農(nóng)業(yè)區(qū)非點(diǎn)源污染敏感評(píng)價(jià)方法

1、農(nóng)業(yè)區(qū)非點(diǎn)源污染敏感評(píng)價(jià)方法1農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染敏感性評(píng)價(jià)的概念和意義農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染敏感性評(píng)價(jià)是針對(duì)不同的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),評(píng)價(jià)它們對(duì)非點(diǎn)源污染形成的影響程度和敏感性,其目的是通過評(píng)價(jià)指出不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在非點(diǎn)源污染形成中的敏感地區(qū)和非敏感地區(qū)。一般認(rèn)為農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染敏感性評(píng)價(jià)的目標(biāo)包括:(1)建立一種簡(jiǎn)單適用的,供資源管理和環(huán)境規(guī)劃工作人員野外識(shí)別農(nóng)業(yè)區(qū)養(yǎng)分元素流失敏感地區(qū)的方法;(2)開發(fā)一種識(shí)別不同農(nóng)業(yè)區(qū)影響非點(diǎn)源污染形成敏感性因子的方法;(3)通過非點(diǎn)源污染評(píng)價(jià),確定可以有效減少農(nóng)業(yè)地區(qū)養(yǎng)分流失的最佳農(nóng)田管理措施(bestmanagementpractices,簡(jiǎn)稱bmps),旨在為降低農(nóng)業(yè)非

2、點(diǎn)源污染服務(wù)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來說,可以將農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染敏感性評(píng)價(jià)與現(xiàn)有的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型相結(jié)合,通過非點(diǎn)源污染評(píng)價(jià)和水質(zhì)模型模擬,研究不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)非點(diǎn)源污染形成的來源和預(yù)測(cè)其對(duì)受納水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的貢獻(xiàn)大小,從而可以采取措施,有效地控制水體污染和富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)展。這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要建立一個(gè)科學(xué)合理的養(yǎng)分元素流失敏感性評(píng)價(jià)方法。美國(guó)農(nóng)業(yè)部于90年代開始提出運(yùn)用建立指標(biāo)體系的方法來評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)地區(qū)養(yǎng)分流失(p,n)的敏感性,以養(yǎng)分流失敏感性指數(shù)來半定量地描述農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的潛在形成過程的空間分布,并用這一評(píng)價(jià)方法來識(shí)別和控制農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物輸出的關(guān)鍵源區(qū)(criticalsourceareas),通過實(shí)施有效的農(nóng)

3、田管理措施,來降低養(yǎng)分流失的危險(xiǎn)性。2農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(以p為例)2.1影響農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染敏感性的因子農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的形成受到多方面因子的影響,不僅包括土壤的理化性質(zhì)、水文、水動(dòng)力學(xué)特征、農(nóng)田管理措施,同時(shí)也包括農(nóng)田景觀結(jié)構(gòu)和空間布局1,2。由于各個(gè)污染物的理化性質(zhì)和流失過程有較大差異,不同污染物的影響因子有所不同,影響?zhàn)B分元素p流失敏感性的因素主要有:(1)土壤侵蝕。土壤侵蝕會(huì)導(dǎo)致土壤顆粒物和養(yǎng)分元素發(fā)生遷移和流失的危險(xiǎn)。通常土壤侵蝕的強(qiáng)弱決定附著于土壤顆粒上的養(yǎng)分元素p流失的強(qiáng)弱,可以作為農(nóng)田中土壤養(yǎng)分元素p流失強(qiáng)弱的一個(gè)指示值6。在水土保持學(xué)科領(lǐng)域中,僅把土壤侵蝕作為對(duì)地

4、表土層的破壞而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種現(xiàn)象,在評(píng)價(jià)其負(fù)效應(yīng)時(shí),往往強(qiáng)調(diào)侵蝕過程對(duì)改變土壤肥力的影響。目前人們已開始把更多的注意力轉(zhuǎn)向研究土壤侵蝕所帶來的環(huán)境問題,如大量沉積物及其所攜帶的養(yǎng)分元素所引起的環(huán)境污染,特別是農(nóng)業(yè)區(qū)土壤養(yǎng)分流失所造成的水源污染,因此土壤侵蝕過程是非點(diǎn)源污染研究的重要內(nèi)容7,8?？刂仆寥狼治g對(duì)于減少p的流失具有重要意義9。美國(guó)在60年代通過大量實(shí)驗(yàn)提出土壤侵蝕方程式usle及后來的rusle,用來預(yù)報(bào)年度內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度。隨后又發(fā)展了wepp非點(diǎn)源污染模型,wepp更注重對(duì)過程和機(jī)理的研究,能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)從農(nóng)田到水體的土壤侵蝕量1012。(2)地表徑流。由p引起的地表水體富營(yíng)養(yǎng)

5、化的加劇主要來源于地表徑流中p的輸入,因此一般不考慮p在地下徑流中的流失9。地表的徑流大小可通過分析土壤的物理特性和降雨過程而獲得。sharpley和smith研究了地表徑流量與徑流中p濃度兩者之間的相互關(guān)系,顯示出二者之間具有較好的相關(guān)關(guān)系13。地表徑流也是影響土壤養(yǎng)分p流失的重要因子之一。(3)農(nóng)地距河流的距離/重現(xiàn)期。當(dāng)養(yǎng)分p流失敏感性評(píng)價(jià)從農(nóng)田地塊尺度推廣到流域尺度時(shí),不同農(nóng)田距河流的遠(yuǎn)近程度成為控制擴(kuò)散過程的一個(gè)重要因子14。johnes和heathwaite提出距離河流較遠(yuǎn)的營(yíng)養(yǎng)物源區(qū)對(duì)非點(diǎn)源污染貢獻(xiàn)的重要性一般要比距離較近的地區(qū)小,這主要是由于養(yǎng)分p在流域內(nèi)從高向低擴(kuò)散與遷移的過

6、程中,將不斷地稀釋和截留。距離越遠(yuǎn),在傳輸過程中被稀釋和截留掉的可能性越大,相反,距離較小,可能性較小15。但是他們只是將農(nóng)田距河流的距離作為一個(gè)單獨(dú)的因子進(jìn)行評(píng)價(jià),并未將其納入系統(tǒng)化的指標(biāo)體系中。gburek和sharpley等人在2000年提出了重現(xiàn)期的概念,將農(nóng)田地塊距河流的距離納入土壤養(yǎng)分p流失敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中16。重現(xiàn)期是水文學(xué)上的一個(gè)概念,指一定強(qiáng)度降雨或洪水發(fā)生頻率的大小。gburek和sharpley等人通過19961997年的徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)建立了徑流峰值與距離之間的定量關(guān)系16。結(jié)合水文學(xué)中普遍使用的重現(xiàn)期與徑流峰值之間的相互關(guān)系,建立了重現(xiàn)期與距離之間的定量關(guān)系16,17

7、。這些定量關(guān)系的確定是基于特定的流域水文學(xué)特征和土地利用特征,推廣應(yīng)用于其他不同特征的流域時(shí)尚需進(jìn)行修正,以反映不同流域的水文和土地利用特征。將重現(xiàn)期作為一個(gè)控制擴(kuò)散過程的因子納入p敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系其步驟如下:首先選擇一系列重現(xiàn)期,盡可能反映影響?zhàn)B分p流失的敏感性評(píng)價(jià)分類等級(jí)(敏感等級(jí)從低到高);用修正后的重現(xiàn)期和距離的定量關(guān)系來確定相應(yīng)的距離;對(duì)重現(xiàn)期/農(nóng)地距河流距離賦予適宜的權(quán)重,和其他因子一起參與養(yǎng)分p流失敏感性指數(shù)的計(jì)算16。(4)土壤養(yǎng)分p背景含量。地表土壤中養(yǎng)分p含量的高低直接影響其對(duì)水體的傳輸18。土壤中養(yǎng)分p含量越高,徑流中可溶性p的濃度將會(huì)越大,侵蝕泥沙中顆粒p的豐富程度也

8、越大,它們之間高度線性相關(guān)的關(guān)系已得到證實(shí)1923。因此土壤中養(yǎng)分p的背景值是影響p流失敏感性的一個(gè)重要因子,通常土壤中p的背景值含量越高,形成非點(diǎn)源污染的可能性越大,該區(qū)的敏感性也較大。(5)化肥和有機(jī)肥的使用量、使用方式和使用時(shí)間。徑流中p的流失受到化肥和有機(jī)肥的使用量、使用方式以及使用時(shí)間等的影響。romkens和nelson研究發(fā)現(xiàn),過磷酸鈣化肥的使用量與徑流中p的流失量有一線性關(guān)系20,baker和laflen通過模擬降雨驗(yàn)證了romkens和nelson研究結(jié)論,并進(jìn)一步探討了不同磷肥使用深度和方式與地表徑流中p的關(guān)系24。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)化肥使用量超出農(nóng)作物吸收能力時(shí),將導(dǎo)致過量養(yǎng)分

9、在土壤中富集,形成潛在的非點(diǎn)源污染源。如果農(nóng)田中使用的化肥長(zhǎng)期超過農(nóng)作物收獲攜帶的養(yǎng)分含量,將導(dǎo)致p在土壤中不斷富集,其結(jié)果是導(dǎo)致p流失危險(xiǎn)性加大;化肥使用方式,如固態(tài)、液態(tài);表施、根施、底施等對(duì)養(yǎng)分元素的流失影響較大。固態(tài)施肥,土壤中有效碳將比液態(tài)方式持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間14?；屎娃r(nóng)藥流失的強(qiáng)度也與使用后降雨發(fā)生的時(shí)間、降雨強(qiáng)度、土壤前期含水量、農(nóng)藥的土壤吸附能力等有關(guān)。選擇適宜的時(shí)間使用化肥將有利于減少養(yǎng)分流失。burwell等研究發(fā)現(xiàn),農(nóng)田中p的流失最容易發(fā)生在種植季節(jié),這時(shí)作物吸收最少,作物覆蓋最少25。因而,為了避免化肥、農(nóng)藥流失,在選擇施肥時(shí)間時(shí)應(yīng)盡量避開大雨和暴雨來臨之前。農(nóng)田中養(yǎng)分

10、流失還與農(nóng)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用有關(guān),農(nóng)作物吸收養(yǎng)分淡季時(shí)最容易發(fā)生流失。為了避免養(yǎng)分過度流失,化肥使用也應(yīng)與農(nóng)作物養(yǎng)分需求高峰期相吻合12,這樣不僅可以提高化肥利用效率,而且也可以避免非點(diǎn)源污染形成。除了上述影響因子外,還有其他一些影響因子,如:土壤ph、土壤質(zhì)地、土壤滲透性等。它們?cè)谵r(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染p流失敏感性的評(píng)價(jià)中,作用相對(duì)較小,同時(shí)有一些與上述因子有重疊作用,在進(jìn)行非點(diǎn)源污染敏感性評(píng)價(jià)時(shí)可以忽略。2.2農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系lemunyon和gilbert從土壤侵蝕、地表徑流、土壤養(yǎng)分p背景值含量、化肥和有機(jī)肥p的使用量以及使用方法等方面,提出了土壤中養(yǎng)分p流失敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體

11、系5。該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系第一次綜合考慮了多因子相互作用下農(nóng)業(yè)地區(qū)養(yǎng)分元素p流失的敏感性大小。但由于沒有考慮地塊距離河流的空間分布,該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)用到流域尺度時(shí),未能客觀反映農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染敏感性的真實(shí)情況。gburek和sharpley等人在考慮農(nóng)業(yè)區(qū)距離對(duì)養(yǎng)分非點(diǎn)源污染影響的基礎(chǔ)上,對(duì)lemunyon和gilbert的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系做了進(jìn)一步的修正,使得該評(píng)價(jià)體系在流域尺度上具有較強(qiáng)的可操作性。提出了“關(guān)鍵源區(qū)(csas)”的概念,認(rèn)為農(nóng)田管理措施必須抓住關(guān)鍵源區(qū),通過采取必要的措施,才能更有效地達(dá)到治理的目的。關(guān)鍵源區(qū)是指一個(gè)流域內(nèi)最易于發(fā)生養(yǎng)分流失且易于識(shí)別的地區(qū)。關(guān)鍵源區(qū)取決于污染源因子和污

12、染擴(kuò)散過程的因子是否同時(shí)存在。污染源因子主要影響土壤中養(yǎng)分元素的輸出潛力,如土壤性質(zhì)、農(nóng)田特征、化肥和有機(jī)肥的使用量及使用方式;污染擴(kuò)散因子主要影響潛在的營(yíng)養(yǎng)元素的輸出過程,如地表徑流、土壤侵蝕過程及農(nóng)田距河流的距離等。3農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染敏感性評(píng)價(jià)方法(以p為例)3.1評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定p流失的敏感性是土壤、地質(zhì)、水文、氣象、人類活動(dòng)等要素綜合作用的結(jié)果。鑒于各個(gè)要素在相互作用的過程中,對(duì)于p流失的不同,重要性各異,賦予各指標(biāo)以不同的權(quán)重。gburek和sharpley等人對(duì)權(quán)重因子的賦值是基于專家評(píng)價(jià)法,因此在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須做進(jìn)一步的野外校驗(yàn)更加準(zhǔn)確地反映每一個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。gburek和s

13、harpley等人確定的各指標(biāo)權(quán)重如表1所示。3.2評(píng)價(jià)等級(jí)確定p流失的評(píng)價(jià)等級(jí)共分5級(jí)(無,低,中,高,極高),對(duì)于不同的指標(biāo),等級(jí)值不同,賦值是在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和調(diào)查資料取得的基礎(chǔ)上采用專家評(píng)價(jià)法。評(píng)價(jià)等級(jí)越高,表明引起養(yǎng)分p發(fā)生遷移與流失的可能性越大。3.3p敏感性指數(shù)的計(jì)算p流失敏感性指數(shù)可以用下列公式來計(jì)算p流失敏感性指數(shù)pi=(源指標(biāo)等級(jí)值×權(quán)重)×(侵蝕等級(jí)值×徑流等級(jí)值×回歸周期)對(duì)p流失敏感性進(jìn)行計(jì)算所得的數(shù)值并不是p的實(shí)際流失量,而是表示p流失敏感性高低的一個(gè)相對(duì)值。該指數(shù)計(jì)算方法中源因子和擴(kuò)散因子的相乘而非相加性強(qiáng)調(diào)了兩者之間的相互作用、

14、同時(shí)存在,避免將潛在的流失危險(xiǎn)性當(dāng)作實(shí)際的流失危險(xiǎn)性,保證了關(guān)鍵源區(qū)必須同時(shí)具備高的源因子和高的擴(kuò)散因子的條件。3.4農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染敏感性綜合評(píng)價(jià)一般根據(jù)敏感性指數(shù)計(jì)算的結(jié)構(gòu)可以將一個(gè)地區(qū)劃分為不同敏感級(jí)別的區(qū)域:輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)、極度敏感區(qū)。通常情況下可以根據(jù)研究區(qū)域的特征,結(jié)合綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,確定不同養(yǎng)分流失敏感區(qū)的空間分布規(guī)律,從而指出不同農(nóng)田區(qū)應(yīng)該采取的最佳農(nóng)田管理措施,以期達(dá)到控制非點(diǎn)源污染的形成。4結(jié)語(yǔ)上面以農(nóng)田中養(yǎng)分元素p流失為例,分析了農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染敏感性評(píng)價(jià)的基本方法,但由于不同養(yǎng)分元素在土壤中的附著習(xí)性、遷移和傳輸過程不同,在進(jìn)行敏感性評(píng)價(jià)時(shí),其指標(biāo)因子的選取有所不同,但評(píng)價(jià)方法類同。對(duì)于土壤中n的流失來說,徑流和土壤侵蝕等擴(kuò)散因子對(duì)n的影響較小,而土壤質(zhì)地和可滲透性對(duì)n的流失影響很大。采用與p流失評(píng)價(jià)指數(shù)相同的計(jì)算方法,將源因子(化肥n的使用量和使用方法,糞肥n的使