江蘇省土壤侵蝕量模擬及其在吸附態氮、磷量匡算中的應用

姜甜甜

(1. 河北省環境科學研究院，河北 石家莊 050037；2. 河北正奇環境科技有限公司，河北 石家莊 050037)

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江蘇省土壤侵蝕量模擬及其在吸附態氮、磷量匡算中的應用

姜甜甜1,2

(1. 河北省環境科學研究院，河北 石家莊 050037；2. 河北正奇環境科技有限公司，河北 石家莊 050037)

以江蘇省作為研究對象，結合GIS技術和土壤流失方程(USLE)，分3個時間階段(1989～1995年，1996～2000年，2001～2008年)進行了多年平均土壤侵蝕量的模擬和驗證，并進一步運用模型，利用土壤屬性數據庫獲得氮、磷營養物含量，進行了三個時間階段多年平均吸附態氮、磷量模擬。結果顯示：遙感調查與模型模擬侵蝕量呈顯著相關，模型對于研究區域有良好的模擬估測效果；整體上土壤吸附態氮、磷負荷呈現從西南部、西北部向中部、東部減小趨勢。吸附態氮磷負荷不僅與土壤侵蝕流失狀況十分相關，地形、土壤氮磷背景含量、土地利用的變化也對吸附態氮磷變化起著決定作用。土壤吸附態氮、磷模擬可為流域生態環境可持續發展與管理決策提供技術支持。

吸附態氮；地理信息系統；土壤侵蝕模型；模型驗證；空間分析

1　引言

目前水土流失在我國帶來許多環境問題，主要表現在：受到外力如強降水等的作用，存在于土壤表層中的大量氮磷營養元素(主要以吸附態即顆粒態形式)，隨著流失的水土發生了遷移，造成了土壤中營養物質的損失形成貧瘠土壤，另外大量營養物質隨水土徑流等進入水體，造成水體營養物質增多形成地表水體的富營養化[1]。水土流失造成的氮磷等營養元素損失量(即吸附態氮磷量)的定量模擬對于水環境的保護以及生態環境可持續性的維護具有重要價值。筆者以江蘇省作為研究對象，分三個時間階段(1989～1995年，1996～2000年，2001～2008年)，進行土壤侵蝕量和吸附態氮磷負荷的模擬，構建模型的基本理論采用美國土壤流失方程(USLE)和規劃模型，研究技術平臺基于GIS等空間信息技術，之后驗證模擬的可行性，對模擬結果進行空間分析，為流域可持續發展以及決策管理提供技術支撐。

2　研究方法

2.1研究區簡介

江蘇是長江三角洲地區的主要構成部分。地形以平原為主，占江蘇省面積的70%以上，低山丘陵占江蘇省總面積的14.3%，主要分布在西南部，最高峰為海拔625 m的連云港市郊云臺山玉女峰。江蘇四季氣候分明，屬于溫帶向亞熱帶的過渡性氣候，平均氣溫介于13～16 ℃，全省年降水量為715～1280 mm，降水分布是南部多于北部，沿海多于內陸[2]。該省290多個大小湖泊，區域內2250 km2的太湖和2069 km2的洪澤湖均為中國五大淡水湖之一，此外長江橫穿省南部，水網稠密河渠縱橫，有灌溉總渠、通揚運河、淮沭河等各支河[3]。

2.2基礎數據收集

研究區1989～2008年13個站點常年降水量、逐月降水量、常年平均氣溫；研究區1∶1000000行政區劃圖，1∶100000土地利用圖與1∶50000數字高程圖(DEM)；中科院南京土壤研究所提供土壤屬性數據庫中收集研究區土壤屬性數據；水利部提供的土壤侵蝕柵格數據(1 km×1 km)中收集研究區數據。

2.3土壤侵蝕量模擬

通用土壤流失方程(USLE) 由WISCHMEIER等[4]提出，是模擬土壤侵蝕最為常用的方法。其模型表達式為：

A=R×K×LS×C×P

(1)

(1)式中，A為年土壤侵蝕量，單位t/(hm2·年)；R為降水侵蝕力因子，單位MJ·mm/(hm2·h·年)；K為土壤侵蝕因子，單位t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L為坡長因子，單位m；S為坡度因子，單位%；C為植被與經營管理因子(無量綱)；P為水土保持因子(無量綱)。

2.4吸附態氮、磷負荷模擬模型

吸附態氮、磷負荷模擬計算，根據HAITH等提出的“規劃”模型[5]，該表達式為：

LSkt=a×CSkt×Xkt×TSkt×Sd

(2)

(2)式中，a為單位換算常數；LSkt為顆粒態氮、磷污染物負荷，單位kg/km2；CSkt為土壤固態氮、磷污染物的質量分數，單位mg/kg；Xkt為土壤流失量，單位t/km2；TSkt為污染物富集比(無量綱)；Sd為流域泥沙輸移比(無量綱)。

泥沙輸移比(Sd)的精準計算還處于探索階段，美國農業部在許多研究基礎上構建了泥沙輸移比曲線圖[6]，曲線假定在很小的流域面積內泥沙輸移比可視為1，隨流域面積的增大泥沙輸移比遞減。由于江蘇省具有較大面積，運用估計方法確定本次研究中選用0.25為泥沙輸移比。研究顯示氮、磷的污染物富集比(TSkt)通常在1～4范圍內[7]，常在2附近變動，該次研究污染物富集比選用2。

3　結果與分析

3.1江蘇省土壤侵蝕量模擬結果與分析

3.1.1模型驗證

結合土壤侵蝕強度分級標準和土壤侵蝕柵格數據(水利部)，進行研究區遙感影像解譯的土壤侵蝕調查數據土壤侵蝕量的估算[8,9]。之后運用GIS對遙感解譯估算的1995年土壤侵蝕量和模型估算的土壤侵蝕量，以江蘇省縣界進行區域計算，獲得兩組侵蝕量數據(75個縣區)。運用SPSS中相關分析得到如下結果(表1)，在75個縣區中，遙感調查侵蝕量與模型模擬侵蝕量的相關系數為0.573，檢驗概率(Sig.)均為0，總體顯著相關。通過回歸分析可知，遙感調查侵蝕量與模型模擬侵蝕量的R值為0.506，檢驗概率(Sig.)均為0，將數據都進行對數轉換后，再進行回歸分析可知，遙感調查與模型模擬侵蝕量R值為0.573，檢驗概率(Sig.)均為0，具有顯著線性相關關系。計算結果顯示，遙感調查(實際情況)與模型估測結果呈現顯著相關，研究中模型對于研究區域有良好的模擬估測效果。

3.1.2土壤侵蝕量模擬結果分析

運用驗證后的模型，模擬運算即可得到江蘇省三個時間階段的土壤侵蝕強度數據(圖1)。計算的結果土壤侵蝕量為年平均值。

由土壤侵蝕量圖看出，江蘇省在區域地質特點、氣候特點與地貌分異等情況影響下，整體上講土壤侵蝕結構在空間上呈現不平衡性。三個時間階段土壤侵蝕分別從西北、西南向中部下降，其中西南部土壤侵蝕最為嚴重，江蘇省土壤流交換趨勢以及流動方向通過土壤侵蝕的宏觀結構特征顯現出來。2001～2008年土壤侵蝕總體小于其他兩個時間階段。對比三個階段前面作物管理與植被覆蓋因子C和土壤侵蝕控制措施因子P，可以看出第三個階段的C值和P值均變小，說明主要是因為植被覆蓋有所提高，水土保持措施得到改善，因此土壤侵蝕量整體變小。

表1　相關分析

注：**表示顯著性水平0.01時研究對象存在顯著相關關系

三個時期中西南地區是江蘇省土壤侵蝕強烈發生地區。該地區土地利用以林地耕地為主，地勢相對較高，受到地形和降雨的影響，使得水土流失較為嚴重。另外人口集中，人為對地表干擾嚴重，在開發利用土地的同時，引起大量植被的破壞，人為加速了水土流失運動。

圖11989～1995年、1996～2000年、2001～2008年單位柵格土壤侵蝕量(噸)

3.2江蘇省吸附態氮、磷負荷模擬結果分析

3.2.1模型驗證

基于研究條件限制精準驗證十分困難。本次研究驗證方法運用空間形態對比法[10]。將模型模擬的2001～2008階段江蘇省土壤侵蝕量(見圖1)、吸附態氮負荷和吸附態磷負荷(見圖2)進行對比，在空間上，土壤侵蝕嚴重的地區，吸附態氮磷流失狀況也較為嚴重，土壤侵蝕水平較弱的地區，吸附態氮磷流失程度也較低，三者呈現極大相似性。其他階段采用相同方法進行驗證。

3.2.2吸附態氮、磷負荷模擬結果分析

對吸附態氮、磷負荷模擬結果以75個縣區分別進行統計計算，得到三個時間階段吸附態氮磷空間分布狀況(圖3)，從中可以看出如下基本特征。

(1)江蘇省吸附態氮磷流失較嚴重的地區主要分布在西南部和西北部，土地利用多為有林地和耕地，但該地區坡度較大相對整體區域偏大，土壤固態氮磷含量較高，造成吸附態氮磷負荷較高。說明吸附態氮磷負荷不僅與土壤侵蝕流失極為相關，地形與土壤中氮磷背景含量也起著決定作用。從時間階段上看，受到氣候影響，2001～2008年階段江蘇省整體上吸附態氮磷流失比前兩個時間階段流失減小，1996～2000年階段吸附態氮磷流失較其他兩個階段流失嚴重。

圖22001～2008階段吸附態氮量和吸附態磷量(kg)

圖3　三時段氮負荷與磷負荷(kg /km2)

(2) 在空間上，從西南部、西北部向中部、東部吸附態氮磷負荷呈減小趨勢；西南部地區附態氮磷負荷高于西北部。江蘇省是全國地勢最低的一個省區，地形以平原為主，占全省面積的70%以上，低山丘陵占全省總面積的14.3%，主要集中在北部和西南部。降雨也較強坡度較大，加劇了西南部、北部山地丘陵區下蜀土侵蝕搬運，水土流失的加劇，使得吸附態氮磷流失加劇。中部主要為平原，地勢平坦，降雨較少，吸附態氮磷的水土流失較弱。位于江蘇省東北部的連云港市，市郊云臺山玉女峰為該省最高峰，海拔625 m，該市地勢較高，降雨較強，單位面積的吸附態氮負荷最大， 1989～1995年階段多年平均吸附態氮負荷為1036.0009 kg/km2，1996～2000年階段多年平均吸附態氮負荷為3603.9370 kg/km2，2001～2008年階段多年平均吸附態氮負荷為2274.8877 kg/km2。位于北部的徐州市，以及西南的江寧縣，包容縣次之。徐州市區東北40 km賈汪區境內的大洞山，海拔361 m，屬淮陰山脈，周圍大小100余山頭。西南地區有宜興市張渚鎮嶺下村黃塔頂，最高峰海拔611.5 m，蘇南山區第一高峰。地勢高地區，降雨又較為強烈，加劇了吸附態氮磷的流失。東南部的泰州市、太倉市、啟東市等吸附態氮負荷較低，其中泰州市最低，1989～1995年階段多年平均吸附態氮負荷為0.2342 kg/km2，1996～2000年階段多年平均吸附態氮負荷為0.2930 kg/km2，2001～2008年階段多年平均吸附態氮負荷為8.0977 kg/km2。位于江蘇省東北部的連云港市，單位面積的吸附態磷負荷最大，1989～1995年階段多年平均吸附態磷負荷為487.7122 kg/km2，1996～2000年階段多年平均吸附態磷負荷為1697.7507 kg/km2，2001～2008年階段多年平均吸附態磷負荷為1069.3523 kg/km2，位于北部的徐州市，以及西南的江寧縣，包容縣次之。東南部的泰州市、太倉市、啟東市等吸附態磷負荷較低，其中泰州市最低，1989～1995年階段多年平均吸附態磷負荷為0.1045 kg/km2，1996～2000年階段多年平均吸附態磷負荷為0.1308 kg/km2，2001～2008年階段多年平均吸附態氮負荷為3.6363 kg/km2。此外位于中部的盱眙縣的吸附態氮磷都較高，主要是因為該地區土壤固態氮磷含量較高。

(3)在時間上，各區域吸附態氮磷負荷在三個時間階段整體上變化趨勢相同，從西南部、西北部向東部、中部吸附態氮磷負荷逐漸減小，與土壤侵蝕變化趨勢一致。整體上1996～2000年階段整體上較1989～1995年階段多年平均吸附態磷負荷有所增加，而在2008年階段有所減少，部分地區2008年階段增加，主要是受到該時期降雨和土地利用變化的影響。對比1989～1995年階段和1996～2000年階段土地利用圖，土地利用變化不顯著，但降雨發生變化，影響了降雨侵蝕因子，引起了吸附態氮磷負荷的區域變化。1996～2000年階段和2001～2008年階段，降雨變化不顯著，但土地利用發生了變化，水土保持措施加強，吸附態氮磷負荷整體變小。

4　結論

模型對于研究區域有良好的模擬估測效果，西南地區是江蘇省土壤侵蝕強烈發生地區。在空間上，江蘇省吸附態氮磷流失較嚴重的地區主要分布在西南部和西北部，西南部地區附態氮磷負荷高于西北部，從西南部、西北部向中部、東部吸附態氮磷負荷呈減小趨勢，西南部地區坡度較大相對整體區域偏大，土壤固態氮磷含量較高，造成吸附態氮磷負荷較高；在時間上，各區域吸附態氮磷負荷在三個時間階段整體上變化趨勢相同，從西南部、西北部向東部、中部吸附態氮磷負荷逐漸減小。吸附態氮磷負荷不僅與土壤侵蝕極為相關，地形、氣候與土壤中氮磷背景含量也起著決定作用。不同時間尺度上，土地利用的變化，導致了對吸附態氮磷負荷空間變化。

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Simulation of Soil Erosion and Its Application in the Assessment of the Absorbed Nitrogen and Phosphorus Load in Jiangsu Province

Jiang Tiantian1,2

(1.HebeiProvincialAcademyofEnvironmentalSciences,Shijiazhuang,Hebei050037,China2.HebeiZhengqiEnvironmentalTechnologyCo.,Ltd.,Shijiazhuang,Hebei050037,China)

Taking Jiangsu Province asexample, USLE and GIS technique were used in this study for simulating soil erosion of normal value in three stages(1989～1995，1996～2000，2001～2008) in Jiangsu Province, and the results were tested. The nutrients contents, such as N, P were obtained from soil attribute database. The establishment of soil erosion model in Jiangsu Provincehad beenmade. It indicated that the soil erosion strength degree obtained from USLE and grille calculation method was similar to the one from MWR soil erosion raster data, and they were significant association. The simulation of loads of absorbed nitrogen and phosphorus were similar as soil erosion distribution pattern. The regional adsorption nitrogen and phosphorus load had the same trend in three stages. It decreased gradually from the southwest and northwestareas to the central and easternareas. The adsorption nitrogen and phosphorus loads were related to the loss of soil erosion. At the same time, terrain, background content of soil nitrogen and phosphorus, change of land use also played a decisive role in the change of adsorbed nitrogen and phosphorus.The simulation provided technique support for river basin eco-environmental sustainable development and the management decision.

absorbed nitrogen and phosphorus; geographic information system;soil erosion model; model verification；spatial analysis

2016-05-05

姜甜甜(1983—)，女，博士，主要從事流域水環境污染防治與規劃方面的研究工作。

X53

A

1674-9944(2016)14-0129-04