长湖流域农田地表径流氮磷流失特征分析
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作者:杨思雨 谌婕妤 焦雪敏 王文荟 尹述政 许峰 黄运新
摘要 為明确长湖流域农田地表径流氮磷流失特征，了解高风险种植模式，以荆州市沙市区为例，采用流失系数法和遥感数据分析相结合进行了研究。结果表明，研究区7个乡镇农场农田地表径流氮、磷总流失量分别为539 023、19 850 kg，其中岑河镇最高，分别占沙市区氮、磷流失总量的45%、43%;沙市农场氮流失强度最高，立新乡磷流失强度最高。全区当季施肥造成的氮、磷流失分别占农田流失总量的28%、23%。15种种植模式中，氮、磷流失最大的模式分别为平地-旱地-大田、平地-水田，分别占农田流失总量的44%、46%。3种坡度中，平地的农田地表径流氮、磷流失量最大，分别占农田流失总量的91%、89%，陡坡地最小。4种土地利用类型中，旱地的农田地表径流氮、磷流失量分别占农田流失总量的49%、36%，水田分别占农田氮、磷流失总量的44%、53%。沙市农场和立新乡分别是氮、磷流失高风险区，平地-旱地-大田、平地-水田分别是氮、磷流失高风险种植模式。
关键词 农田地表径流;种植模式;空间分布;遥感数据; 氮磷流失
中图分类号 S 157.1文献标识码 A
文章编号 0517-6611（2020）04-0059-07
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.04.018
开放科学（资源服务）标识码（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
地表径流是农田土壤氮磷进入水体的一个主要途径，也是农业化肥进入水体最直接、最迅速的一种方式，是造成农业面源污染和河流、湖泊等水体富营養化的重要原因[1-3]。农田土壤地表径流氮磷流失的影响因素众多，地形、土地利用类型、耕作方式等因素都会直接或间接影响土壤氮磷流失量[4-6]。
种植模式综合反映地形、土地利用类型、耕作方式，可对地表径流氮磷流失产生重要影响[7]。特定种植模式对地表径流氮磷流失的影响包括2个方面，一是流失系数也就是单位面积的流失量，二是种植规模也就是种植面积。其中流失系数可通过历史经验或试验取得[8]，种植面积一般通过统计数据取得，这种方法虽然简单，但是没有考虑特定种植模式的实际空间分布，因此不能反映种植模式的空间影响，特别是无法准确识别高风险区域。
基于上述原因，该研究以长湖流域荆州市沙市区为研究区域，通过遥感影像数据分析，获取区域内不同种植模式及其面积，结合流失系数法对不同种植模式下氮磷流失进行估算，得到氮磷流失空间分布情况[9]，并分析种植模式的影响，识别高风险种植模式和高风险区域，为长湖流域农田面源污染防控提供依据。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
荆州市沙市区地处湖北省中南部，南北最宽相距26 km，东西最长相距29.7 km，国土面积522.75 km2（图1）。辖区包括5个街道、3个镇（岑河镇、观音垱镇、锣场镇）、3个乡（关沮乡、立新乡、联合乡）、1个农场（沙市农场）。区内河、湖、塘星罗棋布，雨水充沛，水资源丰富。长江和长湖为过境客水，是全区工农业生产及城乡居民生活的主要水源。其中长湖是湖北省第三大湖泊，位于沙市区北部，自西向东横贯其中，是沙市通江达海的黄金水道，为沙市提供泄洪、灌溉、供水保证，流域生态环境良好，湖内盛产鱼虾、菱藕等水产品，是各种水禽的天然栖息地。沙市区属亚热带季风性湿润气候，四季分明，雨热同季，兼有南北过渡的特点，日照充足，热量丰富，雨水充沛，无霜期长，年均气温为15.9～16.6 ℃，大多数年份降雨量为1 100～1 300 mm。沙市地形受荆江河道变迁和泥沙淤积影响，呈西南高、东北低之势。沙市地貌形态及其组合可分为河流阶地、冲湖平原、冲积平原、湖沼、荆江水道5个类型。沙市区农业资源丰富，农业产业发展优势明显，农业生产由地势决定，种植的农作物有棉花、玉米、水稻、小麦、红薯、油菜籽、芝麻、大豆、花生等。
1.2 研究方法
1.2.1 土地利用类型识别。
在地理空间数据云获取2018年5月17日荆州市沙市区的Landsat 8遥感影像，整体云量在5%以内，覆盖研究区的图像云量为0。NASA发射的Landsat 8卫星携带了OLI陆地成像仪和TIRS热红外传感器，OLI陆地成像仪包括9个波段，空间分辨率30 m，其中包括一个15 m的全色波段。与ETM+传感器相比，OLI包括了它们所有的波段，OLI全色波段Band 8波段范围变窄，使全色图像更易区分植被和无植被地区，有利于目视判读和城市土地利用分类[10]。因此该研究中遥感图像经过辐射定标、大气校正、多波段与全色波段影像融合、研究区域裁剪等预处理过程，最后得到研究区15 m分辨率的Landsat 8 OLI融合影像。
根据研究区域实际地表土地利用情况，通过遥感制图将沙市区划分为7种土地利用类型，包括水系、建筑用地、旱地、水田、园地、林地、其他利用地[11]。根据NDVI、MNDWI、NDBI等光谱特性以及遥感影像的色调、形状、纹理、灰度等特征，结合沙市区DEM数据以及Google Earth当前和历史影像资料，运用地理信息系统（GIS）[12]，采用人机交互的目视解译方法进行解译，得到土地利用类型的实际分布情况。主要技术流程如图2所示。
1.2.2 种植模式分类。
根据研究区实际情况，比照《全国农田面源污染排放系数手册》[7]中的分类标准，将研究区种植模式分为15种（表1）。其中大田以玉米、油菜、大豆等作物为代表，水田以水稻为主。沙市区国土面积为522.75 km2，其中农用地的面积为246.20 km2，包括耕地和园地，占区域总面积的47%。由于区域属于江汉平原，地势平坦，以及南方人多以水稻为主要粮食作物等特征，因此区域内水田居多。在这15种种植模式当中，平地-水田面积最广，占区域农用地面积的53%（表1）。
1.2.3 不同种植模式下流失系数的确定。根据《全国农田面源污染排放系数手册》[7]查找相对应的每种模式氮磷的流失系数，结果见表2。
1.2.4 流失系数法。农田地表径流氮磷流失的估算采用流失系数法。以种植模式为单元，根据每种种植模式的面积，结合《全国农田面源污染排放系数手册》[7]中不同种植模式对应的氮磷流失系数，计算出农田地表径流氮磷的流失量。其中常规流失量为常规施肥情况下农田一年种植周期内氮磷的流失量，土壤本底流失量为不施肥情况下农田一年种植周期内氮磷流失量。相关计算公式如下：
流失量（t）=流失系数（kg/hm2）×总面积（hm2）/1 000（1）
流失强度（kg/hm2）=总流失量（t）×1 000/种植模式的农用地面积（hm2）（2）
肥料养分流失量（t）=常规施肥流失量（t）-土壤本底流失量（t）（3） 2 结果与分析
2.1 氮磷流失量空间分布
2.1.1 地表径流氮流失量。
沙市区土地利用类型分布情况如图3，其中各类土地边界通过遥感影像解译确定，乡镇分区比照行政区图确定。5个街道的土地利用类型基本为建筑用地，以下氮磷流失量均不考虑这5个街道。从表3可看出，区域农田地表径流总氮流失量为539 023 kg。7个乡镇中岑河鎮的地表径流氮流失总量最大（243 521 kg），其次是观音垱镇（218 888 kg），地表径流氮流失总量最小的是立新乡（5 595 kg）。沙市区地表径流氮流失强度为21.9 kg/hm2，7个乡镇流失强度从大到小依次为沙市农场（37.1 kg/hm2）、联合乡（28.7 kg/hm2）、立新乡（28.7 kg/hm2）、锣场镇（28.0 kg/hm2）、岑河镇（22.3 kg/hm2）、关沮乡（20.3 kg/hm2）、观音垱镇（20.1 kg/hm2）。联合乡、立新乡、锣场镇的总氮流失强度差别不大，均高于岑河镇、关沮乡、观音垱镇（图4a）。氮流失量最大的种植模式是平地-旱地-大田（236 134 kg），其次是平地-水田（200 481 kg）（表4）。
2.1.2 地表径流磷流失量。
从表5可看出，沙市区农田地表径流总磷流失量为19 850 kg，地表径流总磷流失量最大的是岑河镇（8 484 kg），其次是观音垱镇（7 883 kg），沙市农场的地表径流总磷流失量最小，仅为400 kg;沙市区地表径流磷流失总量来源于农田本底的流失量为15 188 kg，占常规施肥情况下的流失量的77%。沙市区地表径流磷流失强度为0.8 kg/hm2，7个乡镇的地表径流磷流失强度从大到小依次为立新乡（1.6 kg/hm2）、沙市农场（1.5 kg/hm2）、联合乡（1.5 kg/hm2）、锣场镇（1.1 kg/hm2）、关沮乡（0.8 kg/hm2）、岑河镇（0.8 kg/hm2）、观音垱镇（0.7 kg/hm2）。立新乡、沙市农场、联合乡的总磷流失强度相差不大，并且明显高于关沮乡、岑河镇、观音垱镇（图4）。15种种植模式中，磷流失量最大的种植模式为平地-水田（9 225 kg），占总流失量的46.5%;其次为平地-旱地-大田（4 628 kg）（表6）。
2.2 不同地形（坡度）氮磷流失量差异
将沙市区农用地按照坡度种植模式分类，沙市区农用地主要以平地（坡度≤5°）为主，占农用地的84.6%，缓坡地（坡度5°～15°）和陡坡地（坡度>15°）占比较小，分别占农用地的14.7%、0.7%（表7）。
不同坡度下农田地表径流总氮流失总量从大到小依次为平地（489 473 kg）、缓坡地（47 879 kg）、陡坡地（1 670 kg），总磷流失量从大到小依次为平地（17 740 kg）、缓坡地（2 025 kg）、陡坡地（87 kg）（表8）。3种坡度中，平地占总氮流失量的91%，占总磷流失量的89%。不同坡度下地表径流氮流失强度从大到小依次为平地（23.5 kg/hm2）、缓坡地（13.2 kg/hm2）、陡坡地（9.7 kg/hm2），磷流失强度从大到小依次为平地（0.9 kg/hm2）、缓坡地（0.6 kg/hm2）、陡坡地（0.5 kg/hm2）（图5）。
2.3 不同土地利用方式氮磷流失量差异 沙市区农用地按照土地利用方式将15种种植模式分类为园地、水田、陡坡地、平原旱地。从表9可以看出，不同土地利用方式农田地表径流氮流失总量从大到小依次为平原旱地（258 668 kg）、水田（235 415 kg）、园地（29 408 kg）、陡坡地（8 618 kg）;磷流失总量从大到小依次为水田（10 416 kg）、平原旱地（6 949 kg）、园地（1 572 kg）、陡坡地（598 kg）。平原旱地和水田分别占总氮流失量的49%、44%;水田和平原旱地分别占总磷流失量的53%、36%。不同土地利用类型地表径流氮流失强度从大到小依次为平原旱地（39.1 kg/hm2）、园地（28.5 kg/hm2）、水田（15.5 kg/hm2）、陡坡地（6.2 kg/hm2）;磷流失强度从大到小依次为园地（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）（图6）。
3 讨论
地表径流氮、磷流失高风险区域分别为沙市农场、立新乡，沙市农场总氮流失强度最大，与种植模式中露地蔬菜、大田等高流失系数的模式所占面积比重较大有关，且肥料投入量大。李兆富等[13]、Liang等[14]研究表明流域氮流失强度随耕地比例增大而增大。沙市区地表径流氮、磷流失来源于农田本底的流失量分别占常规施肥情况下流失总量的72%、77%，对氮肥、磷肥投放加以控制可以有效地防控当季施肥造成的氮、磷流失，也能够减少土壤中氮肥、磷肥的残留，从而减少农田土壤本底氮、磷流失[15]。
地表径流氮、磷流失高风险种植模式分别为平地-旱地-大田、平地-水田，主要是因为平地-水田种植模式面积占比大，施肥频率高，施肥量大，导致肥料养分利用率低[16]。
沙市区平地的地表径流磷流失量最大，主要是因为平地农用地面积最大，且高流失系数种植模式多。张乃明等[17]研究表明，一定面积下随着坡度的增大，径流中输磷量呈增大的趋势， 但是平地土壤丰厚，易于耕作，种植量大，所积累的磷养分较坡地而言更高，这为农田地表径流氮磷流失提供了物质基础[18]。平原旱地和水田是防控氮磷流失的重点土地利用方式，主要是因为旱地、水田地势平坦，土地肥沃，农业种植面积大，肥料投入量大。平原旱地的主要作物为蔬菜和大田作物，蔬菜主要施用磷肥[19-20]，连续施用磷肥使得种植业发达的平原旱地土壤中累积大量的磷，这就造成平原旱地磷的本底流失量远大于肥料流失量。 4 结论
（1）沙市区农田氮、磷流失总量分别为539 023、19 850 kg，其中岑河镇最高，分别占沙市区氮、磷流失总量的45%、43%;沙市农场氮流失强度最大，立新乡磷流失强度最大，分别为氮、磷流失高风险区。
（2）沙市区农田本底氮流失量和当季施肥造成的氮流失量分别占常规施肥情况下氮流失量的72%、28%;磷流失量分别占常规磷流失量的77%、23%。
（3）15种种植模式中，农田地表径流氮、磷流失量最大的模式分别为平地-旱地-大田、平地-水田，分别占农田流失总量的44%、46%。
（4）不同坡度下，平地的农田地表径流氮流失量最大，陡坡地的氮流失量最小;不同坡度下农田地表径流磷流失量大小顺序与氮的一致。
（5）不同土地利用类型中，平原旱地和园地的农田地表径流氮磷流失量远大于水田和陡坡地;其中平原旱地的农田地表径流氮流失量最大，园地的农田地表径流磷流水田失量最大。
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