斷模型模擬值有效,從而再一次驗證了SWAT模型在該流域的適用性。(2)隨著水源保護政策實施力度的不斷加大,植被覆蓋度率增大,極大地降低了流域的產水、產沙量,從而使得溶解態(tài)氮磷、有機態(tài)氮磷均有減少,對于溶解態(tài)氮磷以及有機態(tài)氮磷而言,水質負荷的排序為情景5＞情景4＞情景3＞情景2＞情景1。(3)從1991-2000年 10 a平均總氮、總磷負荷來看,現(xiàn)狀土地利用下(即情景4)總氮與總磷的負荷量分別為173.334 t和38.653 t,與現(xiàn)狀土地利用相比,土地利用變化所導致的非點源污染的變化見表4。(4)就情景2而言,由于＞15°的坡地退耕還林,耕地只存在于15°以下的坡地內,同一流域內,空間變化不大,因此可簡單認為情景2中耕地和林地均存在于均一空間單元內,結合情景1林地的單位負荷(氮的負荷為0.67 kg/(hm2?a),磷的單位負荷0.11 kg/(hm2?a),可計算出15°以下耕地的單位負荷,氮為8.85 kg/(hm2?a),磷為4.2 kg/(hm2?a)。馬立柵[7]在太湖流域測定的旱地總氮輸出數據為13.27 kg/(hm2?a),旱地的總磷,Sozogni的數據是0.2～4.6 kg/(hm2?a)[6],由于本研究流域位于西北地區(qū)秦嶺深山區(qū),土壤貧瘠,因此,與文獻[6]和[8]中旱地值對比,可認為計算結果有效,從而為土地利用優(yōu)化模型提供了計算參數值。

表3 5種土地利用情景下水質的模擬結果 kg/a

圖1 不同土地利用情景對水環(huán)境中氮、磷的影響

表4 土地利用變化導致的非點源污染的變化

表4可看出:從氮/磷污染的控制效益來看,情景1＞情景2＞情景3,而情景5則對水環(huán)境具有惡化的作用。由此表明,隨著對植被的破壞,即土地惡化,會導致流域非點源污染的急劇增加;反之,隨著全面禁伐、水源涵養(yǎng)林保護工程等的實施,流域水環(huán)境會得到極大的改善,特別是對15°以上坡耕地的有效治理后。

4 結論

(1)土地利用、覆被變化會對流域非點源污染產生極大的影響。林地具有較強的減水、減沙效應,從而極大地削減了流域非點源污染的產生。

(2)加強土地管理,促進土地的合理利用,特別是15°以上坡耕地的合理利用,將是有效控制流域非點源污染,保護流域水質的有效措施。

(3)理論聯(lián)系實際,為了有效改善流域水環(huán)境,控制非點源污染,未來黑河流域土地利用最佳狀況是:響應國家水源保護政策,流域人口逐漸搬離,15°以上的坡地全部還林,在滿足飲用水水質標準情況下,允許15°以下坡度中有少量適宜農耕的耕地,無未利用地,且植被覆蓋較好。此時,流域氮的年總負荷為13.25 kg,磷的年總負荷為3.29 kg,對流域水質不會造成污染。

[1] 郝芳華,陳利群,劉昌明,等.土地利用變化對產流和產沙的影響分析[J].水土保持學報,2004,18(3):6-8.

[2] 胥彥玲,秦耀民,李懷恩,等.SWA T模型在陜西黑河流域非點源污染模擬中的應用[J].水土保持通報,2009,29(4):114-117.

[3] 《黑河引水工程水源保護研究》課題組.黑河引水工程水資源保護研究技術總報告[R].西安:陜西省環(huán)境科學研究設計院、西安理工大學,1998.

[4] 于興修,楊桂山,梁濤.西苕溪流域土地利用對氮素徑流流失過程的影響[J].農業(yè)環(huán)境保護,2002,21(5):424-427.

[5] JeffsW C,Konrad D M,Konrad JC,et al.Po llution from land runoff[J].J.Environment Science&Techno logy,1980,14(2):148-153.

[6] 焦鋒,秦伯強,黃文鈺.小流域水環(huán)境管理:以宜興湖滏鎮(zhèn)為例[J].中國環(huán)境科學,2003,23(2):220-224.

[7] 馬立珊,汪祖強,張水銘,等.蘇南太湖水系農業(yè)面源污染及其控制對策研究[J].環(huán)境科學學報,1997,17(1):39-47.

[8] 李秀彬.全球環(huán)境變化研究的核心領域:土地利用/土地覆被變化的國際研究動向[J].地理學報,1996,51(6):553-557.