楊佳磊,張 瑞

(江蘇海洋大學(xué) 海洋技術(shù)與測繪學(xué)院，江蘇 連云港 222005)

0 引言

隨著長三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，太湖流域水環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，引起了人們的廣泛關(guān)注[1-2]。目前工業(yè)點(diǎn)源污染逐步得到有效控制，而非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為當(dāng)前水環(huán)境污染的最主要來源[3]。非點(diǎn)源污染的影響因素較多，土地利用被認(rèn)為是影響非點(diǎn)源污染的關(guān)鍵因素[4-6]。土地利用方式與非點(diǎn)源污染密切相關(guān)，其中尤以耕地和林地與其關(guān)系最為密切。研究表明，農(nóng)田排水是造成水體富營養(yǎng)化的主要原因[7]，林地則對非點(diǎn)源污染具有顯著的截留作用[8]，土地利用格局的優(yōu)化配置對非點(diǎn)源污染的控制有著重要的意義[9]。

太湖流域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口密集，河網(wǎng)復(fù)雜?？焖俚某擎?zhèn)化進(jìn)程導(dǎo)致土地利用類型發(fā)生了較大轉(zhuǎn)變[10]。同時農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥的大量使用，導(dǎo)致流域生態(tài)環(huán)境污染負(fù)荷日益加重，直接或間接地影響流域的水環(huán)境質(zhì)量[11-13]。在流域非點(diǎn)源污染控制的計(jì)算方法中，輸出負(fù)荷系數(shù)算法因其對數(shù)據(jù)的要求相對較低，計(jì)算結(jié)果精度較高，在較大尺度的流域污染負(fù)荷估算中有著較好的實(shí)際應(yīng)用效果，目前已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[14]。荊延德等[15]、李政道等[16]、郝桂珍等[17]分別對南四湖、紅楓湖、清水河流域的非點(diǎn)源污染負(fù)荷進(jìn)行了估算及變化規(guī)律分析；李思思等[18]引入產(chǎn)污因子和截留因子校正非點(diǎn)源氮磷流失的空間格局；龐樹江等[19]則通過回歸樹模型確定了主要污染源；Matias等[20]將輸出系數(shù)模型應(yīng)用于干旱地區(qū)，探究了磷來源及從陸地到水體的輸出系數(shù)；Frink等[21]整理了美國東北部地區(qū)不同土地利用的N和P輸出系數(shù)，并驗(yàn)證了模型的精度。

本文利用輸出系數(shù)法，通過對太湖流域1980—2018年間土地利用類型變化及同期非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷的影響進(jìn)行研究，探討土地利用變化對非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷的影響機(jī)制，從而為太湖流域水環(huán)境治理提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

太湖流域北濱長江，南接錢塘江，東臨東海，西以天目山、茅山等山區(qū)為界，流域總面積約3.68萬km2。地形呈周邊高、中間低的碟狀分布，流域內(nèi)最大高程500 m左右，西南低山丘陵區(qū)高程在12～32 m之間，中部平原區(qū)域高程一般低于5 m，沿江及濱海平原區(qū)域高程一般在5～10 m。太湖流域內(nèi)河網(wǎng)密布，上游水系有苕溪、南溪和洮滆水系等，經(jīng)望虞河、太浦河等水閘流出，與長江、黃浦江水道相通。流域內(nèi)土地類型以耕地為主，主要農(nóng)作物是水稻、小麥及其他經(jīng)濟(jì)作物。該研究區(qū)域地理位置如圖1所示。

圖1 太湖流域地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

太湖流域邊界數(shù)據(jù)及1980年、1990年、2000年、2010年、2018年土地利用數(shù)據(jù)均來自中國資源科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn)。其中土地利用數(shù)據(jù)分辨率為30 m，在ArcGIS軟件中按照太湖流域邊界裁剪而來。按照全國土地分類標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)域的土地利用類型分為6類：耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 動態(tài)度分析方法 土地利用相對動態(tài)度不僅可以直觀地反映某一土地利用類型相對于本身的變化速度和劇烈程度，也可以反映各土地利用類型的變化在區(qū)域變化中的貢獻(xiàn)大小，衡量某土地利用類型的變化是否成為區(qū)域變化的主要類型。其計(jì)算公式為

(1)

式中：Bi為第i種土地利用相對動態(tài)度；Pi為研究初期第i種土地利用類型占研究區(qū)土地總面積的比率；S(i,t1)和S(i,t2)分別表示基期、現(xiàn)期某一土地利用類型面積。

1.3.2 輸出系數(shù)法 輸出系數(shù)模型主要是通過污染源的輸出系數(shù)來估算污染負(fù)荷，該模型對大尺度非點(diǎn)源污染負(fù)荷的測算有著較高的精度[22-23]。輸出系數(shù)模型表達(dá)式為

(2)

式中：Lj為污染物j在該流域的總負(fù)荷量，單位為kg/km2；i為流域內(nèi)土地利用類型，包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地共計(jì)6類；Eij為污染物j在第i種土地利用類型下的輸出系數(shù)，單位kg/(km2·a)；Ai為第i類土地利用類型的面積，單位km2。氮、磷是影響太湖流域表水質(zhì)的主要致污因子，因此本研究選取氮、磷作為污染物。

同種土地利用類型的氮、磷輸出系數(shù)具有巨大的時空變異性，這不僅與降水量、徑流量和施肥量有關(guān)，而且與坡度、距河遠(yuǎn)近、土壤類型等因素息息相關(guān)。不同土地利用類型的氮、磷輸出系數(shù)隨著降雨量或徑流量的增加而呈現(xiàn)出增加的趨勢[24]。因此，確定合理的輸出系數(shù)是構(gòu)建模型的關(guān)鍵。國內(nèi)外對輸出系數(shù)模型作了大量研究，相關(guān)的方法體系也較為成熟。本研究參照太湖流域已有的相關(guān)研究成果[25-29]，給出不同土地利用類型的污染輸出系數(shù)，具體如表1所示。

表1 太湖流域不同土地利用類型氮、磷輸出系數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化特征

2.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化 從1980年、1990年、2000年、2010年、2018年5個時期土地利用變化(見圖2)來看，太湖流域各個階段變化最大的土地利用類型主要為耕地和建設(shè)用地，耕地表現(xiàn)為減少，建設(shè)用地表現(xiàn)為增加，這與改革開放以來長三角地區(qū)工業(yè)發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程有很大關(guān)系。從土地利用結(jié)構(gòu)(見圖3)來看，太湖流域主要土地利用類型為耕地，5個時期均占比45%以上，草地和未利用地面積占比最小，不足流域總面積的1%。耕地的面積占比由1980年的65.66%減少到2018年的45.15%，而建設(shè)用地的面積占比由8.51%增加到27.7%。

圖2 1980年、1990年、2000年、2010年和2018年太湖流域土地利用類型變化

圖3 1980年、1990年、2000年、2010年和2018年各土地利用類型占比情況

2.1.2 動態(tài)度變化 基于各時期不同土地利用類型的面積，運(yùn)用式(1)計(jì)算得到各個時期不同土地利用類型的相對動態(tài)度，結(jié)果見表2。由表2可知，4個時期相對動態(tài)度絕對值最高的土地利用類型均是耕地，相對動態(tài)度絕對值分別為0.149 5，0.529 2，1.088 1和0.559 6。各個時期土地利用變化劇烈程度不同，1980—1990年土地利用變化較為緩和，2000—2010年土地利用變化最劇烈，6大地類相對動態(tài)度總和達(dá)到2.199 7，其中變化最明顯的土地利用類型為耕地和建設(shè)用地。2000年以來，太湖流域經(jīng)歷了高速城鎮(zhèn)化過程，已經(jīng)成為我國城鎮(zhèn)化水平較高的地區(qū)之一[30]。高速城鎮(zhèn)化過程伴隨著建設(shè)用地的快速擴(kuò)張。2000—2010年，太湖流域各大城市建成區(qū)面積都有不同程度擴(kuò)大。如上海建成區(qū)面積由2000年的857.94 km2增加到2010年的1 514.52 km2，城區(qū)面積擴(kuò)大了接近1倍；蘇州建成區(qū)面積由2000年的137.81 km2增加到2010年的494.03 km2，城區(qū)面積擴(kuò)大了2.58倍；2010年常州建成區(qū)面積是2000年的2.46倍[31]。而耕地變化劇烈，一方面是由于建設(shè)用地需求增加，尤其是在江蘇省，蘇南鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的快速發(fā)展占用了大量寶貴的耕地資源；另一方面，在國家取消農(nóng)民糧食定購任務(wù)的政策出臺后，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化。

表2 1980—2018年各土地利用類型相對動態(tài)度分析

從4個時期太湖流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3～表6)可以看出，2000—2010年土地轉(zhuǎn)變最大，約占總量的51.07%。耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)變數(shù)量最多，分別占變化總量的49.15%和44.89%；未利用地、耕地和建設(shè)用地參與其他土地利用轉(zhuǎn)變率最高，轉(zhuǎn)變量分別占2000年未利用地、耕地和建設(shè)用地的348.08%，69.73%和18.13%。太湖流域土地利用轉(zhuǎn)變過程中，耕地主要轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地、水域和林地；建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀凰蚝土值刂饕D(zhuǎn)變?yōu)楦亍?/p>

表3 1980—1990年太湖流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4 1990—2000年太湖流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表5 2000—2010年太湖流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表6 2010—2018年太湖流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

2.2 不同土地利用方式下非點(diǎn)源氮、磷輸出年際變化特征

太湖流域1980年、1990年、2000年和2018年TN負(fù)荷量總體呈逐年上升趨勢，從1980年的6.95萬t/a上升至2018年的7.51萬t/a，增幅達(dá)到8.06%。耕地是TN負(fù)荷的最大貢獻(xiàn)源，但負(fù)荷量逐年減少。林地、草地和未利用地TN負(fù)荷貢獻(xiàn)極少且年際變化不大。建設(shè)用地和水域的TN負(fù)荷逐年上升。

圖4表明，太湖流域1980年、1990年、2000年、2018年TP負(fù)荷量也呈上升的趨勢，從1980年的0.37萬t/a上升至2018年的0.96萬t/a，增幅達(dá)到159.46%。林地、草地、水域和未利用地TP負(fù)荷貢獻(xiàn)較少且年際變化不大。耕地是TP負(fù)荷的最大貢獻(xiàn)源，2000年以前耕地TP負(fù)荷變化不大，2000年以后起伏明顯，耕地TP負(fù)荷總體呈現(xiàn)上升趨勢。建設(shè)用地TP負(fù)荷2000年以前上升緩慢，2000年以后上升明顯。

a 總氮負(fù)荷量

2.3 土地利用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對非點(diǎn)源氮、磷輸出的影響

為了定性定量描述土地利用變化過程對非點(diǎn)源氮、磷輸出的影響，通過相對系數(shù)(兩個時期土地利用輸出系數(shù)差)與土地利用變化量之間的關(guān)系計(jì)算得出非點(diǎn)源氮磷過程量。該過程量能真實(shí)反映不同土地利用類型變化給非點(diǎn)源氮磷內(nèi)部輸出所帶來的影響[32]。

圖5表示某一土地利用類型發(fā)生轉(zhuǎn)變以及其他土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)樵撏恋乩妙愋瓦^程中，該土地利用類型上所發(fā)生的非點(diǎn)源氮磷負(fù)荷的輸出凈量。正軸表示起到增加非點(diǎn)源氮磷的輸出凈量，負(fù)軸表示起到削減非點(diǎn)源氮磷的輸出凈量。

a 耕地TN輸出凈量

4個時期TN負(fù)荷凈量總量分別為2 365.26，2 057.31，3 664.25和2 121.92 t，對TN負(fù)荷凈量的貢獻(xiàn)較大的地類均是耕地和建設(shè)用地，貢獻(xiàn)較小的地類均是草地和未利用地。其中耕地貢獻(xiàn)占比最高值為1980—1990年間的47.08%，建設(shè)用地貢獻(xiàn)占比最高值為2000—2010年間的35.88%。

4個時期TP負(fù)荷凈量總量分別為89.19，204.45，1 513.62和1 113.91 t，其中1980—1990年間對TN負(fù)荷凈量的貢獻(xiàn)較大的地類為耕地和水域，而其余3個時期均是耕地和建設(shè)用地，耕地貢獻(xiàn)占比最高值為2000—2010年間的47.95%，建設(shè)用地貢獻(xiàn)占比最高值為2010—2018年間的40.95%。4個時期對TP負(fù)荷凈量貢獻(xiàn)較小的地類均是草地和未利用地。

不同土地利用轉(zhuǎn)變對TN和TP負(fù)荷凈量輸出總量增長或消減的貢獻(xiàn)能力不同。1980—1990年建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貢r對TN的表現(xiàn)為增加，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值貢r對TN的表現(xiàn)為消減；水域轉(zhuǎn)變?yōu)楦貢r對TP的表現(xiàn)為增加，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值貢r對TP的表現(xiàn)為消減。1990—2000年建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貢r對TN的表現(xiàn)為增加，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值貢r對TN的表現(xiàn)為消減；建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貢r對TP的表現(xiàn)為增加，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值貢r對TP的表現(xiàn)為消減。2000—2010年建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貢r對TN的表現(xiàn)為增加，建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值貢r對TN的表現(xiàn)為消減；建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貢r對TP的表現(xiàn)為增加，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值貢r對TP的表現(xiàn)為消減。2010—2018年建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貢r對TN的表現(xiàn)為增加，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值貢r對TN的表現(xiàn)為消減；耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地時對TP的表現(xiàn)為增加，建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貢r對TP的表現(xiàn)為消減。對于TN而言，建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貢r表現(xiàn)為增加，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值亍⒔ㄔO(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值貢r表現(xiàn)為削減；對于TP而言，1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年間建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦亍⑺蜣D(zhuǎn)變?yōu)楦貢r表現(xiàn)為增加，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值貢r表現(xiàn)為削減，而2010—2018年間耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地時表現(xiàn)為增加，建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值貢r表現(xiàn)為削減。

3 結(jié)論

本文以太湖流域1980年、1990年、2000年、2010年、2018年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并通過輸出系數(shù)模型分析太湖流域土地利用變化對非點(diǎn)源氮磷輸出的影響，得出以下結(jié)論。

(1)耕地和建設(shè)用地是太湖流域近40年間面積變化最劇烈的土地利用類型；土地利用方式以耕地向建設(shè)用地、水域和林地轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳌?/p>

(2)太湖流域TN和TP負(fù)荷量總體逐年上升，TN從1980年的6.95萬t到2018年的7.51萬t，TP從1980年的0.37萬t到2018年的0.96萬t；耕地是TN和TP負(fù)荷的最大貢獻(xiàn)源，5個時期平均占比分別達(dá)到67.12%和65.05%。

(3)不同土地利用方式轉(zhuǎn)變對TN和TP負(fù)荷凈量輸出總量增長或消減的貢獻(xiàn)能力不同。對于TN而言，建設(shè)用地向耕地轉(zhuǎn)變時表現(xiàn)為增加，耕地向林地、建設(shè)用地向林地轉(zhuǎn)變時表現(xiàn)為削減；對于TP而言，1980—1990年、1990—2000年、2000—2010年間建設(shè)用地向耕地轉(zhuǎn)變、水域向耕地轉(zhuǎn)變時表現(xiàn)為增加，耕地向林地轉(zhuǎn)變時表現(xiàn)為削減，而2010—2018年間耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變時表現(xiàn)為增加，建設(shè)用地向林地轉(zhuǎn)變時表現(xiàn)為削減。