率水流域非點(diǎn)源污染分析及施肥措施模擬

王 媛， 楚春禮， 劉 夏， 魯海寧， 畢孟飛， 王玉秋

(1.南開(kāi)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300350； 2.黃山市生態(tài)環(huán)境局，安徽 黃山 245000； 3.黃山市環(huán)境監(jiān)測(cè)站， 安徽 黃山 245000)

1 研究背景

作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，中國(guó)已成為當(dāng)今世界最大的化肥生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)[1]。但由于不合理的施肥措施導(dǎo)致當(dāng)季化肥利用率低，產(chǎn)生了水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了巨大壓力[2]。

我國(guó)對(duì)于化肥管理措施的評(píng)價(jià)方法部分依賴(lài)于數(shù)據(jù)分析[3-4]與環(huán)境庫(kù)茲涅茨曲線模型的構(gòu)建[5-6]，雖可發(fā)現(xiàn)施肥管理措施與農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮磷污染的靜態(tài)響應(yīng)關(guān)系，但難以克服流域尺度污染輸入與輸出之間的非線性關(guān)系及其造成的不確定性問(wèn)題，導(dǎo)致無(wú)法建立以流域調(diào)控為目標(biāo)的施肥管理方案。為尋求削減流域非點(diǎn)源污染的有效方法，部分學(xué)者通過(guò)田間實(shí)驗(yàn)[7-8]來(lái)研究施肥后氮磷的動(dòng)態(tài)特性，通過(guò)田間實(shí)驗(yàn)可得到污染輸出的控制方案，為小尺度流域施肥管理提供了方法借鑒，但大部分實(shí)驗(yàn)規(guī)模較小，在大尺度流域的應(yīng)用還需進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)分析。

SWAT模型是由美國(guó)環(huán)保署認(rèn)可，在世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣泛的流域尺度模型之一，廣泛應(yīng)用于環(huán)境管理研究[9-10]。大量研究已表明，SWAT模型是科學(xué)研究和政策制定的有效工具[11]，在美國(guó)、非洲、澳大利亞和中國(guó)等地區(qū)均已廣泛應(yīng)用[12]。已有研究利用SWAT模型分別模擬化肥減量措施[13-14]、生物肥料部分替代化肥[15]和深層施肥[16]對(duì)流域非點(diǎn)源總氮、總磷負(fù)荷的削減情況，但在同一流域比較不同化肥措施模擬效果的研究卻很少。

率水為千島湖的北源頭，是長(zhǎng)三角地區(qū)重要的生態(tài)屏障。流域內(nèi)多數(shù)居民以種植業(yè)為生，施肥以化學(xué)肥料為主，化肥的大量施用是新安江流域上游水體非點(diǎn)源污染的主要原因之一[17]，部分禽畜糞便的不合理處置也成為當(dāng)?shù)氐奈廴倦[患，引發(fā)了水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)[18-19]。

本研究針對(duì)率水流域非點(diǎn)源污染問(wèn)題構(gòu)建SWAT模型，探究了流域非點(diǎn)源污染的時(shí)空分布，設(shè)置化肥減量、糞肥替代和深層施肥3種施肥管理措施，比較了各措施對(duì)流域氮磷負(fù)荷的削減效果，并提出了建議。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

率水流域位于安徽省南部，介于東經(jīng)117°36'～118°26'，北緯29°27'～29°51'之間(圖1)，流域面積1 520 km2，多年平均降雨量1 983 mm[20]。率水河是率水流域的主干河道，發(fā)源于六股尖，全長(zhǎng)約159 km，河道較陡，匯流迅速，流至黃山市屯溪區(qū)后與橫江匯合，再經(jīng)新安江匯入千島湖，其水質(zhì)優(yōu)劣在很大程度上影響著千島湖水質(zhì)的好壞。流域內(nèi)林地占比較高，茶樹(shù)種植較為分散，以叢栽栽種方式為主[17]。茶樹(shù)施用的肥料單一，以尿素和復(fù)混肥為主，利用率不高，有機(jī)肥使用較少[21]。流域內(nèi)設(shè)有水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)月譚站和水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)率水大橋站。

圖1 研究區(qū)位置與站點(diǎn)分布示意圖

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

SWAT模型所需基礎(chǔ)資料大致可分為空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)3部分。其中數(shù)據(jù)精度會(huì)對(duì)流域徑流、泥沙、污染物的產(chǎn)生量及HRU的劃分等產(chǎn)生影響，更精確的數(shù)據(jù)有助于增加模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性[10]。

空間數(shù)據(jù)主要包括數(shù)字高程圖DEM，土地利用圖和土壤分類(lèi)圖，均為柵格數(shù)據(jù)。DEM圖來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站提供的SRTM數(shù)據(jù)，分辨率90 m×90 m。土地利用圖來(lái)源于地理科學(xué)與資源研究所，比例尺1∶1000000，其中林地在流域內(nèi)占比約為80%，水稻和茶園占比分別為7%左右，其余土地類(lèi)型為小麥、城鎮(zhèn)、水體等(圖2)。土壤類(lèi)型圖來(lái)自第二次全國(guó)土壤普查數(shù)據(jù)，比例尺1∶1000000，其中紅壤為當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)土種，占比超過(guò)60%，其余為粗骨土(11.33%)，黃壤(8.89%)，潴育水稻土(8.24%)等(圖3)。

屬性數(shù)據(jù)主要包括土壤物理屬性數(shù)據(jù)和天氣發(fā)生器。其中土壤物理屬性數(shù)據(jù)通過(guò)中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)站獲取當(dāng)?shù)刂饕寥兰捌浠A(chǔ)數(shù)據(jù)，天氣發(fā)生器是利用WGNmaker軟件導(dǎo)入1956-2010年屯溪站氣象數(shù)據(jù)生成。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)，水文水質(zhì)數(shù)據(jù)和污染源數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象信息中心，時(shí)間范圍為2010-2016年，降雨數(shù)據(jù)采用流域內(nèi)13個(gè)雨量站逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，屯溪?dú)庀笳緞t提供最高/最低氣溫、相對(duì)濕度、輻射和風(fēng)速的逐日數(shù)據(jù)。水文水質(zhì)數(shù)分別來(lái)自安徽省水文年鑒和黃山市環(huán)境監(jiān)測(cè)站提供的逐月數(shù)據(jù)。率水流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式主要以農(nóng)業(yè)為主，其所在的休寧縣內(nèi)農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诘?0%以上，流域內(nèi)無(wú)大型規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)，山區(qū)居民地較為分散。因此，施肥操作是流域內(nèi)重要的非點(diǎn)源污染來(lái)源，本研究通過(guò)文獻(xiàn)查閱[23]和實(shí)地調(diào)研的方法，建立了當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物管理數(shù)據(jù)庫(kù)(表1)。

表1 率水流域主要農(nóng)作物管理措施

2.3 SWAT模型構(gòu)建

SWAT模型根據(jù)流域的數(shù)字高程圖和設(shè)定的流域最小集水面積閾值生成河網(wǎng)，再通過(guò)總流域出口確定流域邊界并進(jìn)行子流域劃分；在子流域劃分完畢后根據(jù)流域土地利用、土壤分布以及坡度特征的同質(zhì)性，再將子流域劃分為多個(gè)水文響應(yīng)單元，對(duì)各個(gè)水文響應(yīng)單元的蒸散發(fā)、地表徑流和傳輸損失等進(jìn)行模擬，并將它們重新組合回子流域[22]。

本研究以率水河與橫江交匯處作為流域出口，將流域劃分0～2°、2～6°、6～12°、12～25°和25°以上5類(lèi)坡度，據(jù)此共將率水流域劃分為46個(gè)子流域和1 026個(gè)水文響應(yīng)單元(圖4)。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型適用性分析

使用SWAT-CUP內(nèi)置的SUFI-2算法進(jìn)行率水流域徑流和總氮總磷的參數(shù)率定，并選用相對(duì)誤差(Re)、決定系數(shù)(R2)以及Nash-Sutcliffe系數(shù)(NS)3個(gè)指標(biāo)用于徑流和水質(zhì)模擬的適用性評(píng)價(jià)。當(dāng)NS和R2>0.75且±Re<10%時(shí)模型擬合精度令人滿意；NS和R2≤0. 50且±Re≥25%時(shí)模型適用性較差；介于兩者范圍之間認(rèn)為模型適用性和擬合精度可以接受[24]。

設(shè)定模型預(yù)熱期、率定期和驗(yàn)證期分別為2010、2011-2014年和2015-2016年。參數(shù)率定依據(jù)以下原則：先調(diào)整地表徑流，再調(diào)土壤水、蒸發(fā)和地下徑流[25]；先調(diào)整總氮負(fù)荷，再調(diào)節(jié)總磷負(fù)荷。

徑流和總氮總磷模擬過(guò)程調(diào)整的參數(shù)及其敏感性分析見(jiàn)表2。

月潭水文站徑流模擬的評(píng)價(jià)指標(biāo)NS和R2均大于0.95，Re在10%以?xún)?nèi)(圖5)，率水大橋水質(zhì)站的總氮和總磷負(fù)荷從率定和驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看(圖6、7)，評(píng)價(jià)指標(biāo)NS、R2和Re均令人滿意[13]?？傮w來(lái)說(shuō)，SWAT模型對(duì)率水流域徑流、總氮和總磷的模擬結(jié)果準(zhǔn)確，適用性較好，可用于施肥措施改變下的水文響應(yīng)及總氮、總磷變化研究。

表2 率水流域徑流和營(yíng)養(yǎng)鹽率定參數(shù)值

圖2 研究區(qū)土地利用類(lèi)型圖

圖3 研究區(qū)土壤類(lèi)型分布圖

圖4 研究區(qū)子流域分布圖

3.2 非點(diǎn)源污染物輸出時(shí)空特征

非點(diǎn)源污染的空間差異性與土地類(lèi)型有著密切關(guān)系，研究土地類(lèi)型與非點(diǎn)源污染之間的聯(lián)系，對(duì)流域內(nèi)的非點(diǎn)源污染管理具有重要意義[26]。基于校準(zhǔn)后的SWAT模型， 得到流域氮磷輸出系數(shù)的空間分布和不同土地類(lèi)型的逐年污染物通量。

流域氮磷輸出系數(shù)空間差異較大，北部略大于南部，從上游到下游輸出系數(shù)遞增(圖8)?？偟涂偭椎妮敵鱿禂?shù)較大值集中在流域出口附近，達(dá)到了19.81kg/hm2和2.30 kg/hm2。因流域中種植用地和城鎮(zhèn)主要集中于下游，大量施肥與人為活動(dòng)的干擾導(dǎo)致氮磷輸出系數(shù)較高。

不同土地利用類(lèi)型輸出的氮磷負(fù)荷隨時(shí)間變化見(jiàn)圖9。在模擬周期內(nèi)，流域內(nèi)總氮負(fù)荷通量約1707.75 t/a，其中約45.63%來(lái)自林地，林地在全流域中面積占比超過(guò)80%，林地氮沉降產(chǎn)生較高的氮負(fù)荷；茶園年均總氮負(fù)荷貢獻(xiàn)占比約為33.93%，茶樹(shù)種植是溶解態(tài)氮和泥沙吸附態(tài)氮通量的主要來(lái)源；水稻總氮負(fù)荷貢獻(xiàn)率為17.12%，城鎮(zhèn)約為2.28%，小麥約為1.03%。流域內(nèi)總磷負(fù)荷通量約79.41 t/a，其中約32.07%的總磷負(fù)荷來(lái)自茶園，林地和水稻的貢獻(xiàn)率分別為27.54%和27.87%，城鎮(zhèn)和小麥的總磷貢獻(xiàn)率相比于總氮貢獻(xiàn)率均有所上升，達(dá)到8.20%和4.32%。

農(nóng)業(yè)用地(茶園、水稻、小麥)面積約為流域總面積的15%，卻貢獻(xiàn)了超過(guò)50%的總氮負(fù)荷和60%的總磷負(fù)荷，施肥較多為氮磷來(lái)源的主要原因之一，因此采取適宜的施肥管理措施已刻不容緩。

圖5 月潭水文站月降雨和月流量變化

圖6率水大橋水質(zhì)站月總氮率定和驗(yàn)證結(jié)果 圖7率水大橋水質(zhì)站月總磷率定和驗(yàn)證結(jié)果

圖8 流域內(nèi)氮磷輸出系數(shù)空間分布圖(圖中數(shù)字為子流域編號(hào))(單位：kg/(hm2·a))

圖9 不同土地類(lèi)型輸出的氮磷負(fù)荷隨時(shí)間變化圖

3.3 施肥管理措施設(shè)置

種植用地因化肥大量施用導(dǎo)致氮磷負(fù)荷較高，因此選擇適宜的施肥管理措施尤為重要。

首先考慮化肥減量措施，施用過(guò)多化肥可導(dǎo)致地表水質(zhì)惡化[28]，減少化肥用量可作為降低流域非點(diǎn)源污染的根本措施[16]，因此分別設(shè)置化肥減量20%和50%兩種情景(情景1和2)。

其次考慮畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用，禽畜糞便中含有大量有機(jī)質(zhì)和作物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素，是優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥源[27]，以有機(jī)肥替代常規(guī)化肥可在保持茶葉產(chǎn)量的同時(shí)減少土壤中氮磷損失[28]，同時(shí)會(huì)部分緩解化肥對(duì)土壤生物活動(dòng)的負(fù)面影響[29]。率水流域養(yǎng)殖業(yè)主要以雞、豬和牛為主，同時(shí)查閱年鑒得知該流域內(nèi)豬的養(yǎng)殖量最多，因此選用SWAT肥料數(shù)據(jù)庫(kù)中豬糞肥數(shù)據(jù)進(jìn)行化肥替代模擬，在保證施用的肥料中氮磷總量不變的情況下，將糞肥替代量分別設(shè)置為10%和20%。因此共有兩種糞肥與化肥聯(lián)合施用情景：10%豬糞肥+90%化肥和20%豬糞肥+80%化肥(情景3和4)。

最后考慮當(dāng)?shù)赝寥兰皻夂蚯闆r。率水流域?qū)儆谀戏郊t壤丘陵區(qū)，坡度變化較大，土壤易發(fā)生水力侵蝕，夏季雨量集中易洪澇，強(qiáng)降雨條件下表層土壤中溶解態(tài)氮磷流失率較高，若改為深層施肥處理，將提高土壤中的氮素利用率[30]。SWAT模型將20%肥料默認(rèn)施用于表層土壤，若要模擬深層施肥措施，可將表層土壤中的肥量由20%改為10%、5%和1%，并設(shè)為情景5、6和7。

比較3種施肥管理措施，選擇氮磷去除率較高的措施聯(lián)合模擬設(shè)置為情景8，因此共設(shè)8種措施情景模擬非點(diǎn)源污染去除情況(表3)，帶入校準(zhǔn)后的SWAT模型模擬后分析流域內(nèi)氮磷負(fù)荷的變化情況。

表3 化肥管理措施及具體操作

3.4 化肥減量措施模擬與分析

通過(guò)化肥減量措施模擬，2011-2016年流域氮磷負(fù)荷均有所削減(圖10)。情景1可使流域減少3.99%～5.31%的總氮負(fù)荷和1.79%～2.52%的總磷負(fù)荷，情景2可使流域減少8.48%～10.86%的總氮負(fù)荷和3.83%～5.33%的總磷負(fù)荷。情景2的年均總氮去除量約為160.76 t，年均總磷去除量約為3.42 t，去除效果較好?；蕼p量可從源頭控制流域氮磷輸入，是改善流域水質(zhì)狀況的有效措施。

3.5 糞肥替代措施模擬

糞肥部分替代化肥后的流域氮磷負(fù)荷削減率較低，其中情景3和情景4的年均總氮負(fù)荷削減率僅為0.55%和1.22%，年均總磷負(fù)荷削減率僅為0.22%和0.45%(圖11)。雖然糞肥與化肥配施后氮磷削減率較低，但糞肥與普通化肥相比，其含有的有機(jī)物可調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)[31]，改善作物根系的生長(zhǎng)與構(gòu)形分布，提高作物產(chǎn)量[32]，使養(yǎng)殖廢棄物得到資源化利用。

3.6 深層施肥措施模擬

深層施肥可有效削減流域總磷負(fù)荷，在情景5、6和7中，總磷的削減率分別達(dá)到了3.46%、5.20%和6.60%，而總氮削減率只有0.24%、0.37%和0.54%(圖12)。隨著進(jìn)入深層土壤的化肥量增多，流域非點(diǎn)源氮磷的削減率也增加。土壤可吸附固定一定量的磷素，因此化肥施用后磷素的輸出濃度在土層垂直方向上呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，而氮素施用后于土壤中大部分呈現(xiàn)溶解狀態(tài)，在降雨和徑流的作用下向深層土壤下滲[33]，因此深層施肥對(duì)于總氮的去除率遠(yuǎn)低于總磷，是一種有效的流域總磷削減措施；同時(shí)化肥深施也可提高肥料中氮磷利用率，增加作物產(chǎn)量[34]。

圖10 化肥減量模式下的總氮總磷削減效果

圖11 糞肥替代模式下總氮總磷削減效果

圖12 深層施肥模式下的總氮總磷削減效果

3.7 比較與建議

多種管理措施聯(lián)合應(yīng)用可提高流域非點(diǎn)源污染的削減率[26]，故設(shè)置情景8為 “化肥減量50%+表層施肥量1%”，模擬后，流域總氮、總磷負(fù)荷及其削減率的時(shí)空特征如圖13所示。

在不同子流域中總氮年均削減率為0～21.31%，總磷年均削減率為0～14.21%。氮磷削減率較高的子流域大部分含有比例較高的農(nóng)業(yè)用地，集中于流域下游，采用施肥綜合管理措施可有效地削減其氮磷負(fù)荷，從而降低化肥進(jìn)入千島湖水體的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于不同年份來(lái)說(shuō)，情景8的總氮削減率為8.28%～11.92%，削減量約為164.32 t/a；總磷削減率為6.51%～10.22%，削減量約為6.59 t/a(圖14)。其中以2014年氮磷的去除效果最佳， 施肥綜合管理措施對(duì)于流域氮磷負(fù)荷削減具有積極意義。

圖13 施肥綜合管理措施下的氮磷削減率空間分布

圖14 施肥綜合管理措施下的總氮總磷削減效果

綜上所述，建議采取如下施肥管理措施控制率水流域非點(diǎn)源污染，改善流域水質(zhì)：

(1)在氮磷營(yíng)養(yǎng)滿足作物需求的條件下，減少傳統(tǒng)肥料的施用，從源頭控制非點(diǎn)污染。

(2)集中流域周邊禽畜糞便，經(jīng)無(wú)害化處理后生產(chǎn)有機(jī)肥，與傳統(tǒng)肥料合理配施，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖廢棄物的減量化、資源化和無(wú)害化。

(3)因地制宜選擇肥料的氮磷配比，利用測(cè)土配方施肥技術(shù)，推廣深層施肥，追肥等，有效地提高科學(xué)施肥水平。

(4)加強(qiáng)合理施肥的宣傳力度，發(fā)揮當(dāng)?shù)胤N植業(yè)大戶的示范效應(yīng)，使農(nóng)戶以科學(xué)正確的方式進(jìn)行施肥管理。

4 結(jié) 論

通過(guò)構(gòu)建率水流域SWAT模型，分析了非點(diǎn)源污染物時(shí)空分布特征，其中農(nóng)業(yè)用地的大量施肥為流域內(nèi)主要氮磷負(fù)荷來(lái)源，依據(jù)校準(zhǔn)后的模型模擬不同施肥管理措施以了解其對(duì)流域非點(diǎn)源污染的削減情況。模擬結(jié)果表明：其中化肥減量50%可削減流域約9.77%的總氮負(fù)荷，深層施肥(表層土壤肥料1%)可削減約6.60%的總磷負(fù)荷，兩種措施聯(lián)合可削減流域約10.11%總氮負(fù)荷和8.38%的總磷負(fù)荷，為率水流域較有效的施肥管理措施。糞肥替代化肥的氮磷負(fù)荷削減率較低，但適宜的替代量可增加作物產(chǎn)量，符合養(yǎng)殖廢棄物循環(huán)利用的要求。

本文應(yīng)用流域模型模擬不同施肥管理措施是研究非點(diǎn)源污染削減的重要手段，為流域科學(xué)管理提供了參考。