基于SWAT模型茶園化肥減施增效配比研究*

孟令宇, 楊浩瑜, 張乃明, 鄧 洪, 劉惠見, 包 立, 黃維恒

基于SWAT模型茶園化肥減施增效配比研究*

孟令宇1,2?, 楊浩瑜1,2?, 張乃明2**, 鄧 洪1,2, 劉惠見1,2, 包 立1,2, 黃維恒1

(1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 昆明 650201; 2.云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室 昆明 650201)

茶園化肥減施技術(shù)是改善茶園土壤環(huán)境、降低茶區(qū)地表水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要措施之一, 有助于茶園生態(tài)環(huán)境的改善。利用云南省西雙版納自治州勐?？h勐邦庫(kù)區(qū)曼真村2018年3—9月大田試驗(yàn)數(shù)據(jù)及勐海縣勐邦庫(kù)區(qū)2011—2016年氣象水文資料, 基于SWAT模型建立區(qū)域尺度茶園化肥減施模型, 構(gòu)建環(huán)境效益評(píng)價(jià)體系(土壤肥力指標(biāo)、水環(huán)境指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)), 采用模糊綜合評(píng)價(jià)法定量計(jì)算茶園不同施肥方式(常規(guī)化肥、70%化肥+有機(jī)肥配施、70%化肥+緩釋肥配施、70%化肥+土壤改良劑配施)的環(huán)境綜合效益指數(shù), 系統(tǒng)研究勐海茶園化肥減施增效配比方案。結(jié)果表明: 1)勐邦庫(kù)區(qū)流域月尺度徑流與水質(zhì)的模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)相同, 決定系數(shù)R=0.895, 納什系數(shù)Ens=0.837, 模型擬合度高; 2)綜合效益權(quán)重計(jì)算結(jié)果表明, 水環(huán)境指標(biāo)(0.412)>土壤肥力指標(biāo)(0.317)>經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)(0.271), 水環(huán)境對(duì)綜合效益存在顯著影響; 3)勐海茶園最優(yōu)的化肥減施配比方案為70%化肥+緩釋肥配施, 其土壤肥力效益指數(shù)為0.96, 水環(huán)境效益指數(shù)為0.97, 經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)為0.99, 綜合效益評(píng)價(jià)指數(shù)為0.97。綜上, 70%化肥+緩釋肥配施能有效降低茶園地表水體富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn), 同時(shí)能夠提高茶園土壤肥力而不影響茶園的經(jīng)濟(jì)效益。因此, 配施緩釋肥是現(xiàn)階段較為適合勐海茶園的環(huán)境友好型施肥技術(shù)。

勐海; 區(qū)域尺度; SWAT模型; 茶園; 化肥減施; 環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)

茶樹[(L.)O. Ktze.]的養(yǎng)分一方面來(lái)自于土壤自身含有的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 另一方面來(lái)自化肥的補(bǔ)充。施肥作為茶樹養(yǎng)分補(bǔ)給的重要手段, 對(duì)于茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)的提高有不可替代的作用[1]。20世紀(jì)60年代, 隨著我國(guó)化肥工業(yè)的發(fā)展, 茶園化肥施用量也不斷增長(zhǎng), 并且在茶園施肥過(guò)程中出現(xiàn)“重?zé)o機(jī)、輕有機(jī)和偏施氮肥的趨勢(shì)”[2]?；实拇罅渴┯? 尤其是氮肥用量的增加, 不僅造成茶園土壤養(yǎng)分比例失調(diào), 土壤出現(xiàn)酸化的現(xiàn)象; 并且茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)出現(xiàn)不增反降的問(wèn)題。

茶葉歷來(lái)是云南省勐?？h傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)之一, 是茶區(qū)農(nóng)民的主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源。近年來(lái), 隨著勐海縣茶產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展, 茶農(nóng)對(duì)于茶葉產(chǎn)量的需求也逐年上升, 部分茶農(nóng)由于在施肥種類和用量上存在一定的盲目性, 導(dǎo)致茶園施肥過(guò)程中存在許多問(wèn)題。通過(guò)調(diào)查勐?？h化肥施用情況, 發(fā)現(xiàn)茶園施肥方式以“1次基肥, 1次追肥”為主, 基肥主要施用復(fù)合肥和少量農(nóng)家肥, 追肥主要施用速效氮肥, 并且50%以上茶農(nóng)化肥施用量在750~1 350 kg×hm-2, 施用水平遠(yuǎn)超過(guò)225 kg×hm-2的國(guó)際上限標(biāo)準(zhǔn)[3]。當(dāng)?shù)夭鑸@施肥方式的不合理, 在造成化肥浪費(fèi)的同時(shí), 也促使茶園土壤中的氮、磷流失加劇, 導(dǎo)致茶園周邊的地表水、地下水出現(xiàn)水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問(wèn)題[4-6]。并且勐海干濕季節(jié)分明, 這對(duì)茶樹越冬期間養(yǎng)分的吸收、積累及對(duì)春茶生產(chǎn)都極為不利, 大大影響了春茶的產(chǎn)量和品質(zhì)[7]。探索茶園化肥減施增效技術(shù), 進(jìn)行茶園平衡施肥, 實(shí)現(xiàn)茶園土壤的可持續(xù)利用, 是當(dāng)前茶葉生產(chǎn)中急需解決的問(wèn)題。

近年來(lái)隨著茶園化肥施用量的增加, 我國(guó)在長(zhǎng)江中下游地區(qū)對(duì)茶園開展了諸多化肥減施技術(shù)的研究[8-9]。韓文炎等[10-11]研究得出, 與普通尿素相比, 控釋氮肥能明顯延長(zhǎng)氮在土壤中的存留時(shí)間, 促進(jìn)茶樹各部位生長(zhǎng)發(fā)育; 同時(shí)控釋氮肥可以減少30%的氮肥施用量而不影響茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)。王子騰等[12]通過(guò)常規(guī)施肥與菜籽餅為物料的化肥減施試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 當(dāng)有機(jī)肥配施比例在20%和50%時(shí), 土壤養(yǎng)分含量、茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)均顯著提高, 徑流水中的氮、磷濃度顯著下降。黃曉德等[13]研究表明, 茶果間作的茶園中, 生物炭與無(wú)機(jī)鹽型土壤調(diào)理劑配合使用, 能夠降低土壤容重, 增加土壤孔隙度, 顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。相關(guān)研究表明[14-17], 化肥減施技術(shù)對(duì)茶園土壤肥力的提升、茶葉品質(zhì)的改善以及茶園周邊地表水中氮磷削減均有較好的效果。

目前關(guān)于茶園化肥減施技術(shù)的研究主要集中在農(nóng)田尺度的試驗(yàn)效果研究, 區(qū)域尺度下茶園化肥減施技術(shù)的效應(yīng)評(píng)價(jià)研究尚鮮有報(bào)道。本研究結(jié)合田間尺度和區(qū)域尺度數(shù)據(jù), 選擇模糊綜合評(píng)價(jià)法, 開展區(qū)域尺度茶園化肥減施技術(shù)的環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià), 以期為勐海茶園科學(xué)施肥提供相應(yīng)數(shù)據(jù)支撐。

1 模糊綜合評(píng)價(jià)方法

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

評(píng)價(jià)指標(biāo)作為環(huán)境效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ), 對(duì)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)的作用不可忽視。本文以茶園化肥減施增效技術(shù)為評(píng)價(jià)對(duì)象, 從土壤肥力可持續(xù)能力、地表水污染負(fù)荷、茶農(nóng)經(jīng)濟(jì)效益3方面考慮, 在遵循可測(cè)性、一致性、系統(tǒng)性、科學(xué)性的評(píng)價(jià)原則下, 運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立了一套勐海茶園的環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。最終確立了13個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行區(qū)域尺度茶園化肥減施增效技術(shù)的環(huán)境效應(yīng)綜合評(píng)價(jià), 篩選出適合勐海茶園的環(huán)境友好型施肥技術(shù)。

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系確定評(píng)價(jià)的因素集為:

={1,2,3}={土壤肥力效益, 水環(huán)境效益,經(jīng)濟(jì)效益} (1)

3={31,32}={化肥投入成本, 產(chǎn)茶收益} (4)

1.2 評(píng)價(jià)方法

本文根據(jù)評(píng)價(jià)需要實(shí)現(xiàn)的目的和評(píng)價(jià)對(duì)象的特點(diǎn), 選擇模糊綜合評(píng)價(jià)法作為區(qū)域尺度茶園化肥減施增效技術(shù)的環(huán)境效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)方法, 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系結(jié)合土壤肥力、水環(huán)境質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益3個(gè)方面, 以下是詳細(xì)計(jì)算過(guò)程。

1)環(huán)境效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)集的構(gòu)造

式中:a為第項(xiàng)化肥減施技術(shù)第個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值,為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

2)環(huán)境效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)評(píng)語(yǔ)集的構(gòu)造

3)建立模糊相關(guān)矩陣

采用線性插值法建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù):

式中:m為第種化肥減施增效技術(shù)的第個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度。按照評(píng)價(jià)指標(biāo)效果的不同, 分為2類指標(biāo)隸屬度函數(shù):

正向指標(biāo)計(jì)算公式(值越大越好, 如: 肥力、凈收益等):

負(fù)向指標(biāo)計(jì)算公式(值越小越好, 如: 成本):

式中: min和max分別為4種化肥減施增效技術(shù)中第個(gè)指標(biāo)的下限和上限。

4)指標(biāo)權(quán)重的確定

使用變異系數(shù)法確定權(quán)重系數(shù)(W), 計(jì)算公式為:

式中:Q為4種化肥減施增效技術(shù)第個(gè)指標(biāo)值的標(biāo)準(zhǔn)差,為歸一化處理的標(biāo)準(zhǔn)值。

5)建立模糊相關(guān)矩陣

將權(quán)重系數(shù)(W)與模糊關(guān)系矩陣(R)進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算, 評(píng)價(jià)公式為:

6)綜合效應(yīng)得分

將綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量(Q)單一效益得分(B)進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算, 評(píng)價(jià)公式為:

式中:Q的計(jì)算方法按照層及分析法進(jìn)行確定。

1.3 環(huán)境效益等級(jí)劃分

將環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為最佳、較好、正常、不合格4個(gè)等級(jí), 環(huán)境效應(yīng)等級(jí)見表1。

表1 研究區(qū)茶園化肥減施環(huán)境效益等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 分析方法與數(shù)據(jù)獲取

2.1 研究區(qū)概況

勐邦水庫(kù)地處勐遮鎮(zhèn)東南部, 位于瀾滄江一級(jí)支流流沙河支流南木冷混河上, 地處西雙版納州勐?？h勐遮壩邊緣, 距勐?？h城23 km, 地理坐標(biāo)為100°18′E、21°54′N。該區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ц咴撅L(fēng)氣候, 年平均氣溫15.5 ℃, 年降水量為1 036 mm, 降水多集中于5—10月。水庫(kù)上游流域徑流面積43.5 km2, 外流域引水15.5 km2, 其中水庫(kù)流域茶園面積約270 hm2, 茶園土壤類型主要為赤紅壤。監(jiān)測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)選擇在勐邦庫(kù)區(qū)上游流域交叉口曼真村一片集中連片的丘陵坡地茶園, 茶園面積約0.1 hm2, 約占流域茶園總面積的0.037 5%, 供試茶樹品種為‘大葉樹種茶’, 種植年限為20年。

2.2 土壤肥力數(shù)據(jù)

土壤肥力數(shù)據(jù)來(lái)源于農(nóng)田尺度化肥減施試驗(yàn)。于2018年3—8月在試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行化肥減施技術(shù)小區(qū)試驗(yàn)。試驗(yàn)地設(shè)置4個(gè)處理, 每個(gè)處理3次重復(fù), 共計(jì)12個(gè)小區(qū), 隨機(jī)分布, 每個(gè)小區(qū)的面積為48 m2(6 m×8 m)。具體試驗(yàn)設(shè)置如表2所示。各小區(qū)用埋深0.5 m的水泥擋板隔開, 防止各小區(qū)之間出現(xiàn)串水現(xiàn)象?；蕼p施處理是根據(jù)茶園化肥施用基線以年純氮量500 kg×hm-2為設(shè)計(jì)原則, 氮磷鉀施用比例3∶1∶1, 試驗(yàn)所選取的肥料有: 尿素, 含N量≥46.4%, 純度≥99.4%; 過(guò)磷酸鈣, 有效P2O5含量≥12%; 硫酸鉀, K2O含量≥50.0%; 復(fù)合肥, N-P2O5-K2O=15-15-15,總養(yǎng)分≥45%; 有機(jī)肥, 有機(jī)質(zhì)≥45%, N-P2O5-K2O= 2.83-3.65-30; 控釋肥, N-P2O5-K2O=28-5-5; 土壤改良劑, 主要成分為S、CaO和腐殖酸與含硫型土壤調(diào)理劑, 用量標(biāo)準(zhǔn)為3 000 kg×hm-2。按當(dāng)?shù)夭柁r(nóng)的施肥習(xí)慣, 基肥于3月初施入, 5月初第1次追肥, 7月初第2次追肥, 40%作為基肥, 兩次追肥各30%, 每次施肥在茶叢蓬面邊緣垂直向下的地方開溝施肥, 施肥深度為10~20 cm, 施肥后及時(shí)覆土。

表2 茶園化肥減施技術(shù)田間試驗(yàn)不同處理的肥料種類及用量

小區(qū)土樣取樣時(shí)間為2018年3—8月, 每月的15日取土樣, 共采土樣6次。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)取距茶樹施肥溝5~10 cm處0~20 cm表層土壤, 采用5點(diǎn)混合采樣法采樣的厚度、寬度和深度盡量保持一致, 將混合土樣裝入清潔自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干, 運(yùn)用四分法過(guò)100目和40目篩裝袋保存, 供分析測(cè)定。

用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量[18], 乙酸銨交換法測(cè)定陽(yáng)離子交換量[19], 堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮含量[18], 碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷含量[18], 醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定速效鉀含量[18], 半微量凱氏定氮法測(cè)定全氮含量[18],氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定全磷含量[18], 氫氧化鈉熔融-火焰光度法測(cè)定全鉀含量[18]。

2.3 SWAT模型水文模擬及率定

SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool)是一個(gè)大中尺度的流域模型。勐邦庫(kù)區(qū)流域SWAT模型的構(gòu)建既需要數(shù)字高程模型、土壤類型、氣象資料, 還需要土壤理化參數(shù)等屬性數(shù)據(jù)。利用Arcgis10.2的SWAT 2012進(jìn)行SWAT相關(guān)參數(shù)的輸入, 模型所需數(shù)據(jù)來(lái)源見表3。通過(guò)GIS軟件對(duì)勐邦庫(kù)區(qū)流域數(shù)字高程數(shù)據(jù)進(jìn)行河網(wǎng)分級(jí)、流向、流量確定, 提取流域邊界、流域出水口以及流域內(nèi)的水系分布等子流域參數(shù)。相關(guān)研究表明[20-21], 子流域的閾值確定需要根據(jù)模型模擬的實(shí)際情況確定, 因?yàn)椴煌恿饔虻拈撝禃?huì)對(duì)模擬結(jié)果的精度產(chǎn)生一定影響。本文根據(jù)實(shí)際情況取子流域閾值500 hm2對(duì)子流域進(jìn)行劃分, 最終將勐邦水庫(kù)匯水區(qū)劃分為21個(gè)子流域, 如圖1所示。

表3 SWAT模型分析地表水環(huán)境的數(shù)據(jù)類型及來(lái)源

圖1 勐邦庫(kù)區(qū)流域的子流域分布情況

圖中數(shù)字為子流域序號(hào)。The data in the figure is the order number of the sub-basin.

通過(guò)使用SWAT-CUP軟件中的SUFI2算法對(duì)流域的徑流、總氮、總磷進(jìn)行全局敏感性分析, 進(jìn)而對(duì)參數(shù)進(jìn)行多次迭代運(yùn)行, 每次迭代模擬的次數(shù)為2 000次, 計(jì)算得出-value和-stat。根據(jù)-value越小,-stat絕對(duì)值越大參數(shù)越敏感, 最終篩選出SCS徑流曲線系數(shù)(CN2)、土壤蒸發(fā)補(bǔ)償因子(ESCO)、基流系數(shù)(ALPHA-BF)、土層有效含水量(SOL_AWC)等17個(gè)大概率影響勐邦水庫(kù)流域徑流、水質(zhì)的敏感性因子。

SWAT模型在初次模擬中, 模型輸出的泥沙、徑流、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的模擬結(jié)果與勐邦庫(kù)區(qū)流域的實(shí)測(cè)結(jié)果誤差較大, 因此需要對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)的率定和校正。在模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證過(guò)程中, 針對(duì)驗(yàn)證結(jié)果選擇決定系數(shù)2和納什系數(shù)Ens進(jìn)行模型驗(yàn)證。其計(jì)算公式為:

式中:、分別代表實(shí)測(cè)值(actual value)和模擬值(simulation value),則表示數(shù)值個(gè)數(shù)。Ens表示模擬結(jié)果的可信度,2表示模擬值和預(yù)測(cè)值的相關(guān)性。當(dāng)2≥0.6且Ens≥0.5時(shí), 模擬值才具有可靠性。本文利用勐邦庫(kù)區(qū)流域的2011—2016年徑流的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證, 其中2011—2012年為徑流預(yù)熱期, 2014—2016年為校準(zhǔn)和驗(yàn)證期。

3 結(jié)果與分析

3.1 茶園化肥減施技術(shù)的綜合效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本研究采用層次分析法作為權(quán)重的計(jì)算方法, 聘請(qǐng)經(jīng)驗(yàn)豐富、知識(shí)淵博的專家對(duì)兩兩因素間的重要性程度進(jìn)行打分, 建立判斷矩陣, 再對(duì)各專家打分樣本進(jìn)行一致性檢驗(yàn), 通過(guò)一致性檢驗(yàn)的為合格樣本, 最后對(duì)合格樣本進(jìn)行權(quán)向量的計(jì)算, 結(jié)果如表4所示. 由表4可知, 水環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)所占權(quán)重最高, 對(duì)綜合效益存在顯著影響。

表4 勐邦庫(kù)區(qū)流域區(qū)域尺度茶園化肥減施技術(shù)的綜合效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重

3.2 SWAT模型水文模擬的校準(zhǔn)與驗(yàn)證

水質(zhì)板塊的校準(zhǔn)與驗(yàn)證根據(jù)勐邦水庫(kù)2015—2016年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。其中將2015—2016年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為預(yù)熱期, 2016年1—12月作為率定期和驗(yàn)證期。由于模型模擬出的硝態(tài)氮、總氮、總磷的數(shù)據(jù)為子流域輸出的總量數(shù)據(jù), 與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有很大差距。因此需要將實(shí)際數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為與模擬數(shù)據(jù)相符的數(shù)據(jù), 計(jì)算公式如下:

式中:為實(shí)測(cè)水體中氮磷數(shù)據(jù)的月平均濃度(mg×kg-1);為對(duì)應(yīng)斷面的月均徑流量(m3×s-1);為子流域的氮磷輸出總量(kg), 計(jì)算時(shí)需要考慮每個(gè)月的天數(shù)。

勐邦庫(kù)區(qū)流域月尺度徑流和水質(zhì)模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 勐邦庫(kù)區(qū)流域2014—2016年月尺度徑流模擬值與實(shí)際值(a)及2016年月尺度硝態(tài)氮(b)、總氮(c)、總磷(d)的模擬值與實(shí)際值

通過(guò)對(duì)決定系數(shù)和納什系數(shù)的計(jì)算發(fā)現(xiàn), 徑流量模擬的納什系數(shù)Ens為0.837, 決定系數(shù)2為0.370, 但峰值模擬較差; 硝態(tài)氮模擬的納什系數(shù)Ens為0.866, 決定系數(shù)2為0.909, 但模擬值大部分大于實(shí)際值; 總氮模擬的納什系數(shù)Ens為0.861, 決定系數(shù)2為0.879, 但峰值模擬結(jié)果較差; 總磷模擬的納什系數(shù)Ens為0.751, 決定系數(shù)2為0.930。整體而言, 徑流量、總氮、總磷的模擬結(jié)果的變化規(guī)律與實(shí)測(cè)值大致符合。因此構(gòu)建的該SWAT模型的模擬值具有一定的可靠性, 模型能夠滿足勐邦庫(kù)區(qū)流域徑流與水質(zhì)模擬研究的需要。

3.3 不同茶園減施技術(shù)土壤肥力與水環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)大田試驗(yàn)和SWAT模型模擬得出, 4種施肥措施下, 土壤有機(jī)質(zhì)含量與陽(yáng)離子交換量無(wú)明顯差異; 緩釋肥配施后土壤堿解氮與全氮的含量顯著高于其他3種施肥方式, 對(duì)比常規(guī)施肥, 土壤堿解氮與全氮的增幅分別為22.63%和45.5%, 這可能是因?yàn)榫忈尫署B(yǎng)分釋放速度較慢, 能夠長(zhǎng)期保持較高水平; 土壤速效磷含量經(jīng)緩釋肥配施后能明顯提高, 但未達(dá)到顯著水平; 除緩釋肥配施外, 其他3種施肥方式下土壤全磷含量差異不顯著, 緩釋肥配施能顯著增加土壤全磷含量, 對(duì)比常規(guī)施肥, 增幅為15.9%; 相比常規(guī)施肥, 有機(jī)肥配施和改良劑配土壤速效磷含量施略有下降, 緩釋肥配施后, 土壤速效鉀含量增加, 但未達(dá)顯著水平; 緩釋肥配施后, 土壤全鉀含量顯著增加, 比常規(guī)施肥增加13.95%, 改良劑配與有機(jī)肥配施無(wú)明顯差異。土壤改良劑配施、緩釋肥配施、有機(jī)肥配施、常規(guī)施肥后的茶園地表水模擬結(jié)果顯示, 水體中硝態(tài)氮、總氮、總磷的含量均逐漸升高, 改良劑配施和緩釋肥配施模擬結(jié)果相差不大; 從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)看, 投入成本最低的是常規(guī)施肥, 作物產(chǎn)量最高的是緩釋肥配施(表5)。

3.4 不同茶園減施技術(shù)環(huán)境效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)模糊綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法, 對(duì)勐邦庫(kù)區(qū)流域4種施肥技術(shù)進(jìn)行綜合環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)。如表6所示, 從土壤肥力效益看, 70%化肥+緩釋肥處理(0.96)最高, 其次是70%化肥+有機(jī)肥處理(0.41)、常規(guī)施肥處理(0.38), 70%化肥+改良劑處理(0.07)最低, 70%化肥+緩釋肥能明顯提高土壤肥力, 70%化肥+有機(jī)肥處理的土壤肥力效益高于常規(guī)施肥, 但是區(qū)別不大。3種化肥減施技術(shù)的水環(huán)境效益為70%化肥+改良劑處理>70%化肥+緩釋肥處理>70%化肥+有機(jī)肥處理>常規(guī)施肥處理, 其水環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)得分分別為1.00、0.97、0.89、0, 對(duì)比常規(guī)施肥, 改良劑配施、緩釋肥配施與有機(jī)肥配施均能對(duì)水環(huán)境有所改善, 其中以改良劑配施最為顯著, 但是改良劑配施與緩釋肥配施區(qū)別不大。化肥減施技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益為70%化肥+緩釋肥處理>70%化肥+有機(jī)肥處理>常規(guī)施肥處理> 70%化肥+改良劑處理, 其經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)得分分別為0.99、0.81、0.76和0, 對(duì)比改良劑配施, 3種施肥方式均能大幅提高茶園的經(jīng)濟(jì)收益, 其中緩釋肥配施達(dá)到最佳效果。從綜合效益來(lái)看, 70%化肥+緩釋肥處理>70%化肥+有機(jī)肥處理>70%化肥+改良劑處理> 常規(guī)施肥處理, 其綜合環(huán)境效應(yīng)指數(shù)分別為0.97、0.72、0.43、0.33, 緩釋肥配施和有機(jī)肥配施可明顯提高茶園綜合收益, 緩釋肥配施效果最佳。

表5 勐邦庫(kù)區(qū)流域茶園不同化肥減施技術(shù)的效益評(píng)價(jià)指標(biāo)值

土壤肥力指標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)地取樣分析獲取; 水環(huán)境數(shù)據(jù)由SWAT模型模擬得出; 肥料投入成本按照茶園所需肥料總量和單價(jià)計(jì)算, 未將各肥料種類和單價(jià)寫出。CK, YJ, HS和GL處理如表2所示。不同小寫字母表示不同化肥減施技術(shù)間在<0.05水平差異顯著。Soil fertility index data is obtained through field sampling analysis; water environment index data is simulated by SWAT model; fertilizer input cost is calculated with the amount of fertilizer applied and price, and the types and unit prices of fertilizers are not showed. The means of CK, YJ, HS and GL treatments are shown in table 2. Different lowercases letters mean significant differences among different chemical fertilizer reduction techniques at<0.05 level.

表6 勐邦庫(kù)區(qū)流域茶園不同化肥減施技術(shù)環(huán)境效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)

CK、YJ、HS和GL處理如表2所示。The means of CK, YJ, HS and GL treatments are shown in the table 2.

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

目前關(guān)于SWAT模型國(guó)內(nèi)外不同尺度流域都有較好的應(yīng)用, 許多學(xué)者對(duì)流域內(nèi)土地類型、地形坡度、氣候等進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)模擬, 將模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)、校準(zhǔn), 以此獲取非點(diǎn)源污染負(fù)荷較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)值。國(guó)外學(xué)者Behera等[22]運(yùn)用SWAT模型模擬了印度Kapgari流域養(yǎng)分濃度, 提出了合理的氮磷肥施用比例; Lee等[23]通過(guò)SWAT模型模擬韓國(guó)漢江流域減施30%化肥對(duì)污染負(fù)荷流失量的影響, 發(fā)現(xiàn)經(jīng)減施后總氮、總磷流失量均減少8%以上。SWAT模型在茶園化肥減施中的應(yīng)用較為缺乏, 尤其是勐海縣的茶園化肥減施技術(shù)研究。本研究以氣候條件、土壤類型與土壤肥力以及土質(zhì)等篩選條件, 遵循可測(cè)性、一致性、系統(tǒng)性、科學(xué)性的原則下, 選擇勐邦水庫(kù)曼真村試驗(yàn)田作為具有代表性的試驗(yàn)地, 通過(guò)構(gòu)建SWAT模型, 對(duì)勐?？h茶園化肥減施技術(shù)開展區(qū)域尺度的研究。在模型的應(yīng)用過(guò)程中, 庫(kù)區(qū)徑流、總氮、總磷、硝態(tài)氮的模擬率定均達(dá)到要求, 由于茶樹在SWAT模型的作物數(shù)據(jù)庫(kù)中不明確, 針對(duì)茶樹的生長(zhǎng)特性和氣候特征對(duì)作物數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改, 以此增加模擬結(jié)果的可靠性。Volk等[24]同樣通過(guò)對(duì)植被生長(zhǎng)模塊進(jìn)行修改, 使修改后的模型在評(píng)價(jià)和估算作物產(chǎn)量時(shí)結(jié)果較為可靠。SWAT模型由于前期需要大量參數(shù)才能進(jìn)行大中尺度的流域模擬, 其數(shù)據(jù)的參數(shù)化設(shè)置是一個(gè)重大難點(diǎn)。本文通過(guò)前期基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)收集, 發(fā)現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)獲取難度較大, 如土地利用類型數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)得到的均是以全國(guó)尺度的數(shù)據(jù), 希望在未來(lái)的研究中, 能夠?qū)①Y源整合, 提高相應(yīng)數(shù)據(jù)分辨率, 使模擬結(jié)果更加精確。

4.2 結(jié)論

本文采用大田試驗(yàn)及SWAT模型建模, 運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法研究了勐海茶園不同施肥方式(常規(guī)化肥、70%化肥+有機(jī)肥配施、70%化肥+緩釋肥配施、70%化肥+土壤改良劑配施)的環(huán)境綜合效益。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 與土壤肥力效益和經(jīng)濟(jì)效益相比, 水環(huán)境效益對(duì)綜合效益有顯著影響; 與常規(guī)施肥相比, 有機(jī)肥替代30%化肥和緩釋肥替代30%化肥處理顯著降低了流域的氮、磷淋失量, 水環(huán)境效益顯著; 與有機(jī)肥配施和土壤改良劑配施相比, 緩釋肥配施處理經(jīng)濟(jì)效益和土壤肥力效益最高。綜上所述, 70%化肥+緩釋肥配施處理能夠在保證土壤肥力和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí), 有效降低地表水體氮磷流失, 因此, 70%化肥+緩釋肥配施處理是當(dāng)前較為適合勐海茶園的施肥方式。

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Optimizing chemical fertilizer use in a tea plantation based on the SWAT model*

MENG Lingyu1,2?, YANG Haoyu1,2?, ZHANG Naiming2**, DENG Hong1,2, LIU Huijian1,2, BAO Li1,2, HUANG Weiheng1

(1. College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 2. Yunnan Soil Fertility and Pollution Remediation Engineering Laboratory, Kunming 650201, China)

Optimizing fertilizer use is one of the main ways to improve soil fertility and reduce the eutrophication of surface water in tea plantations, simultaneously. This approach will play an important role in improving the ecological environment of tea plantations. The study used field data, collected from March to September 2018, and meteorological and hydrological data from 2011 to 2016 in the Mengbang Reservoir Area, Menghai County, Yunnan Province, China, to build a regional model aimed at reducing fertilizer use in a tea plantation based on the soil and water assessment tool (SWAT) model. Four different fertilizer application methods were examined (conventional chemical fertilizer and three combined application methods: 70% chemical fertilizer + organic fertilizer, 70% chemical fertilizer + slow-release fertilizer, and 70% chemical fertilizer + soil modifier). Their effect was calculated using fuzzy comprehensive evaluation to systematically study the optimal application of chemical fertilizers in a Menghai tea plantation. The results showed that: 1) the simulation and observed results of monthly runoff and water quality in the Mengbang Reservoir Area had the same trends (2= 0.895, Nash-Sutcliffe efficiency = 0.837), and the model fitted well. 2) In terms of overall benefit, the water environment index (0.412) contributed more than the soil fertility index (0.317) and the economic benefit index (0.271). 3) The optimal chemical fertilizer application for tea plantations in Menghai County was the 70% chemical fertilizer + slow-release fertilizer combination. Its soil fertility benefit index, water environment benefit index, economic benefit index, and comprehensive benefit evaluation index scores were 0.96, 0.97, 0.99, and 0.97, respectively. In summary, a combined application of 70% chemical fertilizer + slow-release fertilizer can effectively reduce the risk of eutrophication of surface water in tea plantations and improve the soil fertility, without affecting the economic benefits.

Menghai; Regional scale; SWAT model; Tea garden; Fertilizer reduction; Environmental effect evaluation

X824

10.13930/j.cnki.cjea.200122

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* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0201208-2)資助

張乃明, 主要研究方向?yàn)橥寥琅喾逝c污染修復(fù)。E-mail: zhangnaiming@sina.com

? 共同第一作者: 孟令宇, 主要研究方向?yàn)橥寥缹W(xué), E-mail: 542635441@qq.com; 楊浩瑜, 主要研究方向?yàn)橥寥缹W(xué), E-mail: 369220094@ qq.com

2020-02-24

2020-04-10

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0201208-2).

? Equivalent authors

, E-mail: zhangnaiming@sina.com

Feb. 24, 2020;

Apr. 10, 2020