東北低溫農(nóng)區(qū)近四十年氣溫降水變化及其對面源氮磷輸出影響

歐陽威，徐逸，黃浩波，楊萬新，王麗

(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京 100875）

東北低溫農(nóng)區(qū)近四十年氣溫降水變化及其對面源氮磷輸出影響

歐陽威，徐逸，黃浩波，楊萬新，王麗

(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,北京 100875）

為了解在全球氣候變化背景下,流域氮磷輸出對雨溫條件變化的響應(yīng),選取我國三江平原典型低溫農(nóng)區(qū),在詳細(xì)分析1975—2014年歷史氣象數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用SWAT模型,明確了阿布膠河流域的氮磷流失特征。結(jié)果表明.研究區(qū)近40年日平均氣溫以0.132℃·10a-1的微弱趨勢上升,降水量自20世紀(jì)80年代開始呈下降趨勢,總減少量不超過140 mm,且年際差異較大(11.60～415.50 mm）；N、P輸出與降水量顯著正相關(guān),豐水年的輸出量分別是枯水年的1.5、2.5倍,且對降水變化的敏感性隨降水量升高而降低；N、P輸出總體與溫度呈負(fù)相關(guān),隨溫度的變化率分別為0.937 kg·hm-2·℃-1和0.161 kg·hm-2·℃-1。多年氮磷輸出量在溫度升高和降水減少的情勢下上升,表明人為因素對污染輸出可能產(chǎn)生更大影響,未來在低溫農(nóng)區(qū)開展面源氮磷輸出對氣候響應(yīng)的針對性研究中有必要考慮自然和人為效應(yīng)的區(qū)分。

氣候變化；農(nóng)業(yè)面源；SWAT模型；氮磷流失；相關(guān)分析

農(nóng)業(yè)面源污染(Agricultural non-point pollution）是當(dāng)前水環(huán)境情勢面臨的主要問題之一,大量研究表明,農(nóng)業(yè)面源污染是水體中氮磷的主要來源［1-2］。在我國,農(nóng)業(yè)面源貢獻(xiàn)總氮(TN）、總磷(TP）分別占排放總量的57%和67%(國家統(tǒng)計(jì)局,2010）,其輸出形式主要為溶解態(tài)和顆粒態(tài)。溶解態(tài)氮磷在徑流沖刷下進(jìn)入水體,顆粒態(tài)以吸附的形式由土壤侵蝕進(jìn)入水體［3］。

當(dāng)前,世界各地氣候變化程度不同,氣溫和降水是面源污染的主要驅(qū)動因子［4］,因此農(nóng)業(yè)面源污染對氣候變化的響應(yīng)逐漸受到關(guān)注。Bouraoui等［5］在芬蘭南部模擬的34年月平均氮磷輸出結(jié)果表明,氣候變化使氮磷污染輸出分別增加3.4%和2.5%。除月際差異外,Wu等［6］在嘉陵江的研究發(fā)現(xiàn),考慮到不同降雨強(qiáng)度的影響,污染負(fù)荷存在年際差異。Morales等［7］在美國東北地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),氣候變化引起土壤溫度的增加使硝態(tài)氮流失減少,而N2輸出增加21%～37%。趙越等［8］對安徽率水流域的研究表明,受氣候變化影響,地下水氮通量略有增加,磷通量有一定程度下降。因此,不同地區(qū)氮磷輸出對氣候變化的響應(yīng)不同。

數(shù)據(jù)顯示中國中高緯度地區(qū)氣溫升高幅度為2.66℃·100 a-1,較其他地區(qū)嚴(yán)重(2.13℃·100 a-1）,降水變化趨勢在南部和北部明顯不同,受氣候變化影響較大。此外,寒冷地區(qū)面源污染輸出受凍融作用影響［9］,而氣候變暖增加了凍融循環(huán)的頻率［10］,直接影響氮磷流失。位于中高緯度地區(qū)的三江平原低溫農(nóng)區(qū),是我國重要的糧食生產(chǎn)基地［11］,該地區(qū)幾大河流的TN和TP濃度分別為0.97～0.21 mg·L-1和0.046～0.095 mg· L-1,由面源污染導(dǎo)致的流域生態(tài)惡化,嚴(yán)重威脅農(nóng)區(qū)糧食安全［12］?；谠摰貐^(qū)受氣候變化影響的顯著性和在我國糧食產(chǎn)業(yè)中的重要地位,有必要在此進(jìn)行農(nóng)業(yè)面源污染對氣候變化的響應(yīng)研究。SWAT、L-THIA［13］、AnnAGNPS［14］等水文水質(zhì)模型方法都曾被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)面源污染相關(guān)的研究中。SWAT模型在模擬精度和適用性上表現(xiàn)出眾［15］,且在我國中高緯度地區(qū)適用性較好,在Ouyang等［2］對撓力河流域的SWAT模擬中Nash-Sutcliffe系數(shù)大于0.698,模擬結(jié)果較準(zhǔn)確,因此為本研究所選用。

本文選擇三江平原八五九農(nóng)場的阿布膠河小流域作為研究區(qū)域,通過數(shù)據(jù)搜集,深入分析了該區(qū)域氣溫、降水多年變化趨勢,在此基礎(chǔ)之上,利用SWAT模型進(jìn)行全流域面源污染流失核算,以期達(dá)到以下目的.一方面細(xì)化低溫農(nóng)區(qū)氣候變化相關(guān)研究,另一方面識別中高緯度低溫農(nóng)區(qū)面源氮磷輸出對氣候變化的響應(yīng),作為該區(qū)域開展氣候變化影響下未來面源污染趨勢研究的基礎(chǔ)和制定相關(guān)防控措施的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

阿布膠河流域位于三江平原東北部,八五九農(nóng)場西南,全長38 km,流域面積142.9 km2。該區(qū)域?yàn)楹疁貛駶櫚霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候,年均日氣溫-13.2℃,全年將近6個月氣溫低于0℃。流域內(nèi)共涉及7種土壤類型,其中草甸土和草甸白漿土分別占28.01%和18.42%,其具體位置、主要站點(diǎn)和土壤類型分布如圖1所示。

研究區(qū)耕作措施經(jīng)歷了平翻-深松耙茬-淺翻深松的變更,20世紀(jì)80年代以來,水稻(2014年種植面積占總面積的53%）逐漸代替小麥,與大豆、玉米(占總面積的21.04%）共同成為主要種植作物,且單位面積施肥量大幅增加,2014年施肥量約為1975年的2倍。

1.2 數(shù)據(jù)處理分析

利用八五九農(nóng)場氣象站1975—2014年的逐日氣象數(shù)據(jù),包括日最高/最低氣溫、日降水量、相對濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)6個指標(biāo)建立氣象數(shù)據(jù)庫,然后根據(jù)Mann-Kendall法趨勢分析獲得氣象變化趨勢,并繪制皮爾遜Ⅲ型頻率曲線觀察年際降水量的離散程度。使用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合整理,DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行趨勢性分析,SPSS 13.0對氣象因子和氮磷輸出數(shù)據(jù)做Spearman相關(guān)分析。

1.3 SWAT模型建立與校準(zhǔn)

本研究基于已有案例研究開展,空間數(shù)據(jù)使用ARCGIS 10.1和ENVI處理,屬性數(shù)據(jù)使用SWAT自帶模塊結(jié)合SPAW處理,數(shù)據(jù)類型及獲取途徑如表1所示,構(gòu)建方法見文獻(xiàn)［16］。

根據(jù)不同時(shí)期的土地利用,劃分1975—1984、1985—1994、1995—2004、2005—2014(S1～S4）四個連續(xù)時(shí)間段分別進(jìn)行氮磷輸出模擬。參照土地利用分類標(biāo)準(zhǔn),將研究區(qū)土地分為林地、旱田、水田、城鎮(zhèn)用地、濕地、草地和水體7類,具體分布情況見文獻(xiàn)［18］。敏感性分析采用SWAT自帶分析模塊,對徑流、泥沙模擬所涉及的全部參數(shù)進(jìn)行絕對敏感性分析。模型應(yīng)用設(shè)置匯水區(qū)域閾值為300 hm2,共劃分12個子流域。在每個子流域內(nèi)劃分水文響應(yīng)單元HRU,前后四期不同土地利用的模擬中分別劃分了114、117、146、119個HRU。由于研究區(qū)面積過小,無有效的長期水文觀測數(shù)據(jù),采用國際上普遍使用的數(shù)據(jù)移植進(jìn)行率定［19］。采用的參數(shù)大部分移植鄰近的撓力河流域,分析和率定結(jié)果如表2所示。率定期的R2值都在0.73以上,NS系數(shù)在0.75以上；驗(yàn)證期的R2值都在0.79以上,NS系數(shù)基本在0.6以上。表明模型結(jié)果是科學(xué)可接受的［20］。詳細(xì)說明已發(fā)表于文獻(xiàn)［21］中。

圖1 研究區(qū)地理位置、數(shù)字高程圖、土壤性質(zhì)和監(jiān)測站點(diǎn)Figure 1 Location information,DEM,soils and monitoring stations of the study area

表1 SWAT模型輸入數(shù)據(jù)及獲取途徑Table 1 Input data of SWAT model and sources

表2 模型參數(shù)率定表Table 2 Parameters after calibration and validation

2 結(jié)果與討論

2.1 歷史氣象變化規(guī)律與趨勢分析

研究區(qū)近40年氣溫降水變化趨勢如圖2所示。年平均最高氣溫為8.00℃,最低為-2.58℃,近40 a氣溫不斷波動變化,且存在多個高溫和低溫峰值,其中2001年平均溫度最低,為1.08℃,1990年最高,為4.21℃,多年平均值為2.81℃。平均年降水量為580.2 mm,其中1981年最多,達(dá)872.7 mm,最旱年為1986年,僅385.3 mm,變幅達(dá)487.4 mm。為消除周期變化影響,對數(shù)據(jù)進(jìn)行5 a滑動平均處理,趨勢表明,年降水量從20世紀(jì)80年代初開始呈緩慢下降趨勢,減少不超過150 mm,以1981—1985年5 a的平均降水量最大(689.1 mm）,1974—1978年平均降水量最小(474.2 mm）,二者相差215.0 mm。同時(shí),降水量年際變化較大,40 a中年降水量超過750 mm的年份出現(xiàn)過4次,年降水量小于420 mm的年份出現(xiàn)過3次,1983年以后降水量起伏趨于平緩。

氣溫和降雨趨勢的M-K檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從氣溫因子溫度來看,研究區(qū)年平均、最高和最低氣溫的傾斜度β均大于0,分別以0.013 2、0.011 9、0.020 1℃·a-1的微弱趨勢上升。三者的值分別為1.868 4、1.428 2、1.985 8,小于α=0.05時(shí)Z1-α的值1.96,只有

表3 1975—2014年阿布膠河流域氣溫、降水量變化趨勢的M-K檢驗(yàn)表Table 3 M-K test on trend of temperature and precipitation from 1975 to 2014

采用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線對降水量進(jìn)行保證率分析,結(jié)果如圖3所示。當(dāng)保證率為50%時(shí)其年降水量為568.7 mm,低于平均年降水量580.2 mm。近40年超過一半年份的降水量低于平均年降水量。離差系數(shù)CV=0.22,表明降水量分布較離散。

2.2 氮磷負(fù)荷年際分布及與氣象的相關(guān)性

模擬1975—2014年的逐年面源氮磷負(fù)荷如圖4所示,多年氮磷輸出呈波動變化且趨勢相近。S1～S4多年平均負(fù)荷分別為總氮116.7、112.2、125.7、131.0 t,總磷9.8、11.1、11.2、12.3 t,二者相差兩個數(shù)量級,且輸出量在四個歷史時(shí)期總體呈現(xiàn)遞增態(tài)勢。磷流失最高值為29.0 t,最低值為3.5 t。

對氣溫(Tem）、降水(Pre）因子與氮(TN）、磷(TP）輸出進(jìn)行兩兩雙變量相關(guān)分析,結(jié)果如表4所示。TN、TP與Pre在0.01水平上顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.628和0.759,表明氮磷輸出受降水量影響較強(qiáng),輸出負(fù)荷隨降水量增加而增加；Tem與TN在0.05水平上顯著負(fù)相關(guān),但相關(guān)系數(shù)不高,表明氮輸出隨溫度升高而降低,但溫度的影響不大；Tem與TP呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,但并不顯著。

圖2 研究區(qū)1975—2014年溫度降水年際變化Figure 2 Annual variation of temperature and precipitation in the study area from 1975 to 2014

圖3 研究區(qū)1975—2014年降水量頻率曲線Figure 3 Precipitation frequency curve of the study area from 1975 to 2014

圖4 阿布膠河流域出口處1975—2014年氮磷流失量Figure 4 Output of nitrogen and phosphorus in the study area from 1975 to 2014

表4 流域氮磷輸出與溫度、降水因子的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient between nitrogen,phosphorus output with temperature and precipitation

2.3 降水對氮磷輸出的影響

探究不同降水條件下流域TN、TP流失狀況,結(jié)果如圖5所示。TN、TP對降水量的響應(yīng)總體趨勢較一致,二者的對數(shù)函數(shù)的擬合效果較好,R2值接近0.5。表明隨著降雨量增加,N、P的流失程度都有所加重,且流失量升高的趨勢隨著降水的增加而減緩。

為細(xì)化討論,根據(jù)近40年降水量的距平百分率進(jìn)行豐枯分析,將距平百分率大于10%的年份劃分為豐水年,小于-10%的為枯水年,位于-10%～10%的為平水年,結(jié)果如表5所示。豐水年年均TN、TP負(fù)荷量分別為144.9、17.8 t,是枯水年的1.5倍和2.5倍。降水量大小直接影響土壤水含量、徑流流量大小和速率等,進(jìn)而影響N、P向水體傳輸［23-24］,在北溫帶,降水增加提高土壤侵蝕概率,增加污染輸出負(fù)荷［6］。耿潤哲等［25］對潮河流域近20年的模擬研究表明,豐水年的TN、TP分別是枯水年的3.6倍和5.09倍,大于本研究結(jié)果,可能與氣候及下墊面特征不同有關(guān)。研究數(shù)據(jù)表明豐水年是面源污染流失的關(guān)鍵年份。

此外,枯水和平水年遞增速率較快,而豐水年趨勢明顯放緩。平水年平均TN、TP負(fù)荷量分別為124.8、14.3 t,比枯水年(99.6、7.4 t）分別增加25.3%和92.6%,豐水年平均TN、TP負(fù)荷量分別為144.9、17.8 t,比平水年分別增加16.1%和24.8%。表明在降水量處于650 mm以下時(shí),降雨徑流沖刷導(dǎo)致的水土流失是農(nóng)田中氮磷流失的主導(dǎo)因素,且N的變化比P更為明顯。而當(dāng)降水量進(jìn)一步增加時(shí),二者的變化趨勢趨于平緩。在豐水年,流域TN輸出仍然呈正向遞增趨勢,而TP輸出變化不明顯。表明當(dāng)年降水量在650 mm以上時(shí),在氮磷的流失機(jī)制中,主導(dǎo)因子與在中低水平降水量年份時(shí)不同。

表5 1975—2014年研究區(qū)降水豐枯變化特征Table 5 Characteristics of annual average precipitation changing in the study area from 1975 to 2014

圖5 降水量豐平枯條件下研究區(qū)年際總氮、總磷輸出負(fù)荷Figure 5 NPS nitrogen and phosphorus yield under different precipitation conditions

2.4 溫度對氮磷輸出的影響

不同溫度條件下流域TN、TP污染流失狀況如圖6所示。年際流域出口TN、TP含量分布較為離散,二者的流失特征在總體趨勢上較為一致。隨著溫度的升高,氮磷流失量遞減。由擬合方程可發(fā)現(xiàn),N的遞減趨勢較P更大,即溫度每升高1℃,氮素流失減少0.937 kg·hm-2,磷素流失減少0.161 kg·hm-2,兩者差值為0.776 kg·hm-2。以上差異可能由于溫度升高時(shí)氨氮在水中溶解度降低,部分N以氣態(tài)形式逃離系統(tǒng),造成土壤和徑流中潛在的N含量減少。研究表明,溫度升高增加了水稻植株中N的含量［26］,土壤中N含量相應(yīng)減少,進(jìn)而減少流失。另一方面,溫度升高使P的有效性降低,遷移距離增加,更易留存于土壤中［27］,但總磷輸出降低。結(jié)合氣象變化圖,溫度較高年份降水量普遍較低,進(jìn)而徑流量和土壤侵蝕量減少［6,24］,表明降水量對磷素的影響更大,與相關(guān)性分析結(jié)果相符。

圖6 變化的溫度條件下研究區(qū)年際總氮、總磷輸出負(fù)荷Figure 6 NPS nitrogen and phosphorus yield under different

此外,基于溫度、降水、氮磷輸出三者的歷史變化分析,多年溫度升高,降水量減少的趨勢下,氮磷輸出在時(shí)間序列上依然呈現(xiàn)增加的趨勢,可能的原因是流域近40年的土地利用方式變化,即氮磷輸出受到農(nóng)業(yè)開發(fā)、作物類型改變等人為因素的影響［16,28］。而Morales等［7］在加拿大尚普蘭湖流域的研究發(fā)現(xiàn),該地區(qū)的氣候變化導(dǎo)致的無機(jī)氮輸出增加是土地利用作用的10倍,可能由于不同地區(qū)對氣候變化和人為因素改變的響應(yīng)程度不同。

3 結(jié)論

(1）1975—2014年間,研究區(qū)氣溫以0.132℃·10 a-1的微弱趨勢波動上升。降水量自20世紀(jì)80年代初期開始波動下降,總減少量不超過140 mm,且多年分布不均。全流域氮磷輸出負(fù)荷分別呈現(xiàn)0.648 t·a-1和0.069 t·a-1的波動遞增態(tài)勢。

(2）氮磷輸出負(fù)荷與降水量的正相關(guān)性顯著,豐水年是氮磷輸出的關(guān)鍵年份,輸出負(fù)荷量分別是枯水年的1.5倍和2.5倍,且輸出量增加的趨勢隨著降水量的增加而減緩。

(3）氮的輸出量與溫度顯著負(fù)相關(guān),磷的輸出量與溫度呈一定負(fù)相關(guān)關(guān)系,但并不顯著?？傮w溫度每升高1℃,氮素流失減少0.937 kg·hm-2,磷素流失減少0.161 kg·hm-2。

(4）除氣象因素外,多年土地利用變化等人為因素對面源氮磷輸出的影響可能更為強(qiáng)烈。未來在低溫農(nóng)區(qū)開展面源污染輸出對氣候變化相應(yīng)的相關(guān)研究中,有必要考慮氣候變化通過土地利用、耕作方式、作物類型等人為因素的響應(yīng),間接影響的面源污染輸出量,對自然和人為因素的影響進(jìn)行區(qū)分核算。

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Climate variation in the past forty years and its impact on non-point source pollution in northeast hypothermia agricultural region

OUYANG Wei,XU Yi,HUANG Hao-bo,YANG Wan-xin,WANG Li
(School of Environment,State Key Laboratory of Water Environment Simulation,Beijing Normal University,Beijing 100875,China）

Understanding the responses of nitrogen and phosphorus outputs to precipitation and temperature is vital for agricultural nonpoint source pollution under climate change.Nitrogen and phosphorus pollution loss characteristics of a typical low-temperature agricultural region in the Sanjiang Plain of China was simulated in this study using the SWAT model based on meteorological factors from 1975 to 2014. The average daily temperature increased with a slight trend of 0.132℃·10 a-1,while precipitation began to decline since the 1980s,with a total reduction less than 140 mm and large differences in annual yield(11.60～415.50 mm）.N and P outputs were positively correlated with precipitation.The N and P yields of high flow years were 1.5-and 2.5-fold,respectively,higher than that of low flow years,and the sensitivity of variation decreased with the increase of precipitation.In contrast,N and P outputs were negatively correlated with temperature(0.937 kg·hm-2·℃-1,0.161 kg·hm-2·℃-1）.Yearly data showed an increase in N and P outputs under climate change in the study area, which revealed that anthropic factors might play an important role.Therefore,for studies on the response of non-point nitrogen and phosphorus output to future climate change,it is necessary to consider both impact of nature and humans.

climate change;agricultural non-point source pollution;SWAT model;losses of nitrogen and phosphorus;correlation analysis

X592

A

1672-2043(2017）07-1285-08

10.11654/jaes.2017-0093

歐陽威,徐逸,黃浩波,等.東北低溫農(nóng)區(qū)近四十年氣溫降水變化及其對面源氮磷輸出影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(7）.1285-1292.

OUYANG Wei,XU Yi,HUANG Hao-bo,et al.Climate variation in the past forty years and its impact on non-point source pollution in northeast hypothermia agricultural region［J］.Journal of Agro-Environment Science,2017,36(7）.1285-1292.

2017-01-17

歐陽威(1980—）,男,江西萍鄉(xiāng)人,教授,主要研究方向?yàn)樗乃Y源及非點(diǎn)源污染控制。E-mail:wei@bnu.edu.cn

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0800503）；國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)項(xiàng)目(41622110）

Project supported：The National Key Research and Development Program(2016YFD0800503）；The National Science Fund for Distinguished Young Scholars (41622110）