汾河水庫周邊土壤氮流失風險評價

申小雨， 張 紅， 張艷靈， 馮 凌

(山西大學 環境與資源學院, 山西 太原 030006)

汾河水庫周邊土壤氮流失風險評價

申小雨， 張 紅， 張艷靈， 馮 凌

(山西大學 環境與資源學院, 山西 太原 030006)

摘要：[目的] 對汾河水庫周邊土壤氮流失風險進行評價，為汾河水庫周邊的環境管理與污染控制提供依據。 [方法] 在對汾河水庫周邊土壤采樣、全氮含量測定的基礎上，結合研究區地形、降雨、土地利用類型、徑流、化肥施用、人口、潛在污染源距離等因子，采用通用水土流失方程和氮指數評價法進行評價。 [結果] 從研究區整體來看，土壤氮流失風險水平并不高，風險評價等級為低、中、高、極高程度的面積分別占研究區總面積的78.04%，2.72%，9.31%和9.93%；從空間上來看，氮流失風險較高的區域主要集中分布在研究區的西南和東北部，土地利用類型主要是地勢平坦的耕地。中等流失風險程度的區域大部分位于沿河山地地區，土地利用類型為林地、草地及耕地。低風險程度的區域主要位于河谷地區較為平坦的地區，土地利用類型以草地和耕地為主。 [結論] 采用的氮指數評價法綜合考慮了土壤氮流失的源因子和遷移因子，可以科學有效地反映研究區土壤氮流失風險的水平及空間分布。

關鍵詞：汾河水庫； 氮流失； 氮指數； 風險評價

氮是農作物生產力的重要組成元素，研究證明農業非點源氮流失對流域水體的富營養化有重要的貢獻作用。一定量的氮施入土壤，能夠起到很好的補充土壤營養元素的作用，有利于提高農作物產量，但如果過量施用便會使土壤中的氮含量增高，從而導致氮素的流失，甚至會對生態環境產生危害。因此，對汾河周邊氮素的流失風險評價有利于土壤中氮肥的補充和防止氮肥的流失。Lemunyon[1]最先發展了對農田磷素流失風險進行分級評估的指數方法，之后有Gburek[2]等提出的磷指數評價計算方法，隨后在美國以及歐洲等國家得到不斷發展和應用，并擴展到氮素流失的風險評估中。國內非點源氮流失評價方面的研究工作相對較少，最初都是用磷指數法對磷元素的流失進行的風險評價，并且方法也各不相同。張淑榮等[3]，王麗華[4-5]，周慧平和高超[6]分別利用磷指數法對于不同地區磷流失風險進行了評估。但是，對于氮流失風險評估的氮指數的應用和發展卻很少有報道[7]。陳能汪[8]等的流域尺度的氮流失風險評價采用故障樹和概率分析方法，存在主觀與客觀的不確定性；張平[7]等的研究采用氮磷綜合指數法對氮磷流失進行風險評估，此法操作簡單、因子確定和數據獲得容易，但沒有考慮徑流深度和人口密度因子；李如忠[9]的研究中也采用此種方法，同樣也沒有考慮徑流深度和人口密度因子。本研究以汾河水庫周邊10 km的范圍為對象，為小尺度流域，它是由一些小尺度變量來支配的。例如，流域微地貌、土壤、植被、降雨以及與之相聯系的土地資源配置、人類活動方式、區域土壤水文過程、土壤侵蝕、農業化學物質投放量等，流域農業非點源污染也存在著這種尺度效應[10]。因此，本研究結合國內外研究成果，在綜合考慮汾河水庫周邊土壤氮元素流失成因的空間特性基礎上，全面考慮各影響因子并進行空間定量化，探討各因子對土壤氮素流失風險的關系，對氮流失風險進行綜合評價和風險分級劃分，為汾河水庫周邊土壤氮流失的防治提供相關依據。

1研究區概況

汾河水庫是山西省重要的淡水資源大型水庫，對太原市的防洪及工農業供水起著重要作用，同時對保障和支撐太原市經濟的可持續發展具有重要的社會意義。汾河水庫位于山西省婁煩縣境內偏東北部的汾河谷地內，是汾河流域最大的集水水庫。研究區域為汾河水庫周邊10 km的汾河河谷，地理坐標38°00′—38°14′N,111°80′—111°93′E。研究區屬于大陸性暖溫帶半干旱季風氣候，地形多為山地，海拔高差大，因此在氣候特征、降水量等方面也存在較大差異。汾河水庫流域內年均降水量為523 mm，6—9月降水量占全年降水量的78.8%。當地年均溫5.0～7.0 ℃，無霜期多年平均為136～141 d，日照時數約2 850~2 870 h，主導風向為西北風和北風。土壤的營養類型為富含無機氮、總氮、總磷，缺乏無機磷，水質營養狀況屬于中營養型。農作物品種主要有莜麥、谷子、山藥、玉米、高粱、糜黍、豆類等。汾河水庫周邊地區的經濟不發達，多數地區仍然依靠農耕型經濟發展生產，區域內農業人口數量比例大，單位面積化肥施用量高于全國平均水平一倍多，化肥的大量施用導致氮、磷、鉀等元素通過土壤滲透及地面徑流最終流入汾河水庫，導致水體富營養化，破壞了原有的水體生態系統，從而對水庫生態安全產生威脅。因此，對汾河水庫周邊地區的土壤進行氮流失風險評估，科學把握汾河水庫周邊地區氮流失的分布特征及現狀，并進行科學描述，對汾河水庫的水資源保護有重要的戰略意義，同時能夠引起政府對非點源氮流失方面合理規劃的重視，推動水庫流域內的生態及環境建設。

2研究方法

汾河周邊氮流失程度受很多因子的影響，結合相關研究，將氮流失的影響因子歸納為源因子和遷移因子。其中，源因子選取土壤全氮含量、氮肥施用量和施用方式、人口密度因子，遷移因子選取土壤侵蝕量因子、地表徑流深、潛在污染源距水體的距離。最后，采用氮指數的計算方法對研究區的氮流失風險進行分級和評價。

2.1　研究區氮流失的源因子計算

2.1.1研究區土壤全氮含量全氮因子是影響非點源氮流失的一個主要因子，它的分析是基于實驗室實測全氮含量的數據。在確定了研究范圍之后，采用非均勻布點法，對研究區表層土壤進行布點、采樣和測定，共采樣115個，這些樣點覆蓋了整個研究區，基本能夠代表研究區的土壤空間分布特征。通過將野外采集的樣本采用凱氏法進行實驗室測定全氮，得出各采樣點的全氮含量，空間插值得到研究區土壤中全氮的空間分布狀況。

2.1.2研究區氮肥施用因子施肥因子包括化肥和有機肥的施用量、施用時間和施用方式[9]。采用影像解譯、實地考察和農民訪談的方式，得到研究區氮肥的施用量、施用時間及施用方式等情況。在GIS中生成氮肥施用量和施用方式的空間分布。

2.1.3研究區人口密度人口密度直接影響到全氮的流失。通過參考2012年《山西統計年鑒》和《婁煩縣志》，并進行實地調查，獲得了研究區25個村鎮人口數據。基于GIS軟件，空間內插得到研究區人口密度分布情況(人口密度是單位面積居住的人口數，人/km2)。

2.2　研究區氮流失的遷移因子計算

2.2.1研究區土壤侵蝕因子土壤侵蝕是氮流失的載體，它也是全氮流失的重要因子。基于修訂后的土壤侵蝕模型——RUSLE進行定量計算土壤侵蝕量[7]，然后根據《土壤侵蝕強度分級標準表》(SL190—96)，采用平均侵蝕模數作為侵蝕強度的分級標準，其中微度、輕度、中度、強度、極強度和劇烈侵蝕的標準分別為<1 000，1 000～2 500，2 500～5 000，5 000～8 000，8 000～15 000和>15 000 t/(km2·a)。

(1) 降雨侵蝕因子R。依據研究區河岔、上靜游、婁煩、蓋家莊、白家灘、白家莊、草城、岔口、蓋家莊、閣上、樓子、爐峪口、羅家岔、米峪鎮、天池店(王家崖)、屯村、西大樹、下馬城、寨上19個水文站點的多年(包括年降雨量、每月降雨量)降水數據，采用Wischmeier[11]的經驗公式，在GIS中對水文站點降雨量進行空間插值得到研究區降雨侵蝕力因子的分布情況。

(2) 土壤可蝕性因子K。采用Williams等人[12]在EPIC模型中提出的K值估算方法，基于汾河水庫周邊地區采樣點測得的有機碳含量及土壤粒徑大小與含量來計算K值。在GIS中將采樣點求得的K值進行空間插值得到研究區的土壤可蝕性因子。

(3) 地形地貌因子LS。坡度因子對土壤侵蝕作用有著很大的影響，地形因子分為坡度因子(S)和坡長因子(L)，在方程中當作為一個變量根據相應的坡長因子與坡度因子的相關公式進行計算，使用ArcGIS中的柵格工具自動生成坡度坡長因子值[13]。

(4) 植被覆蓋因子C。根據研究區的Landsat 4—5 TM影像，再結合張平[4]等人研究給出的C值表對研究區的C值進行了確定(表1)。

(5) 水土保持因子P。水土保持因子作為影響土壤流失的重要因子，表征了水土保持措施對土壤流失的作用。本研究中的P值在實地調查的基礎上參考表1獲得。

表1　不同土地利用類型應的C值和P值[3,7]

2.2.2研究區地表徑流因子徑流因子是非點源氮污染的一個重要遷移因子，根據徑流深或徑流量來確定地表徑流因子，選取年徑流深作為量化徑流因子。依據研究區19個水文站點的多年年降雨量數據在GIS中生成的研究區年降雨空間分布，參考陳彥平[14]提出的汾河水庫多年年均徑流系數，基于GIS得到研究區的年徑流深空間分布情況。

2.2.3研究區潛在污染源距水體距離因子距離因子是影響氮素流失的一個重要因素，考慮到汾河水庫周邊區域的范圍，同時也考慮到潛在污染源的距離與氮流失的關系，從而確定了氮流失風險性從高到低相應的距離分級：極高(<60 m)，高(60～150 m)，中(150～300 m)，低(300～600 m)和極低(>1 200 m)，并賦予它們相應的等級分值分別為:8，4，2，1，0。基于GIS軟件，結合研究區DEM生成研究區水系圖，采用歐式距離方法得到研究區潛在污染物距水體的距離。

2.3　氮流失風險指數的計算

在確定了氮流失的主要影響因子后，將各因子進行綜合以計算土壤氮流失的風險。采用Gburek[2]和Bechmann[15]等的氮流失風險指數進行評價。結合對研究區進行實地調查和試驗數據，根據每個因子的實際重要性運用專家打分法確定其權重值和等級值，結合實際做了一些野外校驗以便評價結果更加準確。氮流失風險指數是一個衡量氮流失程度的一個相對值，并不代表其實際流失量。氮流失風險指數計算公式為：

I=∑(Si·Wi)·∏(Tj·Wj)

式中：I——氮指數；Si——源因子評價指標i對應的等級分值；Wi——源因子評價指標i相對應的權重；Tj——遷移因子評價指標j對應的等級分值；Wj——遷移因子評價指標j相應的權重。

公式中的源因子指標和遷移因子指標并不是簡單的相加，考慮到各因子之間存在相互作用，兩者相乘可以體現二者存在的同時性，能準確地顯示氮流失嚴重地區的風險程度[16]。

2.4　氮流失的風險性評價

一般情況下，根據計算得到的非點源氮流失指數將一個流域分為輕度、中度、高度、極高度風險區。指數越高，氮流失越嚴重。綜合Gburek[2]的研究結果以及張平[6]對密云水庫的研究(表2)，結合實際情況，將氮流失風險劃分為4級(表3)，分別為：低、中等、高、極高。

表2　氮流失風險評價指標體系[7]

表3　土壤氮流失風險評價指數

3結果與分析

3.1　研究區源因子的空間分布

3.1.1土壤全氮分布特征基于研究區采樣點測定得到的土壤全氮含量結果詳見表4。由表4可以看出，研究區土壤全氮含量范圍為0.214～1.425 g/kg，均值為0.580 g/kg，標準差為0.180 g/kg；經對數變換后土壤全氮含量服從正態分布。在GIS中進行空間Kriging插值后，得到研究區全氮含量的分布圖(圖1)。由圖1可知，研究區土壤中全氮含量的空間分布差異較大，研究區北部和西部的全氮值相對較大。

表4　研究區土壤全氮含量統計性描述

圖1　研究區土壤全氮空間分布

3.1.2施肥因子經影像解譯和實地考察得知，研究區土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。耕地是主要施肥區，中高肥區主要集中在種植玉米和小麥的地塊，一年兩熟，農作物產量也高；低肥區則集中在一年一熟的玉米地，多為山區耕作種植區；其余地區為少肥區或不施肥區，包括林地、草地、水域、建設用地和未利用地。

基于實地調查，在GIS中生成氮肥施用量分布圖(圖2)和施用方式分布圖(圖3)。由圖2—3可知，汾河水庫周邊的農田大部分使用化肥，只有少量施用農家肥。研究區農作物氮肥的施用方式主要以底肥施用為主，施用方式分為不施用、施用深度大于5 cm、播種時與土混合施用3種方式，并且在全流域差異較小，多為粉末狀施用，施用深度大概為5 cm左右，施用時間一般是在下種前3個月內，氮肥施用量為0～108 kg/hm2。本研究中施肥量多的地區面積較小，只集中在研究區域的山間谷地及一些平坦的耕種區。

3.1.3人口密度因子由研究區人口密度分布圖(圖4)可以看出，研究區人口密度值為72.49～331.27人/km2。人口密度因子在研究區域的空間內呈現一定的規律性，研究區西部因接近婁煩縣縣城，人口密度達到最高，約為331.27人/km2，其他區域隨著距離縣城較遠，人口密度也隨之減小。該區域西部地區的人口密度會對氮的流失產生更大的風險。

圖2　研究區氮肥施用量空間分布

圖3　研究區肥料施用方式空間分布

圖4　研究區人口密度空間分布

3.2　研究區遷移因子的空間分布

3.2.1土壤侵蝕因子基于ArcGIS對土壤侵蝕各因子，包括降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形地貌因子、植被覆蓋因子和水土保持因子，進行疊加代數運算，得到研究區土壤侵蝕模數分布圖(圖5)。由圖5可以看出，研究區土壤侵蝕量在0～4 280.24 t/(km2·a)，平均值為980.71 t/(km2·a)。根據土壤侵蝕強度分級標準得出，微度侵蝕占總面積的31.95%，輕度侵蝕占61.74%，中度侵蝕占6.31%，整體上看土壤侵蝕程度較輕，輕度侵蝕占總面積的1/2以上，中度侵蝕比例很小，從土壤侵蝕量分布圖中看出河谷地帶與水庫周邊地區特別是東南部土壤侵蝕較為嚴重。結合影響土壤侵蝕的各個因子進行分析，汾河下游由于具有高的降雨侵蝕力因子和土壤可蝕性因子，再加上地形因子的影響造成土壤侵蝕嚴重；研究區西南部侵蝕嚴重則主要是由高的土壤可蝕性因子值和低的水土保持因子值造成。

圖5　研究區土壤侵蝕量空間分布

3.2.2潛在污染源距水體的距離因子潛在污染源距水體距離的空間分布如圖6所示。由圖6所示可見，潛在污染源距河流的距離為0～3 132.08 m，平均值為733.14 m。同時從屬性表中可以看出極高風險區占流域總面積的4.55%，高風險區占流域總面積的9.06%，中等風險區占研究區總面積的37.73%，低風險區域占27.6%，極低風險區占21.59%。不難看出極高風險區與高風險區所占的面積極少，僅占15%左右，而中等風險區、低風險區、極低風險區卻處于20%~40%。由此可知，研究區的潛在污染物距離水體距離的風險性程度總體上較低，因此，潛在的氮污染源距離河流越遠，氮流失的風險越低。

圖6　研究區潛在污染源距水體距離的空間分布

3.2.3年徑流深從圖7可以看出，研究區年徑流深值的范圍為77.63～80.63 mm，均值為79.32 mm，東南部的年徑流深值達到了最大值，西北部較低，總體上由東南向西北減少，研究區年徑流深因子值因研究范圍較小上下相差3 mm，而且整體都處于流失中等風險區。綜上可知，研究區的年徑流深因子呈現出一定的空間分布形式。

圖7　研究區年徑流量的空間分布

3.3　研究區的氮流失風險評價

根據氮流失風險評價指標體系結合土壤氮流失風險評價指數表，得出研究區氮流失空間分布圖(圖8)以及各個風險等級的比例(表5)，可以看出氮流失風險整體水平較低，并且氮流失風險低的區域占研究區面積的78.04%，但是各個風險等級分布存在較大差異。中等流失風險程度的區域只占到2.72%，氮流失風險高和極高的區域集中分布在西南和東北部的一小部分區域，分別占研究區總面積的9.31%和9.93%。

表5　研究區的氮流失風險各等級所占面積比例　%

圖8　研究區氮流失風險等級空間分布

4結論與討論

(1) 研究區的土地利用方式與土壤氮流失風險的分布特征與有很大的相關性，其中以耕地相關性最大，林地次之，草地與其他土地利用類型最小；從施肥因子來看，研究區施肥因子流失風險等級高的地區面積較小，集中分布在研究區的山間谷地及一些平坦的耕種區間；全氮因子在空間分布不均勻，呈現出西部含量高、東部含量低的特點；人口密度因子在研究區的空間分布呈現出一定的規律性，城鎮人口密度大，流失風險高，且主要集中在研究區的西部。

(2) 遷移因子呈現一定的空間分布形式，土壤侵蝕對土壤氮流失影響相對較大，它的影響通過降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形地貌因子、植被覆蓋因子和水土保持因子等來體現，在河谷地帶與水庫周邊地區特別是東南部土壤侵蝕較為嚴重。研究區的潛在污染源距水體距離的風險性程度在總體上來看較低，年徑流深值也相差不大，對非點源氮流失的貢獻相對較小。

(3) 氮流失風險評價結果表明，氮流失風險整體水平較低，風險評價等級低的區域占研究區總面積的78.04%，中等風險的占2.72%，較高風險的占19.24%。

(4) 從氮流失風險的空間分布來看，風險高和極高的區域集中分布在西南和東北部的一小部分區域，土地利用類型主要是耕地，其特點是土壤全氮含量高、人口密度大、肥料投入多、土壤侵蝕嚴重且距離潛在污染源近。中等流失風險程度的區域大部分位于沿河山地地區，土地利用類型為林地、草地及耕地。低風險程度的區域主要位于河谷地區較為平坦的地區，土地利用類型以草地和耕地為主。

(5) 由于研究中資料獲取難度較大，論文中還有一些地方值得討論。如本研究采用土壤全氮含量作為氮流失風險的源因子，沒有考慮土壤速效氮(銨態氮、硝態氮)的影響，仍需進一步地完善氮指數評價體系；文中氮流失風險的評價指標及其權重是在參考大量國內外文獻并結合當地實際的基礎上確定的，雖然盡可能地保證了指標的完備性和權重的合理性，但仍然存在一定的偏差，需要進一步改進。

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Risk Assessment of Soil Nitrogen Loss Around Fenhe Reservoir

SHEN Xiaoyu， ZHANG Hong， ZHANG Yanling， FENG Ling

(CollegeofEnvironmentandResourceSciences,ShanxiUniversity,Taiyuan，Shanxi030006,China)

Abstract：[Objective] The objective of this paper is to evaluate risk of the soil nitrogen loss around the Fenhe Reservoir in order to provide scientific support for the environmental management and pollution control in Fenhe River watershed. [Methods] Soil samples around the Fenhe Reservoir were collected in 2011, and soil total nitrogen contents were determined. Using the factors such as topography, climate, land use type, fertilizer use, population and distance to potential pollution source, we used the nitrogen index evaluation method and revised universal soil loss equation(RUSLE) to evaluate the risk of soil nitrogen loss in the study area. [Results] The risk of soil nitrogen loss is low in the study area. The proportion of low, medium, high and higher risk level is 78.04%, 2.72%, 9.31% and 9.93%, respectively. The areas with high risk of nitrogen loss are mainly located in the southwest and northeast of the research area, and the land use type is mainly farmland. The medium risk areas are mostly located in mountainous area along the river and the land use types are forest, grassland and farmland. The low risk areas are mainly located in the river valley area and the land use types are grassland and farmland. [Conclusion] Nitrogen index assessment is an effective method to assess the nitrogen loss risk. Using the source and migration factor of soil nitrogen loss together, this study can provided scientific support for environmental management and pollution control for Fenhe Reservoir.

Keywords:Fenhe Reservoir; nitrogen loss; nitrogen index; risk assessment

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0248-07

中圖分類號：P333.5， S157.1

通信作者：張紅(1972—)，女(漢族)，山西省陽泉市人，博士，教授，主要從事景觀生態學和生態風險評價方面的研究，E-mail:zhanghong@sxu.edu.cn。

收稿日期：2014-11-24修回日期：2014-12-01

資助項目：山西省“十二五”科技重大專項“晉北沙化土地防治的關鍵技術研究與試驗示范”(20121101011)

第一作者：申小雨(1990—)，女(漢族)，山西省屯留縣人，碩士研究生，研究方向為區域環境規劃與評價。E-mail:657241916@qq.com。