流域农业面源污染迁移过程与模型研究进展.pdf
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1、流域农业面源污染迁移过程与模型研究进展黄国鲜1,聂玉玺1,2*,张清寰1,童思陈2,赵健1,梁东方3,陈炜41.中国环境科学研究院2.重庆交通大学河海学院3.剑桥大学工程系4.重庆文理学院摘要当前农业面源污染仍是我国水污染的主要来源,面源污染过程涉及农业、水利、环境、生态等多学科交叉,是国内外环境污染学术研究和流域污染控制与管理关注的焦点之一。不同学科通常在不同的时空尺度上采用不同的方法研究农业面源污染的产生与迁移过程,如农业学科注重农田山坡流域尺度下灌溉、不同作物在不同阶段施肥、营养盐转化吸收及其土壤库收支与微生物对营养盐的作用等过程,但忽略了不同尺度或系统之间的迁移过程内在联系,尤其是较少
2、开展集成模拟研究。本文综述了典型空间尺度(从田块到山坡,再到流域尺度)农业面源污染迁移过程及影响因素,总结了流域农业面源污染建模方法,提出在模型系统中除需要深入考虑田块、山坡等尺度的局部水文及其污染物产生、累积、释放与迁移外,还迫切需要综合考虑农田山坡流域系统的水文和污染物迁移过程与集成面源模型的研发。同时,针对农业面源污染迁移过程的尺度转换、建模方法和模型不确定性,分析了其现有研究存在的不足,并对未来研究进行了展望。关键词农业面源污染;迁移过程;尺度转化;过程模型中图分类号:X143文章编号:1674-991X(2023)04-1364-09doi:10.12153/j.issn.1674-
3、991X.20220981Research progress of agricultural non-point source pollution migration processand model in basinsHUANGGuoxian1,NIEYuxi1,2*,ZHANGQinghuan1,TONGSichen2,ZHAOJian1,LIANGDongfang3,CHENWei41.ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences2.CollegeofRiverandOceanEngineering,ChongqingJiaotongUniv
4、ersity3.DepartmentofEngineering,UniversityofCambridge4.ChongqingUniversityofArtsandSciencesAbstractAgriculturalnon-pointsourcepollutionisstillthemainsourceofwaterpollutioninChina.Itinvolvesmulti-disciplinaryintersectionofagriculture,waterconservancy,environmentandecology,etc.,andisoneofthekeyissueso
5、fbothnationalandinternationalenvironmentalpollutionacademicresearchandwatershedpollutioncontrolandmanagement.Differentdisciplinesusuallyusedifferentmethodstostudythegenerationandmigrationofagriculturalnon-pointsourcepollutionatdifferenttimeandspacescales.Forexample,agriculturefocusesonprocessessucha
6、swaterirrigationonfields-hillsides-watershedscale,fertilizationfordifferentcropsatdifferentlifestages,nutrienttransformationandabsorption,soilpoolbudget,andtheeffectofmicroorganismsonnutrients.However,itisoftenoverlookedtheinternalrelationshipbetweendifferentscalesorsystems,andtherearefewstudies on
7、the integrated simulation of the transportation process.The agricultural non-point source pollutiontransportationprocessanditsinfluencingfactorsfromdifferenttypicalspatialscales(fromfieldstohillsides,andthentowatershedscales),aswellastheagriculturalnon-pointsourcepollutionmodelingmethodsinwatershed,
8、weresummarized.Itwasproposedthatinadditiontodeeplyconsideringlocalhydrologicalprocessesandtheyield,收稿日期:2022-10-10基金项目:国家长江黄河重大专项(2021YFC3201502);国家重点研发计划项目(2021YFC3101701);江西省揭榜挂帅项目(20213AAG01012)作者简介:黄国鲜(1975),男,研究员,主要从事水生态环境模拟研究,*通信作者:聂玉玺(1997),女,硕士研究生,主要研究方向为流域水环境模拟,Vol.13,No.4环境工程技术学报第13卷,第4期Ju
9、l.,2023JournalofEnvironmentalEngineeringTechnology2023年7月黄国鲜,聂玉玺,张清寰,等.流域农业面源污染迁移过程与模型研究进展 J.环境工程技术学报,2023,13(4):1364-1372.HUANGGX,NIEYX,ZHANGQH,etal.Researchprogressofagriculturalnon-pointsourcepollutionmigrationprocessandmodelinbasinsJ.JournalofEnvironmentalEngineeringTechnology,2023,13(4):1364-13
10、72.accumulation,releaseandtransportationofpollutantsatthetypicalscalesoffieldandhillsideinthemodelsystem,thehydrologicalandpollutantmigrationprocessesandthedevelopmentofanintegratednon-pointsourcemodel,whichcoveredfields-hillsides-watershedsystem,shouldbehighlighted.Meantime,theexistingresearchprobl
11、emsrelatedtothescaletransformation,modelingmethodsandmodeluncertaintyresearchofagriculturalnon-pointsourcepollutionmigrationprocesswereanalyzed,andthefutureresearchdirectionswereprospected.Key wordsagricultural non-point source pollution;transport process;scale transformation;process basedmodelling农
12、业面源污染主要包括由种植业、畜禽养殖、农村生活垃圾、水产养殖等带来的污染1。由于持续大面积开垦和高强度的种植、施肥等原因2,使农田表层土壤污染物含量不断增加,并随降雨径流汇入河道,加重水体污染。农业面源污染具有隐蔽性、滞后性、广泛性、随机性以及难检测性等特点,成为当前流域水环境治理的重点和难点。为解决这一问题,美国国家环境保护局(USEPA)部署了 20142018 年战略计划“健康流域计划”(Health WatershedsProgram),提出 6 项基本流域生态属性指标,用来衡量流域的健康状况,其目标是将密西西比河流域的农业氮负荷减少 45%3。欧盟委员会的研究表明,农业面源和点源对欧
13、盟水环境的污染负荷贡献率分别为 38%和 22%4。据第二次全国污染源普查公报,2017 年我国农业污染源年排放化学需氧量1067.13 万 t、氨氮 21.62 万 t、总氮 141.49 万 t、总磷 21.20 万 t,分别占全国污染物总排放量的 49.77%、22.44%、46.50%、67.20%,可见农业仍是我国面源污染的主要来源5。我国“十四五”规划提出优化农业生产空间布局,以化肥农药减量化、规模以下畜禽养殖污染治理为重点内容,加强“源头减量循环利用过程拦截末端治理”的农业面源污染精细化监管和治理体系建设,体现了农业面源污染全过程和系统化监管的重要性。因此,加强对农业面源污染迁移
14、全过程的认识有助于推进农业面源污染合理评估、精准预测并提升防控效果。流域农业面源污染的迁移过程较复杂,涉及农学、水利、环境、地理学等多领域和多学科交叉协同,然而各个领域侧重点不同,且较少考虑面源污染的整个过程和环节,比如种植制度、施肥过程、水文过程、水土侵蚀过程、营养盐迁移、多尺度及转化过程等,而这些过程对面源过程的贡献受到不同地形坡度、灌排系统、土壤类型、天气条件等因素的重要影响。近年来从田块、沟渠、山坡、河网到流域单个尺度或对象的面源污染迁移过程研究较多并获得一定的认识,然而各个对象的影响特性及其尺度转化关系仍不清楚。笔者综述了农业面源污染在不同尺度下的汇集迁移过程、模型方法及模型不确定性
15、的研究进展。1农业面源污染迁移过程农业面源污染迁移过程与农业区域空间景观格局、气象条件及人为调控相关。在丘陵山区,农田一般沿着等地形高线布局,形成山塘农田山坡汇流河道等景观格局,在此区域中,由于地形纵向比降较大,农田侧渗机会较多,汇出农田的水流动力和土壤侵蚀较强,污水在河道滞留时间较短,泥沙和氮、磷的耦合程度较高。在坡度较小的平原河网区,农田一般分布在河道和灌渠两侧,通常形成农田小比降山坡灌排水网池塘等景观格局。由于小比降、人工闸坝和河口潮汐等非恒大流的影响,可能导致区域内往复流产生,往复流极其复杂的物质输运导致其污水水团浓度具有更多的不确定性,营养盐的沉积、再悬浮、释放及其生物转化吸收等过程
16、和贡献与丘陵山区河道差异显著,且更加难以准确计算。田块是污染产生和农作物水肥利用与转化的关键场所,其空间尺度主要包含田块大小,污染物迁移时间尺度主要与水肥施放节律、农作物种类和生长收割等因素相关。由于局部区域尺度内地形比降较小,水分滞留时间较长,因此蒸发、下渗等过程中会造成溶解态物质的损失。山坡是水文产汇流的基本单元之一,其对应尺度也是农业面源污染迁移的基本尺度之一,在田块山坡流域等空间尺度污染物求解过程中,不同中间变量对污染物的影响程度不同,导致同一过程表现出不同的特征,山塘、取排水沟渠、闸坝等人为管理更是加大了污染物迁移过程和环节的复杂性与不确定性,给流域农业面源污染物迁移预测带来一定的难
17、度和不确定性。笔者从田块、山坡、流域 3 个关键尺度描述农业面源污染迁移过程,以期对农业面源污染迁移有更全面的认识。1.1田块尺度污染物迁移过程农业区每个田块周围都有小沟渠,这些沟渠连接到大沟渠,然后连接到池塘形成具有独特排水网络的人造景观,对降水进行再次分配引起污染物迁第4期黄国鲜等:流域农业面源污染迁移过程与模型研究进展1365移的局部过程,即田块池塘沟渠尺度图 1(a)。在农业区田块池塘沟渠尺度作用下,污染物迁移过程表现出不同的时空特征,同时污染物的累积、迁移和交换也影响着流域农业格局的稳定性6-7。田块、池塘和人工排水沟作为农业景观的湿地系统对污染物的影响十分复杂,该湿地系统具有降低地
18、表径流和土壤流失、增加土壤含水量和地下水的功效。各类污染物在池塘中通过沉积、转化、植物吸收和微生物利用,可以有效降低出水口处的浓度。已有研究表明,池塘对总氮、总磷的去除率分别达到 11%93%、12%92%8-9。田块作为污染物的源汇单元,其氮流失的主要途径是挥发和淋溶,磷则主要以发生氧化还原反应和物理方式流失,通过节水灌溉(如间歇灌溉、控制灌溉、洪水季节排水等)可减轻田块的氮、磷流失10。排水沟渠作为田块和池塘的连接件改变了水流路径,是污染物迁移和排出的主要路径之一,在排水沟边滩配置对氮、磷具有吸附和利用效果的植物,可减缓水流流速,减低氮、磷的流失率,由于 NH4+、有机氮和磷通常吸附在土壤
19、颗粒上,因此排水沟渠中该类污染物浓度会降低11。田块池塘沟渠尺度可通过遥感影像、无人机拍摄影像等方法来识别其空间分布和结构组成的定量指标,如池塘斑块面积占比、田块斑块密度、沟渠密度12。景观结构指标如斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、香农多样性指数(SHDI)、蔓延度(CONTAG)比其组成指标如内聚指数(COHE)、形状指数(SHMN)、聚集指数(AI)对小流域季节性和年度水文水质波动影响更大13。在流域中降水与农业格局变化对水文连通性的影响是一个交互反馈的过程,田块池塘沟渠的空间分布比其组成类型对流域污染物迁移影响更大14,因此已有的大多数研究都集中在田块池塘沟渠系统空间变化的差异上15
20、-16,而对其随时间变化的关注较少。田块池塘沟渠系统的动态变化会对流域农业污染物迁移产生较大影响17,对其进行可靠的评估,对于维持流域长期农业生态环境稳定至关重要18。图 1 不同空间尺度水文特性与污染物迁移路径Fig.1Hydrologicalcharacteristicsandpollutanttransportpathsatdifferentspatialscales1366环境工程技术学报第13卷 1.2山坡尺度污染物迁移过程山坡污染物迁移过程是指坡面土壤中的氮、磷、农药及其他有机或无机污染物在降水或灌溉过程中,通过地表径流向坡底运动的过程图 1(b)。污染物迁移不仅与降水量、径流、坡
21、度、土壤质地和结构、植被覆盖度等自然因素有关19,还与土地利用、土壤耕作、农田施肥等人为影响密切相关20。在较小的降水强度下,总磷浓度在降水后期才会显著增加,这是因为雨滴溅蚀和剪切力较小,入渗较长时间土壤含水量才会达到饱和,然后产生坡面流和坡面磷流失;在较大的降水强度下,雨滴溅蚀和剪切力较强,流速增大,坡面表层土和吸附的磷容易被地表径流冲走,尽管表层活动层土(一般小于 2cm)的总磷含量相对较高,但该土层的总磷累积有限,这部分磷在被冲刷流失后,即便随后的降水强度增大,也较难造成大量的磷流失,因此总磷流失剧增往往发生在暴雨初期21。Pei 等22对黄土高原不同植被类型和土壤特征进行溶质迁移试验,
22、发现土壤性质(如体积密度、大孔隙数量、孔隙连通性密度、饱和水力传导率、颗粒组成)与污染物迁移参数(如孔隙平均流速、初始渗透时间、累计渗透时间和动力扩散系数)之间存在显著相关性。Du 等23研究丘陵山区降水侵蚀条件下不同施肥和耕作形式对氮、磷迁移的影响,发现等高线耕作通过改变坡耕地的微地形增强储水能力并改善土壤性质,在同等施肥条件下作物根系吸收的土壤营养物有所提高,从而减少了氮、磷损失量。总之,山坡是农业面源污染物产生和迁移的基本单元,在坡面上污染物流失速度快、历时短,其污染迁移过程受人为影响较大,要实现有效和统一的规范化管理仍具有挑战性。1.3流域尺度污染物迁移过程流域农业污染物迁移过程是指化
23、肥、农药、畜禽粪便、农村生活垃圾等随径流和泥沙在陆面沟渠主河道流动,最终汇集到流域出口的过程图 1(c)24。流域气候和下垫面条件是影响污染物迁移的客观因素,在降水丰富的雨季,农业污染物主要随地表水和泥沙汇入流域出口,在旱季污染物累积在土壤中并被植物吸收利用,呈现明显的季节性变化25;而人类活动(如耕作面积和空间分布、施肥量、作物产量、农业经济发展程度以及农业管理模式)是影响污染物迁移的主观因素,合理优化农业空间布局以及规范种植施肥行为将有效减少农业源头污染26。研究者通常利用大量野外采样数据、分布式物理模型来计算分析流域尺度农业污染物时空迁移,识别流域内关键污染源区以及迁移特点27,而从污染
24、源沟渠河道上下游全面布设采样点位无疑会增加人力成本,因此与高频率监测技术相结合的流域模型将提高农业面源污染迁移过程监测准确性28。1.4尺度转化过程由 1.11.3 节可知,在小尺度上农业面源污染变化特性主要与微生物群、微地形和土壤质地等因子有关,在大尺度上主要受气候、土地利用、地形和人类活动的影响29-30。水文-地貌-生态相互作用,质量和能量的自由传输以及山坡与流域的沉积物滞留、迁移均是各尺度关注的热点31。农业非点源模拟过程模型主要包括各类污染源在不同介质中的产生、累积、流失、衰减、转化与迁移的模型数据表达和驱动机理方程的数值求解。农业面源污染迁移的空间尺度转化受限于如下因素:1)计算对
25、象的时空表达有效性;2)模型本构方程及其参数获取的试验时空尺度范围及时空尺度有效性;3)模型中主要控制方程稳定性、收敛性求解要求;4)计算机资源、计算效率限制等条件要求。需要对模型网格或响应单元空间尺度、时间步长进行协同控制,以期达到合理可靠的计算结果,对单一的问题可能有最合适或最优的时空尺度组合存在。但涉及农业活动区,其田块山坡流域的空间异质性高,污染迁移过程计算涉及多过程和多驱动因子求解,由于流域内各子过程和驱动因子具有不同时空尺度,从而使得问题呈现多时空尺度特点。从模型求解角度,一般只能选择最小尺度或最具代表性的时间或网格尺度进行求解。此外,一些模型使用的关键计算公式及其相应的参数主要从
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