土地利用变化对沿海地区吸附磷负荷动态变化的研究_土地利用类型论文

土地利用变化下沿海地区吸附态磷负荷动态变化研究，本文主要内容关键词为：负荷论文,沿海地区论文,土地利用论文,动态论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      中图分类号：k903 文献标识码：A 文章编号：1004-8227(2016)07-1093-10

      近年来，随着沿海地区开发强度的加大，人类活动产生的大量污染物排放到海水中，造成近岸海域富营养化，赤潮现象时有发生，严重威胁着海洋生态系统安全。非点源污染是造成海水富营养化的重要因素，土壤中氮磷的流失是非点源污染物的主要来源。非点源氮磷的流失以泥沙为主要载体，按照其物理形态可分为溶解态和吸附态两大类。有研究成果表明[1～4]，土壤中磷的径流流失形态以吸附态为主，吸附态磷是磷污染的主要形式。因此，对沿海地区吸附态磷污染负荷的研究具有重要意义。

      国外学者关于吸附态磷污染负荷的研究开展多年，主要耦合于非点源污染模型，包括CREAM模型(chemicals runoff and erosion from agricultural management system)、SWAT模型(soil and water assessment tool)、EPIC模型(erosion productivity impact calculation)、RUSLE模型(revised universal soil loss equation)等；同时也进行实验监测方面的研究，例如Markku等对芬兰Savijoki和Hovi两个流域的土壤侵蚀与吸附态磷负荷进行了10 a间的监测，Withers等[5]在英国建立了3种标准小区，对吸附态磷负荷进行了两年的监测。国内学者主要借鉴国外经验模型，对流域范围内吸附态磷负荷量进行估算，例如刘洁等[6]对东江流域非点源磷污染负荷空间分布特征进行了分析，余进祥等[7]对鄱阳湖流域吸附态磷输出进行了评估，梁常德等[8]、刘腊美等[9]对三峡库区吸附态磷负荷进行了估算；也有学者通过建立标准小区和田间试验，对吸附态磷流失机制和规律进行探索，例如王而力等[10]分析了沙土不同粒径聚体对磷流失的影响，刘毅等[11]分析了不同土地利用方式对土壤磷含量的影响，李婧等[12]在模拟降雨条件下，分析了不同植被格局对土壤磷流失的影响特征。

      已有吸附态磷污染的研究成果多集中于流域尺度，而关于海岸带尺度的研究较为少见，且这些研究成果对土地利用变化的联系较少；标准小区和田间模拟实验对土地利用变化的因素考虑较多，但研究尺度偏向微观。因此，本文基于江苏省海岸带这一宏观尺度，结合近年来江苏沿海地区的土地利用动态变化，将吸附态磷负荷动态变化与景观格局动态变化综合分析，揭示了不同土地利用背景下吸附态磷负荷的变化特征；并创新性的采用热点分析方法，识别吸附态磷负荷的热点区，通过空间叠置分析，发现吸附态磷负荷热点区的时空演变规律，以期为沿海地区磷污染防治和水体富营养化治理提供参考。

      1 研究区概况

      江苏沿海地区包括江苏省连云港、盐城、南通三个地级市，辖26个县级行政区，其地理范围北起连云港赣榆县绣针河口，南至南通启东市长江口北岸，东临黄海，西辟宿迁、淮安、泰州三市，如图1所示。该地兼具海洋性气候和大陆性气候的双重特征，冬季低温少雨，夏季炎热多雨；因地域南北狭长，横跨暖温带气候区至亚热带气候区的过渡地带，故气温和降水呈现出明显的纬度性规律，年均温由北向南为13℃～15℃不等，年均降水量由北向南为900～1100mm不等。

      该区地势北高南低，其北部连云港市位于鲁中南丘陵区和淮北平原结合带，地形以低山丘陵和平原洼地为主，以南的盐城市和南通市地处冲积平原，地势较为平坦。近内陆广泛平原区土壤类型以水稻土和潮土为主，偏北地区土壤质地偏粘，南部多为壤质砂土，粘粒适中；近海岸地带广泛分布着脱盐潮土和盐土，土壤盐分较高。受气温降水及地形地貌影响，该区北部连云港市土地利用类型以旱地为主，而中南部盐城和南通市则以水田为主；林地和草地面积较小，林地主要分布在连云港市东部，草地分布在中南部近海岸地带，另有少量园地和城市绿地零星分布。

      2 数据来源与研究方法

      2.1 数据来源

      本研究区DEM如图1所示；2000-2010年土地利用变化如图2所示；本研究数据来源如表1所示。

      

      图1 研究区范围

      

      图2 研究区土地利用动态变化

      

      2.2 研究方法

      2.2.1 吸附态磷负荷估算模型

      本研究采用的吸附态磷负荷估算模型如下所示[13]：

      

      式中：Y表示吸附态磷负荷量，单位为kg/

·a；Q表示土壤侵蚀量，单位为t/

·a；λ表示土壤磷含量，单位为g/kg；SDR表示泥沙输移比，是指一定的时段内通过河流或沟道某一断面的实测输沙量与该断面以上流域总侵蚀量之比，可根据泥沙受到汇流带来的动力以及运移过程中受到的植被截留阻力，基于地形位指数，以栅格为单元进行模拟计算，计算公式如下[14]：

      

      式中：k'为阻力截留系数，表示每个栅格对进入该单元的泥沙的截留作用；α为流经坡面任一点的单位等高线长度的汇流面积，β为该点处的坡度。截留系数的计算公式如下所示，其中θ表示坡度。

      

      式中：Q为土壤侵蚀量，

为土壤质地综合因子，根据土壤中各级颗粒配合比例或所占质量的百分数计算[15]。

      土壤侵蚀过程受到降水、地形、地表植被覆盖等多种因素影响，其估算采用修正的通用土壤流失量方程(RUSLE)，具体计算方法如下所示[16]：

      

      式中：Q表示土壤侵蚀量；R表示降雨侵蚀力因子，其单位为MJ·mm/

·h·a；K表示土壤可蚀性因子，其单位为t·

·h/MJ·mm·

；L表示坡长因子，S表示坡度因子，C表示植被覆盖因子，P表示水土保持措施因子，皆为无量纲因子。各因子计算方法如下所示：

      (1)R因子 参照W.H.Wischmeier[17]提出的经验公式。

      

      式中：

和p分别表示月均降雨量和年均降雨量，单位为mm。

      (2)K因子 参照J.R.Williams等[18]提出的土壤可蚀性因子算法。

      

      式中：NIR为近红外波段，R为红光波段。

      (6)P因子 参照陈思旭等[22]的研究成果，依据土地利用类型对研究区P因子进行赋值，具体赋值结果见表2。

      

      2.2.2 热点分析方法(Hot Spot Analysis)

      Hot Spot Analysis是一种空间分析技术，通过计算数据集中各要素的Getis-Ord Gi*指数，反映各要素属性值中高值和低值的空间聚类分布状态。若通过显著性检验的Getis-Ord Gi*指数为正值，则Getis-OrdGi*越大，说明高值聚类分布越密集；相反，若通过显著性检验的Getis-Ord Gi*指数为负值，则Getis-Ord Gi*越小，说明低值聚类分布越密集。Getis-Ord Gi*指数的计算公式如下所示：

      

      式中：

是要素j的属性值，

是要素i和要素j之间的空间权重，n表示数据集的总规模，即要素的总数量。不同置信度水平下的P值及Getis-Ord Gi*指数的临界值如表3所示：

      

      3 结果与分析

      3.1 模型的验证

      由于缺少实测的吸附态磷负荷数据，因此采用年输水量与实测水样中的吸附态磷浓度推算得到吸附态磷负荷量，将之与模型估算的吸附态磷负荷进行对比，验证模型估算精度。按照水文年鉴记载，流经江苏沿海地区并有水文监测点的水系包括：入海水道、入江水道、通扬运河、里下河、射阳河及串场河。从水文年鉴中获取2000-2010年各水系的年输水量数据，另有滨海诸小河水系青口河中游设立的黑林水土保持监测点，其年输水量记载于《中国水土保持公报》江苏卷。实测的吸附态磷浓度数据来源于中国科学院南京地理与湖泊研究所-湖泊环境国家重点实验室，通过取各水文监测站每年份不同季节的水样，采用钼酸铵分光光度法测定而得。将不同季节的吸附态磷浓度平均值与相应年份输水总量进行推算，得到流域控制面积内的吸附态磷负荷量，与相应范围内的模型估算值进行验证分析，结果如图3所示。由图3可以看出，吸附态磷负荷估算值与实测推算值的拟合度为0.86，说明模型估算精度较高，结果较为可信。

      

      图3 估算值与实测值的对比

      3.2 吸附态磷负荷的总体变化特征

      2000-2010年，江苏沿海地区吸附态磷负荷模数空间分布如图4所示，它揭示了区域内吸附态磷负荷强度的分布规律，与面积相乘，可反映区域吸附态磷负荷总量的分布特征。2000年，江苏沿海地区吸附态磷负荷总量为3284t；连云港市虽面积最小，但吸附态磷负荷总量最大，为2175t，占沿海地区吸附态磷负荷总量的66.24%；其次是盐城市，吸附态磷负荷总量为737t，占沿海地区吸附态磷负荷总量的22.44%；南通市吸附态磷负荷总量最小，为372t，占沿海地区吸附态磷负荷总量的11.32%。2010年，江苏沿海地区吸附态磷负荷呈倍数增长，总量达6255t，为2000年吸附态磷负荷总量的两倍之多；其中连云港市吸附态磷负荷总量为5031t，总量占比上升为80.44%；盐城市吸附态磷负荷总量为891t，总量占比下降为14.24%；南通市吸附态磷负荷总量为333t，总量占比下降为5.32%。各县(区)吸附态磷负荷总量如图5所示，其中较大的连云区、新浦区、海州区、赣榆县、灌云县和东海县均位于连云港市境内；吸附态磷负荷总量最小的港闸区和崇川区位于南通市境内；2000-2010年，除南通的如东、通州、如皋、启东、海安、港闸的吸附态磷负荷总量有所下降之外，其余各县(区)的吸附态磷负荷总量都明显增长。

      

      图4 吸附态磷负荷模数空间分布图

      

      图5 各县(区)吸附态磷负荷总量

      3.3 吸附态磷负荷热点区的时空演变

      吸附态磷负荷的计算以栅格为基本空间单元，本研究采用30 m空间分辨率的栅格，每一栅格大小为900

，为满足吸附态磷污染防治空间规划的需要，应统计每一行政村范围内的吸附态磷负荷总量，在此基础上计算每个村的Getis-Ord Gi*指数，进行吸附态磷负荷热点区的识别。本研究采用最保守估计，将置信度在90%水平上的吸附态磷负荷高值聚集区确定为吸附态磷负荷热点区，识别结果如图6所示。从图6可以看出，研究区的吸附态磷负荷热点集中在连云港市北部，而盐城市和南通市吸附态磷负荷的空间自相关性并不明显。2000年研究区内存在五个吸附态磷负荷热点区，分别位于赣榆县西北部、东海县西部、连云港市区中东部、灌云县与连云港市区交界处以及灌云县西部地区，总面积共1119.79

，吸附态磷负荷总量1.79t。2010年，研究区内吸附态磷负荷热点区缩减为四个，原先位于赣榆县西北部、连云港市区中东部、灌云县与连云港市区交界处以及灌云县西部的热点区仍然存在，但面积缩小，位于东海县西部的热点区消退，热点区总面积减少为923.41

，但吸附态磷负荷总量增加至4.27t。2010年吸附态磷负荷热点区与2000年相比面积有所减小，呈现出收敛的态势，而热点区的吸附态磷负荷总量却明显增加，说明2010年吸附态磷负荷的高值区更为集聚，吸附态磷负荷的空间极化现象更为显著。

      

      图6 吸附态磷负荷热点区识别结果

      3.4 不同土地利用背景下吸附态磷负荷的动态变化

      3.4.1 不同土地利用类型下的吸附态磷负荷变化

      研究区土地利用类型如图2所示，通过ArcGIS空间分析模块进行分区统计，可分别计算不同土地利用背景下吸附态磷负荷总量和平均吸附态磷负荷模数，如表4所示。从图2和表4可以看出，2000年，研究区内居主导地位的土地利用类型为水田，其面积比例达58.64%；建设用地主要分布在城镇建成区，面积比例为15.71%；水域集中在近海岸地带，面积比例为11.34%；旱地较为分散，以连云港和盐城市分布居多，面积比例为10.88%；草地、林地及园地的面积比例都较小，总和不超过5%，其中，草地主要分布在盐城和南通市东部，林地集中分布于连云港市东部，园地在南通市西北部有零星分布。2010年，研究区土地利用总体格局未发生显著变化，但水田有所减少，建设用地有所增加，其面积比例分别为52.74%和23.13%。

      

      吸附态磷负荷受土壤侵蚀、土壤磷含量等多重因素的影响，而这些因素的变化与土地利用息息相关，不同土地利用背景下，吸附态磷负荷强度和吸附态磷负荷总量存在差异。如表4所示，同一年份中平均吸附态磷负荷模数最大的是未利用地，其2000年和2010年平均吸附态磷负荷模数分别为1561.79kg/

·a和2722.11kg/

·a，未利用地多为裸露地表，雨水冲刷作用强烈，水力侵蚀严重，造成地表吸附态磷流失也较为严重；其余土地利用类型平均吸附态磷负荷模数的大小排序依次为：林地＞草地＞园地＞旱地＞水田；林地主要分布于山区，山高谷深，水土流失严重，吸附态磷负荷强度较大，相反旱地和水田主要分布在地势平坦的平原地带，土壤侵蚀较弱，相应的吸附态磷负荷强度也较小。建设用地多为不透水面，基本不会发生土壤侵蚀，因此和水域相同，吸附态磷负荷可以忽略不计。从吸附态磷负荷总量来看，同一年份不同土地利用背景下吸附态磷负荷总量的大小排序为：水田＞旱地＞林地＞草地＞未利用地＞园地。虽然未利用地平均吸附态磷负荷模数最大，但面积较小，因而吸附态磷负荷总量很小；相反旱地和水田虽然平均吸附态磷负荷模数小，但面积较大，因而吸附态磷负荷总量很大，说明农田养分流失是面源吸附态磷污染的主要来源。

      3.4.2 土地利用类型变化下的吸附态磷负荷变化

      将2000年土地利用类型图与2010年土地利用类型图作叠置分析，得到不同土地利用类型之间的相互转化关系；通过对每个土地利用类型变化及相应的吸附态磷负荷量进行空间分区统计，计算得到不同土地利用类型相互转化时相应的吸附态磷负荷量变化，如表5所示，表中数值表示不同土地利用类型的转化面积及相应吸附态磷负荷量的变化。

      从表5可以看出，2000-2010年：未利用地基本没有发生变化，既没有其他地类的流入，也没有向其他地类的流出；在林地变化区，有少量的林地转化为旱地和水田，同时吸附态磷负荷量分别减少了89.2kg和1 502.6kg；在草地变化区，草地到林地、草地到园地转化的同时，吸附态磷负荷量分别增加了24.7kg和1.4kg，而草地到旱地、草地到水田的转化同时，吸附态磷负荷量分别减少了556.3kg和4 092.4kg；园地面积本身较小，基本没有发生向其他地类的转化；在旱地变化区，旱地到林地、旱地到草地、旱地到园地的转化过程中，吸附态磷负荷量分别增加了1524.2、274.1、109.5 kg，而旱地向水田的转化过程中，吸附态磷负荷量却减少了396.5 kg；在水田变化区，水田向林地、水田向草地、水田向园地、水田向旱地发生转化时，吸附态磷负荷量分别增加了2.87×

、214.3、182.2、331.9、1.62×

kg。除此之外，有40.40

的未利用地，263.09

的林地，372.69

的草地，23.43

的园地，3 404.74

的旱地和12.08×

的水田仅存在内部的相互转化，未发生向其他土地利用类型的转化，但吸附态磷负荷总量却分别增加了7320.8、25.25×

、6.69×

、910.5、2.22×

和1.63×

kg，说明2000-2010年研究区内各土地利用类型的吸附态磷污染负荷都呈现出加剧的趋势。

      

      4 结论与讨论

      本研究通过构建吸附态磷负荷估算模型，对江苏沿海地区2000-2010年吸附态磷负荷量进行估算，利用Hot Analysis分析技术，对吸附态磷负荷热点区进行识别并分析其空间演变，对不同土地利用背景下吸附态磷负荷的动态变化规律进行探究，得到以下结论：

      (1)2000-2010年，江苏沿海地区吸附态磷污染负荷程度加剧，吸附态磷负荷总量由3 284t增长至6 255t。2000年，吸附态磷负荷热点区分布在赣榆县西北部、东海县西部、连云港市区中东部、灌云县与连云港市区交界处以及灌云县西部，2010年位于东海县西部的热点区消退，其余四个热点区范围也有所减小，热点区呈现出收敛的态势；但热点区的吸附态磷负荷总量从1.79t增加至4.27t，说明江苏沿海地区吸附态磷负荷的高值区更为集聚，空间极化现象更为显著。

      (2)不同土地利用背景下，吸附态磷负荷程度存在显著差异。同一年份中，不同土地利用类型的吸附态磷负荷总量大小排序为水田＞旱地＞林地＞草地＞未利用地＞园地，说明农田养分流失是面源吸附态磷污染的主要来源。2000-2010年，不同土地利用类型进行相互转化的过程中，吸附态磷负荷量也随之发生变化。鉴于吸附态磷负荷与土地利用变化关系密切，可通过调整土地利用结构，优化土地资源配置等方式减少吸附态磷污染的发生；在坡度较大的山地可适当退耕还林还草，水土流失严重的地区建设水源涵养林，减少泥沙径流量；农田周边营造防护林，截留来自农田的养分流失；充分发挥湿地过滤、净化水体的作用，在河湖周边及海岸带恢复建造人工湿地，通过湿地沉积、滞留泥沙，减少吸附态磷污染。

      (3)目前，采用经验模型估算是研究吸附态磷负荷的主要方法，应用较为广泛的数学建模方法多以RUSLE模型为基础，引入泥沙输移率和磷富集系数模拟计算吸附态磷污染负荷量。本研究利用该方法估算了江苏沿海地区吸附态磷负荷，精细化的表征了吸附态磷负荷的空间异质性，揭示了不同土地利用单元吸附态磷负荷的差异。但关于沿海地区吸附态磷负荷的基础研究较少，参数的设置多采用经验值，与实际值存在一定误差，影响模型模拟的精度。因此，加强吸附态磷负荷估算模型中基础参数的研究，减少模型估算的偏差，是今后沿海地区面源吸附态磷污染估算研究的重要环节。

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