香溪河流域土地利用变化过程对非点源氮磷输出的影响

崔　超，刘　申，翟丽梅*，张富林，刘宏斌，雷秋良，武淑霞，华玲玲，周继文

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部面源污染控制重点实验室，北京100081；2.湖北省农业科学院植保土肥研究所，武汉430064；3.湖北省兴山县土壤肥料工作站，湖北宜昌443000）



香溪河流域土地利用变化过程对非点源氮磷输出的影响

崔超1，刘申1，翟丽梅1*，张富林2，刘宏斌1，雷秋良1，武淑霞1，华玲玲1，周继文3

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部面源污染控制重点实验室，北京100081；2.湖北省农业科学院植保土肥研究所，武汉430064；3.湖北省兴山县土壤肥料工作站，湖北宜昌443000）

摘要：选取三峡库区香溪河流域（3150 km2），根据1990、2000、2010年Landsat TM/ETM遥感影像，在ArcGIS支持下，应用景观特征分析和氮磷输出系数模型方法，在分析流域景观格局转变过程的基础上，研究了土地利用变化对非点源氮磷输出的影响。结果表明：1990—2000年土地利用变化较为缓和，2000—2010年土地利用转变较为剧烈，变化面积占到总面积的4.3％，为前10年变化量占比的3倍之多。1990—2000年和2000—2010年，土地利用转变量最为明显的均为林地转旱地和旱地转林地；从单位时间土地利用变化率来看，1990—2000年旱地变化最为剧烈，2000—2010年居民地变化最为剧烈；从土地利用相对动态度来看，1990—2000年和2000—2010年旱地均最高。1990—2000年土地利用的变化对非点源总氮（TN）和总磷（TP）输出影响较小，TN增加1.57 t.a-1，TP减少0.073 t.a-1；2000—2010年土地利用的变化显著降低了TN、TP的输出量，净值分别为78.5、6.1 t.a-1。土地利用转变方式对TN、TP的负荷影响不同，旱地转变为林地时TN负荷表现为消减，林地转变为旱地时TN负荷增加；水田转变为林地时TP负荷减少，旱地转变为水田时TP负荷增加。在输出系数与各土地利用类型面积关系的建立中，使用土地利用状态量变化面积不能真实计算出其对非点源氮磷负荷输出量的影响，通过土地利用过程量面积的变增才能真实反映土地利用变化导致的非点源氮磷负荷输出量。

关键词：香溪河流域；土地利用变化；非点源；输出系数；状态量和过程量

崔超，刘申，翟丽梅，等.香溪河流域土地利用变化过程对非点源氮磷输出的影响[J].农业环境科学学报，2016，35（1）：129-138.

CUI Chao，LIU Shen，ZHAI Lj-mej，et a1. Effect of 1and use/cover changes on njtrogen and phosphorus 1osses vja non-pojnt source pathway jn Xjangxj Rjver Basjn[J]. Journal of Agro-Environment Science，2016，35（1）：129-138.

土地利用变化状况是影响全球和区域环境Ÿ变的重要指标[1-2]。非点源污染氮磷负荷输出与土地利用方式密切相关，土地利用变化与水量、水质之间存在非常显著的相关性，土地利用方式转变不仅影响地表径流、基流等水文过程，更影响土壤侵蚀、泥沙以及营养物的运移[3-5]。不同土地利用类型的变化过程反映了土地利用格局在时间ž列上的变化，每种土地利用类型的过程变化包括了时段内过程增长量和过程减少量[6-7]，然而某一土地利用类型状态上的变化，即用t1时刻格局状态量与t2时刻格局状态量的差值并不能很好地反映土地利用类型的转变过程，土地利用动态变化矩阵则能够晰反映每种土地利用类型t1到t2时段内过程增长量与过程减少量（图1）。土地利用空间信息在时间ž列上的动态转变过程，是土地类型转变的内在结果，其过程的转变直接Ÿ变了非点源过程量的输出，最终影响非点源状态量的表达。

图1　土地利用变化过程量与状态量Fjgure 1 Process and state of 1and use/cover changes

非点源污染的时空不确定性、迁移过程的高度非线性以及过程降解的复杂性等特征[8-9]，增加了其排放量估算、来源解析的难度。根据输出系数模型可以直接建立土地利用与非点源氮磷负荷输出之间的关系，从而避开非点源污染发生的复杂过程，仅根据土地利用现状或变化量估算或预测非点源氮磷负荷输出，该方法简单有效，适合应用于估算缺乏大量监测数据区域非点源氮磷输出负荷。目前大多数研究者[10-14]只是通过建立输出系数与土地利用状态量之间的关系，汇算由当年土地利用状态下产生的非点源氮磷输出量，并没有综合考虑土地利用转变过程导致的非点源氮磷输出的响应关系，不能真实反映土地利用变化对非点源氮磷负荷输出的影响。因此，•用土地利用动态变化矩阵，建立输出系数与土地利用净变化量之间的关系，探讨土地利用转变过程对非点源氮磷负荷输出的影响，对流域非点源污染的管控具有重要意义。

本研究基于三峡库区香溪河流域1990年、2000年和2010年三个年度遥感解译土地利用数据，运用景观特征分析和氮磷输出系数模型方法，探讨香溪河流域景观格局转变过程和对非点源氮磷负荷输出的影响，进而为三峡库区流域非点源污染的综合治理奠定基础。

1　材料与方法

1.1研究区概况

香溪河流域发源于湖北省宜昌市神农架林区，流域总面积为3150 km2，干流全长95 km，途”兴山县（约78 km）至秭归县，由河口处汇入三峡大坝，是三峡库区坝首的第一大支流。其主要包括高岚河、古夫河和南阳河三大支流，处于上游的南阳河和古夫河在响滩汇流始称香溪，南流14 km峡口镇汇高岚河至游家河入秭归境内[15]。流域属构造地貌，高程80～3100 m，地形起伏较大，均系高山半高山区（图2）。

香溪河流域是三峡库区典型的农林复合小流域，土地利用类型主要有林地、耕地。土壤类型主要为黄棕壤和石灰土。年均降水量为900～1200 mm，主要集中在4—10月[16]。流域水土流失较严重，据统计香溪河兴山县范围水土流失面积达1 122.5 km2，占全县总面积的61％，年均侵蚀模数为6488 t.km-2，属强度侵蚀区[16]。

1.2研究方法

1.2.1数据来源及处理

研究区土地利用图来自中国科学院资源环境科学数据中心，比例尺为1∶10万。土地利用图为1990年、2000年和2010年各期Landsat TM/ETM遥感影像。遥感影像通过人工目视解译生成土地利用信息，划分水田、旱地、草地、林地、园地、水域和居民地等共7种土地利用类型（图3）。为构建输出系数模型，通过ArcGIS对矢量文件中的土地利用信息栅格化，栅格规格为25 m×25 m。土地利用类型面积通过栅格数量及其栅格面积，汇算所得。

图2　研究区概况图Fjgure 2 Map of studjed area

图3　1990、2000、2010年土地利用现状图Fjgure 3 Land use/cover jn 1990，2000，and 2010

•用ArcGIS空间数据分析中叠加分析模块，对不同年份间，空间同一点位土地利用类型的栅格属性进行空间信息识别，确立1990—2000年间和2000—2010年间土地利用转变的栅格矩阵。

1.2.2数据分析方法

1.2.2.1景观动态分析方法

土地的单位时间土地利用变化率是以土地利用类型面积为基础，关注研究时段内某用地类型面积变化的结果[18]。其计算公式为：

式中：Ai为第i种土地类型单位时间土地利用变化率；当t的单位设定为年时，模型结果表示该土地利用类型的年变化率。

单一动态度可直观地反映某一土地利用类型相对本身的变化剧烈程度与速度，也易于通过类型间的比较反映不同类型间变化的差异。为了反映各土地利用类型的变化在区域变化中的贡献大小，衡量某土地类型的变化是否成为区域土地变化的主要类型，引进土地相对动态度概念来表示土地利用的变化速率。其计算公式为：

式中：Bi为第i种土地利用相对动态度；Pi为研究初期第i类用地类型占研究区土地总面积的比率。

土地相对动态度的值越大，表明该用地类型的变化在研究区变化中的贡献越大。

1.2.2.2非点源污染排放分析方法输出系数模型[11]表达式：

式中：Lj为污染物j在该流域的总负荷量，kg.a-1；n为流域中土地利用类型的种类；Eij为污染物j在流域第i种土地利用类型中的输出系数，kg.km-2.a-1；Ai为第i种土地利用类型的面积，km2。

1.2.3输出系数选取

非点源污染的形成主要受流域地形、气候、水文、土地利用类型、农田管理措施、人类活动等因素的影响，因此，合理输出系数的确定是输出系数模型构建的关键。鉴于国内许多研究人员已用输出系数模型做了大量研究[9-13]，方法及系数的确立已相对成熟。考虑到丹江口水库研究区水文、气候、地理位置、植被覆盖等多因素与本研究较接近，引用前人研究使用过的输出系数[11]（表1）。

表1　各土地利用类型输出系数Tab1e 1 Export coeffjcjents of varjous 1and use/cover types

2　结果与分析

2.1不同年度土地利用类型结构及空间变化特征

从三个年份土地利用状况来看（图4），香溪河流域主要土地利用类型为林地，三个年度均占85％以上；耕地（水田、旱地）和园地面积小，不足流域总面积的8％。1990—2000年10年间各土地利用类型的面积基本保持不变。2000—2010年土地利用变化明显，果园、水域、居民地增长最多，分别为39.7％、91.7％和 251.0％；水田和旱地分别减少2.8％和32.9％。

图4　1990年、2000年和2010年各土地利用类型占比情况Fjgure 4 Percentages of varjous 1and use/cover types jn 1990，2000 and 2010

表2　1990—2000年香溪河流域土地利用转移矩阵（km2）Tab1e 2 Transfer matrjx of 1and use/cover jn Xjangxj Rjver basjn from 1990 to 2000（km2）

由1990—2000年香溪河流域土地利用转移矩阵得出（表2），土地转变面积较小，约占总量的1.4％。林地和旱地转变数量最多，分别占变化总量的47.3％和30.8％；水域、旱地和水田参与其他土地利用转变率最高，转变量分别占1990年水域、旱地和水田的8.3％、7.5％和6.1％。在转变过程中，水田主要转变为旱地和林地；旱地主要转变为林地、草地和水田；林地主要转变为旱地、草地和水田。

据2000—2010年香溪河流域土地利用转移矩阵来看（表3），土地利用变化更加剧烈，变化量占总量的4.3％，为前10年的3倍之多。林地和旱地依然变化最大，分别占变化总量的57.1％和26.4％；水田和旱地转变率最高，转变量分别占2000年水田和旱地总量的24.4％和43.7％。转变过程中，水田主要转变为旱地和林地；旱地主要变为林地、水田；林地主要变为旱地和水域。

表3　2000—2010年香溪河流域土地利用转移矩阵（km2）Tab1e 3 Transfer matrjx of 1and use/cover jn Xjangxj Rjver basjn from 2000 to 2010（km2）

2.2不同时间段景观变化动态度特征

通过表4和表5可知，2000—2010年较1990—2000年变化剧烈程度增加，净变化量最明显的均为林地和旱地。从单位时间土地利用变化率来看，1990—2000年流域变化最为剧烈的是旱地，变化率为0.076％；2000—2010年为居民地，变化率为25.1％。其中，水域单位时间土地利用变化率，均位居第二，说明水域面积呈不断扩大趋势。从土地利用相对动态度来看，1990—2000年和2000—2010年旱地的相对动态度均最高，分别为0.004 3％和-0.186 0％，说明旱地的对流域土地利用变化量最大。

表4　1990—2000年各土地利用类型土地动态度分析Tab1e 4 Land dynamjc ana1ysjs of varjous 1and use/cover types from 1990 to 2000

表5　2000—2010年各土地利用类型土地动态度分析Tab1e 5 Land dynamjc ana1ysjs of varjous 1and use/cover types from 2000 to 2010

2.3土地利用变化对非点源排放的影响

2.3.1不同年度土地利用变化对氮磷排放的影响

从表6来看，整个流域由土地利用变化所造成的非点源TN和TP负荷从20世纪80年代末期到2000年，变化基本维持平稳，TN略增，TP略减，净量分别为1.57、-0.073 t.a-1。从2000年到2010年TN、TP负荷变化显著（均减小），净值分别为-78.5、-6.1 t.a-1。

表6　1990、2000、2010年各土地利用类型状态量输出负荷（t.a-1）Tab1e 6 State output 1oads of varjous 1and use/cover types jn 1990，2000 and 2010（t.a-1）

各土地利用类型转变导致的非点源氮磷状态量，是根据不同土地利用类型最终状态面积与输出系数之间的关系计算得出（表7）。从非点源氮磷状态量输出来看，1990—2000年氮磷的增加量和减少量基本维持平衡，2000—2010年非点源氮磷输出总量减少，且TN减少更为明显。2000—2010年与1990—2000年相比，氮磷输出变化更为剧烈。从TN和TP来看，旱地减少量最大，分别减少了112.8、4.64 t.a-1；林地增加量最大，增加量分别为27.2、0.75 t.a-1；水域对TN、TP输出无影响。

非点源氮磷过程输出量，是通过•用土地利用动态变化矩阵，建立相对系数（两土地利用类型输出系数差）与土地利用净变化量之间的关系计算得出（表8），能够反映不同土地利用类型转变所隐含的内部非点源氮磷负荷输出状况。从过程量来看，1990—2000年和2000—2010年氮磷变化量最大的土地利用类型均为水田、旱地、林地。其中，水田TN、TP均减少，2000—2010年与1990—2000年相比，TN、TP减少量均增加了3倍以上；旱地中TN持续减少，从-15.2 t. a-1到-81.3 t.a-1，增加5倍以上，TP持续增多，从0.32 t.a-1到9.73 t.a-1，增加了30倍；林地在两个年度氮磷输出量均增加，且过程量增加在年度间变化相对缓和，TN为23.7、27.7 t.a-1，TP为5.57、8.56 t.a-1。

表7　各土地利用转变氮磷状态量汇算表（t.a-1）Tab1e 7 Amount of njtrogen and phosphorous status from varjous 1and use/cover transformatjon（t.a-1）

表8　各土地利用转变氮磷过程量汇算表（t.a-1）Tab1e 8 Amount of njtrogen and phosphorous from varjous 1and use/cover transformatjon by process（t.a-1）

2.3.2土地利用变化过程对氮磷排放的影响特征

图5详细表述了1990—2000年和2000—2010年两个年限周期，某一土地利用类型在其他土地利用转变为现有土地利用类型和现有土地利用转变为其他土地利用过程变化中，在该土地利用类型上所发生的非点源氮磷负荷的过程净量。正轴表示对某土地利用与其他不同土地利用间参与转变过程，并起到增加氮磷负荷作用的输出净量；负轴表示对某土地利用与其他不同土地利用参与转变过程，并起到消减氮磷负荷作用的输出净量。1990—2000年各土地利用变化间TN、TP负荷净量输出总体相对缓和，林地、旱地、水田的土地利用动态变化对TN负荷的贡献较大，水田、林地对TP负荷的贡献较大；2000—2010年较1990—2000年，由土地类型转变所导致的TN、TP负荷净量变化更为剧烈，对TN负荷贡献较大的土地利用方式为旱地、林地、水田，TP主要是水田、旱地、林地。

图5　各土地利用过程量转变TN、TP输出净量结构图Fjgure 5 Structure chart for 1and use/cover change effects on TN and TP net 1osses by process

续图5　各土地利用过程量转变TN、TP输出净量结构图Contjnue fjgure 5 Structure chart for 1and use/cover change effects on TN and TP net 1osses by process

从各土地利用转变方式对TN、TP的负荷贡献来看，不同土地利用转变对总量增长、消减的贡献能力不同。1990—2000年水田转变为林地、旱地转变为林地时对TN主要表现为消减，林地转变旱地、林地转变水田时TN负荷增加；而对TP负荷而言，水田转变林地、水田转变旱地表现为消减，而林地转变水田、旱地转变水田表现为增加。2000—2010年内部土地利用转换间对氮磷负荷贡献量相比1990—2000年变化更加剧烈，起主要负荷贡献作用的土地转化方式与1990—2000年的类似。旱地转变林地、水田转变林地对TN负荷表现为消减，林地转变旱地、林地转变水田、旱地转变水田时表现为增加；对TP来说，水田转变林地、水田转变旱地、旱地转变林地时表现为消减，旱地转变水田、林地转变水田时表现为增加。

3　讨论

3.1土地利用景观格局变化特点及成因

本文通过香溪河流域土地利用结构、景观动态变化、空间转移分析得出，20年间，2000—2010年土地利用变化最为剧烈，林地、旱地净量变化最大，居民地单位时间土地利用变化率最高，旱地的相对动态度最大。整个流域1990—2000年退耕还林、毁林复垦和水域扩增面积分别为14.6、16.1、0.6 km2，2000—2010年分别为72.7、22.8、8.9 km2，20年间退耕还林、水域扩增显著。

分析发生以上景观格局转变特点的成因，主要为三峡大坝1993年开始修建，2009年正式完工[19]，2000年之前为大坝建设前期，土地格局变化小，2000年以后随着大坝建造工程的推进，大坝蓄水后主要支流形成库湾，水域面积扩增，流域周边肥沃的农田被淹没，据统计[19]三峡库区大约有240 km2农用地被淹没，加之大量河谷居民迁移，新的农用地急需开垦，人地矛盾日益凸显[20]，且国家1999年开始试点“退耕还林”政策落实，2003年正式颁布了《退耕还林例》，退耕还林进入全面依法实施的阶段，生态退耕减少的耕地主要为坡耕地，且主要分布在坡度大于25°的丘陵地区[7]。以上复杂原因造成香溪河流域土地利用转变格局加剧。

3.2土地利用变化对非点源氮磷输出的影响

在非点源氮磷负荷估算上，由英国学者Johns等[21]提出的输出系数模型为非机理的“黑箱”模型，基于数据要求简单、氮磷负荷估算高效等优势，被国内学者广泛应用，其最大的缺陷在于忽略了水文过程对污染物的自净功能。该模型在国内的应用中，研究者更多是针对其影响因素带来的不确定性进行优化[22-23]，提高输出系数模型负荷估算的准确性。

刘瑞民等[10]运用输出系数模型，根据1970年、1980年、1990年和2000年土地利用状态量，对长江上游的各土地利用导致的非点源氮磷负荷进行了估算；方怒放等[11]以1990、2000、2007年遥感影像解译的土地利用图为基础，使用其三期土地利用状态量，运用输出系数模型对库区非点源污染进行空间模拟。但是研究者只是通过建立输出系数与土地利用面积状态量之间的关系，汇算不同土地利用引起的非点源氮磷负荷输出量，并没有考虑不同年份间各土地利用转化过程发生的实际非点源氮磷输出量。从实际情况来看，各土地利用面积状态量的变增并不能真实反映出其对非点源氮磷负荷输出的影响，汇算不同时间下土地利用过程的变化量才能使用输出系数模型准确计算出各土地利用转变的实际非点源氮磷发生量。从土地利用面积状态量和过程量所产生的非点源氮磷负荷汇总结果看出，由各土地利用变化导致的非点源氮磷输出总量相同：1990—2000年TN、TP分别为1.567、-0.073 t.a-1；2000—2010年分别为-78.584、-6.074 t.a-1。但各土地利用类型在状态量和过程量下的非点源氮磷负荷输出在贡献方向和贡献量上均表现出显著差异，各土地利用类型实际的非点源氮磷负荷输出量并不是其两状态量汇算结果之差。在土地利用状态量的变化中，水域的非点源氮磷输出显示为零，但在实际的变化中水域也参与了向其他土地利用转化的过程，对非点源氮磷负荷的输出量不应该为零；在林地状态量的变化中，结果显示1990—2000年非点源氮磷净输出负荷减少，2000—2010年表现为增加，且2000—2010年较1990—2000年变化更为显著。但从过程量汇算结果来看，林地在两个时段均对非点源氮磷负荷输出表现增加，且变化量差异较小，变化剧烈程度相当。

4　结论

1990—2000年不同土地利用类型间转变相对缓和，2000—2010年土地利用间转变较为剧烈，空间位置变化量为前10年变化量占比的3倍之多，土地利用转变主要发生在林地、旱地、水田、水域之间。由于土地利用所造成的非点源TN、TP从1990到2010年基本上呈逐渐下降的趋势，这种变化趋势和土地利用变化紧密相关。在输出系数与各土地利用类型面积关系的建立中，使用土地利用状态量变化面积不能真实计算出其对非点源氮磷负荷输出量，通过土地利用过程量面积的变增才能真实反映出土地利用变化导致的非点源氮磷负荷输出量。因此，讨论土地利用时间ž列上的动态演变对非点源氮磷负荷输出的影响，应使用各土地利用转变过程发生量换算各土地利用变化导致的非点源氮磷负荷输出量。

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Effect of land use/cover changes on nitrogen and phosphorus losses via non-point source pathway in Xiangxi River Basin

CUI Chao1，LIU Shen1，ZHAI Lj-mej1*，ZHANG Fu-1jn2，LIU Hong-bjn1，LEI Qju-1jang1，WU Shu-xja1，HUA Ljng-1jng1，ZHOU Jj-wen3
（1.Instjtute of Agrjcu1tura1 Resources and Regjona1 P1annjng，Chjnese Academy of Agrjcu1tura1 Scjences，Key Laboratory of Nonpojnt Source Po11utjon Contro1，Mjnjstry of Agrjcu1ture，Bejjjng 100081，Chjna；2.Instjtute of P1ant Protectjon，Soj1 and Fertj1jzer Scjences，Hubej Academy of Agrjcu1tura1 Scjences，Wuhan 430064，Chjna；3.Xjngshan Soj1 and Fertj1jzer Statjon of Hubej Provjnce，Yjchang 443000，Chjna）

Abstract：Land use changes great1y jnf1uence non-pojnt source njtrogen and phosphorus outputs. Here，the effect of 1and use/cover changes on non-pojnt source outputs of njtrogen and phosphorus was studjed based on remote sensjng jmages（Landsat TM/ETM）jn 1990，2000 and 2010 usjng the methods of characterjstjcs of 1andscape ana1ysjs，export coeffjcjent mode1，and ArcGIS jn the Xjangxj Rjver basjn（3150 km2）. Land use/cover changes were re1atjve1y moderate from 1990 to 2000，but was severe from 2000 to 2010. The area that 1and uses had changed from one jnto another between 2000 to 2010 accounted for 4.3％ of the tota1 area，whjch was three tjmes that from 1990 to 2000. Durjng 1990 to 2000 and 2000 to 2010，the greatest 1and use/cover type changes were from forest 1and to dry 1and or from dry 1and to forest 1and. The annua1 change rates of 1and use/cover was drastjc for dry1and from 1990 to 2000 whj1e resjdentja1 1and from 2000 to 2010. The bjggest dynamjc change area of 1and use/cover changes was dry1and for both 1990 to 2000 and 2000 to 2010. Durjng 1990 to 2000，the 1andbook=161,ebook=135use/cover changes had 1jtt1e effect on tota1 njtrogen（TN）and tota1 phosphorus（TP）1oads from non-pojnt source. Durjng 2000 to 2010，however，1and use/cover changes sjgnjfjcant1y reduced the 1oads of TN and TP，whjch was 78.5 and 6.1 t.a-1respectjve1y. The contrjbutjon of djfferent 1and use/cover changes to TN and TP 1oads varjed. The reductjon of TN 1oad majn1y happened when dry 1and changed to forest1and. The conversjon from paddy fje1d to forest1and decreased TP 1oad，whereas turnjng dry1and to paddy fje1d jncreased TP 1oad. In the estab1jshment of the quantjtatjve re1atjonshjp between export coeffjcjents and djfferent 1and use/cover type area，the 1and use/cover changes ca1cu1ated by statjc area cou1d not ref1ect jts jmpact on the TN and TP 1oads，whj1e the 1and use/cover changes ca1cu1ated by process area was a good jndjcator of TN and TP 1oads.

Keywords：Xjangxj Rjver basjn；1and use/cover change；non-pojnt source；export coeffjcjent；state and process va1ue

*通信作者：翟丽梅E-maj1：zhaj1jmej@caas.cn

作者简介：崔超（1990—），男，在读硕士研究生，主要从事流域氮磷养分管理及面源污染控制研究。E-maj1：cujchao5212009@163.com

基金项目：公益性行业（农业）科研专项（201303089）

收稿日期：2015-08-18

中图分类号：X53

文献标志码：A

文章编号：1672-2043（2016）01-0129-10doj：10.11654/jaes.2016.01.018