汪朝辉，陈蓓青，程学军，梁东业

土地利用变化对长阳县非点源污染负荷的影响研究

汪朝辉1，2，陈蓓青1，程学军1，梁东业1

（1.长江科学院空间信息技术应用研究所，武汉 430010；2.武汉大学资源与环境科学学院，武汉 430079）

利用输出系统模型，结合RS和GIS技术，对长阳县非点源污染负荷进行空间分布模拟和总负荷的估算。结果表明：①长阳县非点源污染负荷TN（总氮），TP（总磷）从2000年到2006年呈逐步上升趋势，这种变化趋势与土地开发利用关系密切；在空间分布上，TN，TP由东向西纵深发展，污染负荷空间分布更加广泛；非点源污染负荷总量增加显著，2000年到2006年TN负荷增加幅度达到55.56%，TP负荷增加幅度为42.51%。②不同土地利用类型对非点源污染负荷总量的贡献率存在差异，对TN贡献率较大的土地利用类型是耕地、林地、草地；对TP贡献率较大的依次是林地、耕地、草地和建设用地。③不同土地利用类型对非点源污染负荷的贡献率也在发生变化，从2000年到2006年，耕地对TN的贡献率的变化最突出，上升了19%，草地贡献率下降了11%；草地对TP的贡献率变化最大，下降了18%，其次是建设用地，贡献率上升了5%左右。

非点源污染；输出系数模型；RS；GIS；贡献率；长阳县

随着点源污染逐步得到有效的控制和管理，非点源污染对水质的影响日益凸现。世界上许多国家和地区的研究结果证实，非点源污染是导致水环境恶化的主要原因，而非点源污染中又以农业面源污染占有份额最大［1－3］。农业面源污染一直是水环境研究的难题，它与土地利用方式密切联系。土地利用变化导致下垫面水力学特征、土壤成分等发生变化，对非点源污染的输出有较大影响［4，5］，分析不同土地类型的非点源污染贡献率是合理估算非点源污染负荷的关键。

1 研究区概况

长阳土家族自治县，位于湖北省西南部的清江中下游，地势西高东低，绝大多数都是山地，坡耕地和梯田占绝大比重，见表1。其中小于6°的耕地只占4.7%，6°～15°的占26.3%，15°～25°的占40.7%，大于25°的占28.3%。特殊的地理环境和长期不合理的开发利用，导致了严重的水土流失以及非点源污染，解决非点源污染问题对于社会经济发展和流域持续发展具有重要意义。

2 数据获取与研究方法

表1 长阳县土地利用坡度分布Table 1 Distribution on land use gradient of Changyang County

2.1 数据获取

研究中用到的数据主要包括长阳县土地利用图和土地利用调查详查数据、1∶10 000 DEM图，1∶250 000湖北省行政区划图，Landsat TM遥感影像图，并通过解译卫星遥感图获得长阳县土地利用图。最后利用ArcGIS软件结合土地利用图，对长阳县非点源污染负荷状况进行分析。

2.2 输出系数模型

非点源污染模型形式多样，根据模型建立的途径和所模拟的过程，通常可分为经验型模型和物理型模型或过程模型等［6］。物理型模型比经验型模型复杂，它以某一过程或系统的内在机理为基础，以非点源污染的发生、迁移转化和影响的具体过程为框架进行构建。经验型模型不涉及污染的具体过程和机理，仅与模型的输入与输出有关系，多用于非点源污染物负荷量的估算。英国学者Johns等提出的输出系数模型，避开了非点源污染发生的复杂过程，所需参数少，操作简便，又具有一定的精度，在我国的非点源污染负荷研究时表现出独特的优越性［7－9］。本研究选用输出系数模型来计算土地利用对长阳县的非点源负荷的影响。

模型的一般表达式为

式中：j为污染物类型；i为流域中的土地利用类型，共n种类型；Lj为污染物j在流域的总负荷量（kg／a）；Eij为污染物j在流域第i种土地利用类型中的输出系数［kg／（km·a）］；Ai为第i种土地利用类型的面积（km2）；P为由降雨输入的营养物数量（kg）。

该方法虽不能预测单场降雨所产生的非点源污染，但其为大、中型尺度的长期非点源污染负荷研究提供了一种新的途径，因而在国内外得到了广泛应用。

在输出系数模型中，确定合理的输出系数是关键所在［10，11］。影响流域非点源污染物输出系数的因素很多，主要包括流域内地形地貌、水文、气候、土地利用、土壤类型和结构、植被、管理措施以及人类活动等。参照国内外的相关研究［12，13］，并结合长阳县相关研究资料和气候、水文、土壤、农业耕作特点和人类活动特点等因素，确定长阳县非点源污染负荷的土地利用的输出系数如表2所示。从表2可以看出，不同土地利用方式的输出系数差别非常明显，其中耕地最大，而林地和草地比较小，这和耕地化肥施用量最多、土质松软，以及草地、耕地对水土流失具有一定的滞留作用密切相关。因此，所选输出系数有一定的合理性。

表2 土地利用类型输出系数表Table 2 Export coefficients of land use on Changyang County

3 结果与分析

3.1 非点源污染负荷的空间分布

根据长阳县输出系数表和土地利用图，在GIS软件的支持下，得出长阳县由于土地利用造成非点源污染的TN，TP空间分布图。

从图1至图4可以看出，从2000年到2006年，长阳县非点源污染发生了明显的变化，其中2000年非点源污染高负荷区主要分布在东部地区，因为长阳县地势是西高东低，东部集中了绝大部分的农业耕作区，西部以中高山草地和林地为主，因此西部的非点源负荷相对较低。随着大力发展高山蔬菜，低山粮林，高山林、畜、药等工程，非点源污染负荷逐步向纵深发展，其中清江以南发展比清江以北发展迅猛，非点源污染负荷也更加迅速地加重了。

图1 2000年非点源污染负荷TN空间分布Fig.1 Spatial distribution of NPS pollution load for TN in 2000

图2 2006年非点源污染负荷TN空间分布Fig.2 Spatial distribution of NPS pollution load for TN in 2006

图3 2000年非点源污染负荷TP空间分布Fig.3 Spatial distribution of NPS pollution load for TP in 2000

图4 2006年非点源污染负荷TP空间分布Fig.4 Spatial distribution of NPS pollution load for TP in 2006

3.2 非点源污染负荷总量分析

长阳县由土地利用所造成的非点源污染TN负荷从2000年的1 787 t增加到2006年的2 781 t，增加幅度达到55.56%；TP负荷从2000年的74 t增加到2006年的105 t，增加幅度为42.51%。其中最主要的原因是大量的林地草地由于人为的开发利用变成高山蔬菜基地、粮林和畜牧、药材用地，导致了非点源污染负荷的加重。因此加强非点源污染控制刻不容缓。

3.3 土地利用类型在不同年份对非点源污染总量

的贡献率分析

随着人类的开发利用和经济的发展，土地利用类型之间在发生转换，不同土地利用类型面积也在不断变化，同时不同的土地利用类型对TN和TP的输出系数不同，因此它们对整个研究区域的TN和TP的贡献率也会发生变化，见图5。

图5 不同土地利用类型在不同年份的贡献率柱状图Fig.5 Contribution ratio histogram of different land use in different years

2000和2006数据对比分析表明：耕地对TN的贡献率由43.9%上升到62%，林地的贡献率由32%下降到21%，建设用地的贡献率由5.2%上升到10.03%，草地和未利用地对TN的贡献率略有下降。土地利用对TP的贡献率也发生较大的变化。耕地的贡献率由31.6%上升到35.5%，林地的贡献率由55.8%下降到36.3%，草地、建设用地和未利用地的贡献率分别上升了3.6%，4.9%和1.3%。这与不断开发利用林草地，以及建设用地的不断扩张密切相关。

3.4 土地利用类型对不同非点源污染类型的贡献率

2000年对TN贡献率较大的土地利用类型依次是耕地、林地、草地，它们的贡献率依次是43.9%，

32%，13%，相对比较而言，建设用地和未利用地的贡献率较低。对TP贡献率较大的依次是林地、耕地、草地，贡献率依次是55.8%，31.6%，6.5%；建设用地和未利用地的贡献率也相对较低（图6）。

图6 不同土地利用类型对不同污染类型贡献率柱状图Fig.6 Contribution ratio histogram of different land uses to non point source pollution

2006年对TN贡献率较大的土地利用类型是耕地、林地、草地，对TP贡献率较大的土地利用类型是林地、耕地、草地、建设用地。与2000年相比耕地对TN的贡献率进一步上升，贡献率达到62%；对TP的贡献率林地下降比较明显，建设用地对TP的贡献率也得到加强，达到10.2%。

4 结 论

（1）长阳县由于土地利用所造成的非点源污染负荷TN，TP从2000年到2006年是逐步上升加重的变化趋势，这种变化趋势与土地利用开发加强，大力发展农林畜牧产业发展息息相关；在空间分布上，TN，TP由东向西纵深发展，污染负荷空间分布更加广泛。

（2）非点源污染负荷总量增加显著。其中TN负荷从2000年到2006年增加幅度达到55.56%；TP负荷增加幅度为42.51%。

（3）不同土地利用类型对非点源污染负荷总量的贡献率存在差异，对TN贡献率较大的土地利用类型是耕地、林地、草地；对TP贡献率较大的依次是林地、耕地、草地和建设用地。

（4）随着土地利用类型之间的转换，不同土地利用类型对非点源污染负荷的贡献率也在发生变化。从2000年到2006年，耕地对TN的贡献率变化最突出，上升了19%，草地贡献率下降了11%；草地对TP的贡献率变化最大，下降了18%，其次是建设用地，贡献率上升了5%左右。

（5）下一步研究将逐步考虑化肥施用量、降雨、地形等因素对非点源污染扩散和迁移的影响，以便得到更加准确的模拟。

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（编辑：刘运飞）

Im pact of Land Use Change on Non-point Source Pollution Load in Changyang County

WANG Zhao-hui1，2，CHEN Bei-qing1，CHENG Xue-jun1，LIANG Dong-ye1
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.School of Resource and Environmental Science，Wuhan University，Wuhan 430079，China）

Utilizing export coefficientmodel and adopting RS and GIS techniques，the authors estimated the non point source pollution load of Changyang County，and simulated its spatial distribution.The results indicated as fol-lows：The total nitrogen load caused by land use has increased 55.56%，and the total phosphorus load has in-creased 42.51%from year 2000 to 2006.The non point pollution has aggravated year by year.As far as spatial distribution，the non point pollution expanded from eastof Changyang County to thewest.The trend of deterioration was caused by the high strength land use exploitation and city-town outspread.Different land uses had various con-tributions to the total non point source pollution load.The gradation of contribution ratio to TN was from farmland to forest and grassland，and that to TPwas from forest and farmland to grassland and land use for urban construction.The contribution ratio to the total non point source pollution load also has changed from 2000 to 2006.In terms of TN，farmland’s contribution ratio increased by 19%，and that of grassland decreased by 11%.However for TP，grassland’s contribution ratio drop 18%，and that of urban and residential area raised 5%.

non point source pollution；export coefficient model；RS and GIS techniques；contribution ratio； Changyang County

P416.2

A

1001－5485（2010）01－0017－05

2009-07-06

中央级公益性科研院所专项基金（YWF200808），国家软科学研究计划项目（2007GXS3B044）

汪朝辉（1978-），男，湖北随州人，工程师，硕士，主要从事水资源保护和生态环境研究，“3S”技术在水利行业中的应用研究，（电话）027-82926895（电子信箱）wangzh＠mail.crsri.cn。