非點源污染輸出對土地利用和社會經濟變化響應的案例研究

李瀟然,李陽兵,3,*,邵景安

1 重慶師范大學地理與旅游學院, 重慶 401331 2 三峽庫區地表過程與環境遙感重慶市重點實驗室, 重慶 401331 3 貴州師范大學地理與環境科學學院, 貴陽 550001

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非點源污染輸出對土地利用和社會經濟變化響應的案例研究

李瀟然1,2,李陽兵1,2,3,*,邵景安1,2

1 重慶師范大學地理與旅游學院, 重慶 401331 2 三峽庫區地表過程與環境遙感重慶市重點實驗室, 重慶 401331 3 貴州師范大學地理與環境科學學院, 貴陽 550001

為研究三峽庫區(重慶段)自2006年10月蓄水(156m)以來,非點源污染輸出對土地利用及社會經濟背景變化響應的時空分異特征,綜合考慮庫區典型土地利用變化模式及社會經濟背景,選取三峽庫區腹地奉節縣、忠縣、庫尾江津區及主城沙坪壩區為研究對象,使用動態輸出系數模型法,以2007年、2010年和2013年3期遙感影像為數據源,分析了研究區2007年到2013年非點源污染TN、TP負荷量隨土地利用類型改變及社會經濟的發展而產生的時空變化特征。研究表明,6年間,研究區污染物TN從2007年的12126.9t上升到2013年的12692.3t,TP從2007年的394.6t上升到2013年的407.2t。就各典型區縣而言,城市發展新區江津區非點源污染負荷呈上升趨勢,TN、TP負荷量漲幅分別達到了28.6%和24.1%；而庫尾城市快速擴展的沙坪壩區則呈現下降趨勢,非點源污染TN、TP負荷量分別下降了48.8%和68.9%；仍保持傳統農業的奉節縣和忠縣變化不大。

輸出系數模型；非點源污染；土地利用變化；三峽庫區

三峽庫區的生態安全與水環境問題一直受到國內外廣泛的關注[1- 2]。自2006年蓄水到156m后,水深加大,流速減小,污染物擴散能力降低,三峽庫區水環境問題變得突出[3],更是影響著整個長江中下游乃至半個中國的飲水安全問題。因此,了解流域污染物的輸出變化對水環境保護與治理至關重要。隨著點源污染的有效控制,非點源污染成為庫區主要的污染源。近年來,國內外學者運用SWAT模型[4]、AGNPS模型[5]、ANSWERS模型[6]、HSPF模型[7]等模擬小流域污染物的輸出,并探討了庫區大尺度范圍內土地利用變化對非點源輸出的影響[8]。這些研究為闡明庫區非點源污染規律提供了很好的案例,但是這類機理模型對實測數據要求條件高,參數眾多,率定困難,很難推廣。介于此,全面揭示三峽庫區非點源污染特征的研究仍很薄弱。

三峽庫區(重慶段)涉及到22個區、縣,其社會經濟條件和發展模式差異很大,體現在土地利用變化上呈較強的區域性,如城市擴張型[9]、農業結構調整[10]和生態建設[11]等。基于上述認識,為了全面了解三峽庫區非點源污染對土地利用和社會經濟背景變化的響應,以全面揭示三峽庫區非點源污染輸出的變化規律,本文綜合考慮庫區典型土地利用變化模式及社會經濟背景,選取江津區、奉節縣和忠縣作為研究區,同時考慮主城沙坪壩區特殊性質,也將其納入研究對象。考慮到營養物質的類型及其累積濃度的特征在同一土地利用類型上也可能呈現出不同的特征[12],采用動態輸出系數模型,結合GIS與RS技術,對比分析三峽水庫蓄水以來2007年、2010年和2013年4個研究區因不同社會經濟和土地利用變化產生的非點源污染總氮(TN)、總磷(TP)的時空演變規律,揭示其時空差異的原因,旨在探討三峽水庫2006年156m蓄水以來庫區非點源污染的變化,為三峽庫區非點源污染的有效治理以及水環境保護方案的制定等提供合理依據。

1 研究思路

在三峽大壩建設后,持續的經濟與城鄉發展、環境管理等使三峽庫區土地利用發生了明顯變化[13],但因土地利用變化驅動力局部的差異,尤其是考慮近年來社會經濟發展、生態建設和快速發展的道路網絡,對庫區原本交通阻隔地區的土地利用和景觀格局變化的驅動,庫區土地利用/覆被變化具有高度的時空異質性,可分為3種土地利用變化類型：耕地-城鎮型、林灌-耕地型及復合型[14]；建設用地變化具有與地區間經濟發展水平的差異大致相一致的特點[15]。建設占用耕地,主要集中于重慶主城區[16]；而有些區縣,農業結構調整是耕地減少的主要原因[17]。

2013年重慶市綜合考慮經濟、資源、人口、社會、環境、文化等因素,將全市功能區域劃分為都市功能核心區、都市功能拓展區、城市發展新區、渝東北生態涵養發展區和渝東南生態保護發展區5個功能區域。三峽庫區(重慶段)包括22個區縣,分別位于都市功能核心區、都市功能拓展區、城市發展新區、渝東北生態涵養發展區4個功能區內,本研究選取庫區重慶段位于上述4個功能區的典型區縣,即位于腹地的奉節縣、忠縣,庫尾江津區及主城沙坪壩區等4個典型地點作為研究區域(圖1)。其中,江津區被定位為全市未來工業化城鎮化的主戰場,集聚新增產業和人口的重要區域,全市重要的制造業基地,屬于城市發展新區；而忠縣和奉節縣的任務則是實現生態涵養,突出發展理念和發展方式的轉變,堅持三峽發展連片、貧困區扶貧開發并舉,作為長江流域重要的生態屏障被定位為渝東北生態涵養發展區；位于重慶市內環高速公路以內的沙坪壩區東南部丘陵臺地區集中體現了政治、經濟、文化、金融、服務中心等功能,屬于都市功能核心區,除此之外的大部分沙坪壩區屬于都市功能拓展區,未來幾年的發展,沙坪壩區內幾乎所有的待開發用地集中于此,是重要的新增城市人口集聚區,是全市內陸開放高地建設的主戰場。

因此,本文所選擇的4個典型研究區能夠全面代表三峽庫區,其土地利用和社會經濟變化所引起的非點源污染物輸出的變化,能夠闡明三峽庫區近年來非點源污染物輸出時空差異規律。

圖1 研究區位置圖Fig.1 The location of the study area

2 4個典型研究區概況

由圖2可以看出,沙坪壩區作為都市功能核心區和都市功能拓展區,傳統農業逐漸退出,第一產業占該區地區生產總值的比例在4個研究區最低,但其農業發展模式主要是都市農業,單位面積平均化肥施用量呈波動型,仍為4個研究區最高,尤其是2010年的化肥施用量明顯偏高；江津區作為城市發展新區農業逐步向現代規模農業發展,農業高產值背后是高投入,其平均化肥施用量呈現上升型。忠縣和奉節縣作為生態涵養發展區則發展生態農業,2個縣的農業總產值逐年上升,平均化肥施用量沒有明顯變化；奉節縣大力發展優勢果蔬業,建立優質臍橙生產基地；而忠縣則種植柑橘,發展傳統優勢產業[10],其第一產業比重也呈現出逐年下降的趨勢。社會經濟資料來源于研究區各區縣的統計年鑒。

圖2 研究區主要經濟指標Fig.2 The relevant economic indexes in the study area

3 數據處理與研究方法

3.1 數據獲取與處理

研究區基礎數據來源于2007年、2010年的Landsat- 5(TM)影像及2013年的Landsat- 8(OLI_TIRS)遙感影像,選取波段3(R)、2(G)、1(B)合成影像,通過Erdas遙感影像處理軟件作幾何校正,并在ArcGIS10.2軟件中進行人機交互解譯,得到研究區3期土地利用類型圖(圖3)。通過實地調查,解譯精度接近90%,并使用GIS軟件Hydrology水文分析功能,對各區縣做小流域提取,分別得到沙坪壩區梁灘河流域、江津區筍溪河流域、忠縣甘井河流域以及奉節縣梅溪河流域。

3.2 非點源污染輸出系數模型

輸出系數模型于20世紀70年代初在北美地區首先提出,是利用污染物的輸出系數來估算流域內輸出的非點源負荷,其特點是能夠用土地利用等資料,是一種集總式簡便的非點源污染負荷估算方法[18]。模型的一般表達式為：

式中,j為污染物類型；i為流域內的土地利用類型,共n種；Lj為污染物j在流域的總負荷量(t/a)；Eij為污染物j在流域內第i種土地利用類型中的輸出系數(t km-2a-1)；Ai為第i種土地利用類型的面積(km2)。

圖3 研究區土地利用圖(2007、2010和2013年)Fig.3 Land use map in the study area (2007, 2010 and 2013)

3.3 輸出系數的確定

本研究主要考慮耕地、林地、草地、建設用地和未利用土地等五種土地利用方式對三峽庫區非點源污染的影響。輸出系數的選取,在參考相關研究的基礎上[19- 20],考慮到研究區農業化肥施用的時空差異較大,在計算中,各區縣各年耕地類型的輸出系數,按照如下公式進行修正：

表1 研究區化肥施用量程度

表2 研究區耕地類型非點源污染物輸出系數的取值

其他用地類型輸出系數隨時空變化很小,在本研究的時間范圍內可視為不變[21](表3)。其中,所用化肥施用量數據源來自重慶市歷年統計年鑒。根據表2、表3中所列出的輸出系數,運用輸出系數模型,對研究區非點源TN、TP污染負荷進行定量計算及空間分布模擬,對研究區的非點源污染負荷強度的時空分布特征展開分析。

表3 研究區其他用地類型非點源污染物輸出系數的取值

4 結果與分析

4.1 研究區土地利用變化特征

從圖3和表4可以看出,6年間研究區土地利用變化空間差異較大,各區變化存在各自的特點,表現出不同的土地利用變化特征。其中,位于主城核心區的沙坪壩區,這6年耕地減少61.09%,而林地和建設用地逐年增加,增長率分別為104.89%和44.24%,且建設用地占全區面積的29.97%。可以看出,該區朝著森林城市的方向在不斷發展,其土地利用變化特征主要表現為快速城市擴張型；位于主城邊緣區的江津區,除建設用地耕地面積為播種面積增加41.64%外,其他土地利用變化并不明顯,其主要原因在于江津區位于渝西南,四面高山環抱,境內丘陵起伏,僅林地占全區面積的48.42%,雖城鎮面積擴張很快,但城市化率不高,建設用地面積僅占2.33%,其土地利用變化特征主要變現為城市點狀擴張；忠縣位于長江上游,境內低山起伏,是典型的丘陵地貌,6年間,耕地面積增加了15.30%,是四個區耕地面積增加最多的區縣,建設用地面積增長率也達到了160.11%,但占地只達到1.33%,可以看出,忠縣的土地利用變化特征主要變現為農業發展型；奉節縣位于三峽庫區腹地,以山地為主要地貌類型,該縣林地占地面積達46.74%,而建設用地面積僅占0.56%,土地利用變化特征變現為典型的水土涵養型。

表4 研究區土地利用面積

4.2 非點源TN污染負荷量變化特征

根據輸出系數模型,分別計算各區縣各土地利用類型所產生的非點源TN/TP污染總量數據(表5),并計算得出各土地利用類型對TN的貢獻率(圖4)。從總量上看,江津區從2007年的3905.24t上升到2013年的5020.34t,為上升最快的區縣,該區2013年糧食種植面積減少0.2萬畝,而經濟作物種植面積增加3.3萬畝,其中柑橘增產9.5%,這些數據都驗證了江津區非點源污染物總量上升的原因。而沙坪壩區耕地對TN的貢獻呈現遞減趨勢,從2007年的1003.78t下降到2013年的514.11t,為下降最快的區縣,上文中關于沙坪壩耕地面積的減少、林地面積增加已經充分說明這一原因。奉節縣和忠縣農業近幾年雖也在發展,但兩縣大力發展庫區特色農業循環經濟和減排增匯[22],故污染物總量變化不大。

從圖4可以看出,從2007年到2013年,耕地地類對非點源污染負荷TN貢獻率最高,其中江津區和忠縣的耕地貢獻率均達80%以上,主要是因為這兩個區縣耕地占地比例較高,化肥投入高,2013年耕地分別占46.26%和51.54%。在變化趨勢上,江津區耕地貢獻率有增大的趨勢。研究區中變化最小的是奉節縣,可以看出,6年間,各地類對TN的貢獻率變化均小于1%,這與奉節縣生態涵養發展區的定位有極大的關系。

表5 研究區非點源TN/TP污染負荷量變化

4.3 非點源TP污染負荷量變化特征

通過計算,各區縣由土地利用所造成的非點源污染TP從2007年到2013年負荷量的變化如表5所示,計算各區縣各土地利用類型對TP的貢獻率得到圖5。可以看出,TP負荷與TN負荷變化趨勢相似。其中,沙坪壩區在這6年間耕地面積減少了61.1%,而TP總負荷量減少了68.9%,可見,在五大地類中,耕地與非點源污染負荷量TP的密切程度最高。

從圖5中可以看出,在5種用地類型中,最高負荷強度區仍為耕地。其中2013年忠縣耕地對TP的貢獻率已達到了87.37%,為4個區縣中貢獻率最高的區縣。忠縣三峽柑橘產業化項目是三峽庫區重點農業招商引資項目,被列為全國標準化農業示范區,忠縣柑橘產業的發展,也進一步加大了農藥化肥的使用,增加了耕地對污染物的貢獻率。沙坪壩區TP負荷量下降較明顯,而江津區6年間漲幅也達24.12%,其他2個區縣總量變化不明顯。

圖5 研究區非點源污染TP負荷比例柱狀圖Fig.5 Proportion histogram of NPS in the study area(TP)

4.4 基于流域的非點源污染負荷時空分布特征

根據研究區輸出系數表和土地利用圖,在ArcGIS軟件支持下得研究區非點源TN、TP負荷強度空間分布圖,將各區縣小流域提取出來與負荷強度圖進行疊加(圖6)。可以看出,由于土地利用的不同,各研究區內非點源負荷有所差別。其中,梁灘河流域負荷高值區范圍明顯縮小,但高值增大,局部污染加劇；筍溪河流域污染負荷呈現出先降低后增高的趨勢,高值區分布變化不大；甘井河流域總體負荷明顯降低,但負荷高值區面積未見減小；而奉節縣梅溪河流域出入河口出污染負荷有所增大外,其他各處變化不明顯。同一時期內,高負荷區主要分布在江津區和忠縣,其原因主要在于這2個區縣農業活動比較集中,耕地為主要土地利用類型。

就江津區而言,南部山區非點源污染負荷有減輕的趨勢,高負荷區主要分布在沿江丘陵地區；忠縣非點源污染負荷強度在2010年有所降低,這跟當年忠縣耕地面積及農業化肥施用量的減少有關,2013年又恢復增長,非點源污染主要集中在北部平行嶺谷區,且有向此處集聚的趨勢；位于腹地的奉節縣,總體變化較小,但非點源污染負荷有向長江沿岸聚集的趨勢；沙坪壩區變化較大,2007年高負荷區主要分布在梁灘河流域,2010年非點源污染范圍明顯降低,但污染負荷強度增加,到2013年非點源污染高值區逐漸消退,縮減到北部小部分地區為非點源污染負荷高值區,且TN、TP變化趨勢相似。可見,污染高強度區主要集中在農事活動發達地區, 而負荷強度低值區主要集中在農事活動較少的廣大源區。

圖6 研究區非點源負荷強度空間分布圖Fig.6 Spatial distribution of NPS pollution load in the study area

5 討論

5.1 土地利用變化和社會經濟發展對非點源污染時空變化的影響

6年間,研究區不同社會經濟背景和發展定位,導致了研究區土地利用及社會經濟的不同變化,而不同的土地利用變化類型則造成了不同的非點源污染的時空變化類型。本文系統模擬分析了位于三峽庫區不同地理位置的4個區縣非點源污染TN、TP負荷分布及時空變化情況,其變化趨勢各不相同。其中,沙坪壩區更加注重經濟發展,農耕用地多轉變為建設用地、林地等,但剩余農耕地因化肥施用量的增加,其非點源污染形成小范圍的高負荷區,主要集中在其西南方向平行嶺谷地區；江津區現代化農業的發展也伴隨著其化肥施用量濃度的不斷增加,導致非點源污染物高負荷區的局部集聚；奉節縣注重水土涵養,大力發展第三產業,減輕農業對環境的污染及破壞；而忠縣第一產業所占地區生產總值的比例也在下降,非點源污染物的總量也均在減少,但從上文得出,該區出現局部的非點源污染高值區,需重點進行調整。

有研究發現[23],得益于面源污染管控措施,從農業面源污染上看三峽庫區重慶段水資源安全等級從很不安全上升到安全,而本文發現,由于庫區不同區縣的土地利用模式存在差異,土地利用變化和農業活動強度的變化引起的非點源污染有升有降。因此,進一步的研究應加強結合庫區各區縣的功能定位等社會經濟背景來探討庫區非點源的時空變化。從這一點來看,本文選擇的4個研究區所代表三峽庫區4種非點源污染時空變化典型模式,對庫區水環境保護有一定的借鑒意義。

根據實測數據對模擬結果進行驗證,數據來自重慶市水體斷面監測統計報表(表6)。監測數據顯示,2007年到2010年奉節縣污染物負荷增加,江津區、沙坪壩區污染物負荷減小,忠縣污染物負荷TN增加、TP減少。與模擬結果相比,除沙坪壩區西溪橋斷面TN和忠縣TN外,其他各污染負荷變化趨勢與實測數據基本吻合,說明本文對輸出系數的修正具有一定的合理性。

表6 重慶市水體斷面監測統計報表(部分)

5.2 基于非點源污染的庫區水環境保護

2012年中國生態足跡報告[24]顯示,灰水足跡中有近60%來自農業生產,說明農業生產活動是水環境污染的主要來源。在三峽庫區,耕地對農業面源污染的貢獻率最大,主要集中在坡度較大的區域[25],而農業面源對水體NH3-N 、TN影響最為顯著[26]。因此,盡管研究區4個地點農業發展模式不同,但都應大力重視其對水環境的影響。庫尾主城沙坪壩區經濟發達,該區的面源污染防控重點應放在西部丘陵谷地和低山槽谷,合理控制化肥施用量；庫尾江津區受現代規模化農業等影響,化肥施用量逐年增加,因此該區應在控制徑流產污的同時,加強低海拔平壩丘陵區的生態農業建設；腹地忠縣的農業區主要分布在平行嶺谷,2010年平均化肥施用量雖有減少,但從圖5中可以看出,污染高負荷區在向沿江地區聚攏,此處產污潛力大,是該區防控的重中之重；腹地奉節縣,是水環境保護的極高敏感區[27],該區農業非點源污染防控治理力度應繼續加大,嚴格控制化肥、農藥施用量,加強養分優化和循環利用,在發展的同時控制非點源污染負荷量的上升。

本文重點考慮土地利用變化及社會經濟的發展對非點源污染負荷的影響,且考慮到自2009年以來,為提高流域水環境質量,沙坪壩區梁灘河流域全面取締畜禽養殖,故本文未將畜禽養殖、農村非點源污染等考慮進來。這也是本文的不足之處,在以后的研究中,將選取三峽庫區其他典型流域,結合畜禽養殖、農村非點源污染等因素,更為全面的對庫區非點源污染負荷進行量算。

6 結論

(1)江津區因其自身城市發展定位決定了它非點源污染負荷TN、TP在這6年呈現上升并逐步加重的變化趨勢；奉節縣和忠縣的城市發展定位為水土涵養區,非點源污染負荷變化不大；而沙坪壩區因其城市的快速發展,建設用地面積和農耕地化肥施用量的增加,所產生的非點源污染負荷有所增加。

(2)各區縣非點源污染負荷總量變化存在差異。其中,沙坪壩區TN總量從2007年到2013年下降48.8%,TP負荷下降68.9%；江津區TN總量從2007年到2013年上升了28.6%,TP總量上升了24.1%；忠縣TN、TP總量分別下降1.54%和3.05%；而奉節縣非點源污染負荷總量變化均小于1%,TN、TP總量分別上升0.01%和0.53%。

(3)不同土地利用類型對非點源污染負荷總量的貢獻率存在差異,表現為耕地對TN和TP負荷量影響最大,且遠遠大于其他土地利用類型,其次是林地、草地、建設用地和未利用土地。4個區縣自身負荷量較大區域分別分布在：沙坪壩區中部到北部地區；江津區長江沿岸、西北部地區；忠縣西北、東北及東南地區大部；奉節縣沿長江兩岸及北部零星地區。

(4)本文選擇的4個研究區所代表三峽庫區4種非點源污染時空變化典型模式,對庫區水環境保護有一定的借鑒意義。

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A study on the response of non-point source pollution to the variation of land use and social economy

LI Xiaoran1,2, LI Yangbing1,2,3,*, SHAO Jing′an1,2

1CollegeofGeographyandTourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing401331,China2ChongqingKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandEnvironmentalRemoteSensinginThreeGorgesReservoirArea,Chongqing401331,China3CollegeofGeographyandEnvironmentalScience,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550001,China

The challenges associated with the ecological security and aquatic environment of the Three Gorges Reservoir Area are of domestic and international concern. This study aimed to examine the spatial variation characteristics of non-point source pollution output effected by changes in land use and the socio-economic background in the Chongqing section of this reservoir area, since the 156 m water level impoundment in 2006. The following four sites of the Three Gorges Reservoir Area were selected on the basis of typical land use variation model and socio-economic background: Fengjie and Zhongxian counties in the hinterland, Jiangjin district located at the end of the reservoir Area, and Shapingba district in the main urban area. The effects of land-use changes and the social-economic development between 2007 and 2013 on spatial variation of non-point source pollutants such as total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) were analyzed. The land-use types were analyzed using remote-sensing images of 2007, 2010, and 2013. The dynamic export coefficient model was used, and the output coefficient of farmland was amended by varying the amount of fertilizer applied. The results show that during the study period (2007—2013), the output of TN increased from 12126.6 t in 2007 to 12692.3 t in 2013, and the output of TP increased from 394.6 t in 2007 to 407.2t in 2013. Non-point source pollution in Jiangjin district continually increased, and the TN and TP output increased by 28.6% and 24.1%, respectively; the increase could be because of the increasing urbanization in this district. The non-point source pollution declined in Shapingba district over the study period, with rapid expansion of the city, and the TN and TP output decreased by 48.8% and 68.9%, respectively. However, non-point source pollution in Fengjiexian and Zhongxian counties showed little variation across the study period, which could be attributable to the maintenance of traditional agricultural practices. Collectively, these results suggest that different land-use types contribute differently to the total amount of non-point source pollutants: for example, farmland has the biggest impact on the TN and TP load, followed by woodland, grassland, construction land, and unused land.

export coefficient model, non-point source pollution, land use change, the Three Gorges Reservoir Area

國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2012ZX07104-003)；重慶市地理學重點學科項目(2011)

2015- 01- 06;

日期:2016- 01- 15

10.5846/stxb201501060034

*通訊作者Corresponding author.E-mail: li-yapin@sohu.com

李瀟然,李陽兵,邵景安.非點源污染輸出對土地利用和社會經濟變化響應的案例研究.生態學報,2016,36(19):6050- 6061.

Li X R, Li Y B, Shao J A.A study on the response of non-point source pollution to the variation of land use and social economy.Acta Ecologica Sinica,2016,36(19):6050- 6061.