諶婕妤，王文薈，楊思雨，許峰，黃運(yùn)新

(湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430062)

0 引言

面源污染，是指在不確定的時(shí)間和空間里，污染物通過(guò)降雨或徑流以廣泛的、分散的形式進(jìn)入地表水或地下水，從而對(duì)環(huán)境造成的復(fù)雜的、潛伏周期長(zhǎng)的污染.國(guó)內(nèi)外研究表明，隨著點(diǎn)源污染治理的推進(jìn)，面源污染成為水體污染的主要來(lái)源，尤其是農(nóng)業(yè)面源污染[1].

由地表徑流引起的農(nóng)田氮磷流失是造成農(nóng)業(yè)面源污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因之一[2-3].金相燦等對(duì)太湖重點(diǎn)污染控制區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田排水中氮和磷的流失量對(duì)面源污染的貢獻(xiàn)率分別為61.5%和19.2%[2].

地形和土地利用方式的不同，使得不同種植模式下的土壤氮磷流失特征存在差異[4].土壤侵蝕是地表徑流氮磷流失的重要影響因素[5]，而坡度對(duì)土壤侵蝕量和徑流量的變化具有顯著影響，因此在相同的土壤條件和降雨強(qiáng)度下，氮磷的流失量與坡度之間存在密切的相關(guān)關(guān)系[6-7]；同時(shí)不同的土地利用方式也會(huì)導(dǎo)致污染物的濃度以及徑流系數(shù)的不同，進(jìn)而導(dǎo)致氮磷流失產(chǎn)生差異[8-9].

目前國(guó)內(nèi)有關(guān)不同種植模式下地表徑流氮磷流失特征的研究大多是基于某一時(shí)段的觀測(cè)結(jié)果[10]，或者是對(duì)某一區(qū)域單一種植模式下的氮磷輸出負(fù)荷的研究[11].有的雖然詳細(xì)考慮了不同類型的種植模式，但是沒(méi)有考慮實(shí)際的空間分布[2].鑒于此，本研究選取梁子湖區(qū)作為研究區(qū)域，根據(jù)實(shí)際地形和土地利用類型，采用流失系數(shù)法和遙感數(shù)據(jù)分析，研究不同種植模式下農(nóng)田氮磷流失空間分布特征，明確氮磷流失高風(fēng)險(xiǎn)種植模式和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū).

1 材料與方法

上圖：鄂州市在湖北省所處位置； 下圖：梁子湖區(qū)在鄂州市所處位置圖1 研究區(qū)域位置圖

1.1 研究區(qū)域概況梁子湖區(qū)，隸屬于鄂州市，地處長(zhǎng)江中游南岸，位于湖北省東南部，東與黃石市交界，南與咸寧市為鄰，西與武漢市接壤(圖1).地跨東經(jīng)114°32′～114°43′，北緯30°01′～30°16′.該區(qū)南邊多為低山，北部和西部多為丘陵和湖泊，東邊最高峰為沼山峰，海拔418 m.梁子湖區(qū)屬于典型的亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，冬冷夏熱，四季分明，光照充足，雨量充沛，平均氣溫17 ℃，年平均降水量1 330 mm.

梁子湖是我國(guó)重要的自然濕地保護(hù)區(qū)，是湖北省第二大淡水湖，被譽(yù)為鄂東地區(qū)的戰(zhàn)略儲(chǔ)備水源.梁子湖分東梁子湖、西梁子湖和牛山湖三部分，其中東梁子湖在鄂州市梁子湖區(qū)，其水質(zhì)達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ類水的要求，是一般魚類保護(hù)區(qū)，湖內(nèi)有淡水魚70余種，是馳名中外的武昌魚的故鄉(xiāng).

1.2 研究方法本研究采用的遙感數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat 8影像，成像時(shí)間為2019年5月22日，整體云量5%以內(nèi)，其中覆蓋研究區(qū)的圖像云量為0，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后獲取研究區(qū)15 m分辨率的Landsat 8 OLI融合影像.在充分考慮研究區(qū)實(shí)際地表土地利用情況的基礎(chǔ)上，從遙感制圖和地表徑流氮磷流失成因出發(fā)，按水系、水田、旱地、林地、園地、建筑用地和其他利用地7種類型對(duì)研究區(qū)域土地利用類型進(jìn)行識(shí)別與劃分.根據(jù)NDVI、MNDWI、NDBI等光譜特性以及遙感影像的色調(diào)、形狀、紋理、灰度等特征，結(jié)合研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)以及Google Earth當(dāng)前和歷史影像資料，解譯得到研究區(qū)域土地利用類型空間分布圖.

采用流失系數(shù)法計(jì)算農(nóng)田地表徑流氮磷流失量.以種植模式為單元，根據(jù)Arc GIS軟件提取坡度數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)每種種植模式的面積，再依據(jù)《全國(guó)農(nóng)田面源污染排放系數(shù)手冊(cè)》[12]中的不同種植模式下的氮磷流失系數(shù)，計(jì)算得出農(nóng)田地表徑流氮磷流失量.其中坡度小于5°劃分為平地、5°～15°為緩坡、大于15°為陡坡.相關(guān)計(jì)算公式如下：

Qij=KijSij/1 000(i=1, 2,…5；j=1, 2…5),

式中：i表示5種不同地形，分別為平地、緩坡地-梯田、緩坡地-非梯田、陡坡地-梯田和陡坡地-非梯田；j表示5種不同土地利用類型，分別為水田、大田、園地、露地蔬菜和林地；Kij為第i種地形和第j種土地利用類型對(duì)應(yīng)的氮流失系數(shù)，kg/hm2；Sij為第i種地形和第j種土地利用類型下的面積，hm2；Qij為第i種地形和第j種土地利用類型對(duì)應(yīng)的氮流失量，t；QR為某行政區(qū)域內(nèi)各種地形和土地利用類型產(chǎn)生的氮流失量之和，t；Qi為第i種地形下，各種土地利用類型產(chǎn)生的氮流失量之和，t；Qj為第j種土地利用類型下，各種地形條件產(chǎn)生氮流失量之和，t.磷流失量的相關(guān)計(jì)算與氮相同，只需將氮流失系數(shù)換成磷流失系數(shù)即可.

本文中采用流失量與流失強(qiáng)度相結(jié)合的方法來(lái)衡量氮、磷流失風(fēng)險(xiǎn)，識(shí)別氮、磷流失高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)種植模式.其中，流失強(qiáng)度為單位面積流失量.氮、磷的常規(guī)流失量為常規(guī)施肥情況下氮、磷的年流失量，土壤本底流失量為不施肥情況下農(nóng)田氮、磷的年流失量，則當(dāng)季施肥造成的氮、磷流失量為常規(guī)施肥情況下氮、磷的年流失量減去土壤本底氮、磷的年流失量.

根據(jù)地形、土地利用類型，梁子湖區(qū)農(nóng)田共分為19種種植模式，其名稱與《全國(guó)農(nóng)田面源污染排放系數(shù)手冊(cè)》中南方地區(qū)的種植模式名稱相對(duì)應(yīng)，各模式的流失系數(shù)見表1.

表1 梁子湖區(qū)不同種植模式農(nóng)田氮磷流失系數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 各類土地利用類型面積分布全區(qū)國(guó)土面積482.5 km2，其中農(nóng)用地301.25 km2，占全區(qū)面積的62.44%.在所有種植模式中，平地-水田(92.15 km2)和平地-旱地-園地(100.84 km2)的種植面積最廣，分別占全區(qū)農(nóng)用地面積30.59%、33.47%(見表2).

2.2 不同區(qū)域農(nóng)田地表徑流氮磷流失梁子湖區(qū)農(nóng)田地表徑流總氮常規(guī)流失量為525.07 t(表3).將梁子湖區(qū)按行政區(qū)劃分為東溝鎮(zhèn)、梁子鎮(zhèn)、太和鎮(zhèn)、涂家垴鎮(zhèn)和沼山鎮(zhèn)5個(gè)鎮(zhèn)(見圖2).總氮常規(guī)流失量表現(xiàn)為涂家垴鎮(zhèn)最多(307.84 t)，占梁子湖區(qū)的58.6%；梁子鎮(zhèn)最少(42.97 t)，僅有8.2%.涂家垴鎮(zhèn)在整個(gè)區(qū)域面積較大，且絕大部分是流失系數(shù)較高的園地和平地，所以流失量最大；而梁子鎮(zhèn)在整個(gè)區(qū)域面積較小且大部分是水體，只有少量流失系數(shù)較低的水田，所以流失量最小.由圖2可知，東溝鎮(zhèn)、梁子鎮(zhèn)和沼山鎮(zhèn)水田占比較高，分別為89.95%、51.42%、37.98%；太和鎮(zhèn)林地居多，占43.55%；涂家垴鎮(zhèn)園地占比最高，78.79%.綜合全部5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，平地-旱地-園地在19種種植模式中面積最大(約10 084 hm2)，對(duì)應(yīng)的流失系

表2 梁子湖區(qū)不同種植模式面積及占農(nóng)用地面積比例

數(shù)也較高(30.65 kg/hm2)，其對(duì)應(yīng)的總氮流失量為309.08 t，占全區(qū)的58.86%.從流失總量來(lái)看，平地-旱地-園地的總氮流失風(fēng)險(xiǎn)最高.

梁子湖區(qū)地表徑流氮的流失量大多來(lái)源于農(nóng)田土壤本底的流失量，占常規(guī)流失量76.17%，當(dāng)季施肥造成的肥料氮流失占常規(guī)流失量的23.83%.控制氮肥的投放可以防控當(dāng)季施肥造成的氮流失，也可以減少氮肥在土壤中殘留，從而減少農(nóng)田土壤本底氮流失.用單位面積的流失強(qiáng)度表示流域氮素輸出強(qiáng)度能更好的表達(dá)流域氮素輸出水平.因?yàn)榈剌敵鰪?qiáng)度排除了面積對(duì)氮素輸出的影響，而且整個(gè)流域的強(qiáng)度是流域內(nèi)各種土地利用強(qiáng)度的復(fù)合，可以利用流域氮素輸出強(qiáng)度與流域土地利用結(jié)構(gòu)分析兩者的關(guān)系[8].梁子湖區(qū)流失強(qiáng)度的均值為19.27 kg/hm2(圖3)，各鎮(zhèn)流失強(qiáng)度大小為涂家垴鎮(zhèn)(26.02 kg/hm2)>梁子鎮(zhèn)(21.71 kg/hm2)>東溝鎮(zhèn)(16.95 kg/hm2)>沼山鎮(zhèn)(15.20 kg/hm2)>太和鎮(zhèn)(9.33 kg/hm2)，涂家垴鎮(zhèn)流失強(qiáng)度最高，和高流失系數(shù)的園地占比較大有關(guān)；梁子鎮(zhèn)氮的總流失量最少，但流失強(qiáng)度僅次于涂家垴鎮(zhèn)，一方面由于梁子鎮(zhèn)農(nóng)用地面積小，另一方面由于該鎮(zhèn)大多為高流失系數(shù)種植模式；太和鎮(zhèn)流失強(qiáng)度最小，與該鎮(zhèn)林地占比較高有關(guān)，林地具有水土保持的作用，流失系數(shù)為0.

梁子湖區(qū)農(nóng)田地表徑流總磷常規(guī)流失量為25.35 t(表3).各鎮(zhèn)農(nóng)田地表徑流總磷的流失量大小排列與總氮相同.總磷常規(guī)流失量表現(xiàn)為涂家垴鎮(zhèn)最多(16.08 t),占梁子湖區(qū)的63.43%；梁子鎮(zhèn)最少(2.71 t)，僅有10.65%.綜合全部5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，平地-旱地-園地在19種種植模式中總磷流失量最大(16.19)，占全區(qū)的63.87%.從流失總量來(lái)看，平地-旱地-園地的總磷流失風(fēng)險(xiǎn)也最高.

常規(guī)施肥情況下，總磷的流失量為25.35 t，其中農(nóng)田本底流失量占75.30%，當(dāng)季施肥所產(chǎn)生的流失量占24.70%.梁子湖區(qū)地表徑流總磷流失強(qiáng)度為涂家垴鎮(zhèn)(1.36 kg/hm2)>梁子鎮(zhèn)(0.86 kg/hm2)>東溝鎮(zhèn)(0.71 kg/hm2)>沼山鎮(zhèn)(0.66 kg/hm2)>太和鎮(zhèn)(0.42 kg/hm2)，原因與總氮流失強(qiáng)度相同.

2.3 不同坡度下農(nóng)田地表徑流氮磷流失按坡度將梁子湖區(qū)農(nóng)用地歸類，發(fā)現(xiàn)該區(qū)主要以平地和緩坡地為主，分別占農(nóng)用地78.53%、17.94%，陡坡地極少，僅占3.53%(表4).由表5可知，不同坡度下農(nóng)田地表徑流總氮流失量最多為平地(495.86 t)，其次為緩坡地(35.20 t)，陡坡地(1.98 t)最少；總磷流失情況與總氮相似，最多為平地(24.23 t)，其次為緩坡地(1.74 t)，陡坡地(0.16 t)最少.其中平地總氮流失量占全區(qū)93.02%，總磷流失量占92.72%.

表4 梁子湖區(qū)不同坡度農(nóng)用地面積

表5 梁子湖區(qū)不同坡度地表徑流氮磷流失量

平地上總氮、總磷地表徑流流失量最高，主要是因?yàn)榕c緩坡地和陡坡地相比，其面積占比最大，流失系數(shù)也較高.在土壤條件和降雨強(qiáng)度一定時(shí)，氮磷的流失量與坡度成正比，但是在長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，往往由于平地土壤深厚，便于耕種，集約化程度高，土壤中養(yǎng)分的積累高于緩坡地和陡坡地，從而為高流失提供了基礎(chǔ).

圖4 梁子湖區(qū)不同坡度地表徑流流失強(qiáng)度

不同坡度下，肥料中氮的流失量占比為緩坡地(30.3%)>陡坡地(25.53%)>平地(23.5%)，磷的流失量占比為緩坡地(30.09%)>陡坡地(29.35%)>平地(23.93%).不同坡度下，氮磷流失強(qiáng)度變化相似，均為平地>緩坡地>陡坡地(圖4).農(nóng)田地表徑流中氮的流失形態(tài)主要為溶解態(tài)，而土壤具有很強(qiáng)的固磷能力，使得磷的流失主要為顆粒態(tài)，總磷的流失量主要由泥沙流失量決定.趙龍山等[13]研究表明產(chǎn)流量會(huì)隨著坡度的增加而增加，但由于梁子湖區(qū)陡坡地面積占比少，因此氮磷的流失量相對(duì)較低.平地和陡坡地的種植模式主要是水田和園地，水田具有良好的水土保持作用[14]，可攔截平地和坡耕地沖刷的泥沙，因此肥料中磷的流失量較少.

圖5 梁子湖區(qū)5類土地利用方式的面積分布

2.4 不同土地利用方式的農(nóng)田地表徑流氮磷流失按土地利用方式將19種種植模式分為水田、大田、園地、林地和裸露蔬菜五大類，其中水田(35%)、園地(39%)占比較大，林地(13%)和裸露蔬菜(10%)次之，大田最少(3%)(圖5).農(nóng)田地表徑流氮的流失量為園地(319.67 t)>水田(168.36 t)>大田(37.00 t)>裸露蔬菜(8.01 t)，磷的流失量為園地(17.12 t)>水田(7.47 t)>裸露蔬菜(0.78 t)>大田(0.75 t)(表6).水田和園地氮的流失量占該區(qū)氮流失量的31.58%和59.97%，是防控氮流失的重點(diǎn)土地利用方式；園地磷的流失量占該區(qū)磷流失量的65.54%，是防控磷流失的重點(diǎn)土地利用方式.

不同土地利用方式下，總氮的流失強(qiáng)度為大田(35.63 kg/hm2)最高(圖6)，其次為園地(27.35 kg/hm2)、水田(15.83 kg/hm2)，裸露蔬菜最低(2.78 kg/hm2)；總磷的流失強(qiáng)度為園地(1.46 kg/hm2)>大田(0.72 kg/hm2)>水田(0.70 kg/hm2)>裸露蔬菜(0.27 kg/hm2).王艷語(yǔ)等[15]研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)化肥施用水平較高，但當(dāng)季肥料利用率比較低，氮肥僅為30%～35%，磷肥只有10%～25%，因此盡管大田的面積占比最小，但流失強(qiáng)度最高.裸露蔬菜施磷量大，積累速度快，連續(xù)施用磷肥擴(kuò)大了土壤中的有效磷庫(kù)[16-17]，因此在裸露蔬菜的土壤中通常積累了大量的磷，使得本底流失量遠(yuǎn)高于當(dāng)季肥料流失量.

表6 梁子湖區(qū)4類土地利用方式地表徑流氮磷流失量

圖6 梁子湖區(qū)4類土地利用方式地表徑流氮磷流失強(qiáng)度

3 結(jié)論

1)梁子湖區(qū)地表徑流氮磷流失總量分別為525.07 t和25.35 t，在常規(guī)施肥情況下，農(nóng)田本底氮磷流失量分別占76.17%和75.30%，遠(yuǎn)高于當(dāng)季施肥造成的流失量.

2)涂家垴鎮(zhèn)不論是流失總量還是流失強(qiáng)度均高于其他鎮(zhèn)，是梁子湖區(qū)氮磷流失高風(fēng)險(xiǎn)區(qū).19種種植模式中，平地-旱地-園地的總氮、總磷流失量均最高，分別占全區(qū)的58.86%和63.87%，從流失總量來(lái)看是梁子湖區(qū)氮磷流失高風(fēng)險(xiǎn)種植模式.

3)平地農(nóng)業(yè)集約化程度高，種植模式對(duì)應(yīng)的流失系數(shù)也較高，因此氮、磷常規(guī)流失量最大，占全區(qū)的93.02%和92.72%；然而平地當(dāng)季施肥造成的氮、磷流失量?jī)H占常規(guī)流失量的23.50%和23.93%，小于緩坡地(30.30%和30.09%)和陡坡地(25.53%和29.35%).

4)水田和園地總氮的流失量最高，園地總磷的流失量和強(qiáng)度最高，因此水田和園地是控制氮磷流失的重點(diǎn)土地利用類型.