西笤溪流域不同土地利用类型营养盐输出系数估算_李兆富

2007年2月水土保持学报

JournalofSoilandWaterConservationVol.21No.1Feb.,2007　

西笤溪流域不同土地利用类型营养盐输出系数估算

李兆富,杨桂山,李恒鹏

1

2

2

①

(1.南京农业大学资源与环境科学学院,江苏南京210095;2.中国科学院南京地理与湖泊研究所,江苏南京210008)摘要:各种土地利用类型营养盐输出系数是建立非点源污染模型的重要参数。以位于太湖地区的西苕溪流域为研究区,利用GIS技术进行子流域划分并选择了11个典型小流域,通过对2004年Spot遥感影像解译获得流域土地利用数据,于2004年分3次监测了各个小流域出口的TN、TP浓度。基于以上数据,定性分析了小流域土地利用结构与营养盐输出关系,表明随着耕地面积比例增大或林地面积比例减小,营养盐输出水平增大;在此分析基础上,建立了小流域不同土地利用类型(耕地、林地)面积比例与TN、TP浓度的定量关系,并进而计算获得西苕溪流域耕地的TN、TP输出系数分别为4.7473mg/L,0.06mg/L,林地的TN、TP输出系数分别为0.2713mg/L,0.0075mg/L,为流域尺度的营养盐输出负荷估算提供重要参数。关键词:营养盐;　输出系数;　西苕溪流域

中图分类号:X52　　　文献标识码:A　　　文章编号:1009-2242(2007)01-0001-04

EstimationofNutrientExportCoefficient

fromDifferentLandUseTypesinXitiaoxiWatershed

LIZhao-fu,YANGGui-shan,LIHeng-peng

1

2

2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095;2.NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008)

:Nutrientexportcoefficientoflanduseisanimportantparameterforconstructingmodelofnon-pointAbstract

sourcepollution.XitiaoxiwatershedlocatedinTaihulakeregion,11representativesub-watershedsweredelineat-edandselectedbyGIS.LandusedataderivedfromSpotsatelliteimagesin2004.TN/TPconcentrationsweremeasuredby3timesinJul.,Sep.andDec.of2004atoutletsofthesesub-watersheds.Therelationshipbetweenlandusecompositionandnutrientexportwasqualitativelyanalyzed,theresultshowedthatnutrientexportin-creasewithahigherpercentageofarablelandareaandalowerpercentageofforestlandarea.Basedonthisresult,thequantitativeequationbetweenpercentageoflanduseareaandTN/TPconcentrationwasestablished.TN/TPexportcoefficientforarablelandis4.7473mg/Land0.06mg/L,andTN/TPexportcoefficientforforestlandis0.2713mg/Land0.0075mg/L.

Keywords:nutrient;　exportcoefficient;　Xitiaoxiwatershed

非点源污染对水环境恶化具有重要的贡献率[1]。土地利用方式是影响非点源污染的关键性因素,综合反映人类活动对自然环境作用的土地利用方式对土壤、植被、径流及化学物质输入输出等因素具有重要影响,进而导致不同土地利用类型所产生的非点源污染差异巨大

[2,3]

。各种土地利用类型的非点源污染输出系数是建立非

点源污染模型的重要参数,科学估算非点源污染输出系数对于准确估算污染输出负荷并进行有效控制具有十分重要的意义。非点源污染因空间分布的广泛性、发生机理的复杂性等,致使计算污染负荷的不确定性较大[1],使得确定不同土地利用类型的污染物产出率成为研究的热点和难点。已有的研究方法包括以下几个方面:一是基于污染源调查和野外田块监测确定化肥施用量和流失率来估算

[5]

[4]

;二是通过侵蚀模型确定土壤侵蚀率并根

据土壤组成来估算;三是通过对代表性小区监测确定不同土地利用类型与面源污染负荷的关系,估算面源污染负荷量[6];四是通过室内或野外人工降雨试验,研究不同土地利用类型暴雨径流中农田氮、磷等营养盐流失量[7,8];五是基于单一土地利用为主的小流域水质水量同步监测确定不同土地利用类型径流污染物浓度来估算。通过化肥施用量和流失率来估算的优点在于容易实施,其缺点在于监测过程主要反映田间渗漏,而不包括流域产、汇流等流域水文过程。采用土壤侵蚀的方法也存在类似的问题,侵蚀模型估算属于坡面侵蚀,在地形

①

[9]

收稿日期:2006-11-02

基金项目:国家自然科学基金资助项目(40371111,40401056).

作者简介:李兆富,男,生于1977年,博士,讲师。主要研究资源利用与环境效应。Email:lizhaofu@njau.edu.cn2

水土保持学报第21卷

平缓地区,估算的侵蚀率很低,但这些区域多为耕地,面源污染产出率高,侵蚀模型估算方法没有体现出来。小区监测和人工降雨试验便于控制污染负荷的影响因素,但空间尺度小,一般适应坡面流物质输移的机理研究,在较大流域应用时不确定性较大。以流域为单元的监测结果反映了污染物经产、汇、集流过程的最终输出,用于流域面源污染估算时,估算结果也更接近于实际。

本研究拟通过选取多个单一或复合土地利用类型为主的小流域,通过出口径流水样监测获得流域氮磷营养盐输出水平,再通过与实际小流域内的土地利用类型和结构进行综合分析,确定不同土地利用径流污染物浓度,为整个西苕溪流域及其小流域面源污染负荷估算提供参数。

1　研究区域概况与研究方法

1.1　西苕溪流域概况

西苕溪流域位于浙江省北部的湖州市境内,属太湖流域。西苕溪干流总长157km,流域面积约2200km2,是太湖上游的重要来水支流。流域地貌包括山地、丘陵和平原,坡度大于15°的面积占45%。本区降雨量时空差异较大,降雨集中于4～9月,以梅雨和台风雨为主,山区降雨大于平原。径流的年际变化显著,径流的季节分配主要决定于降水的多少,其年内变化与降水基本一致,峰值出现在5～6月和9月。流域内的土地利用类型包括林地、耕地、园地、草地、居民地和水体,其中林地和耕地比例最大,两者的面积占整个流域面积的90%以上。1.2　研究方法

1.2.1　小流域选择与提取　研究基于由1∶1万和1∶5万地形图构建的数字高程模型(DEM),并参考西苕溪流域水系图,利用Arcview3.2的水文模拟扩展模块,在西苕溪流域选择并提取了11个小流域边界。其中位于下游的3个小流域编号为W1～W3,位于中游的4个小流域编号为W4～W7,位于上游的4个小流域编号为W8～W11。这些小流域的选择主要考虑了选取的流域范围内没有大的城镇和工业分布,基本可以排除工业点源和生活污染的影响,也就意味着这些小流域输出的营养盐主要来源于面源;另外,也尽量考虑小流域面积及其土地利用结构,以便能比较土地利用结构相似而面积差异较大的小流域以及面积相似而土地利用结构差异较大的小流域营养盐输出关系。

1.2.2　土地利用数据获取　利用2004年的Spot遥感影响数据目视解译获得西苕溪流域的土地利用数据,并对选择的重点小流域进行实地踏查修正,土地利用类型分为耕地、林地、园地、草地、居民地与水体6大类。利用GIS的空间分析功能,把前述提取的11个小流域边界和解译的土地利用数据叠加,获得了各小流域的土地利用数据(表1)。选择的11个小流域面积占各个小流域面积的95%以上,而且居民地面积都不大,最大的也不超过15hm2,一般都是零散分布的居民点,小流域内没有工业点源污染。

1.2.3　野外采样与分析　对典型小流域氮磷营养盐输出进行野外监测,在2004年7,9,12月份3次进行了采样监测分析。采样点就设置在每个典型小流域的河流出口处,使用直立式有机玻璃采水器采集水样,然后带回实验室分析。其中采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法分析水样的TN浓度,采用过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法分析水样的TP浓度。本研究分析采用TN、TP浓度表征氮磷营养盐输出水平。

2　结果与分析

2.1　流域土地利用结构与营养盐输出关系分析为了计算各种土地利用类型的营养盐输出系数,首先要分析典型小流域土地利用与营养盐输出的关系。土地利用是流域人类活动强度的典型表现。为了研究土地利用结构对流域氮磷营养盐输出影响,考虑到可比性,一方面选择流域面积相当,而土地利用结构差异较大的流域对比,另一方面选择土地利用结构类似,但流域面积差异的流域对比。选择的各个子流域的面积和土地利用结构情况如表1。

小流域W1

W2W3W4W5W6W7W8W9W10W11

表1　西苕溪典型小流域面积及土地利用比例构成

耕地(%)6.606.987.0530.0419.9331.1635.7012.671.182.293.78

林地(%)90.4491.88.68.80.68.62.86.98.

4458630742777143

园地(%)1.301.0.0.0.0.0.0.0.4294010000000000

草地(%)0.000.0.0.0.0.0.0.0.0000480000000000

水面(%)1.360.2.0.0.0.1.0.0.1678810043520038

居民地面积合计(%)(hm2)0.314419.720.0.0.0.0.0.0.0.0065030000006201

1059.752095.381760.58498.06358.47709.831576.172942.913720.424476.69

96.5394.510.801.120.320.000.020.250.050.34

从西苕溪各小流域面积和土地利用结构表中可以看出,W10和W11都属于上游小流域,坡度相似,而且流域面积均在40km2左右,具有较好的可比性。比较这2个流域可以说明氮素输出浓度变化是土地利用结构差异的结果。分析显示,W11流域的林地比例比W10减少了2.01%,而耕地、园地、居民地比例比W10流域分

第1期李兆富等:西笤溪流域不同土地利用类型营养盐输出系数估算

3

别增加了1.49%,0.32%,0.29%。2004年3次流域出口TN的监测浓度W11比W10分别高出51.3%(7月),65.1%(9月)和61.7%(12月)(图1)。进一步比较W11、W10和W1的情况,W1流域的耕地面积比例是W11的近2倍,是W10的近3倍,而林地比例比W10与W11都有所降低。监测的结果显示W1的TN浓度比上游的2个小流域都高,其中9月份W1比W10高2倍多,比W11高出85%;12月份W1比W10高1.3倍,比W11高43%(图2)。由此说明,流域出口TN浓度的增加与受人类活动影响较大的土地利用类型(耕地、园地、居民地等)比例增大的影响有直接关系,耕地比例的增大对流域氮素输出增加具有重要的作用。另一方面选择W4和W6比较,因为两者都位于整个西苕溪流域的中游地区,且土地利用结构类似,都以耕地和林地为主,但2个流域的面积相差5倍。对2个流域TN的3次监测显示,2个流域TN的浓度差异不大(图3),其中9月份差异不到1%,12月份差异为3.8%,7月差异为18%。由此也说明,流域土地利用结构比流域面积更能影响流域氮素输出的强度。另外,通过对TP浓度监测结果与各小流域土地利用结构进行比较有类似的结果。上述分析表明,土地利用结构对营养盐输出具有重要影响,随着林地面积的减少和耕地面积的增大,流域营养盐输出强度增大;土地利用结构类似而且处于流域相同地貌位置的小流域营养盐输出强度相当,这也是流域相似性原理的体现。基于此结论可以进一步对耕地和林地两种主要的土地利用类型的输出系数进行计算。

2.2　主要土地利用类型营养盐输出系数估算

对选择观测的11个小流域的土地利用结构进行分析可以看出,各小流域的土地利用类型均以林地和耕地为主,两种类型的面积合计占流域总面积比例都达到95%以上。因此本研究主要测算林地和耕地的营养盐输出系数。

前面分析表明,土地利用结构与氮磷营养盐输出有密切关系。为了确定小流域TN、TP与土地利用结构关系,尽量避免流域土地利用结构悬殊带来的不可比性,只选择流域内耕地面积大于10%的5个小流域(W4～W8)进行比较,而其它小流域耕

地面积比例过小,同时林地面积比例过大,无法用于定量计算。

通过对W4～W8这5个小流域的耕地面积比例与林地面积比例与流域出口的TN浓度进行比较发现,TN的浓度随着耕地比例的增加而增加,随着林地比例的增加而减少,而且线性拟合趋势较好(如图4)。对于TP而言,也是类似,随着耕地比例的增加,TP浓度升高;随着林地比例的增加,TP浓度降低(如图5),但线性拟合趋势比TN差些,这也说明土地利用对氮的影响比对磷的影响要大。

　　通过对小流域土地利用结构与TN输出浓度关系拟合结构整理得到以下模型公式:

TN浓度=0.0449×耕地面积比例+0.2573　R2=0.959

2

图1　W10和W11流域氮素输出差异

图2　W1和W10、W11流域氮素输出差异

图3　W4和W6流域氮素输出差异

(1)

TN浓度=-0.0431×林地面积比例+4.5813　R=0.9601(2)

　　以上公式中的比例不计百分号单位,TN浓度单位为mg/L。可以认为当耕地面积比例达到100%时,流域输出的TN浓度即为耕地类型的TN浓度输出系数;同理,当流域林地面积比例达到100%时,流域输出的TN浓度即为林地类型的TN浓度输出系数。

通过对小流域土地利用结构与TP输出浓度关系拟合结构整理得到以下模型公式:

TP浓度=0.0008×耕地面积比例+0.0096　R2=0.6701TP浓度=-0.0008×林地面积比例+0.0875　R2=0.6382(3)(4)

4

　　同样可以认为当耕地面积比例达到100%时,流域输出的TP浓度即为耕地类型的TP浓度输出系数;同理,当流域林地面积比例达到100%时,流域输出的TP浓度即为林地类型的TP浓度输出系数。

通过对模型公式(1)～(4)中自变量即耕地面积比例或林地面积比例达到100%时,计算获得西苕溪流域耕地类型TN、TP浓度输出系数分别为4.7473mg/L,0.06mg/L;林地类型TN、TP浓度输出系数分别为0.2713mg/L,0.0075mg/L。

2.3　本研究区输出系数与太湖地区(以及其　　它地区)相关研究比较

对相关文献中营养盐输出系数的查阅调研对于输出系数的确定可以起到较好的参考作用。以往针对该区域也有研究涉及氮磷营养盐的输出水平,主要有人工降雨模拟方法与子流域方法两种。通过野外人工模拟天然大暴雨,研究西苕溪流域5种土地利用类型营养盐随暴雨径流及径流沉积物的迁移过程,估算氮、磷在流域内不同土地利用/土地覆被条件下的损失率,该研究获得了不同土地利用类型

[7,10,11]

(表2)。也有研究TN、TP输出浓度系数

针对浙西区进行子流域划分,选取以单一林地

水土保持学报第21卷

图4　小流域土地利用结构与TN浓度的关系

图5　小流域土地利用结构与TP浓度的关系

为主或林地与耕地为主的子流域,分析占该区90%土地利用面积的林地、耕地与径流污染物浓度的定量关系,

研究结果获得了以林地为主和以耕地为主的子流域出口径流TN、TP浓度[9](表2)。

比较可以看出,人工模拟降雨方法获得的营养盐输出系数要远大于本研究和子流域模拟方法的结果。这是由于人工降雨模拟试验条件空间尺度小,适用于坡面流物质输移的机理研究,在流域尺度应用时不确定性较大。本研究与子流域模拟法获得的氮磷营养盐输出系数水平接近,以流域为单元的监测结果反映了污染物经产、汇、集流过程的最终输出,用于流域面源污染估算时,具有地理相似性,估算结果也更接近于实际。不同土地利用类型输出系数差异很大,要确定

土地利用类型耕地林地农业为主子流域森林为主子流域

竹林桑园松林菜地水田

表2　不同研究者获得的输出系数比较

研究地区西苕溪流域西苕溪流域浙西区浙西区西苕溪流域西苕溪流域西苕溪流域西苕溪流域西苕溪流域

总氮(mg/L)4.74730.27132.0920.7157.9166.113.24.2

总磷(mg/L)0.060.00750.1660.0393.34.60.93.20.8

备注本研究结果子流域法[9]

人工降雨模拟法[7,10,11]

某个地区的营养盐输出系数,要根据实际情况,综合比较和计算获得。

3　结　论

西苕溪流域土地利用类型以林地和耕地为主,流域土地利用结构对氮磷营养盐输出具有明显的影响。人类活动通过改变流域土地利用结构而对氮磷营养盐输出产生巨大影响,随着流域内耕地面积比例的增大,林地比例的减少,氮磷营养盐输出水平增大。

选取多个单一或复合土地利用类型为主的小流域,监测出口径流水样获得流域氮磷营养盐输出水平,再与小流域内的土地利用类型和结构进行综合分析,确定不同土地利用类型营养盐输出系数,其中耕地TN输出系数为4.7473mg/L,TP输出系数为0.06mg/L;林地TN输出系数为0.2713mg/L,TP输出系数为0.0075mg/L。与研究区内同类研究相比表明,本研究方法获得的输出系数在流域尺度上具有一定的可靠性,为西苕溪流域及其小流域面源污染负荷估算提供参数。下转第34页　

34

水土保持学报

表4　单一坡面试验下不同草被覆盖面积比及空间配置下径流终止时间的变化

第21卷

s　

90%

坡下部

126123

全坡1194

放水流量(L/min)3.25.2

0全坡6175

坡上部8490

30%坡中部112

坡下部90110

坡上部9192

50%坡中部8681

坡下部9284

坡上部105113

70%坡中部131126

3　结　论

在本试验条件下,坡面流出流时间与放水流量呈负相关关系,与草被覆盖面积比呈正相关关系;径流终止时间与放水流量和草被覆盖面积比均呈正相关关系;草被覆盖面积越大,其对坡面流的延滞作用越显著,放水冲刷流量越大,草被覆盖对坡面流的延滞作用越小。坡面草被不同布设坡位对坡面流出流时间也有一定影响,当坡面草被布设在坡上部和坡中部时,其对坡面流的阻延作用相对大一些。单一坡面试验与坡沟系统试验的结论不完全一致,后者的影响因素更为复杂。

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