基于GIS分析土壤侵蝕過程中氮磷流失分布
——以定西市安定區為例

陶鴻斌，汪文飛

(蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

隨著點源污染源的有效控制，非點源污染已經成為了水環境的主要污染源[1，2]。土壤侵蝕作為非點源污染主要途徑之一，由土壤侵蝕帶來的泥沙本身就是一種非點源污染物，而且泥沙(特別是細顆粒泥沙)是有機物、金屬、銨離子、磷酸鹽以及其他有毒性物質的主要攜帶者[3]；所以，土壤侵蝕會給受納水體水質帶來不良的影響。從2010年我國第一次全國污染源普查公報可知，農業源(不含農村生活源)總氮、總磷分別占排放總量57.2%和 67.3%，由此可以看出氮磷肥料污染形勢嚴峻[4]。因此研究侵蝕過程中氮磷流失對面源污染遷移具有重要意義。本文利用通用土壤侵蝕侵蝕公式(USLE)、遙感數據、DEM、(GIS)技術及不同土地利用氮磷的實測數據的利用，確定了定西市安定區土壤侵蝕氮磷流失的分布。分析了氮磷流失分布圖與各土壤侵蝕的關系，并對土壤侵蝕氮磷流失地區提出了相應的防治措施。

2 概況

2.1 研究區域的概況

黃土高原是世界上土壤侵蝕最強烈的地區之一，嚴重的土壤侵蝕不僅制約了經濟社會可持續發展，而且還影響著生態環境[5]。定西市安定區屬于隴中黃土高原丘陵溝壑區。境內溝壑縱橫，延綿起伏，地勢由西南向東北傾斜；南高北低，西南為山地，山地下部為小型內官盆地；北部為丘陵，丘陵之間為河流切割而成的溝谷接地。由于地貌特征導致黃土層深厚松散使，并且降雨主要集中在夏季使得該地區土壤侵蝕嚴重，其主要的侵蝕類型為水蝕，并伴隨著重力侵蝕。

2.2 研究數據來源

研究需要的基本數據有DEM，土壤類型、土地利用、降雨量；數據來源見表1。其中土地利用圖是使用安定區遙感數據分析而得。

表1 數據來源

3 研究方法

3.1 土壤侵蝕因子的分析

近年來，我國學者對土壤侵蝕過程展開了一系類的研究，這些研究大多采用了GIS和USLE模型相結合的方式，在土壤侵蝕分析過程中的取得了較好的效果[6]。本文以定西市安定區為研究區通過實地野外調查和采集樣品土壤樣品的分析，利用USLE、GIS技術手段和實測數據，對安定區的土壤侵蝕過程中的氮磷污染流失進行分析。通用土壤侵蝕公式如下：

A=R·K·S·L·C·P

(1)

式(1)中：A為土壤流失量，單位為：t/ha·a；R為降雨侵蝕力因子，單位為：MJ·mm/(ha·h·a)，K為土壤可蝕性因子，單位為：t·ha·h/(ha·MJ·mm)；L為坡長因子；S為坡度因子；C植被覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。

3.1.1 降雨因子

降雨侵蝕因子R是指單位降雨侵蝕指標。R反映降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，是一個區域土壤侵蝕降雨宏觀特征的重要指標。土壤侵蝕量的大小與當地的降雨條件，土壤結構等因素有密切關系，其中降雨時引起土壤侵蝕的第一要素，是主導因子，降雨特征影響水土流失的面積和強度。本文采用Renard[7]等分析美國 155 個實驗站點的數據，提出了降雨量和R因子之間的回歸方程，回歸方程模型為：

(2)

式(2)中：R因子單位為(MJ·mm)/(hm2·h·年)；Pa為年降雨量。根據公式計算出研究區R值，將R值以常數的形式帶到方程中運算。

經調查可以知；安定區近3年平均降雨量為380 mm，故R因子值為687.7(MJ·mm)/(hm2·h·年)。

3.1.2 K因子

根據聯合國糧農組織(FAO)和維也納國際應用系統研究所(IIASA)所構建的世界土壤數據庫(Harmonized World Soil Database version 1.1 )(HWSD)得到安定區土壤類型圖，通過ArcGIS提取安定區的土壤中的砂粒、粉粒、粘粒、有機碳的含量，采用Williams，在EPIC模型中提出K的估算公式，計算不同的土壤類型的K值[8]。

(3)

式(3)中：SAN、SIL、CLA、C分別為土壤中砂粒、粉粒、粘粒和有機碳含量所占百分比(%)，SNI=1-SAN/100。該式以K值大小表示土壤抗蝕性能的強弱，K值越大，抗蝕性能越弱，反之則強。利用GIS格柵計算器、公式(3)和土壤類型圖得到安定區因子(表2)。

表2 不同土壤類型的SAN、SIL、CLA、C與K值

3.1.3 LS因子

USLE系列模型中，是用坡度、坡長做為地形因子，其中L表示坡長，S表示坡度。其中坡度對土壤侵蝕影響很大，是小流域影響土壤侵蝕的最重要因素。坡長L是污染源距離附近河流湖泊等水體的距離，坡長越大，產生徑流就越大，攜帶的土壤侵蝕量越大。本研究結合安定區DEM數據，利用ArcGIS空間分析功能中的水文分析獲得到安定區坡長S因子圖，然后對DEM數據的填洼獲得無洼地的DEM，對其分析獲得坡長因子L圖。

3.1.4 CP因子

C是植被覆蓋和經營管理因子，反映植被覆蓋對水土流失的影響大小，是其它條件相同時，經過植被管理的土地和普通標準土地發生水土流失量的比值；P是水土保持措施因子，是在保證其它條件相同時實行水土保持措施；一般來說，P值越小，經營管理的水土保持效果越好，水土侵蝕作用越小。研究根據《土地利用現狀分類》(GB/T 21010-2017)一級分類體系，針對研究區的地理特點將土地分為耕地、林草地、建設用地和難利用地四種類型。

本研究采用了劉寶元[9]等在《土壤侵蝕預報模型》中所確定的相應CP因子值。基于土地利用類型圖，利用DEM數據和ArcGIS的空間分析得到安定區的CP因子的空間分布(表3)。

表3 土壤CP因子的確定

3.2 不同用地類型氮磷實測數據

在定西市安定區每種用地類型采樣，利用型號為JN-QYF土壤養分儀多次測量求平均值確定不同用地類型的總磷、總氮量(表4)。

表4 氮磷污染負荷

4 研究結果

4.1 安定區土壤侵蝕分布圖

通過前面的計算生成了定西市安定區土壤侵蝕計算所必需的各因素因子數據，利用土壤侵蝕公式和GIS中的格柵計算器而得安定區土壤侵蝕分布圖(圖1)。

4.2 安定區土壤侵蝕產生的氮磷量的分布圖情況

結合GIS、總氮磷量和土壤侵蝕分布圖，獲得安定區土壤侵蝕過程中氮磷流失量分布圖(圖2、圖3)。

4 結論

通過對土壤侵蝕和總氮磷流失分布、土壤侵蝕因子的對比，得到以下結論。

(1)定西市安定區氮磷流失的主要分布地區與土壤侵蝕分布強弱有關，強的土壤侵蝕主要分布在研究區域的坡長較大的區域；弱的土壤侵蝕主要分布在坡度0～8°的區域內。

(2)從圖中可以看出土壤侵蝕過程中總磷的最高年流失量為29825.3 kg/hm2·年，總磷的最高年流失量為21871.6 kg/hm2·年。

(3)通過對影響水土流失的因子，如降雨侵蝕侵蝕因子，土地管理因子等六個影響因子進行分析，得到安定區的土壤侵蝕狀況：安定區全區整體上都存在土壤侵蝕的問題，其中東北部的土壤侵蝕更為嚴重。整體上土壤侵蝕狀況由南向北，由西向東呈現逐漸增加的趨勢。

圖1 土壤侵蝕分布

圖2 總氮流失分布

(4)安定區農業面源污染風險評價及關鍵源區的識別。

結合安定區行政區域和氮、磷污染流失分布情況，將石峽灣鄉北部，新集鄉中部，香泉鎮北部三個區域定為安定區的農業面源污染的污染控制區。

圖3 總磷流失分布

5 結語

石峽灣鄉北部，新集鄉中部，香泉鎮北部這3個區域的氮、磷污染嚴重，將這三個區域定為重污染區，作為安定區農業面源污染的關鍵源區，應該優先進行環境污染管理。這些區域主要為農業用地和建設用地，受人類活動影響較大，加之該區域的地形坡度較大，植被覆蓋度較低，針對人類活動和地形地貌特點，提出以下建議。

(1)生物措施：退耕還林還草等。安定區東北部區域土地坡度較大，土地種植效益較差，減少人為因素對生態環境的影響，減低對該區域有計劃、分步驟地進行退耕，因地制宜還林還草，恢復植被覆蓋。

(2)工程措施：修建梯田等。安定區北部地處安定區北部高丘陵溝壑區，修建梯田可以有效地減緩土壤侵蝕強度，保持土壤養分，在一定程度上也可以起到保持土壤水分的作用，對土壤侵蝕性污染有積極重要的作用和意義。