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1農業非點源污染敏感性評價的概念和意義

農業非點源污染敏感性評價是針對不同的農田生態系統,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田生態系統在非點源污染形成中的敏感地區和非敏感地區。一般認為農業非點源污染敏感性評價的目標包括:(1)建立一種簡單適用的,供資源管理和環境規劃工作人員野外識別農業區養分元素流失敏感地區的方法;(2)開發一種識別不同農業區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業地區養分流失的最佳農田管理措施(BestManagementPractices,簡稱BMPs),旨在為降低農業非點源污染服務。從長遠來說,可以將農業非點源污染敏感性評價與現有的水質評價模型相結合,通過非點源污染評價和水質模型模擬,研究不同農田生態系統非點源污染形成的來源和預測其對受納水體富營養化狀態的貢獻大小,從而可以采取措施,有效地控制水體污染和富營養化發展。這些目標的實現需要建立一個科學合理的養分元素流失敏感性評價方法。美國農業部于90年代開始提出運用建立指標體系的方法來評價農業地區養分流失(P,N)的敏感性,以養分流失敏感性指數來半定量地描述農業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業非點源污染物輸出的關鍵源區(CriticalSourceAreas),通過實施有效的農田管理措施,來降低養分流失的危險性。

2農業非點源污染敏感性評價指標體系(以P為例)

2.1影響農業非點源污染敏感性的因子

農業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、水文、水動力學特征、農田管理措施,同時也包括農田景觀結構和空間布局[1,2]。由于各個污染物的理化性質和流失過程有較大差異,不同污染物的影響因子有所不同,影響養分元素P流失敏感性的因素主要有:

(1)土壤侵蝕。土壤侵蝕會導致土壤顆粒物和養分元素發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分元素P流失的強弱,可以作為農田中土壤養分元素P流失強弱的一個指示值[6]。在水土保持學科領域中,僅把土壤侵蝕作為對地表土層的破壞而影響農業生產的一種現象,在評價其負效應時,往往強調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向研究土壤侵蝕所帶來的環境問題,如大量沉積物及其所攜帶的養分元素所引起的環境污染,特別是農業區土壤養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容[7,8]。控制土壤侵蝕對于減少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,用來預報年度內土壤侵蝕強度。隨后又發展了WEPP非點源污染模型,WEPP更注重對過程和機理的研究,能較準確地預測從農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系,顯示出二者之間具有較好的相關關系[13]。地表徑流也是影響土壤養分P流失的重要因子之一。

(3)農地距河流的距離/重現期。當養分P流失敏感性評價從農田地塊尺度推廣到流域尺度時,不同農田距河流的遠近程度成為控制擴散過程的一個重要因子[14]。Johnes和Heathwaite提出距離河流較遠的營養物源區對非點源污染貢獻的重要性一般要比距離較近的地區小,這主要是由于養分P在流域內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,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,并未將其納入系統化的指標體系中。Gburek和Sharpley等人在2000年提出了重現期的概念,將農田地塊距河流的距離納入土壤養分P流失敏感性評價指標體系中[16]。重現期是水文學上的一個概念,指一定強度降雨或洪水發生頻率的大小。Gburek和Sharpley等人通過1996～1997年的徑流觀測數據建立了徑流峰值與距離之間的定量關系[16]。結合水文學中普遍使用的重現期與徑流峰值之間的相互關系,建立了重現期與距離之間的定量關系[16,17]。這些定量關系的確定是基于特定的流域水文學特征和土地利用特征,推廣應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。將重現期作為一個控制擴散過程的因子納入P敏感性評價指標體系其步驟如下:①首先選擇一系列重現期,盡可能反映影響養分P流失的敏感性評價分類等級(敏感等級從低到高);②用修正后的重現期和距離的定量關系來確定相應的距離;③對重現期/農地距河流距離賦予適宜的權重,和其他因子一起參與養分P流失敏感性指數的計算[16]。

(4)土壤養分P背景含量。地表土壤中養分P含量的高低直接影響其對水體的傳輸[18]。土壤中養分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的關系已得到證實[19～23]。因此土壤中養分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研究發現,過磷酸鈣化肥的使用量與徑流中P的流失量有一線性關系[20],Baker和Laflen通過模擬降雨驗證了Romkens和Nelson研究結論,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的關系[24]。研究發現,當化肥使用量超出農作物吸收能力時,將導致過量養分在土壤中富集,形成潛在的非點源污染源。如果農田中使用的化肥長期超過農作物收獲攜帶的養分含量,將導致P在土壤中不斷富集,其結果是導致P流失危險性加大;化肥使用方式,如固態、液態;表施、根施、底施等對養分元素的流失影響較大。固態施肥,土壤中有效碳將比液態方式持續更長的時間[14]。化肥和農藥流失的強度也與使用后降雨發生的時間、降雨強度、土壤前期含水量、農藥的土壤吸附能力等有關。選擇適宜的時間使用化肥將有利于減少養分流失。Burwell等研究發現,農田中P的流失最容易發生在種植季節,這時作物吸收最少,作物覆蓋最少[25]。因而,為了避免化肥、農藥流失,在選擇施肥時間時應盡量避開大雨和暴雨來臨之前。農田中養分流失還與農作物對養分的吸收利用有關,農作物吸收養分淡季時最容易發生流失。為了避免養分過度流失,化肥使用也應與農作物養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、土壤質地、土壤滲透性等。它們在農業非點源污染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農業非點源污染敏感性評價指標體系

Lemunyon和Gilbert從土壤侵蝕、地表徑流、土壤養分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,提出了土壤中養分P流失敏感性評價指標體系[5]。該評價指標體系第一次綜合考慮了多因子相互作用下農業地區養分元素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,該評價指標體系應用到流域尺度時,未能客觀反映農業非點源污染敏感性的真實情況。Gburek和Sharpley等人在考慮農業區距離對養分非點源污染影響的基礎上,對Lemunyon和Gilbert的評價指標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“關鍵源區(CSAs)”的概念,認為農田管理措施必須抓住關鍵源區,通過采取必要的措施,才能更有效地達到治理的目的。關鍵源區是指一個流域內最易于發生養分流失且易于識別的地區。關鍵源區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分元素的輸出潛力,如土壤性質、農田特征、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元素的輸出過程,如地表徑流、土壤侵蝕過程及農田距河流的距離等。

3農業非點源污染敏感性評價方法(以P為例)

3.1評價指標權重的確定

P流失的敏感性是土壤、地質、水文、氣象、人類活動等要素綜合作用的結果。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,賦予各指標以不同的權重。Gburek和Sharpley等人對權重因子的賦值是基于專家評價法,因此在進行實際應用時必須做進一步的野外校驗更加準確地反映每一個指標的權重。Gburek和Sharpley等人確定的各指標權重如表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,等級值不同,賦值是在監測數據和調查資料取得的基礎上采用專家評價法。評價等級越高,表明引起養分P發生遷移與流失的可能性越大。

3.3P敏感性指數的計算

P流失敏感性指數可以用下列公式來計算P流失敏感性指數PI=[Σ(源指標等級值×權重)]×(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。該指數計算方法中源因子和擴散因子的相乘而非相加性強調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作實際的流失危險性,保證了關鍵源區必須同時具備高的源因子和高的擴散因子的條件。

3.4農業非點源污染敏感性綜合評價

一般根據敏感性指數計算的結構可以將一個地區劃分為不同敏感級別的區域:輕度敏感區、中度敏感區、高度敏感區、極度敏感區。通常情況下可以根據研究區域的特征,結合綜合評價結果,確定不同養分流失敏感區的空間分布規律,從而指出不同農田區應該采取的最佳農田管理措施,以期達到控制非點源污染的形成。

4結語

上面以農田中養分元素P流失為例,分析了農業非點源污染敏感性評價的基本方法,但由于不同養分元素在土壤中的附著習性、遷移和傳輸過程不同,在進行敏感性評價時,其指標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(土壤質地和可滲透性)結合起來進行評價。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具有不同的關鍵源區。P的典型源地區僅占整個流域的一小部分,且主要分布在靠近河流地區。N的流失則發生在整個流域上,有較大的關鍵源區,且流失敏感性高的地區多分布在流域邊界而不是近河流地區。研究表明,針對農業非點源污染的關鍵源區進行相應的規劃管理,能夠有效地控制農業非點源污染的形成,改善水體質量,避免過去在大范圍內的低效管理[16,26]。