（环境科学专业论文）密云县境内密云水库上游地区磷流失危险性评价.pdf

首都师范大学硕士学位论文 砌s ko fp h o s p h o r u sl o s si nt h ew a t e r s h e do fm i y u nr e s e r 、r o i r a b s t r a c t a c c d e r a t e db yh u m a na c t i v i t y ，e u t r o p h i c a t i o nh a sb e c o m ead i 伍c u l tp r o b l e mo ft h ew o r l d ， e s p e c i a l l yi no u rc o u n t r y m a i l yr e s e a r c h e sh a v er e v e a l e d t h a te u 仃0 p h i c a t i o ni sr c l a t e dt o a 鲥c u l t u r cn o n _ p o i n tp o l l u t i o nc l o s e l y a sa j li m p o n a l l tw a t e rs o l l r c e ，m i y u nr e s e r v o i r 讪l y sac n l c i a lr o l ei nb e i j i n g t h ew a t e r q u a l 时o fm i y u nr e s e r v o i ri sa tm e d i u m e u 仃o p h i c a t i o ns i t u a t i o n ，w h i c hi sm a i n l yc a u s c db ym e n o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ( n p s ) i nt h ew a t e 曲e d ，a i l dp h o s p h o 兀l s ( p ) i sm el i m i t e df h c t o ls o ， i ti si m p o r t a n tt os 州yo npl o s ss e n s i t i v i t yi nt h i sw a t e r s h e d i nm i sp 印e r ，r i s ko fpl o s si nm i ”nr e s e r v o i rw a t e r s h e di se s t i m a t e db ypi n d c x m a n y k i n d so ff a c t o r ss u c ha s ，s o i le r o s i o n ，d i s t a n c et ow a t e rb o d y ，瑚。置s o i lpt e s t ，a p p l i c a t i o nr a t e a i l dm e t h o do fpf 甜i l i ze r a i l ds oo na r cn e e d e dt oc a l c u l a t epi n d c x t h e s ef a c t o r sa r eo b t a i n e d b yu s i n gg i s ，e x p 耐m e l l t a t i o n ，f i e l ds u r v e ya n ds oo n p id i 蜘b u t i o ni sc l a s s i f i e db yf i v eg r a d e so f1 0 w e s t ，1 0 w ，m 础啪，h i 出，l l i 咖e s t ，w h i c h o c c u p i e s5 6 3 2 ，3 6 2 6 ，4 1 2 ，2 5 0 ，a 1 1 do 8 1 o f t o t a l 棚s t h eh i 曲一d s kr e 西o ni so n l y 3 3 o f t o t a lr c s e 卵c h e da r e a ，m a i n l yo ne a s ta n dm i da n dn e a rt or i v e r s ，t h e s ea r e ai sr e c o g n i z e d a sc r i t i c a ls o u r c ea r e a ( c s a ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fa n a l y s i so fc s a a n dd i s 砸b u 廿o no fe a c hf k t o r l a n d i l s ei sf b u i l dt o b et h ek e yf a c t o rt opl o s s p ii sh i 曲w h e r em e s ei sf 址n l a l l d ，t h ept e s ta j l d 印p l i c a t i o nr a t eo fp f e r t i l i z e rt h e s ei sh i g h w h e nt h eo t h e rf a c t o ri sm es 啪ea se a c ho m e r ，t h er e 垂o n sp ii sh i g ht h a t i sn e a r t o l e “v e t b a s e do nt h ea 1 1 a l y s i sr e s u l tu p o n ，t h ea u t h o rp u tf b 九v a r de f f b c t i v em a l l a g e m e n t ，i n c l u d i n g n u t r i e n tm a n a g e m c n ta n dl a n dm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：pi n d e x ，l o s s ，s e n s i d v i t y ，g i s ，m ) r l l l lr e s e r v o i r 首都师范人学硕十学位沦文 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 小人完全意识到奉卢明的法律结果出本人承担。 学位论文作者签名：王丽华 刚胡船年月如 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 学位论文作者签名：王庙哗 日期a 辟加g 同 首都师范大学硕+ 学位论文 1 1 磷与非点源污染 第一章绪论 人类活动导致的水体加速富营养化现象是当今世界的水污染难题，己成为世人关注的 主要环境问题之一。我因湖泊富营养化的问题也f 益严重，太湖、巢湖和滇池等富营养化 严重的湖泊被定为国家水污染防治重点，采取了“荚、停、并、转、迁”重污染企业和流 域内禁用含磷洗涤剂等一系列治理措施。国内湖泊达到富营养化的水体己占6 3 3 ，其中 许多重要水体的磷、氮污染负荷5 0 以e 来自农业非点源污染负荷，北京密云水库、天津 于桥水库、安徽巢湖、云南洱海、上海淀山湖等水域，非点源污染比例已经超过点源污染 上升为威胁地表水的主要污染源【1 。 水体富营养化的影响因素很多，其营养物质来源也十分复杂。在影响初级生产力的众 多营养物质中，磷往往是淡水生态系统中最重要的限制因素f 2 4 1 。七十年代以来，国内外的 大量研究成果表明，当发生磷富集时，水体中的藻类能够利用大气中的碳和氮使其初级生 产力显著提高，而在缺磷的状态下加碳、氮等营养元素，水体的初级生产力却没有明显的 变化瞰】。即使对于一些氮是限制因素的富营养化水体，如果采取措施消减磷的输入，使磷 成为限制性因素，也可以起到改善水质的作用【“。因此，要防治水体的富营养化，最关键 的是要对磷来源加以控制。 在发达国家，最初的治理重点是放在城市污水等点源污染上的，但取得的成效却非常 有限，水体中营养物质富集导致的富营养化现象却并未因此而有显著的减轻 6 母】。因此，在 过去的卜多年里，非点源污染的研究和治理日益受到重视。 大量的研究结果表明，农业非点源磷污染对水环境恶化有着十分显著的贡献，富营养 化现象的发生与农田土壤的磷素流失有着密切的关系【2 4 ，如。12 1 。在美国，6 4 受污染河流 利5 7 受污染湖泊的主要污染源是农田径流。 农业非点源污染的磷主要来自农田径流。上壤中的磷素积累必然导致径流中磷浓度的 提高。作物对磷肥的利用率很低，通常情况卜- 当季作物只有5 i 5 ，加上后效一般也 不超过2 5 ，约占施入总量的7 5 9 0 的磷滞留在土壤中，绝大部分以不同的形态存 在于土壤中和转入地下水。长期施用磷肥，会导致农田耕层土壤处于富磷状态，在雨水冲 刷下随径流不断进入水体，形成大面积的面源磷污染。 首都师范人学硕士学位论文 土壤中的磷根据其有效性可分为3 种类型可溶性磷、活性磷及稳定性磷。可溶性 磷指土壤中的有效磷，其数量不足l 。活性磷和稳定性磷与土壤相态密切相关，多以无 机磷和有机磷的形式存在于土壤中。活性磷和可溶性磷之间有一个动态平衡关系，当可溶 性磷被吸收或流失，活性磷可通过吸附作用、 性磷指土壤中的固态磷，数量很多，活性差， 机化合物中，无机磷的形态主要有磷酸铝盐、 形态磷问有一个平衡关系15 1 。 分解作用及矿化作用转化为可溶性磷。稳定 不能直接被植物利用，广泛分布于有机和无 磷酸铁盐及磷酸钙盐等，但稳定性磷和其它 农田土壤流失的磷分为溶解态磷( d p ，d i s s 0 1 v e dp ) 和颗粒念磷( p p ，p a n i c u l a t e p ) ， 区分这两种形态磷的标准方法是用0 4 5 址m 的滤纸过滤，溶解态磷以正磷酸盐形式存在， 可为藻类直接吸收利用；颗粒态磷包括磷矿物、含磷有机质和被吸附在土壤颗粒上的磷， 可成为溶解态磷的潜在补给源。 土壤中颗粒态磷的流失是一个复杂的过程，受到与降雨事件、土壤性质及管理水平等 密切相关的径流和侵蚀过程的影响，在侵蚀过程中，粘土和有机胶体等含磷量较高的细粒 部分更容易被剥离和搬运，从而导致径流泥沙中磷含量高于被侵蚀土壤中的含磷量，即所 谓的磷富集现象。一般来说，草地和林地径流中的磷以溶解态磷为主，农田土壤流失总磷 中颗粒态磷占主要部分( 7 5 一9 5 ) ，但水土保持耕作法与常规耕作法相比，总磷显著 减少，溶解态磷数量可超过颗粒态磷i m l 。 全世界每年大约有3 0 0 4 0 0 万吨p 2 0 5 从土壤迁移到水体中，美国每年由化肥和土壤 进入水生生态系统的磷达4 5 力- 吨左右，日本水田磷的排出负荷量为o 3 8 4 k h r n 2 乍， 陕西黄土高原侵蚀最严重的地区府谷县、米脂县农阳中磷流失量分别为9 9 k h m 2 a 和 8 ，7 k h m 2 a 。根据采用封闭体系和磷素平衡法对农田排水磷负荷量进行的实验表明， 在雨水较丰富的1 9 8 7 年苏南太湖地区排出磷负荷总量4 4 0 t a ，平均耕地排出5 3 7 酣l i i l 2 龟， 在旱地排水中，固体物质的含磷量占总磷量的7 8 7 。湖北省2 0 0 1 年磷肥的生产量达到1 4 3 3 5 万t a ，磷肥的施用量也由1 9 9 0 年的8 9 k h m 2 a 上升到2 0 0 1 年的1 6 8k h m 2 a ，施 用量增加了将近t 倍【1 3 1 。 按当季作物和后效作用共2 0 的利用率计算，尚有4 3 6 5 万吨磷肥未被有效利用，这 些未被利用的磷素或被雨水径流带入水体，对水资源造成污染，或仍保留在土壤中，对环 境造成潜在污染f 1 3 】。 由于普遍存在的磷素投入量大大高于其带出量，农田生态系统中的磷盈余使得土壤中 的总磷和有效磷的含量彳i 断上升。据中科院“八五”期间对我国农业土壤磷素平衡状况的 首都师范人学硕七学位论文 研究，从2 0 世纪7 0 年代中期丌始，我国各地的典型地区农田土壤的磷素收入均超过支出的 1 倍以上【1 3 】。北京地区近年来速效磷含量以1 m k g a 的速度增长。 晏维金等的模拟试验结果表明，在特定的土壤和降雨径流条件下，流失的磷中8 0 以 上是颗粒态形式的磷，而颗粒念磷中6 0 9 0 以上的磷随o 1 m m 以下的颗粒物流失 1 7 。磷通常以农田排水和地表径流的方式进入地表水体造成污染。随径流流失是农田土 壤中的磷进入水体的主要途径1 8 1 。稻田施用磷肥或有机无机配施均可提高田面水总磷水 平，并随着时间的推移显著下降【1 9 上o 】。张水铭等的研究结果表明，各种水体中磷的浓度： 罔面水 地表排出水 灌溉水 渗漏水【2 “。在降雨强度过大或人为排水的情况下，磷流失 的量也越大，田面水与田外水之问磷含量的相关系数为0 8 0 6 ，达极显著水平。土壤扰 动情况对磷素的径流流失起一定的作用，传统耕作土壤生物有效磷的流失量是免耕土壤的 3 倍捌。磷的流失量还与植被、地形条件有很大关系，一般盆地 丘陵 山地，丘陵、山地中 等坡度( 2 5 。左右) 磷的流失量最大。 冈此，耍防治水体的富营养化，最芡键的是要对十壤磷的来源、迁移途径加以控制。 1 2 磷素管理措施 农业生产中，磷素管理的最终目标是使施用到农业体系中的磷和以产品形式输出的磷 二者之间达到平衡，以防止过多的磷被施入，并且使土壤磷含量保持在农学性状的最佳水 平，同时对环境产生的影响最小。美国农业部农学家m c d o w e l l 等经过长期研究制定了一 个始终以动物粪肥施用养分管理为对象的联合措旋。这一联合措旌为开发合适的磷素养分 管理措旌提供了3 个供选方案，这3 个方案分别是农业土壤磷建议施用量、环境土壤磷临界 值和磷指数法，利用他们可以根据田块相对磷流失潜力的大小给土地分级 2 3 。2 5 1 。 1 2 1 农业磷建议施用量 在这一方案巾，粪肥施用量应当以最佳作物产量的施肥建议为基础。换句话说，如果 土壤含磷量要求给种植的作物增施磷，则粪肥的施用仅仅是为了提供建议施入的磷。如果 土壤含磷量建议不需增旋磷，则不旌粪肥或仅施少量。 1 2 2 环境土壤分析磷临界值 在这一方案中，土壤含磷量是建立在农业地表径流中磷的富集使水体不能再接受的含 量基础之上的。如果应用动物粪肥施用措施制定的磷的临界值，则在土壤含磷量基础上仅 施少量或不施粪肥，准确的临界值水平很可能是一个特殊数值，并可南下述调查方法来测 1 首都师范人学硕十学位论文 定。这种方法在管理磷、保护环境方面比起农业土壤分析策略来，具有更强的科学根据。 首先，通过取样和提取来估计土壤中的磷流失潜力。其次，通过试验结果对标准田块中土 壤磷水平与径流中磷水平间关系进行校j 下。但是，这一方法的主要问题在于当土壤含磷量 太大引起农业地表径流中磷富集从而使得水体无法再接受时，l 临界值土壤分析磷含量标准 j 可以确定下来。 在美国一些州中，一些粪肥管理法规建议粪肥施用要以土壤磷的农业分析含量为基 础，而不是以粪肥氮的含量为基础。如果这些法规是以环境临界值为基础，用土壤磷含量 来区分具有较大磷流失势的田块比起仅仅以农业临界值为基础具有更大成功的可能。这种 方法更有可能减少对农民的限制，并且具有更大的技术保护性。但是以上这两种管理策略 都忽略了磷输移环境因素的影响，因此忽略了土壤对磷流失的危险性。 在一个流域中，如果某一地的土壤磷含量比较高，但是这个地区的土壤侵蚀程度很弱， 或者离河流非常远，那么这些区域对河流的磷污染就会很小；而有些地区可能土壤磷含量 不高，但是由于土壤侵蚀强烈或离河流非常近，就使得磷很容易进入河流，对河流造成磷 污染。农业磷素的流失范围是非常广的，因此它对水体的影响也是来自很大的范围内，所 以，仅仅以土壤中的磷对植物生长的影响为标准来控制磷肥的施用量是不够的，流域内磷 流失的防治还必须定义、确定和治理那些同时具有高的土壤磷含量高和具有高土壤侵蚀和 高地表径流势的地区。而磷指数法很全面地考虑到了这几方面。 1 2 3 磷指数法 在此管理方案中，通过磷指数值确定在一个流域内容易造成磷流失的具体区域，以促 进磷的管理和治理。现在已经认识到在同一景观中并非所有地区都会造成磷的流失，同时 认识到流失的主流来自于主要流域中的一小块用地，并且磷的流失仅仅是由于几次暴雨所 致。由于磷流失的发生要求有磷源和输送磷到地表水的输移机制，所以，关于磷流失的有 效环境管理要求同时知道这两个因素。阻止磷的流失应着重于定义、确定和治理那些只有 当高地表径流量和侵蚀势同时发生时才具有较高的土壤磷含量的来源区。 磷指数法数据的获得比较容易，因此该方法应用广泛，在美国4 7 个州得到了使用2 6 1 。 欧洲一些国家也利用磷指数法束测定磷的流失情况，比如挪威、月麦等【27 1 。我国张淑荣等 利用磷指数法计算了于桥水库周边地区的磷流失危险程度 2 8 。 1 2 4 我国对磷的管理现状 目前，我国对磷的管理措施主要是以作物的需磷量为标准。精准施肥要求能根据土壤 首都师范大学硕十学位论文 类型、土壤养分肥力等级及其空间分布特征，按照作物需肥规律合理调配肥料用量及不同 肥料配比，力求达到施肥合理性与科学性，以提高肥料利用效率，降低生产成本，减少因 过量施肥对环境造成的危害，并逐渐降低土壤养分的空间变异性，保持土壤养分库平衡发 展，为农业可持续发展奠定基础f 2 9 3 2 1 。 在对磷的管理上，主要考虑到磷的含量对作物生长的利弊，避免施肥不足影响作物生 长；或避免施用磷肥过量造成土壤中磷过量，不仅不经济，而且还可能造成土壤营养失衡 及面源污染等问题。对磷肥过量施用的治理只限于局部区域士壤中的磷含量j f 好适宜于作 物的生长，没有从整体上考虑磷的流失造成的影响口3 1 ，没有考虑到整体上磷流失严重会 对水体富营养化造成极大的影响，并对其采取相应的治理措施。 1 3 磷指数法 磷指数法由于它的合理性和简便性，得到了广泛使用，并且其计算结果能够合理的反 映不同地区磷的流失危险性。但是该方法也存在其不完善之处，由于不同地区的自然地理 条件不同，各地区影响磷流失的各个因素也不完全相同，因此不同地区在采用磷指数法时， 应该根据该地区的情况对磷指数法中的一些因子进行修正。 1 3 1 磷指数法的建立 1 9 9 3 年l e r n u n y o n 和g i l b e n 从土壤侵蚀、地表径流、土壤中速效磷含量、化肥和有机磷 肥的施用量以及施用方法等方面，提出了土壤中养分磷流失危险性评价指标体系【3 4 】。 磷的流失受到多种因子的影响，这些因子可以分为两类，一种是源因子，一种是迁移 因子。源因子包括土壤中速效磷含量、化肥和有机肥的施用量、施用方式和施用时间等。 迁移因子包括土壤侵蚀、地表径流、农地距河流的距离等。 根据每一个因子测定值的大小划分为5 个等级，无、低、中、高、极高。每一个等级 分别对应一个等级分值，例如：o 、1 、2 、4 、8 。并赋予每个因子相应的权重值【5 】o 然后根 据公式( 1 ) 来计算磷的流失危险性( p f ) 【2 8 。 p i = ( s i w i ) n 【t j w j ( 1 ) 式中s i 源因子评价指标i 相应的等级分值 w i 源因子评价指标i 相应的权重 t j 迁移因子评价指标j 相应的等级分值 w i 迁移因子评价指标i 相应的权重 首都师范大学硕+ 学位论文 表l 是农业非点源磷污染危险性评价指标体系表，分别给出了各个因子的分级标准和 权重值。 对磷流失危险性进行计算所得的数值并不是磷的实际流失量，而是表示磷流失潜在危 险性高低的一个相对值。磷指数法最重要的目的是通过分析磷指数的分布情况，判断出哪 些地方磷流失危险性比较大，从而确定磷的重点控制区域。 表1 1 农业非点源磷污染危险性评价指标体系2 8 l 权重值磷流失评价( 等级分值) 评价指标类型极低低中高极高 0 60 7 o 8o 9 1 0 迁 土壤侵蚀 1 0 3 0 仉l m 移 冈 子 年释流深 1 o 8 0 o 评 价潜在污染 o 2o 4o 6o 81 0 指 标 源距河流 1 0 1 2 5 0 0 1 2 0 0 m 1 5 0 _ 一5 0 0 m6 0 _ 一1 5 0 m 1 2 0k 加m 2 源 川量 网 子 化肥磷施 o 5 不施用施用深度播种时与十 播种前3 个月播种前3 个月 评 价 _ j 方式大于5 c m 混合施用以内表施以上表施 指 标 有机磷施 1 0 无 l 一1 5 1 6 _ 3 031 4 5 k g p m m 2 4 6k g p 1 1 一 片! i 鼙 k g p ，h m k g p 伽 有机磷施1 o无施用深度 农作物种植农作物种植之农作物种植 用方哇 5 c i i l之前立即整前整合 3 个月之前表施 3 或表施 1 0 。c 积温为3 4 0 0 4 0 0 0 ，无霜期 1 7 0 1 7 5 天左右。在温度递减规律作用下，受地形、海拔影响，造成近距离内四季长短、 水热条件有显著差异，海拔每升高1 0 0 米，气温下降o 6 5 。c ， l o o c 积温减少了1 9 7 3 0 c 。 该地区年均降水量6 0 0 7 0 0 毫米，主要降雨集中在夏季。本区年平均降水量为6 6 0 毫米。受地形影响，本区降雨量分布不均。卸假山以北、半成子以西地区为多雨区，年降 雨量6 5 0 毫米以上；新城子、番子牌和四合堂为少雨区，年降水量5 5 0 毫米以下：其他地 首都师范大学硕士学位论文 区在6 0 0 一6 5 0 毫米之间。 2 1 3 水文 该流域的河流主要属海河流域潮白河水系。潮河源于河北省丰宁县草碾沟南山下，由 滦平县入古北口，境内流域面积4 5 1 平方公里，多年平均径流总量4 5 4 2 4 万立方米。潮河 支流有七条：小汤河、安达木河、西河、清水河、道人溪、红门川河、肆亡牛河。白河源于 河北省沽源县境内，由怀柔入四合堂，境内流域面积3 2 0 平方公里，多年平均径流量为 3 9 9 4 2 万立方米，n 河支流有4 条：白马关河、蛇鱼川河、西沙河、水川河。该流域自产 地表水约2 5 亿立方米，占密云县自产地表水总量的5 7 。2 0 0 3 年，潮、白河入库水量约 6 6 8 亿立方米，密云县境内入库水量为1 1 亿立方米，占整个流域入库水量的1 6 4 7 。 2 1 4 土壤植被 本区土壤可以分为褐土、褐棕壤两个大类。褐土分佰于低山和丘陵地区，是本区的主 要土壤类型，棕壤则分布于流域西北部、东北部海拔高度8 0 0 米以上的中山林地。受成土 母质的影响，区域内土壤的物理性质存在着较大的差异。不同岩石风化物形成的土壤，矿 物颗粒和土壤粘粒含量、土壤容重、总孔隙度、有效水分含量等不同。西部石质山区，土 层厚度大多3 0 厘米，易侵蚀：东部黄土丘陵地区，土壤多呈块状、片状结构，易漏水漏 肥。冬、春季土壤水分含量明显低于夏、秋季，旱季土壤中自然含水量一半接近或低于凋 谢湿度。 在自然植被方面，属乔木的有十八科。其中分佰广，面积较大的有杨柳科、椴科、桦 木科、山毛举科、松科、柏科，主要树种有杨、椴、槭、松、柏等。人工林主要树种有油 松、刺槐和干鲜果树，四旁植树以杨为主。经济林主要树种有梨、苹果、板栗、杏、柿、 核桃、枣和桑等。近年来在低山丘陵区，经济林发展较快。 2 2 社会经济条件 2 2 1 行政区划 本区包括北庄镇、太师屯镇、新城予镇、古北口镇、高岭镇、不老屯镇、冯家峪镇、 大城子和石城镇等9 个乡镇1 7 4 个自然村。据2 0 0 3 年统计( 密云县统计年鉴) ，该区共有 4 6 5 3 5 户，1 2 1 7 2 0 人，占全县总人口的2 8 7 多，其中自河流域人口密度为6 8 人平方公 4 首都师范大学硕+ 学位论文 罩，潮河流域平均人口密度为约1 3 0 人平方公罩，潮河流域足白河流域的1 9 倍，反映出 潮河流域的区域人文、经济活动相对于白河流域活跃。 2 2 2 经济状况 本区2 0 0 3 年的社会总产值为4 2 7 6 7 8 万元，其中农业总产值为8 5 8 3 6 万元，工业总产 值为1 9 4 9 5 0 万元，分别占本区工农业产值的3 0 6 和6 9 4 ，其中农业产值的构成比例 为种植业：牧业：林业：渔业= 1 1 5 3 ：1 7 5 ：2 7 7 6 ：l ，反映出在大农业生产中，以林业 和种植业为主，牧、j k 和渔业相对薄弱。 2 2 3 土地利用 根据遥感图像的土地利用解译，可以看出本区土地利用以林地为主，占本区土地面积 的7 6 ，其次是草地，占本区土地面积的l o ，耕地面积占本区面积的7 ( 见图2 2 ) 。 从分布来看，林地主要分布于山地地区，农田和果园多集中分布于水库流域东部的丘陵地 区和山间河谷阶地两岸，在环水库地区农田有比较集中的分布。 图2 2 土地利用比例图 2 2 4 施肥状况 根据实地调查的情况，密云地区种植的作物主要有小麦、玉米、大豆、谷子、果树、 栗子树以及少量蔬菜等。小麦主要施用磷酸- 氨，玉米主要施用磷酸二氨和尿素，施用深 度人丁5 c m 。花生、谷子主要施用尿素，尿素含氮量较多，含磷量少。果树施用果树专用 肥，含钾较多，含磷较少。栗子树一般不旌用肥料。蔬菜地一般施用农家肥，鸡粪、猪粪、 羊粪等。 ls 首都师范人学硕十学位论文 2 3 生态环境 本区库北地区为低山丘陵林木带，人口相对于东部较少，居住比较分散。农民的收入 主要靠畜牧业，葺牧业的模式主要是放养；另外当地农民山坡上开垦了很多零散的耕地， 导致了营养物成分很容易在降雨径流的作用下进入到地表水环境。 水库东部主要是低山丘陵地带，以果木业生产为主，土地耕作频繁，土壤中过多的肥 料在降雨径流的作用下极易流失进入地表水环境。密云县从保护水资源，加快农业发展的 角度提出了“畜牧强县”的l _ i 号。近几年畜牧养殖业发展很快，其中以太师屯、不老屯、 高岭等乡镇的养殖数目较多。由于经济林发展较快，当地产生的畜禽粪便大部分可以归还 农田，对地表水环境不会造成直接影响，但是农田、果园中的多余营养物质也会因降雨淋 溶到土壤环境中，最终在地表径流的作用下进入到地表水中。 本区的水土流失比较严重，据估算【4 3 l ，本区密云水库上游水土流失面积为8 0 5 8 5 平方 公里，占总面积的5 7 3 7 。其中轻度侵蚀面积6 2 5 1 8 平方公里，占侵蚀面积的7 7 5 8 ， 中度侵蚀面积1 3 3 3 2 平方公里，占侵蚀面积的1 6 5 5 ，强度侵蚀1 3 0 8 平方公罩，占侵 蚀总面的1 6 2 ，极强侵蚀3 4 2 8 平方公里，占侵蚀总面积的4 2 5 ，每年土壤的侵蚀量 为1 9 4 万吨。尽管强度侵蚀所占比重很少，但是水库上游多属石质山区，土层较薄，土壤 潜在危险程度较大。 2 4 密云水库磷污染分析 湖泊水质和富营养化的影响因子很多，但事物发展的一般规律表明，在众多的因子之 中总有主次之分。国内外研究成果得出，反映湖泊水质和富营养化直接的主要特征是湖泊 中浮游植物生长量的大小】。根据“e b i g 最小值定律，浮游植物的最大生氏量由所需的营 养盐中总物质量最少的那种营养盐所控制，这种营养盐称为限制性营养盐。出藻体中所含 碳、氮、磷的原子比率( 1 0 6 c ：1 6 n ：1 p ) 分析 4 5 l ，在藻类生长期，当所测定的湖泊中可被植 物吸收的氮和磷的浓度比小于7 时，氮是可能的限制性营养盐；反之，如大于7 ，则磷是 可能的限制性营养盐；接近7 时，二者都是可能的限制性营养盐，其绝对含量大小成为限制 因素1 4 。 6 首都师范大学硕十学位论文 表2 11 9 9 1 2 0 0 3 年密云水库总氮、总磷含量表 年份tn( m 鲥)t p ( m g 1 ) t n 厂r p 1 9 9 1 1 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 7 i 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 o 8 l o 9 0 0 7 1 o 6 3 1 1 0 1 _ 3 0 1 2 2 i 1 2 1 ，1 2 0 7 8 1 1 1 o 0 1 3 o 0 1 7 o 0 1 8 o 0 2 4 o 0 1 5 o 0 2 4 0 0 2 5 0 0 2 2 o0 2 1 0 0 1 7 0 0 1 5 6 2 3 5 2 9 3 9 4 2 6 _ 3 7 3 3 5 42 4 8 8 5 0 9 5 3 3 4 5 9 7 4 2 0 0 3o 6 8o o 】8 3 7 8 从图表中的数据计算得出，从1 9 9 1 年到2 0 0 3 年总氮、总磷的含量比数据范围从2 6 - 3 到7 4 ，远远大于7 。所以磷是密云水库水质的限制性因子。 目前影响密云水库磷污染的主要是农业非点源污染。因此采用磷指数法对密云县境内 密云水库上游地区的潜在磷污染源进行评价是非常必要的。 7 首都师范大学硕士学能论文 第三章磷指数法各因子的获取 本文参考了g b u r e kw l j 和s h a r p l e ya n ( 2 0 0 0 ) 等人选取的磷指数计算因子，来计算 密云县境内密云水库上游地区的磷指数值分布情况。 3 1 基本数据信息 本文的基础数据包括图形资料、各类统计资料、实验数据和实地调查资料。 图形资料主要是l ：1 0 万的流域地形图、l ：5 万的密云县密云水库上游的d e m 、1 ： 5 万的密云县密云水库上游的土地利用图和l ：5 万的土壤类型数据；实验数据主要是研究 区内采集土样的有机质含量、土壤机械组成、速效磷含量：实地调查的资料主要有施肥量 和施肥方式、施肥时间资料，水土保持措施资料；到相关部门收集到的资料主要是降雨量 数据。 在磷指数计算过程中，需要的因子包括土壤侵蚀因子、距河流距离因子、地表径流因 子、土壤中速效磷含量、施肥量因子、施肥方式和时间因子，其中土壤侵蚀因子的计算过 程中需要降雨侵蚀r 值、土壤可蚀性k 值、坡长坡度l s 值、植被覆盖c 值和水土保持p 值。 利用上述的基础数据，根据下列方法：地理信息系统信息数据提取、数据赋值法，野外采 样、室内实验法，实地调查法以及到相关部门收集数据方法等计算出所需因子的结果。 各种因子的提取方法见表3 1 。 3 2a r c g i s 工具的应用 g i s 是在计算机软、硬件平台支持下对空间数据进行输入、存储、检索、运算、分析、 建模、显示、输出等的计算机的软件，是集地质学、地理学、测绘学、遥感学、空间科学、 信息科学、计算机科学和管理科学为一体的边缘学科。它一般具有输入、输出、查询、分 析及空日j 数据库管理等功能，并采用模型分析方法，适时提供多种空问和动态信息，为地 理研究和决策服务而建立起来的计算机技术系统。g i s 具有强大的空间数据管理功能、空 间分析功能及可视化能力。g i s 能将不同来源的空间信息及其相互关系方便地显示出来， 通常环境模型对农业非点源污染的研究都是在地理空间的背景下进行的，涉及到诸多空间 数据，这正是g i s 成为非点源污染研究的有效辅助工具的原因【4 8 5 0 】。 首都师范大学硕士学位论文 表3 1 各因子获取方法 因了获取方法 降雨侵蚀因子r 值公式计算、a r c g i s 插值成图法 土壤可蚀性因子k 值公式计算、a r c g i s 赋值成图法 坡长坡度因子l s 值d e m 图a r c g i s 提取、公式计算法 植被覆盖因子c 值 植被覆盖因子图a r c g i s 提取法 水土保持因子p 值实地调查、m c g i s 赋值成图法 潜在污染源距河流距离因子d e m 图a r c g i s 提取法 地表径流径流系数计算、衄c g i s 赋值成图法 土壤中速效磷含量采样、实验、a r c g i s 赋值成图法 化肥施用量以及施用方法实地调查、a r c g i s 赋值成图法 g i s 是在计算机软、硬件平台支持下对空间数据进行输入、存储、检索、运算、分析、 建模、显示、输出等的计算机的软件，是集地质学、地理学、测绘学、遥感学、空间科学、 信息科学、计算机科学和管理科学为一体的边缘学科。它一般具有输入、输出、查询、分 析及空间数据库管理等功能，并采用模型分析方法，适时提供多种空间和动态信息，为地 理研究和决策服务而建立起来的计算机技术系统。g i s 具有强大的空间数据管理功能、空 间分析功能及可视化能力。g i s 能将不同来源的空间信息及其相互关系方便地显示出来， 通常环境模型对农业非点源污染的研究都是在地理空间的背景下进行的，涉及到诸多空间 数据，这正是g i s 成为非点源污染研究的有效辅助工具的原因【4 8 - 5 叭。 g i s 与磷指数法结合进行磷指数危险性评价研究具有显著的优点。方面，可利用g i s 强大的空问数据管理能力、空间分析功能进行磷指数计算的前期空间数据处理、分析工作。 另一方面可利用g i s 的可视化分析功能显示计算结果，提高显示度。 在本文的研究中，大量空间数据的提取、计算、展示等都需要地理信息系统软件的帮助。 3 2 1g l s 数据的收集 g i s 数据分为窄问数据和属性数据两类，空间数据库包括矢量和栅格两种数据类型， 空间数据用于描述空间地理对象的属性，是对点、线、面特征的操作。窄间数据以层的形 式存储和表达，每个图层储存一个特定的专题图形，不同的图层通过描述信息特征或者辅 首都师范大学硕士学位论文 助特征( 如控制点和边界范围) 达到空间信息的匹配和配准。栅格数据包括由等高线内插生 成的流域d e m 、坡度坡向和土地利用图、土壤图以及各种相关的遥感图象。矢量数据同样 分层管理，每一图层存储定的专题图层，不同的图层间通过描述信息图层或辅助图层f 如 控制点、边界范围和注解) ，达到空问匹配和配准。 属性特征数据用来描述图形的属性和专题特征。属性数据在g i s 中以关系型数据库形 式存储，通过用户定义的特征识别码使属性数据库与a r c g i s 空间数掘库相关联。 在本研究中，每一个图层都有其相应的属性数据表：对应于土地利用类型图的主要属 性数据是土地利用类型、施肥情况、水土保持情况；对应于土壤类型图的重要属性数据是 土壤类型、土壤中速效磷的含量、土壤的侵蚀因子k 值。 g l s 数据库不仅可以有效地存贮、管理图层、属性数据和制图数据，而且可以将它们 动态地结合起来整体操作与使用；具有较强的图形编辑、查询功能，极大地提高了空间数 据库的制图功能和实用性。 3 2 2 数据的处理 3 2 2 1 投影转换 研究中涉及的基础图层数据主要包括土地利用、土壤类型、数字高程模型等，所有原 始图层数据都选用国家地理信息系统标准数据。图层数据处理的第一步是进行投影转换。 研究中选择a l b e r s 等积圆锥投影，对所有图层进行地理坐标和投影的转换，并将地理坐 标的经纬度单位转化为长度单位米。这主要是因为密云水库流域是东西向延伸的区域，而 a l b e r s 投影非常适合东西向延伸的地形。另外a l b e r s 投影后的面积与地球表面的真实 面积相等，投影后不会扭曲多边形的面积。 做好投影转换工作，将各个图层统到相同的坐标之下，有利于图形之间的运算。 3 2 2 2 分类编码 土地利用类型对于磷流失的影响是非常重要的，土地利用类型的编码是进行磷指数值 计算的根据，许多参数赋值计算需要通过土地利用类型分别进行。因此为适合计算需要， 重新将土地利用类型划分为6 大类：林地、草地、耕地、居民点、水域和未利用的土地( 见 表3 2 ) 。其中林地面积最大，占总面积的7 6 6 ，其次是草地和耕地，各占1 0 8 和7 9 ， 未利用的土地仅占l l l ( 见附图3 1 ) 。土地利用类型对于确定磷流失危险性大小也是非 常重要的。 首都师范大学硕二f ：学位论文 表3 2 土地利用分类编码与土地利用类型 编码土地类型编码土地类型 1 1水田3 3 低覆盖度草地 1 2 1 早地( 平原) 4 1河渠 1 2 2 旱地( 丘陵)4 3 湖泊 1 2 4 旱地( 山地) 4 6 水库坑塘 2 l4 5 滩涂 有林地 2 2 灌木林 4 6 滩地 2 35 1 城镇用地 疏林地 2 45 2 农村居民点 其它林地 3 1 高覆盖度草地 5 3 其它建设用地 3 2 中覆盖度草地6 目前还未利用的土地 将密云水库流域上游地区土壤类型概化为5 类：山地棕壤、普通褐土、碳酸褐土、淋溶 褐土和潮土，并重新进行编码( 见附图3 2 ) 。流域内土壤以淋溶褐土为主，占研究区总面 积的6 3 6 。最后将重新编码的土地利用类型和土壤类型图层转化为例d 格式，其网格大 小为2 5 m 4 2 5 m 。 3 2 2 - 3 数字高程模型 数字高程模型是磷指数法计算过程中确定坡度坡长参数l s 和刻划水系的基础。研究 中采用国家基础地理信息系统全国1 ：2 5 万地理坐标d e m 数据。 图3 3d e m 图 2 l 首都师范大学硕士学何论文 3 2 - 3a r c g i s 功能应用 3 2 - 3 1a r c g l s 属性编辑 5 l l 对g i s 地理数据库进行编辑，不仅包括图形要素的编辑，还包括相应属性数据的编辑。 借助m c g i s 的编辑工具，可以非常容易地通过两种途径进行属性数据的编辑：途径之一 是使用属性对话框( a t t 曲u t e sd i a l o g e ) ，途径之二是使用数据层属性表( a t t 曲u t e st a b l e ) 。 无论哪一种途径，都可以对单要素或多要素属性进行添加、删除、修改、复制或粘贴等多 种编辑操作；而应用数据层属性表，可以实现更多的属性操作。 借助属性对话框，不仪可以浏览所选择要素的属性数据，而且可以对选择要素的属性 数值进行多种编辑修改，诸如添加属性值、修改属性值、复制属性值等。可以一次编辑一 个要素的属性值，也可以同时编辑所有选择要素的属性值。 在本文中，降雨侵蚀因子r 值、土壤可蚀性因子k 值、植被覆盖因子c 值、地表径 流深度、土壤中速效磷含量、化肥施用量以及施用方法值都是应用到a r c g i s 属性编辑工 具，将数据成图，从而能够进行下一步的计算工作，以及数据结果展现。 3 2 3 2 数据重分类5 2 】 对数据重分类就是用新的值取代输入的单元值并输出。输入的数据可以是能够支持的 任何一种栅格数据类型。通常需要重分类的原因有以下几种： 根据新的信息来取代原来的值 将确定的值分组归类 用一个统一的范围进行重分类 将指定值设嚣为空值或将空值设置为指定值 在本文中，对属性数据进行重分类的原因是将确定的值分组归类。比如：计算出磷指 数值结果是一个范围，我们需要对磷指数值进行分级，所以就要根据磷指数值的大小，用 重分类工具将其划分为1 5 ，5 个等级，这样就更容易看出磷指数值的分布情况。 在文中，计算磷指数值的各个因子也分别被划分为不同的等级，在此过程中，也要用 到数据重分类的工具。 3 2 3 3 空间插值法 空间插值即已知研究区域中某些点的值来估计未知点的值，通常所晚的空间插值也是 泛指点插值，空间点插值方法可依据其基本假设和数学本质分为几何方法、统计方法、空 间统计方法、函数方法、随机模拟方法和物理模拟方法等防5 ”。 关于采样数据的最佳内插方法，科学工作者了系统的研究，其中比较常见的方法可归纳为： ， 首都师范人学硕十学位论文 景观单元法 t h i e s s c n 多边形法 网格像元法 趋势面分析法 傅立叶级数法 样条函数法 游动平均法 在软件a r c g i s 9 o 中，有三种插值方法：反距离权重插值法( h l v e r s ed i s t a l l c ew 葫曲t e d ) 、 样条插值法( s p i i n e ) 、克罩格插值法( k 啦；i l l g ) 。 反距离权重插值法f 5 7 1 ，是通过对邻近区域内的每个单元值平均运算，来获得单元值。 一般而言，距离越远的观察点对估计点的影响越小。这一方法的假设条件是：从样本点起 的距离对其影响是可变的，如分析顾客对一个零售点的购买力时生成的平面图。 样条插值法 5 7 1 ，是以最小曲率面来充分逼近各观察点，就像一弯曲的橡胶薄板通过各 观察点同时使整个表面的曲率最小，理论上采用高阶多项式进行插值估计可以得到高阶平 滑结果，但在实际研究中较多采用二阶多项式估值。 克里格法 5 ”，是建立在地质统计学基础上的一种插值方法，也是地质统计中最为常用 的插值法，它跟返距离权重法一样也是一种局部估计的加权平均，但是它对各观察点的权 重的确定是通过半方差图分析获取的。蹦舀n g 是以dgk r i 百n g 的名字命名的一种对空间 分布数值求最优、线性、无偏内插的计量方法。它是根据待估点( 或块段) 邻域内若干信息 样本数据以及它们实际存在的空间结构特征，对每一样本值分别赋予一定的权重系数之 后，得到一种线性、无偏、最优估计值及相应的估计方差。 朱芮芮等选择无定河流域，对比了降水量空间变异性研究的各种空间插值方法的优 劣，运用逆距离加权法、