磷是限制湖泊和河流水体富营养化及藻类生长的关键因子.在来自工业和城镇生活污水的点源磷污染得到控制后，面源磷污染逐步成为水体污染的主导因子.面源污染是指污染物从非固定的排污口排放，在降雨或融雪过程的作用下，通过径流的形式进入受纳水体，并导致水体富营养化及其他形式的水污染(宋家永等，2010)，农业系统是面源污染的主要来源(马立珊等，1997).在美国、丹麦、荷兰等国家的部分流域，面源磷污染负荷贡献分别占水环境污染总量的67%、52%和40%(Kronvang et al., 1996；Boers，1996；崔健等，2010).我国主要湖泊、三峡库区和淮河流域等区域，来自面源的磷污染均大于工业和城镇生活的点源污染(马立珊等，1997；焦锋等，2005；李秀芬等，2010).因此，分析流域面源磷污染流失的形态特征及时空规律，有助于控制湖泊和河流水体的富营养化.

SWAT模型是有效的面源污染分析工具，能综合考虑区域地形、土壤、土地利用、气候等环境因子，系统分析污染流失的陆面过程和河道行为，并对污染控制设计方案进行综合评价(郝芳华等，2006).在无监测资料的流域，可以选择具有水文相似性的其他流域参数进行参考，或移植处于同纬度和具有相同自然条件的流域的模型参数(潘杰，2008；丁晶等，2004).案例研究表明，这种方法模拟的地表径流、氮磷负荷在合理的范围内，且与监测值相差不大，有很强的可靠性(Panagopoulos et al., 2011；Ouyang et al., 2012).

巢湖地区是目前我国水污染控制的重点.因此，本文以巢湖地区无监测资料的柘皋河小流域为例，通过移植率定好的模型参数，运用分布式水文模型SWAT进行模拟，分析1980—2012年期间面源磷污染输出负荷的时间变化和空间分布特征，以期为系统开展南方河网地区湖泊和小流域面源污染的防治提供科学依据.

为系统识别巢湖流域农业面源磷污染的输出特征，本文选取了位于巢湖流域北侧的柘皋河小流域(31°35′0″N~31°55′0″N，117°33′0″E~117°57′0″E)开展案例研究.柘皋河全长35 km，自北向南注入巢湖，流域面积507 km²，地势北高南低.研究区属于北亚热带湿润季风气候区，年降水量为1000~1158 mm，年蒸发量为1469~1629 mm，均集中在夏季(储茵等，2011).

图 1(Fig. 1)

图 1 柘皋河流域所处的地理位置及高程图 Fig. 1 Location and topography of study area around the Chaohu Lake

本文利用在国内外均大量使用的SWAT模型开展分析(Ouyang et al., 2012)，SWAT模型能够模拟水文响应单元HRU中磷的转化和迁移.在SWAT模型中，磷的输入主要是来源于无机化肥和粪肥中的磷元素，磷的流失主要包括农作物的吸收、地表径流、测流、下渗和土壤侵蚀等所带走的磷元素(郝芳华等，2006).在模拟过程中，能充分考虑区域土地利用、土壤和农业耕作的变化(王晓燕等，2008).

数字高程模型DEM、土壤、土地利用等空间数据库被导入SWAT模型.高程数据是由国际科学数据服务平台提供的30 m分辨率的DEM数据；土地利用数据库来源于1980年和2010年流域L and sat TM影像的解译数据，2010年柘皋河流域的土地利用类型有6种，分别是水田、旱田、林地、草地、水体、居民区，以水田为主；土壤数据库采用南京土壤所提供的1 ∶ 100万的土壤类型作为模拟的输入数据，柘皋河流域包括黄褐土、黄棕壤土、水稻土、粗骨土、石灰岩土、漂洗水稻土，以水稻土为主.

气象属性数据是SWAT模型运行所需的重要属性数据库，从当地气象观测站获得1980—2012年的气象属性数据，包括流域的日降水量、日最高/最低气温、日太阳辐射、风速和日平均相对湿度等；基于两个时期的模拟进行了农业管理参数设计，本研究分别定义了1987年和2008年的施肥数据，其中，氮肥以N元素计算，磷肥以P₂O₅计算.1987年柘皋河流域平均每公顷的施用量为192 kg，而2008年平均每公顷的施用量增加到472.5 kg.

在无观测数据的流域应用模型时，参考处于相同纬度和自然条件下的其他流域的参数，是被广泛接受的解决办法(Panagopoulos et al., 2011).由于研究区面积过小，无长期有效的水文观测数据，只有6次短期观测数据，本研究移植与研究区处于相同纬度和自然条件下的新安江流域的参数(Wang et al., 2012).同时，也将案例区以往的相关研究作为参考(郑志侠等，2011)，最终得到面源磷污染模拟所需相关参数(表 1).

表1(Table 1)

表1 SWAT模型参数率定表 Table 1 Validated value of SWAT modeling parameters

表1 SWAT模型参数率定表 Table 1 Validated value of SWAT modeling parameters 参数 最优值 参数 最优值 CN2.mgt FRST 59.54 CANMX.hru 12.616   RICE 71.88 ESCO.hru 0.1188   PAST 61.12 GWQMN.gw 1274.91   URML 58.06 Usle_P.mgt 0.1367   WATR 85.33 Spexp.bsn 0.76   AGRL 73 SPCON.bsn 0.0543 ALPHA_BF.gw 0.1282 CH_N2.rte 0.1597 GW_DELAY.gw 36.182 CH_K2.rte 38.951 SMTMP.bsn 0.0418 TIMP.bsn 0.29 CMN.bsn 0.002 PHOSKD.bsn 165 NPERCO.bsn 0.26 BC1.bsn 0.22 PSP.bsn 0.7 BC2.bsn 2 PPERCO.bsn 15 BC3.bsn 0.23 BC4.bsn 0.01 AI2.wwq 0.02 AI1.wwq 0.08 RSDCO.bsn 0.05

为系统分析1980—2012年期间土地利用的变化和施肥水平的差异对面源磷污染输出的影响，利用SWAT模型开展两次模拟，分别对1980—1995年和1996—2012年期间年平均和月平均的面源磷污染进行模拟，分析不同形态面源磷污染负荷的空间分布，并采用SPSS软件对面源磷污染的模拟结果进行差异性分析，为南方小流域农业面源的污染控制提供科学依据.

基于率定的模型系统，对1980—2012年期间研究区流域出口处面源磷污染负荷的年际变化进行分析(图 2).从折线图可以看出，1980—2012年面源磷污染负荷围绕着平均值上下波动，且主要受年降雨量影响，不同水平年的磷污染负荷有较大差异.但由于土地利用和施肥的变化，后期的多年平均面源磷污染输出负荷高于初期.

图 2(Fig. 2)

图 2 1980—2012年流域出口断面面源污染磷负荷的年际变化 Fig. 2 Yearly pattern of averaged diffuse P loading at outlet of watershed

将两个时期的面源磷污染输出结果进行统计分析，结果表明，面源磷负荷存在较大的年际差别，33个年份的均值和标准差分别为121.13和85.63 t(表 2).1980—1995年的面源负荷明显比1996—2012年的小很多，主要原因是施肥和降雨.1996—2012年期间水田化肥的使用量大于1980—1995年的施肥水平，再加上2011年丰水年高强度降雨的共同作用，导致通过土壤侵蚀和地表径流进入河流的面源磷污染负荷为最大值425.53 t.在2001年枯水年份，面源磷污染输出负荷为最小值10.56 t.

表2(Table 2)

表2 1980—2012年流域出口处面源磷污染的年负荷的统计分析(N=33) Table 2 Statistical analysis of yearly averaged diffuse P loading at outlet of watershed during 1982 to 2012

表2 1980—2012年流域出口处面源磷污染的年负荷的统计分析(N=33) Table 2 Statistical analysis of yearly averaged diffuse P loading at outlet of watershed during 1982 to 2012 t 指标 均值 标准差 方差 全距 极大值 极小值 总磷 121.13 85.63 7332.47 414.97 425.53 10.56

在年负荷的基础上开展面源磷污染的月负荷的差异分析.1980—1995年和1996—2012年两个时期的总磷月负荷有着相同的变化规律，即在夏季雨季时负荷较大，而冬季负荷较小(图 3).但两时期的不同月份的面源磷污染负荷亦均有显著性差异.1996年以来的月平均负荷值均大于早期的平均值，尤其是月负荷最大的月份7月，后期平均值为60.91 t，而早期平均值为27.50 t.在研究区小气候未发生明显改变的前提下，对多年月负荷求平均可以剔除降雨对磷污染输出负荷的影响.近期面源磷污染负荷的增加主要是受区域土地利用变化和施肥量增加的影响.

图 3(Fig. 3)

图 3 两个时期流域出口处面源磷污染负荷的月际变化 Fig. 3 Monthly pattern of averaged diffuse P loading at outlet of watershed

对多年月负荷平均值的统计分析表明，1996—2012年月平均输出负荷的变异明显大于1980—1995年(表 3).近期月平均输出负荷为12.50 t，而早期是7.53 t，平均值增加不到1倍，但标准差增加了2倍，而方差变化达到4倍.剧烈的月均输出负荷的差异表明在相似的降雨条件下，目前耕作模式、土地利用和景观破碎化更有助于面源磷污染的流失、迁移.

表3(Table 3)

表3 两个时期流域出口处面源磷污染月负荷的统计分析 Table 3 Statistical analysis of monthly diffuse P loading in the two periods

表3 两个时期流域出口处面源磷污染月负荷的统计分析 Table 3 Statistical analysis of monthly diffuse P loading in the two periods t 时期 均值 标准差 方差 极大值 极小值 1980—1995年 7.53 8.94 79.90 27.50 0.17 1996—2012年 12.50 17.34 300.54 60.91 1.13

基于SWAT模型得到两个时期柘皋河流域不同形态面源磷污染输出负荷特征，首先分析有机磷输出负荷的空间分布信息，并对空间输出量的差异进行了计算(图 4).两个时期的模拟结果表明空间分布有较强的相似性，流域出口处有机磷负荷大，流域中部负荷处于平均水平.1980—1995年间流域西北部有大面积高强度的输出负荷区域，而到1996—2012年期间最大输出负荷的区域大面积减少，只有流域西部和东北部的2个小流域仍然有较高的输出负荷.将两时期有机磷负荷进行统计计算，结果表明，流域内大部分子流域输出负荷均有增加，东北子流域有机态面源磷输出负荷增加了0.20~1.00 kg · hm^-2.

图 4(Fig. 4)

图 4 有机磷负荷的空间分布 Fig. 4 Spatial pattern of organic P loading

与有机磷相比，可溶性磷的输出负荷更大，且高强度输出负荷的区域更广，时间尺度上变化更加明显(图 5).在初期阶段，可溶性磷负荷介于0.57~2.06 kg · hm^-2，但后期输出负荷为0.53~4.41 kg · hm^-2，流域尺度的平均可溶性磷负荷分别为1.54 kg · hm^-2和3.23 kg · hm^-2.虽然两个时期可溶性磷的输出负荷存在一定的差异，但空间分布相似，均是流域西南部和中北部负荷均较大.两个时期的对比分析也表明可溶性磷的输出负荷显著增加，最大增幅为2.50 kg · hm^-2.1996—2012年研究区可溶性磷负荷明显大于1980—1995年的可溶性磷负荷，在流域的西南部和中北部尤其明显.

图 5(Fig. 5)

图 5 可溶性磷负荷的空间分布 Fig. 5 Spatial pattern of disovable P loading

两个时期研究区矿物质磷输出负荷的空间分布存在一定的差异.在1980—1995年，流域西北部的矿物质磷负荷较大；而在1996—2012年，流域中北部和东南部的矿物质磷负荷较大(图 6).方差数值分析发现，1980—1995年的矿物质磷负荷在整个流域尺度上差异较大，而1996—2012年的矿物质磷负荷在空间分布上存在较小的差异.两个时期矿物质磷负荷分别介于0.24~2.58 kg · hm^-2和0.37~2.52 kg · hm^-2之间，流域尺度的平均矿物质磷负荷分别为1.06 kg · hm^-2和1.89 kg · hm^-2.可见，1996—2012年柘皋河流域矿物质磷负荷明显大于1980—1995年的矿物质磷负荷，在流域的中北部和东南部尤其明显.

图 6(Fig. 6)

图 6 矿物质磷负荷的空间分布 Fig. 6 Spatial pattern of mineral P loading

在3种形态面源磷污染输出负荷分析的基础上，进行面源总磷污染输出负荷的空间分布和差异分析(图 7).在1980—1995年，年均总磷输出负荷为1.06~5.55 kg · hm^-2，流域西北部的总磷负荷最大；而到1996—2012年，年平均输出负荷为1.92~6.96 kg · hm^-2，流域中部广大区域的总磷负荷均较大.两个时期流域尺度的平均总磷负荷分别为3.32 kg · hm^-2和5.88 kg · hm^-2，方差数值分析表明，两个时期的总磷负荷在整个流域尺度上差异均较小，故其空间分布都较为均匀.30年内研究区绝大部分区域总磷负荷明显增加，仅在流域西北部，由于林地面积的增加导致有机磷、可溶性磷和矿物质磷负荷减小，进而使得1996—2012年的总磷负荷减小.两个时期的可溶性磷负荷分别占总磷负荷的46.40%和54.92%，远大于有机磷和矿物质磷的比例.此外，磷肥施用的增加产生更多的可溶性磷负荷，导致其所占的比例进一步增加.可见，磷肥的施用是造成面源磷污染加重的主要原因.

图 7(Fig. 7)

图 7 总磷负荷的空间分布 Fig. 7 Spatial pattern of total P loading

为系统识别两个模拟阶段面源磷污染输出特征，对3种形态的磷污染及总磷的年输出负荷开展统计分析(表 4).1996—2012年期间3种形态磷输出负荷的均值、极小值和极大值大于1980—1995年，总磷的均值、极小值和极大值也有相似的规律.这表明随着土地利用变化的演替和耕作强度的增加，区域面源磷污染呈现全面上升的趋势.

表4(Table 4)

表4 两个时期模拟年均面源磷流失负荷空间分布的统计分析 Table 4 Statistical analysis of yearly diffuse P loading in spatial distribution in the two periods

表4 两个时期模拟年均面源磷流失负荷空间分布的统计分析 Table 4 Statistical analysis of yearly diffuse P loading in spatial distribution in the two periods t 数据类型 有机磷 可溶性磷 矿物质磷 总磷 1980— 1995年 1996— 2012年 1980— 1995年 1996— 2012年 1980— 1995年 1996— 2012年 1980— 1995年 1996— 2012年 均值 0.70 0.72 1.58 3.19 1.06 1.80 3.34 5.71 均值的标准误差 0.78 0.45 0.95 0.18 1.27 0.10 0.25 0.26 标准差 0.39 0.23 0.48 0.89 0.63 0.52 1.25 1.28 方差 0.15 0.05 0.23 0.79 0.40 0.27 1.57 1.63 极小值 0.21 0.33 0.57 0.53 0.24 0.37 1.06 1.92 极大值 1.93 1.22 2.06 4.41 2.58 2.52 5.55 6.96

由于面源磷污染的产生和输送受到降雨冲刷和地表径流的直接影响，故研究区的面源磷污染输出负荷的时间变化特征与降水特征之间存在一定的相关性.在年尺度上，对二者进行相关性分析，结果发现，面源磷污染的年负荷和年降水量的Pearson相关系数为0.581，在0.01水平上显著相关.在丰水年，面源磷污染的年负荷较大；在枯水年，面源磷污染的年负荷较小.在月尺度上，对二者进行相关性分析，结果发现，1980—1995年和1996—2012年面源磷污染的月负荷与月降水量的Pearson相关系数分别为0.889和0.843，在0.01水平上均显著相关.其中，在降水集中的6—8月，两个时期面源磷污染负荷分别占全年负荷总量的65%和71%.因此，每年的6—8月是研究区面源磷污染防治的关键时期.

由于下垫面、植被覆盖度的差异和农作物种植等缘故，不同土地利用类型的面源磷污染负荷存在一定的差异(郝芳华等，2006).对1996—2012年期间不同土地利用类型的面源磷污染负荷进行分析(图 8)，结果表明，水田、居民区、旱田的面源磷污染负荷最大，草地和林地次之，水域的面源磷污染负荷最小.这和密云水库流域的研究结果一致(王晓燕等，2008).其中，居民区的有机磷和矿物质磷负荷最大，水田的可溶性磷负荷最大.结合面源磷污染负荷的空间分布，面源磷污染负荷较大的地区主要集中在水田和居民区.因此，控制水田和居民区的磷污染负荷的产生和输送是研究区面源磷污染负荷防控的关键.

图 8(Fig. 8)

图 8 不同土地利用类型的面源磷污染负荷 Fig. 8 Diffuse phosphorus loading of different l and use types

施肥是影响农田面源磷污染的重要因素.磷肥是土壤磷元素的主要来源，多施用在表层土壤，在降雨和地表径流的作用下，易进入受纳水体造成磷污染.根据实地调查和查阅资料，1987年研究区平均每公顷的磷肥施用量(以P₂O₅计)为52.5 kg · hm^-2，而到2008年平均每公顷的化肥施用量增加到139.5 kg · hm^-2.与之相对应的是，1980—1995年水田的面源磷污染负荷为3.79 kg · hm^-2，到1996—2012年为6.584 kg · hm^-2，增加了73.72%.磷肥使用量的激增导致水田面源磷污染负荷大幅度增加.

模拟结果表明，1996—2012年研究区面源磷污染的输出负荷大于1980—1995年的负荷值.土地利用的变化和化肥的大量使用是导致研究区面源磷污染负荷增加的主要原因.居民区的面源磷污染负荷最大，林地的面源磷污染负荷最小.然而由于人口的增长和经济的快速发展，居民区不断扩张，而部分林地被开垦用作农田和居民区.上述土地利用的变化造成面源磷污染负荷的增加.此外，水田是最主要的土地利用类型，磷肥的过量和不合理使用造成水田的面源磷污染负荷增加，并最终导致进入河流的磷污染负荷增加.因此，土地的合理利用和磷肥的合理使用是减少研究区面源磷污染的有效措施.

1)在时间尺度上，1980—2012年研究区面源磷污染负荷围绕着平均值上下波动，不同水平年的磷污染负荷有较大差异.其中，1996—2012年的面源磷污染负荷大于1980—1995年的负荷.两个时期内不同月份的面源磷污染负荷均有显著性差异，其中，6—8月的磷污染负荷最大，是研究区面源磷污染防治的关键时期.

2)在空间尺度上，两个时期的面源磷负荷的空间分布存在一定的差异.1996—2012年单位面积的面源磷负荷明显大于1980—1995年的单位面积磷负荷，其中，面源磷污染负荷的增加主要集中在水田区域.

3)面源磷污染输出负荷的时间变化特征与降水特征之间有显著的相关性.

4)对于不同的土地利用类型而言，水田、居民区、旱田的面源磷污染负荷最大，草地和林地次之，水域的面源磷污染负荷最小.控制水田和居民区磷污染负荷的产生和输送是研究区面源磷污染负荷防控的关键.

5)土地利用类型的变化和化肥的大量使用是导致研究区面源磷污染负荷增加的主要原因.土地的合理利用和磷肥的合理使用是减少研究区面源磷污染的有效措施.