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1、书书书流域尺度农业磷流失危险性评价与关键源区识别方法!李!琪，#!陈利顶!齐!鑫，#!张心昱!马!岩，#（中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京$%&；#中国科学院研究生院，北京$(）摘!要!农业非点源磷污染是我国农村水环境面临的严重问题之一，由于非点源污染治理难度大，所以识别流域内磷流失的关键源区成为非点源磷污染评价的主要目的)本文在分析流域尺度磷流失危险与分级方案的基础上，根据*+,-./等提出的方法，建立了适合我国北方农业区流域尺度磷流失危险评价、分级与关键源区识别的方法)修正的流域尺度磷分级方案重点选取了%个评价因子，分别赋予不同的权重；每个因子的危险性等级根据我
2、国的行业标准和实际情况进行了调整)评价得到的“高”危险性区域就是流域内磷流失的关键源区)这一分级评价方案考虑了数据的可获得性和评价的定量性，在确定各因子时注重与*01 技术、地统计学等方法的结合，具有较强的可操作性和实用性)关键词!流域!磷分级方案!关键源区!非点源污染!评价文章编号!$2(33#（#$4）$(2(%#2$&!中图分类号!5&#!文献标识码!6!#$%&(#)$*+,)-)&(#(.$+,#,$*)/0+$+,.(#,1,$#,/(/1 2+,$0*#0+*3%/)43%/+0)*/)5 70 89，#，:;?9A，80 59，#，B;6=*59C,，D6 EF，#（!#$%$
3、&#()*+#)+&),-+(#.#./0$12).#3 45)3)1&，0$6$#+57 8$.$+,)+45)*4.92+).:$.#3!52$.5$6，872.$6$;*5#/$:&),!52$.5$6，+#/?#$-.29$+62&),872.$6$;5#/$:&),!52$.5$6，LK9J MK,-H.LNKMLNK-,M LKII,J9K 9M F M.O.-.L-K+I.P QK-,-FI RFJ.-+K?9.M 9:N9F，+,J NF-?JK HKJ-KI?9-.HJIC+.HF,M.KQ 9JM ML.H9FI HNF-FHJ.-9MJ9HM)0 JN9M LFL.-，F
4、FLL-KFHN K JN.HFJHNP.J MHFI.-9M/FMM.MMP.J F?H-9J9HFI MK,-H.F-.F 9?.J9Q9HFJ9K KQ FA-9H,IJ,-FILNKMLNK-,M IKMM 9 K-JN.-:N9F RFM PF?.，+FM.?K JN.HFJHNP.J MHFI.LNKMLNK-,M-F/9AMHN.P.F?JN.P.JNK?L-KLKM.?+C*+,-./$#3)F)TN.F-.FM R9JNN9AN-9M/-FJ9A KQ LNKMLNK-,M IKMM 9?.Q99J.HFJHNP.J R.-.JN.H-9J9HFIMK,-H.F-.FM QK
5、-KLK9J MK,-H.LNKMLNK-K,M LKII,J9K HKJ-KI 9 JNFJ HFJP.J)TN.FOF9IF+9I9JC KQK+JF9.?FJF F?JN.U,FJ9Q9HFJ9K KQ JN.FMM.MMP.J R.-.JF/.9JK FHHK,J 9 JN.R MHN.P.，F?*01 J.HN9U,.F?A.KMJFJ9MJ9HM R.-.,M.?QK-HKQ9-P9A JN.QFHJK-M)TN.-.QK-.，JN.RMHN.P.NF?.Q99J.KL.-F+9I9JC F?L-FHJ9HF+9I9JC):;LK9J MK,-H.M LKII,J9K；FMM.MM
6、P.J)!国家重点基础研究发展规划项目（#$&:V#$4）和国家自然科学基金资助项目（$34&）)!通讯作者)PF9I：I9?9AW-H.M)FH)H#$G3$收稿，#$4$G#接受)6=引=言磷是作物生长必需的营养元素之一，也是水体富营养化的限制性因子，#3)随着长期过量施用磷肥和有机肥，农田生态系统中磷素输入大于输出，导致我国农业地区土壤耕层磷素过度富集，加速了土壤中磷素向地表水体的迁移，加剧了受纳水体的富营养化程度#2#&，3)我国对农业非点源磷污染的研究和控制已经受到高度重视#4)由于农业非点源污染具有空间上分布的广泛性和时间上发生的不确定性等特点，对其控制和治理难度较大，需要耗费大量
7、的人力、物力和财力#，%，#，#%，3$23)近年来，在控制农业非点源污染时，人们开始关应 用 生 态 学 报!#$4 年(月!第%卷!第(期!:N9.M.XK,-FI KQ 6LLI9.?HKIKAC，1.L)#$4，67（(）：(%#2(%G注流域中磷素输出关键源区（!#$#!%&()!*%*%，+,-）的研究.许多研究表明，在农业非点源磷向水体输出的过程中，大部分磷往往来源于一些典型的农田 斑 块，这 些 区 域 被 称 为 磷 流 失 的 关 键 源区/，0，11，23.由于关键源区具有较高的向地表或地下水体输送磷的危险性，将关键源区作为治理农业非点源污染的优先控制区，加强对这些地区的
8、养分管理和控制规划，可以大大降低投入，提高非点源污染的控制效果4，50，54，15，21.确定流域内磷流失的关键源区最有效的方法就是针对不同的农田生态系统，进行非点源磷污染危险性评价.国外很早就认识到了非点源磷污染评价在非点源磷污染控制和管理中的作用，并在这方面做了许多工作.6*7)89(8 等52在综合考虑了多因子的相互作用后，首先提出了用磷指数评价法确定农业地区磷元素流失的危险性.由于该方法操作简单，所以很快在美国得到了推广使用5:，但该方法无法推广到大尺度的流域范围内.;%?*$*5/有针对性地提出了磷分级方案（A(A(B)%8=#8?!A*7*，CD,），在地块和流域两个尺度上同时评价
9、农业磷流失的危险性.但由于缺少必要的数据支持，再加上尺度转换问题，磷分级方案并没有取得预期的效果.E)?A*等51根据磷分级方案存在的不足，分别提出了地块尺度和流域尺度的磷流失危险分级方案，并将这两种方案运用到了爱尔兰的农业地区（以牧草地为主）.结果显示，这两种方案都具有识别磷流失关键源区的能力.E)?A*等51同时指出，作为一种评价工具，流域尺度的磷分级方案应根据不同地区的不同条件进行修正，以反映当地的真实情况.在我国还未见磷分级方案应用的报道.农业非点源污染是在降雨径流作用下形成的，它与水文现象密切相关，因此流域尺度是研究非点源污染的最佳尺度.本文在分析流域尺度磷分级方案的基础上，根据我国
10、北方农业地区的实际情况（以种植业为主），建立了修正的流域尺度磷流失危险分级方案，并提出了各因子的确定方法，为流域尺度磷分级方案在我国的运用提供了依据.!流域尺度磷流失危险分级方案!#$流域尺度磷分级方案及特点E)?A*等51提出的流域尺度磷流失危险分级方案（表 5）共选取了影响磷流失的:个评价因子，分别为磷肥施用量、受纳水体水质、河网密度、农场密度、土壤磷含量以及径流危险性.根据每个因子对磷流失的贡献大小赋予了不同的权重.每个因子都有 2 个流失危险性等级（低、中、高），并对应相应的等级分值（5、1、F）.把某一流域内各因子的等级值与相应权重的乘积相加，就得到了最后的评价值，这个值就代表了该地
11、区磷流失的危险性大小，其中危险性高的地区就是磷流失的关键源区51.从表 5 可以看出，流域尺度磷分级方案中各因子的确定方法比较简单，经过相对简便的调查、计算或判定，就可以确定出各因子的等级分值，并计算出磷流失的危险性.因此，流域尺度磷分级方案最大的特点就是操作过程简便，农民可以把它们当作农业磷流失危险性的评价工具来直接应用.!#!流域尺度磷流失危险分级方案的局限性表$流域尺度磷分级方案%&($)*+,-*+./,.&01203,4*565&7 4&74*6507,4&85因子G%!$(权重H*#?A$磷流失I 迁移危险 CA(A()&(I$%8($#=低（5）6(J（5）中（1）*K#)7（1
12、）高（F）E#?A（F）磷肥施用量 C)%?*5L 3（无施用为 3）3 M/=?CA7N1/M53=?CA7N1O53=?CA7N1受纳水体水质+(8K#$#(8(P*!*#Q#8?J%$*3L/无营养化问题的水体中营养化湖泊富营养化或超营养化湖泊河网密度 D%$#(P&%8K$(J%$*3L 0/O5I2:=7=7N15IFF M5I2:=7=7N1R5IFF=7=7N1农场密度 G%79%K K*8#$93L S（无家畜为 3）O 每 23 A71一个农场每 5/M23 A71一个农场R 每 5/A71一个农场土壤磷含量,(#&C!(8$*8$3L S3 M:7?C6N5:L 5 M5/
13、7?C6N5O5/7?C6N5径流风险!D)8(PP#=5L 3雨量较少地区的干旱土壤、不产生径流的干旱土壤、不产生径流的含水层较薄的土壤邻近河漫滩的平原土壤、潮湿气候条件下偶尔产生渗流的较干燥的土壤雨量丰富地区的永久性湿地土壤、水力传导率小于 2!7KN5的土壤、低坡度下经常产生渗流的潮湿土壤磷分级方案：R0L 2 T“低”危险性；0L 2 M5FL:T“中”危险性；O5FL:T“高”危险性 CA(A()%8=#8?!A*7*：R0L 2 T“&(J”#=；0L 2 N5FL:T“7*K#)7”#=；O5FL:T“A#?A”#=.!根据爱尔兰农业与食品发展机构的土壤流失危险种类确定+(8P#
14、7*K VW;().2S454 期X X X X X X X X X X X 李X 琪等：流域尺度农业磷流失危险性评价与关键源区识别方法X X X X X X X!由于受数据的限制，并考虑到爱尔兰农业生产的实际情况，#$%&等()提出的磷分级方案中并没有把流域尺度上影响磷流失的重要因子全部包括进去*此外，#$%&等是用定性方法来确定受纳水体水质和径流风险等因子的评价等级*这种方法虽然会方便农民操作，但同时也会降低评价结果的精度*同时，该方案与早期的磷指数评价法雷同，只是简单地将各因子的分值相加得到磷流失的危险性值，而忽略了各因子之间的相关性，值得商榷*!修正后的流域尺度磷流失危险性评价与分级方
15、案!由于我国气候、土壤、种植作物及农田管理方式等与爱尔兰有很大的差异，在运用磷流失危险评价与分级方案时，必须针对国内的实际情况进行修正*根据我国的行业标准及实际情况，考虑到数据的可获得性和评价的定量性，本研究中对流域尺度的磷分级方案进行了如下修正（表)）*!#$评价因子的选择综合国内外的研究成果+，(,，)-./,，并考虑到流域尺度上数据的可获得性、评价的定量性以及我国的实际情况，修正的流域尺度磷流失危险性评价与分级方案把影响磷流失的因子分为源因子和迁移因子两类，源因子选取了磷肥施用量、施用时间、施用方式、土壤有效磷含量作为评价指标；迁移因子选取了土壤侵蚀、年径流深、至河流的距离、受纳水体水质
16、作为评价指标*这些因子基本上包括了流域尺度内影响磷流失的重要因子，弥补了流域尺度磷流失危险分级方案评价指标体系的不足*!#%各因子权重及流失等级的确定根据中华人民共和国地表水环境质量标准（01/2/23),)）、中华人民共和国土壤侵蚀分类分级标准（45(-,3-+）以及我国北方农业区的实际情况，对各影响因子的权重及其流失等级进行了修正*从表)可以看出，修正的方案尽量采用定量的方式来确定磷流失的危险等级，以提高评价结果的精度*!#!计算方法06#7&8 等+将影响磷流失的因子分为两类：源因子和迁移因子，并认为磷流失依赖于两类因子的同时发生，建议将两类因子相乘来计算磷流失危险值，以保证在磷源和有效
17、的迁移机制同时存在时，磷流失才会发生*许多学者都认同这一观点/，(,，),*本文也采用了 06#7&8 等的计算方法，对磷流失危险性进行计算的公式为：评价值!（源因子等级值#权重）#（迁移因子等级值）&各因子的确定方法在各因子确定方法上，修正的流域尺度磷分级方案注重将传统的数据处理方法（问卷调查法、取样分析法等）与近年来较为先进的空间数据处理技术（094 技术、地统计学方法等）相结合，进一步提高该评价法的精度和定量分析能力*&#$源因子的确定方法磷肥施用量、施用时间和施用方式是人为管理方式影响磷流失的主要因子，我国北方农业区以分散经营为主，各农户在磷肥的管理方式上各不相同*但从用地类型的角度来
18、看，在相同的土地利用方式下，各农户的磷肥施用量、施用时间和施用方式大致相同*结合土地利用方式，利用农户调查的方法可以确定流域尺度内这/个因子的磷流失危险等级*表%修正后的流域尺度磷分级方案()*%+,-./.0-1(2134052 61(70 83,683,9:6 9(5;.5 613040权重:&;$%?%7#7;8 7AB8（CA#&）源因子 4#7D&EAD7低 5F（(）中 G&H;#I（)）高;$%（J）!磷肥施用量=#A$&(K,L+,8$=%I.)+,L(),8$=%I.)M(),8$=%I.)!磷肥施用时间=A?;DAB HA&,K-一次施肥：春季或种植前两次施肥：春季和夏末两
19、次施肥：春季和夏初!磷肥施用方式=A?;DAB I&H,K 2施用深度大于 N DI播种时与土混合表施!土壤有效磷含量 4;ACA;A6&=,K 2,LN I$=8$.(N L(,I$=8$.(M(,I$=8$.(权重:&;$%?%7#7;8 7AB8（CA#&）迁移因子 O7AB?7 EAD7低 5F（,K+）中 G&H;#I（,K 2）高;$%（(K,）!土壤侵蚀 4;&7;B(K,P)N,8I.)A.()N,LN,8I.)A.(MN,8I.)A.(!年径流深 Q&?E ABB#A 7#BEE(K,LN DIN L),DIM),DI!至河流的距离 Q;ABD&7;C&7(K,MN,I(N,
20、LN,IP(N,I!受纳水体水质 R&D&;C;B$FA&7 S#A;F”7;8；(K)./K,U“I&H;#I”7;8；M/K,U“%;$%”7;8*J2-(!应!用!生!态!学!报!(2 卷!土壤表层有效磷含量的高低直接影响随地表径流和土壤侵蚀流失的可溶性磷和颗粒态磷的量 近年来，国内学者在利用地统计学方法预测农业土壤耕层养分含量方面取得了很好的进展 在流域内进行土壤样品的采样分析，利用地统计学方法，就可以比较方便地确定出流域内土壤表层的有效磷含量!#$迁移因子的确定方法!#%土壤侵蚀!我国的农业土壤侵蚀现象十分严重，随土壤侵蚀而流失的磷也是引起农村水环境富营养化的主要来源之一 国内采用通
21、用土壤流失方程（#$%&）来预测土壤流失量，(，)*，公式为：!#$%$&$($)式中：!代表土壤侵蚀量（+,-.)）；#为降雨侵蚀力因子（/0-,-.),.(）；%为土壤侵蚀力因子（+,.(/0.(-.(）；&为坡度坡长因子，无量纲；(为植被覆盖和管理因子，无量纲；)为水土保持措施因子，无量纲!#年径流深!随地表径流进入受纳水体是农业非点源磷污染发生的另一主要途径 通常，流域内的年降雨量越大，产生的地表径流越多，磷流失的危险性就越高 本研究选用年径流深作为衡量径流对磷流失的影响指标 年径流深是指将年径流量均匀地铺在整个流域上所相当的水层深度，计算公式为：#)$!式中：#为年径流深；)为年降雨
22、量；!为年径流系数!#&至河流的距离!一般认为，土壤对磷有较强的固定能力，磷在土壤中很难移动(，(1，所以在流域范围内，至河流的距离也是影响磷流失的重要因素 利用数字高程图（2&/）和 34$的距离分析功能，得到流域内各点至河流的距离!#!受纳水体水质!农业非点源磷流失进入水体，超过了水体的自净能力，就会引起农村水质的恶化 水体的水质越好，其自净能力也越强，因此，受纳水体的水质也是磷流失危险性评价中必须考虑的因素 通过定点采样和实验室分析，就可以确定出受纳水体的水质状况$磷分级方案以及关键源区的识别根据修正后的流域尺度磷分级方案各因子的权重、等级分值以及计算公式，得出最后的评价值范围在 56
23、7(6 5 为了确定最终的危险性等级，我们提出以下假设：当流域内某一点至少有两个源因子和两个迁移因子同时处于磷流失的中等危险等级时，则认为该点的磷流失危险性为中等；同样，当至少有两个源因子和两个迁移因子同时处于磷流失的高危险等级时，则认为该点具有磷流失的高危险性 在这个假设的基础上，我们完成了流域尺度下磷流失危险性大小的分级方案（表)）在最终的分级方案中，“高”危险性的区域就是流域内磷流失的关键源区($结$语修正的流域尺度磷流失危险分级方案是针对我国北方农业区的特点而提出的，与 89:,;?A;B+;$C，?DE FG，E;HH 2%，*+,-(II1FEBJAEKB+AEHH9+KEB EL
24、 9L?D;M?+;MK+,A,EA,E9,;B%J2（陈利顶），G9 PJ0（傅伯杰）)555 G?-;DEQ+;-?B?:;-;B+?BN DEB+EH EL BEBJAEKB+,KB;E?H;G0，$K-0R，%;Q+;-SP)55)SDD;H;?+;N N;JAHEQ-;B+EL?B?:KD9H+9?H B9+K;B+-?B?:;-;B+EEH：R,;/?QH?BN T,EA,E9$K+;4BN;U 90:74,-0;.462，&%：(V(.(V*!G9$J8（符素华），W,?B:XJ3（张卫国），%K9 PJY（刘宝元），*+,-)55(P;KZKB:-E9B+?KB?;?EKH;E
25、J,KB;）O!39;X0，$,?AH;Q SF(II1 8QNEHE:KD DEB+EH EBA,EA,E9 HE LE-9AH?BN?:KD9H+9?H M?+;,;N，#*：)*V.)VV*!39;X0，$,?AH;Q SF，8;?+,M?K+;%，*+,-)555T,EA,E9-?B?:;-;B+?+,;M?+;,;N D?H;：S-ENJKLKD?+KEB EL+,;A,EA,E9 KBN;U 90:74,-0;.462704O1I(I 期!李!琪等：流域尺度农业磷流失危险性评价与关键源区识别方法!#$%&(%&)$*，!：!#$!%&()*+),-./0，(1234,-.5，6),
26、789:;?4,4A2.492.4,B9-,)C9A1,)CD.*D,4E4+8F)E 2)-.3)*9 A4,948EBCD1,+,)G1D+,)99E)CD (1;K:（贺缠生），?B LK6（傅伯杰），;.1C 5KM（陈利顶）N4CK248C-94B,F1 24EEB-84C F4C-,4E)CD)C)+11C-&$=!（8C;.8C191）=(1)-.3)8-1 O5，64.C19/6!=H P.1 F4C-,8QB-84C 4AC8-,4+1C 921F819)CD 2.492.4,B9 A,)F-84C9-4 9-,1)3)K-1,RB)E8-*8C)+,8FBE-B,)EF)-
27、F.1C-!#(1)-.3)8-1 O5，:.),2E1*ON，SQB,1T U6 J#OF4CF12-B)E)22,4)F.A4,8C-1+,)-8C+2.492.4,B9)CD C8K-,4+1C)C)+11C-)-3)-1,9.1D 9F)E19$!HH!(4C+(K:（洪华生），V)C+V（杨远），(B)C+6K5（黄金良）J#I/,1D8F-84C 4A 948E 1,4984C)-9)EE 3)K-1,9.1D E171E Q)91D 4C SW:)CD XC871,9)E:48E 5499 YKRB)-84C（X:5Y）/-(,#%&-0:)%!#;#)4,9)$*（N)-B,)
28、E:F81CF1）（厦门大学学报自然科学版），#（I）：H&I$H&=（8C;.8C191）!J(B+.19 Z6，0)+1-1 U5，ZB,G W J#I WD1C-8A*8C+F,8-8F)E 94B,F1),1)9 A4,2.492.4,B9 E499 8C W,1E)CD B98C+A81ED)CD F)-F.1C-9F)E1,)CT8C+9F.119/-(,#%&-05*6,-&-7*，&%#：%#$%I!51BC*4C 65，S8EQ1,-S!=;4CF12-)CD C11D A4,)2.492.4,B9)991991C-44E/-(,#%&-0 8,-6(2$)-#$%H!%5
29、6K5（吕家珑），.)C+VK/（张一平），.)C+6K;（张君常），$%&!=:-BD819 4C 2.492.4,B9-,)C9K24,-8C 948E9 J（8C;.8C191）!I 0)+1-1 U5!=?)F-4,9)AA1F-8C+E49919 4A CB-,81C-9A,4)+,8FBE-B,)E 9*9-19)CD D1E871,*-4 3)-1,1K94B,F19 ;),-4C _P，1D M,)A-SB8D1E8C19 A4,NB-,81C-X91 8C WC-1C9871 O+,8FBE-B,)E YC-1,2,891，P1)+)9F U1KA4,D，W,1E)CD：64
30、.C9-43C;)9-E1 191),F.)CD M171E42K1C-;1C-,1：H$!H 0)EE),8C4 O/，:-13),-L0，L)T1,65，$%&J#J/.492.4,B9 8CD18C+A4,F,42E)CD：_71,7813)CD Q)98FF4CF12-9 4A-.1 W43)2.492.4,B9 8CD1-#9,4%$)-#，()：%#$%&!&N11D1E)C LO，SQB,1T U6，:.),2E1*ON，$%&J#!YC78,4C1C-)E)C)+11C-4A 948E 2.492.4,B9：04D1EK8C+92)-8)E 7),8)Q8E8-*8C 9)EE
31、 A81ED9 1-)&12)#2 1-2)$*-0 :.)C VK(（单艳红），V)C+5K（杨林章），U)C+6KS（王建国）J#%:48E 2.492.4,B9 E499-4 3)-1,：W-92)-.3)*9，1C78,4C1C-)E 82)F-，)CD F4BC-1,1)9B,19（8C;.8C191）!=:.),2E1*ON，;.)2,):;，U1D124.E，$%&!=%0)C)+8C+)+,8FBE-B,)E 2.492.4,B9 A4,2,4-1F-84C 4A 9B,KA)F1 3)-1,9：W99B19)CD 24-84C9/-(,#%&-0+#4),-#!#3$%&(%
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35、H V1 K(（叶芝菡），58B LKV（刘宝元），.)C+UKL（章文波），$%&J#:-BD*4C,)8CA)EE 1,49878-*)CD8-9 92)-8)E D89-,8QB-84C 8C L18c8C+-#9,4%$)-#（中国水土保持科学），$（!）：!H$J#（8C;.8C191）J&V8C;Kd（尹澄清），0)4 K/（毛战坡）J#J N4CK248C-24EEB-84C F4C-,4E A4,B,)E),1)9 4A;.8C)38-.1F4KE4+8F)E 1C+8C11,8C+-1F.C4E4+819A)#9/-(,#%&-0 VB)C:K?（苑韶峰），5 6（吕军），V
36、B 6KV（俞劲炎）J#%01-.4D9 4A 2,171C-84C)CD FB,1-4 ON/:/F)B91D Q*C8-,4+1C)CD 2.492.4,B9-#9,4%$)-#（水土保持学报），$*（!）：!JJ$!JI（8C;.8C191）J=.)C+:K（张淑荣），;.1C 5KM（陈利顶），?B LK6（傅伯杰）J#!O22,4)F.A4,)+,8FBE-B,)E C4CK248C-94B,F1 24EEB-84C 91C98Q8E8-*)991991C-#9,4%$)-#（水土保持学报），$(（J）：IH$I=（8C;.8C191）#.)C+:K（张淑荣），;.1C 5KM（陈利
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