基于R語(yǔ)言的非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷指數(shù)構(gòu)建及應(yīng)用——以丘陵紅壤區(qū)小流域?yàn)槔?/h1>
2021-04-30 03:46:34蘇靜君趙洪濤焦茹媛房志達(dá)楊曉晶李敘勇
中國(guó)環(huán)境科學(xué) 2021年4期
蘇靜君,趙洪濤,3*,焦茹媛,房志達(dá),楊曉晶,5,李敘勇,3
基于R語(yǔ)言的非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷指數(shù)構(gòu)建及應(yīng)用——以丘陵紅壤區(qū)小流域?yàn)槔?/p>
蘇靜君1,趙洪濤1,3*,焦茹媛2,4,房志達(dá)1,楊曉晶1,5,李敘勇1,3
(1.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085；2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,環(huán)境水質(zhì)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究生院,北京 100049；4.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心(義烏)長(zhǎng)三角中心,浙江 義烏 322000；5.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
以南方丘陵紅壤區(qū)典型小流域?yàn)槔?構(gòu)建了基于R語(yǔ)言的流域非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染指數(shù)并進(jìn)行應(yīng)用.結(jié)果表明,(1)流域土壤侵蝕模數(shù)在0.7~15244.2t/(km2·a)之間,超出南方丘陵紅壤區(qū)容許土壤侵蝕量的區(qū)域占流域面積59%;平均非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷產(chǎn)生強(qiáng)度為0.86kg/hm2,超出非點(diǎn)源磷流失閾值的區(qū)域占流域面積14%.流域侵蝕等級(jí)以微、輕度為主,但中度及以上強(qiáng)度區(qū)域以較小的面積(7.2%)貢獻(xiàn)了較大比例的流域侵蝕產(chǎn)生量(35%)和輸出量(43%)、以及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出量(31%).(2)識(shí)別的關(guān)鍵源區(qū)占流域面積14%,貢獻(xiàn)了65%和58%的侵蝕土壤和顆粒態(tài)磷輸出負(fù)荷;主要分布在近河道的坡地(<25°,水文距離￡800m),林地、耕地、園地是主要土地利用類(lèi)型組成.(3)過(guò)量施肥導(dǎo)致的土壤磷素富集、強(qiáng)降雨條件下低丘緩坡地帶的高易蝕性是關(guān)鍵源區(qū)形成的主因.研究進(jìn)一步對(duì)關(guān)鍵源區(qū)進(jìn)行分類(lèi)分區(qū),提出了以水土保持、配方施肥、工程治理為核心的非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染治理組合措施. 研究為丘陵紅壤區(qū)流域非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染的防治提供了較為系統(tǒng)完善的思路.
R語(yǔ)言；丘陵紅壤區(qū)；非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷；關(guān)鍵源區(qū)；分區(qū)分類(lèi)治理
控制陸地非點(diǎn)源磷向水環(huán)境的輸入是遏制水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵[1].隨著點(diǎn)源污染逐漸被控制,非點(diǎn)源污染問(wèn)題日益凸顯.在我國(guó),非點(diǎn)源磷流失可達(dá)水體總磷負(fù)荷的67.4%,且以顆粒態(tài)輸出為主[2].非點(diǎn)源磷污染因時(shí)空異質(zhì)性強(qiáng)、遷移路徑和數(shù)量不確定,導(dǎo)致治理和管理難度大.流域內(nèi)較小面積的景觀或地理單元往往是整個(gè)流域非點(diǎn)源磷污染負(fù)荷的主要貢獻(xiàn)來(lái)源,對(duì)受納水體水質(zhì)起著決定性的作用,成為非點(diǎn)源磷污染的關(guān)鍵源區(qū)[3].因此,識(shí)別非點(diǎn)源磷流失的關(guān)鍵源區(qū)是經(jīng)濟(jì)有效控制整個(gè)流域磷污染的重要前提[4].
磷指數(shù)是一種通用的非點(diǎn)源磷流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,通過(guò)對(duì)影響磷養(yǎng)分流失的因子(如源因子、遷移因子)及其相互作用進(jìn)行評(píng)估以表征養(yǎng)分流失至水體的潛在風(fēng)險(xiǎn),并以此風(fēng)險(xiǎn)的高低為依據(jù)判定養(yǎng)分流失的關(guān)鍵源區(qū),可以幫助確定養(yǎng)分管理措施的具體實(shí)施位置,支持流域磷素管理和規(guī)劃的決策[5-6].磷指數(shù)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、受到數(shù)據(jù)需求的制約較小,且具有一定的科學(xué)基礎(chǔ)[7-8],已經(jīng)被廣泛用于歐美部分國(guó)家的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染監(jiān)管、措施配置、環(huán)境糾紛法庭裁決等方面.其在我國(guó)的研究及應(yīng)用起步較晚,但發(fā)展較快,在構(gòu)建方法及關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別方面取得了較多的進(jìn)展[9-16],然而對(duì)關(guān)鍵源區(qū)的問(wèn)題解析和治理對(duì)策制定缺乏較為系統(tǒng)深入的梳理和考量,在指導(dǎo)具體實(shí)踐的時(shí)候仍然缺乏目標(biāo)性和可操作性.
在我國(guó)南方丘陵區(qū),強(qiáng)降雨觸發(fā)的土壤侵蝕及養(yǎng)分流失問(wèn)題異常突出[17].有研究指出植被保護(hù)、水土共治是保障該典型區(qū)域河庫(kù)水質(zhì)的根本[18].巖口水庫(kù)是浙江省義烏市最重要的飲用水源地之一.五水共治1.0期間(2013~2019年)點(diǎn)源向巖口水庫(kù)的輸入逐漸得到控制,但農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源和內(nèi)源污染尚未得到妥善的解決,導(dǎo)致水庫(kù)磷水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo).顆粒物作為銜接磷在陸-水-沉積相的重要載體,其對(duì)磷在水體中的行為及效應(yīng)具有重要的意義.顆粒態(tài)磷雖然不具備即時(shí)的生物或藻類(lèi)有效性,但是會(huì)沉積在下游水體成為重要的內(nèi)源[19].巖口水庫(kù)流域處于南方典型紅壤區(qū),其陸地土壤富含鐵化合物的特性勢(shì)必使得侵蝕顆粒在沉積后轉(zhuǎn)化為湖庫(kù)內(nèi)源的風(fēng)險(xiǎn)提升.因此本研究將以巖口水庫(kù)流域?yàn)榘咐齾^(qū),聚焦于農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷的流失,構(gòu)建基于土壤侵蝕方程的流域顆粒態(tài)磷流失指數(shù),評(píng)估非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷流失風(fēng)險(xiǎn)并識(shí)別關(guān)鍵源區(qū),為巖口水庫(kù)磷水質(zhì)的改善和工程、非工程措施的實(shí)施提供決策參考.
1 方法與材料
1.1 案例區(qū)概況
圖1 巖口水庫(kù)流域示意
圖2 巖口水庫(kù)流域高程(a)、坡度(b)及土地利用類(lèi)型分布(c)
巖口水庫(kù)流域位于浙江省義烏市上溪鎮(zhèn)巖口村、錢(qián)塘江流域東陽(yáng)江支流航慈溪的上游,由4條支流組成,集水面積約55.6km2(圖1).流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),多年平均氣溫17.1℃;1971~2018年多年平均降雨量1394mm,多集中在3~6月,占全年降雨量53%左右,7~8月有臺(tái)風(fēng)暴雨和雷陣雨,占全年降雨量的18%左右.流域地形以低山丘陵為主,海拔在83~824m之間,坡度在25°以上的面積占流域面積22%(圖2).土地利用類(lèi)型主要為林地(76.4%),其次是耕地及園地(21.7%),村鎮(zhèn)最少(1.9%).林地主要森林類(lèi)型包括針葉林、闊葉林、針闊混交林、灌木林等(圖2);義烏紅桃是主產(chǎn)果品.流域土壤主要為紅壤類(lèi)黃筋泥,占比達(dá)75%以上,其次還有粗骨土類(lèi)石砂土和庫(kù)周少量紫砂土[20].顆粒組成以砂粒為主(33%~ 62%),其次是壤粒(25%~38%)和黏粒(12%~36%).
1.2 流域非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染指數(shù)構(gòu)建
土壤侵蝕是非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷流失的關(guān)鍵遷移路徑,其程度受降雨、土壤質(zhì)地、地形、土地利用方式及植被覆蓋的綜合影響,通常采用通用土壤流失方程(USLE)[21]或其修訂方程(RUSLE)[22]計(jì)算的土壤侵蝕模數(shù)來(lái)表征.由于降雨徑流對(duì)地表土壤顆粒選擇性沖刷,侵蝕的土壤顆粒多由小粒徑組成,較源土壤磷含量呈明顯的富集效應(yīng)[2].本研究非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染指數(shù)的構(gòu)建以土壤侵蝕方程為核心,同時(shí)考慮顆粒態(tài)磷傳輸?shù)母患?yīng)和泥沙輸移比,系列公式如下.
PPI =× ER × TPsoi× SDR× 0.00001(1)
式中: PPI為非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷指數(shù), kg/hm2;為RUSLE計(jì)算所得年土壤侵蝕模數(shù), t/(km2?a);ER為侵蝕顆粒的養(yǎng)分富集系數(shù),無(wú)量綱;TPsoi為土壤全磷含量, mg/kg;SDR為泥沙輸移比.
= 100 ××× LS ××(2)
式中:為降雨侵蝕力因子,MJ?mm/(hm2?h?a);為土壤可蝕性因子, t?hm2?h/(hm2?MJ ?mm); LS為坡長(zhǎng)坡度因子;為植被覆蓋因子;為水土保持措施因子.
降雨侵蝕力因子反映了由降雨引起土壤侵蝕的潛在強(qiáng)力,是評(píng)價(jià)降雨對(duì)土壤剝離、搬運(yùn)、侵蝕的動(dòng)力指標(biāo).本研究采用基于浙江代表性水土保持站長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果構(gòu)建的月降雨量侵蝕力復(fù)合因子模型[23]估算流域年降雨侵蝕力,表達(dá)式如下:
式中:m為月降雨侵蝕力, J?mm/(m2?h);mer為月侵蝕性降雨量,mm;mer為月侵蝕性降水日數(shù), d,分別代表某月日降雨量312.7mm的總降雨量和降雨天數(shù);m為月降雨總量, mm;D為日降雨量30.6mm的降水日數(shù), d;3m為某月降雨量最大3日的雨量之和, mm;Z為某月最大日雨量, mm.若某月有至少一天日雨量312.7mm,采用公式(3)中(A)式估算R;若某月日雨量均未超過(guò)12.7mm,采用(B)式估算R;若某月無(wú)降雨或所有日降雨量小于0.6mm,m值取0[23-24].年降雨侵蝕力為各月降雨侵蝕力之和乘以單位修正系數(shù)0.01[23-24].由于研究流域面積較小,未考慮降雨空間差異性,采用的年降雨侵蝕力為依上述公式計(jì)算所得的多年平均值3725MJ?mm /(hm2?h).
土壤可蝕性因子值參考侵蝕/生產(chǎn)力影響模型(EPIC)經(jīng)驗(yàn)公式,利用土壤粒徑組成和有機(jī)質(zhì)含量估算[25].為美制單位,乘以0.1317轉(zhuǎn)化為國(guó)際制單位(t?hm2?h/(hm2?MJ?mm))[26].
式中:SAN、SIL、CLAY分別為土壤的砂粒(0.050~ 2.000mm)、粉粒(0.002~0.050mm)、黏粒(<0.002mm)含量,%;為土壤有機(jī)碳含量, %,可由土壤有機(jī)質(zhì)含量除以1.732即可轉(zhuǎn)換,SN11-SAN/100,%.
坡長(zhǎng)坡度因子LS的計(jì)算參考Moore算法[27], 該算法中坡長(zhǎng)因子用單位匯水面積替代,適合用于模擬復(fù)雜的地形地貌條件.利用Saga GIS軟件地形模塊對(duì)流域DEM進(jìn)行填洼及坡長(zhǎng)坡度因子提取[28].具體公式如下:
式中:、分別為0.4和1.3,s是單位匯水面積, m2/m,由D8單流向算法[29]計(jì)算得到;為用弧度表示的坡度.
植被覆蓋程度是影響水土流失的重要因素之一,它是侵蝕動(dòng)力的抑制因子,起著保持水土的作用.植被覆蓋與管理因子值為實(shí)際植被狀態(tài)和經(jīng)營(yíng)管理?xiàng)l件下土壤流失量與裸露連續(xù)休閑地的土壤流失量之比,界于0~1之間,植被覆蓋度越高,值越小.代表水土保持因子,是采取水土保持措施后土壤流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量比值;值界于0~1之間,值越大則相對(duì)土壤流失率越高.分析流域土地利用類(lèi)型和地面植被覆蓋狀況,參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究對(duì)、因子進(jìn)行賦值(表1).
表1 不同土地利用類(lèi)型C、P因子賦值
磷富集系數(shù)(ER)通過(guò)以下公式獲得[2,30].
式中:為RUSLE計(jì)算所得年土壤侵蝕模數(shù), t/ (km2?a).
土壤磷水平及施肥情況代表流域非點(diǎn)源磷流失的主要源因子.由于缺乏土壤全磷含量,本研究基于以下公式利用土壤表層有機(jī)質(zhì)含量(OMsoi, %)和速效磷含量(OlsenPsoi, mg/kg)估算了土壤全磷含量[30].
泥沙輸移比(SDR)根據(jù)Ferro等[31]提出的公式計(jì)算.其假設(shè)空間某單元被侵蝕的土壤進(jìn)入水體的比例與其在地表徑流推動(dòng)下進(jìn)入水體所需的時(shí)間成正比,傳遞時(shí)間與遷移路徑的長(zhǎng)度成正比,與路徑上各單元的坡度平方根成反比,公式如下.
式中:是一個(gè)流域特異參數(shù)并通常被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù),l和S是徑流路徑上空間單元的長(zhǎng)度及坡度.
非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染指數(shù)的構(gòu)建基于R語(yǔ)言編程,利用了空間分析包sf、raster、rgdal、tmap中讀取、處理、計(jì)算、可視化空間數(shù)據(jù)的相關(guān)函數(shù)[32-35].數(shù)據(jù)源包括研究流域2015年土地利用類(lèi)型柵格、數(shù)字高程模型、土壤類(lèi)型圖及屬性(有機(jī)質(zhì)含量、顆粒組成、速效磷)、東陽(yáng)江義烏站2013~2018年逐日降雨量.其中,土壤類(lèi)型圖及有機(jī)質(zhì)含量、顆粒組成柵格數(shù)據(jù)來(lái)自于FAO 1:100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)庫(kù),土壤速效磷含量來(lái)自當(dāng)?shù)卮寮?jí)土壤調(diào)查數(shù)據(jù),利用泰森多邊形進(jìn)行空間插值生成GIS柵格.指數(shù)模型的柵格計(jì)算單元大小為30m′30m.
2 結(jié)果與討論
2.1 流域非點(diǎn)源磷流失關(guān)鍵影響因子
圖3 巖口水庫(kù)流域非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷流失關(guān)鍵源因子及遷移因子
由于土壤磷水平與徑流磷含量具有良好的相關(guān)性,國(guó)際通用土壤測(cè)試磷(例如Mehlich3-P、Bray-P、OlsenP等)來(lái)評(píng)估土壤磷受降雨徑流沖刷的風(fēng)險(xiǎn)高低.圖3顯示研究流域土壤速效磷含量范圍為35~200mg/kg.我國(guó)第二次土壤普查結(jié)果表明當(dāng)有效磷含量等于或高于20mg/kg時(shí)土壤磷素含量較豐,且一般情況下土壤有效磷含量大于15mg/kg就能滿(mǎn)足作物高產(chǎn)的需求[36].英國(guó)洛桑實(shí)驗(yàn)站結(jié)果表明土壤有效磷含量在25~60mg/kg即可保證作物產(chǎn)量同時(shí)防止水環(huán)境污染[37],我國(guó)一些研究得出的相應(yīng)土壤有效磷閾值為20~40mg/kg[38].巖口水庫(kù)流域土壤OlsenP僅有43%介于0~40mg/kg之間;另有研究報(bào)道義烏紅桃主產(chǎn)區(qū)桃園土壤有效磷最高可達(dá)412.5mg/kg,平均值為134.3mg/kg[39].這表明研究流域絕大部分土壤磷含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出作物生長(zhǎng)需求,存在極高的徑流沖刷流失或淋失風(fēng)險(xiǎn).圖3同時(shí)也顯示了流域土壤侵蝕方程主要因子的空間分布.其中土壤可蝕性因子空間變異相對(duì)較小,植被覆蓋因子、水土保持因子和泥沙輸移比則呈條帶狀集中分布在4條支流的河岸及河谷地帶,由因子值的高低可以判斷出該區(qū)域植被覆蓋相對(duì)較差、有一定水土保持措施、但具有較高的河道連通性(圖3).
2.2 流域土壤侵蝕量及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷流失量
研究流域地處南方紅壤丘陵水蝕區(qū),其土壤侵蝕模數(shù)在0.7~15244.2t/(km2×a)之間,平均值為985t/ (km2×a).根據(jù)水利部發(fā)布的SL190-2007《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[40],南方丘陵紅壤區(qū)容許土壤流失量為500t/(km2×a),研究流域超出此容量限值的區(qū)域占流域面積59%.非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷平均輸出強(qiáng)度為0.86kg/hm2,超出非點(diǎn)源磷流失閾值(2kg/hm2)[41]的區(qū)域占流域面積14%.這表明研究流域的土壤侵蝕及與之密切相關(guān)的非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷的流失仍有較大的治理空間.由圖4、表2可知,微度和輕度侵蝕區(qū)占流域面積90%以上,貢獻(xiàn)了流域侵蝕產(chǎn)生量的66%和輸出量的56%,以及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出量的69%;中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度侵蝕區(qū)以流域7.2%的面積貢獻(xiàn)了流域侵蝕產(chǎn)生量的35%和輸出量的43%、以及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出量的31%,表明局部地區(qū)具有侵蝕土壤和顆粒態(tài)磷強(qiáng)烈輸出的特征;劇烈侵蝕區(qū)域的面積及貢獻(xiàn)幾乎可以忽略(表2).從空間分布看,土壤侵蝕中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)均分布在上游4條支流的沿岸區(qū)域(圖4).將土壤侵蝕模擬結(jié)果與浙江丘陵區(qū)土壤侵蝕相關(guān)研究[24,42-43]及義烏當(dāng)?shù)厮Ｒ?guī)劃相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證比較,發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果基本符合實(shí)際侵蝕情況,結(jié)果較為合理.
圖4 流域土壤侵蝕等級(jí)及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出強(qiáng)度的空間分布
表2 流域土壤侵蝕及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷流失情況
2.3 土地利用類(lèi)型、地形、水文距離對(duì)流域土壤侵蝕和非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷流失的影響
土地利用類(lèi)型、地形及距離是影響非點(diǎn)源污染物的產(chǎn)生、遷移和消減的主要因素[44].本研究中耕地及園地具有輕度到強(qiáng)度的土壤侵蝕等級(jí)和較高的非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出強(qiáng)度(2.9~5.2kg/hm2),草地次之,林地最小(表3).農(nóng)業(yè)用地非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出強(qiáng)度與浙江平原河網(wǎng)區(qū)觀測(cè)的農(nóng)田徑流顆粒態(tài)磷年流失強(qiáng)度(4.01kg/hm2)在同一量級(jí)[45],這也表明本研究的模擬結(jié)果較為合理.盡管耕地和園地占流域面積相對(duì)較小(15%),卻貢獻(xiàn)了40%以上的土壤侵蝕和非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出總量,是水土流失和非點(diǎn)源磷污染的重點(diǎn)控制區(qū)域,這與李嘉峻等[43]在浙江橫溪的研究結(jié)果較為一致.林地覆蓋流域70%以上的面積,對(duì)流域土壤侵蝕和非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出總量的貢獻(xiàn)也較為可觀,分別占45%和54%(表3).
根據(jù)水利部土壤侵蝕等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將流域坡度劃分為6個(gè)等級(jí).表4顯示隨著坡度增加土壤侵蝕模數(shù)增加,主要原因可能是地表徑流動(dòng)能和侵蝕能力隨坡度遞增,但侵蝕土壤和顆粒態(tài)磷輸出強(qiáng)度隨坡度增加變化規(guī)律不明顯,總體呈微弱減少趨勢(shì).8°~15°和15°~25°坡分布面積最廣,分別占流域面積29.3%和36.3%,其土壤侵蝕模數(shù)并非最大,但輸出了流域64%的侵蝕土壤和62%的非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷.這與浙江省主要水土流失坡度的識(shí)別結(jié)果吻合,低丘緩坡地帶是浙江省主要的水土流失區(qū)[46].0°~5°坡地具有相對(duì)較高的土壤侵蝕和非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出強(qiáng)度(表4),主要原因可能有:(1)該區(qū)域內(nèi)耕地及園地類(lèi)型占比較大(35.7%),耕作活動(dòng)較為頻繁,在強(qiáng)降雨條件下極易發(fā)生水土流失;(2)長(zhǎng)期不合理施肥導(dǎo)致耕地及園地土壤富含磷養(yǎng)分;3)該區(qū)域多分布于距離河道較近的河谷階地,具有較高的水系連通性.
水文距離通常用來(lái)表征污染源到水體的連通率,距水體的距離越小,侵蝕土壤和磷越容易進(jìn)入水體.表5顯示距離河道800m緩沖區(qū)累積了流域96%的侵蝕土壤和農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出量,因此在入河之前對(duì)污染物的有效攔截將極大減少污染物的入河通量并削減徑流污染物峰值濃度(表5).
表3 不同土地利用類(lèi)型的土壤侵蝕及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷產(chǎn)生情況
表4 不同坡度的土壤侵蝕及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷產(chǎn)生情況
表5 不同水文距離的土壤侵蝕及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷產(chǎn)生情況
2.4 關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別給非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染治理的啟示
源頭削減、過(guò)程攔截和末端治理是當(dāng)前公認(rèn)的治理非點(diǎn)源污染的有效方略[47],然而實(shí)踐操作中往往對(duì)“哪里減、減多少、怎么減”缺乏一個(gè)清晰系統(tǒng)的認(rèn)識(shí).識(shí)別目標(biāo)流域中非點(diǎn)源污染的關(guān)鍵源區(qū),對(duì)其分區(qū)分類(lèi)并解析各自貢獻(xiàn),將有助于厘清治理目標(biāo)和責(zé)任主體、配置有的放矢的措施,提升治理的成本效益比[48-50].
以水利部規(guī)定的南方紅壤丘陵區(qū)土壤侵蝕容許量500t/(km2?a)[40]、文獻(xiàn)報(bào)道的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源磷流失閾值2kg/hm2為標(biāo)準(zhǔn)[41],識(shí)別出研究流域非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染的關(guān)鍵源區(qū)6.4km2,占流域面積14%,貢獻(xiàn)了65%和58%的侵蝕土壤和非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出負(fù)荷.圈定的關(guān)鍵源區(qū)主要分布在25°以下坡、水文距離800m以?xún)?nèi)區(qū)域;林地、耕地各占3.5和2.5km2,園地面積相對(duì)較小(圖5).
對(duì)識(shí)別的關(guān)鍵源區(qū)按照坡度、水文距離和土地利用類(lèi)型進(jìn)行分區(qū)并提出針對(duì)性的控制建議,結(jié)果如圖6.第一類(lèi)優(yōu)先治理區(qū)為近河道低中坡耕種區(qū)(水文距離￡300m,0°~5°和8°~15°坡為主,面積2.5km2),田塊破碎化程度高,主要種植桃樹(shù)、玉米、蔬菜等,施肥量高,耕作活動(dòng)較為頻繁,在發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)產(chǎn)匯流迅速,較易造成水土和養(yǎng)分流失.在調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分果園存在較為嚴(yán)重的土壤退化情況,可能與紅壤區(qū)土壤侵蝕易導(dǎo)致土壤退化和保水保土保肥能力下降有關(guān),不利于作物高產(chǎn)[51].為維持作物產(chǎn)量農(nóng)民往往施用高于作物需求的肥料量,然而過(guò)量施肥進(jìn)一步加劇了土壤性狀的惡化、土壤養(yǎng)分累積和流失.因此對(duì)于此類(lèi)區(qū)域的治理需要解決一個(gè)關(guān)鍵的管理問(wèn)題,就是如何在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中合理控制磷施肥量,既保障作物持續(xù)穩(wěn)定高產(chǎn)又不造成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)或資源浪費(fèi)[52].建議以補(bǔ)貼的形式推動(dòng)常態(tài)化耕作區(qū)土壤肥力水平測(cè)試及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,并在此基礎(chǔ)上決定是否需要在一段時(shí)間內(nèi)禁施磷肥,或者按照科學(xué)配方施肥,同時(shí)輔以免耕、深施、使用緩釋磷肥等其它措施以更大程度降低源頭磷素流失.針對(duì)該區(qū)部分土壤板結(jié)嚴(yán)重、有機(jī)質(zhì)低、保水保肥能力差的情況,需要結(jié)合施用有機(jī)肥或改良酸性土壤功能性肥料、秸稈還田、林下套種綠肥或其他林草等措施改善土壤通透性,提高土壤pH值及土壤肥力水平,達(dá)到增肥、改土、穩(wěn)產(chǎn)目的.適用于這一區(qū)域的管理措施還有保護(hù)性耕作,根據(jù)蘭溪水土保持綜合試驗(yàn)站徑流小區(qū)水土保持耕作措施效益的分析結(jié)果,在浙江紅壤坡地以水平開(kāi)橫溝、等高耕作和梯田的減沙減水效益最好,且遞減速度以等高耕作和梯田最快[52].
圖5 流域非點(diǎn)源污染關(guān)鍵源區(qū)的水文距離、坡度、土地利用類(lèi)型組成及其之間的關(guān)系
圖6 研究流域非點(diǎn)源磷污染優(yōu)先治理區(qū)分區(qū)
第二類(lèi)優(yōu)先治理區(qū)是陡坡退耕還林區(qū),主要為25°坡以上的園地,面積為0.07km2.一般來(lái)講,25°以上的陡坡地多由于侵蝕嚴(yán)重、土壤貧瘠不宜墾種.然而受到耕地資源緊張的限制,研究流域內(nèi)在仍存在一定面積的陡坡種植,且林下植被稀疏、土壤退化較為嚴(yán)重.建議在25°坡以上耕地及園地全部退耕還林.
第三類(lèi)是林地優(yōu)先控制區(qū),其分布的坡度和距離跨度均較大(5°~35°,50~800m,面積3.5km2),覆蓋一定面積的中度至極強(qiáng)度土壤侵蝕區(qū).封山育林,稀疏林補(bǔ)植,密集林撫育間伐,裸露面治理,劣質(zhì)林改造是建議的主要水土保持措施.
第四類(lèi)為阻截關(guān)鍵源區(qū)污染物的工程治理區(qū).工程性措施主要通過(guò)在特定點(diǎn)位開(kāi)展工程措施建設(shè),側(cè)重于對(duì)非點(diǎn)源污染物傳輸過(guò)程的攔截和受納水體的治理.已有學(xué)者對(duì)非點(diǎn)源污染的治理措施進(jìn)行了詳盡的綜述[41,44].在實(shí)際操作過(guò)程中,需要基于詳實(shí)的資料數(shù)據(jù),利用工程型管理措施的區(qū)域適用性特征指標(biāo)體系進(jìn)行措施類(lèi)型和實(shí)施地址選擇;同時(shí)綜合考慮工程措施的信息可獲得性及應(yīng)用普及程度、流域現(xiàn)有工程布局、流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)削減需求,制定因地制宜、滿(mǎn)足水質(zhì)達(dá)標(biāo)且經(jīng)濟(jì)的工程措施方案.
3 結(jié)論
3.1 流域土壤侵蝕以微、輕度為主,占流域面積90%以上,中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度侵蝕區(qū)占流域面積7.2%,超出南方紅壤丘陵區(qū)水土流失容量的區(qū)域占59%.非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷平均輸出強(qiáng)度為0.86kg/hm2,高于非點(diǎn)源磷流失閾值(2kg/hm2)的區(qū)域占流域面積14%.
3.2 流域非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染的關(guān)鍵源區(qū)有6.4km2,占流域面積14%,貢獻(xiàn)了65%和58%的侵蝕土壤和非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出負(fù)荷.主要分布在25°以下坡、水文距離800m以?xún)?nèi)區(qū)域;林地、耕地、園地是主要土地利用類(lèi)型.過(guò)量施肥導(dǎo)致的土壤磷素積累、在強(qiáng)降雨條件下低丘緩坡地帶易發(fā)生水土流失是該流域非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷流失關(guān)鍵源區(qū)形成的主要原因.
3.3 基于關(guān)鍵源區(qū)的識(shí)別,按照坡度、水文距離和土地利用類(lèi)型進(jìn)行了分區(qū)分類(lèi)非點(diǎn)源污染的治理.25°以上坡地退耕還林、25°以下坡耕地及果園測(cè)土配方施肥、土壤改良與保護(hù)性耕作、林地水土保持是管控巖口水庫(kù)流域關(guān)鍵源區(qū)非點(diǎn)源污染、保護(hù)和提升下游水庫(kù)水質(zhì)的關(guān)鍵舉措.未來(lái)將利用選址工具進(jìn)行工程治理措施的類(lèi)型和地址選擇,同時(shí)在明確流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)削減需求和評(píng)估已有工程實(shí)施效果的前提下,制定因地制宜、滿(mǎn)足水質(zhì)達(dá)標(biāo)且經(jīng)濟(jì)的工程措施方案.
[1] Nelson N O, Shober A L. Evaluation of phosphorus indices after twenty years of science and development [J]. Journal of Environmental Quality, 2012,41(6):1703-1710.
[2] Sharpley A, Kleinman P, McDowell R, et al. Modeling phosphorus transport in agricultural watersheds: Processes and possibilities [J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2002,57(6):425-439.
[3] Pionke H B, Gburek W J, Sharpley A N. Critical source area controls on water quality in an agricultural watershed located in the Chesapeake Basin [J]. Ecological Engineering, 2000,14(4):325-335.
[4] Strauss P, Leone A, Ripa M, et al. Using critical source areas for targeting cost-effective best management practices to mitigate phosphorus and sediment transfer at the watershed scale [J]. Soil Use and Management, 2007,23(s1):144-153.
[5] McDowell R, Srinivasan M. Identifying critical source areas for water quality: 2. Validating the approach for phosphorus and sediment losses in grazed headwater catchments [J]. Journal of Hydrology, 2009, 379(1):68-80.
[6] Heathwaite A, Dils R. Characterizing phosphorus loss in surface and subsurface hydrological pathways [J]. Science of the Total Environment, 2000,251:523-538.
[7] Drewry J, Newham L, Greene R. Index models to evaluate the risk of phosphorus and nitrogen loss at catchment scales [J]. Journal of Environmental Management, 2011,92(3):639-649.
[8] Heathwaite A, Fraser A, Johnes P, et al. The Phosphorus Indicators Tool: a simple model of diffuse P loss from agricultural land to water [J]. Soil Use and Management, 2003,19(1):1-11.
[9] 周慧平,高 超.巢湖流域非點(diǎn)源磷流失關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別.環(huán)境科學(xué), 2008,29(10):2696-2702. Zhou H P, Gao C. Identifying critical source areas for non-point phosphorus loss in Chaohu Watershed [J]. Environmental Sciences, 2008,29(10):2696-2702.
[10] 張淑榮,陳利頂,傅伯杰,等.農(nóng)業(yè)區(qū)非點(diǎn)源污染潛在危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)——以于橋水庫(kù)流域磷流失為例.第四紀(jì)研究, 2003,23(3):262-269. Zhang S R, Chen L D, Fu B J, et al. Assessment of the potential risk of non-point source pollution in agricultural areas: A case study of phosphorus loss in Yuqiao Reservoir watershed [J]. Quaternary Sciences, 2003,23(3):262-269.
[11] 張 平,高陽(yáng)昕,劉云慧,等.基于氮磷指數(shù)的小流域氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià).生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2011,20(6):1018-1025.Zhang P, Gao Y X, Liu Y H, et al. Nitrogen and phosphorus loss risk assessment in a small watershed based on nitrogen and phosphorus indices [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2011,20(6):1018-1025.
[12] 王麗華.密云縣境內(nèi)密云水庫(kù)上游地區(qū)磷流失危險(xiǎn)性評(píng)價(jià) [D]. 北京:首都師范大學(xué), 2006. Wang L H. Risk assessment of phosphorus loss in the upper reaches of Miyun Reservoir in Miyun County, China [D]. Beijing: Capital Normal University, 2006.
[13] 宋月君,吳勝軍,楊 潔,等.基于GIS技術(shù)的農(nóng)用地非點(diǎn)源磷污染危險(xiǎn)性評(píng)價(jià) [J]. 測(cè)繪科學(xué), 2009,34(3):164-166. Song Y J, Wu S J, Yang J, et al. Risk assessment of non-point source phosphorus pollution in agricultural land based on GIS technology [J]. Science of Surveying and Mapping, 2009,34(3):164-166.
[14] 李 琪,陳利頂,齊 鑫,等.媯水河流域農(nóng)耕區(qū)非點(diǎn)源磷污染危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2008,29(1):32-37. Li Q, Chen L D, Qi X, et al. Risk assessment of non-point source phosphorus pollution in Guishui River Basin and identification of key source areas [J]. Environmental Science, 2008,29(1):32-37.
[15] 李 娜,郭懷成.農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源磷流失潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)——磷指數(shù)法研究進(jìn)展 [J]. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2010,11:1360-1367. Li N, Guo H C. Potential risk assessment of phosphorus loss from agricultural non-point sources: Advances in phosphorus index method [J]. Progress in Geography, 2010,11:1360-1367.
[16] 殷培紅,耿潤(rùn)哲,裴曉菲,等.以水環(huán)境質(zhì)量改善為核心建立監(jiān)督指導(dǎo)農(nóng)業(yè)面源污染治理制度框架 [J]. 環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展, 2019,44(2):10-15. Yin P H, Geng R Z, Pei X F, et al. Establishment of a supervisory and guiding system framework for agricultural non-point source pollution control based on the improvement of water environment quality [J]. Environment and Sustainable Development, 2019,44(2):10-15.
[17] 范曉娟,張麗萍,鄧龍洲,等.侵蝕程度差異誘發(fā)的坡面產(chǎn)流-產(chǎn)沙-總磷流失特征 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2019,39(2):459-468. Fan X J, Zhang L P, Deng L Z, et al. Characteristics of runoff, sediment and total phosphorus loss induced by different degrees of erosion [J]. Chinese Journal of Environmental Sciences, 2019,39(2): 459-468.
[18] 史鵬程,朱廣偉,楊文斌,等.新安江水庫(kù)懸浮顆粒物時(shí)空分布,沉降通量及其營(yíng)養(yǎng)鹽效應(yīng) [J]. 環(huán)境科學(xué), 2020,41(5):143-154. Shi P C, Zhu G W, Yang W B, et al. Temporal and spatial distribution of suspended particulate matter in the Xin 'anjiang Reservoir, China [J]. Environmental Science, 2020,41(5):143-154.
[19] Palmer-Felgate E J, Jarvie H P, Withers P J A. Stream-bed phosphorus in paired catchments with different agricultural land use intensity [J]. Agriculture, Ecosystem & Environment, 2009,134(1/2):53-66.
[20] 吳嘉平,荊長(zhǎng)偉.支俊俊編制,浙江省縣市土壤圖集 [M]. 長(zhǎng)沙:湖南地圖出版社, 2012. Wu J P, Jing C W, Zhi J J. Soil Atlas of Zhejiang Province [M]. Changsha: Hunan Cartographic Press, 2012.
[21] Wischmeier W H, Smith D D. Predicting rainfall erosion losses—a guide to conservation planning [R]. Agriculture Handbook 537. US Department of Agriculture, Washington, DC. USA, 1978.
[22] Renard K G, Foster G R, Weesies G A. Predicting soil erosion by water: a guide to conservation planning with the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) [R]. Agricultural Handbook 703. US Department of Agriculture, Washington, DC. USA, 1997.
[23] 楊 軒,梁 音,方繼青,等.基于日降雨信息的月降雨侵蝕力模型 [J]. 土壤學(xué)報(bào), 2010,47(2):216-222. Yang X, Liang Y, Fang J Q, et al. Monthly rainfall erosivity model based on daily rainfall information [J]. Acta Pedologica Sinica, 2010,47(2):216-222.
[24] 何錫君,呂振平,楊 軒,等.浙江省降雨侵蝕力時(shí)空分布規(guī)律分析 [J]. 水土保持研究, 2010,6:31-34. He X J, Lv Z P, Yang X, et al. Spatial and temporal distribution of rainfall erosivity in Zhejiang Province [J]. Research of Soil and Water Conservation, 2010,6:31-34.
[25] Williams J R, Renard K G, Dyke P T. EPIC-a new model for assessing erosion's effect on soil productivity [J]. Journal of Soil and Water Conservation, 1984,8:381-383.
[26] 鄧 威,汪晶晶,白 云,等.苦驢河上游小流域土壤侵蝕及其養(yǎng)分流失特征 [J]. 水土保持通報(bào), 2020,40(1):85-90. Deng W, Wang J J, Bai Y, et al.Soil erosion and nutrient loss in the upper reaches of the Kudu River [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2020,40(1):85-90.
[27] Moore I D, Grayson R B, Ladson A R, et al. Digital terrain modelling: A review of hydrological, geomorphological, and biological applications [J]. Hydrological Processes, 1991,5(1):3-30.
[28] Conrad O, Bechtel B, Bock M, et al. System for Automated Geoscientific Analyses (SAGA) v. 2.1.4 [J]. Geoscientific Model Development Disscussions. 2015,8(7):1991-2007.
[29] O'Callaghan J F, Mark D M. The extraction of drainage networks from digital elevation data [J]. Computer Vision Graphics & Image Processing, 1984,28(3):323-344.
[30] Vadas P, Good L ,Moore P, et al. Estimating phosphorus loss in runoff from manure and fertilizer for a phosphorus loss quantification tool [J]. Journal of environmental quality, 2009,38(4):1645-1653.
[31] Ferro V, Minacapilli M. Sediment delivery processes at basin scale [J]. Hydrological Sciences Journal, 1995,40(6):703-717.
[32] Hijmans R J. Geographic Data Analysis and Modeling [R package version 2.6-7]. R Package, 2015 [Z].
[33] Keitt T, Bivand R, Pebesma E, et al. rgdal: Bindings for the Geospatial Data Abstraction Library [R package version 0.8-13]. R package, 2010 [Z].
[34] Pebesma E. Simple Features for R: Standardized Support for Spatial Vector Data [J]. The R Journal, 2018,10(1):439-446.
[35] Tennekes M. tmap : Thematic Maps in R [J]. Journal of Statistical Software, 2018,84.
[36] 謝如林,譚宏偉.我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)磷肥的需求現(xiàn)狀及展望 [J]. 磷肥與復(fù)肥, 2001,16(2):7-9. Xie R L, Tan H W. The current situation and prospect of phosphorus fertilizer demand in agricultural production in China [J]. Phosphate and Compound Fertilizers, 2001,16(2):7-9.
[37] Heckrath G, Brookes P C, Poulton P R, et al. Phosphorus leaching from soils containing different phosphorus concentrations in the Broadbalk Experiment [J]. Journal of Environmental Quality, 1995, 24(5):904-910.
[38] 魯如坤.土壤磷素水平和水體環(huán)境保護(hù) [J]. 磷肥與復(fù)肥, 2003,18(1): 4-6. Lu R K. Soil phosphorus levels and water environmental protection [J]. Phosphorus and Compound Fertilizer, 2003,18(1):4-6.
[39] 孔向軍,鈄凌娟,錢(qián)東南,等.金華義烏紅桃主產(chǎn)區(qū)土壤養(yǎng)分與其果品內(nèi)在品質(zhì)的相關(guān)性分析 [J]. 園藝與種苗, 2013,(6):20-22,32. Kong X J, Dou L J, Qian D N, et al. Correlation analysis of soil nutrients and fruit quality in Yiwu Red Peach Production Area, Jinhua, China [J]. Horticulture and Seedling, 2013,(6):20-22,32.
[40] GB/SL190-2007 土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) [S]. GB/SL190-2007 Standard for classification and gration of soil erosion. [S].
[41] Ghebremichae L T, Veith T L, Hamlett J M. Integrated watershed- and farm-scale modeling framework for targeting critical source areas while maintaining farm economic viability [J]. Journal of Environmental Management, 2013,114:381-394.
[42] 陳思旭,楊小喚,肖林林,等.基于RUSLE模型的南方丘陵山區(qū)土壤侵蝕研究 [J]. 資源科學(xué), 2014,36(6):1288-1297. Chen S X, Yang X H, Xiao L L, et al. Soil erosion in the southern hilly region based on the RUSLE model [J]. Resources Science, 2014, 36(6):1288-1297.
[43] 李嘉峻,許有鵬,桑銀江,等.GIS支持下的土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化研究:浙江一例 [J]. 南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)), 2005,3:297-303. Li J J, Xu Y P, Sang Y J, et al. Soil erosion dynamics under GIS: A case study in Zhejiang Province, China [J]. Journal of Nanjing University (Natural Sciences), 2005,3:297-303.
[44] 耿潤(rùn)哲,王曉燕,段淑懷,等.小流域非點(diǎn)源污染管理措施的多目標(biāo)優(yōu)化配置模擬 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015,31(2):211-220. Geng R Z, Wang X Y, Duan S H, et al. Multi-objective optimal allocation simulation of non-point source pollution management measures in small watershed [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015,31(2):211-220.
[45] 章明奎,王 陽(yáng),黃 超.水網(wǎng)平原地區(qū)不同種植類(lèi)型農(nóng)田氮磷流失特征 [J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011,22(12):3211-3220. Zhang M K, Wang Y, Huang C. Effects of different cropping types on nitrogen and phosphorus loss in water network plain [J]. Journal of Applied Ecology, 2011,22(12):3211-3220.
[46] 廖承彬.浙江省水土流失的時(shí)空動(dòng)態(tài)研究 [J]. 中國(guó)水土保持, 2010, 7:60-63. Liao C B. Spatial and temporal dynamics of soil and water loss in Zhejiang Province [J]. Soil and Water Conservation in China, 2010,7: 60-63.
[47] 耿潤(rùn)哲.流域非點(diǎn)源污染及管理措施優(yōu)化配置研究[M]. 北京:首都師范大學(xué), 2012. Geng R Z. Study on the optimal allocation of non-point source pollution and management measures in watershed [M]. Beijing: Capital Normal University, 2012.
[48] 耿潤(rùn)哲,殷培紅,馬 茜.基于關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別的飲用水水源保護(hù)區(qū)劃研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2017,30(3):329-339.Geng R Z, Yin P H, Ma Q. A study on water source protection regionalization based on key source identification [J]. Research of Environmental Sciences, 2017,30(3):329-339.
[49] 耿潤(rùn)哲,殷培紅,原慶丹.紅楓湖流域非點(diǎn)源污染控制區(qū)劃 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016,32(19):219-225. Geng R Z, Yin P H, Yuan Q D. Non-point source pollution control regionalization in Hongfeng Lake Watershed [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016,32(19):219-225.
[50] 張汪壽,耿潤(rùn)哲,王曉燕,等.基于多準(zhǔn)則分析的非點(diǎn)源污染評(píng)價(jià)和分區(qū)——以北京懷柔區(qū)北宅小流域?yàn)槔?[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 33(1):258-266. Zhang W S, Geng R Z, Wang X Y, et al. Evaluation and zoning of non-point source pollution based on multi-criteria analysis: A case study of Beizhai watershed in Huairou District, Beijing, China [J]. Chinese Journal of Environmental Sciences, 2013,33(1):258-266.
[51] 廖承彬.紅壤坡地水土流失過(guò)程分析與水土保持措施設(shè)計(jì)[M]. 浙江大學(xué), 2008. Liao C B. Analysis of Soil and Water Loss Process and Design of Soil and Water Conservation Measures on Red Soil Slope [M]. Zhejiang University, 2008.
[52] 童文彬,邱志騰,章明奎.植物有效磷與水溶性磷對(duì)土壤磷素積累的響應(yīng)研究 [J]. 農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào), 2020,10(1):37-42. Tong W B, Qiu Z T, Zhang M K. Effects of plant available phosphorus and water soluble phosphorus on soil phosphorus accumulation [J]. Acta Agronomica Sinica, 2020,10(1):37-42.
Identifying the critical sources areas of non-point particulate phosphorus based on an index approach in R: A case study in red soil hilly micro-watershed.
SU Jing-jun1, ZHAO Hong-tao1,3*, JIAO Ru-yuan2,4, FANG Zhi-da1, YANG Xiao-jing1,5, LI Xu-yong1,3
(1.Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China；2.Key Laboratory of Environmental Aquatic Chemistry, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China；3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；4.Yangtze River Delta Branch, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Yiwu 322000, China；5.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)., 2021,41(4)：1868~1877
This study developed a watershed-scale non-point source (NPS) particulate phosphorus (PP) index based on R statistical language and applied it in a red soil hilly subbasin. The results indicated that watershed soil erosion rates ranged from 0.7 to 15244.2 t/(km2·a), and 59% of the watershed area exceeded the regional soil erosion threshold. The average watershed NPS PP load was 0.86 kg/hm2and approximately 14% of the watershed area exceeded the NPS P loss threshold. Despite the fact that dominate soil erosions in the watershed were slight to mild, the small areas (7.2%) categorized as moderate to severe erosions contributed considerably larger shares to the total watershed loads of erosion and NPS PP loss (31%~43%). The critical sources areas (CSAs) for soil erosion and NPS PP loss were identified as 6.4 km2in area, mainly consisting of wood land, crop land and orchard land, which were adjacent to streams (￡800m) and with low to gentle slopes (<25°). The soil P enrichment due to excessive fertilization, as well as the high erosion potential facilitated the formation of these CSAs. The CSAs were further divided into zones according to land uses, hydrological distances and slopes, on which different management practices and strategies were recommended to target the erosion and NPS PP loss.
R；red soil hilly area；non-point source particulate phosphorus；critical source areas；subregion management
X522
A
1000-6923(2021)04-1868-10
蘇靜君(1982-),女,湖北宜昌人,助理研究員,博士,主要從事流域面源污染及磷的生物地球化學(xué)研究.發(fā)表論文20余篇.
2020-09-01
國(guó)家自然科學(xué)基金(41401590);中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心(義烏)長(zhǎng)三角中心委托項(xiàng)目(20200060)
* 責(zé)任作者, 副研究員, htzhao@rcees.ac.cn
猜你喜歡
壓油溝小流域中國(guó)水土保持(2022年6期)2022-06-08 03:58:40 冬小麥蒸散源區(qū)代表性分析灌溉排水學(xué)報(bào)(2021年8期)2021-09-02 08:23:34 堡子溝流域綜合治理中國(guó)水土保持(2021年7期)2021-07-08 06:14:06 羅堰小流域中國(guó)水土保持(2021年12期)2021-04-11 08:19:44 鄉(xiāng)村聚落土壤侵蝕環(huán)境與水土流失研究綜述中國(guó)水土保持科學(xué)(2019年6期)2019-04-26 05:14:42 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)(2018年1期)2018-01-31 01:53:37 渭河源區(qū)徑流量變化特征及趨勢(shì)分析水利科技與經(jīng)濟(jì)(2017年5期)2017-04-22 02:39:44 海壇島土壤侵蝕問(wèn)題研究湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2016年2期)2016-12-01 04:06:46 大別山區(qū)土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化及趨勢(shì)預(yù)測(cè)湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2016年4期)2016-02-27 14:02:42 南水北調(diào)中線水源地土壤侵蝕經(jīng)濟(jì)損失估算水土保持通報(bào)(2014年5期)2014-06-09 08:27:12
蘇靜君,趙洪濤,3*,焦茹媛,房志達(dá),楊曉晶,5,李敘勇,3
基于R語(yǔ)言的非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷指數(shù)構(gòu)建及應(yīng)用——以丘陵紅壤區(qū)小流域?yàn)槔?/p>
蘇靜君1,趙洪濤1,3*,焦茹媛2,4,房志達(dá)1,楊曉晶1,5,李敘勇1,3
(1.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085；2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,環(huán)境水質(zhì)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究生院,北京 100049；4.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心(義烏)長(zhǎng)三角中心,浙江 義烏 322000；5.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
以南方丘陵紅壤區(qū)典型小流域?yàn)槔?構(gòu)建了基于R語(yǔ)言的流域非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染指數(shù)并進(jìn)行應(yīng)用.結(jié)果表明,(1)流域土壤侵蝕模數(shù)在0.7~15244.2t/(km2·a)之間,超出南方丘陵紅壤區(qū)容許土壤侵蝕量的區(qū)域占流域面積59%;平均非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷產(chǎn)生強(qiáng)度為0.86kg/hm2,超出非點(diǎn)源磷流失閾值的區(qū)域占流域面積14%.流域侵蝕等級(jí)以微、輕度為主,但中度及以上強(qiáng)度區(qū)域以較小的面積(7.2%)貢獻(xiàn)了較大比例的流域侵蝕產(chǎn)生量(35%)和輸出量(43%)、以及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出量(31%).(2)識(shí)別的關(guān)鍵源區(qū)占流域面積14%,貢獻(xiàn)了65%和58%的侵蝕土壤和顆粒態(tài)磷輸出負(fù)荷;主要分布在近河道的坡地(<25°,水文距離￡800m),林地、耕地、園地是主要土地利用類(lèi)型組成.(3)過(guò)量施肥導(dǎo)致的土壤磷素富集、強(qiáng)降雨條件下低丘緩坡地帶的高易蝕性是關(guān)鍵源區(qū)形成的主因.研究進(jìn)一步對(duì)關(guān)鍵源區(qū)進(jìn)行分類(lèi)分區(qū),提出了以水土保持、配方施肥、工程治理為核心的非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染治理組合措施. 研究為丘陵紅壤區(qū)流域非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染的防治提供了較為系統(tǒng)完善的思路.
R語(yǔ)言；丘陵紅壤區(qū)；非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷；關(guān)鍵源區(qū)；分區(qū)分類(lèi)治理
控制陸地非點(diǎn)源磷向水環(huán)境的輸入是遏制水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵[1].隨著點(diǎn)源污染逐漸被控制,非點(diǎn)源污染問(wèn)題日益凸顯.在我國(guó),非點(diǎn)源磷流失可達(dá)水體總磷負(fù)荷的67.4%,且以顆粒態(tài)輸出為主[2].非點(diǎn)源磷污染因時(shí)空異質(zhì)性強(qiáng)、遷移路徑和數(shù)量不確定,導(dǎo)致治理和管理難度大.流域內(nèi)較小面積的景觀或地理單元往往是整個(gè)流域非點(diǎn)源磷污染負(fù)荷的主要貢獻(xiàn)來(lái)源,對(duì)受納水體水質(zhì)起著決定性的作用,成為非點(diǎn)源磷污染的關(guān)鍵源區(qū)[3].因此,識(shí)別非點(diǎn)源磷流失的關(guān)鍵源區(qū)是經(jīng)濟(jì)有效控制整個(gè)流域磷污染的重要前提[4].
磷指數(shù)是一種通用的非點(diǎn)源磷流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,通過(guò)對(duì)影響磷養(yǎng)分流失的因子(如源因子、遷移因子)及其相互作用進(jìn)行評(píng)估以表征養(yǎng)分流失至水體的潛在風(fēng)險(xiǎn),并以此風(fēng)險(xiǎn)的高低為依據(jù)判定養(yǎng)分流失的關(guān)鍵源區(qū),可以幫助確定養(yǎng)分管理措施的具體實(shí)施位置,支持流域磷素管理和規(guī)劃的決策[5-6].磷指數(shù)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、受到數(shù)據(jù)需求的制約較小,且具有一定的科學(xué)基礎(chǔ)[7-8],已經(jīng)被廣泛用于歐美部分國(guó)家的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染監(jiān)管、措施配置、環(huán)境糾紛法庭裁決等方面.其在我國(guó)的研究及應(yīng)用起步較晚,但發(fā)展較快,在構(gòu)建方法及關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別方面取得了較多的進(jìn)展[9-16],然而對(duì)關(guān)鍵源區(qū)的問(wèn)題解析和治理對(duì)策制定缺乏較為系統(tǒng)深入的梳理和考量,在指導(dǎo)具體實(shí)踐的時(shí)候仍然缺乏目標(biāo)性和可操作性.
在我國(guó)南方丘陵區(qū),強(qiáng)降雨觸發(fā)的土壤侵蝕及養(yǎng)分流失問(wèn)題異常突出[17].有研究指出植被保護(hù)、水土共治是保障該典型區(qū)域河庫(kù)水質(zhì)的根本[18].巖口水庫(kù)是浙江省義烏市最重要的飲用水源地之一.五水共治1.0期間(2013~2019年)點(diǎn)源向巖口水庫(kù)的輸入逐漸得到控制,但農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源和內(nèi)源污染尚未得到妥善的解決,導(dǎo)致水庫(kù)磷水質(zhì)不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo).顆粒物作為銜接磷在陸-水-沉積相的重要載體,其對(duì)磷在水體中的行為及效應(yīng)具有重要的意義.顆粒態(tài)磷雖然不具備即時(shí)的生物或藻類(lèi)有效性,但是會(huì)沉積在下游水體成為重要的內(nèi)源[19].巖口水庫(kù)流域處于南方典型紅壤區(qū),其陸地土壤富含鐵化合物的特性勢(shì)必使得侵蝕顆粒在沉積后轉(zhuǎn)化為湖庫(kù)內(nèi)源的風(fēng)險(xiǎn)提升.因此本研究將以巖口水庫(kù)流域?yàn)榘咐齾^(qū),聚焦于農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷的流失,構(gòu)建基于土壤侵蝕方程的流域顆粒態(tài)磷流失指數(shù),評(píng)估非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷流失風(fēng)險(xiǎn)并識(shí)別關(guān)鍵源區(qū),為巖口水庫(kù)磷水質(zhì)的改善和工程、非工程措施的實(shí)施提供決策參考.
1 方法與材料
1.1 案例區(qū)概況
圖1 巖口水庫(kù)流域示意
圖2 巖口水庫(kù)流域高程(a)、坡度(b)及土地利用類(lèi)型分布(c)
巖口水庫(kù)流域位于浙江省義烏市上溪鎮(zhèn)巖口村、錢(qián)塘江流域東陽(yáng)江支流航慈溪的上游,由4條支流組成,集水面積約55.6km2(圖1).流域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),多年平均氣溫17.1℃;1971~2018年多年平均降雨量1394mm,多集中在3~6月,占全年降雨量53%左右,7~8月有臺(tái)風(fēng)暴雨和雷陣雨,占全年降雨量的18%左右.流域地形以低山丘陵為主,海拔在83~824m之間,坡度在25°以上的面積占流域面積22%(圖2).土地利用類(lèi)型主要為林地(76.4%),其次是耕地及園地(21.7%),村鎮(zhèn)最少(1.9%).林地主要森林類(lèi)型包括針葉林、闊葉林、針闊混交林、灌木林等(圖2);義烏紅桃是主產(chǎn)果品.流域土壤主要為紅壤類(lèi)黃筋泥,占比達(dá)75%以上,其次還有粗骨土類(lèi)石砂土和庫(kù)周少量紫砂土[20].顆粒組成以砂粒為主(33%~ 62%),其次是壤粒(25%~38%)和黏粒(12%~36%).
1.2 流域非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染指數(shù)構(gòu)建
土壤侵蝕是非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷流失的關(guān)鍵遷移路徑,其程度受降雨、土壤質(zhì)地、地形、土地利用方式及植被覆蓋的綜合影響,通常采用通用土壤流失方程(USLE)[21]或其修訂方程(RUSLE)[22]計(jì)算的土壤侵蝕模數(shù)來(lái)表征.由于降雨徑流對(duì)地表土壤顆粒選擇性沖刷,侵蝕的土壤顆粒多由小粒徑組成,較源土壤磷含量呈明顯的富集效應(yīng)[2].本研究非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染指數(shù)的構(gòu)建以土壤侵蝕方程為核心,同時(shí)考慮顆粒態(tài)磷傳輸?shù)母患?yīng)和泥沙輸移比,系列公式如下.
PPI =× ER × TPsoi× SDR× 0.00001(1)
式中: PPI為非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷指數(shù), kg/hm2;為RUSLE計(jì)算所得年土壤侵蝕模數(shù), t/(km2?a);ER為侵蝕顆粒的養(yǎng)分富集系數(shù),無(wú)量綱;TPsoi為土壤全磷含量, mg/kg;SDR為泥沙輸移比.
= 100 ××× LS ××(2)
式中:為降雨侵蝕力因子,MJ?mm/(hm2?h?a);為土壤可蝕性因子, t?hm2?h/(hm2?MJ ?mm); LS為坡長(zhǎng)坡度因子;為植被覆蓋因子;為水土保持措施因子.
降雨侵蝕力因子反映了由降雨引起土壤侵蝕的潛在強(qiáng)力,是評(píng)價(jià)降雨對(duì)土壤剝離、搬運(yùn)、侵蝕的動(dòng)力指標(biāo).本研究采用基于浙江代表性水土保持站長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果構(gòu)建的月降雨量侵蝕力復(fù)合因子模型[23]估算流域年降雨侵蝕力,表達(dá)式如下:
式中:m為月降雨侵蝕力, J?mm/(m2?h);mer為月侵蝕性降雨量,mm;mer為月侵蝕性降水日數(shù), d,分別代表某月日降雨量312.7mm的總降雨量和降雨天數(shù);m為月降雨總量, mm;D為日降雨量30.6mm的降水日數(shù), d;3m為某月降雨量最大3日的雨量之和, mm;Z為某月最大日雨量, mm.若某月有至少一天日雨量312.7mm,采用公式(3)中(A)式估算R;若某月日雨量均未超過(guò)12.7mm,采用(B)式估算R;若某月無(wú)降雨或所有日降雨量小于0.6mm,m值取0[23-24].年降雨侵蝕力為各月降雨侵蝕力之和乘以單位修正系數(shù)0.01[23-24].由于研究流域面積較小,未考慮降雨空間差異性,采用的年降雨侵蝕力為依上述公式計(jì)算所得的多年平均值3725MJ?mm /(hm2?h).
土壤可蝕性因子值參考侵蝕/生產(chǎn)力影響模型(EPIC)經(jīng)驗(yàn)公式,利用土壤粒徑組成和有機(jī)質(zhì)含量估算[25].為美制單位,乘以0.1317轉(zhuǎn)化為國(guó)際制單位(t?hm2?h/(hm2?MJ?mm))[26].
式中:SAN、SIL、CLAY分別為土壤的砂粒(0.050~ 2.000mm)、粉粒(0.002~0.050mm)、黏粒(<0.002mm)含量,%;為土壤有機(jī)碳含量, %,可由土壤有機(jī)質(zhì)含量除以1.732即可轉(zhuǎn)換,SN11-SAN/100,%.
坡長(zhǎng)坡度因子LS的計(jì)算參考Moore算法[27], 該算法中坡長(zhǎng)因子用單位匯水面積替代,適合用于模擬復(fù)雜的地形地貌條件.利用Saga GIS軟件地形模塊對(duì)流域DEM進(jìn)行填洼及坡長(zhǎng)坡度因子提取[28].具體公式如下:
式中:、分別為0.4和1.3,s是單位匯水面積, m2/m,由D8單流向算法[29]計(jì)算得到;為用弧度表示的坡度.
植被覆蓋程度是影響水土流失的重要因素之一,它是侵蝕動(dòng)力的抑制因子,起著保持水土的作用.植被覆蓋與管理因子值為實(shí)際植被狀態(tài)和經(jīng)營(yíng)管理?xiàng)l件下土壤流失量與裸露連續(xù)休閑地的土壤流失量之比,界于0~1之間,植被覆蓋度越高,值越小.代表水土保持因子,是采取水土保持措施后土壤流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量比值;值界于0~1之間,值越大則相對(duì)土壤流失率越高.分析流域土地利用類(lèi)型和地面植被覆蓋狀況,參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究對(duì)、因子進(jìn)行賦值(表1).
表1 不同土地利用類(lèi)型C、P因子賦值
磷富集系數(shù)(ER)通過(guò)以下公式獲得[2,30].
式中:為RUSLE計(jì)算所得年土壤侵蝕模數(shù), t/ (km2?a).
土壤磷水平及施肥情況代表流域非點(diǎn)源磷流失的主要源因子.由于缺乏土壤全磷含量,本研究基于以下公式利用土壤表層有機(jī)質(zhì)含量(OMsoi, %)和速效磷含量(OlsenPsoi, mg/kg)估算了土壤全磷含量[30].
泥沙輸移比(SDR)根據(jù)Ferro等[31]提出的公式計(jì)算.其假設(shè)空間某單元被侵蝕的土壤進(jìn)入水體的比例與其在地表徑流推動(dòng)下進(jìn)入水體所需的時(shí)間成正比,傳遞時(shí)間與遷移路徑的長(zhǎng)度成正比,與路徑上各單元的坡度平方根成反比,公式如下.
式中:是一個(gè)流域特異參數(shù)并通常被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù),l和S是徑流路徑上空間單元的長(zhǎng)度及坡度.
非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染指數(shù)的構(gòu)建基于R語(yǔ)言編程,利用了空間分析包sf、raster、rgdal、tmap中讀取、處理、計(jì)算、可視化空間數(shù)據(jù)的相關(guān)函數(shù)[32-35].數(shù)據(jù)源包括研究流域2015年土地利用類(lèi)型柵格、數(shù)字高程模型、土壤類(lèi)型圖及屬性(有機(jī)質(zhì)含量、顆粒組成、速效磷)、東陽(yáng)江義烏站2013~2018年逐日降雨量.其中,土壤類(lèi)型圖及有機(jī)質(zhì)含量、顆粒組成柵格數(shù)據(jù)來(lái)自于FAO 1:100萬(wàn)土壤數(shù)據(jù)庫(kù),土壤速效磷含量來(lái)自當(dāng)?shù)卮寮?jí)土壤調(diào)查數(shù)據(jù),利用泰森多邊形進(jìn)行空間插值生成GIS柵格.指數(shù)模型的柵格計(jì)算單元大小為30m′30m.
2 結(jié)果與討論
2.1 流域非點(diǎn)源磷流失關(guān)鍵影響因子
圖3 巖口水庫(kù)流域非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷流失關(guān)鍵源因子及遷移因子
由于土壤磷水平與徑流磷含量具有良好的相關(guān)性,國(guó)際通用土壤測(cè)試磷(例如Mehlich3-P、Bray-P、OlsenP等)來(lái)評(píng)估土壤磷受降雨徑流沖刷的風(fēng)險(xiǎn)高低.圖3顯示研究流域土壤速效磷含量范圍為35~200mg/kg.我國(guó)第二次土壤普查結(jié)果表明當(dāng)有效磷含量等于或高于20mg/kg時(shí)土壤磷素含量較豐,且一般情況下土壤有效磷含量大于15mg/kg就能滿(mǎn)足作物高產(chǎn)的需求[36].英國(guó)洛桑實(shí)驗(yàn)站結(jié)果表明土壤有效磷含量在25~60mg/kg即可保證作物產(chǎn)量同時(shí)防止水環(huán)境污染[37],我國(guó)一些研究得出的相應(yīng)土壤有效磷閾值為20~40mg/kg[38].巖口水庫(kù)流域土壤OlsenP僅有43%介于0~40mg/kg之間;另有研究報(bào)道義烏紅桃主產(chǎn)區(qū)桃園土壤有效磷最高可達(dá)412.5mg/kg,平均值為134.3mg/kg[39].這表明研究流域絕大部分土壤磷含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出作物生長(zhǎng)需求,存在極高的徑流沖刷流失或淋失風(fēng)險(xiǎn).圖3同時(shí)也顯示了流域土壤侵蝕方程主要因子的空間分布.其中土壤可蝕性因子空間變異相對(duì)較小,植被覆蓋因子、水土保持因子和泥沙輸移比則呈條帶狀集中分布在4條支流的河岸及河谷地帶,由因子值的高低可以判斷出該區(qū)域植被覆蓋相對(duì)較差、有一定水土保持措施、但具有較高的河道連通性(圖3).
2.2 流域土壤侵蝕量及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷流失量
研究流域地處南方紅壤丘陵水蝕區(qū),其土壤侵蝕模數(shù)在0.7~15244.2t/(km2×a)之間,平均值為985t/ (km2×a).根據(jù)水利部發(fā)布的SL190-2007《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[40],南方丘陵紅壤區(qū)容許土壤流失量為500t/(km2×a),研究流域超出此容量限值的區(qū)域占流域面積59%.非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷平均輸出強(qiáng)度為0.86kg/hm2,超出非點(diǎn)源磷流失閾值(2kg/hm2)[41]的區(qū)域占流域面積14%.這表明研究流域的土壤侵蝕及與之密切相關(guān)的非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷的流失仍有較大的治理空間.由圖4、表2可知,微度和輕度侵蝕區(qū)占流域面積90%以上,貢獻(xiàn)了流域侵蝕產(chǎn)生量的66%和輸出量的56%,以及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出量的69%;中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度侵蝕區(qū)以流域7.2%的面積貢獻(xiàn)了流域侵蝕產(chǎn)生量的35%和輸出量的43%、以及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出量的31%,表明局部地區(qū)具有侵蝕土壤和顆粒態(tài)磷強(qiáng)烈輸出的特征;劇烈侵蝕區(qū)域的面積及貢獻(xiàn)幾乎可以忽略(表2).從空間分布看,土壤侵蝕中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)均分布在上游4條支流的沿岸區(qū)域(圖4).將土壤侵蝕模擬結(jié)果與浙江丘陵區(qū)土壤侵蝕相關(guān)研究[24,42-43]及義烏當(dāng)?shù)厮Ｒ?guī)劃相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證比較,發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果基本符合實(shí)際侵蝕情況,結(jié)果較為合理.
圖4 流域土壤侵蝕等級(jí)及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出強(qiáng)度的空間分布
表2 流域土壤侵蝕及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷流失情況
2.3 土地利用類(lèi)型、地形、水文距離對(duì)流域土壤侵蝕和非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷流失的影響
土地利用類(lèi)型、地形及距離是影響非點(diǎn)源污染物的產(chǎn)生、遷移和消減的主要因素[44].本研究中耕地及園地具有輕度到強(qiáng)度的土壤侵蝕等級(jí)和較高的非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出強(qiáng)度(2.9~5.2kg/hm2),草地次之,林地最小(表3).農(nóng)業(yè)用地非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出強(qiáng)度與浙江平原河網(wǎng)區(qū)觀測(cè)的農(nóng)田徑流顆粒態(tài)磷年流失強(qiáng)度(4.01kg/hm2)在同一量級(jí)[45],這也表明本研究的模擬結(jié)果較為合理.盡管耕地和園地占流域面積相對(duì)較小(15%),卻貢獻(xiàn)了40%以上的土壤侵蝕和非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出總量,是水土流失和非點(diǎn)源磷污染的重點(diǎn)控制區(qū)域,這與李嘉峻等[43]在浙江橫溪的研究結(jié)果較為一致.林地覆蓋流域70%以上的面積,對(duì)流域土壤侵蝕和非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出總量的貢獻(xiàn)也較為可觀,分別占45%和54%(表3).
根據(jù)水利部土壤侵蝕等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將流域坡度劃分為6個(gè)等級(jí).表4顯示隨著坡度增加土壤侵蝕模數(shù)增加,主要原因可能是地表徑流動(dòng)能和侵蝕能力隨坡度遞增,但侵蝕土壤和顆粒態(tài)磷輸出強(qiáng)度隨坡度增加變化規(guī)律不明顯,總體呈微弱減少趨勢(shì).8°~15°和15°~25°坡分布面積最廣,分別占流域面積29.3%和36.3%,其土壤侵蝕模數(shù)并非最大,但輸出了流域64%的侵蝕土壤和62%的非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷.這與浙江省主要水土流失坡度的識(shí)別結(jié)果吻合,低丘緩坡地帶是浙江省主要的水土流失區(qū)[46].0°~5°坡地具有相對(duì)較高的土壤侵蝕和非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出強(qiáng)度(表4),主要原因可能有:(1)該區(qū)域內(nèi)耕地及園地類(lèi)型占比較大(35.7%),耕作活動(dòng)較為頻繁,在強(qiáng)降雨條件下極易發(fā)生水土流失;(2)長(zhǎng)期不合理施肥導(dǎo)致耕地及園地土壤富含磷養(yǎng)分;3)該區(qū)域多分布于距離河道較近的河谷階地,具有較高的水系連通性.
水文距離通常用來(lái)表征污染源到水體的連通率,距水體的距離越小,侵蝕土壤和磷越容易進(jìn)入水體.表5顯示距離河道800m緩沖區(qū)累積了流域96%的侵蝕土壤和農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出量,因此在入河之前對(duì)污染物的有效攔截將極大減少污染物的入河通量并削減徑流污染物峰值濃度(表5).
表3 不同土地利用類(lèi)型的土壤侵蝕及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷產(chǎn)生情況
表4 不同坡度的土壤侵蝕及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷產(chǎn)生情況
表5 不同水文距離的土壤侵蝕及非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷產(chǎn)生情況
2.4 關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別給非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染治理的啟示
源頭削減、過(guò)程攔截和末端治理是當(dāng)前公認(rèn)的治理非點(diǎn)源污染的有效方略[47],然而實(shí)踐操作中往往對(duì)“哪里減、減多少、怎么減”缺乏一個(gè)清晰系統(tǒng)的認(rèn)識(shí).識(shí)別目標(biāo)流域中非點(diǎn)源污染的關(guān)鍵源區(qū),對(duì)其分區(qū)分類(lèi)并解析各自貢獻(xiàn),將有助于厘清治理目標(biāo)和責(zé)任主體、配置有的放矢的措施,提升治理的成本效益比[48-50].
以水利部規(guī)定的南方紅壤丘陵區(qū)土壤侵蝕容許量500t/(km2?a)[40]、文獻(xiàn)報(bào)道的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源磷流失閾值2kg/hm2為標(biāo)準(zhǔn)[41],識(shí)別出研究流域非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染的關(guān)鍵源區(qū)6.4km2,占流域面積14%,貢獻(xiàn)了65%和58%的侵蝕土壤和非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出負(fù)荷.圈定的關(guān)鍵源區(qū)主要分布在25°以下坡、水文距離800m以?xún)?nèi)區(qū)域;林地、耕地各占3.5和2.5km2,園地面積相對(duì)較小(圖5).
對(duì)識(shí)別的關(guān)鍵源區(qū)按照坡度、水文距離和土地利用類(lèi)型進(jìn)行分區(qū)并提出針對(duì)性的控制建議,結(jié)果如圖6.第一類(lèi)優(yōu)先治理區(qū)為近河道低中坡耕種區(qū)(水文距離￡300m,0°~5°和8°~15°坡為主,面積2.5km2),田塊破碎化程度高,主要種植桃樹(shù)、玉米、蔬菜等,施肥量高,耕作活動(dòng)較為頻繁,在發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)產(chǎn)匯流迅速,較易造成水土和養(yǎng)分流失.在調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分果園存在較為嚴(yán)重的土壤退化情況,可能與紅壤區(qū)土壤侵蝕易導(dǎo)致土壤退化和保水保土保肥能力下降有關(guān),不利于作物高產(chǎn)[51].為維持作物產(chǎn)量農(nóng)民往往施用高于作物需求的肥料量,然而過(guò)量施肥進(jìn)一步加劇了土壤性狀的惡化、土壤養(yǎng)分累積和流失.因此對(duì)于此類(lèi)區(qū)域的治理需要解決一個(gè)關(guān)鍵的管理問(wèn)題,就是如何在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中合理控制磷施肥量,既保障作物持續(xù)穩(wěn)定高產(chǎn)又不造成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)或資源浪費(fèi)[52].建議以補(bǔ)貼的形式推動(dòng)常態(tài)化耕作區(qū)土壤肥力水平測(cè)試及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,并在此基礎(chǔ)上決定是否需要在一段時(shí)間內(nèi)禁施磷肥,或者按照科學(xué)配方施肥,同時(shí)輔以免耕、深施、使用緩釋磷肥等其它措施以更大程度降低源頭磷素流失.針對(duì)該區(qū)部分土壤板結(jié)嚴(yán)重、有機(jī)質(zhì)低、保水保肥能力差的情況,需要結(jié)合施用有機(jī)肥或改良酸性土壤功能性肥料、秸稈還田、林下套種綠肥或其他林草等措施改善土壤通透性,提高土壤pH值及土壤肥力水平,達(dá)到增肥、改土、穩(wěn)產(chǎn)目的.適用于這一區(qū)域的管理措施還有保護(hù)性耕作,根據(jù)蘭溪水土保持綜合試驗(yàn)站徑流小區(qū)水土保持耕作措施效益的分析結(jié)果,在浙江紅壤坡地以水平開(kāi)橫溝、等高耕作和梯田的減沙減水效益最好,且遞減速度以等高耕作和梯田最快[52].
圖5 流域非點(diǎn)源污染關(guān)鍵源區(qū)的水文距離、坡度、土地利用類(lèi)型組成及其之間的關(guān)系
圖6 研究流域非點(diǎn)源磷污染優(yōu)先治理區(qū)分區(qū)
第二類(lèi)優(yōu)先治理區(qū)是陡坡退耕還林區(qū),主要為25°坡以上的園地,面積為0.07km2.一般來(lái)講,25°以上的陡坡地多由于侵蝕嚴(yán)重、土壤貧瘠不宜墾種.然而受到耕地資源緊張的限制,研究流域內(nèi)在仍存在一定面積的陡坡種植,且林下植被稀疏、土壤退化較為嚴(yán)重.建議在25°坡以上耕地及園地全部退耕還林.
第三類(lèi)是林地優(yōu)先控制區(qū),其分布的坡度和距離跨度均較大(5°~35°,50~800m,面積3.5km2),覆蓋一定面積的中度至極強(qiáng)度土壤侵蝕區(qū).封山育林,稀疏林補(bǔ)植,密集林撫育間伐,裸露面治理,劣質(zhì)林改造是建議的主要水土保持措施.
第四類(lèi)為阻截關(guān)鍵源區(qū)污染物的工程治理區(qū).工程性措施主要通過(guò)在特定點(diǎn)位開(kāi)展工程措施建設(shè),側(cè)重于對(duì)非點(diǎn)源污染物傳輸過(guò)程的攔截和受納水體的治理.已有學(xué)者對(duì)非點(diǎn)源污染的治理措施進(jìn)行了詳盡的綜述[41,44].在實(shí)際操作過(guò)程中,需要基于詳實(shí)的資料數(shù)據(jù),利用工程型管理措施的區(qū)域適用性特征指標(biāo)體系進(jìn)行措施類(lèi)型和實(shí)施地址選擇;同時(shí)綜合考慮工程措施的信息可獲得性及應(yīng)用普及程度、流域現(xiàn)有工程布局、流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)削減需求,制定因地制宜、滿(mǎn)足水質(zhì)達(dá)標(biāo)且經(jīng)濟(jì)的工程措施方案.
3 結(jié)論
3.1 流域土壤侵蝕以微、輕度為主,占流域面積90%以上,中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度侵蝕區(qū)占流域面積7.2%,超出南方紅壤丘陵區(qū)水土流失容量的區(qū)域占59%.非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷平均輸出強(qiáng)度為0.86kg/hm2,高于非點(diǎn)源磷流失閾值(2kg/hm2)的區(qū)域占流域面積14%.
3.2 流域非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷污染的關(guān)鍵源區(qū)有6.4km2,占流域面積14%,貢獻(xiàn)了65%和58%的侵蝕土壤和非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷輸出負(fù)荷.主要分布在25°以下坡、水文距離800m以?xún)?nèi)區(qū)域;林地、耕地、園地是主要土地利用類(lèi)型.過(guò)量施肥導(dǎo)致的土壤磷素積累、在強(qiáng)降雨條件下低丘緩坡地帶易發(fā)生水土流失是該流域非點(diǎn)源顆粒態(tài)磷流失關(guān)鍵源區(qū)形成的主要原因.
3.3 基于關(guān)鍵源區(qū)的識(shí)別,按照坡度、水文距離和土地利用類(lèi)型進(jìn)行了分區(qū)分類(lèi)非點(diǎn)源污染的治理.25°以上坡地退耕還林、25°以下坡耕地及果園測(cè)土配方施肥、土壤改良與保護(hù)性耕作、林地水土保持是管控巖口水庫(kù)流域關(guān)鍵源區(qū)非點(diǎn)源污染、保護(hù)和提升下游水庫(kù)水質(zhì)的關(guān)鍵舉措.未來(lái)將利用選址工具進(jìn)行工程治理措施的類(lèi)型和地址選擇,同時(shí)在明確流域水質(zhì)達(dá)標(biāo)削減需求和評(píng)估已有工程實(shí)施效果的前提下,制定因地制宜、滿(mǎn)足水質(zhì)達(dá)標(biāo)且經(jīng)濟(jì)的工程措施方案.
[1] Nelson N O, Shober A L. Evaluation of phosphorus indices after twenty years of science and development [J]. Journal of Environmental Quality, 2012,41(6):1703-1710.
[2] Sharpley A, Kleinman P, McDowell R, et al. Modeling phosphorus transport in agricultural watersheds: Processes and possibilities [J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2002,57(6):425-439.
[3] Pionke H B, Gburek W J, Sharpley A N. Critical source area controls on water quality in an agricultural watershed located in the Chesapeake Basin [J]. Ecological Engineering, 2000,14(4):325-335.
[4] Strauss P, Leone A, Ripa M, et al. Using critical source areas for targeting cost-effective best management practices to mitigate phosphorus and sediment transfer at the watershed scale [J]. Soil Use and Management, 2007,23(s1):144-153.
[5] McDowell R, Srinivasan M. Identifying critical source areas for water quality: 2. Validating the approach for phosphorus and sediment losses in grazed headwater catchments [J]. Journal of Hydrology, 2009, 379(1):68-80.
[6] Heathwaite A, Dils R. Characterizing phosphorus loss in surface and subsurface hydrological pathways [J]. Science of the Total Environment, 2000,251:523-538.
[7] Drewry J, Newham L, Greene R. Index models to evaluate the risk of phosphorus and nitrogen loss at catchment scales [J]. Journal of Environmental Management, 2011,92(3):639-649.
[8] Heathwaite A, Fraser A, Johnes P, et al. The Phosphorus Indicators Tool: a simple model of diffuse P loss from agricultural land to water [J]. Soil Use and Management, 2003,19(1):1-11.
[9] 周慧平,高 超.巢湖流域非點(diǎn)源磷流失關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別.環(huán)境科學(xué), 2008,29(10):2696-2702. Zhou H P, Gao C. Identifying critical source areas for non-point phosphorus loss in Chaohu Watershed [J]. Environmental Sciences, 2008,29(10):2696-2702.
[10] 張淑榮,陳利頂,傅伯杰,等.農(nóng)業(yè)區(qū)非點(diǎn)源污染潛在危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)——以于橋水庫(kù)流域磷流失為例.第四紀(jì)研究, 2003,23(3):262-269. Zhang S R, Chen L D, Fu B J, et al. Assessment of the potential risk of non-point source pollution in agricultural areas: A case study of phosphorus loss in Yuqiao Reservoir watershed [J]. Quaternary Sciences, 2003,23(3):262-269.
[11] 張 平,高陽(yáng)昕,劉云慧,等.基于氮磷指數(shù)的小流域氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià).生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2011,20(6):1018-1025.Zhang P, Gao Y X, Liu Y H, et al. Nitrogen and phosphorus loss risk assessment in a small watershed based on nitrogen and phosphorus indices [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2011,20(6):1018-1025.
[12] 王麗華.密云縣境內(nèi)密云水庫(kù)上游地區(qū)磷流失危險(xiǎn)性評(píng)價(jià) [D]. 北京:首都師范大學(xué), 2006. Wang L H. Risk assessment of phosphorus loss in the upper reaches of Miyun Reservoir in Miyun County, China [D]. Beijing: Capital Normal University, 2006.
[13] 宋月君,吳勝軍,楊 潔,等.基于GIS技術(shù)的農(nóng)用地非點(diǎn)源磷污染危險(xiǎn)性評(píng)價(jià) [J]. 測(cè)繪科學(xué), 2009,34(3):164-166. Song Y J, Wu S J, Yang J, et al. Risk assessment of non-point source phosphorus pollution in agricultural land based on GIS technology [J]. Science of Surveying and Mapping, 2009,34(3):164-166.
[14] 李 琪,陳利頂,齊 鑫,等.媯水河流域農(nóng)耕區(qū)非點(diǎn)源磷污染危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2008,29(1):32-37. Li Q, Chen L D, Qi X, et al. Risk assessment of non-point source phosphorus pollution in Guishui River Basin and identification of key source areas [J]. Environmental Science, 2008,29(1):32-37.
[15] 李 娜,郭懷成.農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源磷流失潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)——磷指數(shù)法研究進(jìn)展 [J]. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2010,11:1360-1367. Li N, Guo H C. Potential risk assessment of phosphorus loss from agricultural non-point sources: Advances in phosphorus index method [J]. Progress in Geography, 2010,11:1360-1367.
[16] 殷培紅,耿潤(rùn)哲,裴曉菲,等.以水環(huán)境質(zhì)量改善為核心建立監(jiān)督指導(dǎo)農(nóng)業(yè)面源污染治理制度框架 [J]. 環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展, 2019,44(2):10-15. Yin P H, Geng R Z, Pei X F, et al. Establishment of a supervisory and guiding system framework for agricultural non-point source pollution control based on the improvement of water environment quality [J]. Environment and Sustainable Development, 2019,44(2):10-15.
[17] 范曉娟,張麗萍,鄧龍洲,等.侵蝕程度差異誘發(fā)的坡面產(chǎn)流-產(chǎn)沙-總磷流失特征 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2019,39(2):459-468. Fan X J, Zhang L P, Deng L Z, et al. Characteristics of runoff, sediment and total phosphorus loss induced by different degrees of erosion [J]. Chinese Journal of Environmental Sciences, 2019,39(2): 459-468.
[18] 史鵬程,朱廣偉,楊文斌,等.新安江水庫(kù)懸浮顆粒物時(shí)空分布,沉降通量及其營(yíng)養(yǎng)鹽效應(yīng) [J]. 環(huán)境科學(xué), 2020,41(5):143-154. Shi P C, Zhu G W, Yang W B, et al. Temporal and spatial distribution of suspended particulate matter in the Xin 'anjiang Reservoir, China [J]. Environmental Science, 2020,41(5):143-154.
[19] Palmer-Felgate E J, Jarvie H P, Withers P J A. Stream-bed phosphorus in paired catchments with different agricultural land use intensity [J]. Agriculture, Ecosystem & Environment, 2009,134(1/2):53-66.
[20] 吳嘉平,荊長(zhǎng)偉.支俊俊編制,浙江省縣市土壤圖集 [M]. 長(zhǎng)沙:湖南地圖出版社, 2012. Wu J P, Jing C W, Zhi J J. Soil Atlas of Zhejiang Province [M]. Changsha: Hunan Cartographic Press, 2012.
[21] Wischmeier W H, Smith D D. Predicting rainfall erosion losses—a guide to conservation planning [R]. Agriculture Handbook 537. US Department of Agriculture, Washington, DC. USA, 1978.
[22] Renard K G, Foster G R, Weesies G A. Predicting soil erosion by water: a guide to conservation planning with the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) [R]. Agricultural Handbook 703. US Department of Agriculture, Washington, DC. USA, 1997.
[23] 楊 軒,梁 音,方繼青,等.基于日降雨信息的月降雨侵蝕力模型 [J]. 土壤學(xué)報(bào), 2010,47(2):216-222. Yang X, Liang Y, Fang J Q, et al. Monthly rainfall erosivity model based on daily rainfall information [J]. Acta Pedologica Sinica, 2010,47(2):216-222.
[24] 何錫君,呂振平,楊 軒,等.浙江省降雨侵蝕力時(shí)空分布規(guī)律分析 [J]. 水土保持研究, 2010,6:31-34. He X J, Lv Z P, Yang X, et al. Spatial and temporal distribution of rainfall erosivity in Zhejiang Province [J]. Research of Soil and Water Conservation, 2010,6:31-34.
[25] Williams J R, Renard K G, Dyke P T. EPIC-a new model for assessing erosion's effect on soil productivity [J]. Journal of Soil and Water Conservation, 1984,8:381-383.
[26] 鄧 威,汪晶晶,白 云,等.苦驢河上游小流域土壤侵蝕及其養(yǎng)分流失特征 [J]. 水土保持通報(bào), 2020,40(1):85-90. Deng W, Wang J J, Bai Y, et al.Soil erosion and nutrient loss in the upper reaches of the Kudu River [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2020,40(1):85-90.
[27] Moore I D, Grayson R B, Ladson A R, et al. Digital terrain modelling: A review of hydrological, geomorphological, and biological applications [J]. Hydrological Processes, 1991,5(1):3-30.
[28] Conrad O, Bechtel B, Bock M, et al. System for Automated Geoscientific Analyses (SAGA) v. 2.1.4 [J]. Geoscientific Model Development Disscussions. 2015,8(7):1991-2007.
[29] O'Callaghan J F, Mark D M. The extraction of drainage networks from digital elevation data [J]. Computer Vision Graphics & Image Processing, 1984,28(3):323-344.
[30] Vadas P, Good L ,Moore P, et al. Estimating phosphorus loss in runoff from manure and fertilizer for a phosphorus loss quantification tool [J]. Journal of environmental quality, 2009,38(4):1645-1653.
[31] Ferro V, Minacapilli M. Sediment delivery processes at basin scale [J]. Hydrological Sciences Journal, 1995,40(6):703-717.
[32] Hijmans R J. Geographic Data Analysis and Modeling [R package version 2.6-7]. R Package, 2015 [Z].
[33] Keitt T, Bivand R, Pebesma E, et al. rgdal: Bindings for the Geospatial Data Abstraction Library [R package version 0.8-13]. R package, 2010 [Z].
[34] Pebesma E. Simple Features for R: Standardized Support for Spatial Vector Data [J]. The R Journal, 2018,10(1):439-446.
[35] Tennekes M. tmap : Thematic Maps in R [J]. Journal of Statistical Software, 2018,84.
[36] 謝如林,譚宏偉.我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)磷肥的需求現(xiàn)狀及展望 [J]. 磷肥與復(fù)肥, 2001,16(2):7-9. Xie R L, Tan H W. The current situation and prospect of phosphorus fertilizer demand in agricultural production in China [J]. Phosphate and Compound Fertilizers, 2001,16(2):7-9.
[37] Heckrath G, Brookes P C, Poulton P R, et al. Phosphorus leaching from soils containing different phosphorus concentrations in the Broadbalk Experiment [J]. Journal of Environmental Quality, 1995, 24(5):904-910.
[38] 魯如坤.土壤磷素水平和水體環(huán)境保護(hù) [J]. 磷肥與復(fù)肥, 2003,18(1): 4-6. Lu R K. Soil phosphorus levels and water environmental protection [J]. Phosphorus and Compound Fertilizer, 2003,18(1):4-6.
[39] 孔向軍,鈄凌娟,錢(qián)東南,等.金華義烏紅桃主產(chǎn)區(qū)土壤養(yǎng)分與其果品內(nèi)在品質(zhì)的相關(guān)性分析 [J]. 園藝與種苗, 2013,(6):20-22,32. Kong X J, Dou L J, Qian D N, et al. Correlation analysis of soil nutrients and fruit quality in Yiwu Red Peach Production Area, Jinhua, China [J]. Horticulture and Seedling, 2013,(6):20-22,32.
[40] GB/SL190-2007 土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) [S]. GB/SL190-2007 Standard for classification and gration of soil erosion. [S].
[41] Ghebremichae L T, Veith T L, Hamlett J M. Integrated watershed- and farm-scale modeling framework for targeting critical source areas while maintaining farm economic viability [J]. Journal of Environmental Management, 2013,114:381-394.
[42] 陳思旭,楊小喚,肖林林,等.基于RUSLE模型的南方丘陵山區(qū)土壤侵蝕研究 [J]. 資源科學(xué), 2014,36(6):1288-1297. Chen S X, Yang X H, Xiao L L, et al. Soil erosion in the southern hilly region based on the RUSLE model [J]. Resources Science, 2014, 36(6):1288-1297.
[43] 李嘉峻,許有鵬,桑銀江,等.GIS支持下的土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化研究:浙江一例 [J]. 南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)), 2005,3:297-303. Li J J, Xu Y P, Sang Y J, et al. Soil erosion dynamics under GIS: A case study in Zhejiang Province, China [J]. Journal of Nanjing University (Natural Sciences), 2005,3:297-303.
[44] 耿潤(rùn)哲,王曉燕,段淑懷,等.小流域非點(diǎn)源污染管理措施的多目標(biāo)優(yōu)化配置模擬 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015,31(2):211-220. Geng R Z, Wang X Y, Duan S H, et al. Multi-objective optimal allocation simulation of non-point source pollution management measures in small watershed [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015,31(2):211-220.
[45] 章明奎,王 陽(yáng),黃 超.水網(wǎng)平原地區(qū)不同種植類(lèi)型農(nóng)田氮磷流失特征 [J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011,22(12):3211-3220. Zhang M K, Wang Y, Huang C. Effects of different cropping types on nitrogen and phosphorus loss in water network plain [J]. Journal of Applied Ecology, 2011,22(12):3211-3220.
[46] 廖承彬.浙江省水土流失的時(shí)空動(dòng)態(tài)研究 [J]. 中國(guó)水土保持, 2010, 7:60-63. Liao C B. Spatial and temporal dynamics of soil and water loss in Zhejiang Province [J]. Soil and Water Conservation in China, 2010,7: 60-63.
[47] 耿潤(rùn)哲.流域非點(diǎn)源污染及管理措施優(yōu)化配置研究[M]. 北京:首都師范大學(xué), 2012. Geng R Z. Study on the optimal allocation of non-point source pollution and management measures in watershed [M]. Beijing: Capital Normal University, 2012.
[48] 耿潤(rùn)哲,殷培紅,馬 茜.基于關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別的飲用水水源保護(hù)區(qū)劃研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2017,30(3):329-339.Geng R Z, Yin P H, Ma Q. A study on water source protection regionalization based on key source identification [J]. Research of Environmental Sciences, 2017,30(3):329-339.
[49] 耿潤(rùn)哲,殷培紅,原慶丹.紅楓湖流域非點(diǎn)源污染控制區(qū)劃 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016,32(19):219-225. Geng R Z, Yin P H, Yuan Q D. Non-point source pollution control regionalization in Hongfeng Lake Watershed [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016,32(19):219-225.
[50] 張汪壽,耿潤(rùn)哲,王曉燕,等.基于多準(zhǔn)則分析的非點(diǎn)源污染評(píng)價(jià)和分區(qū)——以北京懷柔區(qū)北宅小流域?yàn)槔?[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 33(1):258-266. Zhang W S, Geng R Z, Wang X Y, et al. Evaluation and zoning of non-point source pollution based on multi-criteria analysis: A case study of Beizhai watershed in Huairou District, Beijing, China [J]. Chinese Journal of Environmental Sciences, 2013,33(1):258-266.
[51] 廖承彬.紅壤坡地水土流失過(guò)程分析與水土保持措施設(shè)計(jì)[M]. 浙江大學(xué), 2008. Liao C B. Analysis of Soil and Water Loss Process and Design of Soil and Water Conservation Measures on Red Soil Slope [M]. Zhejiang University, 2008.
[52] 童文彬,邱志騰,章明奎.植物有效磷與水溶性磷對(duì)土壤磷素積累的響應(yīng)研究 [J]. 農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào), 2020,10(1):37-42. Tong W B, Qiu Z T, Zhang M K. Effects of plant available phosphorus and water soluble phosphorus on soil phosphorus accumulation [J]. Acta Agronomica Sinica, 2020,10(1):37-42.
Identifying the critical sources areas of non-point particulate phosphorus based on an index approach in R: A case study in red soil hilly micro-watershed.
SU Jing-jun1, ZHAO Hong-tao1,3*, JIAO Ru-yuan2,4, FANG Zhi-da1, YANG Xiao-jing1,5, LI Xu-yong1,3
(1.Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China；2.Key Laboratory of Environmental Aquatic Chemistry, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China；3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；4.Yangtze River Delta Branch, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Yiwu 322000, China；5.School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)., 2021,41(4)：1868~1877
This study developed a watershed-scale non-point source (NPS) particulate phosphorus (PP) index based on R statistical language and applied it in a red soil hilly subbasin. The results indicated that watershed soil erosion rates ranged from 0.7 to 15244.2 t/(km2·a), and 59% of the watershed area exceeded the regional soil erosion threshold. The average watershed NPS PP load was 0.86 kg/hm2and approximately 14% of the watershed area exceeded the NPS P loss threshold. Despite the fact that dominate soil erosions in the watershed were slight to mild, the small areas (7.2%) categorized as moderate to severe erosions contributed considerably larger shares to the total watershed loads of erosion and NPS PP loss (31%~43%). The critical sources areas (CSAs) for soil erosion and NPS PP loss were identified as 6.4 km2in area, mainly consisting of wood land, crop land and orchard land, which were adjacent to streams (￡800m) and with low to gentle slopes (<25°). The soil P enrichment due to excessive fertilization, as well as the high erosion potential facilitated the formation of these CSAs. The CSAs were further divided into zones according to land uses, hydrological distances and slopes, on which different management practices and strategies were recommended to target the erosion and NPS PP loss.
R；red soil hilly area；non-point source particulate phosphorus；critical source areas；subregion management
X522
A
1000-6923(2021)04-1868-10
蘇靜君(1982-),女,湖北宜昌人,助理研究員,博士,主要從事流域面源污染及磷的生物地球化學(xué)研究.發(fā)表論文20余篇.
2020-09-01
國(guó)家自然科學(xué)基金(41401590);中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心(義烏)長(zhǎng)三角中心委托項(xiàng)目(20200060)
* 責(zé)任作者, 副研究員, htzhao@rcees.ac.cn
猜你喜歡
中國(guó)水土保持(2022年6期)2022-06-08 03:58:40
灌溉排水學(xué)報(bào)(2021年8期)2021-09-02 08:23:34
中國(guó)水土保持(2021年7期)2021-07-08 06:14:06
中國(guó)水土保持(2021年12期)2021-04-11 08:19:44
中國(guó)水土保持科學(xué)(2019年6期)2019-04-26 05:14:42
水利科技與經(jīng)濟(jì)(2017年5期)2017-04-22 02:39:44
湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2016年2期)2016-12-01 04:06:46
湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)(2016年4期)2016-02-27 14:02:42
水土保持通報(bào)(2014年5期)2014-06-09 08:27:12
