巢湖流域土地整治與面源污染時空過程及關系

張淼淼, 肖 武, 徐建飛, 李素萃, 呂雪嬌, 趙彬程

(1.中國礦業大學(北京) 土地復墾與生態重建研究所, 北京 100083;2.浙江大學 公共管理學院, 杭州 310058; 3.中國資源衛星應用中心, 北京 100083)

中國土地整治開始于20世紀90年代末，經歷了“重數量”、“數量與質量并重”和“數量、質量與生態并重”的3個階段[1]。土地整治的作用不僅僅是提高土地利用效率，促進農業生產活動，它更提升了一個維度的內涵[2]，不僅要通過“田水路林村鎮”改善人類的生存條件，還要通過“山水林田湖草”整治以實現生態化國土空間，即建設生態良田、修復受損土地和改善環境為中心的生態景觀型的土地整治已成為主線[3]。

巢湖地處江淮，毗鄰長江，是安徽省長江流域最大的河流系統，也是國家糧食安全戰略布局的重要區域。農田安全是糧食安全的重要保障，而農田水環境是保障農田安全的關鍵環節。隨著農業經濟飛速發展，糧食大幅增產，面源污染問題成為巢湖流域水環境治理的焦點，從1978年首次發生富營養化，水質不斷惡化，到2003年污染狀態峰值，逐漸的引起政府及專家學者的重視。目前，中國農業面源污染主要來源于化肥施用、農田固體廢棄物、畜禽養殖糞污、水產養殖污水和農村生活污染等5個方面[4]。相關研究表明農業布局調整措施[5]，防護林種植措施[6]，改善農業種植結構措施[7]，生態排灌措施等[8]土地整治措施會對面源污染產生間接影響，以面源污染治理為中心的生態景觀型的土地整治是實現巢湖流域生態農田建設的必經之路。

然而，從區域角度來看，土地整治多是點狀分布，且以增加耕地面積與提高耕地質量為核心，對面源污染境與生態環境的改善無顯著作用，面源污染治理往往更側重于農村污染防控[9]、農用地化肥施用的控制[10]，以及水體的治理等[11]方面。本研究以巢湖為例，基于SWAT模型模擬的2000—2010年面源污染負荷(總氮、總磷)和2000—2010年土地整治項目數據，結合GWR模型，從宏觀角度探究區域尺度的土地整治項目實施與面源污染的空間關系，分析土地整治對面源污染的作用機制，為巢湖以及同類地區以面源污染治理為中心的生態景觀型土地綜合整治提供科學依據及建議。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

巢湖是我國第五大淡水湖，位于安徽省中部，是全國重要的水源地和生態保護區。地理坐標為116°25′30″—118°29′52″E,30°5′18″—32°32′30″N。巢湖北有柘皋河、店埠河入湖，西有南淝河、派河、豐樂河、杭埠河、白石天河流入，南與兆河、白湖相通，東經裕溪河下泄長江，水資源豐富。巢湖地處江淮丘陵地帶，地勢西高東低、中間低洼平坦，且氣候溫和濕潤，年平均氣溫15～16℃，年平均降水量為1 100 mm，夏季降雨居多。土壤類型以黃棕壤為主，土地利用類型以耕地、林地、建設用地與水域為主。

考慮到巢湖流域土地整治項目以完整行政區為單位，本研究選取巢湖流域所在的14個縣(市、區)為研究區域，即無為縣、和縣、含山縣、舒城縣、金安區、長豐縣、瑤海區、蜀山區、廬陽區、廬江區、肥西縣、肥東縣、巢湖市、包河區，總面積約為1.97萬km2，見圖1。

圖1 研究區位置

1.2 數據來源及數據庫的建立

本文參考以往研究[12-13]和多次試驗結果，最終確定適合本研究單元格網大小為1 km×1 km，以此單元格網為單位進行數據庫建立及結果與分析，并選擇3個時間點即2000年、2005年、2010年進行節點性和階段性的研究。

1.2.1 面源污染數據 巢湖流域中，面源污染的各方面研究已經很成熟[14-15],SWAT模型也成為了面源污染問題研究的重要手段。SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是20世紀90年代初美國(USDA)開發的分布式農業面源污染負荷模型[16]，可根據不同的土地利用、土壤以及水利措施對流域的水、泥沙、化學物質等進行模擬。

SWAT模型所需要的數據分為兩類，空間數據和屬性數據，采用阿爾伯斯雙標準緯線多圓錐投影(Asia_North_Albers_Equal_Area_Conic)，具體情況見表1。

表1 面源污染數據情況

為了后續的定量分析和模型模擬，將SWAT模型模擬的巢湖流域總氮和總磷負荷，按照國家《地表水環境質量標準》修訂[19]分為6個級別進行空間展示，劃分等級見表2。

1.2.2 土地整治數據 巢湖流域土地整治指標構建的基礎數據來自于2000—2010年研究區范圍內的土地整治項目。2000—2010年巢湖土地整治項目主要分布于巢湖市、肥東縣、肥西縣、廬江縣、長豐縣、無為縣和金安區等14個區縣，共2 609個，2000—2010年的實際總投資達到9.48億，新增耕地1.43萬hm2，實際建設總規模達到3.12萬hm2。考慮數據本身特性以及土地整治項目驗收規程的綜合性原則，借鑒以往土地整治指標的構建[20-21]，選取了整治項目強度、建設強度、新增耕地、總投資以及投資強度5個基礎指標。5個指標均可作為土地整治力度的代表，故采用同等權重法綜合形成整治因子指標，代表2000—2010年的整治力度，詳情見表3，結果見圖2。

表2 面源污染劃分等級

表3 土地整治因子計算

圖2 整治因子及整治項目分布

1.3 統計方法

本文首先利用全局Moran′sI和局部空間關聯指數(LISA)計算了2000年、2005年、2010年及2000—2005年、2005—2010年兩個時段面源污染全局空間自相關指數Moran′sI(顯著性水平p=0.001)。通過分析巢湖面源污染的空間自相關性及空間異質性，探測其熱點區域，再結合地理加權回歸模型(GWR)進行土地整治對2000年、2005年、2010年面源污染現狀及土地整治對2000—2005年，2005—2010年面源污染變化的影響研究。

1.3.1 空間自相關分析 空間自相關是揭示空間數據分布的一個重要的方法，是測度某位置上的數據與其空間位置數據間的相互依賴程度，分為全域型和區域型兩種。該方法已經廣泛應用于空間數據挖掘，探索自然與社會現象的空間模式和分布。

空間自相關的Moran′sI統計可表示為:

(1)

1.3.2 地理加權回歸模型(GWR) 地理加權回歸模型(Geographically weighted regression,GWR)[22]，是普通線性回歸(OLS)的改進，將數據的地理位置帶入到回歸參數中，并考慮相鄰點的空間權重，允許局部的參數估計。已被廣泛地應用到經濟、自然資源管理、醫學多個等研究領域，近年來也逐漸成為水質研究領域的新熱點。GWR模型計算公式為:

(2)

式中:(ui,vi)為第i點的空間位置；βk(ui,vi)為第i點的第k個回歸系數；εi為第i點的隨機誤差。

2 結果與分析

2.1 面源污染分布及演變結果與分析

面源污染變化趨勢分為3類:面源污染無變化區、面源污染惡化區和面源污染恢復區。圖3為2000—2010年面源污染(總氮、總磷)模擬結果，表4—7為面源污染風險轉移矩陣。由圖3可看出巢湖流域北部長豐縣、肥東縣、瑤海區、蜀山區、廬陽區、包河區在2000—2010年總氮等級下降較劇烈，而總磷等級在瑤海區、蜀山區、廬陽區、包河區下降趨勢較明顯。

圖3 2000-2010年巢湖流域總氮和總磷負荷的空間分布

從表4—7中可以看出，2000—2005年和2005—2010年兩個階段期間，總氮等級無變化區的比重從92.85%，下降至91.65%，總磷等級無變化區比重也從95.06%下降至94.91%，說明2005—2010年階段巢湖區域總氮和總磷變化更為劇烈。

表4 2000-2005年面源污染(總氮)風險轉移矩陣

表5 2005-2010年面源污染(總氮)風險轉移矩陣

表6 2000-2005年面源污染(總磷)風險轉移矩陣

表7 2005-2010年面源污染(總磷)風險轉移矩陣

巢湖面源污染變化是惡化與恢復相互交織的過程，從變化區的面積來看，2005—2010年總氮恢復區所占面積比重為6.88%較2000—2005年上升了0.2%，總氮惡化區的比例也從2000—2005年的0.49%增加至2005—2010年的1.46%。總磷恢復區所占比重從2000—2005年的4.73%下降至2005—2010年的4.33%，惡化區從2000—2005年的0.22%增加至2005—2010年的0.76%。但2000—2010年期間，縱觀巢湖流域面源污染(總氮、總磷)整體情況看恢復面積始終大于惡化面積。

2.2 空間自相關結果與分析

圖4所示為面源污染局部空間關聯指數(LISA)分類圖(顯著性水平p=0.001)，由圖4可知總氮的高風險區(HH指標)在2000，2005，2010分別占總面積的22.37%，22.71%，22.36%，呈穩定趨勢。總氮的低風險區(LL指標)在2000年、2005年、2010年分別占總面積的29.87%，30.67%，31.12%，呈上升趨勢。表明2000—2010年，巢湖流域內總氮的面源污染情況呈現逐步恢復趨勢。圖5所示的總氮變化的熱點區域的統計結果也證實了該點，總氮變化的HH型的比重在2000—2005年、2005—2010年兩個時期均小于LL型的區域，2005—2010總氮變化的LL型較2000—2005上升了3.28%。研究期間內，總磷也呈相同的趨勢。即面源污染各指標存在較為顯著的正自相關，總氮和總磷的空間分布表現出較為明顯的空間聚集。

圖4 面源污染局部空間關聯指數(LISA)分類

圖5 面源污染變化局部空間關聯指數(LISA)分類

2.3 巢湖流域土地整治與面源污染的關系與響應

面源污染與土地整治的響應關系進研究主要包括面源污染對土地整治現狀的響應及面源污染對土地整治變化的響應兩部分。

2.3.1 巢湖面源污染對土地整治現狀的響應 巢湖面源污染對土地整治現狀的響應是分別以2000年、2005年、2010年面源污染指數(總氮、總磷)為因變量，相應年份的土地整治因子為自變量進行分析。GWR的R2、回歸系數的空間分布見圖6、圖7和表8。

表8 GWR模型R2

圖6 2000-2010年現狀R2空間分布

圖7 2000-2010年現狀回歸系數空間分布

2000年、2005年、2010年的面源污染總氮R2從0.720升至0.730，總磷R2從0.717升至0.731，整治因子的擬合大致在0.71～0.74之間，說明整治因子大致解釋面源污染當年現狀的71%～74%。這表明了在研究期間，研究區整治因子對面源污染現狀的影響起重要性作用，且逐漸增大的趨勢，也證明土地整治對面源污染的影響不容忽視。

從面源污染與土地整治關系的空間分布看，面源污染對土地整治的響應在空間上具有較強的異質性。其R2較大的主要分為3部分在研究區西北、東南、東北中部呈斑塊狀分布(肥西縣、肥東縣、無為縣)，然后以這些區域為中心向外遞減。相關系數較大區與土地整治集中區基本重合。從回歸系數看，2000年和2005年回歸系數大于0的區域仍主要分布于西北和東南兩部分，其余大部分系數處于小于0的狀態;在2010年的回歸系數中，在西南、東南以及巢湖中部是回歸系數大于0的集中區，并以此3個斑塊為中心向周遞減，且絕大部分區域系數小于0。2000年、2005年、2010年的回歸系數分布雖然存在著差異，但大部分區域系數處于小于0的狀態，說明在增加土地整治強度的情況下，面源污染的值反而降低，即巢湖流域內的面源污染得到了一定的改善。

2.3.2 巢湖面源污染對土地整治變化的響應 巢湖面源污染對土地整治變化的響應是分別以2000—2005年、2005—2010年面源污染指數(總氮、總磷)為因變量，相應階段的土地整治因子為自變量進行模擬。GWR分析的R2為0.38～0.50，即土地整治的變化大致解釋了面源污染變化的38%～50%，這說明研究期間土地整治的實施在一定程度上對面源污染的分布造成影響，其變化趨勢影響了該區水生態環境變化的走向。

2000—2005年R2在全區的分布基本上以中北部以及中南的塊狀高值區向外逐漸遞減，其余大部分區域以片狀分布，R2處于0～0.1的狀態，所占比重最大。2005—2010年R2于0.3～0.5的區域大多分布于北部、西北和東南部(包河區、肥西縣、無為縣)，并以此為中心向中部巢湖方向遞減，說明邊緣地區面源污染變化受土地整治影響較大。從回歸系數可以看出，研究區系數以小于0為主。

3 討 論

本研究發現隨著土地整治的進行，面源污染有恢復的傾向。面源污染的緩解與多方面因素有關，本文僅就土地整治角度，討論其對面源污染的作用機制:

(1) 耕地細碎化降低，集約化農業活動降低化肥使用量。過量及不恰當的化肥施用是造成面源污染的重要原因，巢湖流域土地整治項目多，投資大，全域是安徽省土地整治的重點區域，通過土地整治，打造了耕地集中連片分布的糧食主產區和基本農田保護示范區，耕地的細碎化程度大大降低，研究表明耕地細碎化對農戶化肥使用效率具有顯著負影響[23]，降低了面源污染的輸入源頭。

(2) 四大土地整治工程作用。防護林工程可以有效的改善水土流失，一定程度上緩解生態保護壓力。土地平整工程中不僅可以田塊合并規整，還可通過坡改梯方式改變原有的坡面過程，形成田坎，改善生產耕作條件和水土保持能力。農田水利工程也可通過建立生態的農田灌排網絡系統和水利工程配套設施，合理布局，減少洪澇災害帶來的水土流失。

(3) 村莊集約規劃管理，加強監管農村生活污水的統一處理排放。加強村莊規劃管理，穩步推進村莊整治，引導農民集中居住，有序搬遷撤并空心村和過于分散、生態惡劣的村莊。改善農村生活環境，集中處理農村生活污水廢水[24]，有效減少面源污染外源。

(4) 土地整治帶動面源污染治理項目落實，綜合治理效果佳。根據自然資源部土地整治中心發布的土地整治藍皮書，土地整治投資的帶動效應達到將近4.0，土地整治工作的開展提供了相較更加有利的耕作條件，也增加了農業面源污染治理相關項目在土地整治區落地的可能性，其復合作用下的面源污染治理效果得到增強。

4 結論與建議

4.1 結 論

(1) 巢湖流域面源污染(總氮、總磷)的空間分布主要呈現東西為軸線條帶狀以及南部區域高值，北部區域低值的空間分布。該空間分布特征是自然地理環境(西北部低山丘陵圍繞)與人類活動(農業耕作)共同作用的結果。

(2) 面源污染恢復與惡化的情況并存，且存在空間差異。瑤海區、蜀山區、廬陽區、包河區為合肥市4個區，在土地整治的作用下仍能保持耕地斑塊形狀的規則，耕地面積小，化肥使用量小，2000—2010年總氮和總磷在此區域改善趨勢較明顯。除此之外，居巢區位于巢湖東側，土地整治種植了大量防護林，改善了當地水土流失環境，故氮磷有所改善。

(3) 巢湖流域面源污染(總氮和總磷)及面源污染變化區域全局自相關指數隨著年份增加，持續上升，影響范圍和程度越來越大，成為影響該區域環境問題的重要因素。

(4) 面源污染對土地整治現狀的響應R2在0.71～0.74，面源污染對土地整治變化的響應R2在0.38～0.50，呈負相關。

4.2 建 議

(1) 生態田埂技術，適當提高田埂高度，可減少大部分的農田地表徑流。因地制宜的在田埂的兩側栽種植物，形成隔離帶，有效吸附攔截氮磷養分和殘留農藥。

(2) 建設生態溝渠，在溝底、溝板種植植物，可過濾吸附農田徑流污染物，達到控制污染物向水體遷移和氮磷養分再利用目的。

(3) 推進村莊集并，加強生活污水集中處理，避免出現由不良生活習慣和落后的排污體系直接排放到溝渠、坑塘、農田等水體。

(4) 土地平整過程調整農田的土壤質量，對相對貧瘠的土壤進行改良，因地制宜科學規劃農業產業種植結構。

(5) 類似于巢湖同類大型湖泊或河流區域，規劃種植防護林，改善土壤侵蝕和面源污染情況。

本文以2000—2010年作為研究時間段，盡管在一定程度上揭示了土地整治與面源污染的響應關系，但仍需探索更長時間序列下兩者的空間關系。生態型土地整治是實現巢湖流域生態農田建設的必經之路，本文為巢湖及類似共同考慮面源污染治理和農田安全保障的區域提供土地整治的建議和依據。