楊思雨 諶婕妤 焦雪敏 王文薈 尹述政 許峰 黃運(yùn)新

摘要??為明確長湖流域農(nóng)田地表徑流氮磷流失特征，了解高風(fēng)險種植模式，以荊州市沙市區(qū)為例，采用流失系數(shù)法和遙感數(shù)據(jù)分析相結(jié)合進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，研究區(qū)7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)場農(nóng)田地表徑流氮、磷總流失量分別為539 023、19 850 kg，其中岑河鎮(zhèn)最高，分別占沙市區(qū)氮、磷流失總量的45%、43%;沙市農(nóng)場氮流失強(qiáng)度最高，立新鄉(xiāng)磷流失強(qiáng)度最高。全區(qū)當(dāng)季施肥造成的氮、磷流失分別占農(nóng)田流失總量的28%、23%。15種種植模式中，氮、磷流失最大的模式分別為平地-旱地-大田、平地-水田，分別占農(nóng)田流失總量的44%、46%。3種坡度中，平地的農(nóng)田地表徑流氮、磷流失量最大，分別占農(nóng)田流失總量的91%、89%，陡坡地最小。4種土地利用類型中，旱地的農(nóng)田地表徑流氮、磷流失量分別占農(nóng)田流失總量的49%、36%，水田分別占農(nóng)田氮、磷流失總量的44%、53%。沙市農(nóng)場和立新鄉(xiāng)分別是氮、磷流失高風(fēng)險區(qū)，平地-旱地-大田、平地-水田分別是氮、磷流失高風(fēng)險種植模式。

關(guān)鍵詞??農(nóng)田地表徑流;種植模式;空間分布;遙感數(shù)據(jù); 氮磷流失

中圖分類號??S??157.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼??A

文章編號??0517-6611（2020）04-0059-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.04.018

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Analysis of the Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Loss from Farmland Surface Runoff in Changhu Lake Basin—A Case Study in Shacheng District，Jingzhou City

YANG Si-yu，SHEN Jie-yu，JIAO Xue-min et al??（School of Resources and Environmental Sciences，Hubei University，Wuhan，Hubei 430062）

Abstract??In order to clarify the characteristics of nitrogen and phosphorus loss from the surface runoff of farmland in the Changhu Lake Basin，and to understand the high-risk planting pattern，taking the Shacheng District of Jingzhou City as an example，a study was conducted using a combination of loss coefficient method and remote sensing data analysis.The results showed that the total loss of nitrogen and phosphorus in 7 towns of the study area were 539 023 and 19 850 kg.The loss in Cenhe Town was the highest among the 7 towns，which accounted for 45% and 43% of the total loss，respectively.Among the 7 towns，Shashi Farm had the highest intensity of nitrogen loss，while Lixin Township had the highest intensity of phosphorus loss.The in-season losses of nitrogen and phosphorus accounted for 28% and 23% of the total losses，respectively.Among the 15 cropping patterns，the patterns with the largest loss of nitrogen and phosphorus were flat-dry land-field and flat-paddy fields，accounting for 44% and 46% of the total losses，respectively.Among the three kinds of slope farmland，the loss of nitrogen and phosphorus in the flat was the highest，accounting for 91% and 89% of the total loss，respectively，and the steep slope was the lowest.In the four land use types，the loss of nitrogen and phosphorus in the surface runoff of dry land accounted for，respectively，49% and 36% of the total loss and the paddy fields accounted for，respectively，44% and 53% of the total nitrogen and phosphorus losses.Shashi Farm and Lixin Township were the high-risk areas，while flat-dry land-field and flat-paddy fields were the high-risk cropping patterns for nitrogen and phosphorus loss.

Key words??Farmland surface runoff;Cropping patterns;Spatial distribution;Remote sensing data;Nitrogen and phosphorus losses

地表徑流是農(nóng)田土壤氮磷進(jìn)入水體的一個主要途徑，也是農(nóng)業(yè)化肥進(jìn)入水體最直接、最迅速的一種方式，是造成農(nóng)業(yè)面源污染和河流、湖泊等水體富營養(yǎng)化的重要原因[1-3]。農(nóng)田土壤地表徑流氮磷流失的影響因素眾多，地形、土地利用類型、耕作方式等因素都會直接或間接影響土壤氮磷流失量[4-6]。

種植模式綜合反映地形、土地利用類型、耕作方式，可對地表徑流氮磷流失產(chǎn)生重要影響[7]。特定種植模式對地表徑流氮磷流失的影響包括2個方面，一是流失系數(shù)也就是單位面積的流失量，二是種植規(guī)模也就是種植面積。其中流失系數(shù)可通過歷史經(jīng)驗或試驗取得[8]，種植面積一般通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)取得，這種方法雖然簡單，但是沒有考慮特定種植模式的實際空間分布，因此不能反映種植模式的空間影響，特別是無法準(zhǔn)確識別高風(fēng)險區(qū)域。

基于上述原因，該研究以長湖流域荊州市沙市區(qū)為研究區(qū)域，通過遙感影像數(shù)據(jù)分析，獲取區(qū)域內(nèi)不同種植模式及其面積，結(jié)合流失系數(shù)法對不同種植模式下氮磷流失進(jìn)行估算，得到氮磷流失空間分布情況[9]，并分析種植模式的影響，識別高風(fēng)險種植模式和高風(fēng)險區(qū)域，為長湖流域農(nóng)田面源污染防控提供依據(jù)。

1??材料與方法

1.1??研究區(qū)域概況

荊州市沙市區(qū)地處湖北省中南部，南北最寬相距26 km，東西最長相距29.7 km，國土面積522.75 km2（圖1）。轄區(qū)包括5個街道、3個鎮(zhèn)（岑河鎮(zhèn)、觀音垱鎮(zhèn)、鑼場鎮(zhèn)）、3個鄉(xiāng)（關(guān)沮鄉(xiāng)、立新鄉(xiāng)、聯(lián)合鄉(xiāng)）、1個農(nóng)場（沙市農(nóng)場）。區(qū)內(nèi)河、湖、塘星羅棋布，雨水充沛，水資源豐富。長江和長湖為過境客水，是全區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及城鄉(xiāng)居民生活的主要水源。其中長湖是湖北省第三大湖泊，位于沙市區(qū)北部，自西向東橫貫其中，是沙市通江達(dá)海的黃金水道，為沙市提供泄洪、灌溉、供水保證，流域生態(tài)環(huán)境良好，湖內(nèi)盛產(chǎn)魚蝦、菱藕等水產(chǎn)品，是各種水禽的天然棲息地。沙市區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，四季分明，雨熱同季，兼有南北過渡的特點，日照充足，熱量豐富，雨水充沛，無霜期長，年均氣溫為15.9～16.6 ℃，大多數(shù)年份降雨量為1 100～1 300 mm。沙市地形受荊江河道變遷和泥沙淤積影響，呈西南高、東北低之勢。沙市地貌形態(tài)及其組合可分為河流階地、沖湖平原、沖積平原、湖沼、荊江水道5個類型。沙市區(qū)農(nóng)業(yè)資源豐富，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢明顯，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由地勢決定，種植的農(nóng)作物有棉花、玉米、水稻、小麥、紅薯、油菜籽、芝麻、大豆、花生等。

1.2??研究方法

1.2.1??土地利用類型識別。

在地理空間數(shù)據(jù)云獲取2018年5月17日荊州市沙市區(qū)的Landsat 8遙感影像，整體云量在5%以內(nèi)，覆蓋研究區(qū)的圖像云量為0。NASA發(fā)射的Landsat 8衛(wèi)星攜帶了OLI陸地成像儀和TIRS熱紅外傳感器，OLI陸地成像儀包括9個波段，空間分辨率30 m，其中包括一個15 m的全色波段。與ETM+傳感器相比，OLI包括了它們所有的波段，OLI全色波段Band 8波段范圍變窄，使全色圖像更易區(qū)分植被和無植被地區(qū)，有利于目視判讀和城市土地利用分類[10]。因此該研究中遙感圖像經(jīng)過輻射定標(biāo)、大氣校正、多波段與全色波段影像融合、研究區(qū)域裁剪等預(yù)處理過程，最后得到研究區(qū)15 m分辨率的Landsat 8 OLI融合影像。

根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H地表土地利用情況，通過遙感制圖將沙市區(qū)劃分為7種土地利用類型，包括水系、建筑用地、旱地、水田、園地、林地、其他利用地[11]。根據(jù)NDVI、MNDWI、NDBI等光譜特性以及遙感影像的色調(diào)、形狀、紋理、灰度等特征，結(jié)合沙市區(qū)DEM數(shù)據(jù)以及Google Earth當(dāng)前和歷史影像資料，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)（GIS）[12]，采用人機(jī)交互的目視解譯方法進(jìn)行解譯，得到土地利用類型的實際分布情況。主要技術(shù)流程如圖2所示。

1.2.2??種植模式分類。

根據(jù)研究區(qū)實際情況，比照《全國農(nóng)田面源污染排放系數(shù)手冊》[7]中的分類標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)種植模式分為15種（表1）。其中大田以玉米、油菜、大豆等作物為代表，水田以水稻為主。沙市區(qū)國土面積為522.75 km2，其中農(nóng)用地的面積為246.20 km2，包括耕地和園地，占區(qū)域總面積的47%。由于區(qū)域?qū)儆诮瓭h平原，地勢平坦，以及南方人多以水稻為主要糧食作物等特征，因此區(qū)域內(nèi)水田居多。在這15種種植模式當(dāng)中，平地-水田面積最廣，占區(qū)域農(nóng)用地面積的53%（表1）。

1.2.3??不同種植模式下流失系數(shù)的確定。根據(jù)《全國農(nóng)田面源污染排放系數(shù)手冊》[7]查找相對應(yīng)的每種模式氮磷的流失系數(shù)，結(jié)果見表2。

1.2.4??流失系數(shù)法。農(nóng)田地表徑流氮磷流失的估算采用流失系數(shù)法。以種植模式為單元，根據(jù)每種種植模式的面積，結(jié)合《全國農(nóng)田面源污染排放系數(shù)手冊》[7]中不同種植模式對應(yīng)的氮磷流失系數(shù)，計算出農(nóng)田地表徑流氮磷的流失量。其中常規(guī)流失量為常規(guī)施肥情況下農(nóng)田一年種植周期內(nèi)氮磷的流失量，土壤本底流失量為不施肥情況下農(nóng)田一年種植周期內(nèi)氮磷流失量。相關(guān)計算公式如下：

流失量（t）=流失系數(shù)（kg/hm2）×總面積（hm2）/1 000（1）

流失強(qiáng)度（kg/hm2）=總流失量（t）×1 000/種植模式的農(nóng)用地面積（hm2）（2）

肥料養(yǎng)分流失量（t）=常規(guī)施肥流失量（t）-土壤本底流失量（t）（3）

2??結(jié)果與分析

2.1??氮磷流失量空間分布

2.1.1??地表徑流氮流失量。

沙市區(qū)土地利用類型分布情況如圖3，其中各類土地邊界通過遙感影像解譯確定，鄉(xiāng)鎮(zhèn)分區(qū)比照行政區(qū)圖確定。5個街道的土地利用類型基本為建筑用地，以下氮磷流失量均不考慮這5個街道。從表3可看出，區(qū)域農(nóng)田地表徑流總氮流失量為539 023 kg。7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中岑河鎮(zhèn)的地表徑流氮流失總量最大（243 521 kg），其次是觀音垱鎮(zhèn)（218 888 kg），地表徑流氮流失總量最小的是立新鄉(xiāng)（5 595 kg）。沙市區(qū)地表徑流氮流失強(qiáng)度為21.9 kg/hm2，7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)流失強(qiáng)度從大到小依次為沙市農(nóng)場（37.1 kg/hm2）、聯(lián)合鄉(xiāng)（28.7 kg/hm2）、立新鄉(xiāng)（28.7 kg/hm2）、鑼場鎮(zhèn)（28.0 kg/hm2）、岑河鎮(zhèn)（22.3 kg/hm2）、關(guān)沮鄉(xiāng)（20.3 kg/hm2）、觀音垱鎮(zhèn)（20.1 kg/hm2）。聯(lián)合鄉(xiāng)、立新鄉(xiāng)、鑼場鎮(zhèn)的總氮流失強(qiáng)度差別不大，均高于岑河鎮(zhèn)、關(guān)沮鄉(xiāng)、觀音垱鎮(zhèn)（圖4a）。氮流失量最大的種植模式是平地-旱地-大田（236 134 kg），其次是平地-水田（200 481 kg）（表4）。

2.1.2??地表徑流磷流失量。

從表5可看出，沙市區(qū)農(nóng)田地表徑流總磷流失量為19 850 kg，地表徑流總磷流失量最大的是岑河鎮(zhèn)（8 484 kg），其次是觀音垱鎮(zhèn)（7 883 kg），沙市農(nóng)場的地表徑流總磷流失量最小，僅為400 kg;沙市區(qū)地表徑流磷流失總量來源于農(nóng)田本底的流失量為15 188 kg，占常規(guī)施肥情況下的流失量的77%。沙市區(qū)地表徑流磷流失強(qiáng)度為0.8 kg/hm2，7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的地表徑流磷流失強(qiáng)度從大到小依次為立新鄉(xiāng)（1.6 kg/hm2）、沙市農(nóng)場（1.5 kg/hm2）、聯(lián)合鄉(xiāng)（1.5 kg/hm2）、鑼場鎮(zhèn)（1.1 kg/hm2）、關(guān)沮鄉(xiāng)（0.8 kg/hm2）、岑河鎮(zhèn)（0.8 kg/hm2）、觀音垱鎮(zhèn)（0.7 kg/hm2）。立新鄉(xiāng)、沙市農(nóng)場、聯(lián)合鄉(xiāng)的總磷流失強(qiáng)度相差不大，并且明顯高于關(guān)沮鄉(xiāng)、岑河鎮(zhèn)、觀音垱鎮(zhèn)（圖4）。15種種植模式中，磷流失量最大的種植模式為平地-水田（9 225 kg），占總流失量的46.5%;其次為平地-旱地-大田（4 628 kg）（表6）。

2.2??不同地形（坡度）氮磷流失量差異

將沙市區(qū)農(nóng)用地按照坡度種植模式分類，沙市區(qū)農(nóng)用地主要以平地（坡度≤5°）為主，占農(nóng)用地的84.6%，緩坡地（坡度5°～15°）和陡坡地（坡度>15°）占比較小，分別占農(nóng)用地的14.7%、0.7%（表7）。

不同坡度下農(nóng)田地表徑流總氮流失總量從大到小依次為平地（489 473 kg）、緩坡地（47 879 kg）、陡坡地（1 670 kg），總磷流失量從大到小依次為平地（17 740 kg）、緩坡地（2 025 kg）、陡坡地（87 kg）（表8）。3種坡度中，平地占總氮流失量的91%，占總磷流失量的89%。不同坡度下地表徑流氮流失強(qiáng)度從大到小依次為平地（23.5 kg/hm2）、緩坡地（13.2 kg/hm2）、陡坡地（9.7 kg/hm2），磷流失強(qiáng)度從大到小依次為平地（0.9 kg/hm2）、緩坡地（0.6 kg/hm2）、陡坡地（0.5 kg/hm2）（圖5）。

2.3??不同土地利用方式氮磷流失量差異??沙市區(qū)農(nóng)用地按照土地利用方式將15種種植模式分類為園地、水田、陡坡地、平原旱地。從表9可以看出，不同土地利用方式農(nóng)田地表徑流氮流失總量從大到小依次為平原旱地（258 668 kg）、水田（235 415 kg）、園地（29 408 kg）、陡坡地（8 618 kg）;磷流失總量從大到小依次為水田（10 416 kg）、平原旱地（6 949 kg）、園地（1 572 kg）、陡坡地（598 kg）。平原旱地和水田分別占總氮流失量的49%、44%;水田和平原旱地分別占總磷流失量的53%、36%。不同土地利用類型地表徑流氮流失強(qiáng)度從大到小依次為平原旱地（39.1 kg/hm2）、園地（28.5 kg/hm2）、水田（15.5 kg/hm2）、陡坡地（6.2 kg/hm2）;磷流失強(qiáng)度從大到小依次為園地（1.5 kg/hm2）、平原旱地（1.1 kg/hm2）、水田（0.7 kg/hm2）、陡坡地（0.4 kg/hm2）（圖6）。

3??討論

地表徑流氮、磷流失高風(fēng)險區(qū)域分別為沙市農(nóng)場、立新鄉(xiāng)，沙市農(nóng)場總氮流失強(qiáng)度最大，與種植模式中露地蔬菜、大田等高流失系數(shù)的模式所占面積比重較大有關(guān)，且肥料投入量大。李兆富等[13]、Liang等[14]研究表明流域氮流失強(qiáng)度隨耕地比例增大而增大。沙市區(qū)地表徑流氮、磷流失來源于農(nóng)田本底的流失量分別占常規(guī)施肥情況下流失總量的72%、77%，對氮肥、磷肥投放加以控制可以有效地防控當(dāng)季施肥造成的氮、磷流失，也能夠減少土壤中氮肥、磷肥的殘留，從而減少農(nóng)田土壤本底氮、磷流失[15]。

地表徑流氮、磷流失高風(fēng)險種植模式分別為平地-旱地-大田、平地-水田，主要是因為平地-水田種植模式面積占比大，施肥頻率高，施肥量大，導(dǎo)致肥料養(yǎng)分利用率低[16]。

沙市區(qū)平地的地表徑流磷流失量最大，主要是因為平地農(nóng)用地面積最大，且高流失系數(shù)種植模式多。張乃明等[17]研究表明，一定面積下隨著坡度的增大，徑流中輸磷量呈增大的趨勢， 但是平地土壤豐厚，易于耕作，種植量大，所積累的磷養(yǎng)分較坡地而言更高，這為農(nóng)田地表徑流氮磷流失提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[18]。平原旱地和水田是防控氮磷流失的重點土地利用方式，主要是因為旱地、水田地勢平坦，土地肥沃，農(nóng)業(yè)種植面積大，肥料投入量大。平原旱地的主要作物為蔬菜和大田作物，蔬菜主要施用磷肥[19-20]，連續(xù)施用磷肥使得種植業(yè)發(fā)達(dá)的平原旱地土壤中累積大量的磷，這就造成平原旱地磷的本底流失量遠(yuǎn)大于肥料流失量。

4??結(jié)論

（1）沙市區(qū)農(nóng)田氮、磷流失總量分別為539 023、19 850 kg，其中岑河鎮(zhèn)最高，分別占沙市區(qū)氮、磷流失總量的45%、43%;沙市農(nóng)場氮流失強(qiáng)度最大，立新鄉(xiāng)磷流失強(qiáng)度最大，分別為氮、磷流失高風(fēng)險區(qū)。

（2）沙市區(qū)農(nóng)田本底氮流失量和當(dāng)季施肥造成的氮流失量分別占常規(guī)施肥情況下氮流失量的72%、28%;磷流失量分別占常規(guī)磷流失量的77%、23%。

（3）15種種植模式中，農(nóng)田地表徑流氮、磷流失量最大的模式分別為平地-旱地-大田、平地-水田，分別占農(nóng)田流失總量的44%、46%。

（4）不同坡度下，平地的農(nóng)田地表徑流氮流失量最大，陡坡地的氮流失量最小;不同坡度下農(nóng)田地表徑流磷流失量大小順序與氮的一致。

（5）不同土地利用類型中，平原旱地和園地的農(nóng)田地表徑流氮磷流失量遠(yuǎn)大于水田和陡坡地;其中平原旱地的農(nóng)田地表徑流氮流失量最大，園地的農(nóng)田地表徑流磷流水田失量最大。

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