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1農(nóng)業(yè)非點源污染敏感性評價的概念和意義

農(nóng)業(yè)非點源污染敏感性評價是針對不同的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),評價它們對非點源污染形成的影響程度和敏感性,其目的是通過評價指出不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在非點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)非點源污染敏感性評價的目標(biāo)包括:(1)建立一種簡單適用的,供資源管理和環(huán)境規(guī)劃工作人員野外識別農(nóng)業(yè)區(qū)養(yǎng)分元素流失敏感地區(qū)的方法;(2)開發(fā)一種識別不同農(nóng)業(yè)區(qū)影響非點源污染形成敏感性因子的方法;(3)通過非點源污染評價,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,簡稱BMPs),旨在為降低農(nóng)業(yè)非點源污染服務(wù)。從長遠(yuǎn)來說,可以將農(nóng)業(yè)非點源污染敏感性評價與現(xiàn)有的水質(zhì)評價模型相結(jié)合,通過非點源污染評價和水質(zhì)模型模擬,研究不同農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)非點源污染形成的來源和預(yù)測其對受納水體富營養(yǎng)化狀態(tài)的貢獻大小,從而可以采取措施,有效地控制水體污染和富營養(yǎng)化發(fā)展。這些目標(biāo)的實現(xiàn)需要建立一個科學(xué)合理的養(yǎng)分元素流失敏感性評價方法。美國農(nóng)業(yè)部于90年代開始提出運用建立指標(biāo)體系的方法來評價農(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)非點源污染的潛在形成過程的空間分布,并用這一評價方法來識別和控制農(nóng)業(yè)非點源污染物輸出的關(guān)鍵源區(qū)(CriticalSourceAreas),通過實施有效的農(nóng)田管理措施,來降低養(yǎng)分流失的危險性。

2農(nóng)業(yè)非點源污染敏感性評價指標(biāo)體系(以P為例)

2.1影響農(nóng)業(yè)非點源污染敏感性的因子

農(nóng)業(yè)非點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、水動力學(xué)特征、農(nóng)田管理措施,同時也包括農(nóng)田景觀結(jié)構(gòu)和空間布局[1,2]。由于各個污染物的理化性質(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。通常土壤侵蝕的強弱決定附著于土壤顆粒上的養(yǎng)分元素P流失的強弱,可以作為農(nóng)田中土壤養(yǎng)分元素P流失強弱的一個指示值[6]。在水土保持學(xué)科領(lǐng)域中,僅把土壤侵蝕作為對地表土層的破壞而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種現(xiàn)象,在評價其負(fù)效應(yīng)時,往往強調(diào)侵蝕過程對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源污染研究的重要內(nèi)容[7,8]?？刂仆寥狼治g對于減少P的流失具有重要意義[9]。美國在60年代通過大量實驗提出土壤侵蝕方程式USLE及后來的RUSLE,用來預(yù)報年度內(nèi)土壤侵蝕強度。隨后又發(fā)展了WEPP非點源污染模型,WEPP更注重對過程和機理的研究,能較準(zhǔn)確地預(yù)測從農(nóng)田到水體的土壤侵蝕量[10～12]。

(2)地表徑流。由P引起的地表水體富營養(yǎng)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流失敏感性評價從農(nóng)田地塊尺度推廣到流域尺度時,不同農(nóng)田距河流的遠(yuǎn)近程度成為控制擴散過程的一個重要因子[14]。Johnes和Heathwaite提出距離河流較遠(yuǎn)的營養(yǎng)物源區(qū)對非點源污染貢獻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)從高向低擴散與遷移的過程中,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單獨的因子進行評價,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流失敏感性評價指標(biāo)體系中[16]。重現(xiàn)期是水文學(xué)上的一個概念,指一定強度降雨或洪水發(fā)生頻率的大小。Gburek和Sharpley等人通過1996～1997年的徑流觀測數(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]。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尚需進行修正,以反映不同流域的水文和土地利用特征。將重現(xiàn)期作為一個控制擴散過程的因子納入P敏感性評價指標(biāo)體系其步驟如下:①首先選擇一系列重現(xiàn)期,盡可能反映影響?zhàn)B分P流失的敏感性評價分類等級(敏感等級從低到高);②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;③對重現(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的濃度將會越大,侵蝕泥沙中顆粒P的豐富程度也越大,它們之間高度線性相關(guān)的關(guān)系已得到證實[19～23]。因此土壤中養(yǎng)分P的背景值是影響P流失敏感性的一個重要因子,通常土壤中P的背景值含量越高,形成非點源污染的可能性越大,該區(qū)的敏感性也較大。

(5)化肥和有機肥的使用量、使用方式和使用時間。徑流中P的流失受到化肥和有機肥的使用量、使用方式以及使用時間等的影響。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通過模擬降雨驗證了Romkens和Nelson研究結(jié)論,并進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,將導(dǎo)致過量養(yǎng)分在土壤中富集,形成潛在的非點源污染源。如果農(nóng)田中使用的化肥長期超過農(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流失危險性加大;化肥使用方式,如固態(tài)、液態(tài);表施、根施、底施等對養(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)更長的時間[14]?；屎娃r(nóng)藥流失的強度也與使用后降雨發(fā)生的時間、降雨強度、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,在選擇施肥時間時應(yīng)盡量避開大雨和暴雨來臨之前。農(nóng)田中養(yǎng)分流失還與農(nóng)作物對養(yǎng)分的吸收利用有關(guān),農(nóng)作物吸收養(yǎng)分淡季時最容易發(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。它們在農(nóng)業(yè)非點源污染P流失敏感性的評價中,作用相對較小,同時有一些與上述因子有重疊作用,在進行非點源污染敏感性評價時可以忽略。

2.2農(nóng)業(yè)非點源污染敏感性評價指標(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流失敏感性評價指標(biāo)體系[5]。該評價指標(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,該評價指標(biāo)體系應(yīng)用到流域尺度時,未能客觀反映農(nóng)業(yè)非點源污染敏感性的真實情況。Gburek和Sharpley等人在考慮農(nóng)業(yè)區(qū)距離對養(yǎng)分非點源污染影響的基礎(chǔ)上,對Lemunyon和Gilbert的評價指標(biāo)體系做了進一步的修正,使得該評價體系在流域尺度上具有較強的可操作性。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,才能更有效地達到治理的目的。關(guān)鍵源區(qū)是指一個流域內(nèi)最易于發(fā)生養(yǎng)分流失且易于識別的地區(qū)。關(guān)鍵源區(qū)取決于污染源因子和污染擴散過程的因子是否同時存在。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、化肥和有機肥的使用量及使用方式;污染擴散因子主要影響潛在的營養(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)非點源污染敏感性評價方法(以P為例)

3.1評價指標(biāo)權(quán)重的確定

P流失的敏感性是土壤、地質(zhì)、水文、氣象、人類活動等要素綜合作用的結(jié)果。鑒于各個要素在相互作用的過程中,對于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等人對權(quán)重因子的賦值是基于專家評價法,因此在進行實際應(yīng)用時必須做進一步的野外校驗更加準(zhǔn)確地反映每一個指標(biāo)的權(quán)重。Gburek和Sharpley等人確定的各指標(biāo)權(quán)重如表1所示。

3.2評價等級確定

P流失的評價等級共分5級(無,低,中,高,極高),對于不同的指標(biāo),等級值不同,賦值是在監(jiān)測數(shù)據(jù)和調(diào)查資料取得的基礎(chǔ)上采用專家評價法。評價等級越高,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)的計算

P流失敏感性指數(shù)可以用下列公式來計算P流失敏感性指數(shù)PI=[Σ(源指標(biāo)等級值×權(quán)重)]×(侵蝕等級值×徑流等級值×回歸周期)對P流失敏感性進行計算所得的數(shù)值并不是P的實際流失量,而是表示P流失敏感性高低的一個相對值。該指數(shù)計算方法中源因子和擴散因子的相乘而非相加性強調(diào)了兩者之間的相互作用、同時存在,避免將潛在的流失危險性當(dāng)作實際的流失危險性,保證了關(guān)鍵源區(qū)必須同時具備高的源因子和高的擴散因子的條件。

3.4農(nóng)業(yè)非點源污染敏感性綜合評價

一般根據(jù)敏感性指數(shù)計算的結(jié)構(gòu)可以將一個地區(qū)劃分為不同敏感級別的區(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)合綜合評價結(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,以期達到控制非點源污染的形成。

4結(jié)語

上面以農(nóng)田中養(yǎng)分元素P流失為例,分析了農(nóng)業(yè)非點源污染敏感性評價的基本方法,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,在進行敏感性評價時,其指標(biāo)因子的選取有所不同,但評價方法類同。對于土壤中N的流失來說,徑流和土壤侵蝕等擴散因子對N的影響較小,而土壤質(zhì)地和可滲透性對N的流失影響很大。采用與P流失評價指數(shù)相同的計算方法,將源因子(化肥N的使用量和使用方法,糞肥N的使用量和使用方法)和土壤特性(土壤質(zhì)地和可滲透性)結(jié)合起來進行評價。通過利用上述方法,在美國進行的許多實例研究表明,P和N具有不同的關(guān)鍵源區(qū)。P的典型源地區(qū)僅占整個流域的一小部分,且主要分布在靠近河流地區(qū)。N的流失則發(fā)生在整個流域上,有較大的關(guān)鍵源區(qū),且流失敏感性高的地區(qū)多分布在流域邊界而不是近河流地區(qū)。研究表明,針對農(nóng)業(yè)非點源污染的關(guān)鍵源區(qū)進行相應(yīng)的規(guī)劃管理,能夠有效地控制農(nóng)業(yè)非點源污染的形成,改善水體質(zhì)量,避免過去在大范圍內(nèi)的低效管理[16,26]。