高艷妮，楊彩云，馮朝陽(yáng)，楊春艷，孫倩瑩

1.國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過(guò)程與功能評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 2.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 3.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院

土地利用是河流生態(tài)系統(tǒng)健康和穩(wěn)定的重要影響因素之一[1]，其決定了河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[2-4]，與河流水循環(huán)過(guò)程[5]、物質(zhì)循環(huán)過(guò)程[6]、水環(huán)境質(zhì)量[7]等密切相關(guān)。當(dāng)前，隨著人類活動(dòng)的增強(qiáng)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展，河流兩岸農(nóng)田、農(nóng)村建設(shè)用地等引起的農(nóng)業(yè)面源污染已成為許多發(fā)達(dá)國(guó)家水環(huán)境惡化的主要原因之一，也是我國(guó)水體污染的一個(gè)主要來(lái)源[8]。

遼河保護(hù)區(qū)劃定之前，農(nóng)田是河流兩岸的主要土地利用類型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年遼河保護(hù)區(qū)旱地和水田面積分別占保護(hù)區(qū)總面積的38.13%和3.68%[9]，2009年分別占34.10%和3.00%[10]。由于這一時(shí)期干流兩岸點(diǎn)源污染得到了有效控制，農(nóng)業(yè)面源污染成為遼河主要污染治理對(duì)象之一[11]，其主要污染形式是農(nóng)業(yè)種植污染[12]。有研究表明[12]，在遼河流域農(nóng)田全部種植的情況下，遼河干流面源污染物COD入河量可達(dá)9.6萬(wàn)ta。若遼河干流約413 km2河灘地全部退耕還河，將直接減少農(nóng)業(yè)面源污染物COD產(chǎn)生量約0.81萬(wàn)ta，減少NH3-N產(chǎn)生量約0.16萬(wàn)ta[11]。為恢復(fù)河流自然生境，遏制農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)河流水質(zhì)的影響，進(jìn)而提升河流水環(huán)境質(zhì)量，遼河保護(hù)區(qū)劃定后對(duì)河流兩岸采取了農(nóng)田撂荒和退耕還林還草等措施[13-14]。

為定量分析遼河保護(hù)區(qū)劃定以來(lái)，退耕封育措施對(duì)農(nóng)田面積、農(nóng)田類型以及由此引起的農(nóng)田地表徑流污染物入河量的影響，筆者利用高清遙感影像，并結(jié)合地面勘察等手段，獲取2010—2018年遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)田空間分布圖，分析了不同農(nóng)田類型的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而利用源強(qiáng)系數(shù)法估算了各年農(nóng)田地表徑流污染物入河量及退耕封育措施實(shí)施以來(lái)累積消減的入河量，以期為遼河保護(hù)區(qū)生態(tài)保護(hù)修復(fù)成效評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

遼河保護(hù)區(qū)于2010年劃定，是我國(guó)首個(gè)河流保護(hù)區(qū)，主要保護(hù)對(duì)象為遼河干流水體、河流濕地和珍稀野生動(dòng)植物。遼河保護(hù)區(qū)位于遼寧省境內(nèi)，起始于東西遼河交匯處的鐵嶺市福德店，途經(jīng)沈陽(yáng)市、鞍山市，終止于盤錦市入?？冢采婕?4個(gè)縣(區(qū))，全長(zhǎng)為538 km，面積為1 869.2 km2。遼河保護(hù)區(qū)所屬氣候類型為暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為4～9 ℃，平均降水量為450～650 mm，且主要集中在6—9月；地貌類型以平原為主，地勢(shì)平坦，灘地開闊，河道迂回曲折；生物多樣性較為豐富，2016—2017年共監(jiān)測(cè)到約234種植物，約483種動(dòng)物[15]；主要土壤類型為草甸土、潮土和沼澤土。

1.2 研究方法

1.2.1農(nóng)田地表徑流污染物入河量估算

采用源強(qiáng)系數(shù)法估算農(nóng)田地表徑流污染物入河量，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：W為農(nóng)田地表徑流污染物入河量，t/a。aij、Sij、Pij、Cij、Fij分別為第i類農(nóng)田第j個(gè)柵格的坡度、土壤類型、降水量、農(nóng)田類型、化肥施用量的修正系數(shù)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。E為標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田地表徑流的源強(qiáng)系數(shù)，t/(hm2·a)；標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田是指平原地貌，種植作物為小麥，土壤類型為壤土，化肥施用量為0.38～0.53 t/(hm2·a)，年降水量為400～800 mm的農(nóng)田;其COD的源強(qiáng)系數(shù)為0.15 t/(hm2·a)，NH3-N為0.03 t/(hm2·a)[16-17]。λr為入河系數(shù)，取值為0.1[18]。

表1 農(nóng)田地表徑流污染物排放量修正系數(shù)

遼河保護(hù)區(qū)主要農(nóng)作物類型為玉米和水稻，玉米施肥量為1.05～1.65 t/(hm2·a)，水稻為0.75～1.20 t/(hm2·a)[19]，因此，遼河保護(hù)區(qū)化肥施用量的修正系數(shù)取1.3。

1.2.2累積消減農(nóng)田地表徑流污染物入河量估算

為了評(píng)價(jià)退耕封育措施實(shí)施以來(lái)遼河保護(hù)區(qū)累積消減農(nóng)田地表徑流污染物入河量，將2010年污染物入河量與2011—2018年各年入河量分別相減，再計(jì)算其累積值。公式如下：

(2)

式中：Wsum為2011—2018年遼河保護(hù)區(qū)累積消減農(nóng)田地表徑流污染物入河量，t；W2010為2010年農(nóng)田地表徑流污染物入河量，t/a；Wk為第k年農(nóng)田地表徑流污染物入河量，t/a。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.3.1農(nóng)田類型

基于2 m×2 m分辨率的Google Earth高清影像，采用面向?qū)ο蠓诸惡腿藱C(jī)交互解譯的方法獲取2010—2018年遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)田空間分布圖，包括旱地、水田、水澆地3種類型。對(duì)于影像難以判斷的區(qū)域，綜合利用《全國(guó)第二次土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)(2009年)》和野外實(shí)地勘查數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和修改。

1.3.2坡度

利用30 m×30 m DEM數(shù)據(jù)(來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云)計(jì)算遼河保護(hù)區(qū)河流兩岸坡度。

1.3.3土壤類型

利用遼河保護(hù)區(qū)上游至下游18個(gè)采樣點(diǎn)的土壤顆粒組成數(shù)據(jù)，對(duì)照國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[20]，判別各采樣點(diǎn)土壤類型。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合1∶100萬(wàn)土壤類型圖(來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，獲取遼河保護(hù)區(qū)土壤類型空間數(shù)據(jù)。

1.3.4降水量

選取2010—2018年遼河保護(hù)區(qū)及周邊地區(qū)17個(gè)站點(diǎn)的年降水量數(shù)據(jù)(來(lái)源于中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心，http://data.cma.cn)，以30 m×30 m DEM數(shù)據(jù)為協(xié)變量，利用AUSPLIN軟件[21]進(jìn)行空間插值，函數(shù)選取三次樣條函數(shù)，再利用遼河保護(hù)區(qū)邊界進(jìn)行裁剪后，獲得遼河保護(hù)區(qū)2010—2018年年降水量空間數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 退耕封育措施下遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)田變化特征

2010—2018年遼河保護(hù)區(qū)不同農(nóng)田類型面積動(dòng)態(tài)變化見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，2010年遼河保護(hù)區(qū)各類農(nóng)田面積為627.13 km2，約占遼河保護(hù)區(qū)總面積的33.55%；此后，隨著退耕封育措施的實(shí)施，農(nóng)田面積急劇減少，2011年面積僅為155.63 km2，相比2010年，約減少75.18%；2012—2018年農(nóng)田面積為111.42～170.35 km2，平均面積為137.84 km2，雖然存在年際間波動(dòng)，但是整體與2011年相差不大。本研究獲取的2010年遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)田面積占比略低于以往研究估算的2007年(41.99%)[9]和2009年面積占比(37.10%)[10]；2011年面積占比又較明顯低于以往研究估算的2011年面積占比(13.71%～17.30%)[10,19]。其原因一方面可能是所用遙感影像存在差別，另一方面可能是影像獲取月份有所不同。

圖1 2010—2018年遼河保護(hù)區(qū)不同農(nóng)田類型面積動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamic change of cropland in Liaohe Conservation Area from 2010 to 2018

由圖1可見(jiàn)，旱地始終是遼河保護(hù)區(qū)主要農(nóng)田類型，但是退耕封育措施的實(shí)施使旱地面積大為減少。2010年旱地面積約為554.26 km2，占農(nóng)田面積的88.38%；2011—2018年旱地面積為58.21～92.24 km2，平均面積僅為76.06 km2，相比2010年減少84.78%。與2010年相比，水田面積變化較小，其在2010—2013年為65.61～73.26 km2，平均面積為69.45 km2，呈先略有減少再有所增加的趨勢(shì)；2014—2018年則有所下降，面積為44.16～51.69 km2，平均面積為48.69 km2，與2010—2013年相比，減少了29.89%。水澆地面積較小，2010—2018年為3.67～6.15 km2，總體上呈減少趨勢(shì)，2018年相比2010年減少了40.37%。

從空間分布特征來(lái)看，2010年，除遼河口國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)外，遼河保護(hù)區(qū)河流兩岸分布著大量農(nóng)田，在鐵嶺、沈陽(yáng)和鞍山市域內(nèi)幾乎均為旱地，在盤錦市域內(nèi)則旱地和水田面積大致相當(dāng)(圖2)。2011年，河流兩岸農(nóng)田開始呈現(xiàn)撂荒狀態(tài)，但也有零星農(nóng)田分布，在鐵嶺、沈陽(yáng)市域內(nèi)仍然以旱地為主，而在鞍山和盤錦則主要為水田，這一格局持續(xù)到2018年沒(méi)有明顯變化。

圖2 2010年和2018年遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)田空間分布Fig.2 Spatial distribution of cropland in Liaohe Conservation Area in 2010 and 2018

2.2 退耕封育措施對(duì)農(nóng)田地表徑流污染物入河量的影響

基于源強(qiáng)系數(shù)法估算遼河保護(hù)區(qū)不同農(nóng)田類型地表徑流污染物入河量，結(jié)果見(jiàn)表2和圖3。從表2和圖3可以看出，2010年遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)田面源污染物COD入河量為1 864.79 t/a，NH3-N入河量為372.96 t/a；其中，旱地貢獻(xiàn)率為83.97%，水田為15.37%，水澆地為0.67%。2011年，遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)田面源污染物COD和NH3-N入河量大幅消減，其中，COD入河量減至419.55 t/a，NH3-N減至83.91 t/a；水田為主要貢獻(xiàn)源，貢獻(xiàn)率為54.19%，旱地貢獻(xiàn)率為43.59%，水澆地為2.22%。2011—2018年，農(nóng)田面源污染物COD和NH3-N入河量呈先略有增高，后波動(dòng)減少的變化趨勢(shì)，其中，COD入河量為312.33～548.12 t/a，NH3-N入河量為62.47～109.62 t/a；水田貢獻(xiàn)率為45.19%～57.10%，旱地為40.79%～52.93%，水澆地為1.81%～2.60%。

表2 遼河保護(hù)區(qū)不同農(nóng)田類型地表徑流污染物入河量

圖3 2010—2018年實(shí)際降水條件下遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)田地表徑流污染物入河量動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Temporal variation of pollutants inflow from cropland surface runoff in Liaohe Conservation Area under the condition of actual precipitation in 2010-2018

除2010年外，遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)田地表徑流污染物入河量與農(nóng)田面積的相關(guān)系數(shù)(R2)為0.83，與降水量的相關(guān)系數(shù)為0.49，表明遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)田地表徑流污染物入河量除受農(nóng)田面積變化的影響外，還與降水量顯著相關(guān)。因此，進(jìn)一步估算了2010—2018年平均降水條件下遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)田地表徑流污染物入河量，結(jié)果見(jiàn)表2和圖4。從表2和圖4可以看出，平均降水條件下，2010年遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)田面源污染物引起的COD和NH3-N入河量分別為1 649.37和329.87 t/a，相較實(shí)際降水條件有所減少；旱地貢獻(xiàn)率為84.34%，水田為15.00%，水澆地為0.66%。2011—2018年COD和NH3-N入河量的變化趨勢(shì)與實(shí)際降水條件下沒(méi)有顯著區(qū)別。其中，COD入河量為331.77～506.70 t/a，NH3-N入河量為66.35～101.34 t/a；水田貢獻(xiàn)率為46.37%～57.47%，旱地為40.38%～51.67%，水澆地為1.82%～2.61%。

圖4 2010—2018年平均降水條件下遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)田地表徑流污染物入河量動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Temporal variation of pollutants inflow from cropland surface runoff in Liaohe Conservation Area under the condition of average precipitation in 2010-2018

將2010年農(nóng)田地表徑流污染物入河量與2011—2018年各年相應(yīng)數(shù)值分別相減，再將各差值進(jìn)行加和后可以看出，在實(shí)際降水條件下，2011—2018年遼河保護(hù)區(qū)因退耕封育措施的實(shí)施累積消減COD和NH3-N入河量分別為11 734.49和2 346.90 t(圖3)；平均降水條件下，累積消減COD和NH3-N入河量分別為9 955.03和1 991.01 t(圖4)，相比實(shí)際降水條件下，二者均減少了15.16%。

2.3 源強(qiáng)系數(shù)法估算農(nóng)田地表徑流污染物入河量的不確定性分析

源強(qiáng)系數(shù)法屬于估算面源污染的經(jīng)驗(yàn)方法，是根據(jù)研究區(qū)的坡度、土壤類型、降水量、農(nóng)田類型、化肥施用量等因子對(duì)標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的源強(qiáng)系數(shù)進(jìn)行修正后獲得。該方法操作簡(jiǎn)單，可以較好地反映研究區(qū)面源污染的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，在缺少監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的條件下得到了廣泛的應(yīng)用[22]。有研究指出，基于典型地塊監(jiān)測(cè)法計(jì)算的COD和NH3-N入河量與基于源強(qiáng)系數(shù)法估算的結(jié)果差距不大[18]。但由于大多數(shù)因子的修正系數(shù)有一個(gè)取值范圍，因此，為了評(píng)估修正系數(shù)取值對(duì)估算的遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)田地表徑流污染物入河量的影響，對(duì)各因子的修正系數(shù)分別取相應(yīng)級(jí)別的最小值和最大值進(jìn)行再次估算。結(jié)果表明：基于最小值估算的2011—2018年退耕封育措施累積消減COD入河量為8 954.69 t，累積消減NH3-N入河量為1 790.94 t；基于最大值估算的累積消減COD入河量為16 692.78 t，累積消減NH3-N入河量為3 338.56 t。最大值估算的結(jié)果約相當(dāng)于最小值的1.86倍，相當(dāng)于本研究估算結(jié)果的1.42倍。此外，源強(qiáng)系數(shù)法在估算過(guò)程中忽略了農(nóng)田與河流的距離，也會(huì)給研究結(jié)果帶來(lái)不確定性。

3 結(jié)論

(1)利用高清遙感影像獲取的2010—2018年遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)田空間分布圖顯示，2010年遼河保護(hù)區(qū)河流兩岸分布著大量農(nóng)田，面積約為627.13 km2，約占遼河保護(hù)區(qū)總面積的33.55%。隨著退耕封育政策的實(shí)施，2011年農(nóng)田面積大量減少，只零星分布于河流兩岸，面積僅占保護(hù)區(qū)總面積的8.33%。2012—2018年農(nóng)田面積雖然存在著年際波動(dòng)，但與2011年差距較小。旱地是遼河保護(hù)區(qū)主要農(nóng)田類型，其在2010年占農(nóng)田總面積的88.38%，在2011—2018年僅略高于水田面積。

(2)基于源強(qiáng)系數(shù)法的估算結(jié)果表明，在實(shí)際降水條件下，2010年遼河保護(hù)區(qū)農(nóng)田面源污染物COD入河量為1 864.79 t/a，NH3-N入河量為372.96 t/a，旱地貢獻(xiàn)率為83.97%。2011年，COD和NH3-N入河量分別消減到419.55和83.91 t/a，水田貢獻(xiàn)率超過(guò)了旱地，貢獻(xiàn)率為54.19%。2011—2018年，遼河保護(hù)區(qū)累積消減農(nóng)田地表徑流COD和NH3-N入河量分別為11 734.49和2 346.90 t，高于平均降水條件下的累積消減量，約高15.16%。

(3)為了評(píng)估源強(qiáng)系數(shù)法估算結(jié)果的不確定性，對(duì)各因子修正系數(shù)分別取最大值和最小值進(jìn)行污染物入河量再次估算，結(jié)果顯示取最大值估算的污染物累積消減入河量約為最小值的1.86倍，約為本研究結(jié)果的1.42倍。