基于GIS分析土壤侵蚀过程中氮磷流失分布——以定西市安定区为例

陶鸿斌，汪文飞

(兰州交通大学，甘肃 兰州 730070)

1 引言

随着点源污染源的有效控制，非点源污染已经成为了水环境的主要污染源[1，2]。土壤侵蚀作为非点源污染主要途径之一，由土壤侵蚀带来的泥沙本身就是一种非点源污染物，而且泥沙(特别是细颗粒泥沙)是有机物、金属、铵离子、磷酸盐以及其他有毒性物质的主要携带者[3]；所以，土壤侵蚀会给受纳水体水质带来不良的影响。从2010年我国第一次全国污染源普查公报可知，农业源(不含农村生活源)总氮、总磷分别占排放总量57.2%和 67.3%，由此可以看出氮磷肥料污染形势严峻[4]。因此研究侵蚀过程中氮磷流失对面源污染迁移具有重要意义。本文利用通用土壤侵蚀侵蚀公式(USLE)、遥感数据、DEM、(GIS)技术及不同土地利用氮磷的实测数据的利用，确定了定西市安定区土壤侵蚀氮磷流失的分布。分析了氮磷流失分布图与各土壤侵蚀的关系，并对土壤侵蚀氮磷流失地区提出了相应的防治措施。

2 概况

2.1 研究区域的概况

黄土高原是世界上土壤侵蚀最强烈的地区之一，严重的土壤侵蚀不仅制约了经济社会可持续发展，而且还影响着生态环境[5]。定西市安定区属于陇中黄土高原丘陵沟壑区。境内沟壑纵横，延绵起伏，地势由西南向东北倾斜；南高北低，西南为山地，山地下部为小型内官盆地；北部为丘陵，丘陵之间为河流切割而成的沟谷接地。由于地貌特征导致黄土层深厚松散使，并且降雨主要集中在夏季使得该地区土壤侵蚀严重，其主要的侵蚀类型为水蚀，并伴随着重力侵蚀。

2.2 研究数据来源

研究需要的基本数据有DEM，土壤类型、土地利用、降雨量；数据来源见表1。其中土地利用图是使用安定区遥感数据分析而得。

表1 数据来源

3 研究方法

3.1 土壤侵蚀因子的分析

近年来，我国学者对土壤侵蚀过程展开了一系类的研究，这些研究大多采用了GIS和USLE模型相结合的方式，在土壤侵蚀分析过程中的取得了较好的效果[6]。本文以定西市安定区为研究区通过实地野外调查和采集样品土壤样品的分析，利用USLE、GIS技术手段和实测数据，对安定区的土壤侵蚀过程中的氮磷污染流失进行分析。通用土壤侵蚀公式如下：

A=R·K·S·L·C·P

(1)

式(1)中：A为土壤流失量，单位为：t/ha·a；R为降雨侵蚀力因子，单位为：MJ·mm/(ha·h·a)，K为土壤可蚀性因子，单位为：t·ha·h/(ha·MJ·mm)；L为坡长因子；S为坡度因子；C植被覆盖与管理因子；P为水土保持措施因子。

3.1.1 降雨因子

降雨侵蚀因子R是指单位降雨侵蚀指标。R反映降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，是一个区域土壤侵蚀降雨宏观特征的重要指标。土壤侵蚀量的大小与当地的降雨条件，土壤结构等因素有密切关系，其中降雨时引起土壤侵蚀的第一要素，是主导因子，降雨特征影响水土流失的面积和强度。本文采用Renard[7]等分析美国 155 个实验站点的数据，提出了降雨量和R因子之间的回归方程，回归方程模型为：

(2)

式(2)中：R因子单位为(MJ·mm)/(hm2·h·年)；Pa为年降雨量。根据公式计算出研究区R值，将R值以常数的形式带到方程中运算。

经调查可以知；安定区近3年平均降雨量为380 mm，故R因子值为687.7(MJ·mm)/(hm2·h·年)。

3.1.2 K因子

根据联合国粮农组织(FAO)和维也纳国际应用系统研究所(IIASA)所构建的世界土壤数据库(Harmonized World Soil Database version 1.1 )(HWSD)得到安定区土壤类型图，通过ArcGIS提取安定区的土壤中的砂粒、粉粒、粘粒、有机碳的含量，采用Williams，在EPIC模型中提出K的估算公式，计算不同的土壤类型的K值[8]。

(3)

式(3)中：SAN、SIL、CLA、C分别为土壤中砂粒、粉粒、粘粒和有机碳含量所占百分比(%)，SNI=1-SAN/100。该式以K值大小表示土壤抗蚀性能的强弱，K值越大，抗蚀性能越弱，反之则强。利用GIS格栅计算器、公式(3)和土壤类型图得到安定区因子(表2)。

表2 不同土壤类型的SAN、SIL、CLA、C与K值

3.1.3 LS因子

USLE系列模型中，是用坡度、坡长做为地形因子，其中L表示坡长，S表示坡度。其中坡度对土壤侵蚀影响很大，是小流域影响土壤侵蚀的最重要因素。坡长L是污染源距离附近河流湖泊等水体的距离，坡长越大，产生径流就越大，携带的土壤侵蚀量越大。本研究结合安定区DEM数据，利用ArcGIS空间分析功能中的水文分析获得到安定区坡长S因子图，然后对DEM数据的填洼获得无洼地的DEM，对其分析获得坡长因子L图。

3.1.4 CP因子

C是植被覆盖和经营管理因子，反映植被覆盖对水土流失的影响大小，是其它条件相同时，经过植被管理的土地和普通标准土地发生水土流失量的比值；P是水土保持措施因子，是在保证其它条件相同时实行水土保持措施；一般来说，P值越小，经营管理的水土保持效果越好，水土侵蚀作用越小。研究根据《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2017)一级分类体系，针对研究区的地理特点将土地分为耕地、林草地、建设用地和难利用地四种类型。

本研究采用了刘宝元[9]等在《土壤侵蚀预报模型》中所确定的相应CP因子值。基于土地利用类型图，利用DEM数据和ArcGIS的空间分析得到安定区的CP因子的空间分布(表3)。

表3 土壤CP因子的确定

3.2 不同用地类型氮磷实测数据

在定西市安定区每种用地类型采样，利用型号为JN-QYF土壤养分仪多次测量求平均值确定不同用地类型的总磷、总氮量(表4)。

表4 氮磷污染负荷

4 研究结果

4.1 安定区土壤侵蚀分布图

通过前面的计算生成了定西市安定区土壤侵蚀计算所必需的各因素因子数据，利用土壤侵蚀公式和GIS中的格栅计算器而得安定区土壤侵蚀分布图(图1)。

4.2 安定区土壤侵蚀产生的氮磷量的分布图情况

结合GIS、总氮磷量和土壤侵蚀分布图，获得安定区土壤侵蚀过程中氮磷流失量分布图(图2、图3)。

4 结论

通过对土壤侵蚀和总氮磷流失分布、土壤侵蚀因子的对比，得到以下结论。

(1)定西市安定区氮磷流失的主要分布地区与土壤侵蚀分布强弱有关，强的土壤侵蚀主要分布在研究区域的坡长较大的区域；弱的土壤侵蚀主要分布在坡度0～8°的区域内。

(2)从图中可以看出土壤侵蚀过程中总磷的最高年流失量为29825.3 kg/hm2·年，总磷的最高年流失量为21871.6 kg/hm2·年。

(3)通过对影响水土流失的因子，如降雨侵蚀侵蚀因子，土地管理因子等六个影响因子进行分析，得到安定区的土壤侵蚀状况：安定区全区整体上都存在土壤侵蚀的问题，其中东北部的土壤侵蚀更为严重。整体上土壤侵蚀状况由南向北，由西向东呈现逐渐增加的趋势。

图1 土壤侵蚀分布

图2 总氮流失分布

(4)安定区农业面源污染风险评价及关键源区的识别。

结合安定区行政区域和氮、磷污染流失分布情况，将石峡湾乡北部，新集乡中部，香泉镇北部三个区域定为安定区的农业面源污染的污染控制区。

图3 总磷流失分布

5 结语

石峡湾乡北部，新集乡中部，香泉镇北部这3个区域的氮、磷污染严重，将这三个区域定为重污染区，作为安定区农业面源污染的关键源区，应该优先进行环境污染管理。这些区域主要为农业用地和建设用地，受人类活动影响较大，加之该区域的地形坡度较大，植被覆盖度较低，针对人类活动和地形地貌特点，提出以下建议。

(1)生物措施：退耕还林还草等。安定区东北部区域土地坡度较大，土地种植效益较差，减少人为因素对生态环境的影响，减低对该区域有计划、分步骤地进行退耕，因地制宜还林还草，恢复植被覆盖。

(2)工程措施：修建梯田等。安定区北部地处安定区北部高丘陵沟壑区，修建梯田可以有效地减缓土壤侵蚀强度，保持土壤养分，在一定程度上也可以起到保持土壤水分的作用，对土壤侵蚀性污染有积极重要的作用和意义。