农业区非点源污染敏感评价方法

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1农业非点源污染敏感性评价的概念和意义

农业非点源污染敏感性评价是针对不同的农田生态系统,评价它们对非点源污染形成的影响程度和敏感性,其目的是通过评价指出不同农田生态系统在非点源污染形成中的敏感地区和非敏感地区。一般认为农业非点源污染敏感性评价的目标包括:(1)建立一种简单适用的,供资源管理和环境规划工作人员野外识别农业区养分元素流失敏感地区的方法;(2)开发一种识别不同农业区影响非点源污染形成敏感性因子的方法;(3)通过非点源污染评价,确定可以有效减少农业地区养分流失的最佳农田管理措施(BestManagementPractices,简称BMPs),旨在为降低农业非点源污染服务。从长远来说,可以将农业非点源污染敏感性评价与现有的水质评价模型相结合,通过非点源污染评价和水质模型模拟,研究不同农田生态系统非点源污染形成的来源和预测其对受纳水体富营养化状态的贡献大小,从而可以采取措施,有效地控制水体污染和富营养化发展。这些目标的实现需要建立一个科学合理的养分元素流失敏感性评价方法。美国农业部于90年代开始提出运用建立指标体系的方法来评价农业地区养分流失(P,N)的敏感性,以养分流失敏感性指数来半定量地描述农业非点源污染的潜在形成过程的空间分布,并用这一评价方法来识别和控制农业非点源污染物输出的关键源区(CriticalSourceAreas),通过实施有效的农田管理措施,来降低养分流失的危险性。

2农业非点源污染敏感性评价指标体系(以P为例)

2.1影响农业非点源污染敏感性的因子

农业非点源污染的形成受到多方面因子的影响,不仅包括土壤的理化性质、水文、水动力学特征、农田管理措施,同时也包括农田景观结构和空间布局[1,2]。由于各个污染物的理化性质和流失过程有较大差异,不同污染物的影响因子有所不同,影响养分元素P流失敏感性的因素主要有:

(1)土壤侵蚀。土壤侵蚀会导致土壤颗粒物和养分元素发生迁移和流失的危险。通常土壤侵蚀的强弱决定附着于土壤颗粒上的养分元素P流失的强弱,可以作为农田中土壤养分元素P流失强弱的一个指示值[6]。在水土保持学科领域中,仅把土壤侵蚀作为对地表土层的破坏而影响农业生产的一种现象,在评价其负效应时,往往强调侵蚀过程对改变土壤肥力的影响。目前人们已开始把更多的注意力转向研究土壤侵蚀所带来的环境问题,如大量沉积物及其所携带的养分元素所引起的环境污染,特别是农业区土壤养分流失所造成的水源污染,因此土壤侵蚀过程是非点源污染研究的重要内容[7,8]。控制土壤侵蚀对于减少P的流失具有重要意义[9]。美国在60年代通过大量实验提出土壤侵蚀方程式USLE及后来的RUSLE,用来预报年度内土壤侵蚀强度。随后又发展了WEPP非点源污染模型,WEPP更注重对过程和机理的研究,能较准确地预测从农田到水体的土壤侵蚀量[10～12]。

(2)地表径流。由P引起的地表水体富营养化的加剧主要来源于地表径流中P的输入,因此一般不考虑P在地下径流中的流失[9]。地表的径流大小可通过分析土壤的物理特性和降雨过程而获得。Sharpley和Smith研究了地表径流量与径流中P浓度两者之间的相互关系,显示出二者之间具有较好的相关关系[13]。地表径流也是影响土壤养分P流失的重要因子之一。

(3)农地距河流的距离/重现期。当养分P流失敏感性评价从农田地块尺度推广到流域尺度时,不同农田距河流的远近程度成为控制扩散过程的一个重要因子[14]。Johnes和Heathwaite提出距离河流较远的营养物源区对非点源污染贡献的重要性一般要比距离较近的地区小,这主要是由于养分P在流域内从高向低扩散与迁移的过程中,将不断地稀释和截留。距离越远,在传输过程中被稀释和截留掉的可能性越大,相反,距离较小,可能性较小[15]。但是他们只是将农田距河流的距离作为一个单独的因子进行评价,并未将其纳入系统化的指标体系中。Gburek和Sharpley等人在2000年提出了重现期的概念,将农田地块距河流的距离纳入土壤养分P流失敏感性评价指标体系中[16]。重现期是水文学上的一个概念,指一定强度降雨或洪水发生频率的大小。Gburek和Sharpley等人通过1996～1997年的径流观测数据建立了径流峰值与距离之间的定量关系[16]。结合水文学中普遍使用的重现期与径流峰值之间的相互关系,建立了重现期与距离之间的定量关系[16,17]。这些定量关系的确定是基于特定的流域水文学特征和土地利用特征,推广应用于其他不同特征的流域时尚需进行修正,以反映不同流域的水文和土地利用特征。将重现期作为一个控制扩散过程的因子纳入P敏感性评价指标体系其步骤如下:①首先选择一系列重现期,尽可能反映影响养分P流失的敏感性评价分类等级(敏感等级从低到高);②用修正后的重现期和距离的定量关系来确定相应的距离;③对重现期/农地距河流距离赋予适宜的权重,和其他因子一起参与养分P流失敏感性指数的计算[16]。

(4)土壤养分P背景含量。地表土壤中养分P含量的高低直接影响其对水体的传输[18]。土壤中养分P含量越高,径流中可溶性P的浓度将会越大,侵蚀泥沙中颗粒P的丰富程度也越大,它们之间高度线性相关的关系已得到证实[19～23]。因此土壤中养分P的背景值是影响P流失敏感性的一个重要因子,通常土壤中P的背景值含量越高,形成非点源污染的可能性越大,该区的敏感性也较大。

(5)化肥和有机肥的使用量、使用方式和使用时间。径流中P的流失受到化肥和有机肥的使用量、使用方式以及使用时间等的影响。Romkens和Nelson研究发现,过磷酸钙化肥的使用量与径流中P的流失量有一线性关系[20],Baker和Laflen通过模拟降雨验证了Romkens和Nelson研究结论,并进一步探讨了不同磷肥使用深度和方式与地表径流中P的关系[24]。研究发现,当化肥使用量超出农作物吸收能力时,将导致过量养分在土壤中富集,形成潜在的非点源污染源。如果农田中使用的化肥长期超过农作物收获携带的养分含量,将导致P在土壤中不断富集,其结果是导致P流失危险性加大;化肥使用方式,如固态、液态;表施、根施、底施等对养分元素的流失影响较大。固态施肥,土壤中有效碳将比液态方式持续更长的时间[14]。化肥和农药流失的强度也与使用后降雨发生的时间、降雨强度、土壤前期含水量、农药的土壤吸附能力等有关。选择适宜的时间使用化肥将有利于减少养分流失。Burwell等研究发现,农田中P的流失最容易发生在种植季节,这时作物吸收最少,作物覆盖最少[25]。因而,为了避免化肥、农药流失,在选择施肥时间时应尽量避开大雨和暴雨来临之前。农田中养分流失还与农作物对养分的吸收利用有关,农作物吸收养分淡季时最容易发生流失。为了避免养分过度流失,化肥使用也应与农作物养分需求高峰期相吻合[12],这样不仅可以提高化肥利用效率,而且也可以避免非点源污染形成。

除了上述影响因子外,还有其他一些影响因子,如:土壤pH、土壤质地、土壤渗透性等。它们在农业非点源污染P流失敏感性的评价中,作用相对较小,同时有一些与上述因子有重叠作用,在进行非点源污染敏感性评价时可以忽略。

2.2农业非点源污染敏感性评价指标体系

Lemunyon和Gilbert从土壤侵蚀、地表径流、土壤养分P背景值含量、化肥和有机肥P的使用量以及使用方法等方面,提出了土壤中养分P流失敏感性评价指标体系[5]。该评价指标体系第一次综合考虑了多因子相互作用下农业地区养分元素P流失的敏感性大小。但由于没有考虑地块距离河流的空间分布,该评价指标体系应用到流域尺度时,未能客观反映农业非点源污染敏感性的真实情况。Gburek和Sharpley等人在考虑农业区距离对养分非点源污染影响的基础上,对Lemunyon和Gilbert的评价指标体系做了进一步的修正,使得该评价体系在流域尺度上具有较强的可操作性。提出了“关键源区(CSAs)”的概念,认为农田管理措施必须抓住关键源区,通过采取必要的措施,才能更有效地达到治理的目的。关键源区是指一个流域内最易于发生养分流失且易于识别的地区。关键源区取决于污染源因子和污染扩散过程的因子是否同时存在。污染源因子主要影响土壤中养分元素的输出潜力,如土壤性质、农田特征、化肥和有机肥的使用量及使用方式;污染扩散因子主要影响潜在的营养元素的输出过程,如地表径流、土壤侵蚀过程及农田距河流的距离等。

3农业非点源污染敏感性评价方法(以P为例)

3.1评价指标权重的确定

P流失的敏感性是土壤、地质、水文、气象、人类活动等要素综合作用的结果。鉴于各个要素在相互作用的过程中,对于P流失的不同,重要性各异,赋予各指标以不同的权重。Gburek和Sharpley等人对权重因子的赋值是基于专家评价法,因此在进行实际应用时必须做进一步的野外校验更加准确地反映每一个指标的权重。Gburek和Sharpley等人确定的各指标权重如表1所示。

3.2评价等级确定

P流失的评价等级共分5级(无,低,中,高,极高),对于不同的指标,等级值不同,赋值是在监测数据和调查资料取得的基础上采用专家评价法。评价等级越高,表明引起养分P发生迁移与流失的可能性越大。

3.3P敏感性指数的计算

P流失敏感性指数可以用下列公式来计算P流失敏感性指数PI=[Σ(源指标等级值×权重)]×(侵蚀等级值×径流等级值×回归周期)对P流失敏感性进行计算所得的数值并不是P的实际流失量,而是表示P流失敏感性高低的一个相对值。该指数计算方法中源因子和扩散因子的相乘而非相加性强调了两者之间的相互作用、同时存在,避免将潜在的流失危险性当作实际的流失危险性,保证了关键源区必须同时具备高的源因子和高的扩散因子的条件。

3.4农业非点源污染敏感性综合评价

一般根据敏感性指数计算的结构可以将一个地区划分为不同敏感级别的区域:轻度敏感区、中度敏感区、高度敏感区、极度敏感区。通常情况下可以根据研究区域的特征,结合综合评价结果,确定不同养分流失敏感区的空间分布规律,从而指出不同农田区应该采取的最佳农田管理措施,以期达到控制非点源污染的形成。

4结语

上面以农田中养分元素P流失为例,分析了农业非点源污染敏感性评价的基本方法,但由于不同养分元素在土壤中的附着习性、迁移和传输过程不同,在进行敏感性评价时,其指标因子的选取有所不同,但评价方法类同。对于土壤中N的流失来说,径流和土壤侵蚀等扩散因子对N的影响较小,而土壤质地和可渗透性对N的流失影响很大。采用与P流失评价指数相同的计算方法,将源因子(化肥N的使用量和使用方法,粪肥N的使用量和使用方法)和土壤特性(土壤质地和可渗透性)结合起来进行评价。通过利用上述方法,在美国进行的许多实例研究表明,P和N具有不同的关键源区。P的典型源地区仅占整个流域的一小部分,且主要分布在靠近河流地区。N的流失则发生在整个流域上,有较大的关键源区,且流失敏感性高的地区多分布在流域边界而不是近河流地区。研究表明,针对农业非点源污染的关键源区进行相应的规划管理,能够有效地控制农业非点源污染的形成,改善水体质量,避免过去在大范围内的低效管理[16,26]。