基于“源”、“汇”过程的农业非点源污染模型构建及应用

根据农业非点源污染产移特点, 将农业非点源污染模型分为田间产污的“源”模块以及模拟污染物在排水沟渠中运移的“汇”模块, 其中“源”模块又包括农田灌溉(降水)排水子模块及农田灌溉(降水)排水中污染物浓度计算子模块。应用DRAINMOD模型模拟田间尺度的灌溉(降水)排水, 同时将农田的施肥和灌溉过程“合成”作为田间污染物浓度的脉冲输入, 以逆高斯分布作为综合作用函数, 建立农田尺度的灌溉排水污染物浓度估算模型, 二者结合构成农业非点源污染田间产污模块; 应用一维水动力学基本方程和非保守性污染物迁移方程, 建立农业非点源污染物沟渠“汇”模块。并以黄河上游青铜峡灌区为例进行了示例应用, 依据典型田块以及排水沟渠农业非点源污染监测试验资料, 结合灌区作物种植结构, 计算了2008年5~9月青铜峡灌区输出污染负荷, 结果为盐分470 099 t、总磷98.17 t、总氮3 593 t、硝态氮2 122 t、氨态氮426 t。通过示例验证, 表明所建模型具有较好的模拟效果, 可进一步推广应用。     

喷灌条件下花生水肥耦合效应的田间试验研究

水肥是影响作物产量的两个重要因子,合理的灌溉与施肥是作物增产的主要途径。通过采用喷灌灌水技术,对花生水肥耦合效应进行田间试验研究,探讨了不同灌水施肥处理对花生产量、耗水规律、氮素运移等的影响,建立了反映花生产量与施肥量、灌水量关系的数学表达式,提出了喷灌条件下花生不同生育期适宜的灌水计划湿润层深度。     

基于番茄产量品质水肥利用效率确定适宜滴灌灌水施肥量

研究滴灌施肥条件下水肥组合对温室番茄根系生长、产量品质和水肥利用效率的影响,并运用多元回归分析和空间分析相结合的方法,寻求满足单目标最大的灌水施肥制度,以及综合评价产量品质和水分利用效率的水肥调控效应,提出同时满足高产优质高效的最接近的灌水施肥制度。通过小区试验,设灌水和施肥（N-P2O5-K2O）2因素,3个滴灌水量（高水：100%ET0、中水：75%ET0、低水：50%ET0,ET0是参考作物蒸发蒸腾量）和3个施肥水平（高肥：240-120-150 kg/hm2、中肥：180-90-112.5 kg/hm2、低肥：120-60-75 kg/hm2）。结果表明,番茄产量、水分利用效率、肥料偏生产力和品质受灌水和施肥影响显著。产量与灌水量和施肥量正相关;减小灌水量和增大施肥量,水分利用效率增大;增大灌水量和降低施肥量,肥料偏生产力增大。维生素C和番茄红素随施肥量的增加先增大后降低（中水除外）,可溶性糖随施肥量增加而降低（中肥除外）,可溶性固形物和糖酸比分别在中水与低水、高水与低水之间差异显著（P<0.05）。根质量、根长、根表面积及根体积与产量有显著的线性正相关关系。通过多元回归分析和空间分析得出,灌水量为159 mm,施肥量为479.4、404.4和382.8 kg/hm2时,水分利用效率、番茄红素和糖酸比最大;灌水量为279 mm,施肥量为510 kg/hm2时,产量最大;灌水量为262 mm,施肥量为225 kg/hm2时,肥料偏生产力最大。产量和品质同时达到大于等于85%最大值的灌水施肥区间大约为210～230 mm和385～453 kg/hm2,产量、水分利用效率和品质同时达到大于等于85%最大值的最接近灌水施肥区间为198～208 mm和442～480 kg/hm2。此研究为当地温室番茄滴灌施肥生产过程中水肥科学管理提供指导依据。     

基于密切值法和水氮管理模型的华北平原农田水氮优化管理

优化农田水氮管理措施可为实现粮食高产、资源高效及环境友好的目标提供科学依据。该研究以华北平原泰安地区为例,利用农田生态系统水热碳氮过程耦合模型(soil water heat carbon and nitrogen simulator,WHCNS)分别对冬小麦季设置的165个水肥组合和夏玉米季设置的55个水肥组合进行了情景模拟分析,在综合考虑农学、环境和经济效益的基础上,采用密切值法优化了农田水肥管理方案。结果表明:受到华北地区年内降雨分配不均的影响,冬小麦产量随着灌水量的增加呈先增加后稳定的趋势;而夏玉米产量与灌水量没有明显的关系。冬小麦和夏玉米产量均随着施肥量的增加而增加,后保持稳定。水分渗漏和氮素淋洗量均随着灌水量或施肥量的增加而显著增加。在研究区作物秸秆全部还田及高累积氮的条件下,冬小麦季灌水240 mm和施肥60 kg/hm~2(以N计,下同),夏玉米季不灌溉和施肥90 kg/hm~2分别为研究区当年冬小麦季和夏玉米季最佳的水肥管理方案。在所有水肥组合情景中,优化的水肥管理方案不仅能保证冬小麦-夏玉米最大周年产量的97%、具有较高的水氮利用效率和最佳的产投比,而且氮素淋洗和气体损失分别比最大值降低了77%和71%。因此,该方法可以用来优化华北平原农田的水肥管理措施。     

基于流域降雨强度的氮磷输出系数模型改进及应用

为研究曹娥江流域农业非点源氮磷输出负荷量,将流域降雨及不同营养源产生的氮磷"合成"考虑,提出了产污系数以表征降雨产汇流过程氮磷输出强度,改进了输出系数模型,并探索发现流域年降雨强度与氮磷产污系数之间呈指数正相关,由此构建了基于年降雨强度的农业非点源氮磷输出负荷模型。利用此模型估算了农业污染源氮磷输出负荷量,显示2005-2010年流域总氮(total nitrogen,TN)年输出总量为5456.60~12268.38 t,总磷(total phosphorus,TP)为393.19~820.65 t,年度分布不均,降雨对TN输出总量的贡献率高达54.75%~69.67%。不同农业污染源对TN、TP输出总量的贡献率表明,该流域农业非点源氮磷输出负荷主要来源于人畜,应加强农村生活污水及垃圾、畜禽养殖粪便等治理,进一步控制农田过量施肥,减少耕地氮磷流失。     

冬小麦再生水灌溉时水分与氮素利用效率的研究

农田水氮利用效率的研究可为农田灌溉和施肥提供相应的科学依据。该文用田间实验研究再生水灌溉条件下冬小麦水分与氮素的利用效率。田间试验设置了高、中、低3个不同灌水水平下的清水灌溉加施肥、再生水灌溉加施肥和再生水灌溉不施肥(仅施底肥)9个处理，试验结果表明：灌水量、灌溉水质、施肥量对冬小麦株高的影响很小；叶面积指数随灌水量的减少而减小；再生水灌溉加施肥条件下的产量最高。不同灌溉水量条件下，冬小麦再生水灌溉的耗水规律与清水灌溉的耗水规律十分接近，且累积耗水量随灌溉水量的增大而增加；水分利用效率与灌溉水质和施肥无关，仅与灌水量有关，且随灌溉水量的增加而减少。氮的利用效率受灌水量、灌溉水质、施肥量的影响较小。     

地下滴灌系统施肥灌溉均匀性的田间试验评估

该文对影响地下滴灌系统性能的两个重要因素施肥装置类型和滴灌带埋深进行了田间评估.施肥装置包括国内外常用的压差式施肥罐、文丘里施肥器和比例施肥泵三种类型,滴灌带埋深包括0、15和30 cm 3个水平.结果表明,滴灌带埋深与施肥装置类型对滴头流量和灌水量均匀性的影响均未达到显著性水平(a=0.05),而施肥装置类型对施肥量均匀性的影响达到极显著水平(a=0.01).对给定的毛管埋深而言,压差式施肥罐的施肥量变差系数高于比例施肥泵和文丘里施肥器.对不同施肥装置的施肥量变差系数与灌水量变差系数之间关系的回归分析结果指出,比例施肥泵和文丘里施肥器的施肥量变差系数与灌水量的变差系数相当,但压差式施肥罐的施肥量变差系数比灌水量变差系数大40%左右.因此在进行微灌系统设计时应将施肥装置类型和性能作为一个因素加以考虑,并宜优先选用输出肥液浓度恒定的施肥装置.     

水肥耦合对膜下滴灌甘蓝根系生长和土壤水氮分布的影响

水肥施用制度是影响水肥利用效率和作物产量的主要因素。该研究主要针对大棚种植甘蓝膜下滴灌下采用不同水肥施用制度时作物根系生长和土壤水氮分布开展试验观测分析,在已有研究推荐的氮肥用量范围中选取了3个氮肥用量(200、300和400 kg/hm2)与制定的灌水方案(上/下限:90%θf/75%θf、100%θf/85%θf和100%θf/75%θf,θf为田间持水率)建立了低水高肥、高水低肥和中水中肥3种水肥施用制度方案,在水利部节水灌溉示范基地大棚内开展了2季田间对比试验。试验结果表明:较高的灌水下限(85%θf)会增加甘蓝根系在0～20cm土层中的分配比例,较高的水肥用量能增加根系质量;处理2(高水低肥)的灌水施肥制度可使根系层土壤保持较高的含水率和较小的变异系数,且灌溉水向深层渗漏不明显,生育期内各处理土壤硝态氮和铵态氮的变化主要发生在0～40 cm土层,40 cm以下土层变化较小,而对于根系98%以上分布在40 cm以上土层的甘蓝来说,这有利于根系对N素的吸收利用,从而提高甘蓝对氮素的利用效率;施肥时灌水量较大会引起硝态氮和铵态氮向深层淋失的危险,且300和400kg/hm2的施氮量在作物收获后土壤表层硝态氮残留量较大。综合分析,该试验认为甘蓝适宜的施氮量200 kg/hm2,适宜的灌水下限85%θf、灌水上限100%θf,该结果可为设施膜下滴灌甘蓝水肥管理和减轻农业面源污染提供技术参考。     

交替灌溉施肥对夏玉米土壤氨挥发的影响

为了解交替灌溉施肥条件下土壤氮素平衡过程,提高氮肥利用率,采用密闭法研究了夏玉米农田土壤氨挥发速率和挥发量。结果表明：夏玉米拔节期追肥灌水后,不同处理的氨挥发速率峰值（1.68～3.97 kg/hm2×d）出现在第2天,而后迅速下降并进入低挥发阶段;抽雄期追肥灌水后,水肥异区交替灌溉施肥处理的氨挥发速率呈现上下波动变化;玉米拔节期追肥灌水的氨挥发量和损失率远远小于抽雄期。在灌水量350 m3/hm2、施肥量256.08 kg/hm2时的氨挥发量最低。与常规灌水施肥处理相比,水肥异区交替灌溉施肥处理可明显减少氨挥发损失。     

土地利用和农业管理对丹江流域非点源氮污染的影响

为研究土地利用和农业管理对流域非点源氮污染的影响,选择南水北调中线的重要水源地丹江流域作为研究区,应用SWAT模型模拟了流域地表水硝酸盐氮和氨氮负荷,揭示了土地利用变化和不同施肥灌溉措施对氮污染负荷的贡献。结果表明:(1)流域内全年氮污染分布不均,硝酸盐氮和氨氮污染较为严重的时段集中在每年7—9月,输出量分别为734.32,735.36 t,占全年硝酸盐氮和氨氮输出量的50%以上;(2)硝酸盐氮和氨氮的输出量具有较大的空间差异,自上游至下游逐渐加重,污染较为严重的子流域主要集中在丹凤县和商南县;(3)通过设置情景模拟,当坡度大于15°和25°的耕地退耕还林时,流域硝酸盐氮负荷分别减少59.83%和45.89%,氨氮负荷分别减少48.91%和35.78%。当流域内施肥量和灌溉量分别降低20%时,流域硝酸盐氮负荷分别减少3.63%和13.26%,氨氮负荷分别减少0.12%和15.65%;(4)耕地是流域氮污染的主要来源,降低流域施肥灌溉量和陡坡地退耕还林是控制流域非点源氮污染的关键。     

宁夏农业面源污染及其影响因子解析

为探明宁夏农业面源污染特征及其主要影响因子,运用等标污染负荷法、主成分分析法、灰关联分析法,以地级市为单元研究宁夏种植业、养殖业、农村生活等农业面源污染来源化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)的负荷、特征以及主要影响因素。结果表明,宁夏农业面源污染最主要污染源为畜禽养殖,其等标污染负荷比达到30.38%,最主要污染物为TN,其等标污染负荷比达到61.67%。农业面源污染程度银川市、吴忠市为严重污染,中卫市为中度污染,石嘴山市、固原市为轻度污染。宁夏农业面源污染的主要影响因子依次为畜牧业产值、农业产值、农业耗水量、有效灌溉比例、农民人均收入、秸秆利用率、人均农业产值、农业人口、化肥施用量和耕地面积。     

农业面源污染影响因子及控制技术的研究现状与展望

面源污染的严重性受到国内外普遍关注,并已成为国际水环境问题研究的活跃领域。本文在简要介绍农业面源污染发生机理和特征的基础上,首先综述了土地利用方式、农田耕作、田间水肥管理、地形地貌、气候水文特征和社会经济因素等农业面源污染影响因子的研究现状,然后从人工湿地技术、前置库技术、缓冲带技术、水土保持技术、农田养分管理技术和农业生态工程技术等几个方面阐述了近年来国内外农业面源污染控制技术的最新研究进展,并结合我国实际提出今后农业面源污染的研究重点。     

江川灌区旱田改水田加剧水体氮磷污染

黑龙江省江川灌区实施旱田改水田后,粮食产量持续上升,同时也暴露了以总氮和总磷为主的非点源污染问题。该文在GIS平台的支持下,运用SWAT模型,建立了模型所需的空间数据库和属性数据库,并运用实测资料对模型参数进行了率定。最后,设置了不同的情景,在耕地面积不变的情况下,改变水田比例为现状的70%、50%,从而研究农业非点源污染输出变化。研究表明:水田面积为70%和50%的情况下,月平均径流深比现状减少20.95、41.37 mm,总氮负荷减少27.84、48.16 t/a,总磷负荷减少1.66、2.89 t/a,说明旱田改水田将会对水环境产生不利影响。通过情景模拟发现,减少施肥量和节水灌溉均可以在一定程度上控制污染物输出,施肥量减少50%后,总氮输出减少25.23%,总磷减少16.32%。在实际生产生活中,为保证粮食产量,可以通过改变施肥方式或设置人工湿地等方法减少农业面源污染。     

小流域非点源污染模拟与生态修复影响评价

[目的]基于各流域场次降雨径流过程和非点源污染负荷模拟分析,评价小流域生态建设对密云水库流域水文过程和污染防控效果影响,为水源地保护、流域山水林田湖一体化修复和生态环境建设提供科学依据。[方法]以北京市重要饮用水源地密云水库上游蛇鱼川小流域为研究对象,利用EcoHAT-LCM模型和传统大尺度非点源污染模型相结合的模式进行模拟分析,并设置情景,分析评价小流域生态建设效果。[结果]随着场次雨量的增加,吸附态N,P负荷占污染负荷总量的比重在逐渐增加,溶解态N,P负荷占污染负荷总量的比重在逐渐减少。小流域内居民点具有小城镇级别的垃圾处理率和垃圾入网率时,农村生活N,P污染负荷可以削减28%;减少经济林的现有施肥量,农业生产活动的N,P污染负荷能够削减43.9%和48.9%。[结论]研究区域不同频次暴雨对吸附态N,P负荷的影响大于对溶解态N,P负荷的影响。生态修复措施对N,P污染负荷削减作用显著。     

农业区环境-经济综合效益模型构建及应用

农业经济发展与环境保护是既有矛盾又紧密联系的2个重要问题。为了客观科学地进行农业环境效益和经济效益的评价,该文以位山灌区为例,构建了农业区环境-经济综合效益模型,以农业净收益最大化为目标函数,以环境限制(氮淋失量)为约束,利用Hydrus-1D模型模拟计算了不同灌溉和施肥情景下的氮淋失量、根系吸氮量和作物产量,得出作物产量、氮淋失量与灌溉量和施肥量之间的回归方程系数,再利用Matlab优化工具得出不同的氮淋失量控制条件下的灌区优化施肥和灌溉方案。结果表明,农作物净收益随着环境限制条件的放松(即允许氮淋失量的增大)而增加,但增加速度逐渐减缓,表明以牺牲环境达到农业增收的边际效益呈递减趋势。位山灌区在允许氮淋失量为500 kg/hm2(以N计)时的净收益达到最大,相应的灌溉量为240 mm,施肥量为732 kg/hm2(以N计)。如需更严格控制氮淋失量,施肥量将受到限制,可能导致农民净收益减少,政府可通过农业环境补贴的方式进行经济补偿,以鼓励更环保的生产活动。通过科学合理的灌溉量和施肥量指导,可以实现经济效益和环境效益的双赢。研究结果可为灌区农业环境管理和政府环境保护补偿方式的制定提供参考。     

沣河水污染特征及非点源污染负荷估算分析

沣河流域的主要污染指标为COD、BOD5、NH4+-N等,非点源污染负荷的定量化对流域水污染控制和水环境综合治理意义重大。结合沣河1986-2009年水量、含沙量及水质状况监测数据进行有机污染综合指数及相关分析,并采用平均浓度法对流域的非点源污染负荷和点源污染负荷进行了研究。结果表明:(1)有机污染综合指数(A值)呈抛物线趋势,径流量与沣河水质呈负相关性,含沙量与沣河水质呈正相关性。通过产业结构调整等措施,近年来沣河水质有明显改善;(2)沣河的污染负荷大部分来自降雨径流引起的非点源污染,在沣河水污染中TN的非点源污染负荷比例在56%以上,TP的非点源污染负荷比例在68%以上,NH4+-N的非点源污染负荷比例在63%以上,比重较大,非点源污染对沣河水质的影响不容忽视,而且TP受到的影响相对最大,可通过合理配置水土保持措施,有效防治非点源污染。     

晋江流域非点源氮磷负荷及污染源解析

计算流域非点源氮磷负荷并以此开展源解析对于水体污染控制具有重要意义。基于DEM数据,运用GIS工具划分子流域,提取土地利用和土壤类型等空间相关资料,通过调查及小区试验获取模型参数,建立晋江流域非点源氮磷污染负荷模型;利用SLURP模型和输出系数模型分别核算流域内不同景观类型土地输出径流和农村污染溶解态氮磷负荷,利用修正的USLE土壤侵蚀通用方程核算吸附态氮磷负荷,并进行污染源解析。结果表明:晋江流域非点源氮负荷为12298.95t/a,大部分为溶解态氮,占到了94.13%,主要来自畜禽养殖、农田径流和农村生活污水,其源贡献率分别为31.72%、26.38%和17.44%;非点源磷负荷为667.04t/a,溶解态磷和吸附态磷对流域总磷负荷贡献比例相当,分别为56.73%和43.27%,主要来自土壤侵蚀、农田径流和农村生活污水,其贡献率分别为43.27%、21.10%和12.25%。总体分析表明,土壤侵蚀、农田径流和畜禽养殖是影响晋江流域非点源氮磷负荷的主要污染源,亟待优先控制。     

农业非点源污染预测模型研究进展

农业非点源污染是一种间歇发生、随机性、突发性、不确定性很强的复杂过程，因此, 模型化研究一直是非点源污染研究领域的一个核心内容。该文回顾了农业非点源污染预测模型的发展，简要阐述了国外农田尺度和流域规模尺度农业非点源污染模拟模型的功能和研究进展，对中国非点源污染预测、模型发展及存在问题进行了论述，提出从农业生产和水环境保护的角度去探讨污染物运移特征和定量预测模型，结合3S技术，并考虑非点源污染的不确定性将是今后非点源污染模型研究的主要内容之一。     

基于排水过程分析的水稻灌区农田面源污染模拟

对前郭灌区主要面源污染物迁移、转化及汇集过程开展了2a的系统试验与监测,模拟了灌区面源污染水质水量过程,分析了灌区农田面源污染形成机制。水均衡测定结果表明,灌区排水主要由灌溉退水、稻田地表弃水和稻田渗流排水3部分组成,采用马斯京根法和连续分段马斯京根法能够有效地模拟各级排水沟道的排水过程。主要面源污染物随水体发生迁移及掺混,采用一级动力学方法描述污染物转化过程,模拟的灌区水质水量过程与实际过程符合较好,稻田地表退水主要影响水稻抽穗前的面源污染入河过程,而渗流排水则在抽穗后灌区排水水质中起主要作用。结果表明水稻灌区中地表排水和稻田渗漏排水对于面源污染过程起主要作用。