王金亮，陳成龍，倪九派※，謝德體，邵景安

（1. 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715；2. 重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，重慶 401331）

0 引 言

農(nóng)業(yè)面源污染“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)研究是將全球變化和大氣污染研究中的“源-匯”方法引入到農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)研究中，將流域景觀賦予“源”“匯”屬性，并依據(jù)“源-匯”景觀指數(shù)評(píng)價(jià)流域景觀對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染貢獻(xiàn)的影響，以此識(shí)別流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)弱[1-3]。由此，發(fā)展包括景觀空間負(fù)荷比指數(shù)[4-5]、“源-匯”水文響應(yīng)單元景觀格局指數(shù)[6]、網(wǎng)格景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)[7-8]等“源-匯”景觀指數(shù)對(duì)面源污染風(fēng)險(xiǎn)的指示已成為研究趨勢(shì)。盡管“源-匯”景觀指數(shù)的構(gòu)建與改進(jìn)在一定程度上能夠反映流域景觀對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)的影響，但現(xiàn)有研究更多地局限于景觀類型的“源-匯”歸屬識(shí)別，并基于客觀經(jīng)驗(yàn)、專家咨詢法或賦予權(quán)重貢獻(xiàn)法等，如利用土壤侵蝕通用方程中的植被覆蓋與管理因子對(duì)“源-匯”景觀類型的“源-匯”貢獻(xiàn)權(quán)重進(jìn)行簡(jiǎn)單賦值[9]，強(qiáng)調(diào)流域整體的“源-匯”特征，而較少考慮農(nóng)業(yè)面源污染“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)的內(nèi)部空間差異[3]。

“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別不僅要考慮景觀類型的多樣化，還要考慮影響農(nóng)業(yè)面源污染的各景觀要素，以及這些景觀要素的疊加影響所形成的阻力空間，以及面源污染物從“源”地遷移到其他景觀單元上的空間距離。而最小累計(jì)阻力模型能夠?qū)⒆枇σ蜃优c農(nóng)業(yè)面源污染物的輸移過(guò)程進(jìn)行耦合，以阻力成本的方式來(lái)有效識(shí)別影響農(nóng)業(yè)面源污染的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)格局，且已有研究在理論上提出了從景觀阻力與侵蝕力平衡關(guān)系的角度，并借助最小累計(jì)阻力模型來(lái)量化“源-匯”景觀對(duì)土壤侵蝕的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)[10]，以及在實(shí)證研究上借助最小累計(jì)阻力模型來(lái)識(shí)別量化影響三峽庫(kù)區(qū)大尺度面源污染的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)格局[3,11]。盡管如此，現(xiàn)有研究較少考慮農(nóng)業(yè)面源污染過(guò)程中的氮磷流失機(jī)理，因?yàn)橄鄬?duì)于大尺度空間，小流域尺度的氮磷污染物遷移轉(zhuǎn)換過(guò)程較快，且存在一定差異，徑流流失是氮素?fù)p失的基本途徑和主要途徑；而對(duì)于磷的遷移，除了溶解于水而隨徑流流失外，更重要的是因土壤顆粒的吸附而導(dǎo)致顆粒態(tài)磷的流失。

因此，在小流域的空間尺度上，最小累計(jì)阻力模型又該如何評(píng)價(jià)影響農(nóng)業(yè)面源污染的阻力因子以及識(shí)別“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)格局。一方面，小流域農(nóng)業(yè)面源污染的影響因子與在大尺度區(qū)域上的有所不同，且空間化方式也有所不同，進(jìn)而會(huì)影響到小流域的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。另一方面，以小流域?yàn)閱卧M(jìn)行農(nóng)業(yè)面源污染防控是三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染治理最有效的技術(shù)途徑，而現(xiàn)有景觀所能產(chǎn)生的面源污染風(fēng)險(xiǎn)則是防控農(nóng)業(yè)面源污染的基礎(chǔ)[12-13]。

為此，本文以三峽庫(kù)區(qū)腹地典型農(nóng)業(yè)區(qū)的王家溝小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，選取農(nóng)村居民點(diǎn)和旱坡地作為“源”地并進(jìn)行等級(jí)劃分，考慮氮磷污染遷移轉(zhuǎn)換機(jī)制的差異，構(gòu)建影響農(nóng)業(yè)面源污染的阻力因子評(píng)價(jià)體系，以此綜合評(píng)價(jià)氮磷的阻力基面，然后借助最小累計(jì)阻力模型構(gòu)建阻力面，以此將影響小流域農(nóng)業(yè)面源污染的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)程度劃分不同等級(jí)，分析“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)格局特征，以期為庫(kù)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染治理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

王家溝小流域位于三峽庫(kù)區(qū)腹心地區(qū)，地處重慶市涪陵區(qū)珍溪鎮(zhèn)，為長(zhǎng)江北岸的一級(jí)支流小流域。該流域是一個(gè)完整的自然閉合集水區(qū)，流域面積為82.34 hm2。氣候類型上屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均溫22.1 ℃，年均降水量920 mm。地形上具有典型的以山地、丘陵夾溝谷的地形地貌。土壤類型主要以水稻土和紫色土為主，偏酸性。該流域?qū)儆诟⒘暾ゲ撕蜕ＰQ重點(diǎn)種植區(qū)，為高強(qiáng)度利用的種植單元和典型的農(nóng)業(yè)耕作區(qū)，無(wú)工業(yè)經(jīng)濟(jì)，主要農(nóng)作物是榨菜、玉米、水稻。分析該小流域出水口2015年的地表日徑流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知[14]，從1月至5月初，全流域總氮累積排放負(fù)荷均只有100 kg左右；5月15日至6月20日，由于降雨頻發(fā)和春季作物追肥結(jié)束，總氮、NO3--N和總磷累積排放負(fù)荷增加量分別約占全年累積排放負(fù)荷的50%～60%；6月下旬至9月初處于農(nóng)閑時(shí)期，總氮、NO3--N和總磷累積排放負(fù)荷增幅較?。?月中旬至10月上旬，因強(qiáng)降雨事件增多，總氮、NO3--N和總磷累積排放負(fù)荷增大；10月中旬至12月底，由于此期間降雨量不到80 mm，總氮、NO3--N和總磷的累積排放負(fù)荷增量變化也不明顯。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文所涉及的數(shù)據(jù)包括地形圖、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活資料，詳細(xì)數(shù)據(jù)信息見(jiàn)表1。其中，土地利用數(shù)據(jù)通過(guò)谷歌衛(wèi)星地圖檢索工具（Google Satellite Maps Retriever）下載了覆蓋小流域的 Google Earth第18級(jí)衛(wèi)星影像，影像分辨率為0.6 m，投影方式為WGS 1984 Mercator，影像時(shí)間為2015年8月18日。通過(guò)野外踏勘選取地表位置突出的控制點(diǎn)和1:1 000地形圖進(jìn)行影像的空間校正和幾何精糾正。對(duì)影像進(jìn)行目視解譯，所解譯的土地利用類型包括農(nóng)村居民點(diǎn)、農(nóng)村道路、水田梯田、旱地梯田、旱坡地、林地、桑園和水利設(shè)施用地，見(jiàn)圖1。土壤采樣點(diǎn)是在坡面地表徑流匯水區(qū)域內(nèi)沿坡面方向不同坡面位置（坡頂、坡腰、坡底）布設(shè)，研究區(qū)域內(nèi)共布設(shè)45個(gè)土樣采集點(diǎn)，采集的數(shù)據(jù)包括土層厚度、土壤飽和導(dǎo)水率、主要土壤養(yǎng)分等。土壤樣品每年采集5次，采集時(shí)間為2014—2015年春秋2季作物種植前和農(nóng)作物追肥結(jié)束后的 2個(gè)星期內(nèi)以及夏季春秋作物輪空期間。2016年7月—8月期間，利用參與式農(nóng)戶問(wèn)卷調(diào)查方式獲取小流域內(nèi)所有農(nóng)戶的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活資料，包括農(nóng)戶人口、農(nóng)作物種類和產(chǎn)量、耕作面積、化肥種類和施用量、家畜種類與數(shù)量、農(nóng)作物秸稈處理情況和農(nóng)藥使用情況等。該流域共有95戶，有效問(wèn)卷共95份，總?cè)丝跀?shù)412人，常住人口295人，從事農(nóng)業(yè)勞動(dòng)的人口（157人）占常住人口的53.2%，其中從事農(nóng)業(yè)勞動(dòng)人口中屬于青壯年的（16～50歲）占 51.6%，屬于“半勞動(dòng)力”（50～65歲）的占21%，65歲以上仍從事農(nóng)業(yè)勞動(dòng)的占27.4%。利用ArcGIS軟件中的重采樣工具（重采樣方法默認(rèn)為最鄰近法）對(duì)以上所有柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為空間分辨率為1 m的柵格數(shù)據(jù)，并且所有空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)為Albers等積投影。

圖1 王家溝小流域的高程圖和土地利用分布圖Fig.1 Elevation map and land use map of Wangjiagou small catchment

表1 研究區(qū)所需數(shù)據(jù)及來(lái)源Table 1 Content of data and sources

1.3 基于最小累計(jì)阻力模型的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法

最小累計(jì)阻力模型的最初構(gòu)建是為了分析物種從源到目的地運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所付出的最小阻力值[15]，將該模型應(yīng)用到農(nóng)業(yè)面源污染中，表示農(nóng)業(yè)面源污染物從“源”地到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)所克服阻力的累積和最小值[3]。由此，本文利用最小累計(jì)阻力模型識(shí)別影響三峽庫(kù)區(qū)小流域農(nóng)業(yè)面源污染的阻力和“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)，具體識(shí)流程見(jiàn)圖 2。模型的基本公式[15-16]如下

式中MCR表示最小累積阻力面值，無(wú)量綱；f表示最小累積阻力與生態(tài)過(guò)程的負(fù)相關(guān)關(guān)系；min表示對(duì)不同的“源”地取累積阻力最小值；Dij表示源 j到景觀單元i的空間距離，m；Ri表示景觀單元 i對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的阻力基面，無(wú)量綱；m是阻力面柵格的個(gè)數(shù)；n是源地的數(shù)目。

圖2 技術(shù)路線圖Fig.2 Technology roadmap

1.3.1 “源”地分級(jí)

首先是確定“源”地。“源”是物質(zhì)能量流通或物種擴(kuò)散的原點(diǎn)，具有內(nèi)部同質(zhì)性或集聚性和外部擴(kuò)張性的特點(diǎn)[17]。對(duì)于研究區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染而言，依據(jù)已有研究對(duì)王家溝小流域的農(nóng)業(yè)面源污染源分析，小流域主要污染源為畜禽糞便、作物秸稈、農(nóng)村污水和化肥，總氮和總磷污染物等標(biāo)負(fù)荷比分別為30.4%、21.61%、4.27%和2.8%[14]，而且在研究區(qū)耕地類型中，旱坡地的氮磷流失最為明顯[18]。由此，選擇農(nóng)村居民點(diǎn)和旱坡地作為王家溝小流域農(nóng)業(yè)面源污染的最大“源”地。

依據(jù)“源”地的氮磷輸出能力，需要對(duì)“源”地進(jìn)行等級(jí)劃分。盡管“源”地的氮磷輸出會(huì)受到徑流的驅(qū)動(dòng)影響，而徑流又受土壤厚度、下滲能力和土壤前期含水量因素等的影響，但是對(duì)小流域徑流量難以進(jìn)行空間化，主要原因在于：一方面，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中無(wú)法獲取小流域內(nèi)每個(gè)柵格單元（1 m×1 m）的徑流量數(shù)值，也不能像在大尺度空間通過(guò)多個(gè)氣象站點(diǎn)的降雨量進(jìn)行空間插值而得到降雨量的空間變化趨勢(shì)那樣對(duì)徑流量進(jìn)行空間插值；另一方面，流域的下墊面較為復(fù)雜，存在土壤、植被和水文狀況等綜合因素的影響，導(dǎo)致產(chǎn)流的損失，從而難以精確模擬徑流量的空間異質(zhì)性。因此，本文對(duì)“源”地的分級(jí)進(jìn)行如下：1）總體上，農(nóng)村居民點(diǎn)所產(chǎn)生的氮磷污染負(fù)荷遠(yuǎn)高于其他污染源，農(nóng)村居民點(diǎn)的氮磷污染源主要來(lái)自生活污水和畜禽糞便，且沒(méi)有污水處理系統(tǒng)?？梢?jiàn)農(nóng)村居民點(diǎn)所產(chǎn)生的污染負(fù)荷高，因此作為一級(jí)源；2）對(duì)于旱坡地，依據(jù)坡度的大小對(duì)旱坡地進(jìn)行等級(jí)劃分，坡度越大，等級(jí)越高，共為 5個(gè)等級(jí)。坡度等級(jí)的劃分見(jiàn)表2。因此，研究將小流域的“源”地劃分為6個(gè)等級(jí)。

表2 阻力基面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 2 Indicator system of evaluating resistance base surface

1.3.2 阻力基面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

在農(nóng)業(yè)面源污染過(guò)程中，地形、土壤、水文和植被等景觀要素往往控制著景觀流，表現(xiàn)出的阻力作用也不同?？紤]到氮磷的流失機(jī)理存在差異性，本文分別構(gòu)建氮和磷的阻力基面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，選擇相對(duì)高程、坡度、“源-匯”景觀類型和植被截留指數(shù)作為常規(guī)因子，氮磷的阻力基面評(píng)價(jià)都需要考慮；選擇地形濕潤(rùn)指數(shù)、水流長(zhǎng)度和氮投入量作為影響氮的阻力基面的特殊因子；選擇土壤流失垂直距離指數(shù)、土壤侵蝕強(qiáng)度和磷投入量作為影響磷的阻力基面的特殊因子，具體見(jiàn)表2。

其中，相對(duì)高程、坡度和水流長(zhǎng)度利用流域DEM在ArcGIS10.3軟件中的表面分析和水文分析等工具獲取。地形濕潤(rùn)指數(shù)通過(guò) ArcGIS10.3軟件的空間分析模塊獲得，見(jiàn)公式（2）[19-20]

式中R為流域中某點(diǎn)的地形濕潤(rùn)指數(shù)；α為流域上某一點(diǎn)的累積匯水量，mm；P為小流域年降雨量，mm；K為標(biāo)準(zhǔn)化的土壤飽和導(dǎo)水率，無(wú)量綱；D為標(biāo)準(zhǔn)化的土層厚度，無(wú)量綱；β為坡度值，（°）。

植被截留指數(shù)反映的是流域內(nèi)植被緩沖帶截留污染物的可能性，截留帶寬度越大，坡度越小，截留效率越高[21]。計(jì)算公式如下

式中V是截留效率；Wk是下游流線上點(diǎn)k處的植被截留帶寬度，m；βk是坡度角，（°）；K 是流域上某點(diǎn)在下游流線上土地利用類型為林地或草地的柵格數(shù)[21]。

土壤流失垂直距離指數(shù)的計(jì)算需要先提取土壤流失垂直距離，該距離的提取主要是利用ArcGIS的空間分析模塊，將水系的高程值向外擴(kuò)展得到水系高程面數(shù)據(jù)，并運(yùn)用DEM數(shù)據(jù)與該水系高程面數(shù)據(jù)相減而實(shí)現(xiàn)，然后利用該指數(shù)的計(jì)算公式（4）[22]進(jìn)行提取

式中Hi是流域中某點(diǎn)的土壤流失垂直距離指數(shù)；Hmax是流域中土壤流失垂直距離的最大值，m；hi是流域中某點(diǎn)的土壤流失垂直距離，m。

土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的劃分參考周月敏[23]的研究方法，主要是依據(jù)研究區(qū)所處位置及主要土壤侵蝕類型，重點(diǎn)考慮代表植被覆蓋度、坡度及土地利用的 3個(gè)指標(biāo)來(lái)確定王家溝小流域水土流失強(qiáng)度分級(jí)，并根據(jù)此劃分小流域的土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)。

“源”、“匯”景觀類型的提取主要是利用土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類。重分類的依據(jù)在于“源-匯”景觀理論[1-2]，在具體歸類上參考Wang等的研究[24]，將農(nóng)村居民點(diǎn)、農(nóng)村道路、旱坡地和旱地梯田歸為“源”景觀類型，而林地、桑園、水田梯田、水利設(shè)施用地為“匯”景觀類型。

對(duì)于氮磷因子的氮磷投入量計(jì)算，通過(guò)農(nóng)戶調(diào)查訪問(wèn)發(fā)現(xiàn)，氮、磷投入主要與土地利用相關(guān)，為此，以參與式農(nóng)戶問(wèn)卷調(diào)查方式獲取小流域內(nèi)農(nóng)戶的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活資料，具體的氮磷投入?yún)?shù)選取和計(jì)算可參考文獻(xiàn)[25]。

各指標(biāo)的賦值和權(quán)重設(shè)置上，參考葉玉瑤等[26-27]的研究，分別將各阻力因子的 5個(gè)等級(jí)用 1、3、5、7、9進(jìn)行賦值。指標(biāo)權(quán)重的獲取是通過(guò)專家打分的方式確定，具體的方法為德?tīng)柗品╗28]，所參與的專家均為西南地區(qū)面源污染專業(yè)背景的相關(guān)專家（共 20名），主要是通過(guò)對(duì)指標(biāo)的重要性和權(quán)重值進(jìn)行填表咨詢，并計(jì)算專家意見(jiàn)的集中值與變異程度，以及協(xié)調(diào)程度的和諧系數(shù)，最后對(duì)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行歸一化運(yùn)算，得到每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。由此，通過(guò)指標(biāo)圖層與相應(yīng)權(quán)重的空間疊加，最終得到小流域的阻力基面。

1.3.3 阻力面構(gòu)建與“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

阻力面反映了各種“流”（物質(zhì)和能量等）從“源”景觀中出發(fā)克服各種阻力要素到達(dá)目的地的相對(duì)或絕對(duì)難易程度，也客觀表現(xiàn)了事物空間運(yùn)動(dòng)在景觀表面的趨勢(shì)[15-16]。具體構(gòu)建過(guò)程如下：基于基面阻力評(píng)價(jià)結(jié)果，運(yùn)用ArcGIS10.3中的cost-distance模塊分別生成對(duì)應(yīng)氮和磷的各6個(gè)等級(jí)源的阻力面，依據(jù)公式（1），利用Con函數(shù)進(jìn)行兩兩比較不同等級(jí)源的阻力面，篩選出各等級(jí)源的阻力面的最小值，作為氮和磷的阻力面，用Con函數(shù)繼續(xù)比較氮和磷的阻力面，篩選出最小值，作為影響小流域農(nóng)業(yè)面源污染的總阻力面，見(jiàn)圖2。影響農(nóng)業(yè)面源污染的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，主要是選擇關(guān)于不同累計(jì)阻力數(shù)對(duì)應(yīng)柵格數(shù)的突變情況作為阻力閾值的確定依據(jù)[29]。根據(jù)最小累計(jì)阻力的標(biāo)準(zhǔn)方差，對(duì)總阻力面值初步劃分為多個(gè)類別，并統(tǒng)計(jì)每一類的柵格數(shù)及其占總柵格數(shù)的比例，以及前一分類與后一分類的比例差值。然后依據(jù)比例差值確定風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)的臨時(shí)閾值，將影響小流域農(nóng)業(yè)面源污染的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分區(qū)，等級(jí)越高，農(nóng)業(yè)面源污染的風(fēng)險(xiǎn)也越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 阻力因子的空間分布特征

對(duì)于阻力基面各因子的等級(jí)空間分布，由 1等級(jí)變化到 9等級(jí)，表示影響農(nóng)業(yè)面源污染的潛在阻力逐漸增大。由圖 3可以看出，阻力基面各因子的空間分布存在明顯的空間差異，且差異程度明顯不同。

相對(duì)高程、水流長(zhǎng)度和土壤流失垂直距離指數(shù)的等級(jí)空間分布趨勢(shì)相近，均由小流域的出水口逐漸向流域內(nèi)增大，呈現(xiàn)圈層分布特征。土壤流失垂直距離指數(shù)的1等級(jí)空間區(qū)域遠(yuǎn)大于其他 2個(gè)因子，主要原因在于土壤流失垂直距離反映的是距離水系遠(yuǎn)近導(dǎo)致的相應(yīng)土地利用類型對(duì)河流泥沙的貢獻(xiàn)程度的差異[22]，而在整體上，小流域內(nèi)土地利用類型距離水系較近，流失的土壤顆粒易入水系，潛在阻力較小，導(dǎo)致土壤流失垂直距離指數(shù)的1等級(jí)空間范圍較大。

坡度越大，潛在阻力越小，等級(jí)也越小。王家溝小流域的坡度特征表現(xiàn)為由高海拔的外圍坡度大逐漸向中間低洼處降低，因此其等級(jí)空間分布的趨勢(shì)與實(shí)際坡度相反。相對(duì)于坡度，地形濕潤(rùn)指數(shù)的等級(jí)空間分布特征較為復(fù)雜，大致呈現(xiàn)“山脊-山谷”狀的分布特征，由“山脊”處的等級(jí)高、潛在阻力大，過(guò)渡到“山谷”處的等級(jí)低、潛在阻力小。

“源”“匯”景觀類型呈現(xiàn)出土地利用空間分布的特征，“源”景觀類型的潛在阻力小，等級(jí)低；“匯”景觀類型的潛在阻力大，等級(jí)高。植被截留指數(shù)和土壤侵蝕強(qiáng)度的等級(jí)空間分布呈現(xiàn)出環(huán)狀特征，表現(xiàn)為林地和桑園覆蓋的區(qū)域阻力等級(jí)高，其他區(qū)域等級(jí)低。氮磷投入量的等級(jí)空間分布也受土地利用狀況的影響，呈現(xiàn)出土地利用的空間分布特征，表現(xiàn)為旱坡地和農(nóng)村居民點(diǎn)的等級(jí)低、潛在阻力相對(duì)小，林地和桑園的等級(jí)高、潛在阻力相對(duì)大。

2.2 阻力基面和阻力面的綜合評(píng)價(jià)

阻力基面反映的是景觀單元通過(guò)阻力因子的垂直疊加，對(duì)于農(nóng)業(yè)面源污染過(guò)程的綜合影響程度，即各阻力因子的空間疊加影響而形成的阻力基面。由圖 4可以看出，影響農(nóng)業(yè)面源污染的氮磷阻力基面存在空間差異，主要表現(xiàn)在，空間分布上，阻力基面低值主要分布在旱坡地和旱地梯田所處的空間，可見(jiàn)這些區(qū)域的景觀單元受到阻力因子的綜合影響較小，所產(chǎn)生的氮磷面源污染物極易流失；而阻力基面高值主要分布在林地和桑園所分布的環(huán)帶空間中，這些景觀單元受到阻力因子的綜合影響較大，氮磷面源污染物易被攔截。進(jìn)一步地從土地利用分布的角度看，表 3可以看出，農(nóng)村居民點(diǎn)、旱坡地、旱地梯田和農(nóng)村道路所分布的阻力基面平均值小于林地、桑園、水田梯田和水利設(shè)施用地，由此可見(jiàn)，阻力基面的空間分布結(jié)果反映了影響庫(kù)區(qū)小流域農(nóng)業(yè)面源污染的“源-匯”景觀空間差異。

圖3 阻力基面評(píng)價(jià)指標(biāo)的空間分布特征Fig.3 Spatial distribution of indicators for evaluating resistance base surface

圖4 影響農(nóng)業(yè)面源污染的阻力基面Fig.4 Resistance base surface impacted agricultural non-point source pollution

表3 不同土地利用類型的阻力基面和阻力面平均值Table 3 Mean value of resistance base surface and resistance surface under different land use

阻力面是在阻力基面和“源”地的基礎(chǔ)上疊加距離因素而得到的最小累計(jì)阻力值，綜合反映了面源污染物從“源”地出發(fā)所經(jīng)過(guò)的阻力空間分布趨勢(shì)。對(duì)比圖 4和圖 5可以看出，阻力基面與阻力面的空間分布存在一定的區(qū)域差異，由圖 5可以看出，氮和磷及總體的阻力面總體上都圍繞“源”地向外呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢(shì)。其中，阻力面的高值區(qū)域主要分布在小流域內(nèi)的低洼處和流域出水口，這些區(qū)域主要分布水田梯田，表 3也可以看出水田梯田的氮磷阻力面和總體阻力面值為最高，均值分別為 846.60、858.06和 828.41；尤其是分布在坡度較緩的旱地梯田，其氮磷阻力面和總阻力面值也較高，均值分別為 741.36、722.76和 711.23。這主要原因在于水田梯田和旱地梯田處于流域內(nèi)的低洼處，相對(duì)高程較低、坡度較小，距離“源”地的農(nóng)村居民點(diǎn)和旱坡地較遠(yuǎn)，面源污染物從“源地”到達(dá)水田梯田會(huì)經(jīng)歷更多的阻力作用，阻力相對(duì)較大，所以阻力面值較大。阻力面的低值區(qū)域主要分布在農(nóng)村居民點(diǎn)和旱坡地，原因在于由于這 2類景觀類型被選作影響農(nóng)業(yè)面源污染的“源”地，其內(nèi)部的阻力最小。相關(guān)研究[3]也認(rèn)為距離“源”地較遠(yuǎn)的地類，所處的阻力面值往往偏大，主要是受空間距離影響，距離越遠(yuǎn)，所經(jīng)歷的阻力作用相對(duì)較大，反之則較小。

圖5 影響農(nóng)業(yè)面源污染的阻力面Fig.5 Resistance surface impacted agricultural non-point source pollution

2.3 影響農(nóng)業(yè)面源污染的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)特征

按照最小累計(jì)阻力值的標(biāo)準(zhǔn)方差，初步將圖5c的總阻力面劃分為16類（C1～C16），每類間隔四分之一方差，并統(tǒng)計(jì)每一類的柵格數(shù)及其占總柵格數(shù)的比例，以及前一分類與后一分類的比例差值，如C1類的比例減去C2類的，以此類推。由表4可以看出，C1類變化到C2類，柵格數(shù)的差值占到整個(gè)流域柵格總數(shù)的28.08%；C2類變化到C3類，突變幅度占到整個(gè)流域柵格總數(shù)的1.64%；接著是C6類變化到C7類，突變幅度占整個(gè)流域柵格總數(shù)小于1%，以及最后的C15到C16的突變，突變幅度發(fā)生減小，為-1.22%。因此，選擇上述突變點(diǎn)作為“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)的臨界閾值，將“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)劃分為5等級(jí)：極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（C1類）、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（C2類）、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（C3～C6類）、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（C7～C15類）和極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（C16類），并利用ArcGIS軟件的統(tǒng)計(jì)功能統(tǒng)計(jì)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)的面積，以及每種土地利用類型的各風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)的面積比例，結(jié)果如圖6所示。

表4 總阻力面的標(biāo)準(zhǔn)差分類Table 4 Classification based on standard deviation for whole resistance surface

由圖6可以看出，各等級(jí)“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)區(qū)表現(xiàn)為：極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（0.297 7 km2）>高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（0.154 4 km2）>中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（0.147 5 km2）>低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（0.147 4 km2）>極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（0.016 0 km2），可見(jiàn)影響整個(gè)小流域農(nóng)業(yè)面源污染的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)偏高，盡管如此，小流域內(nèi)仍然有一定范圍的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，能確保流域內(nèi)的氮磷流失得到有效攔截。

對(duì)于極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，在整個(gè)小流域的分布面積為最大，占到整個(gè)流域的 39%，空間特征主要表現(xiàn)為團(tuán)聚塊狀分布，其內(nèi)的景觀阻力最小，氮磷污染物極易流失，而且分布的地類為旱坡地和農(nóng)村居民點(diǎn)（極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積比例均為100%），即“源”地的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)極高，因而是氮磷污染物的最大來(lái)源。

緊鄰圍繞極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布的是高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，分布面積占整個(gè)流域的20.23%，在空間上表現(xiàn)為沿著極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布的細(xì)條帶狀特征。在地類分布上，圖6b可以看出，相對(duì)于“源”景觀類型，“匯”景觀類型反而占據(jù)一定的比例，這主要原因在于這些“匯”景觀類型鑲嵌分布于“源”景觀中，距離“源”景觀中的旱坡地和農(nóng)村居民點(diǎn)相對(duì)較近，易受這些“源”的影響，在某些地段呈現(xiàn)高風(fēng)險(xiǎn)特征。

其次是中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，在風(fēng)險(xiǎn)特征上處于高風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)的過(guò)渡狀態(tài)，空間分布范圍僅次于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，也是圍繞極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)而分布。地類分布上，圖6b可以看出，中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在“匯”景觀類型中分布較廣，尤其是在林地、桑園和水利設(shè)施用地中。如果這些地類轉(zhuǎn)換為旱坡地或者農(nóng)村居民點(diǎn)，必然增大“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)，中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮閲?yán)重的高風(fēng)險(xiǎn)或極高風(fēng)險(xiǎn)。

最后是低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，這 2類風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)較低，“源-匯”特征上以“匯”為主，景觀阻力較大，景觀單元對(duì)氮磷污染物的截留能力較強(qiáng)?？臻g分布上，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布于小流域內(nèi)地勢(shì)低洼處，以及緩坡處等地方；而極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)則主要分布在 3處，包括流域出水口附近、流域邊界的北部和流域中部低洼處，這些地方距離“源”地較遠(yuǎn)，氮磷污染物伴隨土壤顆粒和水流遷移需要經(jīng)受更長(zhǎng)空間距離的阻力作用。分布地類上，以水田梯田和旱地梯田分布為主，其次是桑園、水利設(shè)施用地和林地，其中的旱地梯田雖然被劃分為“源”景觀類型，但其分布的坡度較低，而且有高于坡面的石坎或土坎在一定程度能夠攔截氮磷污染物，因此其景觀阻力較大，“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)較小。

圖6 影響小流域農(nóng)業(yè)面源污染的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)區(qū)及不同土地利用類型的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積比例Fig. 6 “Source-sink” risk zones impacted agricultural non-point source pollution and its area ratio of different land use types

3 討 論

本文從影響農(nóng)業(yè)面源污染的“源-匯”出發(fā)，引入最小累計(jì)阻力模型將農(nóng)業(yè)面源污染過(guò)程融入到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，從而以阻力面的形式來(lái)表征“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)。研究所得出的影響三峽庫(kù)區(qū)小流域農(nóng)業(yè)面源污染的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)格局與相關(guān)研究能夠得到很好的驗(yàn)證，例如陳成龍等[30]研究也認(rèn)為，水田能夠顯著降低了坡面和干渠節(jié)點(diǎn)的總氮流失濃度，旱地和多數(shù)水旱輪作地與不同坡面和干渠的總氮流失濃度相當(dāng)，可見(jiàn)流域內(nèi)的水田農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)低，而旱坡地的相對(duì)較高，這與本文的水田梯田處于“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、旱坡地處于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)格局較為相近。Chen等[14]也分析認(rèn)為氮磷污染物濃度（總氮、總磷）與水稻、桑樹面積比呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與玉米和榨菜面積比呈正相關(guān)關(guān)系，也表明本文基于最小累計(jì)阻力模型的農(nóng)業(yè)面源污染“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)格局識(shí)別的可行性。同時(shí)，本文還存在需要進(jìn)一步完善與深入研究的問(wèn)題。在考慮構(gòu)建阻力基面評(píng)價(jià)指數(shù)體系時(shí)，由于小流域面積小于1 km2，導(dǎo)致降雨量、土壤類型等空間差異較小而無(wú)法進(jìn)行空間化，因此不能夠全面地綜合所有影響因子。因此，需要考慮如何更好地將小流域農(nóng)業(yè)面源污染的外在影響因子與內(nèi)在轉(zhuǎn)換遷移機(jī)制結(jié)合起來(lái)，并在最小累計(jì)阻力模型中實(shí)現(xiàn)。另外，本文的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)格局識(shí)別側(cè)重于空間上的過(guò)程，而時(shí)間預(yù)測(cè)功能相對(duì)較弱，因?yàn)檗r(nóng)業(yè)面源污染過(guò)程實(shí)質(zhì)上也是面源污染物的在時(shí)空上的“源-匯”過(guò)程，“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)在時(shí)間尺度上存在著演變過(guò)程。

4 結(jié) 論

本文從阻力的角度，結(jié)合源匯景觀理論和最小累計(jì)阻力模型，在確定“源”地的基礎(chǔ)上，構(gòu)建影響小流域農(nóng)業(yè)面源污染的阻力因子評(píng)價(jià)體系，以此對(duì)小流域的阻力基面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，最后借助最小累計(jì)阻力模型構(gòu)建阻力面，以此識(shí)別影響小流域農(nóng)業(yè)面源污染的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)格局。研究結(jié)論如下：

1）對(duì)于影響農(nóng)業(yè)面源污染的不同阻力因子，其空間分布存在明顯的空間差異。氮和磷的阻力基面反映了影響三峽庫(kù)區(qū)小流域農(nóng)業(yè)面源污染的“源-匯”景觀空間差異，其中阻力基面低值主要分布在屬于“源”景觀類型的旱坡地和旱地梯田所處的空間，而阻力基面高值主要分布在屬于“匯”景觀類型的林地和桑園所分布的環(huán)帶空間中。

2）氮和磷的阻力面總體上圍繞“源”地向外呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢(shì)，即距離“源”地越遠(yuǎn)，阻力面值越大，面源污染物所受的空間阻力越大，其中的高值區(qū)域主要分布水田梯田分布區(qū)域，而低值區(qū)主要分布在農(nóng)村居民點(diǎn)和旱坡地。依據(jù)阻力面和阻力閾值，研究劃定了影響王家溝小流域農(nóng)業(yè)面源污染的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，表現(xiàn)為極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（0.297 7 km2）>高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（0.154 4 km2）>中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（0.147 5 km2）>低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（0.147 4 km2）>極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（0.016 0 km2）?！霸?匯”風(fēng)險(xiǎn)格局特征在整體上表現(xiàn)出，影響整個(gè)小流域農(nóng)業(yè)面源污染的“源-匯”風(fēng)險(xiǎn)偏高，但小流域內(nèi)仍有一定范圍的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，能確保流域內(nèi)的氮磷流失得到有效攔截。

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