農(nóng)田養(yǎng)分管理與面源污染控制模型的研究

孫本發(fā) 張雪蓮

摘要：本文重點(diǎn)介紹了農(nóng)田養(yǎng)分管理與面源污染控制模型的研究背景、意義和應(yīng)用進(jìn)展，討論了Wisconsin590（WI590）模型在農(nóng)田養(yǎng)分管理與面源污染控制中的應(yīng)用類型、影響因素、過程機(jī)理和描述方法。在此基礎(chǔ)上，對該模型在土地養(yǎng)分管理、環(huán)境預(yù)測控制以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃的研究前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)分管理;面源污染;環(huán)境預(yù)測;模型

Abstract：This paper focuses on the research background， significance and application progress of farmland nutrient management and non-point source pollution control models. The application type， influencing factors， process mechanism and description method of Wisconsin590 （WI590） model in farmland nutrient management and non-point source pollution control are mainly discussed. On this basis， the research prospects of the model in land nutrient management， environmental prediction control and agricultural production planning are prospected.

Key words：Nutrient management;Non-point source pollution;Environmental prediction;Model

隨著人類對水環(huán)境問題的關(guān)注，水環(huán)境污染問題中非點(diǎn)源污染，正被各國環(huán)境保護(hù)部門重視起來[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)131個(gè)主要湖泊中，已達(dá)富營養(yǎng)化程度的湖泊有67個(gè)，占51%。其中氮流失已成為非點(diǎn)源污染的重要形式[2]，磷是促進(jìn)河流湖泊內(nèi)藻類與其他水生植物的生長因子[3]。而在非點(diǎn)源污染中，農(nóng)業(yè)污染表現(xiàn)最為突出[4]。在歐美農(nóng)業(yè)高速發(fā)展時(shí)期，養(yǎng)分流失對水體和大氣的污染環(huán)境問題日益加劇。在作物施肥過程中，養(yǎng)分過量和不適當(dāng)?shù)氖褂茫沟玫∟）和磷（P）等養(yǎng)分在土壤中過量盈余，并損失到地下水、地表水和大氣環(huán)境中，從而給當(dāng)?shù)匾约跋掠嗡虻沫h(huán)境帶來巨大挑戰(zhàn)，經(jīng)歷了先污染后治理的教訓(xùn)。

在與國外學(xué)者交流時(shí)了解到，其所在州對農(nóng)田養(yǎng)分管理政策和面源污染控制模型的研究日漸成熟，相關(guān)模型已在氮磷肥料管理、養(yǎng)分徑流控制以及環(huán)境預(yù)測方面得到了很好應(yīng)用，且獲得了較為顯著效果[5]。本文介紹了該州重點(diǎn)區(qū)域的養(yǎng)分管理模型，以及如何根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)P指數(shù)建議來控制農(nóng)田N、P損失，預(yù)測特定區(qū)域養(yǎng)分流失與水環(huán)境質(zhì)量的關(guān)系。我國已發(fā)展了一些養(yǎng)分流失數(shù)學(xué)控制模型，本文通過借鑒該州較為完善的養(yǎng)分管理成果，為我國農(nóng)田養(yǎng)分管理與流失控制模型研究和完善提供參考。

1 面源污染控制模型研究歷程

1970年前后，農(nóng)業(yè)資源和生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面開始走入法制管理的道路。到20世紀(jì)末，開始提出養(yǎng)分管理計(jì)劃，經(jīng)過不斷修正和完善，目前已經(jīng)在各州開始實(shí)施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)水系河流中1996年、1998年和2000年主要污染源——農(nóng)業(yè)對河流污染的貢獻(xiàn)率分別為25.0%、20.3%和18.4%，下降的趨勢明顯。

2 模型在農(nóng)田養(yǎng)分管理中的應(yīng)用

通過對養(yǎng)分來源、含量、分布、形態(tài)與時(shí)間管理，將研究結(jié)果整合為一個(gè)養(yǎng)分管理工具和營養(yǎng)流失風(fēng)險(xiǎn)評估工具。根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥捞匦灾贫ㄌ锏毓芾泶胧峁┮欢▍^(qū)域的徑流風(fēng)險(xiǎn)，提出基礎(chǔ)養(yǎng)分管理規(guī)范。特別是把磷指數(shù)整合到NRCS590的養(yǎng)分管理標(biāo)準(zhǔn)中，以磷為基礎(chǔ)進(jìn)行的養(yǎng)分管理，即WI590養(yǎng)分管理計(jì)劃。

2.1 無線WI590養(yǎng)分管理系統(tǒng)

2.1.1 WI590養(yǎng)分應(yīng)用限制地圖

為更好地提供農(nóng)田養(yǎng)分管理，WI590肥料咨詢系統(tǒng)對各縣土壤特征都有記錄。如想了解某地塊詳細(xì)信息，只需點(diǎn)擊對應(yīng)鏈接，系統(tǒng)將會為你提供查詢所需內(nèi)容。包括地區(qū)土壤主要類型和次要類型，如地形地貌、土壤性質(zhì)、母質(zhì)類型、排水條件、地下水深度、易淹地塊和旱地區(qū)等內(nèi)容。

系統(tǒng)在運(yùn)行中使用獨(dú)特的土壤編碼，包括滲透率、基巖深度值、上層滯水面、映射單元有無限制，無限制條件的土壤一般不太可能有NRCS590的限制。土壤編碼的坡度邊界值為9%和12%，共有5個(gè)編碼區(qū)間范圍，地圖中以不同顏色體現(xiàn)（如圖1）。

2.1.2 互動WI590限制地圖

養(yǎng)分的種類、施用量以及應(yīng)用地點(diǎn)，不僅會造成作物產(chǎn)量差異，還會引起徑流污染環(huán)境的差異。WI590養(yǎng)分施用限制地圖能夠根據(jù)土壤類型、坡度和距水源距離等條件提供養(yǎng)分管理計(jì)劃。不論施用的是農(nóng)家肥還是化學(xué)肥料，都可通過該模型了解具體田塊經(jīng)濟(jì)效益高、淋失量低的最佳施肥量，達(dá)到肥料高效利用，控制環(huán)境污染問題。

該服務(wù)可在線訪問“非冬季施肥”“秋季氮限制”及“冬季限制”等不同圖層，對于有ESRI桌面軟件用戶，可在系統(tǒng)中直接應(yīng)用。

在模型界面圖中，可以選取要查詢的地區(qū)，查看土壤不同性質(zhì)、肥力狀況、徑流風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測及施肥建議等。

2.2 短期徑流風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測

徑流風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測咨詢地圖能夠顯示每日的徑流風(fēng)險(xiǎn)，它使用國家氣象服務(wù)（NWS）預(yù)報(bào)方法，考慮了降水、土壤水分和個(gè)體流域特征，能為各種施肥和其他土地管理提供減少徑流損失幫助。

2.2.1 預(yù)測地圖解釋

農(nóng)田養(yǎng)分徑流風(fēng)險(xiǎn)評估預(yù)測地圖上方徑流區(qū)有3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)圖例（如圖3），紅色（高風(fēng)險(xiǎn)）-預(yù)測流域內(nèi)大多數(shù)農(nóng)田將產(chǎn)生徑流;橘黃色（中等風(fēng)險(xiǎn)）-預(yù)測流域內(nèi)部分農(nóng)田產(chǎn)生徑流;黃色（低風(fēng)險(xiǎn)）-預(yù)測流域內(nèi)無徑流風(fēng)險(xiǎn)。模型提供近3天預(yù)測結(jié)果，超過3天的預(yù)報(bào)，數(shù)據(jù)不確定性會相對較高。

2.2.2 關(guān)于模型預(yù)測結(jié)果

該模型假設(shè)流域范圍內(nèi)的土壤水分為平均值，如果某塊農(nóng)田特別潮濕，則該農(nóng)田徑流風(fēng)險(xiǎn)會高于地圖上顯示值，相反亦然。當(dāng)施液體肥時(shí)，土壤含水量會增加，農(nóng)田徑流風(fēng)險(xiǎn)也會較地圖顯示的高。

3 當(dāng)前問題及發(fā)展趨勢

（1）目前，國內(nèi)外沒有任何一種模型是通用的，即使是物理過程模型，也具有區(qū)域性。在實(shí)際應(yīng)用中，都不同程度存在參數(shù)繁多、率定困難、精度較低、對非點(diǎn)源污染過程的模擬不夠全面等問題。因此，需要在充分了解模型的工作原理基礎(chǔ)上，對模型進(jìn)行修正和后期校驗(yàn)處理，研究尺度拓展及不同尺度的模擬轉(zhuǎn)換。

（2）多學(xué)科聯(lián)合，擴(kuò)展農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模型的應(yīng)用范圍，進(jìn)一步完善模型功能?，F(xiàn)在各模型已從單一組分研究轉(zhuǎn)向多組分作用的綜合模型開發(fā)，在復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物及環(huán)境影響下，模型中還有許多因子是以假設(shè)條件存在，這就可能導(dǎo)致模擬中出現(xiàn)較大的實(shí)際偏差，后期研究需要確定這些假設(shè)因子，來提高模型工作的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

綜上所述，農(nóng)業(yè)面源污染問題是當(dāng)下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動遺留的較為嚴(yán)重的問題，各地要正確認(rèn)知面源污染問題，認(rèn)真分析面源污染的原因，利用現(xiàn)有資源對養(yǎng)分管理與控制模擬模型進(jìn)行繼續(xù)研發(fā)，建立適合我國不同區(qū)域特征，并能反映區(qū)域時(shí)空變異特征的農(nóng)田管理模型。

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收稿日期：2020-06-07

作者簡介：孫本發(fā)（1986-），男，漢族，碩士研究生，中級工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境影響評價(jià)和環(huán)境工程研究。