GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)面源污染研究中的應(yīng)用

黃 瑜，劉佩詩，甘曼琴，Nebiyou Legesse，王慧慧，甘曉玉，郭 龍，馬友華

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 合肥 230036）

近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的不斷提高，農(nóng)田中化肥、農(nóng)藥的過量使用，農(nóng)作物廢棄秸稈、禽畜糞便、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)膜殘留及農(nóng)村居民生活污水等廢棄物的處置不當(dāng)，使得農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)境尤其是水環(huán)境受到嚴(yán)重污染，在危害動(dòng)植物和人類健康的同時(shí)，也制約了我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［1-6］，同時(shí)也是可能引發(fā)農(nóng)業(yè)面源污染的主要原因。

農(nóng)業(yè)面源污染是指在發(fā)生自然降雨或人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活的過程中造成的土壤擾動(dòng)，使得農(nóng)田中的土壤顆粒、氮磷鉀等營養(yǎng)元素、農(nóng)藥及其它的有機(jī)、無機(jī)污染物，在農(nóng)田人工排水、農(nóng)田地表徑流以及地下水滲漏等的作用下，大量進(jìn)入水體，造成水體營養(yǎng)元素超標(biāo)，富營養(yǎng)化等水體污染［3］，進(jìn)而對(duì)海洋生態(tài)、內(nèi)陸水產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，水體中的毒素還通過水產(chǎn)食物鏈危及人體健康。同時(shí)還可能導(dǎo)致疾病的發(fā)生和傳播以及生態(tài)失衡［4］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的面源污染引起的環(huán)境污染負(fù)荷被稱為農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷，農(nóng)業(yè)面源污染的產(chǎn)生受很多因素的影響，比如地形條件、降雨量大小、土壤結(jié)構(gòu)和成分、土地利用等。農(nóng)業(yè)面源污染已成為影響我國水環(huán)境的主要污染源之一。農(nóng)業(yè)面源污染具有發(fā)生面積的廣域性、分散性，發(fā)生時(shí)機(jī)的滯后性、潛伏性，發(fā)生機(jī)理過程的復(fù)雜性，污染排放的隨機(jī)性、間歇性、時(shí)空易變性等不確定性特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得其在防控治理及預(yù)警預(yù)測(cè)方面都比較困難［5-7］。

運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)及時(shí)、精準(zhǔn)、高效獲取處理各類信息，開發(fā)運(yùn)用現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面源污染管理、規(guī)劃、決策、咨詢?yōu)橐惑w的信息系統(tǒng)，成為環(huán)境污染治理的一個(gè)重要方面［6］。利用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)研究農(nóng)業(yè)面源污染問題已經(jīng)成為近年來農(nóng)業(yè)面源污染研究的一大趨勢(shì)［8-9］，由于GIS具有適應(yīng)性強(qiáng)、更新快、交互方便等特點(diǎn)，能較直觀地表明與空間地理信息有關(guān)的農(nóng)業(yè)點(diǎn)源、面源污染信息。鑒于此，為解決日益突出的農(nóng)業(yè)面源污染這一焦點(diǎn)性問題，進(jìn)一步提高我國農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的能力，本文總結(jié)了近年來國內(nèi)外基于GIS技術(shù)的農(nóng)業(yè)面源污染應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)面源污染管理、規(guī)劃和決策提供相關(guān)參考。

1 GIS與農(nóng)業(yè)面源污染數(shù)據(jù)管理和空間分析

1.1 農(nóng)業(yè)面源數(shù)據(jù)處理與管理

數(shù)據(jù)是信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，GIS擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能，可以高效綜合組織管理海量數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行收集、整理、利用、分析、咨詢、提取等。農(nóng)業(yè)面源污染數(shù)據(jù)來源獲取的精準(zhǔn)、即時(shí)、有效是建立GIS數(shù)據(jù)庫的第一步，其次在保證其完整和準(zhǔn)確的情況下，對(duì)資料數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與整合，確保有關(guān)數(shù)據(jù)信息的互通共享，建立適合用戶需求的農(nóng)業(yè)面源污染GIS數(shù)據(jù)庫［10］。

基于GIS創(chuàng)建的農(nóng)業(yè)面源污染資料數(shù)據(jù)庫主要包括空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫兩大部分，其中空間數(shù)據(jù)庫包括統(tǒng)計(jì)年鑒、空間地理位置信息、行政劃分、農(nóng)戶基本資料、化肥農(nóng)藥用量、地形、DEM、水系河網(wǎng)、土壤類型、土地利用類型、植被覆蓋、遙感影像等；屬性數(shù)據(jù)庫包括土壤屬性、氣象、水文、水土保持、農(nóng)業(yè)管理資料等。通過對(duì)已收集的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行批量計(jì)算和預(yù)處理，對(duì)其進(jìn)行分類編碼，存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)空間拓?fù)潢P(guān)系建立農(nóng)業(yè)面源污染GIS資料數(shù)據(jù)庫［11］。GIS還可以系統(tǒng)整合管理相關(guān)的農(nóng)業(yè)面源污染文本數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)更新，同時(shí)提供查詢與智能故障提示，自動(dòng)刪除系統(tǒng)誤差與偶然誤差，篩選有效數(shù)據(jù)。

郭昳等［12］運(yùn)用GIS軟件建立小流域的農(nóng)業(yè)面源污染信息數(shù)據(jù)庫，并詳細(xì)介紹了空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫的關(guān)系。黃金良等［13］運(yùn)用GIS軟件和ArcView 3.2建立五川小流域的農(nóng)業(yè)面源污染信息數(shù)據(jù)庫和流域數(shù)字高程模型，為五川流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染模擬研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)。

1.2 空間分析

GIS具備強(qiáng)大的空間分析功能，動(dòng)態(tài)分析和確定各參數(shù)的空間分布及空間相關(guān)性，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)面源污染基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取、屬性數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的數(shù)值計(jì)算、空間信息的分析等方面，從而實(shí)現(xiàn)為農(nóng)業(yè)面源污染評(píng)價(jià)、管理和決策服務(wù)［14］。帥紅 等［15］在遙感影像土地利用解譯圖的基礎(chǔ)上，運(yùn)用GIS的空間分析以及圖像疊加功能，生成南海區(qū)土地利用圖。黃金良等［16］為構(gòu)建九龍江流域農(nóng)業(yè)面源污染的分布式模型，通過GIS的柵格數(shù)據(jù)空間分析功能，比對(duì)出農(nóng)業(yè)面源污染的關(guān)鍵性源區(qū)。

GIS的空間分析功能還能直觀地解析出區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染排放的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化情況，有針對(duì)性地為污染負(fù)荷的時(shí)空分異性提供研究依據(jù)［17］。韓書成等［18］和葉延瓊等［19］通過把各自研究區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染情況分級(jí)劃分，繪制成空間分布圖，從而對(duì)污染情況的空間分異性特征進(jìn)行剖析。GIS在空間數(shù)據(jù)的插值中有著重要作用，胡遠(yuǎn)安等［20］利用GIS進(jìn)行空間插值，劃分子流域及信息提取，對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染模型的模擬結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算分析。

2 GIS與農(nóng)業(yè)面源污染防控信息系統(tǒng)和可視化技術(shù)

2.1 基于GIS的農(nóng)業(yè)面源污染防控信息系統(tǒng)開發(fā)

借助GIS可實(shí)時(shí)對(duì)采集的農(nóng)業(yè)面源污染數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示、分析，建起環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，為環(huán)境決策提供輔助［21-22］。GIS技術(shù)的引入，使得農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)向綜合集成、數(shù)據(jù)獲取與應(yīng)用實(shí)時(shí)性方向發(fā)展［23］。模型雖然可以較好地模擬污染過程，但缺乏一個(gè)良好的交互式用戶界面來發(fā)布、管理和分析污染狀況，使其信息及時(shí)化，傳播迅速化，更好滿足用戶的定制化需 求［24］。施加春等［10］通過研究杭嘉湖平原的農(nóng)業(yè)面源污染成因及各種污染負(fù)荷狀況，建立了一個(gè)基于WebGIS（ArcIMS、ArcSDE）的農(nóng)業(yè)面源污染信息系統(tǒng)（ANPSPIS），主要實(shí)現(xiàn)①用于發(fā)布農(nóng)業(yè)面源污染的相關(guān)資料、信息、地圖及提供查詢檢索服務(wù)；②提供農(nóng)業(yè)面源污染現(xiàn)狀與分布情況；③建立農(nóng)業(yè)面源污染決策咨詢系統(tǒng)，并提出相應(yīng)防控對(duì)策與解決方案。史志華等［25］結(jié)合遙感與GIS，研究設(shè)計(jì)出漢江中下游農(nóng)業(yè)面源污染動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、BMP的選擇、區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理規(guī)劃，以及地方政府相關(guān)部門決策提供依據(jù)。

2.2 GIS中的大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

大數(shù)據(jù)可視化可以彌補(bǔ)數(shù)據(jù)展示方式在某種程度上的不足，將龐大而復(fù)雜的數(shù)據(jù)集中的部分通過圖形圖像方式表示，促進(jìn)對(duì)事物的觀察，并利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和開發(fā)工具發(fā)掘其中未知信息［26-31］。大數(shù)據(jù)可視化處理技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)建模、映射技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、數(shù)據(jù)管理與操縱技術(shù)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)處理技術(shù)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)等［32-34］。GIS在可視化方面有大量的工具可供選用，選取哪一種工具合適，取決于數(shù)據(jù)以及可視化數(shù)據(jù)的目的［35-36］。

在應(yīng)用GIS的可視化技術(shù)來研究農(nóng)業(yè)面源污染的過程中，將衛(wèi)星定位技術(shù)與農(nóng)田信息采集技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)采集和狀態(tài)信息分析，生成農(nóng)田狀態(tài)分布圖［37-39］；通過GIS在已知的行政劃分上制作水域分布圖和土地利用現(xiàn)狀圖，朱亮等［40］以溧水區(qū)方便水庫為例，在子流域劃分、土地利用方式調(diào)查和點(diǎn)面源污染調(diào)查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用GIS模擬流域內(nèi)污染排放量分布狀況，根據(jù)不同土地利用類型污染排放系數(shù)，生成水庫保護(hù)區(qū)污染物年排放量分布圖；周理等［41］利用GIS的空間分析技術(shù)，將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入研究區(qū)的柵格數(shù)據(jù)屬性表中，得到總等標(biāo)污染負(fù)荷比，即瀨溪河流域?yàn)o縣境內(nèi)農(nóng)村污染源空間分布圖。

3 GIS與農(nóng)業(yè)面源污染模型

3.1 GIS與農(nóng)業(yè)面源污染模型的集成

農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)性、復(fù)雜性以及發(fā)生地區(qū)與時(shí)間的隨機(jī)性使得很難對(duì)其進(jìn)行有效地防治和規(guī)劃決策［42-43］。應(yīng)用相關(guān)數(shù)學(xué)模型對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染行為進(jìn)行估算和模擬，預(yù)測(cè)有關(guān)政策措施對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染產(chǎn)生的影響，現(xiàn)已成為研究農(nóng)業(yè)面源污染的重要手段［44-45］。

隨著農(nóng)業(yè)面源污染問題越來越嚴(yán)重，數(shù)據(jù)量日益增大，需要模擬的過程越來越復(fù)雜，僅靠模型難以分析污染的時(shí)空分布等問題。GIS技術(shù)，作為一種新型計(jì)算機(jī)空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，將二者集成到一起后，既可利用模型定量模擬污染發(fā)生的連續(xù)行為過程，估計(jì)有關(guān)規(guī)劃決策、措施對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的影響，又可利用GIS的數(shù)據(jù)管理、空間分析、可視化等功能對(duì)更好地進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算和管理提供了新的途徑［46-48］。GIS技術(shù)與農(nóng)業(yè)面源污染模型的集成不僅在模型的不同模塊之間方便地完成數(shù)據(jù)交換、信息共享與反饋，還將模擬結(jié)果以生動(dòng)形象的圖形方式呈現(xiàn)給技術(shù)人員，以這些信息為基礎(chǔ)完成相關(guān)流域水質(zhì)方面的多情景預(yù)測(cè)、判斷和分析［9］。

將GIS技術(shù)與各類農(nóng)業(yè)面源污染模型相結(jié)合，一直是國內(nèi)外面源研究的熱點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了多種估算農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷的評(píng)價(jià)模型，并對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行了污染負(fù)荷的模擬和評(píng)估。從20世紀(jì)70年代開始涌現(xiàn)大量農(nóng)業(yè)面源模型，常用的有農(nóng)業(yè)面源污染模型（AGNPS）、流量模型（ANSWERS、 SWACROP、RORB）、以地形為基礎(chǔ)的水文模型（TOPMODEL）等［49-51］。迄今為止國外開發(fā)的農(nóng)業(yè)面源污染模型較多，如AGNPS、SWAT、ANSWERS、AnnAGNPS、HSPF、ARM、CREAMS-GLEAMS等，不同的模型有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的時(shí)間尺度和空間尺度［52］。

3.2 兩種主要的GIS農(nóng)業(yè)面源污染模型

3.2.1 AnnAGNPS模型

AnnAGNPS（Annualized Agricultural Non-Point Source Pollutant Loading Model）模型來源于AGNPS，由美國農(nóng)業(yè)部的農(nóng)業(yè)研究（USDA-ARS）與自然資源保護(hù)局（NRCS）于1998年共同研發(fā)的一個(gè)高級(jí)流域評(píng)價(jià)工具［53］，它是針對(duì)流域農(nóng)業(yè)管理措施的影響而設(shè)計(jì)開發(fā)的基于流域尺度連續(xù)事件的分布式農(nóng)業(yè)面源污染模型。這是一個(gè)GIS輔助的計(jì)算機(jī)程序來開發(fā)地形跟蹤分室單元（Cell），其中包含所有所需的水文和水力參數(shù)，可從現(xiàn)成的DEM水系坡度等數(shù)據(jù)中計(jì)算出來，包括與AnnAGNPS分室相關(guān)聯(lián)的管理、土壤和氣候資料的程序。AnnAGNSP具有復(fù)雜的程序體系，每個(gè)子程序的輸入文件也有繁雜的內(nèi)容和格式要求，另外還要求廣泛的輸入數(shù)據(jù)。利用GIS這一工具，可以大大簡(jiǎn)化模型所需輸入數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，管理各種不同來源的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，并進(jìn)行空間分析和可視化輸出［54］。GIS的其他功能還為AnnAGNPS模型所需的溝道（Reach）輸入信息提供了接口，用于描述溝道口的位置和輸入每個(gè)溝道的相關(guān)信息［55］。

AnnAGNPS模型不僅可以了解流域整體的侵蝕產(chǎn)沙和污染物負(fù)荷情況，分析流域內(nèi)任一分室單元的徑流、侵蝕產(chǎn)沙和污染物負(fù)荷分布，而且可以評(píng)價(jià)流域內(nèi)各種農(nóng)業(yè)管理措施（如作物耕作系統(tǒng)、施肥、農(nóng)藥、灌溉、點(diǎn)源污染負(fù)荷和養(yǎng)殖場(chǎng)管理等）對(duì)流域水文和水質(zhì)的影響，從而有助于制定多個(gè)最佳管理措施（BMPs），進(jìn)而對(duì)BMPs進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并對(duì)其花費(fèi)進(jìn)行效益分析［56-57］。模型運(yùn)算主要分為水文、侵蝕和泥沙輸移、化學(xué)物質(zhì)（養(yǎng)分和農(nóng)藥）3個(gè)過程的遷移運(yùn)算，可在分室單元和河道模擬這3個(gè)過程產(chǎn)生的量，并處理來自養(yǎng)殖場(chǎng)、溝蝕、灌溉和點(diǎn)源的量。婁永才等［58］和涂宏志 等［59］均采用了AnnAGNPS模型分布對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)岔口小流域和秦嶺北麓灞河流域下屬子流域的氮磷流失負(fù)荷進(jìn)行了定量計(jì)算和模擬。

3.2.2 SWAT模型

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模 型是美國農(nóng)業(yè)部（USDA）開發(fā)的適用于較大流域尺度的面源污染負(fù)荷計(jì)算模型，同樣也是針對(duì)長時(shí)段的分布式流域水文物理模型［60］，能夠利用GIS與RS提供的空間數(shù)據(jù)信息，模擬地表水和地下水的水量與水質(zhì)狀況，預(yù)測(cè)一定時(shí)期內(nèi)不同土壤類型、土地利用方式及田間管理措施條件下較大較復(fù)雜流域的水文、泥沙和農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)的產(chǎn)出，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同地理尺度下農(nóng)業(yè)面源污染物輸出特征的分析，并逐步展開氣候變化帶來的農(nóng)業(yè)面源污染輸出效應(yīng)的 研究［61］。

SWAT模型已經(jīng)成為較為成熟的流域農(nóng)業(yè)面源污染模型，特別是GIS和SWAT耦合集成的模型，在GIS界面中，生成子流域地圖，方便用戶查看子流域之間的空間關(guān)系。主要步驟有：（1）從用戶指定的GIS覆蓋范圍生成特定的參數(shù)；（2）創(chuàng)建SWAT輸入數(shù)據(jù)文件；（3）建立農(nóng)業(yè)經(jīng)營情景；（4）控制和校準(zhǔn)SWAT模擬情況；（5）提取和組織SWAT模型輸出的數(shù)據(jù)用于制圖與顯示。成分組件包括：天氣、地表徑流量、返回流量、滲透量、蒸發(fā)蒸騰量、傳輸損耗、池塘和水庫存儲(chǔ)量、作物生長和灌溉、地下水徑流量、河流路徑、養(yǎng)分和農(nóng)藥負(fù)荷及水分轉(zhuǎn)移等［62］。

翟玥等［63］通過建立SWAT模型，以云南洱海流域總氮污染為例來描述農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)與污染入湖量之間的相關(guān)性，并使用驗(yàn)證后的SWAT模型模擬計(jì)算不同空間單元與不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)入湖氮的污染貢獻(xiàn)系數(shù)，定量分析流域內(nèi)的污染源結(jié)構(gòu)，識(shí)別研究區(qū)重點(diǎn)農(nóng)業(yè)污染源和農(nóng)業(yè)污染村鎮(zhèn)。李爽等［64］利用SWAT模型模擬了南四湖典型小流域氮磷污染情況，發(fā)現(xiàn)該模型在地形起伏較大的地區(qū)能獲得較高的模擬精度。胡文慧等［65］基于SWAT分布式水文模型研究表明汾河灌區(qū)在7～9月汛期會(huì)產(chǎn)生至少50%氮和70%磷的流失，嚴(yán)重威脅灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境。吳春蕾等［66］建立了基于GIS的SWAT模型，討論了SWAT在巢湖流域農(nóng)業(yè)面源污染研究中的應(yīng)用發(fā)展前景與方法。喬衛(wèi)芳等［67］基于GIS和流域DEM，利用SWAT模型構(gòu)建了丹江口水庫流域農(nóng)業(yè)面源污染基礎(chǔ)信息庫，在確定模型適用性的基礎(chǔ)上分析了流域農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷的時(shí)空分布特征，模擬計(jì)算出流域內(nèi)主要土地利用類型的單位面積農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷量。

3.2.3 GIS在AnnAGNPS模型和SWAT模型中的異同

AnnAGNPS和SWAT模型均為每日時(shí)間步長、流域尺度、污染物負(fù)荷模型，用以模擬農(nóng)業(yè)流域的長期徑流、泥沙、養(yǎng)分和污染物輸移，兩種模型都用到了GIS。SWAT模型使用水文響應(yīng)單元（HRUs），而AnnAGNPS則使用不同大小的單元；污染物從這些單元流向相關(guān)河段，該模型要么將污染物沉積在河道系統(tǒng)中，要么將它們運(yùn)輸出流 域［68］。在水文方面：AnnAGNPS是長期的、每日或次日的陸地面積（Cells）、河段和蓄水池；SWAT是以氣候、水文單元、池塘、地下水和主河道為基礎(chǔ)的長期、每日或次日的階梯式流域。在GIS中輸入的氣象數(shù)據(jù)方面：AnnAGNPS輸入降雨量、最高和最低溫度、露點(diǎn)溫度、天空覆蓋、風(fēng)速等；SWAT有降水、最高和最低溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速和太陽輻射等［69］。

4 GIS在農(nóng)業(yè)面源污染評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用

4.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

GIS在區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)工作中，可將地理信息與大氣、土壤、水、人類活動(dòng)等相關(guān)聯(lián)的環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)結(jié)合在一起，集成管理與區(qū)域密切相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)，利用空間分析模塊，對(duì)整個(gè)區(qū)域的農(nóng)業(yè)面源污染環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行客觀、全面的評(píng)價(jià)，以反映出區(qū)域中受污染程度及空間分布狀況，因而GIS也是綜合分析評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)環(huán)境的有力工具［70-72］。

陳梅［73］針對(duì)長江流域丘陵地帶的水體特征，建立小流域農(nóng)業(yè)面源污染空間負(fù)荷估算模型和基于GIS的空間多指標(biāo)農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，定量研究污染負(fù)荷的空間分布以及潛在的農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)，并以此為基礎(chǔ)劃分負(fù)荷和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，確定關(guān)鍵污染源區(qū)，構(gòu)建分級(jí)分區(qū)技術(shù)監(jiān)管體系。李飛等［74］從環(huán)境壓力水平與強(qiáng)度方面選取多項(xiàng)農(nóng)業(yè)污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合評(píng)估東部沿海地區(qū)化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜污染及畜禽養(yǎng)殖污染的風(fēng)險(xiǎn)，并運(yùn)用因子分析和聚類分析法，將其劃分為高、中、低三類農(nóng)業(yè)污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

4.2 預(yù)警預(yù)測(cè)

從國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀看，利用GIS技術(shù)可以對(duì)重大自然災(zāi)害、農(nóng)業(yè)災(zāi)害和環(huán)境應(yīng)急預(yù)警進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)，為政府和有關(guān)機(jī)構(gòu)提供及時(shí)有效、精確可靠的決策信息，為防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)等提供更充分的科學(xué)依據(jù)，有力保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展。建立區(qū)域環(huán)境面源污染預(yù)警系統(tǒng)，能夠?qū)ξ廴驹吹牡乩砦恢眉捌鋵傩?、事故敏感區(qū)域位置及其屬性進(jìn)行有效管理，提供農(nóng)業(yè)面源污染河流污染擴(kuò)散的模擬過程和應(yīng)急方案［75］。對(duì)于農(nóng)業(yè)環(huán)境災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域，可通過GIS空間信息計(jì)算出的大致受災(zāi)面積，估算經(jīng)濟(jì)損失［76-77］。根據(jù)GIS空間特性，對(duì)區(qū)域內(nèi)歷史數(shù)據(jù)的演變分析及災(zāi)害發(fā)生的基本規(guī)律、時(shí)空分布、危害程度等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和模擬，預(yù)測(cè)災(zāi)害發(fā)展趨勢(shì)，為防災(zāi)、減災(zāi)提供相應(yīng)對(duì)策［78-79］。

丁恩?。?0］以三峽庫區(qū)王家溝小流域?yàn)槔?，?yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合GIS的方法，在土壤養(yǎng)分空間變異特征的基礎(chǔ)上，繪制出土壤養(yǎng)分空間分布圖，為合理布局農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)施肥、改土培肥、綜合治理水土流失和土地退化等問題提供依據(jù)。也有學(xué)者在密歇根州農(nóng)業(yè)流域?yàn)槔耐寥狼治g與氮磷流失情況的研究中引入了GIS技術(shù)，并由此提出了農(nóng)業(yè)最佳管理措施［81-82］。

5 展望

隨著對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染防控要求的不斷提高，GIS與農(nóng)業(yè)面源污染相結(jié)合的應(yīng)用研究將更加廣泛。應(yīng)用GIS辨識(shí)出農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源和遷移途徑及其對(duì)水體的影響，并對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染預(yù)測(cè)預(yù)警，為流域農(nóng)業(yè)面源污染規(guī)劃和管理提供科學(xué)的決策依據(jù)。未來利用GIS在農(nóng)業(yè)面源污染研究上可重點(diǎn)開展以下工作：

（1）加強(qiáng)GIS可視化技術(shù)與分析推理預(yù)測(cè)技術(shù)的集成。實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)面源防控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)圖形可視化、場(chǎng)景化以及實(shí)時(shí)交互，讓使用者更加快捷、方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的理解和空間知識(shí)的呈現(xiàn)，以達(dá)到快速進(jìn)行有效決策和管理的目的。

（2）利用GIS提升農(nóng)業(yè)面源污染大數(shù)據(jù)篩選能力，打破數(shù)據(jù)倉庫的孤立狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)政府決策者所需要的數(shù)據(jù)普遍可用性。

（3）深化農(nóng)業(yè)面源污染模型與GIS的集成。提高目標(biāo)流域的模擬精度，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)面源污染模型在中國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的適用性研究。