梁子湖区农田地表径流氮磷流失空间分布特征

谌婕妤，王文荟，杨思雨，许峰，黄运新

(湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062)

0 引言

面源污染，是指在不确定的时间和空间里，污染物通过降雨或径流以广泛的、分散的形式进入地表水或地下水，从而对环境造成的复杂的、潜伏周期长的污染.国内外研究表明，随着点源污染治理的推进，面源污染成为水体污染的主要来源，尤其是农业面源污染[1].

由地表径流引起的农田氮磷流失是造成农业面源污染和水体富营养化的主要原因之一[2-3].金相灿等对太湖重点污染控制区的研究发现，农田排水中氮和磷的流失量对面源污染的贡献率分别为61.5%和19.2%[2].

地形和土地利用方式的不同，使得不同种植模式下的土壤氮磷流失特征存在差异[4].土壤侵蚀是地表径流氮磷流失的重要影响因素[5]，而坡度对土壤侵蚀量和径流量的变化具有显著影响，因此在相同的土壤条件和降雨强度下，氮磷的流失量与坡度之间存在密切的相关关系[6-7]；同时不同的土地利用方式也会导致污染物的浓度以及径流系数的不同，进而导致氮磷流失产生差异[8-9].

目前国内有关不同种植模式下地表径流氮磷流失特征的研究大多是基于某一时段的观测结果[10]，或者是对某一区域单一种植模式下的氮磷输出负荷的研究[11].有的虽然详细考虑了不同类型的种植模式，但是没有考虑实际的空间分布[2].鉴于此，本研究选取梁子湖区作为研究区域，根据实际地形和土地利用类型，采用流失系数法和遥感数据分析，研究不同种植模式下农田氮磷流失空间分布特征，明确氮磷流失高风险种植模式和高风险区.

1 材料与方法

上图：鄂州市在湖北省所处位置； 下图：梁子湖区在鄂州市所处位置图1 研究区域位置图

1.1 研究区域概况梁子湖区，隶属于鄂州市，地处长江中游南岸，位于湖北省东南部，东与黄石市交界，南与咸宁市为邻，西与武汉市接壤(图1).地跨东经114°32′～114°43′，北纬30°01′～30°16′.该区南边多为低山，北部和西部多为丘陵和湖泊，东边最高峰为沼山峰，海拔418 m.梁子湖区属于典型的亚热带大陆性季风气候，冬冷夏热，四季分明，光照充足，雨量充沛，平均气温17 ℃，年平均降水量1 330 mm.

梁子湖是我国重要的自然湿地保护区，是湖北省第二大淡水湖，被誉为鄂东地区的战略储备水源.梁子湖分东梁子湖、西梁子湖和牛山湖三部分，其中东梁子湖在鄂州市梁子湖区，其水质达到地表水环境质量标准中Ⅲ类水的要求，是一般鱼类保护区，湖内有淡水鱼70余种，是驰名中外的武昌鱼的故乡.

1.2 研究方法本研究采用的遥感数据为Landsat 8影像，成像时间为2019年5月22日，整体云量5%以内，其中覆盖研究区的图像云量为0，经过预处理后获取研究区15 m分辨率的Landsat 8 OLI融合影像.在充分考虑研究区实际地表土地利用情况的基础上，从遥感制图和地表径流氮磷流失成因出发，按水系、水田、旱地、林地、园地、建筑用地和其他利用地7种类型对研究区域土地利用类型进行识别与划分.根据NDVI、MNDWI、NDBI等光谱特性以及遥感影像的色调、形状、纹理、灰度等特征，结合研究区DEM数据以及Google Earth当前和历史影像资料，解译得到研究区域土地利用类型空间分布图.

采用流失系数法计算农田地表径流氮磷流失量.以种植模式为单元，根据Arc GIS软件提取坡度数据、统计每种种植模式的面积，再依据《全国农田面源污染排放系数手册》[12]中的不同种植模式下的氮磷流失系数，计算得出农田地表径流氮磷流失量.其中坡度小于5°划分为平地、5°～15°为缓坡、大于15°为陡坡.相关计算公式如下：

Qij=KijSij/1 000(i=1, 2,…5；j=1, 2…5),

式中：i表示5种不同地形，分别为平地、缓坡地-梯田、缓坡地-非梯田、陡坡地-梯田和陡坡地-非梯田；j表示5种不同土地利用类型，分别为水田、大田、园地、露地蔬菜和林地；Kij为第i种地形和第j种土地利用类型对应的氮流失系数，kg/hm2；Sij为第i种地形和第j种土地利用类型下的面积，hm2；Qij为第i种地形和第j种土地利用类型对应的氮流失量，t；QR为某行政区域内各种地形和土地利用类型产生的氮流失量之和，t；Qi为第i种地形下，各种土地利用类型产生的氮流失量之和，t；Qj为第j种土地利用类型下，各种地形条件产生氮流失量之和，t.磷流失量的相关计算与氮相同，只需将氮流失系数换成磷流失系数即可.

本文中采用流失量与流失强度相结合的方法来衡量氮、磷流失风险，识别氮、磷流失高风险区和高风险种植模式.其中，流失强度为单位面积流失量.氮、磷的常规流失量为常规施肥情况下氮、磷的年流失量，土壤本底流失量为不施肥情况下农田氮、磷的年流失量，则当季施肥造成的氮、磷流失量为常规施肥情况下氮、磷的年流失量减去土壤本底氮、磷的年流失量.

根据地形、土地利用类型，梁子湖区农田共分为19种种植模式，其名称与《全国农田面源污染排放系数手册》中南方地区的种植模式名称相对应，各模式的流失系数见表1.

表1 梁子湖区不同种植模式农田氮磷流失系数

2 结果与讨论

2.1 各类土地利用类型面积分布全区国土面积482.5 km2，其中农用地301.25 km2，占全区面积的62.44%.在所有种植模式中，平地-水田(92.15 km2)和平地-旱地-园地(100.84 km2)的种植面积最广，分别占全区农用地面积30.59%、33.47%(见表2).

2.2 不同区域农田地表径流氮磷流失梁子湖区农田地表径流总氮常规流失量为525.07 t(表3).将梁子湖区按行政区划分为东沟镇、梁子镇、太和镇、涂家垴镇和沼山镇5个镇(见图2).总氮常规流失量表现为涂家垴镇最多(307.84 t)，占梁子湖区的58.6%；梁子镇最少(42.97 t)，仅有8.2%.涂家垴镇在整个区域面积较大，且绝大部分是流失系数较高的园地和平地，所以流失量最大；而梁子镇在整个区域面积较小且大部分是水体，只有少量流失系数较低的水田，所以流失量最小.由图2可知，东沟镇、梁子镇和沼山镇水田占比较高，分别为89.95%、51.42%、37.98%；太和镇林地居多，占43.55%；涂家垴镇园地占比最高，78.79%.综合全部5个乡镇，平地-旱地-园地在19种种植模式中面积最大(约10 084 hm2)，对应的流失系

表2 梁子湖区不同种植模式面积及占农用地面积比例

数也较高(30.65 kg/hm2)，其对应的总氮流失量为309.08 t，占全区的58.86%.从流失总量来看，平地-旱地-园地的总氮流失风险最高.

梁子湖区地表径流氮的流失量大多来源于农田土壤本底的流失量，占常规流失量76.17%，当季施肥造成的肥料氮流失占常规流失量的23.83%.控制氮肥的投放可以防控当季施肥造成的氮流失，也可以减少氮肥在土壤中残留，从而减少农田土壤本底氮流失.用单位面积的流失强度表示流域氮素输出强度能更好的表达流域氮素输出水平.因为氮素输出强度排除了面积对氮素输出的影响，而且整个流域的强度是流域内各种土地利用强度的复合，可以利用流域氮素输出强度与流域土地利用结构分析两者的关系[8].梁子湖区流失强度的均值为19.27 kg/hm2(图3)，各镇流失强度大小为涂家垴镇(26.02 kg/hm2)>梁子镇(21.71 kg/hm2)>东沟镇(16.95 kg/hm2)>沼山镇(15.20 kg/hm2)>太和镇(9.33 kg/hm2)，涂家垴镇流失强度最高，和高流失系数的园地占比较大有关；梁子镇氮的总流失量最少，但流失强度仅次于涂家垴镇，一方面由于梁子镇农用地面积小，另一方面由于该镇大多为高流失系数种植模式；太和镇流失强度最小，与该镇林地占比较高有关，林地具有水土保持的作用，流失系数为0.

梁子湖区农田地表径流总磷常规流失量为25.35 t(表3).各镇农田地表径流总磷的流失量大小排列与总氮相同.总磷常规流失量表现为涂家垴镇最多(16.08 t),占梁子湖区的63.43%；梁子镇最少(2.71 t)，仅有10.65%.综合全部5个乡镇，平地-旱地-园地在19种种植模式中总磷流失量最大(16.19)，占全区的63.87%.从流失总量来看，平地-旱地-园地的总磷流失风险也最高.

常规施肥情况下，总磷的流失量为25.35 t，其中农田本底流失量占75.30%，当季施肥所产生的流失量占24.70%.梁子湖区地表径流总磷流失强度为涂家垴镇(1.36 kg/hm2)>梁子镇(0.86 kg/hm2)>东沟镇(0.71 kg/hm2)>沼山镇(0.66 kg/hm2)>太和镇(0.42 kg/hm2)，原因与总氮流失强度相同.

2.3 不同坡度下农田地表径流氮磷流失按坡度将梁子湖区农用地归类，发现该区主要以平地和缓坡地为主，分别占农用地78.53%、17.94%，陡坡地极少，仅占3.53%(表4).由表5可知，不同坡度下农田地表径流总氮流失量最多为平地(495.86 t)，其次为缓坡地(35.20 t)，陡坡地(1.98 t)最少；总磷流失情况与总氮相似，最多为平地(24.23 t)，其次为缓坡地(1.74 t)，陡坡地(0.16 t)最少.其中平地总氮流失量占全区93.02%，总磷流失量占92.72%.

表4 梁子湖区不同坡度农用地面积

表5 梁子湖区不同坡度地表径流氮磷流失量

平地上总氮、总磷地表径流流失量最高，主要是因为与缓坡地和陡坡地相比，其面积占比最大，流失系数也较高.在土壤条件和降雨强度一定时，氮磷的流失量与坡度成正比，但是在长期的农业生产过程中，往往由于平地土壤深厚，便于耕种，集约化程度高，土壤中养分的积累高于缓坡地和陡坡地，从而为高流失提供了基础.

图4 梁子湖区不同坡度地表径流流失强度

不同坡度下，肥料中氮的流失量占比为缓坡地(30.3%)>陡坡地(25.53%)>平地(23.5%)，磷的流失量占比为缓坡地(30.09%)>陡坡地(29.35%)>平地(23.93%).不同坡度下，氮磷流失强度变化相似，均为平地>缓坡地>陡坡地(图4).农田地表径流中氮的流失形态主要为溶解态，而土壤具有很强的固磷能力，使得磷的流失主要为颗粒态，总磷的流失量主要由泥沙流失量决定.赵龙山等[13]研究表明产流量会随着坡度的增加而增加，但由于梁子湖区陡坡地面积占比少，因此氮磷的流失量相对较低.平地和陡坡地的种植模式主要是水田和园地，水田具有良好的水土保持作用[14]，可拦截平地和坡耕地冲刷的泥沙，因此肥料中磷的流失量较少.

图5 梁子湖区5类土地利用方式的面积分布

2.4 不同土地利用方式的农田地表径流氮磷流失按土地利用方式将19种种植模式分为水田、大田、园地、林地和裸露蔬菜五大类，其中水田(35%)、园地(39%)占比较大，林地(13%)和裸露蔬菜(10%)次之，大田最少(3%)(图5).农田地表径流氮的流失量为园地(319.67 t)>水田(168.36 t)>大田(37.00 t)>裸露蔬菜(8.01 t)，磷的流失量为园地(17.12 t)>水田(7.47 t)>裸露蔬菜(0.78 t)>大田(0.75 t)(表6).水田和园地氮的流失量占该区氮流失量的31.58%和59.97%，是防控氮流失的重点土地利用方式；园地磷的流失量占该区磷流失量的65.54%，是防控磷流失的重点土地利用方式.

不同土地利用方式下，总氮的流失强度为大田(35.63 kg/hm2)最高(图6)，其次为园地(27.35 kg/hm2)、水田(15.83 kg/hm2)，裸露蔬菜最低(2.78 kg/hm2)；总磷的流失强度为园地(1.46 kg/hm2)>大田(0.72 kg/hm2)>水田(0.70 kg/hm2)>裸露蔬菜(0.27 kg/hm2).王艳语等[15]研究发现，我国化肥施用水平较高，但当季肥料利用率比较低，氮肥仅为30%～35%，磷肥只有10%～25%，因此尽管大田的面积占比最小，但流失强度最高.裸露蔬菜施磷量大，积累速度快，连续施用磷肥扩大了土壤中的有效磷库[16-17]，因此在裸露蔬菜的土壤中通常积累了大量的磷，使得本底流失量远高于当季肥料流失量.

表6 梁子湖区4类土地利用方式地表径流氮磷流失量

图6 梁子湖区4类土地利用方式地表径流氮磷流失强度

3 结论

1)梁子湖区地表径流氮磷流失总量分别为525.07 t和25.35 t，在常规施肥情况下，农田本底氮磷流失量分别占76.17%和75.30%，远高于当季施肥造成的流失量.

2)涂家垴镇不论是流失总量还是流失强度均高于其他镇，是梁子湖区氮磷流失高风险区.19种种植模式中，平地-旱地-园地的总氮、总磷流失量均最高，分别占全区的58.86%和63.87%，从流失总量来看是梁子湖区氮磷流失高风险种植模式.

3)平地农业集约化程度高，种植模式对应的流失系数也较高，因此氮、磷常规流失量最大，占全区的93.02%和92.72%；然而平地当季施肥造成的氮、磷流失量仅占常规流失量的23.50%和23.93%，小于缓坡地(30.30%和30.09%)和陡坡地(25.53%和29.35%).

4)水田和园地总氮的流失量最高，园地总磷的流失量和强度最高，因此水田和园地是控制氮磷流失的重点土地利用类型.