云贵高原区吸附态氮、磷负荷模拟及其与土地利用的关系研究

姜甜甜

(1.河北省环境科学研究院，河北 石家庄 050037；2.河北正奇环境科技有限公司，河北 石家庄 050037)



云贵高原区吸附态氮、磷负荷模拟及其与土地利用的关系研究

姜甜甜1,2

(1.河北省环境科学研究院，河北 石家庄 050037；2.河北正奇环境科技有限公司，河北 石家庄 050037)

以云贵高原为研究区，采用美国土壤流失方程(USLE)为基本理论，将GIS等空间信息技术作为研究的技术平台，建立了吸附态氮磷模拟模型，利用土壤属性数据库获得氮、磷营养物含量，对云贵地区进行了20年(1989～2008年)平均土壤侵蚀量以及多年平均吸附态氮、磷负荷的模拟和验证，研究分析了区域吸附态氮磷负荷变化与土地利用结构的关系，结果表明：吸附态氮磷负荷与土壤侵蚀状况十分相关，土地利用的变化也对吸附态氮磷变化起着决定作用。

吸附态氮、磷；模型验证；土地利用；地理信息系统；空间分析

1　引言

目前我国水土流失在也带来了许多环境问题，主要表现是受到外力如强降水等的作用，存在于土壤表层中的大量氮磷营养元素(主要以吸附态即颗粒态形式)，随着流失的水土发生了迁移，造成了土壤中营养物质的损失形成贫瘠土壤，另外大量营养物质随水土径流等进入水体，造成水体营养物质增多形成地表水体的富营养化[1]。氮磷等元素流失不仅受地形、地貌、土壤及降雨等自然地理因素的影响，还受人类活动的控制，而土地利用可综合反映人类活动的情况，土地利用类型、结构等对氮磷等迁移转换有极其巨大的作用[2，3]。水土流失造成的氮磷等营养元素损失量(即吸附态氮磷量)的定量模拟，以及定量分析小流域内土地利用结构对吸附态氮磷负荷变化的影响，对于水环境的保护以及生态环境可持续性具有重要价值。

结合土壤流失方程建立流域吸附态氮磷模拟模型，以云贵地区作为研究对象，进行了多年(1989～2008年)平均土壤侵蚀量以及多年平均吸附态氮、磷负荷的模拟和验证，并分析了小流域内不同土地利用结构对吸附态氮磷负荷变化的影响，以期为湖泊富营养化控制及流域最佳管理模式的建立提供依据。

2　研究方法

2.1研究区简介

云贵高原位于中国西南部，地势西北高东南低，海拔1000～2000 m，高原中山间盆地土壤肥沃，多是村镇集中地。其为亚热带季风气候属亚热带湿润区，一年中冬干夏湿两季分明，全年降水在1500～1750 mm之间，受到大气环流、纬度和海拔高度作用，气温在15～22 ℃之间，四季如春。该区域为三大水系的分水岭(元江、西江和长江)，其支流等切割地面地形较破碎。湖泊多为构造湖，通过地下水和地表水进行补给，换水周期长，包括泸沽湖、洱海、滇池、抚仙湖和草海等湖泊。云贵高原地区土地利用详查资料显示[4]，土地利用类型以林地为主，其次是分布在丘陵山地及河谷坝区的耕地，分布在贵州的西部、南部和北部边缘以及云南东北部的连片牧草地，零散分布在河谷、盆地中的农地。

2.2基础数据收集

研究区1989～2008年35个站点常年降水量、逐月降水量、常年平均气温；研究区 1∶1000000行政区划图，1∶100000土地利用图与1∶50000数字高程图(DEM)；中科院南京土壤研究所提供土壤属性数据库中收集研究区土壤属性数据；水利部提供的土壤侵蚀栅格数据(1 km×1 km)中收集研究区数据。

2.3土壤侵蚀量模拟

通用土壤流失方程(USLE) 由WISCHMEIER等[5]提出，是模拟土壤侵蚀最为常用的方法。其模型表达式为：

A=R×K×LS×C×P

(1)

(1)式中，A为年土壤侵蚀量，单位t/(hm2·a)；R为降水侵蚀力因子，单位MJ·mm/(hm2·h·a)；K为土壤侵蚀因子，单位t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L为坡长因子，单位m；S为坡度因子，单位%；C为植被与经营管理因子(无量纲)；P为水土保持因子(无量纲)。

2.4 吸附态氮、磷负荷模拟模型

吸附态氮、磷负荷的模拟计算是根据HAITH等提出的“规划”模型[6]，该表达式为：

LSkt=a×CSkt×Xkt×TSkt×Sd

(2)

(2)式中，a为单位换算常数；LSkt为颗粒态氮、磷污染物负荷，单位kg/km2；CSkt为土壤固态氮、磷污染物的质量分数，单位mg/kg；X为土壤流失量，单位t/km2；TSkt为污染物富集比(无量纲)；Sd为流域泥沙输移比(无量纲)。

泥沙输移比(Sd)的精准计算还处于探索阶段，美国农业部在许多研究基础上构建了泥沙输移比曲线图，曲线假定在很小的流域面积内泥沙输移比可视为1，随流域面积的增大泥沙输移比递减。由于云贵高原具有较大面积，运用估计方法确定研究中选用0.25为泥沙输移比。研究显示氮、磷的污染物富集比(TSkt)通常在1～4范围内[7]，常在2附近变动，污染物富集比选用2。

3　结果与分析

3.1云贵高原地区土壤侵蚀量模拟结果与分析

3.1.1模型验证

运用ArcGIS里水文分析对云贵高原地区地表水流有关的物理特性进行研究，以便划分流域边界，河道阈值面积越小，河网越密流域的数目越大，从计算效率和该区的实际出发，该研究区域划分为342个小流域。

结合土壤侵蚀强度分级标准和土壤侵蚀栅格数据(水利部)，进行研究区遥感影像解译的土壤侵蚀调查数据土壤侵蚀量的估算[8]。之后运用GIS对遥感解译估算的1995年土壤侵蚀量和模型估算的土壤侵蚀量，以云贵高原地区小流域边界进行区域计算，获得两组侵蚀量数据(342个小流域)。运用SPSS中相关分析得到如下结果(表1)，在342个小流域中，遥感调查侵蚀量与模型模拟侵蚀量的相关系数为0.681，检验概率(Sig.)均为0，总体显著相关。将遥感调查侵蚀量和模型模拟侵蚀量数据均进行对数转换，通过回归分析显示，遥感调查与模型模拟侵蚀量的R值为0.681，检验概率(Sig.)均为0，具有显著线性相关关系。计算结果显示，遥感调查(实际情况)与模型估测结果呈现显著相关，研究中模型对于研究区域有良好的模拟估测效果。

表1　 相关分析

注：**表示显著性水平0.01时研究对象存在显著相关关系

3.1.2土壤侵蚀量模拟结果分析

运用验证后的云贵高原湖区土壤侵蚀模型，进行栅格计算，模拟云贵高原20年的(1989～2009年)的土壤侵蚀量(图1)。计算的结果土壤侵蚀量为年平均值。

由图1看出，云贵地区在区域地质特点、气候特点与地貌分异等情况影响下，整体上讲土壤侵蚀结构在空间上呈现不平衡性。该地区土壤侵蚀量为70169.6万t，土壤侵蚀量分别从南部、西北部向中部下降，其中南部土壤侵蚀最为严重，最高的流域土壤侵蚀量为2283.14万t，云贵高原地区土壤流交换趋势以及流动方向通过土壤侵蚀的宏观结构特征显现出来。南部地区是云贵地区土壤侵蚀强烈发生地区。该地区土地利用以林地耕地为主，地势相对较高，受到地形和降雨的影响，使得水土流失较为严重。另外居住于山地的农民，人均可耕地少，无灌溉设施，土地为其主要经济来源[9]。为解决基本温饱问题，人们规模砍伐森林，陡坡垦殖，盲目对土地进行开发，引起地表覆盖植被的巨大破坏，使山地脆弱的生态系统失去平衡，导致整体生态功能受损，人为加速了水土流失。剧烈的土壤侵蚀多发在这些山地坡地，水土流失导致这些地区经常成为河泥沙的主要源地。

图1　1989～2008年云贵高原土壤侵蚀量分布

3.1.3逐步回归法分析模型各因子贡献大小

逐步回归分析是在许多影响因素中，根据设定的标准(probabilityofFtoenter<0.05,probabilityofFtoremove>0.10)，筛选理清主要因素及其影响水平，排除不主要因素，以便构建相对合理的多元回归方程。分析中的回归系数用于回归方程式的构建，各因素影响水平程度则是通过标准回归系数进行表述(表2)。研究中通过逐步回归法研究土壤侵蚀量的五大因子，寻找哪个因子对土壤侵蚀量影响最大。

若干回归模型是基于被解释变量和每个解释变量构建的，其中首选模型是选择拟合优度最大的回归方程，之后逐个增加其他解释变量，如果回归方程参数统计值依然显著，拟合优度提高是由于新增加的解释变量，则在回归模型中保留新增解释变量，否则反之。

通过拟合度、残差分析、相关系数表分析，可以看出对于云贵地区，地形因子LS对土壤侵蚀的影响最大，说明海拔越高地区，土壤侵蚀就越严重，地形因素是主要影响因素。逐步回归法计算得到、优化的土壤侵蚀模拟回归方程为：

y=-34.21+28.01x1+179.69x2。

3.2云贵高原地区吸附态氮、磷负荷模拟结果分析

3.2.1模型验证

基于研究条件限制精准验证十分困难。研究的验证方法运用空间形态对比法[10]。将模型模拟的1989～2008年阶段云贵高原土壤侵蚀量(图1)、吸附态氮负荷和吸附态磷负荷(图2)进行对比，在空间上，土壤侵蚀严重的地区，吸附态氮磷流失状况也较为严重，土壤侵蚀水平较弱的地区，吸附态氮磷流失程度也较低，三者呈现极大相似性。

表2　回归系数

图21989～2008年阶段吸附态N量和吸附态P量(t)

3.2.2吸附态氮、磷负荷模拟结果分析

吸附态氮磷年负荷反映多年平均值。按小流域划分别对氮、磷污染物负荷量进行统计分析，得到1989～2008年阶段吸附态氮磷空间分布状况(图2)，从中可以看出如下基本特征。

(1)云贵地区吸附态氮、磷负荷分别为821.16t和381.85 t，流失较严重的地区主要分布在云贵西北部和中南部，氮磷流失最大值为30.52 t和13.78 t，其余流域相对较轻，流失较严重的地区土地利用多为有林地和耕地，但该地区坡度较大相对整体区域偏大，土壤固态氮磷含量较高，造成吸附态氮磷负荷较高。说明吸附态氮磷负荷除了受到土壤侵蚀程度的影响以外，地形与土壤中氮磷背景含量也对其起着决定性影响作用。

(2) 在空间上，从南部、西北部向中部、东部吸附态氮磷负荷呈减小趋势；南部地区附态氮磷负荷高于西北部，与土壤侵蚀变化趋势一致。云贵地区地形以山地为主，坡度较大，降雨也较强，加剧了南部、西北部山地丘陵区下蜀土侵蚀搬运，水土流失的加剧，使得吸附态氮磷流失加剧。中部海拔降低，降雨减少，吸附态氮磷的水土流失较弱。

3.3不同土地利用类型的氮磷负荷模拟结果分析

利用云贵地区小流域吸附态氮磷空间分布图，分不同土地利用类型分别进行吸附态氮磷污染负荷估算，计算结果如表3所示。

由表3可知，土壤侵蚀以低覆盖草地和灌木林最为严重，主要是因为草地分布在海拔较高的地区，水土保持措施不好；其次是旱地、疏林地，主要在坡度较大的山地和丘陵分布，海拔高，受到降雨侵蚀严重，导致土壤侵蚀较为严重。吸附态氮磷负荷排序为：低覆盖草地>灌木林>旱地>疏林地>有林地>水田>农村居民点。吸附态氮磷在低覆盖草地随水土流失最为严重，主要分布在海拔较高的地区，水土保持措施不好，降雨侵蚀剧烈，土壤侵蚀程度严重。灌木林、疏林地和有林地等土地利用类型，分布区域地势相对较高，受到地形和降雨的影响，使得水土流失较为严重，而且居住于山地的农民人均可耕地少，为解决基本温饱问题，盲目对土地进行开发，引起地表覆盖植被的巨大破坏，导致整体生态功能受损，人为加速了水土流失。该区域常成为河泥沙及其携带氮磷元素流失的主要源地，而低海拔相对平缓区域的水域则通常成为泥沙及其携带氮磷元素的汇集地，营养元素等大量汇集极易造成水体富营养化等污染状况。

表3　不同土地利用类型的土壤侵蚀和氮磷负荷

4　结论

以云贵高原地区作为研究对象，结合GIS技术、土壤流失方程和规划模型，对20年间(1989～2008年)多年平均土壤侵蚀量进行了模拟和验证，结果表明：模型对于研究区域有良好的模拟估测效果，土壤侵蚀量分别从南部、西北部向中部下降，其中南部土壤侵蚀最为严重。之后进一步运用模型，对20年(1989～2008年)云贵高原地区因水土流失引发的吸附态氮、磷负荷进行模拟计算和空间分析，在空间上，吸附态氮磷流失较严重的地区主要分布在南部地区，从南部、西北部向中部呈减小趋势，南部地区坡度较大地势较高降雨侵蚀强度大，土壤固态氮磷含量较高，造成吸附态氮磷负荷较高。灌木林、疏林地和有林地等土地利用类型分布区域，受到地形和降雨的影响，使得水土流失较为严重，盲目对土地进行开发导致整体生态功能受损，人为加速了水土流失，该区域常成为河泥沙及其携带氮磷元素流失的主要源地，而低海拔相对平缓区域的水域则通常成为泥沙及其携带氮磷元素的汇集地，极易导致水体富营养化等污染状况。所以吸附态氮磷负荷不仅与土壤侵蚀极为相关，地形、气候与土壤中氮磷背景含量也起着决定作用，土地利用类型对吸附态氮磷负荷也有极大影响作用。

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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，主要从事流域水环境污染防治与规划工作。

U412.1+4

A

1674-9944(2016)16-0153-04