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摘要：流域土地利用格局对农业非点源污染氮素输出具有重要的影响。以丹江口库区胡家山小流域为研究对象，分析2008～2016年土地利用类型变化对流域总氮输出的影响，以期为丹江口库区生态清洁小流域建设提供参考。结果表明：2008～2016年，流域出口处总氮年平均浓度从5.13±4.2 mg/L降低为2.06±0.62mg/L;总氮输出负荷由49 025 kg/a降低至21 578 kg/a，总氮输出负荷减少56.0%。对比分析流域生态治理工程实施情况，发现坡改梯、退耕还林等水土保持治理与植被恢复措施在有效控制水土流失的同时，还在减少流域氮素输出中发挥了重要作用。经相关分析，流域内林地、耕地、居民地的空间分布格局对流域氮素输出均有影响，其中100 m河岸带范围为流域總氮负荷输出的主要区域。有效控制胡家山小流域100 m河岸带尺度的氮素流失，可显著降低流域总氮输出负荷。
关键词：土地利用格局; 总氮负荷; AnnAGNPS模型; 回归模型; 胡家山小流域
中图法分类号：X52文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.005
随着我国社会经济的发展，面源污染逐渐成为水环境的重要影响内容，是水质控制和水环境管理的关键[1]。氮素流失是许多河流水质下降的重要原因[2]，因氮污染来源复杂、转化传输途径多样，成为面源污染控制的重要指标[3]。小流域是河流的源头，其径流携带的养分会造成河流水质恶化或富营养化，因此以小流域为单元，控制氮素污染输出逐渐成为管理研究的重点[4]。然而，氮素流失不仅受地形、地貌、土壤、降雨等因素的影响，也受人类活动的控制，大量研究表明氮素污染输出与土地利用密切相关[5]，小流域土地利用结构可综合反映流域自然特征和农业活动影响，因此定量分析小流域内土地利用结构变化对氮素流失的控制效果，对提高流域管理模式具有十分重要的意义。
丹江口水库是南水北调中线工程的水源地，为了保护水库水质，国家从2007年开始实施了丹江口库区及上游水污染和水土保护项目[6]。近10 a来，各项治理措施通过改变小流域土地利用结构的方式逐步呈现，尤其是退耕还林、坡改梯、植被恢复等生态防护工程[7]。同时，土地种植模式也有所改变，出现了集约化种植方式等。胡家山小流域是丹江口库区流域综合整治和清洁小流域建设的示范小流域，多年来一直开展连续治理与科学观测。本次研究选择胡家山小流域，通过对小流域氮素输出浓度的连续定点观测，定量分析2008～2016年以来土地利用结构变化对总氮输出的影响研究，以期为丹江口库区流域结构调整、面源污染控制和生态清洁流域建设提供科学依据。
1研究区域与研究方法
1.1研究区概况
胡家山小流域位于湖北省丹江口市汉江以北习家店镇和嵩坪镇（111°12′22″E～111°15′20.5″E，32°44′17.8″N～32°49′15.6″N），面积23.96 km 属于汉江二级小支流，从北向南汇入丹江口水库，其地理位置如图1所示。胡家山小流域多年平均气温16.1℃，无霜期250 d，相对湿度一般为75%，蒸发量1 600 mm左右，年均降雨量797.6 mm，多年最大降雨量1 360.6 mm，多年最小降雨量503.5 mm，降雨主要集中在汛期，5～10月占全年降雨量的84.5%，降雨强度大、集中、径流汇集时间短。土地利用类型以林地、旱地和居民地为主，主要经济作物是油菜、小麦、玉米等。其流域资源利用和耕作制度，在鄂西北地区具有典型代表性。
1.2子流域划分与水质监测
以2008年和2013年的中国资源二号卫星（全色波段，分辨率为3m）和1∶10 000地形图为基础分析数据，在野外调查的基础上，参照《全国土地分类》方法，结合流域实际情况将流域土地利用类型分为耕地、林地、水体、荒草地、居民地等5类。根据胡家山小流域地理条件、水文和土地利用特征，利用ArcGIS的水文分析模块，将流域分成15个子流域。因胡家山小流域治理工程于2008年基本全部完成，之后土地利用结构无调整，据此基于流域DEM，运用ArcGIS的空间分析模块，提取、分析各子流域的土地利用结构。计算得到2008年和2013年子流域内各类土地利用类型面积（见图2），分别代表工程治理前和工程治理后的土地利用结构。
丹江口库区5～10月为丰水期;11，12月至次年1～4月为枯水期，2008～2016年胡家山小流域日降雨量小于10 mm的小雨占全年次降雨比例变幅为60.3%～92.5%。胡家山小流域2008，2013年和2016年次降雨数据见图3，2008年年降雨量为587.0 mm，2013年为524.6 mm，2016年为730.3 mm。
在每一个子流域出口处设置水质监测点，表征每个监测断面上游的集水区域，出口监测反映汇流的最终产出[8]。从2008年开始监测，每个监测断面每月采集水样2次，每次每点取样1 000 mL，用聚乙烯塑料瓶密封带回野外实验室，在24 h内对样品进行分析，总氮浓度采用过硫酸钾-紫外分光光度法测定[9]。
1.3数据分析
AnnAGNPS是USDA-ARS 与自然资源保护局（NRCS）共同研发的一个流域评价工具，它是针对农业流域对管理措施的响应而设计的基于连续事件的分布式模型[10]。本次利用AnnAGNPS对流域内地表径流、氮素、泥沙量的输出负荷进行模拟。研究中采用一致性指数（d）、绝对误差（e）、相对误差（f）3个指标衡量模型总体率定效果，以评估AnnANGPS模型的适用性。计算公式如下
d=1-ni=1（|Oi-Si|）ni=1（|Oi-O|+|Si-S|） 2（1）
e=ni=1|Oi-Si|n（2）
f=ni=1|Oi-Si|Sin×100%（3） 式中，Oi为实测值，Si为模拟值，O为实测平均值，S为模拟平均值，n为实测值或模拟值的个数。
根据AnnAGNPS模型模拟结果，运用SPSS软件分析不同土地利用和氮元素的相关性，观察回归分析中影响因子（Impact Factor， IF）回归系数的变化趋势[11];ArcGIS10.0主要用于制图和对各集水区数据输出[12]。
空间滞后回归分析主要用来量化分析各土地利用对总氮的影响程度[13]。空间滞后模型是回归模型的扩展。该模型考虑了空间单元上的因变量观测值依赖于其相邻区域的观测值的情形。空间滞后模型的一般形式，即一阶空间回归（SAR）混合模型，如下所示
yi=ρnj=1Wijyi+Qq=1Xiqβq+εi（4）
式中，误差项εi是独立同分布的，Wij是空间权重矩阵Wn×n的第（i，j）个元素，用矩阵形式表示，模型可以写成
y=ρWy+Xβ+ε（5）
ε～N（0，σ 2I）（6）
式中，X是Q解释变量的n组观测值形成的n×Q矩阵，W是按行标准化的空间权重矩阵，Wy为空间滞后变量，参数ρ反映了空间邻接单元对于因变量的解释程度，β则反映了解释变量X对于因变量y变化的影响。
2结果与分析
2.1流域水土保持措施实施情况与土地利用变化
胡家山小流域属“丹治”一期工程水土保持小流域，涉及习家店镇五龙池、板桥、朱家院、行陡坡和蒿坪镇王家岭5个行政村。2008年实施流域综合治理前，流域内轻度以上水土流失面积19.86 km 水环境主要问题为坡耕地种植面积较大，其中大于5°的坡耕地603.27 hm 2（9 049亩），且耕地以种粮为主，施肥强度大，污染严重。截止2008年，流域水土保持綜合治理基本完成，主要实施的工程措施包括坡改梯、退耕还林、生态修复等措施;针对农村生活和畜禽养殖，开展了厕所改造和沼气池建设等，工程措施具体分布见图4和表1。
胡家山小流域2008年与2013年土地利用分布见图2。2008年流域林地、耕地和居民地分别占流域总面积49.8%，46.0%和2.1%。2013年林地、耕地和居民地分别占流域总面积53.3%，42.2%和2.3%。自2008年流域实施水土保持综合治理后，流域耕地面积减少3.8%，林地面积增加3.7%，居民地用地增加0.2%。15个子流域土地利用格局变化见表2，其中耕地明显减少，林地占比增加的子流域主要分布在1，2，3，4，5，8子流域，多位于胡家山小流域北部。
2.2总氮输出浓度特征
2008～2016年胡家山小流域出口处总氮浓度枯、丰水期变化如图5所示。2008～2016年，流域出口处总氮年平均浓度从5.13±4.2 mg/L降低为2.06±0.62 mg/L。较2008年工程建成初期相比，各子流域总氮浓度值削减率变幅在22.48%～81.95%，其中位于上游的1，2，3，4，5，6号子流域总氮输出浓度下降幅度较大，该区域水土流失较为普遍，对照流域生态措施实施情况，工程措施以退耕还经济林、自然封育和荒山补植等措施为主，可见植被修复措施对于流域上游总氮输出的控制效果较为明显（见图6）。流域中部生态修复措施仍以退耕还经济林、自然封育和荒山补植措施为主， 4，5，11和14号子流域林地总面积由3.76 km 2增加至3.94 km 耕地面积由2.84 km 2减少至2.65 km 各子流域的总氮输出浓度下降幅度仍相对较高。与之相比，流域下游7，8，9，12，13号子流域总氮输出浓度的减少幅度相对较低，为22.48%～42.56%，其中12和13号子流域2016年年均总氮输出浓度仍维持在4.0 mg/L以上。该区域采取的生态修复措施以坡改梯、植物护埂、塘堰改造、沼气池等措施为主，已实施的措施不仅包括了水土流失治理措施，也包括居民生活污水与养殖废弃物的处置措施[14];从土地利用结构分析，流域下游是农业活动较为频繁的区域，耕地与居民地较为集中，目前以减少水土流失为主的生态治理工程已全部覆盖，但总氮输出浓度仍相对较高。下游子流域的农村居民活动较为突出，农村污水的收集有限，可能是总氮输出浓度的主要影响因素。
2.3流域土地利用格局与总氮浓度相关分析
将流域水体水质总氮浓度作为因变量，流域和100 m岸边带范围耕地、林地、居民地等面积、高程等主要影响因子作为自变量进行空间回归分析，结果见表3。R 2值反映的是该模型在各子流域对因变量总氮浓度的解释能力。在枯水期，R 2值最大的是在整个流域尺度，其解释能力为86%。在丰水期，100 m岸边带范围模型的解释能力大于流域尺度，其R 2值为88%，说明在丰水期，100 m范围的土地利用对河流总氮浓度的影响大于流域范围。
根据模型分析结果可以发现，土地利用、地形等都是影响河流总氮浓度的主要原因。在土地利用类型与总氮输出浓度的相关性研究中，耕地一直是河流总氮的主要来源，耕地所占比例越高，其对河流水体中总氮的影响越大[15-16]。本次相关性分析结果同样表现为耕地与河流总氮输出呈现明显的正相关性[17]。林地对氮浓度起到消减作用，在丰水期可以减少降雨径流对土壤的侵蚀程度，降低进入河流的氮浓度。除外，居民地与总氮浓度也密切相关。尽管居民地在各子流域所占比例较低，但因多距离河道较近，作为模型第二解释变量，其对河流中总氮浓度的影响不可忽视。
2.4流域总氮负荷输出时空分布
径流模拟的结果优劣直接影响到后续污染物输出模拟的准确性。研究中利用研究区五龙池集水区卡口站观测数据，以2008年6次降雨径流过程所观测的径流量和总氮输出量作为模型率定与验证依据。其中，2008年6月8日、7月19日和8月23日的3次降雨径流观测数据用于模型校准率定，2008年8月25日、9月5日和9月11日的3次降雨径流观测数据用于模型验证。模拟结果一致性指数（d）、绝对误差（e）、相对误差（f）计算结果如表4所示。验证结果表明径流量和总氮模拟结果较好，一致性指数较大。 利用AnnAGNPS模型模拟流域输出负荷分布见图7。2008年胡家山小流域总氮输出总负荷为49 025 kg/a，单位输出负荷为21.8 kg/（hm 2·a），其中2，5，11号子流域贡献了总负荷的40%以上。2013年胡家山小流域总氮输出负荷为29 598 kg/a，单位输出负荷为13.2 kg/（hm 2·a）。2016年流域总氮输出负荷降低为21 578 kg/a，单位输出负荷为9.6 kg/（hm 2·a）。总体而言，流域总氮输出负荷在逐渐减少，坡改梯、退耕还林等生态修复措施实施对削减流域总氮负荷输出具有明显的作用。
在100 m河岸带尺度上，2008年总氮输出负荷为21 436 kg/a，占同期流域总输出负荷的43.7%，2013年100 m河岸带尺度总氮输出负荷减少为12 639kg/a，而2016年为8 533 kg/a，与2008年同尺度相比，2016年100 m河岸带总氮输出负荷降低了60.2%，其中以耕地和居民地为主要土地利用类型的子流域，总氮输出负荷占子流域总输出负荷的50%以上，说明100m河岸带范围为流域总氮负荷输出的主要区域。有效控制胡家山小流域100 m河岸带尺度的氮素流失，可显著降低流域总氮输出负荷[18]。
3结论与建议
胡家山小流域属“丹治”一期工程重点治理的首批水土保持小流域，截止2008年该流域内相关水土保持措施基本全部实施完成。根据流域水质系列观测，2008～2016年，流域出口处总氮年平均浓度从5.13±4.2 mg/L降低为2.06±0.62 mg/L;总氮输出负荷由49 025.3 kg/a降低至21 578.5 kg/a。較2008年工程建成初期相比，各子流域总氮浓度值削减率变幅在22.48%～81.95%，其中位于上游的子流域总氮输出浓度下降幅度较大，以退耕还经济林、自然封育和荒山补植等为主的水土保持措施，对流域上游总氮输出的控制效果较为明显;与之相比，流域下游各子流域总氮输出浓度的减少幅度相对较低，为22.48%～42.56%，其中12和13号子流域在水土流失治理措施全部覆盖的情况下，总氮输出浓度仍相对较高，2016年年均总氮输出浓度仍维持在4.0 mg/L以上。经相关分析，流域内林地、耕地、居民地的空间分布格局对流域氮素输出均有影响，其中100 m河岸带范围为流域总氮负荷输出的主要区域。有效控制胡家山小流域100 m河岸带尺度的氮素流失，可显著降低流域总氮输出负荷。尽管居民地在流域所占比例较低，但因距离河道较近，其对河流总氮输出的影响不可忽视。
丹江口库区及上游水污染和水土保护项目从2007年开始实施，经过近10 a的相关治理已在逐步发挥作用。通过对丹江口库区典型小流域生态修复治理措施对流域总氮输出的控制效果分析，可以看到水土流失治理和面源污染控制的效果均十分明显。目前胡家山小流域总氮的输出浓度仍维持在2.0 mg/L左右，与丹江口水源地水质管理目标相比仍有一定差距。建议从绿色农业、农村生活污水分散处置等方面，进一步探讨削减丹江口库区小流域氮素输出技术措施。
参考文献：
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引用本文：贾海燕，徐建锋，李海燕，胡玉法.农业小流域土地利用格局变化对氮素输出的影响——以丹江口库区胡家山小流域为例[J].人民长江，2019，50（2）：24-29.
Effects of land use pattern change on nitrogen export of Hujiashan Watershed in Danjiangkou Reservoir Area
JIA Haiyan XU Jianfeng LI Haiyan HU Yufa 3
（1.Changjiang Water Resources Protection Research Institute， Wuhan 430051， China;2. Danjiangkou Water Affairs Bureau， Danjiangkoui 442700， China;3. Bureau of Soil and Water Conversation， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430010， China）
Abstract： Land use pattern has important effects on nitrogen output from agricultural non-point source pollution. Taking Hujiashan watershed in Danjiangkou reservoir area as the research object， this paper analyzed the influence of land use pattern change on the total nitrogen output of the basin from 2008 to 2016 to provide reference for the construction of ecological clean watershed in Danjiangkou reservoir area. The results showed that the annual average TN concentration at the outlet of Hujiashan watershed declined from 5.13±4.2mg/L to 2.06±0.62mg/L during 2008～2016; TN output load of the watershed decreased from 49025kg/a to 21578kg/a， reduced by 56%. By comparing and analyzing the implementation of watershed ecological control project in Hujiashan watershed， it showed that the soil and water conservation and vegetation restoration measures， such as conversion of slope-to-terrace and returning farmland to forest， played an important role in effectively controlling soil and water loss and reducing nitrogen output in watershed. Correlation analysis showed that the spatial distribution pattern of forest land， farmland and residential land all had impacts on nitrogen output in the watershed， and 100m riparian zone was the main area of total nitrogen output in the watershed. Effective control of nitrogen loss in 100m riparian zone of the watershed can significantly reduce total nitrogen output load of the whole watershed.
Key words：land use pattern; total nitrogen load; AnnAGNPS model; regression mode; Hujiashan watershed
关键词：土地利用格局; 总氮负荷; AnnAGNPS模型; 回归模型; 胡家山小流域
中图法分类号：X52文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.005
随着我国社会经济的发展，面源污染逐渐成为水环境的重要影响内容，是水质控制和水环境管理的关键[1]。氮素流失是许多河流水质下降的重要原因[2]，因氮污染来源复杂、转化传输途径多样，成为面源污染控制的重要指标[3]。小流域是河流的源头，其径流携带的养分会造成河流水质恶化或富营养化，因此以小流域为单元，控制氮素污染输出逐渐成为管理研究的重点[4]。然而，氮素流失不仅受地形、地貌、土壤、降雨等因素的影响，也受人类活动的控制，大量研究表明氮素污染输出与土地利用密切相关[5]，小流域土地利用结构可综合反映流域自然特征和农业活动影响，因此定量分析小流域内土地利用结构变化对氮素流失的控制效果，对提高流域管理模式具有十分重要的意义。
丹江口水库是南水北调中线工程的水源地，为了保护水库水质，国家从2007年开始实施了丹江口库区及上游水污染和水土保护项目[6]。近10 a来，各项治理措施通过改变小流域土地利用结构的方式逐步呈现，尤其是退耕还林、坡改梯、植被恢复等生态防护工程[7]。同时，土地种植模式也有所改变，出现了集约化种植方式等。胡家山小流域是丹江口库区流域综合整治和清洁小流域建设的示范小流域，多年来一直开展连续治理与科学观测。本次研究选择胡家山小流域，通过对小流域氮素输出浓度的连续定点观测，定量分析2008～2016年以来土地利用结构变化对总氮输出的影响研究，以期为丹江口库区流域结构调整、面源污染控制和生态清洁流域建设提供科学依据。
1研究区域与研究方法
1.1研究区概况
胡家山小流域位于湖北省丹江口市汉江以北习家店镇和嵩坪镇（111°12′22″E～111°15′20.5″E，32°44′17.8″N～32°49′15.6″N），面积23.96 km 属于汉江二级小支流，从北向南汇入丹江口水库，其地理位置如图1所示。胡家山小流域多年平均气温16.1℃，无霜期250 d，相对湿度一般为75%，蒸发量1 600 mm左右，年均降雨量797.6 mm，多年最大降雨量1 360.6 mm，多年最小降雨量503.5 mm，降雨主要集中在汛期，5～10月占全年降雨量的84.5%，降雨强度大、集中、径流汇集时间短。土地利用类型以林地、旱地和居民地为主，主要经济作物是油菜、小麦、玉米等。其流域资源利用和耕作制度，在鄂西北地区具有典型代表性。
1.2子流域划分与水质监测
以2008年和2013年的中国资源二号卫星（全色波段，分辨率为3m）和1∶10 000地形图为基础分析数据，在野外调查的基础上，参照《全国土地分类》方法，结合流域实际情况将流域土地利用类型分为耕地、林地、水体、荒草地、居民地等5类。根据胡家山小流域地理条件、水文和土地利用特征，利用ArcGIS的水文分析模块，将流域分成15个子流域。因胡家山小流域治理工程于2008年基本全部完成，之后土地利用结构无调整，据此基于流域DEM，运用ArcGIS的空间分析模块，提取、分析各子流域的土地利用结构。计算得到2008年和2013年子流域内各类土地利用类型面积（见图2），分别代表工程治理前和工程治理后的土地利用结构。
丹江口库区5～10月为丰水期;11，12月至次年1～4月为枯水期，2008～2016年胡家山小流域日降雨量小于10 mm的小雨占全年次降雨比例变幅为60.3%～92.5%。胡家山小流域2008，2013年和2016年次降雨数据见图3，2008年年降雨量为587.0 mm，2013年为524.6 mm，2016年为730.3 mm。
在每一个子流域出口处设置水质监测点，表征每个监测断面上游的集水区域，出口监测反映汇流的最终产出[8]。从2008年开始监测，每个监测断面每月采集水样2次，每次每点取样1 000 mL，用聚乙烯塑料瓶密封带回野外实验室，在24 h内对样品进行分析，总氮浓度采用过硫酸钾-紫外分光光度法测定[9]。
1.3数据分析
AnnAGNPS是USDA-ARS 与自然资源保护局（NRCS）共同研发的一个流域评价工具，它是针对农业流域对管理措施的响应而设计的基于连续事件的分布式模型[10]。本次利用AnnAGNPS对流域内地表径流、氮素、泥沙量的输出负荷进行模拟。研究中采用一致性指数（d）、绝对误差（e）、相对误差（f）3个指标衡量模型总体率定效果，以评估AnnANGPS模型的适用性。计算公式如下
d=1-ni=1（|Oi-Si|）ni=1（|Oi-O|+|Si-S|） 2（1）
e=ni=1|Oi-Si|n（2）
f=ni=1|Oi-Si|Sin×100%（3） 式中，Oi为实测值，Si为模拟值，O为实测平均值，S为模拟平均值，n为实测值或模拟值的个数。
根据AnnAGNPS模型模拟结果，运用SPSS软件分析不同土地利用和氮元素的相关性，观察回归分析中影响因子（Impact Factor， IF）回归系数的变化趋势[11];ArcGIS10.0主要用于制图和对各集水区数据输出[12]。
空间滞后回归分析主要用来量化分析各土地利用对总氮的影响程度[13]。空间滞后模型是回归模型的扩展。该模型考虑了空间单元上的因变量观测值依赖于其相邻区域的观测值的情形。空间滞后模型的一般形式，即一阶空间回归（SAR）混合模型，如下所示
yi=ρnj=1Wijyi+Qq=1Xiqβq+εi（4）
式中，误差项εi是独立同分布的，Wij是空间权重矩阵Wn×n的第（i，j）个元素，用矩阵形式表示，模型可以写成
y=ρWy+Xβ+ε（5）
ε～N（0，σ 2I）（6）
式中，X是Q解释变量的n组观测值形成的n×Q矩阵，W是按行标准化的空间权重矩阵，Wy为空间滞后变量，参数ρ反映了空间邻接单元对于因变量的解释程度，β则反映了解释变量X对于因变量y变化的影响。
2结果与分析
2.1流域水土保持措施实施情况与土地利用变化
胡家山小流域属“丹治”一期工程水土保持小流域，涉及习家店镇五龙池、板桥、朱家院、行陡坡和蒿坪镇王家岭5个行政村。2008年实施流域综合治理前，流域内轻度以上水土流失面积19.86 km 水环境主要问题为坡耕地种植面积较大，其中大于5°的坡耕地603.27 hm 2（9 049亩），且耕地以种粮为主，施肥强度大，污染严重。截止2008年，流域水土保持綜合治理基本完成，主要实施的工程措施包括坡改梯、退耕还林、生态修复等措施;针对农村生活和畜禽养殖，开展了厕所改造和沼气池建设等，工程措施具体分布见图4和表1。
胡家山小流域2008年与2013年土地利用分布见图2。2008年流域林地、耕地和居民地分别占流域总面积49.8%，46.0%和2.1%。2013年林地、耕地和居民地分别占流域总面积53.3%，42.2%和2.3%。自2008年流域实施水土保持综合治理后，流域耕地面积减少3.8%，林地面积增加3.7%，居民地用地增加0.2%。15个子流域土地利用格局变化见表2，其中耕地明显减少，林地占比增加的子流域主要分布在1，2，3，4，5，8子流域，多位于胡家山小流域北部。
2.2总氮输出浓度特征
2008～2016年胡家山小流域出口处总氮浓度枯、丰水期变化如图5所示。2008～2016年，流域出口处总氮年平均浓度从5.13±4.2 mg/L降低为2.06±0.62 mg/L。较2008年工程建成初期相比，各子流域总氮浓度值削减率变幅在22.48%～81.95%，其中位于上游的1，2，3，4，5，6号子流域总氮输出浓度下降幅度较大，该区域水土流失较为普遍，对照流域生态措施实施情况，工程措施以退耕还经济林、自然封育和荒山补植等措施为主，可见植被修复措施对于流域上游总氮输出的控制效果较为明显（见图6）。流域中部生态修复措施仍以退耕还经济林、自然封育和荒山补植措施为主， 4，5，11和14号子流域林地总面积由3.76 km 2增加至3.94 km 耕地面积由2.84 km 2减少至2.65 km 各子流域的总氮输出浓度下降幅度仍相对较高。与之相比，流域下游7，8，9，12，13号子流域总氮输出浓度的减少幅度相对较低，为22.48%～42.56%，其中12和13号子流域2016年年均总氮输出浓度仍维持在4.0 mg/L以上。该区域采取的生态修复措施以坡改梯、植物护埂、塘堰改造、沼气池等措施为主，已实施的措施不仅包括了水土流失治理措施，也包括居民生活污水与养殖废弃物的处置措施[14];从土地利用结构分析，流域下游是农业活动较为频繁的区域，耕地与居民地较为集中，目前以减少水土流失为主的生态治理工程已全部覆盖，但总氮输出浓度仍相对较高。下游子流域的农村居民活动较为突出，农村污水的收集有限，可能是总氮输出浓度的主要影响因素。
2.3流域土地利用格局与总氮浓度相关分析
将流域水体水质总氮浓度作为因变量，流域和100 m岸边带范围耕地、林地、居民地等面积、高程等主要影响因子作为自变量进行空间回归分析，结果见表3。R 2值反映的是该模型在各子流域对因变量总氮浓度的解释能力。在枯水期，R 2值最大的是在整个流域尺度，其解释能力为86%。在丰水期，100 m岸边带范围模型的解释能力大于流域尺度，其R 2值为88%，说明在丰水期，100 m范围的土地利用对河流总氮浓度的影响大于流域范围。
根据模型分析结果可以发现，土地利用、地形等都是影响河流总氮浓度的主要原因。在土地利用类型与总氮输出浓度的相关性研究中，耕地一直是河流总氮的主要来源，耕地所占比例越高，其对河流水体中总氮的影响越大[15-16]。本次相关性分析结果同样表现为耕地与河流总氮输出呈现明显的正相关性[17]。林地对氮浓度起到消减作用，在丰水期可以减少降雨径流对土壤的侵蚀程度，降低进入河流的氮浓度。除外，居民地与总氮浓度也密切相关。尽管居民地在各子流域所占比例较低，但因多距离河道较近，作为模型第二解释变量，其对河流中总氮浓度的影响不可忽视。
2.4流域总氮负荷输出时空分布
径流模拟的结果优劣直接影响到后续污染物输出模拟的准确性。研究中利用研究区五龙池集水区卡口站观测数据，以2008年6次降雨径流过程所观测的径流量和总氮输出量作为模型率定与验证依据。其中，2008年6月8日、7月19日和8月23日的3次降雨径流观测数据用于模型校准率定，2008年8月25日、9月5日和9月11日的3次降雨径流观测数据用于模型验证。模拟结果一致性指数（d）、绝对误差（e）、相对误差（f）计算结果如表4所示。验证结果表明径流量和总氮模拟结果较好，一致性指数较大。 利用AnnAGNPS模型模拟流域输出负荷分布见图7。2008年胡家山小流域总氮输出总负荷为49 025 kg/a，单位输出负荷为21.8 kg/（hm 2·a），其中2，5，11号子流域贡献了总负荷的40%以上。2013年胡家山小流域总氮输出负荷为29 598 kg/a，单位输出负荷为13.2 kg/（hm 2·a）。2016年流域总氮输出负荷降低为21 578 kg/a，单位输出负荷为9.6 kg/（hm 2·a）。总体而言，流域总氮输出负荷在逐渐减少，坡改梯、退耕还林等生态修复措施实施对削减流域总氮负荷输出具有明显的作用。
在100 m河岸带尺度上，2008年总氮输出负荷为21 436 kg/a，占同期流域总输出负荷的43.7%，2013年100 m河岸带尺度总氮输出负荷减少为12 639kg/a，而2016年为8 533 kg/a，与2008年同尺度相比，2016年100 m河岸带总氮输出负荷降低了60.2%，其中以耕地和居民地为主要土地利用类型的子流域，总氮输出负荷占子流域总输出负荷的50%以上，说明100m河岸带范围为流域总氮负荷输出的主要区域。有效控制胡家山小流域100 m河岸带尺度的氮素流失，可显著降低流域总氮输出负荷[18]。
3结论与建议
胡家山小流域属“丹治”一期工程重点治理的首批水土保持小流域，截止2008年该流域内相关水土保持措施基本全部实施完成。根据流域水质系列观测，2008～2016年，流域出口处总氮年平均浓度从5.13±4.2 mg/L降低为2.06±0.62 mg/L;总氮输出负荷由49 025.3 kg/a降低至21 578.5 kg/a。較2008年工程建成初期相比，各子流域总氮浓度值削减率变幅在22.48%～81.95%，其中位于上游的子流域总氮输出浓度下降幅度较大，以退耕还经济林、自然封育和荒山补植等为主的水土保持措施，对流域上游总氮输出的控制效果较为明显;与之相比，流域下游各子流域总氮输出浓度的减少幅度相对较低，为22.48%～42.56%，其中12和13号子流域在水土流失治理措施全部覆盖的情况下，总氮输出浓度仍相对较高，2016年年均总氮输出浓度仍维持在4.0 mg/L以上。经相关分析，流域内林地、耕地、居民地的空间分布格局对流域氮素输出均有影响，其中100 m河岸带范围为流域总氮负荷输出的主要区域。有效控制胡家山小流域100 m河岸带尺度的氮素流失，可显著降低流域总氮输出负荷。尽管居民地在流域所占比例较低，但因距离河道较近，其对河流总氮输出的影响不可忽视。
丹江口库区及上游水污染和水土保护项目从2007年开始实施，经过近10 a的相关治理已在逐步发挥作用。通过对丹江口库区典型小流域生态修复治理措施对流域总氮输出的控制效果分析，可以看到水土流失治理和面源污染控制的效果均十分明显。目前胡家山小流域总氮的输出浓度仍维持在2.0 mg/L左右，与丹江口水源地水质管理目标相比仍有一定差距。建议从绿色农业、农村生活污水分散处置等方面，进一步探讨削减丹江口库区小流域氮素输出技术措施。
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引用本文：贾海燕，徐建锋，李海燕，胡玉法.农业小流域土地利用格局变化对氮素输出的影响——以丹江口库区胡家山小流域为例[J].人民长江，2019，50（2）：24-29.
Effects of land use pattern change on nitrogen export of Hujiashan Watershed in Danjiangkou Reservoir Area
JIA Haiyan XU Jianfeng LI Haiyan HU Yufa 3
（1.Changjiang Water Resources Protection Research Institute， Wuhan 430051， China;2. Danjiangkou Water Affairs Bureau， Danjiangkoui 442700， China;3. Bureau of Soil and Water Conversation， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430010， China）
Abstract： Land use pattern has important effects on nitrogen output from agricultural non-point source pollution. Taking Hujiashan watershed in Danjiangkou reservoir area as the research object， this paper analyzed the influence of land use pattern change on the total nitrogen output of the basin from 2008 to 2016 to provide reference for the construction of ecological clean watershed in Danjiangkou reservoir area. The results showed that the annual average TN concentration at the outlet of Hujiashan watershed declined from 5.13±4.2mg/L to 2.06±0.62mg/L during 2008～2016; TN output load of the watershed decreased from 49025kg/a to 21578kg/a， reduced by 56%. By comparing and analyzing the implementation of watershed ecological control project in Hujiashan watershed， it showed that the soil and water conservation and vegetation restoration measures， such as conversion of slope-to-terrace and returning farmland to forest， played an important role in effectively controlling soil and water loss and reducing nitrogen output in watershed. Correlation analysis showed that the spatial distribution pattern of forest land， farmland and residential land all had impacts on nitrogen output in the watershed， and 100m riparian zone was the main area of total nitrogen output in the watershed. Effective control of nitrogen loss in 100m riparian zone of the watershed can significantly reduce total nitrogen output load of the whole watershed.
Key words：land use pattern; total nitrogen load; AnnAGNPS model; regression mode; Hujiashan watershed