2014, Vol. 
农业土壤氮磷流失是造成湖库水体富营养化的重要原因[1]. 随着我国点源污染控制水平的逐步提高，非点源污染已经成为水环境恶化的主要原因[2]. 氮和磷是水体富营养化的主要限制因子，可以说水体富营养化的发生与农田氮磷的流失有着密切的关系[3]. 1993年，Lemunyon等[4]提出了综合考虑影响农业非点源磷污染主要因子的磷流失风险评估指数法，其模型简单，评价结果可以较为准确地识别磷流失的关键源区. 截至目前，针对农业非点源磷流失量及流失风险问题，国内外利用磷指数法已开展了大量的研究. 张淑荣等[5]利用磷指数法识别了于桥水库流域磷流失高风险区域，即主要分布在丘陵平原区农田. 李琪等[6]基于Hughes的磷分级方案[7]，提出了修正的磷分级方案，并将其运用于妫水河流域，研究结果表明由于磷肥管理方式不合理，研究区内大部分地区磷流失风险较高. 此外，张平等[8]还以密云水库东庄小流域为例，采用氮磷综合指数法进行流失风险评估，结果表明东庄小流域大部分区域处于氮磷流失无风险或低风险区，高风险区主要集中在高肥料施用的农业用地. 由于氮磷指数法操作简单、 流失因子确定较为容易、 计算过程中数据获取难度相对较小等优点，目前已广泛应用于非点源污染评价中[9, 10, 11, 12, 13, 14]. 尽管如此，该方法仍还存在一定的不足，如评估结果代表的仅是氮磷流失程度的相对高低，不能反映氮磷的实际流失量等. 由于不同地区地形因子的差异性，针对不同研究区域，往往需要引用更多具体的影响因子.
瓦埠湖位于安徽省境内的淮河右岸，担负着淮南市、 寿县等周边市县集中饮用水水源地和重要生态功能，并被列入国家环境保护部第2批“良好湖泊生态环境保护专项”保护对象. 因此，从控制汇水区氮磷负荷的角度看，有必要对湖泊汇流区土壤氮磷分布及其非点源流失特征开展分析和评估. 本研究以该流域东部典型乡镇——庄墓镇为对象，在解析农田土壤氮磷含量及其空间分布特征的基础上，利用氮磷指数法对农耕区土壤氮磷流失风险进行评估，识别氮磷流失的高风险区域，以期为瓦埠湖流域非点源氮磷污染防治提供依据和技术支持.
瓦埠湖位于安徽省境内的淮河右岸，湖体呈狭长形，南北向长52 km，东西平均宽仅5 km，为河湖一体的河道扩展型湖泊. 湖面跨越寿县、 长丰县及淮南市的部分地区，水面面积156 km2，平均水深3.0~5.0 m，正常水位18.0 m. 瓦埠湖水质优良，是淮南市和寿县集中饮用水水源地，目前已被列入环保部第2批“良好湖泊生态环境保护专项”湖泊行列. 流域汇水区面积4 200 km2，属丘陵平原区形式，为典型的传统农业生产区域. 瓦埠湖流域属亚热带季风性湿润气候，年均气温15℃，年均降雨量960 mm. 主要作物有水稻、 小麦及油菜等.
庄墓镇位于长丰县境内，濒临瓦埠湖东岸中部地区，平均海拔50 m，以丘陵平原地貌为主，大体呈东南向西北方向倾斜. 发源于该镇东北边缘的庄墓河，既是庄墓镇的重要水源地，也是农田氮磷进入瓦埠湖的唯一水路通道. 庄墓镇总面积约41.3 km2，下辖杨湾村、 李庄村、 徐岗村、 张圩村、 侯集村、 金桥村、 枣林村、 薛桥村、 庄墓村、 刘浅村等10个行政村，常住人口1.5万. 同流域内的其他乡镇一样，庄墓镇也以传统农业为主，耕地面积约2 000 hm2，第二、 三产业相对较为落后.
2012年5月，在庄墓镇下辖的10个行政村，大致均匀地布设了162个采样点位(见图 1)，并进行GPS定位. 在每个采样点，利用铁铲采集耕作层(0~5 cm)土壤样品约200 g，经风干、 研磨后，过200目筛，并收集50 g土样待测.
取研磨后的土样2 g于离心管中，加入20 mL的2 mol ·L-1氯化钾溶液后振荡30 min，离心并取上清液，采用纳氏试剂分光光度法[15]测定NH+4-N； 利用0.2% CaSO4饱和溶液浸提后，利用紫外分光光度计比色法[16]测定NO-3-N； 将土样中加入碱性过硫酸钾，并于120℃温度下消解，采用紫外分光光度计比色法[16]测定TN含量. 可交换态磷、 铁铝磷等含量，采用化学连续提取法[17]测定； 将0.2 g土样于450℃中煅烧3 h，采用碱熔-钼锑抗分光光度法[18]测定TP含量. 土壤有机质采用重铬酸钾容量法[19]测定，pH按1 ∶5水土比，以便携式pH仪测定.
 | 图 1 采样点分布 Fig.1 Sketch map of sampling sites |
农田土壤氮磷流失程度，受许多因素的影响和控制. Gburek等[20]将影响氮磷流失的因子归纳为源因子和迁移因子两大类. 氮、 磷指数法[4]是估算土壤氮磷流失风险的一种评价方法，该方法根据各因子测定值的大小，将其划分为若干等级，并根据影响因子在氮磷流失过程中作用的相对大小赋予相应的权重，进而计算氮、 磷指数：
源因子主要反映不同土地利用方式下土壤中氮磷含量，氮、 磷肥输入，以及土壤氮磷的吸持能力等[21]，体现了土壤中可能发生流失的氮磷量. 考虑到数据信息的可得性以及研究区实际状况，本研究将土壤中全氮、 全磷含量，氮、 磷肥施用量、 施用时间以及施用方式等作为主要源因子.
(1) 施用量 农业化肥的施用不仅提高了土壤氮素、 磷素水平，在持续过量施用的情况下，还可能因土壤板结等原因，加剧土壤养分的流失. 一般来说，相关数据可以通过实地调查或对当地农资部门的调查获取，也可以借鉴毗邻地区农业化肥使用情况方面的数据.
(2) 施用时间 农耕施肥时间是影响氮磷流失量的重要因素，特别是施肥后连遇降雨会加剧氮磷的流失速率. 由于作物种类及生长周期的差异，不同作物对应的施肥量和施肥时间存在差异. 瓦埠湖流域夏季6~8月降水最多，春季次之，冬季最少. 在庄墓镇，磷肥大多作为底肥主要在夏季水稻插秧及秋季小麦播种期间施用，氮肥则主要集中在初春小麦追肥及夏季水稻生长期施肥阶段.
(3) 施用方式 化肥的施用方式可直接影响氮磷流失，施用的深度越浅，氮磷流失的可能性往往也就越大. 总的来看，不同施肥方式对于土壤氮磷流失影响程度由高到低的排序依次为[21]：地表施肥＞播散＞压埋作肥＞滴灌，等.
迁移因子表示直接或间接影响土壤中氮磷流失的因素. 总的来看，迁移因子主要涉及土壤侵蚀量、 氮磷流失场地距离受纳水体的长度等.
土壤侵蚀是氮磷营养物迁移的重要载体，其本身也是非点源污染的一种重要形式. 通用土壤流失方程是较为常用的土壤流失量估算方法，表达式为：
(1)降雨侵蚀因子 该指标表示由于降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，与降雨历时、 降雨强度等因素有关. 针对不同土地利用类型及土壤性质的降雨侵蚀因子，国内外已开展了大量研究，提出了多种简易算法[24, 25, 26, 27]，如采用逐月雨量简易算法估算降雨侵蚀因子，即[28]：
(2)土壤可蚀性因子 土壤可蚀性因子K值是由土壤有机质含量及土壤质地类型综合确定的定量数值，反映了土壤被冲蚀的难易程度，是研究土壤侵蚀的基础. 对于K值，既可以采用土壤可蚀性因子诺谟图进行查算[29]，也可以利用经验公式计算.
(3)地形因子 地形因子L和S分别代表坡长及坡度因子，反映了地形、 地貌特征对土壤侵蚀的影响，通常把L和S进行统一计算. 在无法获得研究区一定比例数字高程图的情况下，可以考虑利用下式[30]估算坡长坡度因子，即：
(4) 植被覆盖及管理因子 植被覆盖可以削弱降雨能量，保持土壤水分，有效抵抗土壤侵蚀，从而减少氮磷的流失. 植被覆盖及管理因子C值大小取决于具体的作物覆盖、 管理措施及轮作顺序的综合作用，与土地类型及植被覆盖密切相关. 一般地，C在0.001~1.0之间取值，其中最大值1.0表示地面完全裸露，无植被覆盖； 最小值0.001表示区域植被覆盖良好，地面得到良好的保护.
(5) 水土保持措施因子 有效的水土保持措施可以减缓土壤侵蚀度，在一定程度上削弱氮磷流失. 对于水土保持措施因子P，一般都是通过对比法得到相应的P值，不同地区由于水土保持措施不同，可能导致P值差异较大.
农田沟渠、 河流系统是非点源氮磷营养物进入水体的主要传输通道. 一般地，非点源流失区距离河流、 沟渠的距离越近，潜在的氮磷流失风险也就越高. 因此，针对相关距离的确定，是评价非点源氮磷流失风险的重要因子. 庄墓河是瓦埠湖东部地区的一条重要入湖支流，也是庄墓镇境内唯一河流水体. 在该河流左岸，有3条支流和排灌渠延伸至庄墓镇所辖区域内，并与田间地头的排水沟渠相通，农田流失的氮磷很容易通过沟渠的收集、 传输而进入庄墓河，并最终流入瓦埠湖.
庄墓镇农田土壤pH平均值为7.11，土壤中氮、 磷及有机质含量的相关统计结果见表1. 可以看出，区域内土壤全氮含量较高，最大值达到2.69 g ·kg-1，平均值为1.67 g ·kg-1，比邻近的巢湖流域高出0.64 g ·kg-1[31]. 而且，该区域全氮变异系数仅为18%，表明区域内土壤全氮含量较为均匀. 全磷含量最大值与最小值相差较大，差值高达2.68 g ·kg-1，平均值为0.71 g ·kg-1，比流溪河流域[32]菜地土壤全磷平均含量(2.40 g ·kg-1)低了1.69 g ·kg-1. 硝态氮和可交换态磷的变异系数相当大，分别为165.01%和125.01%，表明区域内二者含量分布的均匀性相对较差. 大体上，氨氮、 铁铝磷和全磷的变异系数较为接近，且都低于60%，表明三者含量空间分布的均匀性相对较好. 虽然所有指标的偏度均大于0，但最大值也仅为3.09，表明各营养物含量的正偏态分布特征较为明显. 这里，各指标的峰度值均大于3，其中氨氮与硝态氮峰度分别高达14.88和14.81，说明二者的分布与正态分布相比更为陡峭，呈尖峰分布. 庄墓镇土壤有机质平均值为2.01%，大体上与巢湖周边表土有机质含量较为接近[31].
 | 表1 土壤营养物统计分析结果 Table 1 Statistical results of soil nutrient contents |
 | 图 2 生物有效性氮和磷的空间分布示意 Fig.2 Spatial distribution of bioavailable nitrogen and phosphorus contents in soil |
在氮磷营养物中，可以被土壤生物直接利用的不同形态氮和磷，称为生物有效性氮、 生物有效性磷[33]. 庄墓镇农田土壤生物有效性氮(即氨氮和硝态氮)平均含量为0.26 g ·kg-1，生物有效性磷(即可交换态磷和铁铝磷)平均含量为0.33 g ·kg-1. 利用基于ArcGIS的Kriging插值技术，得到生物有效性氮磷含量的空间分布图，见图 2.
不难看出，生物有效性氮含量高的区域相对较为集中，主要分布在东部的薛桥村、 侯集村以及庄墓村的部分地区； 生物有效性磷含量绝大多数介于0.30~0.40 g ·kg-1之间，相对较高的区域主要集中在侯集村的局部区域，而徐岗村的大部分地区以及金桥村与杨湾村的部分地区，有效性磷的含量稍低. 总体上，庄墓镇农田土壤生物有效性氮占全氮含量的0.61%~46.46%，平均含量仅为14.93%. 事实上，在作物生长过程中，通过有机态氮矿化作用释放出来的氮，往往是作物重要的氮素来源，因此土壤有机态氮在作物氮素营养中起着很大的作用. 毫无疑问，庄墓镇土壤中较高的有机氮含量和在全氮中所占比重，意味着该地区土壤具有较大的生物有效性氮潜能. 就土壤磷素来看，该区域生物有效性磷占全磷含量的13.07%~89.55%，平均值高达47.30%，表明庄墓镇土壤中可被生物直接利用的磷所占比重显著高于氮.
同全国其他很多地方一样，瓦埠湖流域也普遍存在超量使用化肥、 农药的问题，致使土壤中氮磷累积较为明显. 其中，氮肥主要施用于初春及夏季，并以基肥加追肥的施肥方式为主. 庄墓镇10个行政村的农业耕作方式基本相同. 根据2006年中国统计年鉴中有关安徽地区施肥量数据，初步估算该镇年氮肥施用总量约667.10 t，平均施肥量为333.50kg ·hm-2，且从调查的情况看，种后地表施肥方式采用较多； 磷肥施用量为233.60 t，平均施用量116.80kg ·hm-2，且磷肥大都采用播散形式进行施用. 根据162个点位的土壤全氮、 全磷含量，利用Kriging插值技术得出该镇土壤全氮、 全磷含量分布，见图 3. 总体上，全氮含量<1.20 g ·kg-1的样本占样本总数的3.00%，含量处于1.20~1.50 g ·kg-1的占23.50%，1.5~1.80 g ·kg-1占43.80%，1.80~2.50 g ·kg-1占24.70%，含量高于2.50 g ·kg-1的占5.00%. 从图 3可以看出，含量较高的采样点主要散布在侯集村、 杨湾村、 刘浅村，相对较低的采样点主要出现在李庄村、 金桥村以及张圩村的部分地区.
 | 图 3 土壤全氮全磷空间分布示意
Fig.3 Spatial distribution of TN and TP contents in soil
|
同样，磷肥的过量施用也是影响该区域土壤全磷含量的重要因素. 从图 3可见，全磷含量的空间差异性相当大. 在162个采样点中，含量低于0.50 g ·kg-1的样本占样本总数的34.60%，含量处于0.50~0.70 g ·kg-1的占25.90%，0.70~0.90 g ·kg-1占13.00%，0.90~1.00 g ·kg-1占5.60%，含量高于1.0 g ·kg-1的占19.10%. 全磷含量相对较高的采样点主要集中在侯集村、 杨湾村、 枣林村，平均含量分别为844.3、 763.9、 793.0 g ·kg-1. 由实地调查得知，该地区磷肥施用时间大多集中在夏、 秋季，主要用作插播水稻和种植小麦的底肥. 从图 3还可以看出，李庄村、 张圩村、 庄墓村，特别是在杨湾村与徐岗村交界部分地区，耕地全磷含量明显偏少. 对比土壤全氮与生物有效性氮含量的分布情况，二者重合度并不高； 全磷与生物有效性磷含量分布图的重合部分也不多，表明庄墓镇农田土壤中，有机氮与全氮、 有机磷与全磷并不成比例地增加或减少.
从地理位置上看，庄墓镇所在地恰好介于合肥市与淮南市之间. 鉴于瓦埠湖流域尚还缺乏专门、 可靠的气象数据资料，考虑以合肥市与淮南市的逐月降雨量资料平均值作为该区域的降水资料，见表2. 在此基础上，根据式(3)和式(4)计算降雨侵蚀因子R值为148.09，数值大小与北京于桥水库流域丘陵区降雨侵蚀因子值较为接近[5].
| 表2 瓦埠湖流域2007~2011年逐月降雨量 Table 2 Monthly rainfall of Lake Wabuhu watershed during the years of 2007-2011 |
庄墓镇耕地土壤类型以水稻土为主，约占耕地总面积的65.80%，其次是黄壤土，占33.90%. 总体上，2种土壤在研究区内分布较为均匀，因此土壤可蚀性因子K值也大体相同. 采用文献[34]的确定方法，得到K为0.253. 从实地调查的情况看，庄墓镇境内植被覆盖度较高，特别是道路、 渠道两旁均有一定宽度的绿化林带，参照文献[35]，不妨取庄墓镇C值为0.12. 庄墓镇农田基本都采用水旱作物轮种的方式，田间地块大都有田埂的维护，灌溉排水沟渠体系大体较为完善，一定程度上减缓了氮磷径流流失. 总的来看，整个研究区域水土保持措施及境况大体相同，参照文献[36]，确定水土保持措施因子P值为0.35.
庄墓镇所在地基本上属于丘陵平原地貌类型，地形总体上较为平缓，局部区域存在一定的起伏和倾斜，特别是靠近各支流的两侧地区. 受坡度角及坡长指数差异的影响，各村庄土壤侵蚀情况存在一定的差异，见表3.
由表3可以看出，各村庄土壤侵蚀指数值在46.42~80.40之间，由于降雨量及地形因子等方面的差异，该值较北京地区于桥水库流域[11]大部分区域的土壤侵蚀模数高，但较毗邻的巢湖流域[37]部分区域侵蚀模数低. 对照图 1不难看出，土壤侵蚀相对较为严重的区域主要分布在位于该镇境内东南部的庄墓村、 侯集村，以及西南部的徐岗村.
由于各行政村面积不大，采样点间距较小，因此本研究将各村庄的中心点作为基本点，利用卫星图大致估算各采样点距离庄墓河及瓦埠湖的远近，见表4. 其中，刘浅村距离瓦埠湖最远，但离庄墓河却很近，而杨湾村则距庄墓河和瓦埠湖都很近. 由于庄墓河是研究区唯一的入湖河流，因此距离因子为这两个村庄氮磷流失风险的重要影响因子.
| 表3 各村庄土壤侵蚀量 Table 3 Soil erosion indexes corresponding to different villages |
| 表4 距离因子 Table 4 Distance factors for different villages |
毫无疑问，源因子和迁移因子等对于氮磷流失的贡献度和重要性存在一定的差异，考虑采用专家打分法，对各因子赋权值，结果见表5和表6. 一般情况下，土壤有机态氮组分构成了土壤全氮的绝大部分，庄墓镇也不例外. 由于庄墓镇土壤有效性氮含量相对较低(14.93%)，为此考虑将源因子中土壤全氮因子权重定为0.4. 由于土壤中生物有效性磷占总磷含量的比重较大(47.30%)，为此将土壤全磷因子权值定为1.
从源因子层面看，由于水文、 气象条件以及作物生长等的影响，不同施肥量、 施肥方式和施肥时间等带来的氮磷流失风险也不相同； 从迁移因子层面来看，土壤侵蚀情况、 距离水体远近等因素，同样影响氮磷流失的差异. 为此，考虑将源因子和迁移因子按照可能带来风险程度的差异，将其划分为较低、 低、 中等、 高和较高等5个等级，并赋予相应的分值. 其中，源因子分值分别为1、 2、 4、 8和10分，迁移因子分别为0.6、 0.7、 0.8、 0.9和1.0分. 也即，不同等级值表示相应的氮磷流失风险的可能性不同. 根据相关文献[5, 9, 37]，并结合庄墓镇农业生产和地形、 地貌特征，初步制定源因子和迁移因子相应于不同流失风险等级的标准，见表5和表6. 在此基础上，利用式(1)可以计算得到各采样点相应的氮磷指数值. 表7给出了各行政村农田土壤氮磷指数平均值. 显然，各村庄相应的氮指数和磷指数都较为接近，且尤以杨湾村明显偏大. 总体上，10个行政村的氮磷总指数(即两者之和)大小排序为：杨湾村＞庄墓村＞薛桥村＞刘浅村＞李庄村＞金桥村＞枣林村＞张圩村＞侯集村＞徐岗村. 整个庄墓镇农田土壤氮指数的平均值为2.11，磷指数平均值为2.13.
| 表5 氮流失风险评价体系 Table 5 Evaluation criterion of nitrogen loss risk |
| 表6 磷流失风险评价体系 Table 6 Evaluation criterion of phosphorus loss risk |
| 表7 各行政村土壤氮磷指数平均值 Table 7 Mean values of soil nitrogen and phosphorus indexes in each administrative village |
庄墓镇所在地属于丘陵平原地带，地势相对较为平缓. 针对这一特点，初步提出针对该类地区土壤氮磷流失风险等级划分标准，见表8.
根据各采样点相应的氮磷指数值，结合表8的风险等级阈值，利用基于ArcGIS的Kriging插值软件，绘制庄墓镇土壤氮磷流失风险指数分布图，见图 4. 可以看出，氮流失高风险区域出现在杨湾村局部地方； 中等风险出现在距离庄墓河及瓦埠湖较近的杨湾村、 枣林村、 薛桥村、 庄墓村和刘浅村等； 李庄村虽然毗邻庄墓河，但它和徐岗村、 张圩村、 金桥村和侯集村等都归属于低流失风险区域，表明除了距离因子外，其它一些因素同样可能决定风险态势. 相比较而言，极低风险仅是零散的出现在徐岗村和张圩村. 从不同风险覆盖的样本数看，中度风险样本占样本总数的40.12%，低风险占46.91%，极低风险占8.64%. 在磷流失风险方面，整个庄墓镇基本以低风险为主，样本数占样本总数的66.67%； 中度风险占15.43%，主要集中在杨湾村； 极低风险占14.20%，主要分布在徐岗村、 侯集村的部分区域； 高风险区占3.70%，主要集中在杨湾村东南部.
| 表8 氮磷流失风险等级划分标准 Table 8 Rating standards for nitrogen and phosphorus loss risk assessment |
 | 图 4 氮与磷流失风险指数空间分布示意
Fig.4 Spatial distribution of nitrogen and phosphorus loss risk indexes
|
(1)庄墓镇全氮含量为1.08~2.69 g ·kg-1，平均值为1.67 g ·kg-1； 全磷含量0.18~2.86 g ·kg-1，平均值为0.71 g ·kg-1. 农田土壤生物有效性氮占全氮含量的0.61%~46.46%，平均含量仅为14.93%； 生物有效性磷占全磷含量的13.07%~89.55%，平均值高达47.30%，表明庄墓镇土壤中可被生物直接利用的有效磷所占比重显著高于氮.
(2)在源因子空间分布方面，全氮含量相对较高的采样点主要散布在侯集村、 杨湾村、 刘浅村，含量较低的采样点则主要出现在李庄村、 金桥村及张圩村的部分地区； 全磷含量较高的采样点主要集中在侯集村、 杨湾村、 枣林村，平均含量分别为844.3、 763.9、 793.0 g ·kg-1. 10个行政村土壤侵蚀指数值在46.42~80.40之间，土壤侵蚀相对较为严重的区域主要分布在该镇东南部的庄墓村、 侯集村，以及西南部的徐岗村.
(3)庄墓镇农田土壤氮、 磷指数平均值分别为2.11和2.13. 10个行政村氮磷总指数大小排序为：杨湾村＞庄墓村＞薛桥村＞刘浅村＞李庄村＞金桥村＞枣林村＞张圩村＞侯集村＞徐岗村.
(4)庄墓镇农田土壤氮流失风险主要以中、 低风险为主，高风险区仅零星出现在杨湾村的局部地方，中等风险出现在距离庄墓河及瓦埠湖较近的杨湾村、 枣林村、 薛桥村、 庄墓村和刘浅村等； 磷流失风险以低风险为主，中等风险主要出现在杨湾村，高风险区主要集中在杨湾村东南部. 尽管该镇农田土壤氮磷流失风险总体不是很严重，但合理施用化肥和加强田间管理仍很有必要.
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