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摘要：总氮污染是引起水体富营养化和近岸海域水质下降的主要污染源，厘清区域总氮污染的来源、输出规模并进行总氮污染输出风险评估，对于水环境污染治理具有重要意义。针对传统基于土地利用进行总氮污染估算难以精准识别发生源及其空间位置的问题，本研究提出了基于空间场景的总氮污染评估框架。首先，利用高分辨率遥感影像和兴趣点等多源数据识别了江门市与总氮污染相关的各类空间场景，然后借助输出系数模型从流域尺度和行政单元尺度分别估算了不同空间场景的总氮输出规模和输出风险。结果表明：（1）林地是江门市面积最大的空间场景类型，占研究区总面积的60.62%。其次是农林业种植场景，江门市面积最小的场景为城镇商业场景，仅占江门市总面积的0.17%，主要分布在新会区。水产养殖场景主要沿着江门市海岸线分布，其中台山市和新会区分布最多，两者分布面积之和占江门市水产养殖场景总面积的81.85%;（2）农林业种植场景是江门市总氮污染输出的最主要来源，各空间场景对总氮的贡献度从高到低依次为农林业种植>畜禽养殖>城镇商业>城镇居民生活>农村居民生活>工业生产>水产养殖。

关键词：空间场景;总氮负荷;风险评估;兴趣点（POI）;高分辨率遥感

1引言

沿海地区自然和区位条件优越，是经济繁荣区和人口集中地，贡献了全球约61%的GDP，超过三分之一的世界人口生活在距岸线100km的范围内。随着高强度海陆经济开发活动的加速推进，大量营养盐及重金属元素输入近岸海域，致使近岸海域环境污染严重、富营养化加剧、底层水体缺氧和生态服务功能退化。联合国环境规划署研究表明，陆源污染占海洋污染物来源的80%，其中又有85%的陆源污染物是经河流输入海洋。我国近岸水环境也以“陆源污染、流域污染为主”，近岸海域的环境污染日渐严重且无法得到有效改善，与陆源污染物输出居高不下有着直接的关系。

推进陆海环境统筹管理，以海定陆实施陆源污染输出控制是近岸水环境综合治理的基本原则。但陆域不同区域的社会经济活动种类繁多，污染物输出强度和结构差异巨大。因此，厘清陆域各类污染源的输出总量、来源结构和空间分布，是进行入海污染物总量控制，改善海域生态环境的基础和前提。输出系数模型对数据要求较低，可以快速地进行面源污染负荷的估算，支持对污染进行长期模拟的需求，是目前总氮污染估算研究中最常使用的模型之一。然而，这种以土地利用斑块为单元的污染物负荷估算存在较大的局限性。本质上说，这种方法聚焦于人类经济社会系统末端输出量的分析（污染物输出量）及其与水环境质量响应，很少从人为输入源的角度进行分析，难以捕捉污染现象背后对应的人类产污行为，其估算逻辑是面向“输出对象”而非基于污染“发生源”。比如，因农药、化肥施用行为引起的总氮流失，输出对象可能是旱地、水田或者是农林场。

因此，识别人类活动对应的总氮污染输出源区并对其进行输出评估具有重要意义。对污染负荷的科学估算必须综合考虑人类污染物输出的具体场景。本研究提出一种基于空间场景的污染负荷估算框架，以粤港澳大湾区的江门市为例，利用输出系数模型并结合相关社会经济统计数据估算了江门市点源和非点源、城市内部和外部等多场景总氮污染的输出规模，以期为区域总氮污染的防控治理以及海洋资源的合理使用提供科学依据和决策支持。

2研究区概况及数据来源

2.1研究区概况

江门市是粤港澳大湾区的重要节点城市，位于广东省中南部，从东至西相距为46.6公里，从南至北相距为79.55公里，市域面积为9506.92平方公里。东与中山市、东南与珠海市毗邻，南濒南海，西南与台山市、西与开平市、西北与鹤山市相接，东北与佛山市相邻。

2.2数据源

本文利用的数据包括遥感影像数据、POI、路网、行政边界、DEM（Digital Elevation Model）、社会经济数据等。详细信息如下表所示：

3研究方法

3.1空间场景的内涵

空间和场景是地理研究中两种不同的分析视角。空间，是地理学中最重要的概念之一，指的是地球地表或近地表，由坐标系统和地理测量组织起来用量化或者计算的方式来分析客观的物理环境。场景侧重于文化属性，主要应用在城市更新等研究和遥感语义分类两个方面，其应用逻辑起源于场景理论。人类对自然的改造、对资源的开发利用及其效应是错综复杂的。鉴于场景理论的丰富内涵，本研究进一步提出，可以把场景概念引入到整个地理空间的研究中，即空间场景，为探究人与自然的复杂多样的交互作用特征提供支撑。在本研究中，空间场景被定义为是由具有空间位置属性、土地覆盖/利用的自然属性和社会经济属性以及地理空间人类活动产污行为的生态属性构成，考虑了土地覆被因其土地利用功能或区位不同带来的差异性，具备自然、社会、经济和生态等多维属性的复合体。

3.2空间场景分类

空间场景的自然属性指的是土地覆盖类型，社会经济属性为某空间范围地表上所承载的人类社会经济活动，如居住、商业商务服务、工农业生产等行为活动，生态属性指地表输出的污染物类型和方式。首先，根据土地覆盖、地理空间位置差异，将江门市全境划分成“农村空间”、“城镇空间”以及“生态空间”三个一级场景;然后根据具体生态功能和社会经济活动等属性差异，对三个一级场景进行细分。

3.3结合遥感影像与POI的空间场景识别

采用逐级识别的方法来提取江门市的不同空间场景。首先对遥感影像进行面向对象分类，提取出自然空间场景，在此基础上，对POI进行预处理（清洗、纠偏）、重分类和权重赋值，并利用类型比例法完成特定语义场景的识别，实现原理如下：

式中，i为POI的类型，为第种类型POI在空间单元内的数量，表示第种POI类型的权重;为第个场景的面积，表示第i种类型POI在空间单元内的频率密度，表示第种类型POI在空间单元内的类型比例。在计算了每个空间单元内的和后，如果空间单元内某种POI类型的值大于50%，那么该空间单元为单一场景，场景类型由单元内POI的最大值对应的场景决定;当单元内所有POI类型的均小于50%时，该单元为混合场景单元，为了便于后续总氮污染负荷的估算，本研究将混合场景单元统一归类为城镇居民生活场景。

3.4基于空间场景的总氮污染负荷估算

采用输出系数法来估算江门市各类型空间场景的总氮输出量，估算模型如下所示：

式中：是区域污染物的总氮流失总量（kg/）;是污染源的输出系数（kg/（km2a）或者kg/（人a）或者kg/（头a））;是区域内第种空间场景类型的面积（km2），或者类牲畜的数量（只或头）以及人口数量（人）;是第种污染源的营养物输入量（kg/）;P是来自降水的的污染物输入量（kg/（km2a）），本次研究未考虑此项影响。

（1）农林业生产场景

农林业生产场景总氮污染主要是指粮食生产过程中因化肥的施用产生的总氮随地表径流或地下水径流产生的输出。2020年江门市单位面积化肥施用量参照刘一锋等人的研究，根据年平均增长率折算得到，最终确定其值为62331kg/km2;采用广东省历年氮肥、磷肥、钾肥和复合肥的施用情况来确定施用比例关系，并假设总氮肥施用强度2020较前几年保持不变，最终确定单位面积氮肥、磷肥以及复合肥施用量按照4：1：2：3比例进行分配，氮肥流失率取70%。

式中，表示农林业种植场景总氮的输出总量（吨/年），表示农林业种植空间场景面积（平方公里）;表示单位面积总氮产生量（吨/平方公里），、分别表示江门市单位面积氮肥以及复合肥施用量（吨/平方公里）。

（2）规模化养殖场景

规模化养殖场景对应畜禽养殖空间场景或水产养殖空间场景。畜禽养殖的总氮污染物输出系数分别采用相关文献得到，单位面积水产品产量为1325.81t/km2，根据江门市统计年鉴得到。

式中，分别表示规模化畜禽养殖和水产养殖场景产生的总氮输出量;表示养殖产品的产量;表示总氮输出系数;表示水产养殖场景面积;表示单位场景面积水产品产量。

（3）城乡居民生活场景

居民生活场景总氮污染主要考虑人类生活过程中产生的总氮含量，包含生活污水和排泄物两个部分。城镇生活污水输出系数根据污水处理厂处理率和污水脱氮脱磷率进行修正，污水总氮脱氮率为55.5%，污水总脱磷率为97.6%。参照《生活污染源产排污系数手册》，农村生活污水总氮污染物的去除率分别为45%和48%，居民排泄物总氮的排污强度分别为4.69g/人·天和0.40g/人·天。

式中，和分别表示城镇居民生活与农村居民生活场景总氮排污总量（吨/年）;和分别表示场景单元面积（平方公里）;和分别表示城镇或农村人口密度（人/平方公里），参考江门市统计年鉴得到;γ表示人均综合用水量系数;μ表示折污系数;τ表示总氮输出系数;β表示污水处理厂处理率，取值0.74;α表示排泄系数;表示污水输出系数;表示农村生活污水输出系数;δ表示农村生活污水总氮输出系数;σ表示农村生活污水总氮去除率，取值0.55。

（4）城镇商业场景

城镇商业总氮输出主要指餐饮消费过程中食物浪费中直接输出的总氮含量。由于实证数据的缺乏，本文采用相关学者的研究数据和结果进行总氮输出量的估算，然后通过对估算结果进行基于面积权重的空间插值得到总氮输出空间分布结果，方法如下：

式中，表示年商业场景输出总量，表示城镇常住人口数量;表示年接待游客数量;表示城镇常住人口人均年就餐食物浪费量，表示游客人均每餐就餐食物浪费量，参考相关学者的研究，人均年食物浪费量取值为11kg，旅游人口人均每餐食物浪费量为103g，本研究中，假定每位游客在城市旅游的天数为3天，每一天的用餐数为2.5餐;表示直接食物浪费中总氮输出到水体中的含量，取值为0.003t/a。

（5）工业生产场景

参照全国污染普查公报、江门市统计年鉴，工业场景污染主要考虑农副食品加工、食品制造业、化学原料和化学制品制造业等工业类别的总氮输出。引入输出强度指标进行工业生产场景总氮负荷的估算，公式如下：

式中，表示某种污染物的年输出总量（t）;S表示工业场景单元面积;表示第i个企业的单位面积年平均产值（万元/平方公里/年），该项数据利用统计数据并基于面积权重的空间插值方法得到;第i个企业某污染物的输出强度（kg/万元）;n为企业总数;总氮污染物输出强度参考第一次全国污染源普查工业污染源产排污系数手册确定。

4结果及分析

4.1江门市空间场景识别

江门市各空间场景分布及面积统计如图3和表7所示。江门市以生态空间场景为主，占研究区总面积的62.91%;其次是农村空间场景，面积为2686.35平方公里，主要分布在恩平市的东北部、开平市中部以及新会区;城镇空间场景主要集中分布在蓬江区、江海区和新会区东北部，面积占比为8.42%。江门市二级场景面积最大的是林地场景，面积占比为60.62%。其次为农林业种植场景，面积为1581.51平方公里，占江门市面积的16.89%，主要分布在新会区。江门市其余空间场景的面积占比均低于10%，面积占比大小依次为农村居民生活、水产养殖、城镇生活、工业生产、水田、水体、农林业种植、城镇商业，其中水产养殖主要沿着江门市海岸线分布，城镇商业场景主要分布在蓬江区、新会区和江海区。

4.2基于空间场景的总氮污染来源结构

对江门市全域各类型空间场景的总氮输出负荷进行估算，得到2020年江门市总氮输出总量分别64803.51吨为和11391.32吨。总氮污染源结构如表8所示：

农林业种植场景是江门市总氮污染最主要的来源，整体上看，江门市总氮污染的最主要来源为农林业种植场景。其余空间场景对总氮污染输出的贡献依次为：畜禽养殖>城镇商业>城镇居民生活>农村居民生活>工业生产>水产养殖。

4.3总氮污染负荷空间分异

4.3.1不同县市区总氮污染输出结构与空间分布

以行政单元统计了各场景总氮的输出量，最终得到江门市7个县市区所有场景的总氮输出结构（表9）。

4.3.2不同流域总氮污染输出结构与空间分布

总氮输出量最高的是谭江流域，为41087.89吨，是粤西诸河流域和西北三角洲流域输出总量之和的2倍左右;输出最多的流域是谭江流域，其次是西北三角洲流域和粤西诸河流域。农林业种植场景是所有流域总氮输出最为主要的来源，粤西诸河流域和谭江流域的输出主要来农林业种植场景，水产养殖和农林业种植是西北三角洲流域输出贡献最多的主要场景类型。

5讨论

本文引入场景的概念进行总氮的估算可以精细化识别总氮污染的来源结构。研究结果表明，江门市城镇商业场景食物浪费引起的总氮输出规模占研究区总氮输出总量的19.27%，是重要的总氮输出污染源，传统基于土地利用的估算方法将不透水面作为一个整体的总氮输出来源，没有根据活动方式对城市空间进一步细分，未能更加全面的评估区域总氮污染输出情况;另一方面，估算的精度会受影响，因为之前不透水面是一个系数，难以反映不同人类活动的产污特点。其次，在以往的研究中，耕地（旱地和水田）、林地、园地和草地是农业总氮面源污染的估算对象，本研究将农业面源污染对应为农林业种植过程中化肥的使用，相比于针对不同土地利用选取不同的输出系数进行估算，基于场景的方法通过选取可以反映区域总氮输出实际规模的指标，估算过程更加简便，估算结果更加符合地方实际。

6结论

本研究基于遥感影像和POI等多源数据识别了江门市全境空间场景的分布，并在此基础上利用输出系数模型对各场景以及江门市总氮输出负荷规模和风险进行了评估，研究表明：

林地是江门市面积最大的空间场景类型，占研究区总面积的60.62%，主要分布在台山市。其次是农林业种植场景，面积占比为16.89%。江门市面积最小的场景为城镇商业场景，仅占江门市总面积的0.17%，主要分布在新会区。水产养殖场景主要沿着江门市海岸线分布，其中台山市和新会区分布最多，两者分布面积之和占江门市水产养殖场景总面积的81.85%。总氮输出高值主要分布在江门市东部的台山市、新会区和开平市等3个地区，输出低值分布在北部的鹤山市和蓬江区;谭江流域是总氮输出量最多的流域，其输出规模占比为63.40%。农林业种植场景是江门市总氮污染输出的最主要来源，各空间场景对总氮的贡献度从高到低依次为农林业种植>畜禽养殖>城镇商业>城镇居民生活>农村居民生活>工业生产>水产养殖。

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