基于GIS的南四湖沿岸農業面源氮磷負荷估算研究

成杰民，宋 濤，李 彥

（1.山東師范大學 人口·資源與環境學院，濟南250014；2.山東省農業科學院 土壤肥料研究所，濟南250014）

由于農業面源污染具有來源分散、多樣、其地理邊界和位置難以識別和確定等特點，加之面源污染影響因子復雜多樣、形成機理尚不明確，給其定量研究帶來很大困難［1］。根據土壤流失量定量研究面源污染中氮磷的發生量是目前常用的方法［2］。該方法是通過計算土壤流失量、原土壤表層養分含量和流失土壤的養分富集比，得到氮和磷等面源污染物的流失量［3］。近年來，越來越多的模型與地理信息系統（GIS）技術相結合，推動了對農業面源污染的研究［4－7］。通用土壤流失方程（ULSE）是美國 Wischmeier和Smith［8］于1960年根據近萬個徑流小區試驗資料建立的經驗公式，是最早將坡度、坡長、氣候因子（降雨）、植被因子、土壤可蝕性等引入土壤侵蝕預報的一個簡潔模型。通用土壤流失方程（ULSE）中運用GIS的柵格數據分析與計算功能，按照土地利用、土壤類型、植被分布、地形地貌和降雨強度計算面源污染物的發生量，解決了面源污染空間分布不均的問題，有效提高了估算效率、準確性和結果的顯示度，在全世界得到廣泛應用。我國已將USLE廣泛應用于水土流失、環境評價等方面的研究［9－11］。近年來，GIS和RS技術的應用，保證了源信息的采集、處理和應用［12］，使得模型模擬更加方便快捷。

近幾年，南水北調輸水沿線點源污染得到良好控制，農業面源污染成為制約東線調水的重要因素。南四湖作為南水北調東線工程的重要通道和調蓄區，其水質的優劣直接關系南水北調工程的成敗。而南四湖來自集水水域內的地表徑流等面源排放所帶入的營養物占入湖總量的70%以上［13］，嚴重影響南四湖水環境質量。因此，開展南四湖沿岸農業面源污染調查研究，明確沿湖農業生產中氮磷的產生量、流失量是加強南四湖農業面源污染防控及綜合治理前提。

本文以濟寧市沿南四湖縣區鄉鎮為主要研究范圍，對沿湖5km，河流水系上延至10km，兩側2km的研究區開展調查研究。根據降雨徑流和土壤侵蝕量，運用遙感（RS）影像和地理信息系統（GIS），確定USLE各參數，運用土壤通用流失方程（USLE）對南四湖沿岸土壤流失，氮磷流失模數進行定量計算分析，為沿岸農業氮磷流失的消減與控制提供科學依據。

1 研究區概況

南四湖位于山東省西南部（116°34′—17°21′E，34°27′—35°20′N）。屬于淮河流域泗水河水系，是典型的平原淺水湖。最大水面面積約為1 266km2，是我國北方最大的淡水湖。承受東、西、北三面，魯、蘇、豫、皖4省32個縣市區的來水，直接入湖河流53條，流域總面積達31 400km2。

南四湖流域屬于暖溫帶、半濕潤季風氣候區，夏季濕熱、冬季干冷，季風變化顯著，地帶性植被為闊葉落葉林。主要成土母質為酸性巖風化物和石灰巖風化物，形成地帶性土壤為棕壤和褐土，非地帶性土壤有砂漿黑土、潮土和水稻土。其中沿湖土壤主要為潮土和水稻土。南四湖農業種植作物230多種，主要糧食作物有小麥、水稻、谷子、高粱、豆類及薯類等，經濟作物有棉花、花生、芝麻、蔬菜、煙草等。

自20世紀60年代以來，南四湖流域工農業迅速發展，工農業用水逐年增加，入湖水量逐年減少的同時，污染排放不斷增加。南四湖整體水質已經由80年代的輕污染型轉變到現在的中污染—重污染型，屬于藍藻—隱藻型的中富—富營養湖泊，局部富營養化湖泊［13］。

南四湖絕大部分處在濟寧市管轄，包括濟寧市的2縣1區，共23個鄉鎮街道辦事處（表1）。研究區耕地面積67 572hm2，人口約116.37萬人，其中農業人口占87%，非農業人口占13%。本文以濟寧市沿湖縣區鄉鎮為主要研究對象，沿湖5km，河流水系上延至10km，兩側2km的區域開展調查研究。

表1 濟寧市主要沿湖行政區

2 研究方法

2.1 USLE模型

采用通用土壤流失方程（USLE）［8］，其基本形式為：

式中：A——單位面積土壤流失量［kg／（m2·a）］；R——降雨侵蝕因子；K——土壤可蝕性因子；L——坡長因子；S——坡度因子；C——植被因子；P——水土保持因子；系數0.224是將美國所用英制單位換算為國際通用單位。

2.2 USLE各參數確定

在確定各因子前，需搜集沿岸區域相關的資料，包括：沿岸地形圖、降水數據、植被分布、土壤分布及理化性質（機械組成、養分含量等），以及人類活動對土地的利用、農業施肥現狀、種植輪作模式等。運用ArcGIS 9.2和ERDAS 9.2軟件進行分析處理。

2.2.1 降雨侵蝕參數R 降雨是土壤侵蝕發生的基本動力，降雨侵蝕力因子R是評價降雨對土壤侵蝕能力的一個動力指標。其公式為：

式中：R——降雨侵蝕力［（m·t·cm）／（hm2·h）］；E——一次降雨的總動能［（m·t）／hm2］；I30——一次降雨過程中連續30min最大降雨強度（cm／h）。

上述公式在計算降雨動能和最大雨強時需要詳細的降雨過程資料，因目前我國難以獲得詳細的單次降雨過程及詳細雨強，因此本文采用卜兆宏［14］的年降雨侵蝕力經驗公式，利用容易獲得的常規降雨資料月雨量與年雨量因子計算R。

式中：Pi——月平均降雨量（mm）；P——年平均降雨量（mm）。

考慮年內各月降雨量的差異，根據2000—2007年山東省統計年鑒對濟寧地區的降雨量統計，求多年平均降雨量，最終確定R值為171.73（m·t·cm）／（hm2·h）。

2.2.2 土壤可侵蝕性K 根據土壤的機械組成和有機質含量確定K 值［15］。根據實際調查，以國家1∶100萬土壤數據庫的沿岸土壤矢量圖為基礎，確定南四湖沿岸土壤主要為褐土、潮土和水稻土3種類型，結合采樣分析和濟寧地區土壤普查資料并參考有關文獻［16－17］的研究成果，得出3種土壤的K 值分別為：0.278，0.269，0.431。

2.2.3 坡度因子S和坡長因子L 坡度因子S和坡長因子L都屬于基于DEM的地形因子。其計算方法有兩種：一是將根據地塊平均坡度、坡長的計算值帶入地塊包含的柵格單元獲得［18］；二是直接基于單元的坡度和坡向值進行計算［19］。由于南四湖沿岸地形平坦，起伏不大，沿岸坡度遠小于1%。因此參考公式：

式中：L——坡長（m）；θ——坡度角；m——常數，當坡度≥5%、3.5%～4.5%、1%～3%和＜1%時，m分別為0.5，0.4，0.3和0.2［3］。查閱 M.J.柯克比的通用土壤流失方程式中地形因子LS的圖表，確定沿岸的LS統一取0.1。

2.2.4 耕作管理因子C與水土保持因子P 耕作管理因子C與水土保持因子P通常根據研究區域地表實際情況查表獲得。完全沒有植被保護的裸露地面C值為1，植被良好的森林地區C值接近0。一般無任何水土保持措施的土壤P值為1，其它情況P值在0～1之間。由于C值反映植被條件的差異，P值反映人為耕作方式差異，兩者都反映的是地表景觀狀況，具有較高相似性，在一定程度上反映了人為干擾程度的大小，因此將C值和P值結合，統一為景觀控制因子CP。

采用非監督分類1SODATA（Iterative Self－Organizing Data Analysis Technique）算法，對南四湖遙感影像分類解譯，完全按照像元的光譜特性進行統計分類。經過初始分類、專題判別、分類合并、色彩確定、分類后處理、色彩重定義、柵格矢量轉換、統計分析，形成景觀類型的柵格圖。參考王曉輝對巢湖非點源NP污染排放負荷估算及控制研究［20］，確定南四湖沿岸耕地的景觀控制因子CP值（表2）。

表2 南四湖沿岸景觀控制因子CP值

2.3 土壤流失量

在確定通用流失方程各因子數值的基礎上，將各因子轉化為柵格圖并以GIS為平臺通過空間分析的“柵格計算器”對各柵格圖形進行疊加分析，得到南四湖沿岸土壤流失模數的空間分布圖。由計算結果可知，沿岸土壤流失量A為0～497.39t／（km2·a），平均土壤流失量（土壤侵蝕模數）為352.7t／（km2·a）。

3 結果與分析

3.1 南四湖沿岸農業面源污染氮磷流失量

將土壤流失模數、土壤表層氮或磷的含量和富集比相乘，可以近似獲得面源污染物氮或磷的發生模數，進而得到研究區域的氮磷流失量。土壤表層氮磷含量（表3）數據來源于濟寧市土壤志；富集因子通過土壤機械組成計算［21］獲得。據研究，氮磷的富集比一般為1～4，絕大多數在2左右，在缺乏準確的研究數據的情況下，將南四湖沿岸土壤富集比定為2。

表3 研究區主要土壤氮磷百分比含量 %

在土壤流失A柵格圖的基礎上，結合沿岸土壤氮磷養分含量，進行柵格計算，確定沿岸農業面源污染中農田氮磷發生模數的空間分布圖（圖1）。

南四湖沿岸農業面源污染氮的流失模數為0～0.91t／（km2·a），均值為0.606t／（km2·a）。磷的流失模數為0～0.54t／（km2·a），均值為0.392t／（km2·a）。用ArcGIS軟件的空間分析“區類統計”命令，按照南四湖沿岸不同的鄉鎮為區類進行統計，整理確定USLE模型下南四湖沿岸的氮磷流失情況（圖2）。

圖1 南四湖沿岸氮磷的流失模數

圖2 USLE模型計算的氮磷流失量

由USLE模型計算的氮磷流失量可知（圖2），氮和磷的流失量密切相關，都主要集中在湖西區域，以喻屯、王魯和唐口的流失量居于前列，最高的喻屯氮磷流失量達439.9t／a和271t／a；湖東區域，石橋、馬坡、歡城和韓莊的氮磷流失量居于前列，最高的石橋氮和磷流失分別為174t／a和120.6t／a。

南四湖沿岸氮磷流失量主要集中在湖西區域，這是由于南四湖西岸耕地比重較大，景觀類型比較一致。尤其是喻屯、王魯、唐口、石橋鎮等區域經濟發展較其他區域滯后，農田耕地面積大，種植業所占比重高，多以小麥—水稻輪做的種植模式為主，農業活動相對頻繁，化肥施用量大。不論是農業廢水、畜禽養殖廢棄物還是生活污水，幾乎沒有進行收集處理，使得這些區域氮磷的流失量明顯高于其他鄉鎮。

3.2 USLE模型計算的氮磷流失量與實際調查計算值比較

通過USLE模型計算的氮磷流失（以下簡稱模型計算氮或磷流失量）與實地調查、模擬試驗［22］、結合前人研究中確定的農田氮磷流失量（以下簡稱實際調查氮或磷流失量）進行比較（圖3—4）。

圖3 實際調查農田氮流失量和模型計算值比較

圖4 實際調查農田磷流失量和模型計算值比較

結果表明：農田實際調查的氮和磷的流失量與模型計算值趨勢較為一致，兩者呈極顯著線性正相關，其中氮的流失量Y模型＝0.8902 X實際－2.8955，R2＝0.9152（p＜0.01），磷的流失量Y模型＝2.7815 X實際－3.649 7，R2＝0.8376（p＜0.01），說明誤差具有一致性。除南陽鎮外，氮的模型計算流失量略低于實際調查流失量，相對相差為－12.49±30.43%。而磷的模型計算流失量除南陽鎮外，其他各鎮遠遠高于實際調查流失量，相對相差為113.53±169.85%，高樓、張樓兩鎮相對相差高達400%。

究其原因：沿岸土壤氮主要來自化學肥料的施用，農田氮的流失遠高于畜禽養殖和生活排污的氮流失，是氮的主要流失形式［22］。面源磷的流失主要來自畜禽養殖，其次才是農田磷流失［22］。而USLE模型是將坡度、坡長、氣候因子（降雨）、植被因子、土壤可蝕性等引入土壤侵蝕預報的一個簡潔模型。通過USLE模型計算僅考慮顆粒態氮磷流失量，因此對以農田流失為主的氮流失計算較為準確，對畜禽養殖和生活污水排放為主的磷流失計算誤差較大。且模型分析中既有對遙感影像的解譯，又有對USLE各參數的評估，這些都會在一定程度上影響模型的計算精度。

4 結論

USLE模型計算的氮磷流失量主要集中在湖西區域，以喻屯鎮、王魯鎮和唐口鎮的流失量居于前列，最高的喻屯鎮氮磷流失量分別達439.9t／a和271 t／a；湖東區域，石橋鎮、馬坡鎮、歡城鎮和韓莊鎮的氮磷流失量居于前列，最高的石橋鎮氮和磷流失分別為174t／a和120.6t／a。農田實際調查的氮和磷的流失量與模型計算值趨勢較一致，兩者呈極顯著線性正相關（p＜0.01），說明誤差具有一致性。氮的模型計算流失量略低于實際調查流失量，而磷的模型計算流失量遠遠高于實際調查流失量。主要是因為南四湖沿岸農田氮的流失是氮的主要流失形式，遠高于畜禽養殖和生活排污的氮流失。而磷的流失主要來自畜禽養殖，其次才是農田磷流失。雖然模型計算存在一定的誤差，但是通過模型的空間模擬，能明確反映出南四湖沿岸農業面源污染的氮磷流失空間特征、空間分異規律，為沿岸氮磷流失的防控提供了明確的目標和方向。

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