農(nóng)業(yè)非點源氮磷流失風險評估的研究

葉宏萌，袁旭音，林 皓

（武夷學院 生態(tài)與資源工程學院，福建省生態(tài)產(chǎn)業(yè)綠色技術重點實驗室，福建 武夷山 354300）

隨著經(jīng)濟發(fā)展和人口增加，全球范圍內(nèi)的水污染問題日益加劇。其中，水體氮、磷的超標導致的富營養(yǎng)化問題最為嚴重和普遍[1]，已成為制約社會經(jīng)濟發(fā)展的重大環(huán)境問題。例如，歐洲、北美洲、南美洲和亞太地區(qū)發(fā)生富營養(yǎng)化水域的比例分別是53%、48%、41%和54%；而我國的700多條河流（包括長江、黃河和珠江等）中，就有70.6%的河流面臨富營養(yǎng)化的風險[2]。通常而言，氮、磷是控制湖泊或河流中藻類生長的關鍵因子[3]。隨著點源污染的控制，非點源污染成為了全球水體氮、磷超標的主要來源[4-7]，被國際社會公認為人類飲用水源的最大威脅[8]，近幾十年來受到越來越多的關注[9]。

據(jù)2010年《第一次全國污染源普查公報》顯示，我國農(nóng)業(yè)非點源污染排放的氮、磷的負荷量依次為270.46萬t和28.47萬t，分別占氮、磷排放總負荷量的53.1%和67.3%[7]。因此可以認為，農(nóng)業(yè)非點源是我國水體富營養(yǎng)化的最主要來源。同時，氮磷流失過程是一個綜合氣候、地形、土壤、降雨、土地利用和管理方式等多種因素的復雜過程，具有顯著的時空差異性[10-11]。但是，當前對農(nóng)業(yè)非點源氮磷及綜合流失的研究多集中于空間差異的研究，對時間分布差異的關注尚薄弱。因此，文中較為系統(tǒng)的介紹了農(nóng)業(yè)非點源污染的定義、產(chǎn)生原因和特點，并針對農(nóng)業(yè)非點源導致的氮磷流失風險進行介紹，包括風險評估方法（辨識空間差異）和時間差異性的研究，指出已有研究的不足，以期更好的了解農(nóng)業(yè)非點源污染，對農(nóng)業(yè)非點源氮磷流失風險的時空差異評估和針對性治理研究提供參考依據(jù)。

1 農(nóng)業(yè)非點源污染概述

1.1 定義

非點源污染通常是在降水和徑流沖刷的作用下，溶解態(tài)或顆粒態(tài)的污染物從非特定范圍的地域通過徑流過程匯入受納水體而引起的污染[12]。其污染源范圍的界定就直接影響污染排放負荷量的計算，但由于污染管理水平的差異，不同國家或者地區(qū)，對其界定范圍往往存在差異[5]。

其中，農(nóng)業(yè)非點源污染是最為普遍和嚴重的非點源污染，長期以來受人們所關注。農(nóng)業(yè)非點源污染（又稱農(nóng)業(yè)面源污染）在學術界主要有兩種理解[13]，狹義的含義專指種植業(yè)農(nóng)田污染，而廣義上則涵蓋了農(nóng)村生活與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（包括種植業(yè)、畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)）兩個方面。

1.2 產(chǎn)生原因

導致農(nóng)業(yè)非點源污染的主要原因包括以下幾個方面：（1）農(nóng)藥、化肥的施用；（2）水土流失污染。其中，土壤侵蝕是規(guī)模最大、危害程度最嚴重的一種農(nóng)業(yè)非點源污染；（3）農(nóng)村生活污水的未處理或未達標排放；（4）畜禽或水產(chǎn)養(yǎng)殖的糞便排放及剩余餌料等；（5）農(nóng)村生活垃圾的隨意堆放或處理；（6）灌溉污水和（7）大氣的干濕沉降等[5,12]。

1.3 污染特點

由于非點源污染主要由降雨徑流、土壤侵蝕、地表溶質(zhì)溶出和土壤溶質(zhì)滲漏4個過程形成，不同過程之間相互聯(lián)系、相互作用，導致了農(nóng)業(yè)非點源污染具有來源模糊性、發(fā)生隨機性、分布廣泛性、機理復雜性、時間潛伏性、污染隱蔽性和難監(jiān)測、難治理等特點[12-13]。

2 農(nóng)業(yè)非點源氮磷流失風險評估的研究綜述

2.1 主要氮磷流失風險評估方法

截止目前，非點源氮磷流失風險計算的主要方法有野外實測法、輸出系數(shù)法、物理模型法和污染指數(shù)法[14]。其中，野外實測法需要結(jié)合氣象條件，長期連續(xù)的同步監(jiān)測降雨量、徑流量及水質(zhì)的過程變化，準確度較高，但兼具監(jiān)測工作量大、持續(xù)時間長且費用消耗高等缺點，不便于該法的普及運用。輸出系數(shù)法屬于經(jīng)驗模型，以實地觀察或?qū)嶒灁?shù)據(jù)為基礎，具有結(jié)構簡單和數(shù)據(jù)獲取容易等特點[15]，但忽略了非點源污染復雜的遷移轉(zhuǎn)化過程[16]，測算精度通常較低，更適用于大范圍的污染普查，尤其適用于農(nóng)業(yè)非點源研究初期以及資料缺乏地區(qū)，具有較強的實用性。物理模型法考慮了污染物的產(chǎn)生和遷移過程，并定量模擬不同污染物的組分含量，計算結(jié)果準確可靠，但模型所需數(shù)據(jù)資料繁多、機理相對復雜、運行周期長，計算效率低、對尺度較為敏感，更適合于中小流域[14,17]。污染指數(shù)法又稱概念模型，是一種半定量化評估指標體系，該法包括源因子和遷移因子兩個子體系進行評估氮、磷元素從各污染源流失至水體的風險程度。與傳統(tǒng)物理模型法的定量化評估不同，氮磷污染指數(shù)法的數(shù)據(jù)需求量少且容易獲得、機理簡單、操作簡便、運行周期短、推廣實用性強，并可準確評價區(qū)域內(nèi)氮磷流失的風險高低，便于篩選關鍵源區(qū)和對應的采取針對性治理措施，在大尺度范圍的風險評估與關鍵源區(qū)識別方面比其他方法有著顯著的優(yōu)勢，近年來在我國得到了廣泛的應用[18-19]。以下針對氮磷污染指數(shù)法進行闡述。

氮磷污染指數(shù)法（氮磷指標體系法）從評價元素的角度可以分為磷指標體系法、氮指標體系法及氮磷綜合評估體系[13]。

2.1.1 磷指標體系法

最早的磷指標體系（PI，Phosphorus Index）法來源于1993年，Lemunyon和Gilbert兩位學者以土壤本底養(yǎng)分含量、化肥施用量、土壤侵蝕及地表徑流為基本指標構建了土壤磷流失的敏感性評價體系，但只對基本指標的影響因子進行統(tǒng)一計算[20]。20世紀90年代末，人們開始將影響因子區(qū)分為源因子與遷移因子兩類，并以兩類因子指標的乘法運算得到最終的磷流失風險[21]，同時發(fā)現(xiàn)了磷流失嚴重的區(qū)域主要分布在兩類因子的高風險重疊區(qū)域，從此，開始了PI法對磷流失的關鍵源區(qū)識別的運用[22]。2000年，Gburek和Sharpley對PI法進行了第二次修正，引入了距河道有效距離因子（農(nóng)業(yè)區(qū)距離河道距離）[22]，進一步提高了該法的準確度和可操作性，利于普及運用[23-26]。

國內(nèi)的學者也對PI法進行了較為廣泛的改進與應用。最先引入的是，張淑榮等（2003）應用該法估算了于橋水庫流域農(nóng)業(yè)非點源的磷流失風險[27]。后來，王麗華等（2006）根據(jù)我國的實際情況，增設了最佳管理措施因子和冰雪凍融因子，修正了磷肥施用量的計算，加強了PI法在我國的適用性[28]；李琪等（2008）基于PI分級方案[29]，也提出了修正的磷分級方案[30]；周惠平等（2008）以巢湖流域為例，引入了土壤磷吸持指數(shù)和磷飽和指標，提高了風險評估的準確性[31]。李文超等（2014）以洱海源頭典型小流域鳳羽河流域為例，根據(jù)中國高原特征對PI法進行了簡化和修正，建立了中國高原農(nóng)業(yè)流域磷指數(shù)評價體系，并應用于研究區(qū)農(nóng)業(yè)非點源磷（溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷）流失風險的評價及關鍵源區(qū)的識別[32]。

2.1.2 氮指標體系法

隨著PI法的發(fā)展，氮指標體系（NLIs，Nitrogen Loss Index System）法也于20世紀九十年代中期得到了研究和發(fā)展[33]。根據(jù)指標體系構建重點的差異，NLIs法可以分為三類：源因子型[34-37]、遷移因子型[38-39]與綜合型指標[33]。其中，源因子型的NLIs法的研究集中于對氮源（以氮素平衡指標體系最為典型，即研究氮的輸入輸出平衡來得到氮的流失量）的分析構建而成，應用最為廣泛[35-37]。

就NLIs法在國內(nèi)的研究發(fā)展而言，單獨采用該法進行氮流失風險評估的研究很少，主要集中于農(nóng)田、林地氮流失負荷的估算和氮形態(tài)組分流失模型的構建[13]。例如，侯彥林等（2008）等監(jiān)測了農(nóng)田的氮素流失，并提出了農(nóng)田氮淋失過程的“物質(zhì)、動力和因素”三環(huán)節(jié)的概念模型，制定了微觀或小區(qū)域非點源氮污染評價的若干標準與方法[40]。

2.1.3 氮磷綜合評估體系

隨著氮、磷污染指數(shù)體系法的發(fā)展，學者們逐步認識到氮磷流失的差異性及分別單獨治理的矛盾性。例如，某些減少氮流失的管理措施可能會增加土壤中磷的含量，進而加劇了土壤磷流失；而免耕措施雖然減少了土壤磷流失，卻可能促進氮的淋溶，提高氮的流失風險[41]。因此，結(jié)合氮、磷兩元素進行的氮磷綜合評估體系近年來受到了學者們的關注和研究[42]。

最早于2000年，Heathwaite基于對氮、磷單獨指標體系的綜合分析，開始了構建氮磷綜合評估體系的初探，首次提出了綜合源因子與遷移因子的農(nóng)田氮磷流失指標體系的概念模型[43]。隨后，該模型體系得到了很快的發(fā)展，較具有影響力的代表學者有McDowell[44]、Bechmaim等[45]和Drewry等[18]研究者都相繼構建了各種類型的綜合評估體系。

隨著氮磷綜合評估體系的建立和發(fā)展，該法近幾年在國內(nèi)也得到了較廣泛的應用。張平等（2011）以密云水庫沿湖集約化農(nóng)區(qū)東莊小流域為例，發(fā)現(xiàn)該流域氮、磷不同元素流失風險的空間分布差異較大，進一步說明了氮磷綜合指標的重要性[46]。張汪壽等（2013）以土地利用、徑流量和距離因子等為參評指標，利用改進的理想解法確定指標權重，最終建立了多準則分析評價體系，應用于北京懷柔區(qū)北宅小流域的農(nóng)業(yè)非點源氮磷流失風險評估與關鍵源區(qū)識別[47]。孫作雷（2015）以土壤侵蝕、地表徑流、土壤質(zhì)地、土壤滲透性及距離河道有效距離為參評指標對苕溪流域農(nóng)業(yè)非點源氮磷污染風險進行了氮、磷及氮磷綜合指標的流失風險評價[13]。樊慧慧（2016）對合肥城郊二十辟河流域的某農(nóng)業(yè)匯水區(qū)進行氮磷流失風險指數(shù)模型計算，表明氮磷流失的高風險區(qū)主要分布在距離河流較近的區(qū)域，表明遷移因子中距河道距離的重要性[48]。耿若楠（2017）則對淮北地區(qū)蚌埠市懷遠縣某一人工林地土壤的氮磷流失風險進行指數(shù)模型計算，結(jié)果表明該區(qū)人工林氮流失以中等風險為主，磷流失以低風險為主[49]。Ye et al.（2017）對苕溪流域進行了氮、磷及綜合指標評價，并篩選關鍵源區(qū)，提出對應非點源污染防治對策[10]。

綜上所述，國內(nèi)學者對污染指數(shù)法的應用越來越注重氮磷綜合風險的評估。但其應用多數(shù)局限于農(nóng)田、林地等局部區(qū)域或者小流域農(nóng)業(yè)非點源氮磷綜合流失風險的研究，結(jié)合不同水文期的遷移因子進行農(nóng)業(yè)非點源氮磷及綜合流失風險的時空分布特征的有關報道仍屬鮮見[10,18]。

2.2 氮磷流失的時間差異性

氮、磷流失過程是一個涉及土壤類型、水文條件、地形地貌、土地利用類型等多種因素的復雜非點源污染過程。與空間上的關鍵源區(qū)相似，農(nóng)業(yè)非點源污染負荷在時間上也存在一定的變化規(guī)律，與降雨徑流是農(nóng)業(yè)非點源污染輸出、遷移的最主要動力緊密相關。研究表明，年際或年內(nèi)水文過程的差異對氮磷流失的影響顯著[10]，其污染負荷輸出可能會集中于某一水文年或年內(nèi)某一水文時期或某一季節(jié)表現(xiàn)得更為嚴重[50]。

高超等（2005）表明旱地和水稻田用地在極端降水事件（高強度降水）期間隨地表徑流發(fā)生流失的養(yǎng)分含量占全年流失總量的50%以上[51]。張繼宗等（2009）對太湖平原農(nóng)田區(qū)域徑流氮磷污染監(jiān)測結(jié)果表明，降雨量越大，歷時越長，農(nóng)田氮磷流失濃度和流失量越大，因此，汛期的徑流氮磷流失幾率和流失強度均大于非汛期[52]。張皓天（2010）[53]、劉博等（2011）[14]、Francesconi,et al.（2016）[54]、Lee,et al.（2018）[55]利用SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型進行不同流域非點源氮磷污染評估，結(jié)果都表明了，氮磷污染負荷量與降雨量呈正相關關系，汛期是氮磷負荷輸出的關鍵期。施練東等（2011）通過應用SWAT模型，模擬出湯浦水庫流域農(nóng)業(yè)非點源氮磷污染負荷的季節(jié)變化規(guī)律呈不規(guī)則的“W”形態(tài)變化，雨季前期（5到6月）和作物收獲后（10月），流域內(nèi)氮磷的流失量會達到全年的最大值[56]。張桂軻（2016）以SWAT模型對長江流域非點源氮磷流失風險進行模擬的結(jié)果表明，氮磷輸出負荷在年內(nèi)分布差異顯著，豐水期總氮和總磷的負荷強度遠遠高于枯水期，5月至9月總氮、總磷負荷量占全年總負荷量的比例分別為74%和85%。其中，氮素的輸出受到降雨、徑流動力傳輸過程和氮素供給量的共同控制：農(nóng)業(yè)流域氮素供給充足，降雨、徑流過程的控制作用更加凸顯，因此，汛期的氮素濃度高于非汛期；而在非農(nóng)業(yè)流域，受氮素供給量的控制，汛期氮素濃度可能還低于非汛期[57]。

3 小結(jié)

綜上所述，在不同區(qū)域內(nèi)，各因素隨時空尺度及局部環(huán)境的變化對非點源氮磷流失產(chǎn)生的影響力亦隨之變化，因此，如何有效地模擬和估算全球各流域氮磷流失風險狀況仍是困擾研究者的一個現(xiàn)實難題[5]。同時，水文過程的差異對氮磷流失的影響顯著[10,18]，通過合理評估研究區(qū)域的農(nóng)業(yè)非點源氮磷污染負荷的時空分布差異，識別并篩選氮磷流失發(fā)生嚴重的關鍵源區(qū)和關鍵期，對于采取時空針對性的非點源污染的防治是極為必要的。但有關非點源氮磷流失關鍵期篩選的報道多運用物理模型（主要是SWAT模型）進行，尚缺乏氮磷綜合流失風險模型的運用。而運用氮磷及綜合污染指數(shù)法尚局限于關鍵源區(qū)的篩選，并多集中于農(nóng)業(yè)小流域或者局部的林業(yè)區(qū)，缺乏關鍵期的篩選[31]。因此，亟待結(jié)合不同水文期的差異加強氮磷及綜合流失風險的時空差異研究。