云貴高原區吸附態氮、磷負荷模擬及其與土地利用的關系研究

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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云貴高原區吸附態氮、磷負荷模擬及其與土地利用的關系研究

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)

以云貴高原為研究區，采用美國土壤流失方程(USLE)為基本理論，將GIS等空間信息技術作為研究的技術平臺，建立了吸附態氮磷模擬模型，利用土壤屬性數據庫獲得氮、磷營養物含量，對云貴地區進行了20年(1989～2008年)平均土壤侵蝕量以及多年平均吸附態氮、磷負荷的模擬和驗證，研究分析了區域吸附態氮磷負荷變化與土地利用結構的關系，結果表明：吸附態氮磷負荷與土壤侵蝕狀況十分相關，土地利用的變化也對吸附態氮磷變化起著決定作用。

吸附態氮、磷；模型驗證；土地利用；地理信息系統；空間分析

1　引言

目前我國水土流失在也帶來了許多環境問題，主要表現是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]。氮磷等元素流失不僅受地形、地貌、土壤及降雨等自然地理因素的影響，還受人類活動的控制，而土地利用可綜合反映人類活動的情況，土地利用類型、結構等對氮磷等遷移轉換有極其巨大的作用[2，3]。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，以及定量分析小流域內土地利用結構對吸附態氮磷負荷變化的影響，對于水環境的保護以及生態環境可持續性具有重要價值。

結合土壤流失方程建立流域吸附態氮磷模擬模型，以云貴地區作為研究對象，進行了多年(1989～2008年)平均土壤侵蝕量以及多年平均吸附態氮、磷負荷的模擬和驗證，并分析了小流域內不同土地利用結構對吸附態氮磷負荷變化的影響，以期為湖泊富營養化控制及流域最佳管理模式的建立提供依據。

2　研究方法

2.1研究區簡介

云貴高原位于中國西南部，地勢西北高東南低，海拔1000～2000 m，高原中山間盆地土壤肥沃，多是村鎮集中地。其為亞熱帶季風氣候屬亞熱帶濕潤區，一年中冬干夏濕兩季分明，全年降水在1500～1750 mm之間，受到大氣環流、緯度和海拔高度作用，氣溫在15～22 ℃之間，四季如春。該區域為三大水系的分水嶺(元江、西江和長江)，其支流等切割地面地形較破碎。湖泊多為構造湖，通過地下水和地表水進行補給，換水周期長，包括瀘沽湖、洱海、滇池、撫仙湖和草海等湖泊。云貴高原地區土地利用詳查資料顯示[4]，土地利用類型以林地為主，其次是分布在丘陵山地及河谷壩區的耕地，分布在貴州的西部、南部和北部邊緣以及云南東北部的連片牧草地，零散分布在河谷、盆地中的農地。

2.2基礎數據收集

研究區1989～2008年35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[5]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·a)；R為降水侵蝕力因子，單位MJ·mm/(hm2·h·a)；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、磷負荷的模擬計算是根據HAITH等提出的“規劃”模型[6]，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；X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，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。由于云貴高原具有較大面積，運用估計方法確定研究中選用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，污染物富集比選用2。

3　結果與分析

3.1云貴高原地區土壤侵蝕量模擬結果與分析

3.1.1模型驗證

運用ArcGIS里水文分析對云貴高原地區地表水流有關的物理特性進行研究，以便劃分流域邊界，河道閾值面積越小，河網越密流域的數目越大，從計算效率和該區的實際出發，該研究區域劃分為342個小流域。

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]。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，以云貴高原地區小流域邊界進行區域計算，獲得兩組侵蝕量數據(342個小流域)。運用SPSS中相關分析得到如下結果(表1)，在342個小流域中，遙感調查侵蝕量與模型模擬侵蝕量的相關系數為0.681，檢驗概率(Sig.)均為0，總體顯著相關。將遙感調查侵蝕量和模型模擬侵蝕量數據均進行對數轉換，通過回歸分析顯示，遙感調查與模型模擬侵蝕量的R值為0.681，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。

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

3.1.2土壤侵蝕量模擬結果分析

運用驗證后的云貴高原湖區土壤侵蝕模型，進行柵格計算，模擬云貴高原20年的(1989～2009年)的土壤侵蝕量(圖1)。計算的結果土壤侵蝕量為年平均值。

由圖1看出，云貴地區在區域地質特點、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。該地區土壤侵蝕量為70169.6萬t，土壤侵蝕量分別從南部、西北部向中部下降，其中南部土壤侵蝕最為嚴重，最高的流域土壤侵蝕量為2283.14萬t，云貴高原地區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。南部地區是云貴地區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。另外居住于山地的農民，人均可耕地少，無灌溉設施，土地為其主要經濟來源[9]。為解決基本溫飽問題，人們規?？撤ド郑钙聣ㄖ?，盲目對土地進行開發，引起地表覆蓋植被的巨大破壞，使山地脆弱的生態系統失去平衡，導致整體生態功能受損，人為加速了水土流失。劇烈的土壤侵蝕多發在這些山地坡地，水土流失導致這些地區經常成為河泥沙的主要源地。

圖1　1989～2008年云貴高原土壤侵蝕量分布

3.1.3逐步回歸法分析模型各因子貢獻大小

逐步回歸分析是在許多影響因素中，根據設定的標準(probabilityofFtoenter<0.05,probabilityofFtoremove>0.10)，篩選理清主要因素及其影響水平，排除不主要因素，以便構建相對合理的多元回歸方程。分析中的回歸系數用于回歸方程式的構建，各因素影響水平程度則是通過標準回歸系數進行表述(表2)。研究中通過逐步回歸法研究土壤侵蝕量的五大因子，尋找哪個因子對土壤侵蝕量影響最大。

若干回歸模型是基于被解釋變量和每個解釋變量構建的，其中首選模型是選擇擬合優度最大的回歸方程，之后逐個增加其他解釋變量，如果回歸方程參數統計值依然顯著，擬合優度提高是由于新增加的解釋變量，則在回歸模型中保留新增解釋變量，否則反之。

通過擬合度、殘差分析、相關系數表分析，可以看出對于云貴地區，地形因子LS對土壤侵蝕的影響最大，說明海拔越高地區，土壤侵蝕就越嚴重，地形因素是主要影響因素。逐步回歸法計算得到、優化的土壤侵蝕模擬回歸方程為：

y=-34.21+28.01x1+179.69x2。

3.2云貴高原地區吸附態氮、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。研究的驗證方法運用空間形態對比法[10]。將模型模擬的1989～2008年階段云貴高原土壤侵蝕量(圖1)、吸附態氮負荷和吸附態磷負荷(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。

表2　回歸系數

圖21989～2008年階段吸附態N量和吸附態P量(t)

3.2.2吸附態氮、磷負荷模擬結果分析

吸附態氮磷年負荷反映多年平均值。按小流域劃分別對氮、磷污染物負荷量進行統計分析，得到1989～2008年階段吸附態氮磷空間分布狀況(圖2)，從中可以看出如下基本特征。

(1)云貴地區吸附態氮、磷負荷分別為821.16t和381.85 t，流失較嚴重的地區主要分布在云貴西北部和中南部，氮磷流失最大值為30.52 t和13.78 t，其余流域相對較輕，流失較嚴重的地區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除了受到土壤侵蝕程度的影響以外，地形與土壤中氮磷背景含量也對其起著決定性影響作用。

(2) 在空間上，從南部、西北部向中部、東部吸附態氮磷負荷呈減小趨勢；南部地區附態氮磷負荷高于西北部，與土壤侵蝕變化趨勢一致。云貴地區地形以山地為主，坡度較大，降雨也較強，加劇了南部、西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。中部海拔降低，降雨減少，吸附態氮磷的水土流失較弱。

3.3不同土地利用類型的氮磷負荷模擬結果分析

利用云貴地區小流域吸附態氮磷空間分布圖，分不同土地利用類型分別進行吸附態氮磷污染負荷估算，計算結果如表3所示。

由表3可知，土壤侵蝕以低覆蓋草地和灌木林最為嚴重，主要是因為草地分布在海拔較高的地區，水土保持措施不好；其次是旱地、疏林地，主要在坡度較大的山地和丘陵分布，海拔高，受到降雨侵蝕嚴重，導致土壤侵蝕較為嚴重。吸附態氮磷負荷排序為：低覆蓋草地>灌木林>旱地>疏林地>有林地>水田>農村居民點。吸附態氮磷在低覆蓋草地隨水土流失最為嚴重，主要分布在海拔較高的地區，水土保持措施不好，降雨侵蝕劇烈，土壤侵蝕程度嚴重。灌木林、疏林地和有林地等土地利用類型，分布區域地勢相對較高，受到地形和降雨的影響，使得水土流失較為嚴重，而且居住于山地的農民人均可耕地少，為解決基本溫飽問題，盲目對土地進行開發，引起地表覆蓋植被的巨大破壞，導致整體生態功能受損，人為加速了水土流失。該區域常成為河泥沙及其攜帶氮磷元素流失的主要源地，而低海拔相對平緩區域的水域則通常成為泥沙及其攜帶氮磷元素的匯集地，營養元素等大量匯集極易造成水體富營養化等污染狀況。

表3　不同土地利用類型的土壤侵蝕和氮磷負荷

4　結論

以云貴高原地區作為研究對象，結合GIS技術、土壤流失方程和規劃模型，對20年間(1989～2008年)多年平均土壤侵蝕量進行了模擬和驗證，結果表明：模型對于研究區域有良好的模擬估測效果，土壤侵蝕量分別從南部、西北部向中部下降，其中南部土壤侵蝕最為嚴重。之后進一步運用模型，對20年(1989～2008年)云貴高原地區因水土流失引發的吸附態氮、磷負荷進行模擬計算和空間分析，在空間上，吸附態氮磷流失較嚴重的地區主要分布在南部地區，從南部、西北部向中部呈減小趨勢，南部地區坡度較大地勢較高降雨侵蝕強度大，土壤固態氮磷含量較高，造成吸附態氮磷負荷較高。灌木林、疏林地和有林地等土地利用類型分布區域，受到地形和降雨的影響，使得水土流失較為嚴重，盲目對土地進行開發導致整體生態功能受損，人為加速了水土流失，該區域常成為河泥沙及其攜帶氮磷元素流失的主要源地，而低海拔相對平緩區域的水域則通常成為泥沙及其攜帶氮磷元素的匯集地，極易導致水體富營養化等污染狀況。所以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，土地利用類型對吸附態氮磷負荷也有極大影響作用。

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The Relationships Between Land Use and the Load Simulation of Absorbed Nitrogen and Phosphorus in Yunnan-Guizhou Plateau, China

Jiang Tiantian1,2

(1.HebeiProvincialAcademyofEnvironmentalSciences,Shijiazhuang,Hebei050037,China；2.HebeiZhengQiEnvironmentalTechnologyCo.,Ltd.,Shijiazhuang,Hebei050037,China)

Based on the principle of Universal Soil Loss Equation (USLE), a model was developed for estimating the annual mean soil erosion amount from 1989 to 2008 in Yunnan and Guizhou. USLE was used as the basic theoretical basis and GIS was used as the technology platform for the establishment of erosion models and the estimate result was verified. The validated absorbed nitrogen and phosphorus estimating model was used to simulate the annual mean absorbed nitrogen and phosphorus loads. Then a methodology was developed to assess the relationships between the absorbed nitrogen and phosphorus loads and land use structure. The results indicated that: the adsorbed nitrogen and phosphorus loads were related to the loss of soil erosion. And change of land use also played a decisive role in the change of adsorbed nitrogen and phosphorus.

absorbed nitrogen and phosphorus; model validation; land use; geographic information system;spatial analysis

2016-05-16

姜甜甜(1983—)，女，博士，主要從事流域水環境污染防治與規劃工作。

U412.1+4

A

1674-9944(2016)16-0153-04