水田側(cè)滲緩沖帶保護(hù)模型

程公德　殷國(guó)璽　謝崇寶等

摘要： 為減少污染物通過(guò)水田側(cè)滲方式對(duì)村鎮(zhèn)飲用水源地造成污染，在水田邊界布置植被緩沖帶，研究污染因子在緩沖帶下的凈化規(guī)律。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合污染因子衰減函數(shù)，應(yīng)用ArcGIS軟件的模型構(gòu)建器“ModelBuilder”工具構(gòu)建水田緩沖帶保護(hù)模型，模擬緩沖帶內(nèi)污染因子隨距離變化的衰減規(guī)律，確定不同去除率對(duì)應(yīng)的緩沖帶寬度。選擇狗牙根作為植被緩沖帶，研究土壤總氮、總磷、硝態(tài)氮的衰減規(guī)律，擬合衰減曲線，構(gòu)建植被緩沖帶保護(hù)模型。

關(guān)鍵詞： 水田邊界；側(cè)滲；緩沖帶；衰減函數(shù)；ModelBuilder；模型

中圖分類號(hào)： X592 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）08-0397-03

我國(guó)南方地區(qū)水稻田氮肥、磷肥流失已引起毗鄰水體污染進(jìn)一步加劇，尤其是對(duì)村鎮(zhèn)飲用水源地污染嚴(yán)重，因此最大限度地?cái)r截遷移過(guò)程中的污染因子對(duì)治理農(nóng)業(yè)面源污染尤為重要 [1-2]。目前，緩沖帶是有效降低污染物濃度和防止污染物擴(kuò)散的重要生態(tài)工程措施 [3-5]。王華玲等采用坡地小區(qū)試驗(yàn)方法，分析不同植被緩沖帶對(duì)坡耕地地表徑流中氮、磷的攔截效果，得到植被緩沖帶對(duì)徑流中氮、磷表現(xiàn)出較高的去除率 [6]；王磊等研究了緩沖帶剖面利用電導(dǎo)率和示蹤方法，結(jié)果表明濕地緩沖帶對(duì)氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素有明顯的去除效應(yīng) [7]；Lee等通過(guò)模擬降水和徑流，比較了由不同冷季植物組成3、6 m 寬度的緩沖帶農(nóng)田徑流中對(duì)降低氮、磷元素的效果 [8]。然而這些研究均是關(guān)于農(nóng)田徑流流失及其緩沖帶的研究，針對(duì)水稻田側(cè)滲流失的研究相對(duì)較少，缺乏特定流域的側(cè)滲緩沖帶凈化規(guī)律。

水稻田經(jīng)常需要保持一定的水層，水稻田側(cè)滲是指在水稻田發(fā)生的污染物水平遷移流失，可造成大量氮肥、磷肥流失，是農(nóng)業(yè)面源污染物輸出的重要途徑之一 [9-10]。我國(guó)南方地區(qū)氣候濕潤(rùn)、降水相對(duì)豐沛，土壤水分飽和度較高，地下水位接近地表，通過(guò)提高水田田埂高度，在施肥期防止發(fā)生地表排水，使氮肥、磷肥通過(guò)側(cè)滲途徑進(jìn)行遷移傳輸 [11]。在污染因子側(cè)滲遷移過(guò)程中，緩沖帶通過(guò)截留和凈化作用削減氮、磷等元素，從而減少污染因子進(jìn)入水體，進(jìn)而污染村鎮(zhèn)飲用水源地 [5-6]。本研究以水稻田邊界條件下狗牙根緩沖帶為研究對(duì)象，分析側(cè)滲過(guò)程中的主要污染因子衰減規(guī)律，擬合污染因子衰減函數(shù)，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用ArcGIS軟件的模型構(gòu)建器“ModelBuilder”功能構(gòu)建水田側(cè)滲緩沖帶保護(hù)模型，以期為水田側(cè)滲緩沖帶研究提供借鑒。

1 材料與方法

1 1 試驗(yàn)田概況

試驗(yàn)田為南方地區(qū)典型水稻田，位于江蘇省句容市后白鎮(zhèn)林梅村，屬典型的低山丘陵地區(qū)，年平均降水量 1 018 6 mm，土壤結(jié)構(gòu)良好，黃土層深厚，pH值5 5～6 5。研究區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，光照充足。水稻種植按當(dāng)?shù)馗髂Ｊ竭M(jìn)行，5月打漿、插秧，8月下旬排干稻田積水，10月中上旬收割，氮肥40%作基肥，60%作追肥，共施氮肥（以氮計(jì)）165 kg。

1 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水稻田周圍為水田田埂，田埂寬度0 8 m、高度 0 3 m，田間水面不超過(guò)田埂高度，在水田生長(zhǎng)期正常施肥。水稻田一側(cè)為常年正常生長(zhǎng)的狗牙根緩沖帶，用取土套管在狗牙根緩沖帶內(nèi)沿著垂直于水田方向上不同距離處采取地表以下 0 3 m 處的土壤，對(duì)土壤進(jìn)行測(cè)試。采用半微量開氏法測(cè)定土壤總氮（TN）含量，采用堿熔-鉬銻抗分光光度法測(cè)定土壤總磷（TP）含量，采用紫外分光光度測(cè)定硝態(tài)氮（NO-3-N）含量。

1 3 技術(shù)方法

緩沖帶作為農(nóng)田和水體之間的過(guò)渡帶，在控制氮、磷等面源污染物輸入方面發(fā)揮著重要作用，對(duì)治理農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染問(wèn)題尤為重要 [5]。本研究探討在水田田埂邊界下狗牙根植被緩沖區(qū)對(duì)污染因子水平遷移過(guò)程中的凈化效果，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合方法歸納出狗牙根緩沖區(qū)的污染因子衰減曲線 [12]。運(yùn)用ArcGIS軟件的模型構(gòu)建器“ModelBuilder”功能，將衰減曲線放入“模型構(gòu)建器”中 [13-14]，模擬緩沖帶內(nèi)污染因子隨緩沖區(qū)距離的衰減過(guò)程，確定不同去除率對(duì)應(yīng)的緩沖帶寬度 [15]。

2 數(shù)據(jù)處理

2 1 數(shù)據(jù)采集

在距離水稻田邊界分別為0、1 1、2 1、3 1、4 1、5 1 m處地面下0 3 m處取土樣，測(cè)定土樣總氮、總磷、硝態(tài)氮含量。通過(guò)去除率反映不同距離處的狗牙根對(duì)污染因子的凈化能力，得出隨狗牙根緩沖帶距離變化的總氮、總磷、硝態(tài)氮含量去除率 [10]。去除率計(jì)算公式為：

V=（C0-Ci）/C0×100%。 （1）

式中：V為去除率，%；C0為稻田邊界土壤污染因子含量；Ci為不同距離處污染因子含量。

表1為水稻邊界不同距離處的土壤污染因子含量數(shù)據(jù)，其中0 m土壤污染因子含量為C0數(shù)據(jù)，其余距離處的土壤污染因子含量為Ci數(shù)據(jù)。從表1可知，土壤污染因子含量數(shù)值隨水稻田邊界距離的增大而減小。

通過(guò)公式（1），利用C0、Ci數(shù)據(jù)計(jì)算狗牙根植被緩沖帶不同距離處的土壤因子含量去除率，由表2可見，土壤污染因子去除率隨距離的增加而增大。

2 2 擬合衰減函數(shù)

由植被緩沖區(qū)的土壤污染因子去除率（表2）可知，離水田近的地方土壤污染因子去除率比離水田遠(yuǎn)的地方變化更大，可采用對(duì)數(shù)模型擬合有關(guān)數(shù)據(jù) [12]。對(duì)狗牙根植被緩沖區(qū)總氮、總磷、硝態(tài)氮污染因子去除率變化數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到總氮、總磷、硝態(tài)氮污染因子去除率隨距離推移的衰減曲線（圖1）。

3 1 構(gòu)建步驟

ArcGIS軟件的“ModelBuilder”模型構(gòu)建器是一個(gè)用來(lái)創(chuàng)建、編輯、管理模型的應(yīng)用程序 [16-18]。水田緩沖區(qū)的保護(hù)模型是將植被緩沖區(qū)污染因子去除率衰減函數(shù)通過(guò)一系列處理表達(dá)出來(lái)，便于顯示水田邊界、緩沖區(qū)種類、去除率、緩沖區(qū)寬度的聯(lián)系，確定緩沖區(qū)寬度及可視化顯示。利用模型構(gòu)建器構(gòu)建該保護(hù)模型的步驟如下：（1）新建模型。打開“ArcMap”程序，加載水田專題圖層（包括水田、水田邊界），在“ArcToolbox”中新建工具箱（如“保護(hù)模型”），并在工具箱新建模型（如“水稻田側(cè)滲緩沖帶保護(hù)模型”），設(shè)置模型屬性；（2）編輯模型。打開“水稻田側(cè)滲緩沖帶保護(hù)模型”，進(jìn)入模型“ModelBuilder”編輯窗口，依次添加數(shù)據(jù)、變量和“ArcToolbox”空間處理工具，進(jìn)行相應(yīng)連接；（3）模型參數(shù)化。設(shè)置模型界面中的“水田邊界”“去除率y”“總氮、總磷、硝態(tài)氮衰減參數(shù)1”“總氮、總磷、硝態(tài)氮衰減參數(shù)2”為模型參數(shù)（P），模型流程見圖2；（4）運(yùn)行模型。驗(yàn)證模型，雙擊“水稻田側(cè)滲緩沖帶保護(hù)模型”，輸入模型參數(shù)，查看運(yùn)行結(jié)果。雙擊“水稻田側(cè)滲緩沖帶保護(hù)模型”應(yīng)用界面為“GUI”界面（圖3）。endprint

3 2 模型應(yīng)用

在水田邊界應(yīng)用狗牙根植被緩沖帶硝態(tài)氮衰減規(guī)律模型，步驟如下：（1）在“Arctoolbox”模塊下雙擊“保護(hù)模型”工具箱中的“水稻田側(cè)滲緩沖帶保護(hù)模型”，打開模型的“GUI”應(yīng)用界面；（2）在“GUI”應(yīng)用界面輸入狗牙根植被緩沖區(qū)的“水田邊界”“去除率y”、硝態(tài)氮“衰減參數(shù)1”、硝態(tài)氮“衰減參數(shù)2”模型參數(shù)，其中去除率y為70%，硝態(tài)氮衰減參數(shù)1為0 02，硝態(tài)氮衰減參數(shù)2為0 909 9；（3）運(yùn)行該模型，得到狗牙根植被緩沖帶在硝態(tài)氮去除率為70%下的水田緩沖區(qū)（圖4）。

圖4顯示，在水田邊界初始土壤硝態(tài)氮含量為0 138 7 g/kg、 硝態(tài)氮去除率70%的情況下，狗牙根植被緩沖區(qū)寬度為 3 7 m，緩沖區(qū)末端土壤硝態(tài)氮含量為0 041 61 g/kg，土壤硝態(tài)氮含量明顯降低，阻斷了水田中的污染因子水平側(cè)滲遷移。

4 結(jié)論與討論

本研究擬合了植被緩沖帶污染因子衰減函數(shù)，應(yīng)用 ArcGIS 的“ModelBuilder”工具構(gòu)建保護(hù)模型，通過(guò)應(yīng)用該保護(hù)模型，污染因子經(jīng)過(guò)水田邊界狗牙根植被緩沖帶水平測(cè)滲遷移可有效降低，直觀地顯示緩沖帶效果。與其他研究相比，本研究具有定量分析、應(yīng)用性示范研究、圖形可視化等特點(diǎn)。

由于區(qū)域性影響，該保護(hù)模型可適用于本研究區(qū)域水田的側(cè)滲緩沖帶設(shè)置，由于南方地區(qū)自然環(huán)境和耕作方式等存在差異，其他地區(qū)污染物的側(cè)滲輸出規(guī)律將有所不同，因此該保護(hù)模型可在試驗(yàn)基礎(chǔ)上推廣應(yīng)用于其他南方地區(qū)的水田側(cè)滲污染因子研究。

植被緩沖區(qū)凈化效果因組合種類和組合方式不同而不同，衰減規(guī)律變化具有復(fù)雜性。本研究?jī)H針對(duì)單一植被緩沖帶效果進(jìn)行研究，今后研究中可改變組合種類和組合方式以達(dá)到植被緩沖區(qū)的最佳效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔 鍵，馬友華，趙艷萍，等 農(nóng)業(yè)面源污染的特性及防治對(duì)策[J] 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2006，22（1）：335-340

[2]高大文，楊 帆 濱岸緩沖帶在水源地農(nóng)業(yè)面源污染防治上的應(yīng)用[J] 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33（10）：92-95

[3]錢 進(jìn)，王 超，王沛芳，等 河湖濱岸緩沖帶凈污機(jī)理及適宜寬度研究進(jìn)展[J] 水科學(xué)進(jìn)展，2009，20（1）：139-144

[4]王沛芳，王 超，王曉蓉，等 苦草對(duì)不同濃度氮凈化效果及其形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律[J] 環(huán)境科學(xué)，2008，29（4）：891-894

[5]江 紅 緩沖帶在農(nóng)業(yè)面源污染控制中的應(yīng)用[J] 亞熱帶水土保持，2013，25（1）：33-36

[6] 王華玲，趙偉健，程?hào)|升，等 不同植被緩沖帶對(duì)坡耕地地表徑流中氮磷的攔截效果[J] 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29（9）：1730-1736

[7]王 磊，章光新 濕地緩沖帶對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)元素的去除研究[J] 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006（25）：649-652

[8]Lee K H，Isenhart T M，Schultz R C，et al Nutrient and sediment removal by switchgrass and cool-season grass filter strips in central Iowa，USA[J] Agroforestry Systems，1998，44（2/3）：121-132

[9]周根娣，梁新強(qiáng)，田光明，等 田埂寬度對(duì)水田無(wú)機(jī)氮磷側(cè)滲流失的影響[J] 上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2006，22（2）：60-70

[10] 祝 惠，閻百興 三江平原水田氮的側(cè)滲輸出研究[J] 環(huán)境科學(xué)，2011，32（1）：108-112

[11]李 娜，單保慶，尹澄清，等 六叉河小流域農(nóng)田土壤中磷下滲遷移過(guò)程研究[J] 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24（6）：1132-1138

[12]蘇天楊，李林英，姚延梼 不同草本緩沖帶對(duì)徑流污染物滯留效益及其最佳寬度研究[J] 天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，16（3）：121-123

[13]劉 陽(yáng)，殷國(guó)璽，謝崇寶，等 基于ArcGIS的村鎮(zhèn)飲用水水源地污染因子識(shí)別研究[J] 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（3）：312-315

[14]陳文成 成礦預(yù)測(cè)中ArcGIS ModelBuilder的建模評(píng)價(jià)——以武夷山成礦帶大深幅為試驗(yàn)區(qū)[J] 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，15（1）：81-89

[15]黃沈發(fā)，唐 浩，鄢忠純，等 3種草皮緩沖帶對(duì)農(nóng)田徑流污染物的凈化效果及其最佳寬度研究[J] 環(huán)境污染與治理，2009，30（6）：53-57

[16]賀 丹，曹佳云，付曉婷，等 基于ArcGIS圖解建模的水系自動(dòng)提取研究[J] 地下水，2011，33（3）：128-130

[17]牟乃夏，劉文寶，王海銀，等 ArcGIS地理信息系統(tǒng)教程——從初學(xué)到精通[M] 北京：科學(xué)出版社，2006：489-503

[18]邢 超，李 斌 ArcGIS學(xué)習(xí)指南-ArcToolbox[M] 北京：科學(xué)出版社，2010：444-451endprint