不同氣候稻作區(qū)徑流及面源污染排放模擬分析

劉方平，陳曼雨

(1.江西省灌溉試驗中心站，南昌 330201；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072)

2007年，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第四次評估報告指出，過去100 a(1906-2005年)，由于溫室氣體排放增加，導致全球氣候有變暖的趨勢。2013年，第五次IPCC報告中指出，到21世紀末全球溫度將再升高約1.4～6.4 ，降水也隨之增加，全球氣候變化及其可能造成的影響已引起各國政府和專家的廣泛關(guān)注。以氣候變暖為特征的氣候變化將對降水及徑流等水文過程產(chǎn)生重要影響，這些因素進而影響農(nóng)業(yè)面源污染的產(chǎn)生及其輸移轉(zhuǎn)化過程和水環(huán)境的變化。氣候變化直接控制著水體的生態(tài)環(huán)境和徑流變化，從而影響著水體內(nèi)污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程。因此，在全球氣候變暖的背景下，開展水文水質(zhì)對氣候變化的響應研究，減少氣候變化對農(nóng)業(yè)面源污染及水環(huán)境的不利影響，對構(gòu)建和諧發(fā)展的生態(tài)經(jīng)濟社會具有重大的科學意義和現(xiàn)實意義。SWAT( Soil and Water Assessment Tool) 被認為是應用較為廣泛的研究面源污染的模型之一。國內(nèi)外很多學者探討了SWAT 模型研究農(nóng)業(yè)面源污染的適用性，模型模擬效果令人滿意[1-4]。

本文針對全球氣候變暖的背景，采用灌區(qū)水量轉(zhuǎn)化及農(nóng)業(yè)面源污染分布式模擬模型(SWAT 模型)，即考慮稻田水分循環(huán)、灌溉排水模式以及灌區(qū)塘堰供水和渠道滲漏損失等灌區(qū)特有的水文過程改進模型[5-8]，來模擬氣候變化對稻田徑流及面源污染排放的影響，探明稻田不同尺度區(qū)域排水其水文水質(zhì)對氣候變化的響應，為在稻田排水系統(tǒng)不同尺度區(qū)域采取有效節(jié)水減排措施提供理論據(jù)，以減少氣候變化對農(nóng)業(yè)面源污染及水環(huán)境的不利影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文選取的研究對象為位于江西省贛撫平原灌區(qū)內(nèi)的芳溪湖小流域，該小流域位于南昌市南昌縣境內(nèi)，地理位置為北緯28°33′～28°29′，東經(jīng)116°05′～116°0′，面積約為30.80 km2，多年平均氣溫17.8 ℃，多年平均日照1 603.4 h，多年平均降水量為1 662.5 mm，無霜期276 d。該區(qū)域的灌溉水來源為贛撫平原灌區(qū)二干三分渠和二干五分渠，區(qū)域產(chǎn)流和排水流向芳溪湖內(nèi)，是一個相對閉合的區(qū)域[9]。區(qū)域內(nèi)主要種植作物為雙季稻。研究區(qū)空間位置見圖1。

圖1 研究區(qū)空間位置Fig.1 Spatial location of the study area

在構(gòu)建研究區(qū)的分布式水文模型時，需向SWAT模型輸入研究區(qū)的基礎數(shù)據(jù)資料，主要分為空間圖像資料、屬性數(shù)據(jù)資料兩大類；并根據(jù)以上資料，對模型相關(guān)參數(shù)進行率定[9]。

由于本文所選研究區(qū)為平原灌區(qū)，地勢平坦，沒有明確的坡面產(chǎn)匯流特征；且研究區(qū)分布著很多人工修建的渠堤，阻礙了徑流自排進入干流水體，使得區(qū)域內(nèi)和干流的水力聯(lián)系發(fā)生改變，利用DEM 圖提取的河網(wǎng)跟研究區(qū)的實際河網(wǎng)有一定的出入，因此，本文采用李碩等[10]提出的方法進行研究區(qū)的河網(wǎng)提取，將研究區(qū)劃分為9個子流域共51個水文響應單元，建立基于改進SWAT模型的區(qū)域水量轉(zhuǎn)化及農(nóng)業(yè)面源污染分布式模擬模型。所得研究區(qū)河網(wǎng)分布及子流域劃分情況見圖2。

圖2 研究區(qū)河網(wǎng)分布及子流域劃分Fig.2 River network and sub-basins in the study area

1.2 農(nóng)田排水水質(zhì)指標測定方法

農(nóng)田排水中水質(zhì)測定指標包括TN和TP。水質(zhì)測試方法如下：總氮(TN)測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)；總磷(TP)測定采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893-89)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氣候情景下芳溪湖入湖徑流量及氮磷排放規(guī)律模擬分析

2.1.1 氣候變化情景設置

關(guān)于氣候變化情景的設置比較復雜，本文所研究的芳溪湖小流域未來氣候變化情景具體設置為兩方面：氣溫T在現(xiàn)狀基礎上分別增加1、2、3、4 ℃；降水量P在現(xiàn)狀基礎上分別增加-10%、-5%、0%、5%、10%。氣候變化情景設置如表1所示?，F(xiàn)狀情景設置為2013年的實際氣候條件。

表1 芳溪湖流域氣候變化情景設置Tab.1 Scenario settings of climate change in the Fangxi Lake basin

注：T+1為氣溫增加1 ℃；P+10%為降水量增加10%，其他類推。

2.1.2 不同氣候情景下芳溪湖入湖徑流量變化分析

以2013年的實際氣候條件為現(xiàn)狀情景，將以上不同氣溫變化和不同降水量變化的10種氣候情景輸入SWAT模型進行模擬計算，統(tǒng)計分析不同氣候情景下入湖徑流量。氣溫和降水變化情景下芳溪湖入湖徑流量相對于現(xiàn)狀情景的變化率見表2。

由表2可以看出，隨著氣溫升高，徑流量逐漸減小。這其中原因可能是氣溫升高，使流域騰發(fā)量升高，流域的耗水量增加，從而徑流量相應降低。流域騰發(fā)量隨溫度的變化情況見圖3。

同時，從表2可以看出，徑流量變化與降水量變化基本一致，即隨降水量增加徑流量同步增大，徑流量增減的百分比與降水量增減百分比基本相同，這其中原因可能是當降水量增加后，水文循環(huán)過程中的來水量也隨之增加。

表2 不同氣候情景下芳溪湖入湖徑流量變化Tab.2 Runoff variation of the FangXi Lake basin under different climate scenarios

2.1.3 不同氣候情景下氮磷排放變化規(guī)律模擬分析

徑流是農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生及其輸移的載體，由氣候變化導致的徑流變化必然會影響到研究區(qū)域氮磷污染負荷的排放。本文從稻田產(chǎn)污量及最后進入芳溪湖水體(流域出口)的排污量兩個角度，對不同氣候情景下農(nóng)業(yè)面源污染排放規(guī)律進行模擬分析。

圖3 芳溪湖流域年均騰發(fā)量隨溫度的變化Fig.3 Annual evapotranspiration changed with temperature in the FangXi Lake basin

(1)不同氣候變化情景稻田氮磷排放變化規(guī)律分析。不同氣候情景下稻田單位面積排水量以及總氮、總磷排放負荷變化情況見表3。

表3 不同氣候情景下稻田氮磷排放變化Tab.3 Discharge variation of nitrogen and phosphorous at the field scale under different climate scenarios

從表3可以看出，當降水增加時，單位面積稻田排水量隨之增加，單位面積稻田排放的氮磷負荷隨之增加，并且排水量、總氮、總磷的增減百分比基本與降水增減的百分比保持一致，其中原因可能是降水增加時徑流增大，造成田面排水增加，土壤因淋溶而流入水體的氮磷增多。

當氣溫升高時，單位面積稻田排水量、總氮、總磷排放都呈現(xiàn)下降趨勢，但是三者下降幅度不一致；其中，稻田總氮下降幅度與稻田排水量下降幅度之間差異較大，兩者下降幅度最大相差近20倍，而總磷排放量下降幅度與稻田排水量下降幅度之間差異不大，兩者下降幅度最大僅相差3倍。其中原因可能是氣溫不僅會影響徑流的變化，也會影響稻田氮、磷循環(huán)中的生物和化學反應，如礦化作用、分解作用、植物吸收作用等。一方面溫度升高會導致徑流減少，從而減少稻田氮磷流失；另一方面，微生物反硝化和植物吸收在溫度升高時作用加強，一定程度減少了氮磷排放負荷；而相對于溶解度有限的磷而言，氮素在循環(huán)中存在多種形態(tài)而極為活躍，因此，受溫度的影響更大。

(2)不同氣候變化情景下流域出口氮磷排放變化規(guī)律分析。將不同氣溫情景下和不同降雨情況下的模擬結(jié)果與現(xiàn)狀情景進行對比，可得到流域出口氮磷污染負荷變化情況，具體見表4。

表4 不同氣候情景下芳溪湖流域出口氮磷排放變化Tab.4 Discharge variation of nitrogen and phosphorous at the outlet of the FangXi Lake basin under different climate scenarios

從表4可以看出，氣溫升高時，流域出口總氮、總磷排放負荷有增加的趨勢，與前面所述稻田氮磷排放負荷降低的趨勢不一致。其中原因可能是氮磷污染物在隨徑流遷移的過程中，氣溫升高導致水體溫度升高，增加了微生物的活性，進而促進了底泥中內(nèi)源氮、磷的釋放，其增加程度比稻田氮磷排放的減少程度更大。當降水增加時，流域出口總氮、總磷排放負荷有所增加，其變化率與稻田氮磷排放負荷基本一致。

2.2 未來氣候變化下氮磷排放負荷模擬分析

2.2.1 未來氣候變化情景設置

據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的預測結(jié)果，未來 100年全球溫度將繼續(xù)上升，降水也將有增加的趨勢[11]。徐影等[12]對長江中下游地區(qū)21世紀氣候變化情景進行預測，未來50～100 a，長江中下游地區(qū)氣溫、降水變化與全國和全球一樣，都呈增加的趨勢。由于人類活動影響、溫室氣體排放增加，到2050年和2100年長江中下游地區(qū)的變暖幅度分別為2.2、4.5 ℃左右，降水增加的幅度分別為8.5%、10.1%左右。因此，本文以2050年的氣候變化為輸入進行分析，即氣溫升高2.2 ℃、降水量增加8.5%，來模擬未來氣候變化情景與現(xiàn)狀情景下稻田及芳溪湖流域出口氮磷排放負荷。

2.2.2 未來氣候變化下稻田氮磷排放負荷模擬分析

由表5知，與現(xiàn)狀相比，2050年氣候變化情景下芳溪湖流域稻田排水量增加8.01%，總氮排放增加8.56%，總磷排放增加7.30%。以上表明，在未來氣候變化情景下，稻田氮磷排放負荷顯著增加。

表5 未來氣候變化相對現(xiàn)狀氣候稻田氮磷排放負荷變化率(2050年)Tab.5 Variation rate of the nitrogen and phosphorous discharge load at the field scale under the future climate scenario (2050) compared with the current

2.2.3 未來氣候變化下流域出口排放氮磷負荷模擬分析

由表6知，與現(xiàn)狀相比，2050年氣候變化芳溪湖流域出口年均徑流量增加8.14%，總氮排放量增加10.08%，總磷排放量增加9.98%，同樣說明在未來氣候變化情景下芳溪湖流域出口氮磷的排放量顯著增加。

表6 未來氣候變化相對現(xiàn)狀氣候芳溪湖流域出口氮磷排放負荷變化率(2050年)Tab.6 Variation rate of the nitrogen and phosphorous discharge load at the outlet of the Fangxi Lake basin under the future climate scenario (2050) compared with the current

3 結(jié) 語

本文針對江西省贛撫平原灌區(qū)芳溪湖小流域，基于改進的灌區(qū)水量轉(zhuǎn)化及農(nóng)業(yè)面源污染分布式模擬模型(SWAT模型)，模擬分析了不同氣候變化情景下芳溪湖入湖徑流及氮磷排放負荷變化，得到以下模擬分析結(jié)果。

(1)在未來氣候變化條件下，由于受氣溫升高、降水增多的影響，農(nóng)業(yè)面源污染物氮磷排放負荷呈加劇態(tài)勢。在土地利用情況和農(nóng)業(yè)管理措施不變時，溫度升高，流域徑流量減少，稻田氮磷排放減少，但流域出口氮磷排放有增加趨勢；降水量增加，則流域出口徑流量及氮磷排放負荷均呈明顯增加趨勢。

(2)以2050年的氣候變化為輸入進行分析，即氣溫升高2.2 ℃、降水量增加8.5%時，模擬得到芳湖流域稻田排水量增加8.01%，總氮排放增加8.56%，總磷排放增加7.30%；流域出口徑流量增加8.14%，總氮排放增加10.08%，總磷排放增加9.98%。

(3)本文SWAT模型中的污染源數(shù)據(jù)采用的是基準期統(tǒng)計結(jié)果，但在未來情景中，人口持續(xù)增加，由于人類活動產(chǎn)生的污染物很可能比現(xiàn)階段多得多。面對未來氣候變化的嚴峻挑戰(zhàn)，農(nóng)業(yè)面源污染問題也將越來越突出。因此，加強農(nóng)業(yè)面源污染防治，將顯得更加必要和迫切。

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