高鳳杰，雷國平*，宋 戈，周 軍，杜國明

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，哈爾濱 150031）

隨著集約化、機械化和規(guī)?；霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動以及城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)非點源污染已成為水環(huán)境質(zhì)量惡化的重要污染源，是水質(zhì)難以徹底改善和恢復(fù)的主要影響因素[1-5]。農(nóng)業(yè)非點源污染主要是指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，農(nóng)田中的土粒、氮、磷、農(nóng)藥、化肥和其他有機或無機污染物質(zhì)在降水或灌溉過程中，通過農(nóng)田地表徑流、農(nóng)田排水和地下滲漏，大量污染物進(jìn)入水體所造成的污染[6]，具有發(fā)生隨機性大，分布范圍廣，形成機理復(fù)雜，潛伏性強等特征，使得對其監(jiān)測、模擬、防控和管理都十分困難[7-9]。非點源污染的發(fā)生受土壤、地形、氣候、水文、土地利用和管理方式等眾多因素的影響，空間差異性非常顯著，流域內(nèi)不同景觀單元單位面積的污染負(fù)荷差異十分顯著[10-11]。少數(shù)景觀單元輸出的污染物往往占了整個流域污染負(fù)荷的大部分[12]，對受納水體的質(zhì)量有著決定性影響，因而成為非點源污染物的關(guān)鍵源區(qū)?？刂品屈c源污染所采取的最佳管理措施（BMPs:Bestmanagement practices）需要投入大量的人力、財力和物力，在環(huán)保投資有限的情況下，開展非點源污染關(guān)鍵源區(qū)識別具有重要的理論意義和實踐指導(dǎo)意義。

目前識別非點源關(guān)鍵源區(qū)的方法主要有三類:分布式非點源污染模型識別法[13-14]、通用土壤流失方程（USLE）識別法[15-16]和污染指數(shù)法[17-18]。分布式非點源污染模型以其高模擬精度而受到眾多學(xué)者的青睞，但模型運行機理模擬需要大量數(shù)據(jù)支撐，眾多參數(shù)的獲取及復(fù)雜的操作流程限制了該方法的使用；通用土壤流失方程識別法比較成熟且計算簡單，計算結(jié)果與實際顆粒物的流失量相符合，但是僅僅用USLE來識別非點源關(guān)鍵源區(qū)是不全面的，除水土流失外，非點源污染關(guān)鍵源區(qū)的分布還與土壤類型、土壤中的本底值、化肥的施用量及施用方式等密切相關(guān)。污染指數(shù)法具有很強的靈活性，在有限資料的條件下，通過對指數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)修改，可以較好地應(yīng)用于具有不同自然地理特征的地區(qū)，進(jìn)而識別流域內(nèi)的關(guān)鍵源區(qū)。

本文將采用污染指數(shù)法，實現(xiàn)興凱湖流域非點源污染關(guān)鍵源區(qū)的識別，并據(jù)此提出具體的污染防治對策，以期為區(qū)域農(nóng)業(yè)非點源污染研究和水環(huán)境管理提供有益指導(dǎo)。

1 研究區(qū)地理背景與數(shù)據(jù)源分析

1.1 研究區(qū)地理背景

興凱湖位于黑龍江省東南部，是中國和俄羅斯兩國邊界地區(qū)的界湖，以白棱河河口中心點與松阿察河河源中心點連線為界，中方水面面積1040 km2。興凱湖流域是由穆棱河、穆興水路東堤、密山與虎林市交界線、松阿察河、大興凱湖中俄分界線、白棱河好三梭通圍成的區(qū)域（見圖1）。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographic location of the study area

研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫3.1℃，年降雨量為530～600 mm，多集中在夏季（6～8月），約占全年降水量的50%～60%；年均蒸發(fā)量1000～1300 mm，無霜期為114～158 d。流域內(nèi)土壤分8個土類，8個土屬，19個土種，主要是湖崗上的細(xì)砂土和湖成淤泥質(zhì)亞粘土。興凱湖的湖周分布有大片濕地、沼澤和蘆葦?shù)?，生物多樣性極其豐富，是珍貴野生動物（如丹頂鶴）的棲息地，湖周高崗和高平原地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)。近年來，由于過度墾荒，湖泊周圍的濕地、沼澤以及植被用地急劇減少，流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境受到破壞，水土流失加劇，農(nóng)業(yè)污染負(fù)荷大量增加，水質(zhì)不斷惡化。開展興凱湖流域農(nóng)業(yè)非點源污染研究，不僅可為區(qū)域水環(huán)境管理提供決策支持，還可為今后興凱湖全面開展國際合作奠定基礎(chǔ)，并為其他界河的國際合作起到典范作用。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

搜集研究區(qū)圖形圖像數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)以及2008年密山市統(tǒng)計年鑒以及2008年農(nóng)墾牡丹江分局經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒。數(shù)據(jù)資料詳細(xì)信息如表1所示。以1∶10萬地形圖為基準(zhǔn)對TM影像進(jìn)行幾何糾正和配準(zhǔn)，建立解譯標(biāo)志；在ArcGIS環(huán)境下，進(jìn)行人機交互式判讀解譯；進(jìn)行外業(yè)精度驗證與內(nèi)業(yè)修改，直至滿足精度要求。參照國家通用的土地利用分類系統(tǒng)[19]，根據(jù)土地的利用方式屬性及研究區(qū)實際情況，將其分為旱田、水田、林地、草地、水域、建設(shè)用地（包括城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點用地及其他建設(shè)用地）和沼澤等7種類型。所有圖像在Erdas 8.7中完成裁剪，并統(tǒng)一其坐標(biāo)投影為Albers Equal Area。

表1 數(shù)據(jù)資料Table1 Data information

2 關(guān)鍵源區(qū)識別

2.1 研究方法

Petersen等建立了一個用于較大區(qū)域尺度的農(nóng)業(yè)非點源污染潛力指數(shù)系統(tǒng)（APPI:Agricultural pollution potential index），并結(jié)合GIS技術(shù)來評價賓夕法尼亞州不同流域農(nóng)業(yè)非點源污染發(fā)生的潛力，識別污染流失的重點發(fā)生區(qū)[20]。APPI指數(shù)綜合考慮了污染物產(chǎn)生和遷移過程，系統(tǒng)包括4個分指數(shù):泥沙輸出指數(shù)（SPI）、徑流指數(shù)（RI）、禽畜負(fù)荷指數(shù)（ALI）和化肥利用指數(shù)（CUI）。本研究借鑒petersen提出的APPI指數(shù)法，根據(jù)研究區(qū)污染物特點，提出農(nóng)業(yè)非點源污染風(fēng)險指數(shù)，計算公式為:

PS為研究區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染風(fēng)險指數(shù)，指數(shù)高的地區(qū)及為關(guān)鍵源區(qū)；P為水土流失風(fēng)險指數(shù)；Q為降雨徑流風(fēng)險指數(shù)；Y為畜禽養(yǎng)殖場污染風(fēng)險指數(shù)；S為生活垃圾及生活污水污染風(fēng)險指數(shù)；H為化肥污染風(fēng)險指數(shù)；W1、W2、W3、W4和 W5分別為各指數(shù)的權(quán)重。在征求專家意見的基礎(chǔ)上，各因子權(quán)重情況為:W1=0.4，W2=0.25，W3=W4=0.1，W5=0.15。以上各因子均為無量綱因子。

2.1.1 水土流失風(fēng)險指數(shù)P

采用Sivertun[16]提出了改進(jìn)的MUSLE模型計算:

式中，P為侵蝕和污染物淋溶的風(fēng)險；K為土壤因子圖；S為坡度因子圖；W為河道因子圖；U為土地利用因子圖。

①土壤因子K。土壤類型采用McElroy等[21]確定的分類值計算，其中，壤土為0.380，水體為1.000，礫石為0.200，粘土為0.450。

②坡長因子S。Mitasova H等[22]考慮坡長因子，用LS因子取代S因子，公式為:

式中，A為上坡每單位等高線寬度的貢獻(xiàn)面積（m2）；b是坡度（°）；m和n為常數(shù)，分別取0.6和1.3；a0和b0分別為標(biāo)準(zhǔn)ULSE試驗小區(qū)的坡長和坡度，即a0=22.1m，b0=9%=5.16°。LS的提取步驟為:在ARCGIS下的Spatial Analyst模塊對DEM進(jìn)行填洼，生成坡度圖slope；對無洼地DEM進(jìn)行水流方向和匯流累積量計算；將匯流累積量圖中所有河流、湖泊及其他水體賦值為0，避免產(chǎn)生不符合實際的高流水累積量；運行公式（3），其表達(dá)式為 Pow（[Accumulation]*30/22.1,0.6）*Pow（sin（[slope]*0.01745）/0.09,1.3）*1.6，即得到LS圖。

③河道因子W。Sivertun A等[23]在確定河道圖時建立了一個權(quán)重函數(shù)（公式4），根據(jù)每一個柵格距河道的實際距離計算它的柵格值，從而可以更加精確地表達(dá)距離河道不同距離的泥沙或污染負(fù)荷進(jìn)入河道中的比例。

在ArcGIS中應(yīng)用distance tool計算每個柵格距離水體的距離得到圖層Watercourse，在生成的Grid上進(jìn)行公式（4）的計算，表達(dá)式為:0.6（/Exp（0.002*[Watercourse]）-0.4），得到河道圖W。

④土地利用因子U。采用McElroy等[21]確定的分類值計算，其中，水體為0，林地為0.005，草地為0.010，建設(shè)用地為0.030，耕地和其他用地類型為0.100。

在ArcGIS環(huán)境下運用公式（2）得到研究區(qū)水土流失量空間分布，然后按照0.03-1、1-2、2-3、3-4、＞4分為五級（無風(fēng)險，輕度風(fēng)險，中度風(fēng)險，強度風(fēng)險，極度風(fēng)險），級別由低到高分別賦值為1、2、3、4、5，以消除量綱，得到水土流失風(fēng)險指數(shù)P空間分布。

2.1.2 降雨徑流風(fēng)險指數(shù)Q

采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局（USDA-Soil Conservation Service）即現(xiàn)在的自然資源保持局研制的SCS模型計算[23]，公式為:

式中，Q為徑流量（mm）；P為降雨量（mm）；S為儲留指數(shù)（mm），CN是一個由土地覆被、土壤類型、水文條件決定的參數(shù)，取值范圍是0～100（具體值請參見SCS模型幫助文檔）。

利用研究區(qū)內(nèi)氣象站點及氣象數(shù)據(jù)，經(jīng)普通Kriging插值得到研究區(qū)降雨空間分布圖，聯(lián)合土地利用與土壤圖疊加而成的CN空間分布圖，在ARCGIS柵格計算器中運用公式（5）～（6）得到研究區(qū)徑流量的空間分布，然后按照100～150、150～300、300～400、400～500、＞500 分為五級（無風(fēng)險，輕度風(fēng)險，中度風(fēng)險，強度風(fēng)險，極度風(fēng)險），級別由低到高分別賦值為1、2、3、4、5，以消除量綱，得到徑流風(fēng)險指數(shù)Q空間分布。

2.1.3 其他因子計算方法

畜禽污染總負(fù)荷量根據(jù)畜禽總量及TN、TP及COD負(fù)荷系數(shù)估算；生活污水及生活垃圾總負(fù)荷量則用人口總數(shù)及TN、TP及COD負(fù)荷系數(shù)估算；化肥污染負(fù)荷則通過現(xiàn)場調(diào)查獲取各類農(nóng)業(yè)用地TN及TP施用量。參照文獻(xiàn)[24]的方法，將上述各因子污染負(fù)荷進(jìn)行空間離散化。其中，COD按照每柵格0～20 t，20～50 t，50～80 t，80～120 t和＞120 t分為五級，TN按照每柵格0～5 t，5～9 t，9～15 t，15～18 t和＞18 t分為五級，TP按照每柵格0～1.2 t，1.2～2.5 t，2.5～4.0 t，4.0～5.0 t和＞5.0 t分為五級（無風(fēng)險，輕度風(fēng)險，中度風(fēng)險，強度風(fēng)險，極度風(fēng)險），按照級別由低到高分別賦值為1、2、3、4、5。將畜禽污染中TN、TP和COD進(jìn)行空間疊加運算，將每個圖層對應(yīng)柵格的最大值作為結(jié)果圖層對應(yīng)柵格的值。對生活污染和化肥污染進(jìn)行相同處理，得到畜禽污染風(fēng)險指數(shù)H、生活污水及生活垃圾污染風(fēng)險指數(shù)S和化肥污染指數(shù)H的空間分布。

2.2 結(jié)果與分析

在ARCGIS柵格計算器中實現(xiàn)公式（1）計算，得到PS值（范圍為1.5～4.2），然后按自然分界法分為3級，劃分出低污染風(fēng)險區(qū)、中污染風(fēng)險區(qū)、高污染風(fēng)險區(qū)。各風(fēng)險因子等級及PS空間分布彩圖圖。

由彩版Ⅰ可以看出:

a.高污染風(fēng)險區(qū)即關(guān)鍵源區(qū)主要集中在知一鎮(zhèn)、白泡子鄉(xiāng)、興凱湖鄉(xiāng)和柳毛鄉(xiāng)4鄉(xiāng)鎮(zhèn)接壤地區(qū)，其次，楊木鄉(xiāng)西南部也有少量分布。究其原因:一是該區(qū)域地貌類型為低海拔丘陵及洪積臺地，坡耕旱田分布較廣，易發(fā)生水土流失，且水土流失等級在中度以上；二是禽畜養(yǎng)殖場污染及化肥污染嚴(yán)重，在強降雨徑流條件下，對周圍河流湖泊易造成高污染威脅。

b.中污染風(fēng)險明顯分為兩部分，一部分為知一鎮(zhèn)、白泡子鄉(xiāng)、興凱湖鄉(xiāng)、柳毛鄉(xiāng)、楊木鄉(xiāng)和承紫河鄉(xiāng)外圍（非接壤處），其原因是禽畜養(yǎng)殖及化肥污染嚴(yán)重，在強降雨徑流條件下也容易對湖泊水系造成污染；另一部分為八五七農(nóng)場東北部，其原因為高生活污染、化肥污染及強降雨徑流。

c.八五七農(nóng)場南部及興凱湖農(nóng)場大部呈現(xiàn)出低污染風(fēng)險態(tài)勢，這一區(qū)域地勢平坦，坡度在2°以下，水田分布廣泛。但值得注意的是，因為其地勢低洼，其他區(qū)域的污染容易順流而下而聚集于此，加之該區(qū)域化肥污染濃度高，一旦發(fā)生強降雨徑流，其對興凱湖的污染仍不容忽視。

3 防治對策

3.1 水土流失防治措施

a.＞15°的坡耕地，盡量退耕還林（草），可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展水平?jīng)Q定退耕還天然林還是經(jīng)濟林；

b.8～15°坡耕地，改變原來順坡耕作為水平梯田，實行免耕、少耕、不除草種植，同時降低化肥施用量，提高施用水平。

3.2 畜禽養(yǎng)殖防治措施

a.對于分散畜禽養(yǎng)殖戶來講，建議每戶都建沼氣池，一方面，糞便產(chǎn)生沼氣經(jīng)地上管道輸入提供居民燃料使用，節(jié)約農(nóng)村能源；另一方面用管道將剩下的沼液送入生化塘進(jìn)行氮磷降解。

b.改變當(dāng)前散養(yǎng)模式為中小規(guī)模養(yǎng)殖場模式，并且要重點考慮養(yǎng)殖場的合理布局問題。改建為養(yǎng)殖場模式后，加強對養(yǎng)殖場的經(jīng)營管理，廢棄物（污染）最小化管理措施主要包括:廢水最小化和循環(huán)利用、提高飼料的利用率、糞肥歸田和對養(yǎng)殖場糞便處理和管理（如堆肥技術(shù)、固液分離技術(shù)等）。

c.在養(yǎng)殖場周圍設(shè)置植被緩沖帶和構(gòu)建水塘——濕地系統(tǒng)，一方面對養(yǎng)殖場污染進(jìn)行截留與阻斷，另一方面利用土地、植被和水體等對N、P、COD等進(jìn)行凈化與吸收。

3.3 生活污水及生活垃圾防治措施

a.為妥善處理人糞尿和生活污水，對村莊的居民每幾家可建一個化糞池，收集糞便和生活污水，然后再統(tǒng)一排入村莊統(tǒng)一修建的生化塘進(jìn)行處理，最后再回歸農(nóng)田。

b.在土地面積容許的情況下，可在村莊或道路旁建立人工濕地，對氮磷、泥沙以及有機物有較好的吸收和沉降作用，達(dá)到控制徑流污染的目的；另外，可采取各種方案減少地表徑流的產(chǎn)流量，如增加村居民區(qū)用地的綠化面積，有條件的村可建暴雨蓄水池，以減少徑流對河道的污染。

c.農(nóng)場地區(qū)，可考慮加強小城鎮(zhèn)建設(shè)，使附近的農(nóng)民住戶能建立起農(nóng)民集中的居住區(qū)，這是防治生活污染的又一出路，它可以使分散的面源污染轉(zhuǎn)化為較易控制的點源污染。建議在有條件的地方管道化，統(tǒng)一納入下水道，排入生化塘進(jìn)行集中處理。

3.4 化肥污染防治措施

a.相關(guān)部門應(yīng)對對區(qū)域內(nèi)土壤進(jìn)行定點和定位的長期監(jiān)測，在準(zhǔn)確掌握土壤肥力變化規(guī)律的前提下，科技人員要下鄉(xiāng)指導(dǎo)農(nóng)民根據(jù)營養(yǎng)狀況和農(nóng)作物生長發(fā)育特點，根據(jù)土壤確定化肥的施用量。

b.改變目前的施肥方式，實行化肥深施?；噬钍┦悄壳疤岢龅臏p少氨態(tài)氮肥和尿素?fù)p失，提高其利用率的各種方法中效果最大且較穩(wěn)定一種，旱作上可有效地減少氨的揮發(fā)；而在水田中可以降低硝化、反硝化損失。

4 討論與結(jié)論

農(nóng)業(yè)非點源污染引起水環(huán)境問題日益嚴(yán)重，加強非點源污染的研究和控制十分迫切。文章在RS與GIS技術(shù)支持下，利用農(nóng)業(yè)非點源污染指數(shù)模型，實現(xiàn)興凱湖流域非點源污染關(guān)鍵源區(qū)的識別與防治對策研究，為區(qū)域水環(huán)境管理提供決策依據(jù)。該研究表明，RS及GIS技術(shù)提高污染指數(shù)模型計算精度，使模型更符合區(qū)域非點源污染發(fā)生及遷移規(guī)律，可以較好地應(yīng)用于具有不同自然地理特征的地區(qū)，進(jìn)而識別流域內(nèi)的關(guān)鍵源區(qū)。但值得注意的是，污染指數(shù)模型在指標(biāo)、權(quán)重與分等定級的確定以及模型的驗證上還有待于進(jìn)一步探索和完善，進(jìn)一步增強模型的實際應(yīng)用效果。

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